Laser wakefield acceleration (LWFA) in a gas cell target separating injection and acceleration section has been investigated to produce high-quality electron beams. A detailed study has been performed on controlling the quality of accelerated electron beams using a combination of truncated ionization and density downramp injection mechanisms. For this purpose, extensive two-dimensional particle-in-cell simulations have been carried out considering a gas cell target consisting of a hydrogen and nitrogen mixture in the first part and pure hydrogen in the second part. Such a configuration can be realized experimentally using a specially designed capillary setup. Using the parameters already available in the existing experimental setups, we show the generation of an electron beam with a peak energy of 500–600 MeV, relative energy spread less than , normalized beam emittance around 1.5 mm-mrad, and beam charge of 2–5 pC/µm. Our study reveals that the quality of the accelerated electron beam can be independently controlled and manipulated through the beam loading effect by tuning the parameters, e.g. laser focusing position, nitrogen concentration, and gas target profile. These simulation results will be useful for future experimental campaigns on LWFA, particularly at ELI Beamlines.
ガスセルターゲット内で注入部と加速部を分離したレーザー航跡場加速（LWFA）において、高品質な電子ビームを生成するための研究を行った。トランケーテッドイオン化注入と密度ダウンランプ注入を組み合わせることで、加速電子ビームの品質制御に関する詳細な検討を実施した。この目的のため、水素と窒素の混合ガスを第一部分に、純水素を第二部分に用いるガスセルターゲットを想定した大規模な二次元パーティクルインセルシミュレーションを実行した。このような構成は、特別に設計されたキャピラリーを用いることで実験的に実現可能である。既存の実験セットアップで利用可能なパラメータを用いて、ピークエネルギー500〜600 MeV、相対エネルギー広がり1%未満、規格化エミッタンス約1.5 mm-mrad、ビーム電荷2〜5 pC/µmの電子ビームの生成を示した。本研究により、レーザー集光位置、窒素濃度、ガスセルターゲットプロファイルなどのパラメータを調整することで、ビーム負荷効果を通じて加速電子ビームの品質を独立に制御・操作できることが明らかになった。これらのシミュレーション結果は、特にELIビームラインズにおける将来のLWFA実験キャンペーンに有用である。