We present experimental results from a laser wakefield electron accelerator driven by 70 TW ultrashort laser pulses in Helium and Helium–Nitrogen gaseous plasmas with two different Nitrogen concentrations, showing distinct electron-beam qualities. In order to get a clear view of the involved phenomenon, two-dimensional particle-in-cell simulations are performed which not only agreed with the experimental results but also provided an investigation on the evolution of accelerating structures. The experimental and simulation results depict that the beam loading effect can strongly modify the longitudinal accelerating electric field of the wake wave, imposing diametrically opposite effects on the final electron-beam qualities, especially the energy-spread, in the Helium–Nitrogen gas mixtures with different Nitrogen concentrations. In the Helium–Nitrogen-mixed plasma with a lower Nitrogen concentration (0.5%), if appropriately controlled, the beam loading effect can be employed to flatten the accelerating electric field for reducing the electron-beam energy spread. In contrast, in the Helium–Nitrogen-mixed plasmas with a higher Nitrogen concentration (5%), the accelerating electric field of the wake is locally reversed by the self-fields of the overloaded electron bunch, and the correspondingly generated negative-slope region of electric field increases the electron-beam energy-spread.
我々は、ヘリウムおよびヘリウム–窒素ガスプラズマ中において、70 TWの超短パルスレーザーによって駆動されるレーザー航跡場電子加速器からの実験結果を提示する。ここでは、2つの異なる窒素濃度が、明確に異なる電子ビーム品質をもたらす。関連する現象を明確に理解するため、2次元粒子インセルシミュレーションを実施した。このシミュレーションは実験結果と一致するだけでなく、加速構造の時間発展に関する知見も提供した。実験結果とシミュレーション結果は、ビーム負荷効果が航跡場の縦方向加速電場を強く変調し、異なる窒素濃度のヘリウム–窒素混合ガス中において、最終的な電子ビーム品質、特にエネルギー広がりに対して正反対の影響を及ぼすことを示している。窒素濃度が低い（0.5%）ヘリウム–窒素混合プラズマでは、ビーム負荷効果を適切に制御することで、加速電場を平坦化し、電子ビームのエネルギー広がりを低減させることができる。対照的に、窒素濃度が高い（5%）ヘリウム–窒素混合プラズマでは、過負荷状態の電子バンチの自己電場によって航跡場の加速電場が局所的に反転し、その結果生じる負の勾配領域が電子ビームのエネルギー広がりを増大させる。