Upon the interaction of 60 TW Ti: sapphire laser pulses with 4 mm long supersonic nitrogen gas jet, a directional x-ray emission was generated along with the generation of stable quasi-monoenergetic electron beams having a peak energy of 130 MeV and a relative energy spread of ∼ 20%. The betatron x-ray emission had a small divergence of 7.5 mrad and a critical energy of 4 keV. The laser wakefield acceleration process was stimulated in a background plasma density of merely 5.4 × 1017 cm−3 utilizing ionization injection. The non-self-focusing and stable propagation of the laser pulse in the pure nitrogen gaseous plasma should be responsible for the simultaneous generation of the high-quality X-ray and electron beams. Those ultra-short and naturally-synchronized beams could be applicable to ultrafast pump-probe experiments.

1.
T.
Tajima
and
J. M.
Dawson
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
267
(
1979
).
2.
A.
Rousse
,
K. T.
Phuoc
,
R.
Shah
,
A.
Pukhov
,
E.
Lefebvre
,
V.
Malka
,
S.
Kiselev
,
F.
Burgy
,
J. P.
Rousseau
,
D.
Umstadter
, and
D.
Hulin
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
135005
(
2004
).
3.
N. D.
Powers
,
I.
Ghebregziabher
,
G.
Golovin
,
C.
Liu
,
S.
Chen
,
S.
Banerjee
,
J.
Zhang
, and
D. P.
Umstadter
,
Nature Photonics.
8
,
28
(
2014
).
4.
L. M.
Chen
,
F.
Liu
,
W. M.
Wang
,
M.
Kando
,
J. Y.
Mao
,
L.
Zhang
,
J. L.
Ma
,
Y. T.
Li
,
S. V.
Bulanov
,
T.
Tajima
,
Y.
Kato
,
Z. M.
Sheng
,
Z. Y.
Wei
, and
J.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
215004
(
2010
).
5.
W.
Lu
,
M.
Tzoufras
,
C.
Joshi
,
F. S.
Tsung
,
W. B.
Mori
,
J.
Vieira
,
R. A.
Fonseca
, and
L. O.
Silva
,
Phys. Rev. Spec. Top.--Accel. Beams
10
,
061301
(
2007
).
6.
S. P. D.
Mangles
,
C. D.
Murphy
,
Z.
Najmudin
,
A. G. R.
Thomas
,
J. L.
Collier
,
A. E.
Dangor
,
E. J.
Divall
,
P. S.
Foster
,
J. G.
Gallacher
,
C. J.
Hooker
,
D. A.
Jaroszynski
,
A. J.
Langley
,
W. B.
Mori
,
P. A.
Norreys
,
F. S.
Tsung
,
R.
Viskup
,
B. R.
Walton
, and
K.
Krushelnick
,
Nature (London)
431
,
535
(
2004
).
7.
C. G. R.
Geddes
,
Cs.
Toth
,
J.
van Tilborg
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
,
D.
Bruhwiler
,
C.
Nieter
,
J.
Cary
, and
W. P.
Leemans
,
Nature (London)
431
,
538
(
2004
).
8.
J.
Faure
,
Y.
Glinec
,
A.
Pukhov
,
S.
Kiselev
,
S.
Gordienko
,
E.
Lefebvre
,
J.-P.
Rousseau
,
F.
Burgy
, and
V.
Malka
,
Nature (London)
431
,
541
(
2004
).
9.
N. M.
Hafz
,
T. M.
Jeong
,
I.
Choi
,
S. K.
Lee
,
K. H.
Pae
,
V. V.
Kulagin
,
J. H.
Sung
,
T. J.
Yu
,
K.
Hong
,
T.
Hosokai
,
J. R.
Cary
,
D. K.
Ko
, and
J. M.
Lee
,
Nat. Photonics
2
,
571
(
2008
).
10.
W. P.
Leemans
,
B.
Nagler
,
A. J.
Gonsalves
,
Cs.
Tóth
,
K.
Nakamura
,
C. G. R.
Geddes
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
S. M.
Hooker
,
Nat. Phys.
2
,
696
(
2006
).
11.
E.
Esarey
,
B. A.
Shadwick
,
P.
Catravas
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. E
65
,
056505
(
2002
).
12.
S.
Kneip
,
C.
McGuffey
,
J. L.
Martins
,
S. F.
Martins
,
C.
Bellei
,
V.
Chvykov
,
F.
Dollar
,
R.
Fonseca
,
C.
Huntington
,
G.
Kalintchenko
,
A.
Maksimchuk
,
S. P. D.
Mangles
,
T.
Matsuoka
,
S. R.
Nagel
,
C. A. J.
Palmer
,
J.
Schreiber
,
K. Ta
Phuoc
,
A. G. R.
Thomas
,
V.
Yanovsky
,
L. O.
Silva
,
K.
Krushelnick
, and
Z.
Najmudin
,
Nat. Phys.
6
,
980
983
(
2010
).
13.
S.
Cipiccia
,
M. R.
Islam
,
B.
Ersfeld
,
R. P.
Shanks
,
E.
Brunetti
,
G.
Vieux
,
X.
Yang
,
R. C.
Issac
,
S. M.
Wiggins
,
G. H.
Welsh
,
M. P.
Anania
,
D.
Maneuski
,
R.
Montgomery
,
G.
Smith
,
M.
Hoek
,
D. J.
Hamilton
,
N. R. C.
Lemos
,
D.
Symes
,
P. P.
Rajeev
,
Val O.
Shea
,
J. M.
Dias
, and
D. A.
Jaroszynski
,
Nat. Phys.
7
,
867
(
2011
).
14.
F.
Albert
,
R.
Shah
,
K. Ta.
Phuoc
,
R.
Fitour
,
F.
Burgy
,
J. P.
Rousseau
,
A.
Tafzi
,
D.
Douillet
,
T.
Lefrou
, and
A.
Rousse
,
Phys. Rev. E
77
,
056402
(
2008
).
15.
J.
Ju
,
K.
Svensson
,
H.
Ferrari
,
A.
Döpp
,
G.
Genoud
,
F.
Wojda
,
M.
Burza
,
A.
Persson
,
O.
Lundh
,
C.-G.
Wahlström
, and
B.
Cros
,
Phys. Plasmas.
20
,
083106
(
2013
).
16.
D. H.
Froula
,
C. E.
Clayton
,
T.
Doppner
,
K. A.
Marsh
,
C. P. J.
Barty
,
L.
Divol
,
R. A.
Fonseca
,
S. H.
Glenzer
,
C.
Joshi
,
W.
Lu
,
S. F.
Martins
,
P.
Michel
,
W. B.
Mori
,
J. P.
Palastro
,
B. B.
Pollock
,
A.
Pak
,
J. E.
Ralph
,
J. S.
Ross
,
C. W.
Siders
,
L. O.
Silva
, and
T.
Wang
,
Phys. Rev. Lett
103
,
215006
(
2009
).
17.
A.
Pak
,
K. A.
Marsh
,
S. F.
Martins
,
W.
Lu
,
W. B.
Mori
, and
C.
Joshi
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
025003
(
2010
).
18.
C.
McGuffey
,
A. G. R.
Thomas
,
W.
Schumaker
,
T.
Matsuoka
,
V.
Chvykov
,
F. J.
Dollar
,
G.
Kalintchenko
,
V.
Yanovsky
,
A.
Maksimchuk
, and
K.
Krushelnick
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
025004
(
2010
).
19.
C. E.
Clayton
,
J. E.
Ralph
,
F.
Albert
,
R. A.
Fonseca
,
S. H.
Glenzer
,
C.
Joshi
,
W.
Lu
,
K. A.
Marsh
,
S. F.
Martins
,
W. B.
Mori
,
A.
Pak
,
F. S.
Tsung
,
B. B.
Pollock
,
J. S.
Ross
,
L. O.
Silva
, and
D. H.
Froula
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
105003
(
2010
).
20.
M.
Chen
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
,
C. G. R.
Geddes
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Plasmas
19
,
033101
(
2012
).
21.
C.
Kamperidis
,
V.
Dimitriou
,
S. P. D.
Mangles
,
A. E.
Dangor
, and
Z.
Najmudin
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
56
,
084007
(
2014
).
22.
F.
Li
,
J. F.
Hua
,
X. L.
Xu
,
C. J.
Zhang
,
L. X.
Yan
,
Y. C.
Du
,
W. H.
Huang
,
H. B.
Chen
,
C. X.
Tang
,
W.
Lu
,
C.
Joshi
,
W. B.
Mori
, and
Y. Q.
Gu
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
015003
(
2013
).
23.
M.
Zeng
,
M.
Chen
,
Z. M.
Sheng
,
W. B.
Mori
, and
J.
Zhang
,
Phys. Plasmas.
21
,
030701
(
2014
).
24.
M. Z.
Mo
,
A.
Ali
,
S.
Fourmaux
,
P.
Lassonde
,
J. C.
Kieffer
, and
R.
Fedosejevs
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
074101
(
2012
).
25.
A. J.
Goers
,
S. J.
Yoon
,
J. A.
Elle
,
G. A.
Hine
, and
H. M.
Milchberg
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
214105
(
2014
).
26.
M. Z.
Tao
,
N. A. M.
Hafz
,
S.
Li
,
M.
Mirzaie
,
A. M. M.
Elsied
,
X. L.
Ge
,
F.
Liu
,
T.
Sokollik
,
L. M.
Chen
,
Z. M.
Sheng
, and
J.
Zhang
,
Phys. Plasmas.
21
,
073102
(
2014
).
27.
F.
Albert
,
B. B.
Pollock
,
J.
Shaw
,
K. A.
Marsh
,
Y. H.
Chen
,
D.
Alessi
,
J. E.
Ralph
,
P. A.
Michel
,
A.
Pak
,
C. E.
Clayton
,
S. H.
Glenzer
, and
C.
Joshi
,
Proc. SPIE
8779
,
87791
Q (
2013
).
28.
N. M.
Hafz
,
I. W.
Choi
,
J. H.
Sung
,
H. T.
Kim
,
K.-H.
Hong
,
T. M.
Jeong
,
T. J.
Yu
,
V.
Kulagin
,
H.
Suk
,
Y.-C.
Noh
,
D.-K.
Ko
, and
J.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
151501
(
2007
).
29.
W. C.
Yan
,
L. M.
Chen
,
D. Z.
Li
,
L.
Zhang
,
N. A. M.
Hafz
,
J.
Dunn
,
Y.
Ma
,
K.
Huang
,
L.
Su
,
M.
Chen
,
Z. M.
Sheng
, and
J.
Zhang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
111
,
5825
(
2014
).
30.
K.
Tanaka
,
T.
Yabuuchi
,
T.
Sato
,
R.
Kodama
,
Y.
Kitagawa
,
T.
Takahashi
,
T.
Ikeda
,
Y.
Honda
, and
S.
Okuda
,
Rev. Sci. Instrum.
76
,
013507
(
2005
).
31.
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
W. P.
Leemans
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1229
(
2009
).
32.
J. Y.
Mao
,
L. M.
Chen
,
L. T.
Hudson
,
J. F.
Seely
,
L.
Zhang
,
Y. Q.
Sun
,
X. X.
Lin
, and
J.
Zhang
,
Rev. Sci. Instrum.
83
,
043104
(
2012
).
33.
S.
Kneip
,
S. R.
Nagel
,
C.
Bellei
,
N.
Bourgeois
,
A. E.
Dangor
,
A.
Gopal
,
R.
Heathcote
,
S. P. D.
Mangles
,
J. R.
Marque`s
,
A.
Maksimchuk
,
P. M.
Nilson
,
K. Ta
Phuoc
,
S.
Reed
,
M.
Tzoufras
,
F. S.
Tsung
,
L.
Willingale
,
W. B.
Mori
,
A.
Rousse
,
K.
Krushelnick
, and
Z.
Najmudin
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
105006
(
2008
).
You do not currently have access to this content.