Development and Commissioning of a Double-Prism Spectrometer for the Diagnosis of Femtosecond Electron Bunches

Abstract

Free-electron lasers as accelerator-driven light sources and wakefield-based acceleration in plasmas require the knowledge of the longitudinal extension and the longitudinal current profile of the involved electron bunches. These bunches can yield lengths below 10 µm, or durations shorter than approx. 33 fs, as well as charges less than 30 pC. During this work, transition radiation from relativistic electron bunches was investigated in the mid-infrared wavelength regime. A spectrometer using an arrangement of two consecutive zinc selenide prisms was developed, built and commissioned. The instrument covers the spectral range from 2 µm to 18 µm in a single shot. Measurements with the double-prism spectrometer were conducted at the FEL facilities FLASH at DESY in Hamburg, Germany and FELIX at the Radboud Universiteit in Nijmegen, The Netherlands. The assessment of the spectrometer and comparative studies with established diagnostic devices at FLASH show high signal-to-noise ratios at bunch charges below 10 pC and confirm the obtained results.

Freie-Elektronen Laser als beschleuniger-getriebene Lichtquellen und Plasma-Kielfeldbeschleuniger benötigen die Kenntnis der Länge und des longitudinalen Stromprofils der beschleunigten Elektronenpakete. Diese Pakete weisen Längen von unter 10 µm bzw.~Pulsdauern kürzer als 33 fs, sowie Gesamtladungen unterhalb von 30 pC auf. In dieser Arbeit wurde Übergangsstrahlung relativistischer Elektronenpakete im mittleren Infrarotbereich untersucht. Ein Spektrometer, welches auf einer Doppelprismen-Anordnung basiert, wurde entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Das Spektrometer deckt den Wellenlängenbereich zwischen 2 µm und 18 µm in einer Einzelschussmessung ab. Messungen mit dem Doppelprismen-Spektrometer wurden an den FEL-Anlagen FLASH bei DESY, Hamburg, Deutschland und FELIX, betrieben von der Radboud Universiteit, Nijmegen, Niederlande, durchgeführt. Die Untersuchung und der Vergleich des Spektrometers mit existerienden Instrumenten am FLASH-Linearbeschleuniger zeigen hohe Signal-zu-Rausch-Verhältnisse bei Paketladungen unter 10 pC und bestätigen die Ergebnisse aus genommenen Messdaten.