Design Study for Generating Sub-femtosecond to Femtosecond Electron Bunches for Advanced Accelerator Development at SINBAD

Abstract

The SINBAD (Short INnovative Bunches and Accelerators at DESY) project is a dedicated, long-term accelerator research and development (R&D) facility currently under construction at the DESY Hamburg campus, aiming to provide an infrastructure for developing several types of novel high-gradient accelerators. The research presented in this thesis addresses the design of the magnetic lattice as well as the modeling and simulations of ultra-short electron bunch generation at the ARES (Accelerator Research Experiment at SINBAD) linac, which is the core of the SINBAD facility. In order to meet the requirements of the high-gradient accelerators, the ARES linac was optimized to provide ~100 MeV, low charge (0.5 to 30 picocoulombs) and ultra-short electron bunches (sub-femtosecond to dozens of femtoseconds) with ultra-small spot sizes (less than a few micrometers) and excellent timing stability (rms bunch arrival-time jitter < 10 femtoseconds). As one of the research branches, the generation of a train of dozens-of-femtosecond-long electron bunches with terahertz repetition rate was experimentally investigated at the SPARC_LAB test facility. A novel method was proposed to simultaneously measure the relative misalignments of the individual electron bunches in both planes, which is beyond the reach of up-to-date beam position monitors.

Das SINBAD (Short INnovative Bunches and Accelerators at DESY) Projekt ist eine dedizierte Einrichtung für langfristige Beschleunigerforschung und -entwicklung (Accelerator R&D). Sie wird derzeit mit dem Ziel Infrastruktur zur Entwicklung mehrerer neuartiger Hochgradientenbeschleuniger bereit zu stellen am DESY in Hamburg gebaut. Die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen befassen sich mit dem Entwurf des magnetischen Lattice, sowie der Modellierung und Simulation der Erzeugung von ultrakurzen Elektronenbunchen mit Hilfe des ARES (Accelerator Research Experiment at SINBAD) Linacs, welcher Kern der SINBAD Anlage ist. Um den Anforderungen der Hochgradientenbeschleuniger gerecht zu werden, wurde der ARES Linac optimiert, um ~100 MeV, niedrige Ladung (0,5 bis 30 Picocoulombs) und ultrakurze Elektronenbunche (Subfemtosekunden bis Dutzenden Femtosekunden) mit ultrakleine Punktgrößen (weniger als ein paar Mikrometer) und hervorragender Timing- Stabilität (RMS-Ankunftszeit-Jitter <10 Femtosekunden) bereitstellen zu können. Als einer der Forschungszweige wurde in der SPARC_LAB-Testanlage die Erzeugung eines Zuges von 10 Femtosekunden langen Elektronenbunchen mit Terahertz- Wiederholungsrate experimentell untersucht. Hierbei wurde ein neuartiges Verfahren vorgeschlagen, um die relative Fehlausrichtungen einzelner Elektronenbunche gleichzeitig in beiden Ebenen messen zu können, was mit aktuellen Strahlpositionsmonitoren nicht ohne Weiteres möglich wäre.