Stability and performance studies of the PITZ photoelectron gun

Abstract

The invention of free electron lasers (FELs) opened new opportunities for the investigation of natural phenomena. However, the operation of a FEL requires high energy, high peak current electron beams with very small transverse emittance which causes extreme requirements for the corresponding electron sources. Besides the high beam quality, the electron sources must have very high operational stability and reliability. One of the electron source types which satisfy FEL requirements is a photoelectron gun. Photoelectron guns combine photoemissive electron generation and direct acceleration in a Radio Frequency (RF) cavity. The Photo Injector Test facility at DESY, Zeuthen site (PITZ), was established as a test stand of the electron source for FELs like FLASH and the European XFEL in Hamburg. The studies of the beam emittance at PITZ showed that the gun is able to produce electron beams with emittance even smaller than it is required by XFEL specifications. But the experiments on the emittance revealed discrepancies between expected gun behavior and observation, such as the difference in optimal parameters for the smallest emittance value, asymmetry of the transverse beam profile and the phase spaces. The work performed at PITZ includes preparation of several RF guns for their subsequent operation at FLASH and the European XFEL. RF conditioning of a gun cavity is one of the major steps of the preparation of a high brightness electron source required for modern FELs. A thorough procedure is applied to increase the peak and average RF power in the gun cavity, including an increase of the repetition rate and RF pulse length combined with a gun solenoid current sweep. The main goals of this thesis are: (1) an attempt of deep understanding of physical processes taking place during operation of a photoelectron gun (conditioning process, parameters adjustments); (2) definition of operational problems sources and explanation of the experimentally obtained results in the gun behavior; (3) understanding of the differences between models used to describe the gun operation and the real device. Furthermore, this thesis considers a few key problems of the photoelectron gun implementation at European XFEL: the beam quality improvement, understanding of the beam production behavior and beam features that can have an effect on the output radiation and the gun performance stability at the nominal parameters for XFEL.

Die Entwicklung von Freien-Elektronen-Lasern (FELs) eröffnete neue Möglichkeiten für die Untersuchung verschiedenster Naturphänomene. Die Inbetriebnahme eines FELs erfordert jedoch Hochstrom-Elektronenstrahlen mit hoher Energie und sehr geringer transversaler Emittanz, was spezielle Anforderungen an die Elektronenquellen stellt. Neben der hohen Qualität des Teilchenstrahls müssen die Elektronenquellen eine sehr hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit aufweisen. Einer der Elektronenquellentypen, die die Anforderungen für den FEL erfüllt, ist die Photoelektronen-Kanone. Photoelektronen-Kanonen erzeugen Elektronen mittels Photoeffekt und beschleunigen diese in einem Hohlraumresonator. Die Photo-Injector Testanlage am DESY, Standort Zeuthen (PITZ), wurde als Teststandort für Elektronenquellen für FELs, wie FLASH und den European XFEL in Hamburg, gegründet. Die Untersuchungen der Strahl-Emittanz bei PITZ zeigten, dass die Elektronenkanone in der Lage ist, Teilchenstrahlen mit einer Emittanz zu erzeugen, die noch kleiner ist als für den XFEL erforderlich. Aber die Experimente zur Emittanz zeigten auch eine Abweichung zwischen dem erwarteten Kanonenverhalten und den experimentellen Beobachtungen, wie zum Beispiel der Unterschied in den optimalen Parametern für den kleinsten Emittanzwert, die Asymmetrie des transversalen Strahlprofils und der Phasenräume. Zu den Aufgaben von PITZ zählt unter anderem die Vorbereitung mehrerer Hochfrequenz(HF)-Kanonen für den nachfolgenden Betrieb bei FLASH und dem European XFEL. Die HF-Konditionierung des Hohlraumresonators einer Elektronenkanone ist einer der Hauptschritte bei der Vorbereitung einer hochintensiven Elektronenquelle, die für moderne FELs erforderlich ist. Um sowohl die durchschnittliche als auch die Maximalleistung in dem Hohlraumresonator zu erhöhen, wird ein sorgfältiges Verfahren, bestehend aus der Steigerung der Wiederholfrequenz, Verlängerung des HF-Pulses und einem Solenoid-Strom-Sweep, angewendet. Die Hauptziele dieser wissenschaftlichen Arbeit sind: (1) das tiefere Verständnis der physikalischen Prozesse, die während des Einsatzes einer Photoelektronen-Kanone stattfinden (Konditionierungsprozess, Anpassung der Parameter); (2) Definierung der Fehlerquellen beim Betrieb und Erläuterung der experimentellen Ergebnisse bezüglich des Kanonenverhaltens; (3) Verdeutlichung der Unterschiede zwischen den theoretischen Modellen, die die Elektronenkanone beschreiben, und dem tatsächlichen Aufbau. Darüber hinaus beschäftigt sich diese Dissertation mit einigen wesentlichen Problemen, die die Anwendung der Photoelektronen-Kanone beim European XFEL betreffen: die Verbesserung der Strahlqualität, das Verständnis der Strahl-Erzeugung sowie solcher strahleigenschaften, die sich auf die Ausgangsstrahlung des FEL und die Stabilität der Kanone bei XFEL auswirken können.