Longitudinal Diagnostics for Beam-Based Intra Bunch-Train Feedback at FLASH and the European XFEL

Abstract

Diagnostics and control of the electron beam parameters in order to provide stable and reproducible experimental conditions for the photon users are a crucial part of operating a free-electron laser. For the beam-based longitudinal feedback at FLASH and the European XFEL, three monitor types are discussed: bunch arrival time monitor (BAM), bunch compression monitor (BCM) and synchrotron radiation monitor (SRM). The influence of the amplitudes and phases of the accelerating modules on the electron beam properties is studied analytically, with simulations and in measurements. For the simulations, models of the monitors are integrated into an existing longitudinal particle tracking code and a beam-based feedback framework is developed. An upgrade of the electro-optical units for the BAMs at FLASH and the European XFEL as well as the development of a BCM for the European XFEL are required. All monitors need to be installed, commissioned and characterised. The bunch pattern at FLASH and the European XFEL allowing for the generation of many thousand photon pulses per second with repetition rates up to several megahertz makes great demands on the beam diagnostics and controls. An intra-train feedback is required for stabilising the electron beam parameters along the bunch train. The feedback performance must be evaluated and the control parameters need to be optimised.

Diagnose und Kontrolle der Elektronenstrahlparameter zwecks Bereitstellung stabiler und reproduzierbarer Experimentierbedingungen für die Photonennutzer*innen sind entscheidend für den Betrieb eines Freie-Elektronen-Lasers. Für das strahlbasierte longitudinale Feedback bei FLASH und am Europäischen XFEL werden drei Arten von Monitoren betrachtet: Bunchankunftszeitmonitor (BAM), Bunchkompressionsmonitor (BCM) und Synchrotronstrahlungsmonitor (SRM). Der Einfluss der Amplituden und Phasen der Beschleunigermodule auf die Elektronenstrahleigenschaften wird analytisch, mit Simulationen und in Messungen untersucht. Für die Simulationen werden Modelle der Monitore in einen existierenden Teilchentrackingcode integriert und ein strahlbasiertes Feedback-Framework entwickelt. Ein Upgrade der elektro-optischen Einheiten für die BAMs bei FLASH und am Europäischen XFEL sowie die Entwicklung eines BCMs für den Europäischen XFEL sind erforderlich. Alle Monitore müssen installiert, in Betrieb genommen und charakterisiert werden. Das Bunchschema bei FLASH und am Europäischen XFEL, welches die Erzeugung vieler tausend Photonenpulse pro Sekunde mit Wiederholraten bis zu mehreren Megahertz ermöglicht, stellt große Anforderungen an die Strahldiagnose und -kontrollen. Ein Intra-Train-Feedback wird zur Stabilisierung der Elektronenstrahlparameter entlang des Bunchzuges benötigt. Die Leistungsfähigkeit des Feedbacks ist zu beurteilen und die Kontrollparameter müssen optimiert werden.