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Titel: Investigations on the Capabilities of THz Production at the PITZ Facility
Sonstige Titel: Untersuchung der Beschleunigeranlage PITZ als potentielle THz-Strahlungsquelle
Sprache: Englisch
Autor*in: Boonpornprasert, Prach
Schlagwörter: Terahertz
GND-Schlagwörter: Photoinjektor; Freie-Elektronen-Laser; Übergangsstrahlung
Erscheinungsdatum: 2020
Tag der mündlichen Prüfung: 2020-01-24
Zusammenfassung: 
Der europäische Röntgenlaser (engl. European X-ray Free Electron Laser, E-XFEL) wurde gebaut, um hochbrillante, ultrakurze Pulse von räumlich kohärentem Röntgenlicht für die Grundlagenforschung bereitzustellen. Einige vorgeschlagene Experimente setzen sowohl die Röntgenpulse der Anlage als auch die Bereitstellung von Pulsen im Terahertzfrequenzbereich (THz) voraus, mit deren Hilfe ein Probenmaterial angeregt wird, bevor es mit dem Röntgenlicht diagnostiziert wird (sog. Pump-probe-Experimente). Ein vielversprechendes Konzept, die benötigten THz-Pulse bereitzustellen, ist eine flexible, beschleunigerbasierte THz-Quelle. Der Photoinjektor Teststand bei DESY in Zeuthen (PITZ) könnte als Prototyp für die Entwicklung einer solchen Quelle dienen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit PITZ dazu geeignet ist. Drei Möglichkeiten zur Erzeugung von THz-Strahlung mit den Elektronenstrahlen von PITZ wurden dafür untersucht: (i) selbstverstärkende spontane Emission in einem Freie-Elektronen Laser (engl. self-amplified spontaneous emission free-electron laser, SASE FEL), (ii) kohärente Übergangsstrahlung (engl. coherent transition radiation, CTR) und (iii) kohärente Beugungsstrahlung (engl. coherent diffraction radiation, CDR).

Die Studien zum THz SASE FEL Aufbau wurden unter Annahme von Elektronenpaketen mit 4 nC Ladung, die in einem Undulator vom Typ APPLE-II mit einer Periodenlänge von 40 mm in helikaler Anordnung strahlen, durchgeführt. Simulationen von der Elektronenquelle bis zum Ende des gesamten Aufbaus (engl. Start-to-end, S2E) ergaben, dass bei 100 μm und 20 μm THz-Wellenlänge Pulsenergien von bis zu 2.5 mJ erreicht werden können. Elektronenpakete mit 4 nC Ladung wurden daraufhin auch experimentell bei PITZ untersucht. Ihre Eigenschaften, unter anderem die Emittanz entlang des Pakets (engl. Slice emittance), die Breite des Teilchenenergiespektrums entlang des Pakets (engl. Slice energy spread) und der Stromverlauf im Elektronenpaket wurden vermessen und optimiert. FEL-Simulationen mit den experimentell erreichten Strahlparametern zeigen erreichbare THz-Pulsenergien im Bereich von einigen 100 μJ.

Weiterhin wurden S2E-Simulationen für die THz-Erzeugung mittels CDR und CTR durchgeführt. Mit einem kurzen, Gauss-förmigen Photokathodenlaserpuls und Kompression der damit erzeugten Elektronenpakete mittels eines Geschwindigkeitsunterschieds der Elektronen entlang des Pakets konnten bei einer Gesamtladung des Elektronenpakets von 1 nC THz-Pulse mit bis zu 4 μJ Gesamtenergie bei einer Frequenz von bis zu 0.4 THz erreicht werden. Bei den entsprechenden Experimenten wurden THz-Pulse mit bis zu 1.85 μJ Pulsenergie und einer kohärenten Frequenz bis zu 1.5 THz gemessen. Schließlich wurde die Erzeugung von THz-Strahlung mittels Pulszügen aus mehreren Elektronenpaketen in S2E-Simulationen und experimentell untersucht. Mehrere schmalbandige Maxima bei höheren harmonischen Vielfachen der Grundfrequenz konnten dabei im Spektrum der erzeugten THz-Strahlung beobachtet werden.

The European XFEL has planned to perform pump-probe experiments by using its x-ray pulses and THz pulses. A promising concept to provide the THz pulses is to generate them using a tunable high-power accelerator-based THz source. The Photo Injector Test Facility at DESY in Zeuthen (PITZ) can serve as a prototype for the development of the THz source. This thesis investigates the capabilities to generate THz pulses using electron bunches from the PITZ accelerator and three methods of THz radiation generation including Self-Amplification of Spontaneous Emission Free-Electron Lasers (SASE FELs), Coherent Transition Radiation (CTR), and Coherent Diffraction Radiation (CDR).

Studies of the THz SASE FEL using 4 nC electron beams and an APPLE-II type undulator with a period length of 40 mm in the helical mode were performed. Start-to-End (S2E) simulations show that FEL pulse energies at 100 μm and 20 μm wavelengths (corresponding to 3 THz and 15 THz frequencies) of up to 2.5 mJ are achievable. Experimental optimization and characterization of 4 nC electron beams for the SASE FEL option were performed at PITZ. Parameters of the beam, including slice emittance, slice energy spread, and current distribution, were measured. FEL simulations based on measured beam parameters show that the FEL pulse energies are in the sub-mJ level.

S2E simulations of the THz radiation generated by CTR and CDR were performed. By using a short Gaussian photocathode laser pulse and an electron bunch compressed by velocity bunching with bunch charge up to 1 nC, CTR and CDR pulse energies up to 4 μJ and frequencies covering up to 0.4 THz are achievable. Corresponding experimental generations of CTR and CDR were performed successfully. Average pulse energies of up to 1.85 μJ and coherent frequencies of up to 1.5 THz were measured. Furthermore, S2E simulations and corresponding experiments of the THz radiation generated by using a comb beam were performed. Several narrow-band peaks at higher-order harmonics were observed in the spectral distributions.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/8359
URN: urn:nbn:de:gbv:18-102551
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Rossbach, Jörg (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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