Titel: Noninvasive Measurements of Electron Bunch Current Profiles with Few-Femtosecond Resolution at MHz Repetition Rates
Sprache: Englisch
Autor*in: Lockmann, Nils Maris Alexander
GND-Schlagwörter: Freie-Elektronen-LaserGND
FIR-SpektroskopieGND
StrahlüberwachungGND
Erscheinungsdatum: 2021
Tag der mündlichen Prüfung: 2021-09-24
Zusammenfassung: 
Eine neue Generation von Freien-Elektronenlasern im harten Röntgenbereich (XFEL) erzeugt Röntgenstrahlungspulse von unerreichter Brillianz mit Wiederholraten im Megahertzbereich, basierend auf supraleitenden Linearbeschleunigern. Der European XFEL, der erste XFEL dieser Generation, beschleunigt jede Zehntelsekunde einen Pulszug von bis zu 2700 Elektronenpaketen über eine 1.7 km lange Strecke auf maximal 17.5 GeV Strahlenergie. Die Elektronenpakete werden dabei mit bis zu 4.5 MHz einzeln auf drei FEL Strahllinien verteilt, in denen sie ultrakurze Strahlungspulse im harten und weichen Röntgenbereich erzeugen. Das Stromprofil ist dabei von fundamentaler Bedeutung für die Erzeugung dieser XFEL-Pulse und benötigt Spitzenströme im Kiloamperebereich. Allerdings gestaltet sich seine Diagnose, bei der Elektronenpaketdauern runter bis zu wenigen Femtosekunden mit MHz-Wiederholraten vermessen werden müssen, schwierig. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde das Einzelschussspektrometer CRISP am European XFEL installiert und in Betrieb genommen. Die Aufnahme des Spektrums kohärenter Diffraktionsstrahlung (CDR) ermöglicht zum ersten Mal Messungen des Formfaktors der einzelnen Elektronenpakete in zwei Frequenzbändern von 0.7 THz – 6.6 THz (438 μm – 45 μm) und 6.9 THz – 58.4 THz (44 μm – 5.1 μm), ohne die Elektronenpakete dabei für den FEL Betrieb untauglich zu machen. Die Detektorelektronik sowie Signalverarbeitung des Spektrometers wurden speziell für MHz-Wiederholraten angepasst und verfügen in ihrer Kombination über genügend Sensitivität für Paketladungen im Bereich von 50 pC bis 1 nC am European XFEL. Die Stromprofile werden mit einem weiterentwickeltem iterativem Verfahren zur Phasenrückgewinnung aus den gemessenen Formfaktoren rekonstruiert. Mittels einer transversal ablenkenden Struktur sowie eines Kompressionsmonitors wurden die Stromprofile durch Vergleichsmessungen etablierter Diagnostik bestätigt. Die in dieser Arbeit gezeigten Messungen decken eine Bunchdauer von 6 fs bis 100 fs (rms) sowie Spitzenströme bis zu 10 kA ab. Veränderungen der Paketdauer und des Spitzenstroms innerhalb eines Pulszuges wurden mit einer relativen Auflösung der Bunchdauer (rms) von weniger als 1 fs ausgemacht.

The upcoming generation of hard X-ray free-electron lasers (XFEL) delivers X-ray pulses with unmatched brilliance at megahertz repetition rates based on superconducting linear accelerators. The European XFEL, the first XFEL of this generation, accelerates bursts of up to 2700 electron bunches every tenth of a second over a distance of 1.7 km to energies as high as 17.5 GeV. The bunches are distributed individually at a maximum of 4.5 MHz to three FEL beamlines, where they generate ultrashort radiation pulses in the soft and hard X-ray regime. The electron bunch current profile is of fundamental importance for the generation of these XFEL pulses and is required to have kilo-Ampere peak currents. However, diagnosis is challenging because bunch durations as short as a few femtoseconds have to be measured bunch-resolved at MHz repetition rates. In the scope of this thesis, the single-shot spectrometer CRISP has been installed and commissioned at European XFEL. Monitoring of coherent diffraction radiation (CDR) enables for the first time noninvasive and bunch-resolved form factor measurements in two frequency bands: 0.7 THz –
6.6 THz (438 μm – 45 μm) and 6.9 THz – 58.4 THz (44 μm – 5.1 μm). The detector electronics and signal processing of the CRISP spectrometer have been modified for MHz repetition rates and exhibit in combination sufficient sensitivity for the range of bunch charges at European XFEL from 50 pC to 1 nC. The current profiles are reconstructed from the measured form factors with a further developed iterative procedure. Using a transverse deflecting structure and a bunch compression monitor, the current profiles have been confirmed by established comparative diagnostic measurements. The measurements presented in this thesis cover rms bunch durations from 6 fs to 100 fs and peak currents up to 10 kA. Variations of bunch duration and peak current within the bursts of electron bunches have been identified with a relative rms bunch duration resolution of less than 1 fs.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/9346
URN: urn:nbn:de:gbv:18-ediss-97109
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Schmidt, Bernhard
Hillert, Wolfgang
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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