Design, Construction and Commissioning of a Cryogenic Undulator for Laser-Plasma Based Free Electron Lasing at Lux

Abstract

In this thesis, the design and commissioning of the cryogenic in-vacuum undulator Frosty is presented, which will be used to demonstrate a possible free electron lasing with a laser plasma accelerated beam at the Lux facility. The design of Lux follows a decompression scheme to reduce the effective energy spread in the FEL, which requires a tunable and taperable gap up to 5 %/m. The machine provides 130 Periods with 15 mm period length and could reach a K parameter of 2.84 at a gap of 2mm when cooled below 77K of temperature. Due to the cooling, thermal gradients and mechanical stresses occur which are compensated by an adequate layout of the tolerance chain and the design of the machine. Especially thermally induced deformations of the gap will cause a high phase advance which is discussed in detail. A measurement bench with an active laser-based closed loop regulation is built to characterize and tune the undulator field. To commission the undulator, fundamental measurements of the spontaneous undulator radiation are presented.

Diese Arbeit behandelt Design, Vermessung und Inbetriebnahme des Tieftemperaturundulators Frosty. Mithilfe dieser Maschine soll ein Freier Elektronen Laser mit Laser-Plasma beschleunigten Elektronen aus dem Lux Beschleuniger nachgewiesen werden. Das Konzept von Lux beinhalted eine Dekompressionssektion um der die effektive Energieverteilung und deren Einfluss auf das Lasing reduziert werden soll. Dafür muss das Spaltmaß des Undulators verstellbar und um 5 %/m verkippbar sein. Der Undulator besteht aus 130 Perioden mit einer jeweiligen Länge von 15 mm und kann einen K Wert von 2.84 bei einem nominellen Spaltmaß von 2 mm erreichen, wenn die Maschine auf unter 77 K gekühlt wird. Das Tieftemperaturverhalten der Maschine erzeugt Temperaturgradienten wodurch mechanische Verspannungen hervorgerufen werden, welche durch eine geschickte Gestaltgebung der Toleranzkette abgefangen werden können. Der thermische Verzug des nominellen Spaltmaßes erzeugt einen Phasenvorschub des abgestrahlten Lichts und wird detailliert behandelt. Zur Vermessung und Optimierung des Magnetfelds wurde eine selbstregulierende, laserbasierte Messbank gebaut. Zum Abschluss der Inbetriebnahme wurden erste grundlegende Eigenschaften der spontanen Undulatorstrahlung vermessen.