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Bestimmung der longitudinalen Struktur der Elektronenbunche im Strahl von supraleitenden Beschleunigern

Loos, Henrik :
Bestimmung der longitudinalen Struktur der Elektronenbunche im Strahl von supraleitenden Beschleunigern.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2001)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Bestimmung der longitudinalen Struktur der Elektronenbunche im Strahl von supraleitenden Beschleunigern
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit werden die am supraleitenden Darmstädter Elektronenlinearbeschleuniger S-DALINAC durchgeführten Experimente zur Bestimmung der longitudinalen Struktur der Elektronenbunche vorgestellt. Der Betrieb des Freie-Elektronen-Lasers an diesem Beschleuniger erfordert die Einhaltung der Designparameter, unter denen vor allem die Pulslänge und die Energieschärfe die Werte 2 ps und < 0.3 % einnehmen müssen. Zur Bestimmung der Bunchstruktur wurden zwei Meßplätze installiert, mit denen das Millimeterwellenspektrum kohärenter Übergangsstrahlung (CTR) gemessen wird. Die beiden Spektrometer vom Typ eines Martin-Puplett-Interferometers wurden so ausgelegt, daß sie bei möglichst geringem Raumbedarf für den Einbau am Beschleuniger im dem Spektralbereich von 5 mm bis 0.3 mm empfindlich sind, der zur eindeutigen Bestimmung der Pulsform aus dem Spektrum erforderlich ist. Da bei Wellenlängen größer als 2.5 mm die spektrale Empfindlichkeit des Meßaufbaus durch Beugungseffekte beeinflußt wird, mußte diese Empfindlichkeit durch eine Multi-Moden-Simulation berechnet werden, damit eine Rekonstruktion der Pulsstruktur möglich wird. Durch die Messungen mit den Spektrometern konnte die Einstellung des Beschleunigers soweit optimiert werden, daß der erforderliche Spitzenstrom zum Betrieb des FEL erreicht wurde und damit der FEL anschwingen konnte. Die rekonstruierten Pulsformen ergeben ein konsistentes Bild zu den entsprechenden Ergebnissen aus früheren Simulationen für den Beschleuniger. Neben dem Meßverfahren mit kohärenter Übergangsstrahlung im Frequenzbereich wurde ein Experiment zur Bestimmung der Pulsform im Zeitbereich aufgebaut, das auf der bereits an anderen Beschleunigern gezeigten elektro-optischen Abtastung des Coulombfeldes des Elektronenstrahls mit einem fs-Laser basiert. Um eine zeitliche Korrelation zwischen den 2 ps langen Bunchen des Elektronenstrahls und den weniger als 100 fs langen Pulsen eines Ti:Saphir-Lasers zu erzielen, wurde ein Regelkreis aufgebaut, der eine Synchronisation zwischen beiden auf weniger als 5 ps ermöglichte. In einer Vakuumkammer hinter dem Injektorbeschleuniger wurde in wenigen Millimetern Abstand zum Elektronenstrahl ein ZnTe-Kristall positioniert, dessen vom Coulombfeld des Strahls durch den Pockels-Effekt induzierte Doppelbrechung mit dem ebenfalls in die Kammer geleiteten Laserstrahl gemessen werden sollte. Der Detektor für die Änderung des Polarisationszustands des Lasers hatte eine Sensitivität von 0.5e-5, was um einen Faktor 100 kleiner war, als das Signal, das aus den Designwerten des Beschleunigers erwartet wurde und einen Faktor 10 kleiner, als der Wert, der mit den während des Experiments erreichten Strahlparametern abgeschätzt wurde. Ein Korrelationssignal zwischen den Laserpulsen und den Elektronenbunchen konnte jedoch nicht gefunden werden. Zukünftige Experimente zur elektro-optischen Abtastung des Elektronenstrahls werden am Beschleuniger der TESLA Test Facility stattfinden, an der aufgrund der Bunchladung von mehr als 1 nC ein wesentlich größerer Effekt zu erwarten ist. Ein Meßplatz zur elektro-optischen Bestimmung der Feldstärkeverteilung von kohärenter Übergangsstrahlung befindet sich gegenwärtig dort im Aufbau.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis presents the experiments performed at the superconducting Darmstadt linear accelerator S-DALINAC to determine the longitudinal structure of the electron bunches. The operation of the free-electron laser at the accelerator requires to meet the design parameters, particularly the bunch length with 2 ps and the energy spread with lesser than 0.3 %. To measure the structure of the bunches two diagnostic stations have been constructed, where the millimeter wave spectra of coherent transition radiation can be obtained. Both spectrometers of Martin-Puplett type are designed with minimal space requirements to cover the spectral range between 5 mm and 0.3 mm, necessary for a determination of the bunch shape. The spectral sensitivity above 2.5 mm ist affected by diffraction. Therefore, this sensitivity was simulated by a multi-mode calculation to enable a reconstruction of the bunch shape. With measurements at both diagnostic stations the setup of the accelerator could be optimised to meet the required peak current for the FEL operation and to obtain lasing of the FEL. The bunch shapes reconstructed are accordantly to the results from prior simulations of the accelerator. Besides the diagnostic method in the frequency domain using transition radiation a setup to determine the bunch shape in the time domain has been constructed, which is based on the electro-optic sampling of the coulomb field of the electron beam with femtosecond laser pulses. To correlate the 2 ps long bunches of the electron beam with the less than 100 fs long pulses of a Ti:Sapphire laser, a feedback system was implemented with a timing jitter of the laser better than 5 ps. Inside a vacuum chamber behind the injector accelerator a ZnTe crystal was placed some millimeters beside the electron beam path to measure its birefringence, induced by the coulomb field of the beam and the pockels effect, with the laser beam also directed through the chamber. The sensitivity of the detector for the laser polarisation was 0.5e-5, which was a factor of 100 better than the signal expected from the design values of the accelerator and a factor of 10 better than the value estimated from beam parameters achieved during the experiment. A correlation signal between laser pulses and electron bunches could not be found. Future experiments for electro-optic sampling will take place at the accelerator of the TESLA test facility where due to a bunch charge of more than 1 nC a significantly higher effect can be expected. Currently, a setup to determine the electric field distribution of coherent transition radiation with electro-optic sampling is under construction.English
Uncontrolled Keywords: electron accelerators, beam diagnosis, fourier transform spectroscopy, transition radiation, ultrafast spectroscopy, titanium saphire laser, pockels effect, electro-optic sampling
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
electron accelerators, beam diagnosis, fourier transform spectroscopy, transition radiation, ultrafast spectroscopy, titanium saphire laser, pockels effect, electro-optic samplingEnglish
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:20
Last Modified: 07 Dec 2012 11:47
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000128
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-1282
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Richter, Prof. Dr. Achim and Weiland, Prof. Dr.- Thomas
Advisors: Richter, Prof. Dr. Achim
Refereed: 30 April 2001
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/128
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