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Evaluation numerischer Methoden zur Berechnung von Synchrotronstrahlung am ersten Bunchkompressor des Freie-Elektronen-Lasers FLASH

Paech, Andreas Robert :
Evaluation numerischer Methoden zur Berechnung von Synchrotronstrahlung am ersten Bunchkompressor des Freie-Elektronen-Lasers FLASH.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Evaluation numerischer Methoden zur Berechnung von Synchrotronstrahlung am ersten Bunchkompressor des Freie-Elektronen-Lasers FLASH
Language: German
Abstract:

Thema der Arbeit ist die numerische Simulation von elektromagnetischen Feldern für einen Teil des Freie-Elektronen-Lasers FLASH am DESY in Hamburg. Im ersten Bunchkompressor des Linearbeschleunigers durchlaufen die durch Dipolmagnete abgelenkten Elektronenpakete eine U-förmige Metallkammer, wobei Synchrotronstrahlung entsteht. Das Spektrum der aus der Kammer abgestrahlten elektromagnetischen Wellen wird in der Praxis verwendet, um Rückschlüsse auf die Ladungsverteilung der Elektronenpakete zu ziehen. Ziel der Arbeit ist es, die abgestrahlten Felder und das Spektrum über einen weiten Wellenlängenbereich auf numerischem Wege mittels diskretisierender und optischer Methoden zu berechnen. Schwerpunkt bildet hierbei die systematische Untersuchung der Anwendbarkeit der Methode der finiten Integration (FIT) und der geometrischen Beugungstheorie (UTD), welche für solche Probleme bisher noch nicht untersucht wurde. Damit ist es erstmals möglich, den Einfluss der seitlichen Kammerwände auf das Strahlungsspektrum zu untersuchen, was die Hauptmotivation für die Arbeit darstellte. Generelle Herausforderungen bei der Simulation sind der sehr weite Wellenlängenbereich über drei Dekaden, die im Vergleich zur Kammergröße kleinen Wellenlängen, die komplizierte Kammerstruktur und die sehr speziellen Eigenschaften von Synchrotronstrahlungsquellen. Zentrales Ergebnis der Arbeit ist, dass keine der vorgestellten Methoden für sich in der Lage ist, das Spektrum über den gesamten Wellenlängenbereich zu berechnen. Erst durch Kombination der verschiedenen Verfahren ergibt sich das gewünschte Ergebnis. Bestätigt werden die Simulationsergebnisse durch eine gute Übereinstimmung mit bei DESY durchgeführten Messungen. Weiterhin wurden im Laufe der Arbeit Probleme bei den Messungen und ein unerwünscht starker Einfluss der transversalen Bunchverteilung auf das Strahlungsspektrum erkannt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis deals with the numerical simulation of electromagnetic fields for a part of the free-electron laser FLASH at DESY in Hamburg. In the first bunch compressor of the linear accelerator, electrons are deflected on a U-shaped path in a metal chamber by dipole magnets, thereby generating synchrotron radiation. The spectrum of the electromagnetic waves radiated from the vacuum chamber is used to obtain information about the charge distribution of the electron bunches. The aim of this work is to calculate the radiated fields and the spectrum by numerical methods for a wide wavelength range, employing discretizing and optical methods. The main focus is on a systematic investigation of the applicability of the Finite Integration Technique (FIT) and the Uniform Theory of Diffraction (UTD), which have not been investigated for this kind of problem until now. With the employed methods, it is possible to investigate the influence of the lateral chamber walls on the radiation spectrum for the first time, which has been the main motivation for this work. General challenges for the simulations are the very wide wavelength range over three decades, the large chamber dimensions compared to the small wavelength, the complicated chamber geometry and the specific properties of synchrotron radiation sources. The main result of the thesis is that none of the discussed methods on its own is possible to calculate the spectrum over the whole wavelength range. Only by combining different methods, the desired result can be obtained. The results are confirmed by good agreement with measurements performed by DESY. Furthermore, several problems regarding the measurements and an unexpectedly strong influence of the transversal bunch distribution on the radiation spectrum have been discovered by this work.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000946
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-9461
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Weiland, Prof. Dr.- Thomas and Meißner, Prof. Dr.- Peter
Advisors: Weiland, Prof. Dr.- Thomas
Refereed: 14 February 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/946
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