Kurzfassung
Synchrotronstrahlungsquellen und Freie-Elektronen-Laser haben das Studium von Materie und biologischen Systemen revolutioniert, indem sie einzigartige Kombinationen von Strahlungspuls-Eigenschaften bieten. Obwohl sich diese beiden Arten von Einrichtungen grundlegend in Bezug auf Zeitmaßstäbe, Kohärenzeigenschaften und (Spitzen-)Brillanz unterscheiden, bietet jede eine außergewöhnliche Mischung dieser Merkmale. Die Kombination aus Kohärenz, kurzer Pulsdauer und hohem Photonfluss, die für beide Quellentypen charakteristisch ist, ermöglicht beispiellose experimentelle Möglichkeiten über ein breites Spektrum von Photonenergien. Diese fortschrittlichen Fähigkeiten bringen jedoch auch neue Herausforderungen bei der Charakterisierung und numerischen Modellierung dieser Strahlung mit sich. Eine Verbesserung unseres Verständnisses der Strahlungsdiagnosetechniken und die Entwicklung neuer Simulationsmethoden könnten den Weg für innovative Ansätze zur Verbesserung der Pulseeigenschaften ebnen.
Ich beginne meine Dissertation mit der Untersuchung des Potenzials zur Entwicklung neuer theoretischer Modelle zur Beschreibung teilweise kohärenter Quellen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Strahlung von relativistischen Elektronenstrahlen liegt. Zu diesem Zweck schlage ich eine Reihe numerisch effizienter Algorithmen vor, die darauf ausgelegt sind, individuelle statistische Instanzen des Strahlungsfeldes zu simulieren. Diese Algorithmen sind hochgradig vielseitig und effizient und in der Lage, Strahlung von einer Vielzahl von Quellen zu simulieren, von vollständig inkohärenten bis hin zu teilweise kohärenten Systemen, einschließlich thermischer Quellen, Synchrotronstrahlung und sogar Freie-Elektronen-Laser-Strahlung mit komplizierten Wigner-Funktionsverteilungen.
Insbesondere bietet einer der entwickelten Algorithmen eine neue Perspektive auf die Synchrotronstrahlung. Auf dieser Grundlage schlage ich eine Methode zur Messung der Kohärenzlänge der Synchrotronstrahlung an Linearbeschleuniger-Einrichtungen wie dem Europäischen XFEL vor, die einen nicht-interferometrischen Ansatz verwendet. Durch die direkte Detektion der Strahlung nach der Monochromatisierung und die Anwendung der Autokorrelationsanalyse kann die Kohärenzlänge ohne Interferenzschema bestimmt werden. Diese Messung zeigt auch, dass die monochromatisierte transversale Verteilung der Synchrotronstrahlung aus Spitzen besteht. In der Praxis dient diese Methode als neues Diagnosetool zur Bestimmung der transversalen Elektronenstrahlgröße an Freie-Elektronen-Laser-Einrichtungen, wobei das van Cittert-Zernike-Theorem genutzt wird, um die transversale Kohärenzlänge mit der Elektronenstrahlgröße in Beziehung zu setzen.
Als nächstes konzentriere ich mich auf die Struktur der virtuellen Quelle der Undulatorstrahlung von einem einzelnen Elektron. Obwohl die Undulatorstrahlung im Resonanzfall typischerweise als eine einzelne Taille an der Position der virtuellen Quelle betrachtet wird, zeigen genauere Untersuchungen feinere Details. Es gibt zwei charakteristische Längen, die mit der Undulatorstrahlung verbunden sind: die Gesamtlänge des Geräts und die Periodenlänge. Diese Skalen entsprechen den Strahlungsbildungsdauern und stehen in direktem Zusammenhang mit der Beugungsgröße der Strahlung. In diesem Teil untersuche ich die weniger erforschten Besonderheiten der virtuellen Quelle, die mit der Undulatorperiodenlänge verbunden sind.
Abschließend beschreibe ich einen numerischen Code zur Simulation der Synchrotronstrahlungserzeugung unter dem Einfluss von Wellenleitereffekten. Diese Effekte treten typischerweise im Infrarotfrequenzbereich auf und werden von den metallischen Elementen der Strahllinien beeinflusst, die immer vorhanden sind. Ich führte verschiedene Kreuzprüfungen des entwickelten Codes durch, indem ich ihn mit dem Synchrotron Radiation Workshop-Code für Freiraumszenarien und mit analytischen Ausdrücken für praktische Fälle mit zirkularen Wellenleitern verglich. Diese Forschung trägt zur Entwicklung von Strahllinien für THz-Pump-X-ray-Probe-Experimente an Freie-Elektronen-Laser-Einrichtungen bei. Der letzte Teil der Dissertation enthält numerische Berechnungen für einen Iriswellenleiter, der für den THz-Strahlungstransport durch die Strahllinien von Freie-Elektronen-Lasern entwickelt wurde.
Synchrotron radiation sources and free-electron lasers have revolutionised the study of matter and biological systems by providing unique combinations of radiation pulse characteristics. Although these two types of facilities differ fundamentally in terms of pulses time scales, coherence properties, and (peak) brilliance, each offers an exceptional mix of these features. The combination of coherence, short pulse duration, and high photon flux, characteristic of both types of sources, delivers unparalleled experimental capabilities across a wide range of photon energies. However, these advanced capabilities also introduce new challenges in both the characterisation and numerical modelling of this radiation. Improving our understanding of radiation diagnostics techniques and developing new simulation methods could pave the way for innovative approaches to enhance pulse properties. I begin my thesis by exploring the potential for developing new theoretical models for describing partially coherent sources, with a particular focus on radiation from relativistic electron beams. To this end, I propose a set of numerically efficient algorithms designed to simulate individual statistical instances of the radiation field. These algorithms are highly versatile and efficient, capable of simulating radiation from a range of sources, from fully incoherent to partially coherent systems, including thermal sources, synchrotron radiation, and even free-electron laser radiation with complicated Wigner function distributions. In particular, one of the developed algorithms offers a new perspective on synchrotron radiation. Building on this, I propose a method for measuring the coherence length of synchrotron radiation at linear accelerator facilities, such as the European XFEL, using a non-interferometric approach. By detecting radiation directly after monochromatization and employing auto-correlation analysis, the coherence length can be determined without the need for an interference scheme. This measurement also reveals that the monochromatized transverse distribution of synchrotron radiation consists of spikes. In practice, this method serves as a novel diagnostic tool for determining the transverse electron beam size at free-electron laser facilities, leveraging the van Cittert-Zernike theorem to relate the transverse coherence length to the electron beam size. Next, I focus on the virtual source structure of undulator radiation from a single electron. Although undulator radiation in resonance is typically considered to have a single waist at the virtual source position, closer inspection reveals finer details. There are two characteristic lengths associated with undulator radiation: the overall device length and the period length. These scales correspond to the radiation formation lengths and are directly related to the diffraction size of the radiation. In this part, I examine the less-studied peculiarities of the virtual source associated with the undulator period length. Finally, I describe a numerical code for simulating synchrotron radiation generation in the presence of waveguide effects. These effects typically arise in the infrared frequency range and are influenced by the metallic elements of the beamlines, which are always present. I conducted various cross-checks of the developed code, comparing it with the Synchrotron Radiation Workshop code for free-space scenarios and with analytical expressions for practical cases involving circular waveguides. This research contributes to the development of radiation beamlines for THz pump -- X-ray probe experiments at free-electron laser facilities. The final part of the thesis includes numerical calculations for an iris waveguide designed for THz radiation transport through the beamlines of free-electron lasers.