Kurzfassung
Lasergetriebene Plasmabeschleunigung hat das Potential zu einer Standardtechnik für
eine neue Generation von Teilchenbeschleunigern zu werden. Mit ihren hohen Feldgradienten
und dementsprechend hohen Energiezuwachs könnte sie die Ausmaße von
Teilchenbeschleunigeranlagen stark reduzieren. Darüber hinaus machen ihre kurzen
Elektronenpakete und die intrinsische Synchronisation zum Treiberlaser lasergetriebene
Plasmabeschleuniger zu idealen Kandidaten für zukünftige Photonenquellen, insbesondere
für Pump-Probe-Experimente. Lasergetriebene Undulatorquellen im Besonderen
können ultra-intensive Photonenstrahlen verschiedenster Wellenlängen und Bandbreiten
erzeugen, die bis in den Röntgenbereich hinein durchstimmbar und mit Femtosekunden-
Genauigkeit zu optischen Pump-Pulsen synchronisiert sind. Leider hatten bisherige
Laser-Plasmabeschleuniger mit starken Instabilitäten zu kämpfen, welche von unzureichender
Paramterregulierung und schwankenden Umgebungsbedingungen, die in diesen
Experimenten im Labormaßstab vorlagen, verursacht wurden. Der nun gebaute Beschleuniger
LUX ist eine Forschungs-Beamline, die speziell dafür entwickelt wurde, diese
Probleme zu lösen und die lasergetriebene Plasmabeschleunigung weiterzuentwickeln,
indem sie sich Technologien und Systemstrukturen, welche an konventionellen Beschleunigeranlagen
zu finden sind, zu Nutze macht. Diese Doktorarbeit behandelt sowohl
die Entwicklung als auch die technische Umsetzung dieser Beamline, was auch detaillierte
Beschreibungen mehrere Beamlineelemente beinhaltet. Dabei werden insbesondere
die Online-Diagnostiken, die Steuerung der Maschine, die Datenverarbeitung und
Fähigkeit zum Langzeit-Strahlbetrieb diskutiert. Des Weiteren beinhaltet diese Arbeit
die wissenschaftlichen Ergebnisse der ersten an LUX durchgeführten Messkampagne zum
Röntgenstrahlbetrieb. Pulse weicher Röntgenstrahlung mit Wellenlängen von wenigen
nm bis in das Wasserfenster konnten dabei erzeugt werden, deren Brillanz mit anderen
lasergetriebenen Röntgenquellen vergleichbar sind. Stetige Weiterentwicklung der Beamline
machte es letztlich möglich, den Röntgenstrahlbetrieb bei nahezu gleichbleibender
Strahlqualität über Stunden aufrechtzuerhalten. Diese Messreihe stell die vollständige
Inbetriebnahme von LUX dar, in der alle essenziellen Komponenten eingesetzt werden
konnten. In diesen Messungen zeigte LUX ein Niveau an Strahlverfügbarkeit und
Maschinenkontrolle, das die meisten früheren Experimente deutlich übertraf.
Laser-driven plasma acceleration has the potential to become a standard technology for a new generation of particle accelerators. With its high field gradients and thus high energy gain, it could greatly reduce the size of particle accelerator facilities. Additionally, their short electron bunch lengths and the intrinsic synchronization towards the driver laser makes laser-driven plasma accelerators ideal candidates for future photon sources, especially for pump-probe experiments. Laser-driven undulator sources in particular can generate ultra-intense photon beams of various wavelengths and bandwidths, fully tunable down to the X-ray regime and synchronized to optical pump pulses to an accuracy of a few femtoseconds. Unfortunately, laser-plasma accelerators have so far suffered from serious output instabilities due to lack of parameter control and unstable ambient conditions present in these lab-scale proof-of-principle experiments. The newly constructed LUX accelerator is a dedicated research beamline built to tackle these issues and further development laser-driven plasma acceleration by leveraging the technological development and system integration present at large-scale conventional accelerator facilities. This thesis reports on both the general design process and technical implementation of this beamline, including detailed descriptions of several of its components. It specifically outlines their capabilities for online diagnostics, active machine control, central data management and potential for long-term beamline operation. The thesis furthermore includes the results of the first LUX X-ray campaign. Soft-X-ray pulses in the few-nm regime down to the water windows range were demonstrated, with peak brilliances comparable to other laser-driven X-ray sources. Steady system improvements ultimately allowed continued X-ray operation over several hours without serious performance degradation. These measurements represent the first full commissioning of the machine, in which all major components and diagnostics were fully operational. Throughout these measurements, LUX has shown beam availability and a level of machine automation that significantly surpasses most earlier experiments.