Kurzfassung
Röntgen-Freie-Elektronen Laser (FELs) eröffnen neue Möglichkeiten in der Forschung mit Photonen, und um diese einzigartigen beschleuniger-basierten Lichtquellen vollständig nutzen zu können, ist die Charakterisierung und Kontrolle der Femtosekunden-Elektronen- und -Röntgenstrahlen wesentlich. Im Rahmen dieser kumulativen Arbeit wird über neueste Ergebnisse aus dem aktiven Forschungsfeld der Femtosekunden-Elektronen- und -Röntgenstrahlen bei FELs berichtet. Die Grundlagen von Röntgen-FELs werden beschrieben, und Konzepte von longitudinalen Elektronenstrahl-Diagnostiken mit Femtosekunden-Genauigkeit werden behandelt. Experimentelle Ergebnisse, erhalten mit einer transversal ablenkenden Struktur (TDS) und Spektroskopie von kohärenter Terahertz-Strahlung, werden präsentiert, und die Unterdrückung von kohärenten optischen Strahlungseffekten, notwendig fuer die Diagnostiken, welche eine TDS nutzen, wird demonstriert. Kontrolle des longitudinalen Phasenraumes durch Verwendung von vielfachen Hochfrequenzen für longitudinale Elektronenstrahl-Schneiderei wird präsentiert, und eine neue Technik des reversiblen Heizens von Elektronenstrahlen mit zwei TDSs wird beschrieben. Für die Charakterisierung von Femtosekunden-Röntgenpulsen wird eine neuartige Methode basierend auf dedizierter longitudinaler Phasenraum-Diagnostik für Elektronenstrahlen eingeführt, und neueste Messungen einer Schmier-Technik mit externen Terahertz-Feldern werden präsentiert.
X-ray free-electron lasers (FELs) open up new frontiers in photon science, and in order to take full advantage of these unique accelerator-based light sources, the characterization and control of the femtosecond electron and X-ray beams is essential. Within this cumulative thesis, recent results achieved within the active research field of femtosecond electron and X-ray beams at FELs are reported. The basic principles of X-ray FELs are described, and concepts of longitudinal electron beam diagnostics with femtosecond accuracy are covered. Experimental results obtained with a transverse deflecting structure (TDS) and spectroscopy of coherent terahertz radiation are presented, and the suppression of coherent optical radiation effects, required for diagnostics utilizing a TDS, is demonstrated. Control of the longitudinal phase space by using multiple radio frequencies for longitudinal electron beam tailoring is presented, and a new technique of reversible electron beam heating with two TDSs is described. For the characterization of femtosecond X-ray pulses, a novel method based on dedicated longitudinal phase space diagnostics for electron beams is introduced, and recent measurements with a streaking technique using external terahertz fields are presented.