Kurzfassung
Die Erzeugung ultrakurzer Elektronenpakete ist ein aktives Forschungsgebiet in der Beschleunigerphysik. Eine wichtige Anwendung solcher Elektronenpakete ist die Injektion in neuartige Beschleuniger mit sehr hochfrequenten Beschleunigungsfeldern, wie z.B. Laser-Wakefield-Plasma-Beschleuniger oder dielektrische Laser-Beschleuniger. Der Linearbeschleuniger ARES in der SINBAD-Anlage am DESY, der Ende 2019 in Betrieb gehen wird, hat das Ziel, Elektronenpakete mit Teilchenenergien von 100 MeV bis 150 MeV mit RMS-Längen im Sub-Femtosekunden- und Ladungen im Pikocoulombbereich zu erzeugen. Diese Dissertation befasst sich mit der Herausforderung, solche Elektronenpakete zu charakterisieren. ARES wird zwei Abschnitte beinhalten, die dieser Aufgabe gewidmet sind: die erste gleich stromabwärts des Photoinjektors und die zweite am Ende der Beamline. In dieser Arbeit wurden mehrere neue Methoden, die in diesen zwei Abschnitten benutzt werden sollen, untersucht und entwickelt.
Die niedrige Ladung der im Photoinjektor produzierten Elektronenpakete bedingt einige Herausforderungen bezüglich der Charakterisierung ihrer transversalen Eigenschaften. Eine neue Methode wurde entwickelt, die auf der Analyse des Schattenbilds eines Metallgitters basiert. Eine Routine wurde geschrieben, um die komplette 4D transversale Phasenraumverteilung eines einzelnen Elektronenpakets mit hoher Empfindlichkeit charakterisieren zu können. Es kann sowohl die projizierte, als auch die intrinsische Emittanz ermittelt werden. Die Methode wurde mit Simulationsstudien geprüft und mit der Pepper-Pot Methode in Experiment an der PEGASUS Beamline (UCLA) verglichen. Des Weiteren werden im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte vorbereitende Simulationsstudien für die Inbetriebnahme des ARES Photoinjektors vorgestellt.
Die Messung der longitudinalen Eigenschaften von komprimierten Femtosekundenelektronenpaketen mit ausreichender Auflösung ist eine wichtige Herausforderung für ARES. Es ist vorgesehen zwei transversal ablenkende Strukturen, die als neuartige Besonderheit einen variablen Scherungswinkel ermöglichen, am Ende der Beamline zu installieren. Detaillierte Simulationen von Messungen von ARES Elektronenpaketen zeigen, dass mit dem geplanten Aufbau beispiellose Auflösungen erreicht werden können.
Dies ermöglicht es, Subfemtosekundenelektronenpakete mit hoher Präzision zu messen. Eine neue 3D Ladungsdichte-Rekonstruktionsprozedur, die auf dem Variieren des Scherungswinkels basiert, wird vorgeschlagen und in Simulationen gezeigt. Zudem werden Simulationen von Rekonstruktionen der Energieverteilung, des longitudinalen Phasenraums und der Slice-Emittanz dargestellt und mögliche Limitierungen diskutiert. Ausgehend von den Ergebnissen der durchgeführten Studien wird schließlich ein vorläufiger Entwurf dieses Beamlineabschnitts vorgeschlagen.
The generation of ultrashort electron bunches is an active area of research in accelerator physics. A key application of such bunches is the injection into novel accelerators with high-frequency accelerating fields, such as laser-wakefield plasma accelerators or dielectric laser accelerators. The ARES linac at the SINBAD facility at DESY, which will begin operation in late 2019, has the goal of producing bunches at particle energies of 100 MeV to 150 MeV with rms lengths down to the subfemtosecond level and charges in the picocoulomb range. This thesis addresses the challenge of characterizing such bunches. ARES will feature two sections dedicated to this task: one immediately downstream of the photoinjector and the other at the end of the beamline. In this work, various novel techniques that will be used in these two sections have been investigated and developed. The low charges of the bunches that will be produced in the photoinjector present challenges in characterizing their transverse properties. A new method has been developed based on the analysis of the shadow image of a metal grid. A routine has been written to characterize the whole 4D transverse phase-space distribution with high sensitivity in a single shot, from which the projected and intrinsic emittances are retrievable. This method is verified with simulation studies and benchmarked against the pepper-pot technique in experiments at the PEGASUS beamline at UCLA. Preparatory simulation studies for the commissioning of the ARES photoinjector are presented. Measuring the longitudinal properties of compressed, femtosecond-long bunches with sufficient resolution is a key challenge for ARES. Two transverse deflection structures, which have the novel feature of providing a variable angle of streaking, will be installed at the end of the beamline. Detailed simulations of measurements of ARES bunches show that unprecedented resolutions may be achieved with the prospective setup, which will enable subfemtosecond bunches to be measured with high precision. A new 3D charge-density reconstruction procedure, which relies on varying the streaking angle of the deflector, is proposed and demonstrated in simulations. Simulations of reconstructions of the energy distribution, longitudinal phase space and slice emittance are also shown and the limitations discussed. Finally, a preliminary design of this section of the beamline is proposed based on the studies performed.