Kurzfassung
Der für den Nutzerbetrieb verwendete Freie-Elektronen-Laser (FEL) FLASH am DESY wird aktuell im Rahmen des Projekts FLASH2020+ erneuert, um in einer der beiden Strahlführungen externes Seeding zu realisieren. Insbesondere wird das Prinzip Echo-Enabled Harmonic Generation (EEHG) verwendet werden, um vollständig kohärente FEL-Pulse mit Wellenlängen im XUV- und weichen Röntgenbereich hinunter bis zu /SI{4}{nm} zu erzeugen. Als einer der anspruchsvollsten geplanten Betriebsmodi kann EEHG bei einer Wellenlänge von /SI{4}{nm} besonders empfindlich auf parasitäre Strahldynamik, bekannt als kollektive Effekte, reagieren. In dieser Arbeit verwenden wir analytische Modelle, um den Einfluss von Inkohärenter Synchrotronstrahlung (ISR) und Intra-Beam-Streuung (IBS) auf die Effizienz des EEHG-Prozesses zu untersuchen. Wir führen numerische Simulationen durch, um den Effekt von Kohärenter Synchrotronstrahlung (CSR) in der Seeding-Sektion der Strahlführung auf die spektralen Eigenschaften des EEHG-Bunchings zu untersuchen. Wir vergleichen verschiedene CSR-Modelle und heben die Bedeutung von Aspekten wie Strahlrohrabschirmung und transiente Effekte im Parameterraum des EEHG-Betriebs bei /SI{4}{nm} am FLASH hervor. Darüber hinaus untersuchen wir für CSR, das bemerkenswerte Herausforderungen darstellt, eine Minderungsstrategie unter Verwendung kurzer Seed-Laserpulse zur Optimierung der spektralen Bandbreite. Schließlich demonstrieren wir eine vielversprechende Lösung für die Mikro-Bunching-Instabilität (MBI) mit dem kürzlich installierten Laser Heater. Diese Arbeit ist eine in sich geschlossene detaillierte Untersuchung der Elektronenstrahldynamik von EEHG in der Seeding-Sektion unter Berücksichtigung kollektiver Effekte. Weiterhin ist diese Arbeit ein integraler Bestandteil der laufenden Anstrengungen zur Realisierung von Simulationen des vollständigen Strahlverlaufs zur realistischen Charakterisierung der Leistungsfähigkeit des Seeding-Betriebs in der zukünftigen Strahlführung bei FLASH2020+.
The Free Electron Laser (FEL) user facility FLASH at DESY is currently being upgraded within the framework of the FLASH2020+ project with the goal of converting one of the beamlines into an externally seeded beamline. In particular, the Echo-Enabled Harmonic Generation (EEHG) method will be used to generate fully coherent FEL pulses in XUV and soft X-ray wavelength regions down to /SI{4}{/nano/meter}. As one of the most challenging of the planned operation modes, /SI{4}{/nano/meter} EEHG can be especially sensitive to the parasitic beam dynamics, known as collective effects. In this work, we employ analytical models to investigate the influence of Incoherent Synchrotron Radiation and Intra-Beam Scattering on the efficiency of the EEHG set-up. We perform numerical simulations to study the effect of Coherent Synchrotron Radiation (CSR) in the seeding section of the beamline on the spectral properties of EEHG bunching. We compare different models of CSR and highlight the importance of such aspects of the models as chamber shielding and transient effects in the parameter space of /SI{4}{nm} EEHG set-up at FLASH. Furthermore, for CSR, which poses noticeable challenges, we explore a mitigation strategy using short seed laser pulses to optimize the spectral bandwidth. Finally, we demonstrate a promising solution to the Micro-Bunching Instability (MBI) using the recently installed Laser Heater. This thesis is a self-contained detailed investigation of the electron beam dynamics of EEHG in the seeding section in the presence of collective effects and an integral part of ongoing start-to-end simulation efforts for realistic characterization of the performance of the future seeded FEL beamline at FLASH2020+