Höchstintensive Freie Elektronen Laser (FEL) für kurze Wellenlängen benötigen einen hochbrillanten Elektronenstrahl, das heißt, der Strahl sollte eine geringe transversale und longitudinale Größe haben. Er muss eine kleine Divergenz, eine schmale Energieverteilung sowie einen hohen Spitzenstrom besitzen. Zur Überprüfung des geforderten Eigenschaften ist eine detaillierte Charakterisierung des Strahls notwendig.
Der Photoinjektor Teststand bei DESY, Standort Zeuthen (PITZ), wurde als Teststand für die Elektronenquellen des Freien Elektronen Lasers in Hamburg (FLASH) und des European X-ray Free Electron Lasers (XFEL) eingerichtet. Er enthält verschiedene Diagnosegeräte für die detaillierte Charakterisierung von Elektronenpaketen. Schwerpunkt der Untersuchung ist die Charakterisierung des transversalen Phasenraums. Aber auch die Untersuchung des longitudinalen Phasenraums ist vor großer Bedeutung.
Eine Methode den longitudinalen Phasenraum von Elektronenpaketen zu messen basiert auf einem HF-Deflektor. Dieser lenkt Teilchen transversal zu ihrer Bewegungsrichtung ab, und zwar in linearer Abhängigkeit von ihrer longitudinalen Position im Paket. Damit ist die Möglichkeit zur Messung von longitudinalen Eigenschaften der Elektronenpakete gegeben, die mit einer nachfolgenden transversalen Strahlcharakterisierung kombiniert werden kann. Zusätzlich kann mit einer Elektronenspektrometers des longitudinalen Phasenraums gemessen werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Messung des longitudinalen Phasenraums der Elektronenpakete ist die Tomographie. Sie beruht die auf der Messung des Impulsspektrums des Elektronenstrahls bei unterschiedlicher Energie-Zeit Abhängigkeit. Bei PITZ kann eine Energie-Zeit-Abhängigkeit durch Variierung der HF-Phase des Nachbeschleunigers (CDS booster) kontrolliert auf den Elektronenstrahl eingeprägt werden. Daher wird die durch eine Veränderung der HF-Phase der Nachbeschleunigerkavität die Energie-Zeit-Abhängigkeit des Elektronenstrahls verändern. Die daraus resultierende neue Impulsverteilung wird mit einem Dipolspektrometer gemessen werden. Auf diese Weise kann der longitudinale Phasenraum am Eingang und Ausgang des Nachbeschleunigers über einen weiten Bereich der Ladung der Elektronenpakete rekonstruiert werden.
In dieser Arbeit werden beide Methoden zur Messung des longitudinalen Phasenraums detailliert beschrieben und neue Messtechniken werden vorgestellt. Die numerischen Simulationen der Messungen wurden durchgeführt. Die Resultate von Messungen des longitudinalen Phasenraums, die bei PITZ zum ersten Mal mit Hilfe der Tomographietechnik durchgeführt wurden, werden in dieser Arbeit dargestellt.
Short wavelength, high intensity Free Electron Lasers (FELs) require a high brightness electron beam, i.e. the beam should have small transverse and longitudinal sizes, small divergence and energy spread and high peak current. Therefore, the detailed characterization of the beam is required.
The Photo Injector Test facility at DESY, Zeuthen site (PITZ), was established as a test stand of the electron source for Free electron Laser in Hamburg (FLASH) and the European X ray Free Electron Laser (XFEL). The PITZ beamline consists of various types of diagnostic devices for the detailed bunch characterization. Mainly, the transverse phase space characterization is performed at PITZ, but longitudinal phase space measurements are also of great importance for full characterization of high brightness electron bunches from the photo injector.
One of the ways to measure the longitudinal phase space of electron bunch is an RF deflector. It deflects particles transversely with respect to the movement direction of the bunch in a linear dependence on their longitudinal coordinates within the bunch. As a result it gives the possibility to perform measurements of the bunch longitudinal properties in combination with a following transverse beam characterization. Using additionally a dispersive section the longitudinal phase space can be obtained as well.
Another approach to measure the longitudinal phase space of the bunch is a tomographic method based on measurements of the momentum spectra while varying the electron bunch energy chirp. The energy chirp at PITZ can be applied and changed by varying the RF phase of the CDS booster – the accelerating structure installed downstream the gun. The resulting momentum distribution can be measured with a dipole spectrometer downstream. As a result, the longitudinal phase space at the entrance and exit of the CDS booster can be reconstructed over a wide range of bunch charges.
In this thesis both methods for longitudinal phase space measurements are described in detail. Measurement techniques are introduced. Numerical simulations of the measurements are performed and studied. Results of the first longitudinal phase space measurements at PITZ using the tomographic technique are presented.