Kurzfassung
Moderne bildgebende Verfahren erlauben die Untersuchung von Materie über die Grenzen des Auflösungsvermögens von sichtbaren Lichtes hinaus [1]. Hierzu geeignetes Licht kann nur von komplexen und teuren Lichtquellen erzeugt werden, deren Verfügbarkeit stark limitiert ist. Der größte Kostenfaktor beim Bau dieser Maschinen ist der Teilchenbeschleuniger, der die benötigten hochrelativistische Elektronenstrahlen bereitstellt. Ein alternatives Beschleuniger-Konzept könnte diesen teilweise ersetzen, der sogenannte Laser-Plasma Beschleuniger (PWA) [2]. Dieser nutzt die elektrischen Felder in laserinduzierten Plasmen geringer Dichte, welche um etwa drei Größenordnungen höher sind und damit Größe und Kosten des Beschleunigers bei gleicher Elektronenenergie signifikant reduzieren. Die entstehenden Elektronenwolken sind extrem kompakt (Pulslängen von unter einer Femtosekunde), bieten enorme Elektronendichten und Ströme bei geringen Emitanzen [3]. Gleichzeitig leidet die noch junge Technologie aber unter Instabilitäten bei Strahlposition und Richtung und in der Breite der Elektronenenergieverteilung.
Um die Vorteile des neuen Beschleunigerkonzeptes für die Erzeugung von Licht durch sogenannte Undulatoren nutzen zu können (magnetische Strukturen in denen hochenergetische Elektronen konstruktiv interferierendes Licht emittieren indem sie durch relativistische Lorentz-Kräfte auf
eine Wellenartige Bahn gelenkt werden), ist es notwendig das Design dieser Undulatoren auf die Besonderheiten des PWA Elektronenstrahls anzupassen. In dieser Arbeit werden hierzu zwei verschiedene Undulatordesigns besprochen. Eines ist für die spontane Erzeugung von Licht durch einen relativ kurzen 0.5 m langen Undulator optimiert, das Andere für die Erzeugung von selbstverstärktem, laserartigen Licht eines sogenannten Freien-Elektronen Lasers (FEL). Für den ersten Fall wurde das magnetische Design geplant, simuliert und auf das zu erzeugende Spektrum hin optimiert. Im zweiten Fall wurden in einer Machbarkeitsstudie die zu erwartenden Fertigungstoleranzen dahingehend überprüft, ob ein erstes Experiment zur Erzeugung von PWA getriebener FEL Strahlung möglich ist. Die zu erreichende Genauigkeit und Qualität des magnetischen Feldes des Undulators wurden in einer Start-Ende Simulation von T. Seggebrock berechnet [4]. Im letzten Teil der Arbeit wurde das Spektrum eines kryogenen Undulator-Prototypen analysiert, als erster Feldtest zur Realisierung der weltweit ersten PWA getrieben FEL Beamline.
Most advanced light sources enabling modern scientific imaging methods for the exploration of matter, beyond the limits of resolution in the visible spectrum [1], have become inconceivably complex and cost intense machines and access to these light sources - due to limited and expensive beam times - is rigorously restricted to only a small number of applicants. The highest cost impact of these machines, the particle accelerator, used to generate free moving, highly relativistic electron beams, could be replaced or at least supported by an alternative accelerator concept, the Plasma Wake-field Acceleration (PWA) [2]. Using accelerating fields generated in low-density plasmas, the length of the accelerator can be tremendously reduced, and with it size and costs, by about three orders of magnitude. The electron bunches injected by lasers into these plasma waves, stand out due to their compactness (sub fs scale) providing highest electron densities and peak currents and promise low emittance [3] at the same time. Along with the advantages - so far - the PWA electron beams suffer from severe instabilities in position and direction, as well as in absolute energy and relative energy spread. In order to be able to make use of this acceleration concept for the generation of light in undulators anyway (periodic magnetic structures where electrons emit constructive interfering light transversally accelerated by the Lorentz force), it is necessary to adapt the design of the undulators to the described characteristics of PWA electron beams. In this work two different undulator designs are discussed, one dedicated for the spontaneous emission of light in a short undulator of 0.5 m length and one tailored for the stimulated emission in a Free Electron Laser, both driven by PWA electron beams. In the first case the geometric design was simulated and discussed, to optimize the spectral output, and the final magnetic design was specified. In the second case the manufacturing tolerances, were simulated with their consequences to the required magnetic field conformity resulted from a start-to-end simulation [4] and thus conceptual feasibility could be approved. In the last part of his work, the spectrum of a cryogenic prototype undulator was analyzed, as a field test for the realization of the worlds first PWA driven FEL beam line.