Kurzfassung
Moderne S-Band-HF-Guns sind für die Erzeugung von relativistischen Elektronenpaketen mit geringer Emittanz optimiert, dieses erfordert jedoch die Verwendung von hochleistungs Klystrons als HF-Quelle. In dieser Arbeit stelle ich das Design und die ersten experimentellen Tests einer kompakten S-Band-Gun vor. Die vorgestellte S-Band-Gun basiert auf einem kompakten Halbleiter-Verstärker mit einer Spitzenleistung von nur 10 kW und beschleunigt Elektronen auf bis zu 180 keV. Eine stiftförmige Kathode mit einer flachen Spitze von 0,8 mm Durchmesser wird verwendet, um eine Extraktionsfeldstärke von 100 MV/m zu erzeugen, die ebenbürtig mit konventionellen und deutlich größeren S-Band-Guns ist. Die kompakte Gun wurde für zwei Anwendungsfälle designt: (i) sie kann direkt für die ultraschnelle Elektronenbeugung (UED) verwendet werden; (ii) als Injektor für einen THz-Beschleuniger (AXSIS), bestehend aus einem THz-Booster der Elektronenpakete von 0,3 MeV bis 2 MeV und einem THz-Linearbeschleuniger, der 20 MeV erzeugt. Für die Anwendung der ultraschnellen Elektronenbeugung (UED) kann die kompakte Elektronenquelle einen sehr hellen Elektronenstrahl mit einer zeitlichen Auflösung von 10 fs und einer räumlichen Emittanz von 0,1 mm-mrad sowie einer transversalen Kohärenzlänge von 2,0 nm für eine 10 fC-Elektronenpuls erzeugen, was wesentliche Strahlparameter sind, um mit dieser Technik eine nm-fs-Raum-Zeit-Auflösung zu erreichen. Das Multipacting, eine der experimentellen Herausforderungen bei dieser RF-Gun, wurde durch dreidimensionale numerische Simulationen sowie durch systematische Messungen untersucht, was zu einer hervorragenden Korrelation zwischen Simulationen und Experimenten führte. In dieser Arbeit beschreibe ich die Fortschritte bei der Konstruktion und Charakterisierung dieses eleganten und kompakten RF-Photogun und gebe einen Ausblick auf spannende Perspektiven für Experimente zur Strukturdynamik.
S-band RF-guns are highly developed for producing low emittance relativistic electron bunches, but require powerful klystrons for driving. Here, I present the design and first experimental tests of a compact S-band gun that is capable of accelerating electrons up to 180 keV powered by only 10 kW peak power using a compact rack-mountable solid-state amplifier. A pin-shaped cathode with a flat 0.8 mm diameter tip is used to produce an extraction field strength of 100 MV/m as in large-scale S-band guns. The compact gun will serve two purposes: (i) it can be used directly for ultrafast electron diffraction (UED); (ii) as an injector into a THz accelerator (AXSIS) consisting of a THz booster of electron bunches from 0.3 MeV to 2 MeV and a THz linear accelerator generating 20 MeV. For ultrafast electron diffraction (UED) applications, the compact portable electron source can generate a high-brightness electron beam with a temporal resolution of 10 fs, a spatial emittance of 0.1 mm-mrad, and a transverse coherence length of 2.0 nm for 10 fC bunch charge, which are essential beam parameters for achieving nm-fs space-time resolution with this technique. Multipacting, one of the experimental challenges in this RF gun, was studied through three-dimensional numerical simulations as well as by systematic measurements, resulting in an excellent correlation between simulations and experiments. In this thesis I describe the progress in the construction and characterization of this elegant and compact solution to achieving relativistic electron beams in an RF-photogun and provide an outlook for exciting prospects in structural dynamics experiments.