Kurzfassung
Aufkommende Hochleistungs-Terahertz-Quellen ebnen den Weg für Terahertz-basierte Manipulation und Beschleu-
nigung ultrakurzer Elektronenpakete und eröffnen damit den Weg zu höheren Beschleunigungsgradienten, die um
eine Größenordnung über den Gradienten von konventionellen Radiofrequenz-betriebenen (RF) Strukturen liegt.
In der vorliegenden Dissertation werden Terahertz-Wellenleiter mit theoretischen Methoden studiert, die im
Bereich der RF-Technik zur Charakterisierung von Beschleunigungsstrukturen etabliert sind. Die Leistungsfähigkeit
einer neuartigen, proof-of-principle Elektronenkanone, die von zwei Einzelzyklus-THz-Pulsen mit je 50 µJ betrieben
wird, wurde simuliert, einschließlich Material- und mechanischen Parametern. Die Ergebnisse prognostizieren
eine unvermeidbare Reduktion gegenüber des verlustfreien Designs, die im Falle der vorliegenden Fallstudie
30 % beträgt. Das Konzept wurde erweitert auf mehrere Schichten, um die Energie entlang der Strahlachse zur
effizienten Beschleunigung zu verteilen. Hierfür wurde im Rahmen dieser Arbeit ein vereinfachtes numerisches
Modell entwickelt, welches anhand eines Fallbeispiels angewandt wurde. Das Fallbeispiel basiert auf der Annahme
von zwei 100 µJ Einzelzyklus-Pulsen als Quelle.
Im Anschluss an die Elektronenkanone sollen die Elektronen in einem THz-Linearbeschleuniger beschleunigt
werden, welcher als dielektrisch ausgekleiderter Wellenleiter (DLW) konzipiert wird. Die ideale Permittivität in
Bezug auf das Verhältnis zwischen Gradient und THz-Pulsenergie wird aus der analytischen Beschreibung der
Felder hergeleitet und ausführlich diskutiert. Das Konzept einer Konstante-Gradienten-Struktur (CG) wurde weiter
entwickelt, welche sich Abschwächung und Shuntimpedanz aufgrund von Ohmschen und dielektrischen Verlusten
zu Nutze macht. Es wird gezeigt, dass CGs weniger THz-Energie benötigen als ihre longitudinal homogenen
Gegenstücke und somit einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Effizienz von THz-Beschleunigern leisten.
Zur Einspeisung der THz-Leistung in den Wellenleiter wird eine kollineare Kopplung im freien Raum über
Hornantennen in Betracht gezogen. Die Kopplung wurde halb-analytisch sowie numerisch untersucht, wobei sich
zeigte, dass sie für die beschleunigende Mode weniger effizient ist (83 %) als für die Grundmode (93 %). Ein
neues, nicht-resonantes Wellenleiter-zu-Wellenleiter-Kopplungsschema wurde im Rahmen dieser Arbeit entworfen,
welches die Kopplungsverluste zur beschleunigenden Mode von 17 % auf 11 % verringert. Der vorgeschlagene,
gebogene Modenkonverter ist nicht nur effizienter, sondern auch um mindestens einen Faktor 10 kompakter entlang
der Strahlachse.
Die Dissertation beschreibt zwei Experimente, die darauf ausgelegt sind, Materialeigenschaften von Dielektrika
und Dispersionseigenschaften von Wellenleitern zu messen. Das Erste ist notwendig, um in der Literatur beobachtete
Schwankungen in der Permittivität aufzulösen und um das Dielektrikum zu testen, das in zukünftigen strahlbasierten
Experimenten verwendet werden soll. Mithilfe des zweiten Aufbaus wurde die Frequenz bestimmt, bei welcher
die Grundmode synchron mit einem Teilchenpaket propagiert und wechselwirkt, und somit ebenfalls mechanische
Abstimmbarkeit ermöglicht. Es wird gezeigt, dass die passende Phasengeschwindigkeit bei 287 GHz für die zu
prüfenden Struktur erreicht wird, indem die Schichtdicke des Dielektrikums variiert wird.
Schließlich wurden die verschiedenen Ergebnisse hinsichtlich der Effizienz von THz-Beschleunigern kombiniert
mit Ergebnissen aus der Literatur, um einen optimierten THz-Transport-Aufbau aufzuzeigen. Im Vergleich zu einem
Referenzlayout, das in dieser oder ähnlicher Form häufig in der Literatur angewandt wird, reduziert das optimierte
Layout die Anforderungen an die erzeugte THz-Energie um einen Faktor drei für die gleiche Beschleunigungsspan-
nung.
Es ist vorgesehen, dass zukünftige dedizierte Experimente und Anlagen von der hier vorgeschlagenen effizienten
Lösung und ihren einzigartigen Eigenschaften profitieren können, und somit kompaktere Röntgenquellen mit
sub-fs-Pulsdauer und ultraschnelle Elektronenbeugung ermöglichen.
Emerging high power THz sources pave the road for THz-driven manipulation and acceleration of ultra-short electron bunches, opening a path to an order of magnitude higher accelerating gradients than conventional radio frequency (RF)-driven structures. In this thesis, THz waveguides are studied with theoretical methods that were established in the field of RF- engineering for the characterization of accelerating devices. The performance of a proof-of-principle, novel electron gun, that is powered by two single-cycle 50 µJ THz pulses, is simulated, including detailed mechanical and material parameters. The results predict an unavoidable reduction in peak field, for the present case study by 30 %. The concept is extended to multiple layers to distribute the energy along the beam axis for efficient acceleration, relying on a simplified numerical model developed in this thesis. The model is applied in a case study which assumes two 100 µJ single-cycle pulses as drivers. Behind the electron gun, the electrons will be accelerated in a THz linear accelerator (linac) which is implemented as dielectric loaded waveguide (DLW). The ideal permittivity with respect to the gradient-to-pulse-energy ratio is derived from a theoretical point of view and is discussed in detail. A constant gradient structure (CG) is designed that leverages waveguide attenuation and shunt impedance due to ohmic and dielectric loss. It is shown that the CG require less THz energy than their longitudinally homogeneous counter-part and is an important solution for improvement in THz accelerator efficiency. A free-space collinear coupling via horn antennas is considered for injecting THz power into the structures. The coupling was studied semi-analytically and numerically, showing that it is less efficient to the accelerating mode (83 %) than to the fundamental mode (93 %). A novel, non-resonant waveguide-to-waveguide coupling scheme has been designed in this thesis which decreases the coupling losses to the accelerating mode from 17 % to 11 %. The proposed bend mode converter is not only more efficient, but also at least a factor of 10 more compact along the beam axis. The thesis describes two experiments, that are designed to measure dielectric parameters and dispersion relations in waveguides. The first one is necessitated to test the dielectric to be used in future beam-based experiments, resolving observed variations of the permittivity in literature. The second setup determines the frequency at which the fundamental mode interacts synchronously with a particle bunch, and enables mechanical tuning. It is shown that, for the device under test, the matching phase velocity is achieved at 287 GHz by varying the dielectric layer thickness. Finally, the various findings on the efficiency of a THz accelerator are combined with results in literature to propose an optimized THz transport setup. In comparison to a reference layout which is often applied in similar form in the literature, this novel scheme reduces the requirement on the generated THz energy by a factor of three for the same accelerating voltage. It is envisaged that future dedicated experiments and facilities may profit from the here proposed, efficient solution and its unique features, enabling more compact X-ray sources with sub-fs pulse duration and ultra-fast electron diffraction.