Der Betrieb eines hochverstärkenden Freie-Elektronen Lasers (FEL) stellt hohe Anforderungen an Peakstrom, transversale Emittanz und Energieschärfe des Elektronenstrahls. Zur Untersuchung dieser Strahlparameter ist am Freie-Elektronen Laser in Hamburg (FLASH) eine transversal ablenkende Wanderwellenstruktur (TDS) installiert worden. Das hochfrequente elektromagnetische Feld in der TDS wird genutzt, um die Elektronen vertikal in linearer Abhängigkeit von ihrer Ankunftszeit abzulenken, so dass die Ladungsverteilung in der longitudinal-horizontalen Ebene durch Leuchtschirme abgebildet werden kann. Auf diese Weise konnte das Stromprofil einzelner Elektronenpakete unter FEL-Betriebsbedingungen mit einer bisher unerreichten Auflösung von etwa 10 μm (30 fs) gemessen werden. Eine präzise Messung der Energieverteilung entlang einzelner Elektronenpakete wurde durch die kombinierte Nutzung der TDS und eines Energiespektrometers erreicht. Eine geeignete Variation der Fokussierungsstärke von Quadrupolmagneten erlaubte die Messung der horizontalen Emittanz in Abhängigkeit von der longitudinalen Position (Scheibenemittanz) mit einer longitudinalen Auflösung von etwa 10 μm. Während im Bereich des maximalen Stroms eine deutlich größere Scheibenemittanz gemessen wurde, als aus den Eigenschaften der FEL-Strahlung hervorgeht, konnte durch die Anwendung tomographischer Methoden ein Bereich im Elektronenpaket mit kleiner horizontaler Emittanz und hohem Strom gefunden werden. Der beobachtete Anstieg der Scheibenemittanz im Bereich des maximalen Stroms konnte auf kohärente Emission von Synchrotronstrahlung in Dipolmagneten zurückgeführt werden.
The operation of a high-gain free-electron laser (FEL) puts stringent demands on the peak current, transverse emittance and energy spread of the electron beam. At the Free Electron Laser in Hamburg (FLASH), a transverse deflecting structure (TDS) has been installed to investigate these electron beam parameters. The radio-frequency electromagnetic field in the TDS is utilized to deflect the beam electrons vertically as a function of time so that the charge distribution in the longitudinal-horizontal plane can be imaged with optical transition radiation screens. Using this technique, the single-bunch current profile was measured with an unprecedented resolution of about 10 μm (30 fs) under FEL operating conditions. A precise single-shot measurement of the energy distribution along a bunch was accomplished by using the TDS in combination with an energy spectrometer. Appropriate variations of the focal strengths of quadrupole magnets allowed for the measurement of the horizontal emittance as a function of the longitudinal position within a bunch (slice emittance) with a longitudinal resolution in the order of 10 μm. While the slice emittance in the peak current region was measured to be significantly larger than deduced from properties of the FEL radiation, tomographic methods revealed a bunch region of small horizontal emittance and high current. The observed increase in slice emittance in the peak current region was found to be caused by coherent emission of synchrotron radiation within bending magnets.