Kurzfassung
Dielektrisch beschichtete Wellenleiter-Linearbeschleuniger (DLW LINACs) und einseitige THz-Booster sind die Hauptbeschleunigungskomponenten der AXSIS-Maschine, die jeweils von Mehrzyklus- und Einzelzyklus-THz-Impulsen angetrieben werden. Diese Komponenten versprechen große Fortschritte für kompakte Linearbeschleuniger (LINACs), da sie in der Lage sind, bei THz-Frequenzen höhere Durchbruchsfelder als herkömmliche HF-Komponenten zu ertragen. Zudem bieten sie eine Plattform für Beschleuniger, die hochgradig mit Elektronenkanonen synchronisiert sind. Diese Dissertation untersucht die Optimierung, das Design und die Leistungsevaluation dieser THz-getriebenen Beschleuniger aus elektromagnetischer Sicht und behandelt dabei zentrale Aspekte zur Maximierung der Effizienz der Elektronenbeschleunigung.
Zunächst wird eine umfassende analytische und numerische Richtlinie zur Optimierung zylindrischer DLW LINACs vorgestellt, was den Schwerpunkt dieser Arbeit darstellt. Dabei werden Faktoren wie die Anfangsenergie der Elektronen und die Energie des THz-Impulses berücksichtigt. Der gewünschte $TM_{01}$-Mode des DLW, der seine maximale elektrische Feldkomponente in Beschleunigungsrichtung hat, wird analysiert und nützliche Kennzahlen werden als Ausgangspunkt für das Design eines DLW LINACs eingeführt.
Verschiedene Methoden zur Anregung des gewünschten $TM_{01}$-Mode werden überprüft, und ein wellenleiterbasierter Koppler und Modewandler wird vorgeschlagen, um den linear polarisierten Strahl in einem rechteckigen Wellenleiter an den gewünschten Mode des DLW zu koppeln. Herausforderungen durch parasitäre Modi werden angesprochen, und es wird gezeigt, dass eine symmetrische Struktur im Design des Kopplers unerwünschte Modi unterdrücken und die Gesamtleistung verbessern kann.
Das folgende Kapitel konzentriert sich auf experimentelle Methoden zur Bewertung der Leistung des DLW und des Kopplers, wobei rechteckige Wellenleiter als Eingangsports für eine einfache Prüfung mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA) verwendet werden. Die Phasengeschwindigkeit und die Dispersionskurve des DLW werden für verschiedene Modi, einschließlich des gewünschten Mode, gemessen.
Das darauffolgende Kapitel befasst sich mit dem Design und der Simulation eines mehrschichtigen, einseitig gepumpten THz-Boosters, einschließlich der Auswirkungen von Fertigungsimperfektionen und Ausrichtungsfehlern auf die Leistung sowie den Details des Designs seines Retroreflektorspiegels. Dieser Booster, der von einem Einzelzyklus-THz-Impuls aus einem nichtlinearen Kristall angetrieben wird, zeigt die Fähigkeit, Elektronen von 55 keV auf über 400 keV zu beschleunigen.
Abschließend wird die Kopplungseffizienz von THz-Strahlen in Wellenleitern untersucht. Die Studie betont die Bedeutung von Aperturantennen, insbesondere verschiedener Formen von Hornantennen, für eine effektive Kopplung. Der Reziprozitätssatz der Elektromagnetik zusammen mit der Modenanpassungstheorie (Überlappungsintegral der Felder) wird genutzt, um die Hornantenne sowohl als Empfänger als auch als Sender eines Gaußschen Strahls zu analysieren und ihre Leistung im Beschleunigungskonzept zu bewerten.
Dielectric Loaded Waveguide Linear Accelerators (DLW LINACs) and single-sided THz boosters are the main accelerator components of the AXSIS machine, powered by multi-cycle and single-cycle THz pulses, respectively. These components hold great promise for compact linear accelerators (LINACs) due to their ability to sustain higher breakdown fields at THz frequencies compared to conventional RF components. Additionally, they provide a platform for accelerators that are highly synchronized with electron guns. This thesis explores the optimization, design, and performance evaluation of these THz-driven accelerators from an electromagnetic perspective, addressing key aspects to maximize the efficiency of electron acceleration. Initially, the study presents a comprehensive analytical and numerical guideline for optimizing cylindrical DLW LINACs, which is the main focus of this thesis, considering factors such as initial electron energy and THz pulse energy. The desired $TM_{01}$ mode of the DLW, which has its maximum electric field component in the acceleration direction, is analyzed, and useful guideline figures are introduced as a key starting point for designing a DLW LINAC. Various methods for exciting the desired $TM_{01}$ mode are reviewed, and a waveguide-based coupler and mode converter is proposed to couple the linearly polarized beam in a rectangular waveguide to the desired mode of the DLW. Challenges posed by parasitic modes are addressed, and it is shown that a symmetric structure used in the design of the coupler can suppress unwanted modes and enhance overall performance. The subsequent chapter focuses on experimental methods to evaluate the performance of the DLW and coupler, utilizing rectangular waveguides as input ports for ease of testing with a Vector Network Analyzer (VNA). The phase velocity and dispersion curve of the DLW are measured for different modes, including the desired mode. The following chapter focuses on the design and simulation of a multi-layer, single-sided pumped THz booster, including the impact of fabrication imperfections and alignment on performance, as well as details of the design of its retro-reflector mirror. This booster, driven by a single-cycle THz pulse from a nonlinear crystal, demonstrates the capability to accelerate electrons from 55~keV to above 400~keV. Finally, the coupling efficiency of THz beams into waveguides is examined. The study emphasizes the importance of aperture antennas, particularly different shaped horn antennas, for effective coupling. The reciprocity theorem in electromagnetics, along with mode matching theory (overlap integral of the fields), is leveraged to analyze the horn antenna as both a Gaussian beam receiver and transmitter, evaluating its performance in the acceleration concept.