Kurzfassung
Eine detaillierte Charakterisierung der Elektronenstrahlen aus einem Photoinjektor ist von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass sie die Anforderungen der FELs erfüllen, d.h. eine geringe transversale Emittanz und Energieverteilung sowie ein hoher Spitzenstrom. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die bestehenden Diagnoseeinrichtungen für die transversale und longitudinale Phasenraumcharakterisierung an der Photoinjektor-Testanlage bei DESY in Zeuthen (PITZ) genutzt und verbessert, um detaillierte und zuverlässige Ergebnisse zu erhalten.
Für die Rekonstruktion der horizontalen und vertikalen Phasenräume verwendet PITZ eine Einzelschlitzabtastung als Standardwerkzeug, da die Elektronenstrahlen von Raumladung dominiert werden. Zur vierdimensionalen Charakterisierung des transversalen Phasenraums, wird eine neue Methode vorgeschlagen, die als virtueller Pfefferstreuer bekannt ist und einen Einblick in die Phasenraumkopplung der transversalen Strahlen geben kann. Sie nutzt die horizontalen und vertikalen Einzelspalt-Scandaten, um durch sorgfältiges Kreuzen und Nachbearbeiten von Beamlets pfefferstreuerartige Beamlets zu bilden. Der Signalverlust an den Rundern der Beamlets aufgrund des geringen Signal-Rausch-Verhältnisses wird im Algorithmus berücksichtigt, und der systematische Fehler, der sich aus der Kreuzung der Beamlets ergibt, wird ebenfalls erforscht.
Zur Rekonstruktion des Longitudinalen Phasenraums (LPS) vor der Booster wurde eine tomografische Rekonstruktionsmethode, die so genannte algebraische Rekonstruktionstechnik, verwendet, wobei die LPS-Ergebnisse viele Artefakte aufwiesen. In dieser Arbeit wurden methodische Studien durchgeführt, um die bestehende LPS-Tomographietechnik zu verbessern. Es wurden einige zentrale Probleme angegangen, z. B. der Phasenbereich des Boosters, Raumladungseffekte und verrauschte Artefakte in den Ergebnissen. Als Rekonstruktionsmethode wurde ein Bildraum Rekonstruktionsalgorithmus verwendet, der vielversprechende Ergebnisse lieferte, da er eine nicht-negative Lösung garantiert. Außerdem wurde die anfängliche Abschätzung der LPS aus Messungen im Niederenergiebereich in den Algorithmus eingebracht um eindeutige Ergebnisse zu erzielen.
In the scope of this thesis work, the existing diagnostic setups for the transverse and longitudinal phase space characterization at the Photo Injector Test facility at DESY in Zeuthen (PITZ) have been utilized to obtain detailed and reliable results. PITZ, being a test facility for European XFEL and FLASH, needs to do detailed characterization of electron beams to ensure that they meet the requirements of the FELs, i.e., small transverse emittance and energy spread as well as high peak current. For the reconstruction of the horizontal and vertical phase spaces, PITZ utilizes a slit scan technique as a standard tool because of its space charge dominated electron beams. A novel method for 4 dimensional transverse phase space characterization, known as virtual pepper pot, is proposed that can give insight to the transverse beam phase space coupling. It utilizes the horizontal and vertical single slit scan data to form pepper pot like beamlets. The systematic error of the methodology is explored and the loss of signal at the halo of the horizontal and vertical beamlets due to low signal to noise ratio is considered in the algorithm. To reconstruct the Longitudinal Phase Space (LPS) before the booster accelerating structure, a tomographic reconstruction method called algebraic reconstruction technique was utilized, but the LPS results showed many artefacts. In this thesis, methodical studies were done to improve the existing LPS tomography technique. Some core concerns were addressed e.g. booster phase range, space charge effects and noisy artefacts in results. The reconstruction method adopted was an image space reconstruction algorithm which showed promising results owing to assurance of non-negative solution. Moreover, the initial guess of LPS for iterations was established from low energy section momentum measurements to give a unique solution.