Kurzfassung
Diese Dissertation behandelt die Realisierung und erwartbaren Charakteristika eines geplanten Proof-of-Principle Cavity Based (hard) X-ray FEL (CBXFEL) Demonstrator Experimentes am European XFEL. Ein CBXFEL verspricht einen hohen Grad an longitudinaler Kohärenz, im Kontrast zu dem meist eingesetzten self amplified spontaneous emission (SASE) Prinzip. Darüber hinaus wird eine sowohl sehr hohe als auch stabile spektrale Photonenflussdichte bei niedriger Bandbreite erwartet.
Zur Untersuchung des stark gekoppelte Systems von FEL-Erzeugung, Röntgenpropagation und der thermischen Antwort der Kristalle wurde ein numerisches System entwickelt. Dieses verbindet das beliebte Genesis-1.3FEL Programm mit dem selbstgeschriebenen und stark optimierten parallel X-ray Cavity Propagator (pCXP) Programm zur Propagation von
Wellenfronten und dem kommerziellen Comsol Multiphysics®. Letzteres wird eingesetzt zur finite Elemente (FE) basierten Modellierung der stark nicht-linearen thermischen Diffusion. Thermische Leitfähigkeiten aus first-principles Simulationen wurden verwendet zur Simulation des thermischen Transports bei tiefen Temperaturen, und der damit verbundenen erhöhten Relevanz von Grenzflächen-Streuung.
Mit diesem numerischen Ansatz sind sorgfältige Simulationen durchgeführt, die realistische Elektronenverteilungen, inter RF-Puls Elektronenpaket Fluktuationen sowie verschiedene Fehler der Röntgenoptiken mit einbeziehen. Diese Simulationen zeigen, dass innerhalb Toleranzen auf dem Stand der Technik eine simple Röntgenkavität mit zwei Kristallen
in Rückstreugeometrie das Hauptziel des Demonstrators erfüllen würde. Dies ist, zu beweisen, dass sich FEL seeding und ein exponentielles Wachstum der Strahlung im Resonator ausbilden bei gleichzeitiger Verkleinerung der Bandbreite. Aufgrund der starken Erhitzung der Kristalle und der daraus folgenden thermoelastischen Antwort ist, allerdings,
eine stabile Operation bei hoher Spitzenbrillanz nicht möglich. Im Bezug auf die experimentelle Natur des CBXFEL Demonstrators sollen diese Effekte sorgfältig gemessen werden. Auf Basis der gemessenen Daten lassen sich schließlich Gegenmaßnahmen entwickeln zur Realisierung einer permanenten CBXFEL Strahlungsquelle am European XFEL.
This thesis is centered on the foreseen realization and performance of a proof-of-principle cavity based (hard) X-ray FEL (CBXFEL) demonstrator experiment at the European XFEL facility. A CBXFEL promises to address the prominent issue of longitudinal coherence and (stable) high, narrow bandwidth spectral flux in the hard X-ray regime, in which the usually employed self amplified spontaneous emission (SASE) scheme is severely lacking. In order to study the highly coupled system of FEL production, X-ray propagation and the crystals’ thermal response, affecting the reflection characteristics, a computational framework was set up. It chains the popular Genesis-1.3 FEL program with the self-written, highly optimized parallel X-ray Cavity Propagator (pXCP) wavefront propagation code and a finite element (FE) based modeling of the strongly non-linear thermal diffusion. In order to properly account for low-temperature thermal transport with an increased relevance of phonon boundary scattering, thermal conductivities obtained from first-principles simulation are used. Thorough simulations are carried out, which account for realistic electron bunch distribution, inter RF-pulse bunch fluctuations and various possible errors of the X-ray optics. They reveal that with well inside state of the art optical tolerances, a simplistic two crystal backscattering setup would fulfill the main goal of the demonstrator, which is to proof that seeding and exponential radiation build with spectral narrowing occurs. However, due to the strong heating of the crystals and the following thermoelastic response, stable operation at high peak brilliance will not be feasible. Following the principle, experimental nature of the CBXFEL demonstrator setup, these effects will need to be properly measured. Using this data, counter measures can be developed towards the future realization of a permanent CBXFEL source at the European XFEL facility.