Kurzfassung
In dieser Dissertation wird ein Aufbau zur Messung der Strahlemittanz entlang eines Elektronenteilchenpakets (sog. Scheibenemittanz) entwickelt und eingesetzt. Hierzu wird eine seitlich ablenkende Kavität (engl. transverse deflecting structure, TDS) mit der Einzelschlitzabtastung, der Standardmethode zur Messung projizierter Emittanz am Photo Injektor Teststand bei DESY in Zeuthen (PITZ), kombiniert. Hinter der Schlitzmaske wird der Strahl mit Quadrupolmagneten fokusiert, um ein akzeptables Signal-Rausch-Verhältnis für eine zuverlässige Phasenraumrekonstruktion, und damit zur akkuraten Scheibenemittanzberechnung, sicherzustellen. Die Verwendung der Quadrupolmagnete erlaubt es, eine zeitliche Auflösung unterhalb einer Pikosekunde zu erreichen. Die Strahloptik wird vor jeder Scheibenemittanzmessung ermittelt, da die Optik mit hoher Präzision zur korrekten Phasenraumrekonstruktion gekannt werden muss.
Um die Auswirkung verschiedener systematischer Fehler auf die Scheibenemittanzmessung zu untersuchen wird die Strahldynamik, die der Aufbau zur Messung der Scheibenemittanz herbeiführt, numerisch simuliert. Zu den untersuchten Ursachen zählen unter anderem die Raumladungskräfte während des Strahltranports, die Distanz des Strahltransports, und die Fokusierstärke der Quadrupolmagnete. Zusätzlich werden auftretende Fehler durch das Signal-Rausch-Verhältnis, das im Experiment auftritt, mit Hilfe von Intensitätsschnitten in den Simulationsergebnissen analysiert. In der Mitte des Elektronenpakets bleiben systematische Fehler unterhalb von 10% für die Parameter, die bei Messungen bei PITZ auftreten. Außerdem wird der Aufbau zur Messung der Scheibenemittanz experimentellen Methodikuntersuchungen unterzogen, indem die gemessene Emittanz beobachtet wird, während die Fokusierstärke und Ablenkstärke der abelnkenden Kavität variiert wird.
Der Messaufbau wird dazu verwendet, Elektronenstrahlen, die von Laserpulsen mit unterschiedlichen Pulsformen erzeugt werden, zu charakterisieren. Die Messungen zeigen, dass der Elektronenstrahl, der von einem Laserpuls mit zeitlich Rechteckprofil, im Vergleich zum Elektronenstrahlen, die von Laserpulsen mit zeitlich gaußförmigen Profil, eine reduzierte Scheibenemittanz hat. Die radiale Laserpulsform ist konstant innerhalb des Laserpulses, und endet abrupt beim Radius des Laserpulses. Die Scheibenemittanz reduziert sich weiter, wenn der Elektronenstrahl mit Hilfe eines Laserpulses emittiert wird, der in radialer Richtung ein Gauß’sches Intensitätsprofil hat, das an den Enden abgeschnitten ist. Die zeitliche Laserpulsform folgt hier dem Profil einer Normalverteilung. Wenn dieser Elektronenstrahl in einem Freie-Elektronenlaser verwendet wird, kann er die Brillanz der Strahlung steigern. Die simulierte und gemessene projizierte Emittanz wird in Scheibenemittanz und Optikversatzemittanz zergliedert, um die einzelnen Beiträge zur projizierten Emittanz zu identifizieren.
In this thesis a scheme to measure the slice emittance of a high-brightness electron beam which undergoes space charge effects is developed and employed. For this, a transverse deflecting structure (TDS) is added to the single-slit scan technique, which is used at the Photo Injector Test Facility at DESY in Zeuthen (PITZ) to measure projected emittance. The beam is focused with quadrupole magnets behind the slit mask to ensure sufficient signal-to-noise ratio for a reliable slice phase space reconstruction, and hence, slice emittance calculation. The quadrupole magnets also allow time resolution below one picosecond. The beam optics is probed before the slice emittance measurements to ensure precise knowledge of the transport which is needed for the phase space reconstruction when using focusing magnets. Numerical simulation of the slice emittance measurement was performed to estimate the systematic error arising from various factors, including space charge forces, drift distance, and focusing strength. Additionally intensity cuts were implemented to also consider errors arising from finite signal-to-noise ratio in experiment. For the parameters achieved at PITZ the net systematic error in the slice emittance reconstruction in the centre stays well below 10%. The slice emittance measurement scheme is also analysed in methodology studies observing the measured emittance values varying the quadrupole focusing and TDS shearing strength proving reliable slice emittance measurements. The slice emittance setup is used to characterise beam properties from electron bunches emitted with laser pulses of different shape. The main achievement is, that using a temporal and transverse flattop laser pulse shape reduces the slice emittance compared to a temporal Gaussian laser pulse with a transverse flattop distribution. The slice emittance is further improved when using a transversely-truncated Gaussian laser pulse with a temporal Gaussian profile, increasing the beam brightness additionally when employed e.g. in an free-electron laser (FEL) facility. The projected emittance is decomposed in measurement and simulation to identify slice emittance and mismatch emittance contributions to the projected emittance.