Kurzfassung
Die Erzeugung von ultrakurzen Elektronenpaketen ist von ausschlaggebender
Bedeutung bei diversen modernen Beschleunigeranwendungen, wie z.B. freie
Elektronen-Laser und zeitaufgelöste Elektronendiffraktion, welche der Analyse
der Strukturdynamik von Materie dienen. Während freie Elektronen-Laser GeV
Strahlenergien mit hohem Spitzenstrom benötigen, um brillante Röntgenstrahlung
für diese Zwecke zu erzeugen, werden in ultraschneller Elektronendiffraktion
Elektronenpakete mit ultrakleiner Ladung unter 100 fC und vergleichsweise
niedriger Energie im MeV-Bereich verwendet. In diesem Fall ist eine hohe
Strahlqualität mit ultrakleiner Emittanz und ultrakurzen Elektronenpaketen im
Femtosekunden-Bereich erforderlich.
Die Relativistic Electron Gun for Atomic Exploration (Regae) am Deutschen
Elektronen-Synchrotron (Desy) in Hamburg, konstruiert in einer Kooperation
zwischen der Max-Planck Gesellschaft, der Universität Hamburg und Desy, ist ein
konventioneller 5 MeV Elektronenbeschleuniger, welcher die für zeitaufgelöste
Elektronendiffraktion notwendigen besonderen Strahlparameter zur Verfügung
stellt. Regae dient auch der Untersuchung diverser Konzepte und Entwicklungen
in Bezug auf Diagnostikelementen und Studien zu Strahldynamik. Eine speziell
gefertigte hochfrequente (hf) transversal ablenkende Struktur mit minimalem
Maß an Aberrationen in den ablenkenden Feldern und verbesserter HF-Effizienz
wurde zur Charakterisierung longitudinaler Eigenschaften der Elektronenpakete
bei Regae eingebaut.
Bei Regae wird die Kompression der Elektronenpakete bis in den zehn Femtosekunden
Bereich mittels des “ballistic bunching” Mechanismus erzielt. Dies
ist möglich aufgrund der niedrigen Strahlenergie im Bereich von einigen MeV.
Nebst Raumladungseffekten können Nichtlinearitäten im longitudinalen Phasenraum
die erreichbare Kompression entscheidend begrenzen. Große Beschleunigeranlagen
wie der European Xfel und Flash am Desy nutzen typischerweise
höherharmonische Kavitäten um den longitudinalen Phasenraum zu linearisieren.
Die dieser Arbeit vorangehende Entwicklung einer neuartigen Methode zur
Linearisierung des longitudinalen Phasenraums basiert auf der kontrollierten
Expansion der Elektronenpakete zwischen den Kavitäten, welche mit der gleichen
Frequenz betrieben werden. Dieses Konzept ist nicht nur auf die Kompression
der Elektronenpakete beschränkt, sondern kann auch auf die Energie-Koordinate
des longitudinalen Phasenraums angewendet werden.
Eine Standardprozedur zur Vermessung der Länge der Elektronenpakete wurde
etabliert und Messdaten zum “ballistic bunching” Mechanismus werden
präsentiert. Experimentelle Befunde dieser Arbeit bestätigen, dass die initiale
Energiebreite aufgrund der Feldkrümmung in der Elektronen-Gun kompensiert
werden kann und somit ein quasi-monoenergetischer Elektronenstrahl produziert
wird, für den Transmissionselektronenmikroskopie ein potentieller Anwendungsbereich
ist. Bei Regae aufgenommene Messdaten, welche die Anwendung der
neuartigen Linearisierungsmethode demonstrieren, werden präsentiert.
The attainability of ultrashort electron bunches with extremely small longitudinal extent is crucial in many modern particle accelerator applications, such as free electron lasers and time-resolved electron diffraction, aimed at the studying ultrafast structural dynamics of matter. Whilst free-electron lasers require GeV electron beams with high peak currents to produce brilliant X-ray radiation for this purpose, ultrafast electron diffraction constitutes an alternative method where bunches with ultralow charge below 100 fC and comparatively low energy in the range of a few MeV are used to probe the sample. In this case, a high beam quality with ultralow transverse emittance and ultrashort bunch length on the femtosecond scale is also required. The Relativistic Electron Gun for Atomic Exploration (Regae), located at the Deutsches Elektronen-Synchrotron (Desy) in Hamburg and constructed in cooperation between the Max-Planck Society, the University of Hamburg and Desy, is a conventional 5 MeV electron accelerator designed to deliver unique beam parameters which meet the demanding requirements of time-resolved electron diffraction experiments. The Regae beamline also serves as a test facility for various accelerator-related concepts regarding diagnostic devices and beam dynamics studies. A unique radio frequency (rf) transverse deflecting structure with minimal level of aberrations in the deflecting fields and improved rf efficiency was installed at Regae for the diagnostics of longitudinal properties of the electron bunch. At Regae, a compression of the electron bunches down to the ten femtosecond range can be achieved with the ballistic bunching mechanism. This method is feasible at low beam energies in the range of a few MeV. Apart from space charge effects, nonlinear contributions in the longitudinal phase space distribution can impose a decisive limit on the achievable bunch length compression. To overcome this problem, many large scale facilites such as the European Xfel and Flash at Desy employ a dedicated higher harmonic cavity to linearize the longitudinal phase space. A novel linearization method, which is based on the controlled expansion of the electron bunch between cavities operated at the same fundamental frequency, has previously been developed. The concept does not require any further beamline components and is not limited to the compression of the bunch, but can also be applied to the energy coordinate of the longitudinal phase space. A standard procedure for performing bunch length measurements is established and measurement data of the ballistic bunching mechanism are presented. Experimental results of this work confirm that the initial energy spread arising from rf curvature in the electron gun can be compensated, thus producing a quasi-monoenergetic beam which may be of particular interest in transmission electron microscopy applications. Measurement data obtained at the Regae beamline which successfully demonstrate the applicability of the novel linearization concept are presented.