Kurzfassung
In dieser Arbeit werden drei Beschleunigerkomponenten untersucht.Zum einen
eine Buncher Kavit¨at bei REGAE, des Weiteren eine normalleitende Kavit¨at zur
Ankunftszeitstabilisierung bei FLASH, sowie ultra-schnelle Beschleunigungsstrukturen
beim AXSIS Projekt. Die Nutzung von HF Kavit¨aten revolutionierte Beschleuniger
und machte die Generierung hochenergetischer Teilchenstrahlung m¨oglich.
Modernen Beschleunigerkavit¨aten werden sowohl zur Erh¨ohung der Strahlenergie
als auch zur Verbesserung der Strahlqualit¨at und der Strahldiagnostik genutzt.
Diese Anwendungen werden im weiteren Teil der Dissertation diskutiert. Das
Design der Buncher Kavit¨at welche den Elektronenstrahl bei REGAE komprimiert
wir im ersten Teil beschrieben. Die Differenz der Betriebsfrequenz und des
ersten zus¨atzlichen Resonanzfrequenz der Kavit¨at, 2 MHz im vorliegenden Design,
wurde auf 9 MHz wesentlich verbessert. Im zweiten Teil dieser Arbeit
wird eine normalleitende Kavit¨at zur Regelung der Ankunftszeit bei FLASH als
auch beim Europ¨aischen XFEL entworfen. Diese kann Ankunftszeitschwankungen
im Bereich von 150 fs ausgleichen um eine femto-sekunden genaue Stabilit
¨at zwischen den FEL Pulsen und des externen Lasers bei Pump-Probe Experimenten
zu gew¨ahrleisten. Um den optimalen Betrieb im Beschleuniger zu
gew¨ahrleisten werden Simulationen hinsichtlich der thermischen Eigenschaften,
Wakefeldern sowie des so genannten Multipacting untersucht. Um Teilchen in
kleineren Entfernungen mittels h¨oherer Frequenzen zu beschleunigen sollten in
modernen Beschleunigern Kavit¨aten durch neuere Strukturen ersetzt werden. Dies
wird im letzten Teil dieser Arbeit anhand von ultra-schnellen Beschleunigungsstrukturen
diskutiert. Die entwickelte Struktur kann Elektronen von dessen Ruheenergie
auf bis zu 2 MeV mittels eines einzelnen THz Zykluses mit einer Gesamtenergie
von 2 mJ beschleunigen.
Design of three accelerator components including a buncher cavity for REGAE, a normal conducting cavity for arrival time stabilization at FLASH and ultra-fast guns for the AXSIS project is presented in this thesis. Using RF cavities caused a revolution in accelerators and made it possible to generate high energy particle beams. In advanced accelerators, cavities are not only used to increase the particle energy but they are also widely used to improve the beam quality and additionally for beam diagnostic purposes. In the present dissertation, such applications are discussed. First, design of a buncher cavity which compresses the bunch at the REGAE facility is presented. The design pursues improving the mode separation of the cavity. The simulation result illustrates that the difference between the operating mode and its adjacent mode has been increased from 2 MHz for the existing cavity to 9.5 MHz for the new design. In the second part, a normal conducting cavity is discussed, which will be used to regulate the arrival time of the bunches at FLASH and at the European XFEL. The designed cavity is able to correct the arrival time jitter of ±150 fs in order to provide femtosecond precision synchronization between the electron beam and the external laser pulses. Thermal, wakefield and multipacting simulations have also been performed for the designed cavity in order to evaluate its operation efficiency. In advanced accelerators however RF cavities should be replaced by novel structures to accelerate the particles in shorter distances using higher operating frequency. To this end, ultra-fast guns are designed which will be discussed in the last part of this work. The designed guns accelerate the electrons from their rest mass up to 2 MeV using a single cycle THz signal with a total energy of 2 mJ.