Kurzfassung
Die Verwendung von hochintensiven gepulsten Elektronen- und Röntgenquellen erlaubt die direkte und unmittelbare Beobachtung atomarer Bewegungen. Während die Erzeugung solcher Röntgenpulse große und teure Beschleunigeranlagen erfordert, ist es möglich, eine hochintensive Elektronenquelle in einer kompakteren Bauweise zu realisieren. Die neuartige Quelle für relativistische Elektronenstrahlen REGAE (Relativistic Electron Gun for Atomic Exploration) ist ein kleiner Linearbeschleuniger bei DESY, Hamburg, der auf einer Photokathoden Hochfrequenz-Quelle (RF-Gun) basiert. Die Anlage ist geeignet, relativistische, ultrakurze (<100 fs) Elektronenpakete von niedriger Ladung (<1 pC) und hoher Kohärenz herzustellen. Mittels zeitaufgelöster Beugungsexperimente können an dieser Elektronenquelle laserinduzierte, ultraschnelle atomare Strukturveränderungen, die mit einer zeitlichen Auflösung von ca. 100 fs auftreten, untersucht werden. Für jeden Puls ist eine umfassende Charakterisierung des Elektronenstrahls von grundlegender Bedeutung, um die Atombewegungen mit der gewünschten Auflösung und Qualität zu bestimmen. In dieser Dissertation wird über die transversale Diagnostik des Elektronenstrahls mit einem Schwerpunkt auf einen szintillatorbasierten Strahlprofilmonitor berichtet. Die Diagnostik ist ein sehr sensitives System, das die Parameter des Strahls, wie Ladung, Energie, Energiebreite und das transversale Profil bei sehr niedrigen Ladungen und auf einer ”shot-to-shot” Basis messen kann. Eine vollständige Charakterisierung der Szintillator-Emission, des optischen Aufbaus und des Detektors (Kamera) wird diskutiert und eine absolute Ladungskalibration des Systems abgeleitet. Der Profilmonitor wurde entwickelt um Applikationen, wie zum Beispiel die Unterdrückung des Dunkelstroms und die räumliche und zeitliche Überlappung des Elektronenstrahls mit dem Pumplaser innerhalb 1 ns, sowie die Messungen der Ladung und der transversalen Emittanz zu ermöglichen. Für die Vermessung der transversalen Emittanz werden zwei Techniken angewendet. Bei der ersten wird eine neue Methode, die ein Beugungsmuster benutzt, vorgestellt, während die zweite auf einer Variante der ”Pepper-Pot” Technik basiert. Die gemessene Emittanz ist in Übereinstimmung mit den Ergebnissen von Simulationen. Es wird gezeigt, dass die Profilmonitore eine ausgezeichnete Sensitivität haben, die die Vermessung sowohl der transversalen Landungsverteilung als auch der Emittanz bei niedrigen Landungen ermöglicht, woraus ein Maß für die Kohärenz des Strahls und der Qualität der Beugung abgeleitet werden kann.
The use of high-intensity electron and X-ray pulsed sources allows for the direct observation of atomic motions as they occur. While the production of such high coherent, brilliant, short X-ray pulses requires large-scale and costly accelerator facilities, it is feasible to employ a high-intensity source of electrons by exploiting a more compact design. The Relativistic Electron Gun for Atomic Exploration (REGAE) facility is a small linear accelerator at DESY, Hamburg, equipped with a photocathode radio frequency (RF) gun that produces relativistic ultra-short (<100 fs), low charge (<1 pC) electron bunches of high coherence. By means of time-resolved diffraction experiments, such an electron source can probe ultrafast laser-induced atomic structural changes that occur with a temporal resolution of ∼100 fs. A comprehensive characterization of the electron beam, for every pulse, is of fundamental importance to study the atomic motions with the desired resolution and quality. This thesis reports on the transversal diagnostics of the electron beam with an emphasis on a scintillator-based beam profile monitor. The diagnostics is capable of evaluating the beam parameters such as charge, energy, energy spread and transverse profile, at very low charges and on a shot-to-shot basis. A full characterization of the scintillator’s emission, the optical setup and the detector (cam- era) of the profile monitor is presented, from which an absolute charge calibration of the system is derived. The profile monitor is specially developed to accommodate more applications, such as dark current suppression, overlapping the electron probe and the laser pump within 1 ns accuracy, as well as charge and transverse emittance measurements. For the determination of the transverse emittance two techniques were applied. The first one introduces a new method that exploits a diffraction pattern to measure the emittance, while the second one is based on a version of the Pepper-pot technique. A comparison of the measured emittance values to the ones obtained from simulations, shows that they are in agreement. It is demonstrated that with an excellent sensitivity that enables the determination of both the transverse charge distribution and the emit- tance at very low charges, the profile monitors can provide a measure of the coherence of the beam, as well as of the diffraction quality in every shot of a progressive sequence.