Kurzfassung
Supraleitende Hochfrequenz-Elektronenquellen (SRF) stellen ein besonderen Typ der Elektroneninjektoren
für die Erzeugung von Elektronenstrahlen mit hoher Brillanz dar, die ausserdem
im kontinuierlichen Modus (CW) betrieben werden können. Eine solche SRF Gun mit hoher
Brillanz bietet das Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) für den Nutzerbetrieb an.
Ein wichtiger Aspekt ist die genaue und effiziente Messung der transversalen Emittanz. In
dieser Arbeit werden daher Messungen an Slit-Scan und Quadrupol-Scan durchgeführt. Ebenso
wird ein neuartiges Verfahren zur Messung der thermischen Emittanz an der HZDR SRF Gun,
die so genannte Single-Shot-Transversalimpulsmessung, untersucht.
Ein schnelles und verbessertes Slit-Scan-Emittanzmesssystem, das auf einem sich kontinuierlich
bewegenden Spalt und einem Leuchtschirm aus Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) basiert,
wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Dafür wurde erstmals ein künstlichen Intelligenz
(Machine learning) Alghorithmus in der Bildverarbeitung dieser Messmethode angewendet um
Effizienz und Genauigkeit zu erhöhen. Der Gesamtfehler der Slit-Scan-Emittanzmessung, der
sich aus den Fehlern der Position des Messspalts, der Beamlet-Intensität, der Mittelposition
und der quadratischen Mittelwertsbreite (RMS) ergibt, wurde ebenfalls ermittelt. Bei diesem
Verfahren werden die Einflüsse von Spaltbreite und Raumladungseffekt auf die Emittanz
bewertet. Das Quadrupol-Scan-Emittanz-Messverfahren wurde zusätzlich untersucht und der
Einfluss des Raumladungseffekts auf dessen Ergebnisse wurden diskutiert. Basierend auf einem
magnetischen Strahlkorrektur und einem YAG-Bildschirm wurde eine einfache Methode zur
Kalibrierung der Quadrupolstärke erfolgreich angewendet. Auch hier wurde der Messfehler des
Quadrupolscans erfasst und analysiert.
Ein wichtiges Bauteil für die Verbesserung der transversalen Emittanz repräsentiert die supraleitende
(SC) Solenoid-Linse. Ein zentraler Teil der Dissertation ist die Untersuchung und
Optimierung dieses Solenoids. Dessen Öffnungsfehler wurde gefunden und daraufhin wurde
eine öffnungsverkleinerung durch die Optimierung der Eisenjochgeometrie durchgeführt. Mit
Hilfe von Computersimulation und experimentellen Messungen wurden die transversalen Multipolfelder
mit einer neuen Methode ermittelt und ausgewertet. Die Ursache der Multipolfelder ist
eine verkippte Mittelachse des Solenoids. Der Einfluss der Multipolkomponenten, insbesondere
der Quadrupol- und Hexapolfelder, auf die transversale Emittanz wurden erfolgreich untersucht.
Um den ungewünschten, negativen Effekt des Solenoids zu kompensieren, wird ein Quadrupol-
Korrektorpaar, welches aus einem normalen und einem um 45° verdrehten Quadrupol besteht,
angewendet.
Die Kathodeneigenstrahlung trägt einen erheblichen Teil zur Queremission bei und wird im
Rahmen dieser Arbeit ebenfalls ermittelt und gemessen. Um die Strahlemittanz bei niedriger Pulsladung
und die intrinsische Emittanz zu messen, wurde die Single-Shot-Transversalimpulsmessung
angewandt. Der Transversalimpuls lässt sich mit dieser geeigneten Methode an unterschiedlichen
Stellen auf der Kathode lokalisieren und bestimmen, welches ein bedeutender Vorteil dieser
Methode ist.
As one of the most promising continuous wave (CW) injectors for high brightness electron beams, ELBE superconducting radio-frequency (SRF) gun has been developed and optimized. This gun can provide beams with good quality for the ELBE user facility. One important aspect is to measure the transverse emittance accurately and efficiently. This thesis contributes to the progress in this field and focuses on measuring and optimizing the transverse emittance for ELBE SRF gun. The slit-scan, quadrupole scan, and an advanced thermal emittance measurement method, called single shot cathode transverse momentum imaging, have been studied and applied at this SRF gun. A fast slit-scan emittance measurement system consisting of a continuously moving slit and a yttrium aluminium garnet (YAG) screen has been developed. During the beamlet image processing, the machine learning (ML) algorithms have been integrated in order to improve the signal-to-noise ratio effectively. This is the first time to successfully apply the ML in such diagnostic methods. The measurement speed is improved about ten times and accuracy is also better than before. The errors of slit-scan emittance measurement, arising from slit position, beamlet intensity, center position and root mean square (RMS) width uncertainties, have been analyzed. The quadrupole scan emittance measurement method has been studied too. The influence of the space charge effect on quadrupole scan results has been revealed. The error of the quadrupole scan measurement has also been analyzed. To compensate the transverse emittance due to space charge effect, a superconducting (SC) solenoid is placed as close as possible to the exit of the SRF cavity. Another important part in this thesis is the investigation and optimization of the SC solenoid. The spherical aberration of the SC solenoid has been analyzed. In order to decrease it, a new yoke geometry of SC solenoid for the next generation SRF gun has been designed. The multipole transverse field modes of the solenoid caused by an axis tilt have bean analyzed by means of simulations and experimental investigations using a formalism fitting method. The influences of the multipole modes, especially the quadrupole and sextupole fields on transverse emittance have been calculated. A pair of a normal quadrupole and a skew quadrupole, called correctors, have been adopted to compensate the influence of the quadrupole field on the emittance. The cathode intrinsic emittance can contribute a non-negligible part to the transverse emittance. So in this thesis the cathode intrinsic emitttance is measured too. The single shot transverse momentum imaging method has been used to measure the cathode intrinsic emittance. A further advantage is that this method allows to determine the transverse momentum locally at different positions on the cathode.