Kurzfassung
High-gain Freie-Elektronen Laser (FEL) erzeugen intensive, monochromatische Photonpulse mit Pulsdauern von wenigen zehn Femtosekunden. Hierfür werden Elektronenpakete auf relativistische Energie beschleunigt und auf wenige Mikrometer komprimiert. Die Diagnose dieser Elektronenpakete ist herausfordernd, besonders bei MHz Repetitionsraten, wie der FEL FLASH in Hamburg sie bietet. In dieser Arbeit wurde die von einzelnen Elektronenpaketen kohärent emittierte THz Strahlung untersucht. Zwei Verfahren kamen zur Anwendung: Zum einen wurden die FLASH Kompressionsmonitore, welche die Gesamtintensität von Diffraktionsstrahlung messen, modifizert, um die Gesamtlänge aller Elektronenpakete absolut bestimmen zu können. Ein Modell wurde erstellt, welches ein von der exakten Dichteverteilung nahezu unabhängiges Verhalten unterhalb einer Länge von 200 um (RMS) vorhersagt. Experimentell konnte dies mit der transversal ablenkenden Struktur (TDS) für Elektronenpaketlängen zwischen 50 und 190 um mit einer Genauigkeit von unter 7% hinter dem letzten Kompressor gezeigt werden. Zum anderen wurde ein Spektrometer basierend auf fünf kaskadierten Reflexionsgittern entworfen, aufgebaut und in Betrieb genommen. Mittels zweier Gittersätze werden die Wellenlängenbereiche 5.5 bis 44 um und 45 bis 440 um simultan mit 118 schnellen pyroelektrischen Einzeldetektoren vermessen. Experimente mit kohärenter Übergangsstrahlung wurden durchgeführt und mit Ergebnissen der TDS verglichen. Die Spektren, ebenso die mit der Kramers-Kronig-Relation rekonstruierten Profile, zeigen exzellente Übereinstimmung. Für Elektronenpakete mit einer Ladung von nur 50 pC wurden Längen bis zu 5 um (FWHM) gemessen.
High-gain free-electron lasers (FELs) generate intense and monochromatic photon pulses with few tens of femtosecond duration. For this purpose, electron beams are accelerated to relativistic energies and shrunk longitudinally down to micrometer size. The diagnosis of theses compressed electron bunches is a challenge especially for MHz bunch repetition rates as provided by the FEL FLASH in Hamburg. In this thesis, coherently emitted THz radiation of single electron bunches were investigated, on which the longitudinal structure is imprinted. Two instruments were used: First, the FLASH bunch compression monitors, relying on the integrated intensity measurement of diffraction radiation, were modified to determine the overall length of every bunch behind the two bunch compressors (BC). A model was developed showing that their response is independent of the exact bunch shape for lengths below 200 um (rms). This could experimentally be verified in the range between 50 and 190 um within 7% accuracy for the monitor behind the last BC by comparison with measurements with the transverse deflecting structure (TDS). Second, a single-shot spectrometer with five staged reflective blazed gratings has been designed, build and commissioned. With its two grating sets, the wavelength ranges from 5.5 to 44 um and 45 to 440 um can be simultaneously detected by 118 fast pyroelectric elements. Measurements based on transition radiation spectra were compared with profiles recorded by the TDS. The shape of the spectra as well as the reconstructed temporal profiles (using the Kramers-Kronig relation for phase retrieval) are in excellent agreement. For bunches with a charge of 50 pC, bunch lengths down to 5 um (fhwm) could be detected.