Kurzfassung
Die SINBAD Anlage (Short INnovative Bunches and Accelerators at DESY) ist eine Forschungs- und Entwicklungsplattform am DESY, die Projekte zur Erzeugung ultrakurzer Elektronenpakete und zur Entwicklung neuartiger Hochgradienten-Beschleuniger ermöglicht. Der ARES inearbeschleuniger (Accelerator Research Experiment at SINBAD) ist die erste bei SINBAD implementierte Infrastruktur und konzentriert sich auf die Erzeugung und Charakterisierung von ultrakurzen Elektronenpulsen, mit kleiner Emittanz, die letztendlich auf das wenige Femtosekunden-Regime abzielen.Diese ultrakurzen Elektronenpakete mit niedriger Emittanz werden unter anderem zum Testen von laserbasierten neuartigen externen Injektionskonzepten wie lasergetriebenen dielektrischen
Beschleunigungsstrukturen oder Plasma-Wakefields benötigt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Optimierung des erforderlichen qualitativ hochwertigen Strahltransports und der Fokussierung von der Elektronenquelle bis zum Ende des Linacs oder in den experimentellen Bereich. Im Rahmen der Diplomarbeit wurde ein Algorithmus entwickelt, um den Strahltransport vom Photoinjektor und durch die anderwellenstrukturen durch eine strahlbasierte Ausrichtung der ARES fokussiermagnete zu optimieren. Der Algorithmus wurde gegen Simulationen
mit dem Computercode von ASTRA validiert. Für die trahlinbetriebnahme und Datenaufnahme bei ARES wurde eine MATLAB-Benutzeroberfläche entwickelt. In verschiedenen Versuchskampagnen wurden Versätze von Magnetspulen ermittelt und eine Neuausrichtung in die Maschine implementiert. Am Ende wurde eine sehr gute Ausrichtung der Strahltrajektorie mit der magnetischen Achse entlang der Strahllinie erreicht, ein wichtiger Schritt zur erfolgreichen Inbetriebnahme des ARES linac. Die Messergebnisse, das Ergebnis der Datenanalyse und
die Alignment-Ergebnisse werden präsentiert.
Im Rahmen der Diplomarbeit wurde das Design eines Fokussiersystems entwickelt. Das System würde die Injektion in ein Laser-Wakefield-Beschleunigungsexperiment bei ARES ermöglichen. Für ein solches Experiment würden ultrakurze Bündel von ARES, die von subfs bis zu wenigen fs reichen, in eine Plasmazelle injiziert. Die Injektion kurzer Bunche erfordert eine starke transversale Fokussierung, um den Strahl in die beschleunigenden Plasmastrukturen mit sehr kleiner transversaler Akzeptanz einzukoppeln. Eine transversale Anpassung
des Elektronenstrahls an die Plasmastruktur verhindert ein Emittanzwachstum in den Teilchenstrahlen. Die Anpassungsanforderungen
hängen von der Stärke des Plasmakanals ab. Der konzeptionelle Entwurf eines finalen Fokussystems zur Injektion in ein Laser-Plasma-Experiment bei ARES wird vorgestellt. Die Leistungsfähigkeit des Entwurfs wird mit Hilfe von ASTRA-Simulationen bewertet. Die Untersuchungen beinhalten Sensitivitätsstudien zu relevanten Fehlerquellen. Die durchgeführte Fehleranalyse ermöglicht eine realistische Abschätzung der erreichbaren Strahlparameter mit dem entwickelten Fokussierungssystem und identifiziert kritische Parameter bei der Durchführung des Experimentes.
The SINBAD (Short INnovative Bunches and Accelerators at DESY) facility at DESY is a dedicated accelerator research and development project for the production of ultra-short electron bunches and development of novel high gradient accelerator technology. The ARES linac (Accelerator Research Experiment at SINBAD) is the first infrastructure implemented at SINBAD and has a focus on the generation and characterization of ultrashort, small emittance electron pulses, ultimately aiming at the few femto-second regime. Those ultra-short, low emittance electron bunches are required, amongst others, for testing laser based novel external injection concepts such as laser driven dielectric acceleration structures or plasma wake elds. This thesis focuses on the optimization of the required high quality beam transport and focusing from the electron source to the end of the linac or into the experimental area. As part of the thesis, an algorithm has been developed to optimize the beam transport from the photo-injector and through the travelling wave structures by a beam based alignment of the ARES focusing solenoids. The algorithm was validated against simulations with the ASTRA computer code. A MATLAB user interface was developed for beam commissioning and data taking at ARES. In various experimental campaigns osets of solenoids were determined and a realignment implemented into the machine. At the end a very good alignment of the beam trajectory with the magnetic axis along the beamline has been achieved, a major step in successful commissioning of the ARES linac. The measurement results, the outcome of the data analysis and the alignment results are presented. As part of the thesis the design of a focusing system was developed. The system would allow for injection into a laser wakefield acceleration experiment at ARES. For such an experiment, ultra-short bunches from ARES, ranging from sub-fs to few fs, would be injected into a plasma cell. The injection of short bunches requires strong transverse focusing to match the beam into small accelerating channels of the plasma. Transverse matching of the electron beam to the plasma channel prevents emittance growth in the finite energy spread beams. The conceptual design of a final focus system for injection into a laser plasma experiment at ARES is presented. The performance of the design is evaluated by means of ASTRA simulations of the beamline. The design includes sensitivity studies on relevant sources of error. The performed error analysis, which could be generalized for any quadrupole triplet, gives a useful estimate about the performance of the final focus system and suggests critical parameters in the implementation of the experiment.