Kurzfassung
Neuartige, auf Terahertz (THz)-Strahlung basierende Beschleuniger sind als Quelle für ultrakurze und brillante Elektronenpulse aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, wie z.B. deutlich reduzierter Größe, äußerst vielversprechend. Während die vielseitigen Möglichkeiten hinsichtlich der Beschleunigung und Manipulation von Elektronenstrahlen auf Sub-ps-Zeitskalen durch erste Prototypen demonstriert wurden, hinkt die Entwicklung THz-betriebener Injektoren, bedingt durch die technischen Herausforderungen bei der Miniaturisierung und der hohen benötigten THz-Pulsenergien, bisher hinterher.
Diese Arbeit treibt die Entwicklung solcher THz-betriebener Injektoren voran, indem sie einen zweifachen Schwerpunkt setzt: Zunächst werden systematisch Parameter-Scans an Tilted-Pulse-Front Aufbauten durchgeführt, die entscheidende Einblicke in die nicht-kollinearen Wechselwirkungslangen, die Empfindlichkeit der Parameter und die Physik der Hochenergie-THz-Erzeugung liefern. Darüber hinaus wird die räumlich-zeitliche Manipulation von Pumppulsen sowohl experimentell als auch durch Simulationen untersucht und verwendet, um die THz-Quellen hin zu Energien zu skalieren, die für den Betrieb von kompakten Teilchenbeschleunigern benötigt werden. Betrieben mit zeitlich gestreckten Pumppulsen, stellen die Aufbauten bis zu 400 μJ zuverlässig zur Verfügung. Im zweiten Teil werden diese THz-Quellen in Experimenten zur Entwicklung einer kompakten THz-betriebenen Elektronenquelle verwendet. Dabei werden Multi-keV-Elektronen aus einer photo-getriggerten THz-Gun erstmals demonstriert, und der Parameterraum sowie die daraus resultierende Leistung werden erforscht. Anschließend werden mehrschichtige Strukturen untersucht, die eine verlängerte Wechselwirkung zwischen Elektronen und THz-Pulsen ermöglichen. Dies umfasst die Demonstration eines neuartigen Booster Beschleunigers sowie die Entwicklung einer segmentierten THz-Gun. Die Aufbauten zur Inbetriebnahme und Skalierung der THz-getriebenen Gun-Technologie hin zu Energien über 100 keV, vergleichbar mit der Leistung moderner DC-Guns, werden vorgestellt und diskutiert.
Damit stellt diese Arbeit einen entscheidenden Schritt in der Entwicklung rein optischer, THz-betriebener Elektronen-Guns dar und ebnet den Weg hin zu kompakten Beschleunigern, die brillante fs-Bunche mit niedriger Emittanz für zukünftige ultraschnelle Elektronenbeugung und kompakte Röntgenquellen bereitstellen.
Novel all-optical terahertz (THz)-based accelerators promise to enable new science by providing ultrafast and bright electron bunches at a small footprint. While practical prototypes of THz-based devices have been demonstrated and have shown exceptional capabilities to accelerate and manipulate electron beams on sub-ps timescales, the development of practical THz-driven photoguns has lagged behind due to challenges associated with physical miniaturization and the high THz pulse energy required. This thesis significantly advances the development of such THz-driven guns by setting a dual focus: First, systematic parameter scans are performed on tilted-pulse-front setups providing crucial insights into the non-collinear interaction lengths, parameter sensitivities and physics inherent to high-energy THz generation. In addition, spatio-temporal manipulation of the pump pulse is explored both experimentally and by simulations and found as viable tool to scale tilted-pulse-front based THz sources to such energies required for the next generation of compact particle accelerators. Application of the findings resulted in robust extraction of THz pulses with energies up to 400 μJ while operating well below the optical damage threshold. Secondly, these setups are used in in three different experiments aimed at developing a practical compact THz-driven gun. The extraction of multi-keV electrons from a triggerable THz photogun is demonstrated for the first time, and the parameter space and resulting performance are explored. Subsequently, multi-layered structures are developed that extend the interaction between electrons and THz pulses. A novel single-sided pumped THz accelerator is tested and a segmented dual-sided pumped THz photogun is developed. Finally, the instrumentation for commissioning and scaling THz driven gun technology to energies beyond 100 keV, comparable to the performance of modern compact DC electron guns, is presented and discussed. This work represents a critical step in the development of practical all optical THz-driven electron guns and paves the way towards more compact accelerators with fs bunch durations, low emittance and orders of magnitude higher brightness to power future ultrafast electron diffraction experiments and compact X-ray sources.