Sven Reiche, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2000 :
Kurzfassung
Die Bedeutung von Freie-Elektronen Lasern (FEL), die eine große Verstärkung innerhalb eines einzelnen Durchlaufs des
Elektronenpakets durch den Undulator erzielen, liegt in der einmaligen Charakteristik der kurzen, hochintensiven
Strahlungspulse bei einer durchstimmbaren Frequenz. Die momentante Forschung beschäftigt sich mit der Verkürzung der
erreichbaren Wellenlängen bis zum Röntgenbereich. Dieses würde neue Experimente, die sich diese Strahlung zu Nutze
machen, ermöglichen. Mehrere Projekte sind vorgeschlagen oder befinden sich bereits im Aufbau, die in diesen
Wellenlängenbereich vorstoßen, so auch der im Linearbeschleuniger TESLA integrierte Röntgenlaser und der Freie-Elektronen
Laser der TESLA Test Facility (TTF). Solche Projekte können nicht ohne detaillierte Untersuchungen vor und während des
Betriebs realisiert werden, wobei alle störenden Effekte mit eingeschlossen seien sollten. Gerade bei kurzen Wellenlängen
ist die FEL Verstärkung anfällig für jeglicher Art von Störung. Einige der Störungen beeinflussen die FEL Verstärkung auf
komplexer Weise. Da existierende Simulationsprogramme diese Probleme nicht korrekt behandeln können, wurde das Programm
GENESIS 1.3 entwickelt. Die neuen Eigenschaften von GENESIS 1.3 beinhalten die Diskretisierung des Strahlungsfeldes auf
einem kartesischen Gitter sowie die Eingabe von beliebigen Profilen des Undulatorfeldes und Elektronstrahls in
longitudinaler Richtung. Damit sind Simulationen möglich, die Effekte wie z.B. Elektronenhalos, externe Störfelder oder
eine nicht-periodische Fokusierung beinhalten. Unter Ausnutzung dieser Möglichkeiten wurden bestimmte Aspekte des TESLA FEL
und TTF- FEL untersucht. Die Spannweite reicht von der transversalen Bewegung der Elektronen, über induzierte elektrische
Störfelder des Elektronenpakets bis zur Aufweitung der Energieverteilung durch die Quantenfluktuation von inkohärenter
Röntgenstrahlung.
The importance of single pass high gain Free-Electron Lasers (FEL) is due to its the unique characteristic of the short, high intense radiation pulse at a well defined, tunable frequency. Extending the radiation wavelength to the ultraviolet or X-ray region is an on-going research project and will open new branches of experiments based on this radiation. Several projects are proposed or currently under construction such as the integrated X-ray FEL at the TESLA linear collider and the VUV FEL at the TESLA Test Facility. For all of these projects a detailed study is of importance, including all effects which might influence the FEL performance. In particular, for an FEL operating at X-ray wavelengths, the amplification process is more sensitive to any kind of disturbance. Some of these perturbations influence the FEL performance in a complex way. Because existing codes are not capable to cover these problems the simulation code GENESIS 1.3 has been developed. The new features of GENESIS 1.3 includes the discretization of the radiation field on a Cartesian grid and the input of arbitrary profiles of the undulator field and the electron beam in longitudinal direction. The code is capable of covering aspects such as beam halos, wake fields and non-periodic focusing structures to name a few. Using GENESIS 1.3 special aspects of the TTF-FEL and TESLA FEL have been studied. The simulation covers the transverse motion of the electron beam, the impact of wake fields as weil as the increase of the energy spread due to the quantum fluctuation of the incoherently emitted radiation.