Optische Synchronisation am CW-Beschleuniger ELBE

Moderne Experimente in der Kurzzeitphysik erfordern eine hochpräzise Synchronisation der beteiligten Strahlungsquellen, um dynamische Prozesse und atomare Strukturen aufzulösen. Die Komplexität und räumliche Ausdehnung einer linearbeschleuniger-getriebenen Strahlungsquelle wie ELBE verlangt nach neuen Konzepten, um die anspruchsvollen Anforderungen zu erfüllen.
Kernbestandteile der vorliegenden Arbeit sind die Konzeption, der Aufbau und die Inbetriebnahme eines gepulsten optischen Synchronisationssystems zur Verteilung eines Phasenreferenzsignals. Dieses System bildet eine wesentliche Grundvoraussetzung für wissenschaftliche Experimente mit einer Auflösung im Bereich von wenigen zehn Femtosekunden.
Darüber hinaus wurde der Prototyp eines Ankunftszeitmonitors am ELBE-Beschleuniger entwickelt und charakterisiert. Mit diesem Diagnoseelement wurden erstmals Messungen der Elektronenpulsankunftszeit mit einer Auflösung von wenigen Femtosekunden am ELBE-Strahl möglich. Die implementierte Datenanalyse erlaubt einzelpulsaufgelöste Messzyklen mit bisher unerreichter spektraler Bandbreite am kontinuierlichen (CW) Elektronenstrahl. Ferner wurde eine Methode zur Datenerfassung entwickelt, die unter Verwendung der Lockin-Technik besonders rauscharme Messungen hervorbringen kann.
Abschließend wurde der ELBE-Beschleuniger hinsichtlich Ankunftszeit und Energiestabilität umfassend untersucht. Dabei wurden die erweiterten Möglichkeiten, die ELBE als CW-Beschleuniger bietet, ausgeschöpft. Der Fokus lag besonders auf der spektralen Analyse der Störungen bei verschiedenen Kompressionszuständen der Elektronenpulse. Diese methodische Untersuchung wurde sowohl für den thermionischen Injektor als auch für die supraleitende Fotoelektronenquelle durchgeführt.
Die präsentierten Messergebnisse ermöglichen ein erweitertes Verständnis für die wirkenden Störmechanismen während der Elektronenpulspropagation und stellen den Ausgangspunkt für systematische Verbesserungen der Strahlqualität dar. Ein beschriebener Grundlagenversuch belegt, wie der ELBE-Elektronenstrahl in Zukunft aktiv stabilisiert werden kann, um die erforderliche Zeitauflösung zu erreichen. Intrinsische Strahlinstabilitäten können dadurch signifikant reduziert werden.

Experiments in ultra-fast science require a precise synchronization of the interacting light sources to resolve dynamic processes and structures on an atomic scale. The complexity and spatial dimension of an accelerator-driven radiation source need novel concepts to fulfill these requirements.
The main focus of this thesis lies on the conceptual design, realization and commissioning of a pulsed optical synchronization system to distribute phase-stable reference signals. It is a basic prerequisite for scientific experiments with a temporal resolution in the ten femtosecond range.
Based on the synchronization system a prototype of a bunch arrival time monitor has been developed and characterized at ELBE. It enables measurements with few femtosecond accuracy which were done for the first time at ELBE. The implemented data processing scheme allows single pulse resolution measurements at the continuous wave (CW) electron beam at an unprecedented spectral range. A second method based on lockin-amplifier technique has been developed which has the potential for very low noise measurements.
Finally comprehensive energy and timing jitter studies have been performed at ELBE using the unique properties offered by a CW-accelerator. The investigation was mainly focused on spectral analysis of noise components at varying compression states of the electron bunches. This examination has been done for both the thermionic injector and the superconducting photo electron source.
The results presented in this thesis created an extended comprehension of how noise sources are affecting the beam propagating along the accelerator and lead to further improvements of the beam quality. A proof of concept experiment demonstrates how a future feedback scheme can be used to reduce the residual jitter and to achieve the desired temporal resolution. Intrinsic beam instabilities can be lowered significantly by using this technique.