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BESSY II ist eine Strahlungsquelle der dritten Generation, die vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH für Experimente mit Synchrotronstrahlung betrieben wird. Mehrere Betriebsmodi werden am BESSY II Speicherring angeboten bzw. entwickelt, um die Anforderungen der vielfältigen Nutzergemeinde zu erfüllen. Dazu gehören nicht nur ein komplexes Füllmuster im Standardnutzerbetrieb, sondern auch spezielle Betriebsmodi mit kurzen Pulsen oder das sogenannte Transverse Resonant Island Buckets Separationsschema. Die Komplexität des Füllmusters erfordert eine pulsaufgelöste Strahldiagnose für die Inbetriebnahme und zur Sicherstellung der langfristigen Qualität des Beschleunigerbetriebs. Ferner werden für den Kurzpulsbetrieb Pulslängenmessungen mit ps Auflösung benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wird zu diesem Zweck eine neue Diagnoseplattform mit mehreren Strahlrohren aufgebaut. Jeweils ein Strahlrohr ist für transversale Strahlgrößenmessungen und für longitudinale Strahldiagnose vorgesehen. Beide Strahlrohre sind mit Messapperaturen für pulsaufgelöste Messungen ausgestattet. Hauptfokus dieser Arbeit liegen auf dem Design, der Installation und den Verbesserungen dieser Strahlrohre und den zugehörigen Meßgeräten in Kombination mit spezifischen Anwendungen in der Strahldiagnose an BESSY II. Im Allgemeinen erfordern Kopplungen zwischen Zeit- und Raumkoordinaten pulsselektive und korrelierte Detektionsmethoden mehrerer Parameter. Daher sind die longitudinale Diagnose sowie die Streak Kamera so optimiert worden, dass die direkte Abbildung des transversalen Strahlprofils möglich ist und sogar interferometrische Strahlgrößenmessungen durchführbar. Zusätzlich zur Zeitachse der Streak Kamera kann entweder die horizontale oder die vertikale Dimension des Strahls abgebildet werden und dadurch sind 2D-Messungen möglich. Mit dieser Methode wurden mehrere pulsaufgelöste 2D-Messungen durchgeführt und Analysemethoden entwickelt., BESSY II is a third generation light source operated by the Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH for experiments with synchrotron radiation. Multiple operation modes are offered or are under development at the BESSY II storage ring to serve the needs of its diverse user community. This does not only include a complex fill pattern in standard operation, but also special operation modes featuring short pulses or the new transverse resonant island buckets separation scheme. The complexity of the fill pattern requires bunch-resolved diagnostics for commissioning and to ensure the long-term quality of accelerator operation. In addition, short pulse operation demands bunch length measurements with ps resolution. For this purpose a new diagnostics platform featuring multiple beamlines is set up. One beamline is dedicated for transverse beam size measurements and one for longitudinal diagnostics. Both beamlines are equipped with fast gated devices for bunch-resolved measurements. Design, installation and improvements of these beamlines and the measuring devices are the main focus of this work, together with specific BESSY II bunch diagnostics applications. In general, coupling between time- and space-coordinates do call for bunch-selective and correlated multi-parameter detection methods. Thus, the longitudinal diagnostics beamline and the streak camera have been made capable of direct transverse beam-profile imaging and even interferometric beam size measurements are feasible. Either the horizontal or vertical beam dimension can be imaged in addition to the time axis of the streak camera and 2D measurements are possible. Taking advantage of these capabilities, multiple bunch-resolved 2D measurements have been performed and analysis methods have been developed.

Seit 1998 werden am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) in Kooperation mit der Charité-Universitätsmedizin Berlin Augentumore mit Protonen bestrahlt. Dazu beschleunigt ein Zyklotron, welches hauptsächlich für die Therapie genutzt wird, die Protonen auf eine Energie von 68MeV. Neben dem Therapieplatz existiert auch ein Experimentierplatz zu Forschungszwecken. Die Strahlaufbereitung erfolgt in beiden Anwendungsgebieten primär durch passives Aufstreuen des Strahls mit einer einzelnen Streufolie. Dies führt jedoch zu erheblichen Strahlverlusten, die die erreichbare Strahlintensität bzw. Dosisleistung im Feld limitieren. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Bestrahlungsplatz mit aktiver, dreidimensionaler Strahlführung aufzubauen, um eine möglichst effiziente Strahlstromnutzung zu ermöglichen und flexibel auf Anforderungen an das Bestrahlungsfeld eingehen zu können. Zu diesem Zweck wurde ein Modell entwickelt, welches unter Berücksichtigung verschiedener Parameter der Messgeometrie, Strahlcharakteristik und Felderzeugung Strahlprofile berechnet. Dieses Modell wurde im Vergleich mit Monte-Carlo Simulationen und Messungen getestet und verifiziert. Anschließend konnten Untersuchungen zur Positionierung der verwendeten Komponenten durchgeführt sowie deren Einflüsse auf Penumbra, Homogenität und Transmission der Strahlfelder analysiert werden. Es zeigte sich, dass die hohen klinischen Anforderungen für die Anwendung in der Augentumortherapie am HZB erfüllt werden können, sofern stärkere Magnetspulen verwendet werden. Mit Hilfe des Modells wurden für einen optimierten Aufbau Strahlprofile berechnet und charakterisiert. Es konnte so gezeigt werden, dass unter diesen optimierten Bedingungen eine Anwendbarkeit des aktiven Systems in der Augentumortherapie möglich ist. Des Weiteren wurde im Verlauf dieser Arbeit ein statischer Modulator für den Bestrahlungsplatz am HZB entwickelt, mit Hilfe eines 3D-Druckers hergestellt und erfolgreich getestet., Since 1998, ocular tumours have been irradiated with protons at the Helmholtz- Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) in cooperation with Charité-Universitätsmedizin Berlin. For this purpose a cyclotron is operated which accelerates protons to an energy of 68MeV and is mainly used for therapy purposes. In addition to the therapy station there is also an experimental station for research purposes. In both application areas, beam delivery is primarily achieved by passive scattering using a single scattering foil. However, this leads to considerable beam losses, which in turn limit the maximum beam intensity or dose rate in the irradiation field. The aim of this work is to construct an irradiation setup with active three-dimensional beam delivery in order to enable the most efficient possible use of beam current and to be able to respond flexibly to different irradiation field requirements. Therefore, a model was developed which calculates beam profiles taking into account various parameters of the measurement geometry, beam characteristics and field generation. This model was tested and verified in comparison with Monte Carlo simulations and measurements. Subsequently investigations into the positioning of the components used could be carried out and their influences on penumbra, homogeneity and transmission of the beam fields analysed. It was found that the high clinical requirements in terms of maximum penumbra and field homogeneity for the application in eye tumour therapy at HZB can be met if stronger magnetic coils were used. Model calculations were used to calculate and characterize different beam profiles for an optimized setup. It could be shown that under these optimized conditions an applicability of the active system in eye tumour therapy is possible. Furthermore, a static modulator for the irradiation site at HZB was developed in the course of this work, manufactured using a 3D printer and successfully tested.

Die steigende Nachfrage nach Synchrotronstrahlungsanlagen hat zu einem stetig wachsenden Angebot auf der ganzen Welt geführt. Die wissenschaftliche Nutzergemeinde der Speicherring-basierten Lichtquellen benötigt immer höhere Brightness und viele sind auch an speziellen Zeitstrukturen der Strahlung, wie kurzen Pulslängen und bestimmten Wiederholungsraten, interessiert. Dies hat zu einer kontinuierlichen Verbesserung bestehender und zum Bau vieler neuer Anlagen geführt. Das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) betreibt den Berlin Electron Storage Ring Society for SYnchrotron Radiation (BESSY) II, eine Lichtquelle dritter Generation. Der Betrieb der Speicherring basierten Lichtquelle BESSY II nahe der transversalen, optischen Resonanz dritter Ordnung mit Transverse Resonance Island Buckets (TRIBs) Optik ermöglicht die Speicherung von Strom auf einer zweiten, stabilen Umlaufbahn. Der zweite Orbit windet sich im transversalen x-x′-Phasenraum über drei Umläufe um den Kernorbit und hat somit etwa den dreifachen Arbeitspunkt des Kernstrahls. Der stabile Inselorbit bietet die Möglichkeit, die Elektronen für jeden der 400, von der 500 MHz BESSY II Radio Frequency (RF) Kavität definierten, Buckets, fast beliebig zwischen dem Kern und den drei zugehörigen TRIBs zu verteilen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten der Bunchtrennung. Durch Bevölkerung eines Orbits mit wenigen Elektronenpaketen, kann dieser dediziert für zeitaufgelöste Experimente genutzt werden. Es erhalten alle Strahlrohre mit hinreichender Akzeptanz die Möglichkeit, zeitaufgelöste Experimente durchzuführen. Die Bunchtrennung wird durch Ausrichtung der Strahlrohre auf den gewünschten Orbit erreicht. Somit stellt dieser Betriebsmodus eine Möglichkeit dar, die Timing-Fähigkeiten der BESSY II-Anlage und Speicherringbasierter Lichtquellen im Allgemeinen weiter auszubauen., The increasing demand for synchrotron radiation facilities has led to a continuously increasing offer around the world. The scientific user community of storage-ring-based light sources requires ever-higher brightness and many are also interested in special time structures of the radiation such as short pulse lengths and certain repetition rates. This has led to continuous upgrades of existing and the construction of many new machines around the world. The Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) operates the third generation light source Berlin Electron Storage Ring Society for SYnchrotron Radiation (BESSY) II. Operation of the storage-ring-based light source BESSY II in proximity of the third-order, transverse, optical tune resonance with Transverse Resonance Island Buckets (TRIBs) optics enables storage of current on a second stable orbit winding around the core orbit in the transverse x-x′ -phase space. This second orbit closes after three revolutions, resulting in a tune approximately three times that of the core tune. The stable island orbit provides the possibility to populate each of the 400 Radio Frequency (RF) buckets, defined by the 500 MHz cavities at BESSY II not only on the core but also additionally or exclusively on one or all three of the corresponding transverse island buckets of the threefold island orbit. This provides unique bunch separation possibilities with the appropriate population of each orbit. The population of one orbit with single bunches enables dedicated utilisation of this orbit for timing experiments and gives all beamlines with sufficient acceptance access to time-resolved experiments. The bunch separation is realised by aligning each beamline with the desired orbit. Thus, this operation mode represents a possibility to enhance the timing capabilities at BESSY II and storage ring based light sources in general.

Die vorliegende Arbeit ist Teil eines Forschungsprojekts zur Entwicklung eines neuartigen Systems zur zerstörungsfreien und bildgebenden Untersuchung von Luftfracht mittels Neutronen- und Gammastrahlung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Strahlungsquelle entwickelt, die optimal auf die Anwendung angepasst ist: Ein gepulster Deuteronenstrahl wird in einer Ionenquelle erzeugt und mittels eines niederenergetischen Strahltransportsystems zum Hauptbeschleuniger geführt. Dieser besteht aus einem Radiofrequenz Quadrupol (RFQ) mit einer finalen Energie von 6 MeV. Da für die Anwendung sehr kurze Pulse der Strahlung in der Größenordnung einiger Nanosekunden unabdingbar sind, musste eine neuartige Lösung zur Pulsung des Deuteronenstrahls gefunden werden. Eine große Herausforderung bestand hierbei im Zusammenspiel der kurzen Pulsdauer und hohen Pulsladung in Kombination mit der hohen Wiederholrate. Dieses wurde erreicht, indem ein spezielles Pulsungssystem innerhalb des Strahlentransportes zwischen Ionenquelle und RFQ eingefügt wurde. Dieses System enthält neben einem strahlablenkenden auch ein strahlbündelndes Element. Der Deuteronenstrahl wird hinter dem RFQ auf ein Target geführt, welches aus Borcarbid besteht. In dieser Arbeit wird das komplette physikalische Design der Strahlungsquelle diskutiert sowie Simulationen zum Pulsungssystem bzw. dem RFQ-Beschleuniger präsentiert. Weiterhin werden Proof-of-Principle Experimente beschrieben, die mithilfe eines Prototypen-Pulsungssystems entwickelt im Rahmen dieser Arbeit und gefertigt von der RI Research Instruments GmbH an einem speziell für diesen Zweck errichteten Teststands durchgeführt wurden. Außerdem wurden mehrere Experimente sowohl an der Beschleunigeranlage der Physikalisch- Technischen Bundesanstalt (PTB) Braunschweig als auch am RFQ Beschleuniger der Nuclear Energy Corporation of South Africa (NECSA) in Pelindaba durchgeführt, um das Target zu optimieren und das erzeugte Strahlungsfeld zu charakterisieren., This thesis is part of a research project whose goal is to develop a novel, non-destructive imaging system to be employed for air freight security. The screening will be performed employing neutron- and gamma-radiation based techniques. One of the critical issues in this project was the absence of an adequate particle source. Thus, a new type of source was developed during this work. The new source consists of four main parts: A pulsed deuteron beam is formed in an ion source (IS) and is fed, via a matching low energy beam transport system (LEBT), into the main accelerator. The latter comprises a radio frequency quadrupole (RFQ) that produces a deuteron beam with a final energy of 6 MeV. Since pulsing of this beam in the regime of several nanoseconds is mandatory for the application, a novel solution had to be found to apply the required pulsing scheme, without undershoot the required beam charge per pulse. A major challenge in doing so was the combination of pulse length, high bunch charge as well as high repetition rate. This could be achieved by adding a pulsing system in between the LEBT section and RFQ: it consists of a beam-deflection, as well as a beam-bunching element. The deuteron beam is ultimately directed to a wobbling, plasma sprayed boron carbide (B4C) target. This work focuses on an entire physical design as well as simulation work of the pulsing system and RFQ. Furthermore, proof-of-principle experiments concerning a prototype of the pulsing system developed in the framework of this thesis and manufactured by RI Research Instruments GmbH could be performed at a test bench dedicated to this project. To round up the study, the suitability of the target and target reaction was demonstrated during multiple experiments performed at Physikalisch- Technische Bundesanstalt (PTB) at Braunschweig as well as the Nuclear Energy Corporation of South Africa (NECSA) in Pelindaba.

Für viele Anwendungen in der Grundlagenforschung, Medizin und industriellen Entwicklung sind Beschleuniger der entscheidende Antrieb. Vor allem Elektronenbeschleuniger sind als Synchrotronquellen unter den brillantesten Quellen für Strahlung im Infrarot- bis Röntgenbereich und damit unerlässlich für eine Vielzahl von Anwendungen und analytischen Methoden. Photoinjektoren stellen als Elektronenquellen für Beschleuniger eine wichtige Komponente für die Entwicklung von Lichtquellen wie Freie-Elektronen-Laser, sowie für neue Beschleunigerkonzepte wie Linearbeschleuniger mit Energierückgewinnung dar. Die Photokathode und der Anregungslaser definieren dabei mit der Quantenausbeute (QE) und der intrinsischen Emittanz zentrale Kenngrößen des Photoinjektors. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung von Alkali-Antimonid Photokathoden für die Anwendung in einem Photoinjektor mit supraleitendem Hochfrequenz-Resonator. Alkali Antimonide zeigen generell eine hohe QE und Cäsium Kalium Antimonid (Cs-K-Sb) im speziellen verspricht eine geringe intrinsische Emittanz aufgrund der Ionisierungsenergie, die nur knapp unter der Photonenenergie der grünen Anregungslaser liegt. Mit der Inbetriebnahme eines Präparations- und Analysesystems konnte die Abscheidung dünner Schichten von Cs-K-Sb sowie die Messung der QE und chemischen Zusammensetzung erzielt werden. Dabei wurde mit der Ko-evaporation der Alkalimetalle eine neue Wachstumsmethode etabliert und hinsichtlich der Prozessstabilität und Qualität der erzeugten Proben mit der sequenziellen Methode verglichen. Schließlich beschreiben die Inbetriebnahme eines Prototyps des Photoinjektors und erste erfolgreiche Kathodentransfers im Vakuum einen wichtigen Schritt hin zum Betrieb eines Beschleunigers mit einer Cs-K-Sb Photokathode im supraleitenden Hochfrequenz-Injektor. Diese Kombination erlaubt die Erzeugung eines Elektronenstrahls mit niedriger Emittanz und hohem mittleren Strom., For many disciplines in basic and applied research, medicine and industrial development accelerators are an important driving force. Especially electron accelerators as synchrotron sources are among the brightest sources of radiation from the infrared to the X-ray regime and thus fundamental to a broad range of analytical techniques. Photoinjectors as electron sources for accelerator applications are a key component for the development of light sources such as free electron lasers as well as new accelerator concepts like energy-recovery linacs. The photocathode and drive laser define the quantum efficiency (QE) and intrinsic emittance of the photoemission process and thus central figures of merit of the photoinjector. This work focuses on the development of alkali antimonide photocathodes for the application in a superconducting radio frequency photoinjector. Alkali antimonides generally exhibit a high QE and cesium potassium antimonide (Cs-K-Sb) specifically is expected to release electrons with a low intrinsic emittance as the photoemission threshold is close to the photon energy of common, green, drive laser wavelengths. A preparation and analysis system has been commissioned for the deposition of Cs-K-Sb thin film photocathodes and their analysis regarding QE and chemical composition. A new deposition technique, the alkali metal co-deposition, was established and compared to the sequential deposition in terms of process reliability and quality of the produced samples. The work concludes with a report of the commissioning of a prototype of the photoinjector and successful cathode transfers in ultra-high vacuum, which represents an important technological advancement towards the operation of an accelerator with the combination of Cs-K-Sb photocathodes and an SRF injector. This combination makes the generation of an electron beam with low emittance and high average current possible.

Zukünftige Beschleunigerprojekte und Nutzerexperimente erfordern für ihren Betrieb einen hochbrillanten Elektronenstrahl mit hohem mittlerem Strom. Eine Elektronenquelle mit dem Potential die Anforderungen erfüllen, ist ein supraleitender Hochfrequenz (SHF) Photoinjektor im Dauerstrichbetrieb. Die Strahldynamik eines solchen Photoinjektor Systems bestimmt die maximal zu erreichende Strahlbrillanz und wird ihrerseits von den Design und Betriebsparametern des Photoinjektors beeinflusst. Ziel ist immer die entscheidenden Design- und Betriebsparameter der Elektronenquelle hinsichtlich einer maximalen Strahlbrillanz zu wählen. Diese Aufgabe verlangt ein detailliertes Verständnis der Strahldynamik-Prozesse. Ferner ist es notwendig, eine Optimierung des Photoinjektors als Ganzes, mit dem Ziel einer maximalen Strahlqualität bei hohem mittlerem Strom, vorzunehmen. Dieses ermöglicht auch, die physikalischen Grenzen eines gegebenen Designs zu ermitteln und im Betrieb vollständig auszunutzen. Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Strahldynamik in einem SHF Photoinjektor, unter Berücksichtigung interner Raumladungseffekte. Die Erkenntnisse zur Strahldynamik werden für die Entwicklung eines Optimierungsprogramms verwendet, um die Leistung des Injektors hinsichtlich der Strahlbrillanz zu verbessern. Die entwickelte Methode basiert auf Pareto-Optimierung mehrerer Zielfunktionen, unter Verwendung eines generischen Algorithmus. Das zentrale Ergebnis dieser Arbeit umfasst ein universelles Optimierungsprogramm, das für Photoinjektoren unabhängig von ihrem Design und Anwendungsgebiet genutzt werden kann. Für den Betrieb mit hoher Strahlbrillanz ist es möglich aus den erhaltenen Pareto-optimalen Lösungen einen stabilen Satz an Einstellwerten für den Photoinjektor zu extrahieren. Durch die allgemeine Optimierungsstrategie lässt sich das entwickelte Programm auch für andere Beschleunigerabschnitte, oder die Optimierung einer ganzen Anlage mit erweiterter Zielsetzung anpassen., An increasing number of future accelerator projects, light sources and user experiments require high brightness, high average current electron beams for operation. Superconducting radio-frequency (SRF) photoinjectors running in continuous-wave (cw) mode hold the potential to serve as an electron source that generates electron beams of high brightness. Different operation and design parameters of the SRF photoinjector impact the beam dynamics and, thus, the beam brightness. Therefore, an in-depth understanding of the beam dynamics processes in an SRF photoinjector and the dependency of the beam dynamics on the photoinjector set parameters is crucial. A high brightness beam operation requires a global optimization of the SRF photoinjector that allows to find suitable photoinjector settings and to figure out and extend the physical performance limits of the investigated injector design. The dissertation at hand offers a detailed analysis of the beam dynamics in an SRF photoinjector regarding internal space charge effects. Furthermore, the impact of the photoinjector elements on the electron beam is discussed. The lessons learned from this theoretical view are implemented in the development of an optimization tool to achieve a high brightness performance. A universal multi-objective optimization program based on a generic algorithm was developed to extract stable, optimum gun parameter from Pareto-optimum solutions. This universal tool is able to optimize and find the physical performance limit of any (S)RF photoinjector independent from the individual application of the electron source (energy recovery linac, free electron laser, ultra-fast electron diffraction). This thesis thereby verifies and complements existing theoretical considerations regarding photoinjector-beam interactions. The global optimization strategy can be introduced to variable optimization objectives as well as it can be extended to an optimization of further parts of the accelerator facility.

Am BESSY II liefert ein Linearbeschleuniger Elektronen mit 50 MeV an ein Synchrotron, wo diese in 33 ms auf 1.7 GeV beschleunigt und dann in den Speicherring injiziert werden. Die Injektion in den Speicherring ist ein kritischer Schritt des Beschleunigungszyklus und wichtig für den Top Up Modus. Verlorene Elektronen einer nicht angepassten Injektion erzeugen Bremsstrahlung und Radionuklide. Erstere führen kurzzeitig und letztere langfristig zu erhöhten Strahlungsdosen, welche vermieden werden sollen. Daher ist es wichtig, die Strahlparameter für eine verlustfreie Injektion zu optimieren. Für Top Up Injektion in den Speicherring BESSY II wird eine durchschnittliche Injektionseffizienz von mindestens 90% benötigt. Zukünftige BESSY II Merkmale sollen kurze Bunche im Speicherring (VSR) und eine für Nutzer transparente Injektion mit einem nichtlinearen Kicker beinhalten. Diese werden der Anforderung möglichst geringer radialer Emittanz des injizierten Strahls zusätzliches Gewicht verleihen. Der Strahl wird horizontal versetzt in der radialen Ebene in den Speichering injiziert. Daher bedingt eine größere radiale Strahlemittanz eine größere Akzeptanz des Ringes. Der injizierte Strahl wird von einem Synchrotron geliefert. Er wird kurz vor erreichen der Gleichgewichtsemittanz aus diesem extrahiert. Adiabatische und Strahlungsdämpfung bedingt durch Zufällige Impulsverluste durch Synchrotronstrahlung und stetige Erhöhung des longitudinalen Impulses in der Kavität verringern die Emittanz über den Beschleunigungszyklus. Die Quantenanregung erhöht die Emittanz durch Synchrotronstrahlung in dispersiven Sektionen und findet dementsprechend hauptsächlich in der radialen Ebene statt. Ohne transversale Kopplung erhält man so einen Strahl mit relativ großer radialer und relativ kleiner axialer Emittanz vom Synchrotron. Im Falle ausreichender axialer Akzeptanz des Rings kann man die kleine axiale Emittanz durch transversalen Emittanzaustausch vor der Injektion ausnutzen. Thema dieser Ar, At BESSY II a linear accelerator delivers electrons with 50 MeV to a synchrotron where they are boosted to 1.7 GeV in 33 ms and then injected into the storage ring. The injection into the ring is a critical step of the acceleration cycle and of great importance for implementing the top up mode. Lost electrons from a mismatched injection produce Bremsstrahlung and radionuclides. The former lead to short-term and the latter to long-term increased radiation doses which must be avoided. Therefore, it is important to optimize the beam parameters for a close to lossless injection. For top up injection into the storage ring BESSY II, an average injection efficiency of 90% is required. Future BESSY II features will include shorter bunches in the storage ring (VSR) and a user transparent injection with a non linear kicker. These will raise the demands on the quality of the injected beam even further. The beam is injected into the storage ring in the radial plane and off-axis. Thus larger radial beam emittance requires a bigger radial acceptance of the ring. The injected beam is provided by a synchrotron, from which the beam is extracted just before reaching equilibrium emittance. Adiabatic and radiation damping due to steady increase of longitudinal momentum in the cavity and random loss of momenta by synchrotron radiation decrease the emittance during particle acceleration. The quantum excitation increases the emittance by synchrotron radiation in dispersive sections and hence, usually takes place in the radial plane. Without transverse coupling this leads to a beam with relatively large radial and small axial emittance from the synchrotron. In case of sufficient axial acceptance in the ring, one can take advantage of the small axial emittance by transverse emittance exchange before injection. Subject of this thesis is to study the development of the transverse electron beam emittance from the linear accelerator over the acceleration in the booster-synchrotron up to the inj

Als angehender Physiker muss ich im zum Abschluss meines Bachelorstudiums eine Abschlussarbeit schreiben. Dabei war es mir selbst überlassen auszusuchen, in welchem Bereich ich mich dabei einarbeiten möchte. Da mich vor allem die Anwendung der Physik und insbesondere auch großtechnische Anlagen schon immer besonders interessiert haben, habe ich mich dazu entschlossen, mich auf das meiner Meinung nach spannendste Projekt in Adlershof zu konzentrieren: die Elektronenspeicherringanlage BESSY II. Nach einem Gespräch mit Prof. Dr. Jankowiak haben wir uns auf das erst einmal allgemein gehaltene Thema Messungen am Synchrotron geeinigt. Mit meinem Betreuer Dr. Kuske habe ich dann letztlich die Energieschwankungen des Linacs, die Energie- und Phasenakzeptanz des Synchrotrons, sowie die Oszillationen des Strahls im Synchrotron untersucht., On my path to become a physicist I must finalise my bachelor studies with a thesis. In the course of this, I am free to choose the topic of my specialisation. Since applied physics and especially large scale research facilities have always raised my interest, I have decided to concentrate on the most fitting research facility in Berlin-Adlershof: the electron storage ring BESSY II. After talking to Prof. Andreas Jankowiak he agreed to support my bachelor studies on the BESSY II injector system and especially the booster synchrotron. Then Dr. Peter Kuske supervised my studies on the energy fluctuations of the injector linac, the phase acceptance of the synchrotron and the beam oscillations in the booster.

SHF Photoelektroneninjektoren sind eine vielversprechende Elektronquelle für hochbrillante Teichenbeschleuniger mit hohem mittlerem Strom und kurzen Teilchenpulsen, wie FELs und ERLs. Für das ERL Projekt bERLinPro wurde einer unabhängige Testanlage GunLab entwickelt um die Leistungsfähigkeit der Injektoren und die Strahlparameter zu überprüfen. Darüber hinaus können neue Komponenten zur Strahldiagnose getestet werden. Die Hauptaufgabe von GunLab ist die Beschreibung des vollständigen sechsdimensionalen Phasenraums der Elektronen in Abhängigkeit aller Injektorparameter. Die Anlage besteht aus einer kompakten Diagnosestrahlführungan dem SHF Photoelektroneninjektoren und einem Kathodenlasersystem. Im Rahmen dieser Arbeit wurden analytische und numerische Studien zu den SHF Photoelektroneninjektoren durchgeführt, um zu erwartende Strahlparameter zu detektieren und die Anforderungen an die Strahldiagnose festzulegen. Darüber hinaus wurden verschiedene Emittanzbeiträge der einzelnen Injektorkomponenten untersucht. Diesbezüglich wurde das Magnetfeld des aktuellen Solenoiden kartiert und auf Asymmetrien getestet, die ebenfalls zu Emittanzvergrößerungen beitragen können. Eine der wesentlichen Komponenten der Diagnosestrahlführung ist das (transversale) Phasenraummesssystem, für das eine besondere Magnetgeometrie entwickelt wurde. Weitere Diagnose Komponenten sind ein optimierter Spektrometerdipol und eine transversal ablenkende Kavität, durch die sich zusammen mit zwei Quadrupolmagneten die Scheibenemittanz bestimmen lässt. Für GunLab wurden unterschiedliche optische Messsysteme entwickelt und optimiert. Der herausforderndste Aufbau ist dabei das Strahl-Halo Messsystem. Es ermöglicht die Beobachtung der transversalen Ladungsverteilung über einen Dynamikbereich von bis zu 6 Größenordnungen. Die Leistungsfähigkeit und die Auflösung aller Messsysteme und Messroutinen wurden bestimmt, um die Visualisierung des kompletten Phasenraums durch GunLab sicher zu stellen., SRF photoelectron injectors are promising electron sources for high brightness accelerators with high average current and short pulse duration like FELs and ERLs. For the ERL project bERLinPro an independent test facility called GunLab was developed and set up to optimize the operation performance of SRF photoinjectors and the electron beam parameters. Furthermore, GunLab allows to investigate the operation of different kinds of photocathodes in the environment of an SRF accelerator and to study new beam diagnostic concepts. Of outmost importance is the characterization of the full six dimensional phase space as a function of all injector parameters. GunLab consists of the compact diagnostic beam line, connected to the SRF photoinjetor module, and a drive laser. In the context of this thesis, analytical and numerical investigations of the SRF photoinjector were performed to estimate beam parameter ranges and to determine the diagnostics requirements. Furthermore, various emittance contributors of the injector were determined. Thereby the magnetic field of the final designed solenoid was measured to determine field asymmetries, which are one major source of emittance growth. One of the central diagnostic components of the beamline is the (horizontal) phase space scanner system. For this purpose, a dedicated air-coil magnet design was developed. Additional diagnostic components include an optimized spectrometer system, a transverse deflecting cavity (TCav) and two quadrupole magnets, to determine longitudinal and sliced emittance. For GunLab different optical measurement systems were developed and optimized, the most challenging setup is a beam halo measurement system. This device is able to observe the transverse charge density with a dynamic range of up to 6 orders of magnitude. The performance and the resolution of all measurement systems and routines for GunLab were determined to ensure the visualization of the electron beam phase space.

Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons hat ein Messprogramm begonnen, bei dem die Eigenschaften dieses neuen Teilchens mit der höchstmöglichen Präzision untersucht werden soll um die Gültigkeit des Standardmodells der Teilchenphysik zu prüfen und nach neuer Physik jenseits des Standardmodells zu suchen. Für dieses Ziel wird der Large Hadron Collider (LHC) und sein Upgrade, der High Luminosity-LHC bis etwa zum Jahr 2035 laufen und Daten produzieren. Um an der Spitze der Teilchenphysik zu bleiben, hat die “European Strategy Group for Particle Physics” empfohlen, ambitionierte Nachfolgeprojekte für die Zeit nach dem LHC zu entwickeln. Entsprechend dieser Empfehlung hat das CERN die “Future Circular Collider” (FCC) -Studie gestartet, die die Machbarkeit neuer Speicherringe für Teilchenkollisionen (Collider) untersucht. In dieser Arbeit wird die Entwicklung der Wechselwirkungszonen für FCC-hh, einem Proton-Proton-Speicherring mit einer Schwerpunktsenergie von 100 TeV und einem Umfang von 100 km, beschrieben. Die Wechselwirkungszone ist das Herzstück eines Colliders, da sie die erreichbare Luminosität bestimmt. Es ist daher entscheidend, schon früh im Entwicklungsprozess eine möglichst hohe Kollisionsrate anzustreben. Ausgehend von der optische Struktur der Wechselwirkungszonen des LHC und dem geplanten High Luminosity-LHC (HL-LHC) werden Strategien zur Skalierung hergeleitet um der höheren Strahlenergie gerecht zu werden. Bereits früh im Entwicklungsprozess wird die Strahlungsbelastung durch Teilchentrümmer vom Wechselwirkungspunkt als entscheidender Faktor für das Layout der Wechselwirkungszone identifiziert und eine allgemeine Design-Strategie, die den Schutz der supraleitenden Endfokussierungsmagnete mit einer hohen Luminosität verbindet, wird formuliert und implementiert. Aufgrund des deutlichen Spielraums in Bezug auf beta* wurde die resultierende Magnetstruktur zum Referenzdesign für das FCC-hh-Projekt., The discovery of the Higgs boson is the start of a measurement program that aims to study the properties of this new particle with the highest possible precision in order to test the validity or the Standard Model of particle physics and to search for new physics beyond the Standard Model. For that purpose, the Large Hadron Collider (LHC) and its upgrade, the High Luminosity-LHC, will operate and produce data until 2035. Following the recommendations of the European Strategy Group for Particle Physics, CERN launched the Future Circular Collider (FCC) study to design large scale particle colliders for high energy physics research in the post-LHC era. This thesis presents the development of the interaction region for FCC-hh, a proton-proton collider operating at 100 TeV center-of-mass energy. The interaction region is the centerpiece of a collider as it determines the achievable luminosity. It is therefore crucial to aim for maximum production rates from the beginning of the design process. Starting from the lattices of LHC and its proposed upgrade, the High Luminosity LHC (HL-LHC), scaling strategies are derived to account for the increased beam rigidity. After identifying energy deposition from debris of the collision events as a driving factor for the layout, a general design strategy is drafted and implemented, unifying protection of the superconducting final focus magnets from radiation with a high luminosity performance. The resulting FCC-hh lattice has significant margins to the performance goals in terms of beta*. Protecting the final focus magnets from radiation with thick shielding limits the minimum beta* and therefore the luminosity. An alternative strategy to increase the magnet lifetime by distributing the radiation load more evenly is developed. A proof of principle of this method, the so-called Q1 split, is provided. In order to demonstrate the feasibility of the derived interaction region lattices, first dynamic aperture studies are conducted.

Cs-K-Sb Photokathoden sind aufgrund hoher Quanteneffizienzen im sichtbaren Spektrum vielversprechende Kandidaten als Elektronenquellen für zukünftige Synchrotron-Lichtquellen, wie die Energy-Recovery Linac (ERL) Testanlage bERLinPro. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Inbetriebnahme eines Versuchsaufbaus, der in der Lage ist die spektrale Quanteneffizienz von Kathoden im Bereich von 370 bis 700 nm zu messen, den Photostrom während des Photokathodenwachstums zu überwachen und die Kathodenlebensdauer bei 515 nm zu messen. Mit diesem Aufbau wurden 5 Photokathoden charakterisiert, um das Wachstum besser zu verstehen und zu optimieren. Neben der spektralen Quanteneffizienz konnte die mittlere Lebensdauer der Kathoden bei 515 nm auf weniger als einen Tag bestimmt werden. Ein Scan über die Oberfläche der Kathode zeigt eine unregelmäßige Verteilung der Quanteneffizienz bei 515 nm. Da die Photokathoden in einer supraleitenden Umgebung eingesetzt werden, wurde eine Kathode auf -120°C herunter gekühlt, während die spektrale Quanteneffizienz gemessen wurde. Es zeigt sich, dass niedrige Temperaturen keinen signifikanten Einfluss auf die Quanteneffizienz haben. Mit Hilfe des Spicer Modells konnten zwei verschiedene Austrittsarbeiten aus den spektralen Quanteneffizienzen extrahiert werden. Der Wert der ersten Arbeitsfunktion ergibt sich zu 1,96 +/- 0,02 eV. Weiterhin wird gezeigt, dass die Quanteneffizienz bei 515 nm hauptsächlich von der zweiten Austrittsarbeit abhängt. So leistet der experimentelle Aufbau einerseits einen wichtigen Beitrag für das bERLinPro Photokathoden R&D Projekt und ist andererseits ein wichtiges Hilfsmittel um Photokathoden zu charakterisieren., Photocathodes made of Cs-K-Sb are promising candidates as electron sources for future synchrotron light sources like the energy recovery linac (ERL) test facility bERLinPro, since they provide high quantum efficiencies in the visible spectrum. This master thesis deals with the commissioning of an experimental setup, which is able to measure the spectral quantum efficiency of cathodes from 370 to 700 nm, to monitor the photocurrent during the photocathode growth process and to measure the cathodes lifetime at 515 nm. With this setup, 5 photocathodes were characterized, in order to better understand and to optimize the growth and the preparation process. Besides the spectral quantum efficiency, the mean lifetime of the cathodes at 515 nm could be determined to less than one day. A mapping over the cathode's surface shows an irregular distribution of the quantum efficiency at 515 nm. Since the photocathodes will be working in a superconducting environement, one cathode was cooled down to -120°C, while measuring the spectral quantum efficiency. It is shown, that low temperatures had no significant influence on the quantum efficiency. Two different work functions could be extracted by fitting each measured spectral quantum efficiency to the so called Spicer model. The value of the first work function could be determined to 1.96 +/- 0.02 eV. Further, it is shown, that the quantum efficiency at 515 nm mainly depends on the second work function. Thus, the commissioned experimental setup is an important tool for characterizing photocathodes and an important contribution for the bERLinPro photocathode R&D project.

Die Beschleunigung von Elektronen im Wechselwirkungsbereich hochintensiver Laserfelder mit einem Plasma wird als mögliche Alternative zu konventionellen Radiofrequenz basierten Beschleunigerkonzepten gehandelt. Die gezeigten Experimente sind die ersten Versuche zur Laser getriebenen Elektronenbeschleunigung am Max Born Institut. Im Rahmen dieser Dissertation konzentriere ich mich auf kontrollierte Injektion und es werden zwei verschiedene Methoden gezeigt. Die erste demonstrierte Variante einer stimulierten Injektion ist die Ionisationsinjektion, welche typischerweise zu einem kontinuierlichen Elektroneneinfang über einen ausgedehnten Bereich entlang der Propagation des Lasers führt. Die injizierten Elektronen werden dadurch über unterschiedliche Längen beschleunigt, was zu einem breiten Energiespektrum des beschleunigten Eletronenpaketes führt. Die zweite untersuchte Injektionsmethode basiert auf einem Überschallphänomen, welches eine quasi-instantane Injektion ermöglicht. Wird ein Überschall-Gasfluß durch eine scharfe Kante gestört, bildet sich ein scharfer Dichteübergang, bekannt als Schock Front, durch welchen eine Injektion stimuliert werden kann. Es wurde gezeigt, dass die Machzahl der Düse bzw. die Übergangshöhe der Schock Front dazu benutzt werden können, die injizierte Ladungsmenge zu kontrollieren. Eine Erhöhung der Ladungsmenge ist dabei mit einer Erhöhung der Energiebreite verknüpft. Es wurden Elektronenstrahlen demonstriert mit weniger als 2% Energiebreite bei einer Maximalenergie von 300MeV und 5 pC Ladung. Es zeigte sich, dass sowohl bei Shock-Front Injektion als auch bei Ionisationsinjektion die emittierte Ladung pro Energieintervall und Raumwinkel konstant blieb, bei einem Wert von (0.021+-0.001) pC/MeV/mrad^2. Dass sowohl eine kontinuierliche als auch eine instantane Injektion dieselbe Korrelation zwischen Ladung, Divergenz und Energiebreite aufweisen, lässt darauf schließen, dass es sich um eine Eigenschaft der Plasmawelle selbst handelt., The acceleration of electrons in intense laser fields interacting with a plasma is widely considered as a possible alternative to conventional RF-based accelerator concepts. The presented measurements are the first demonstration of Laser Wakefield Acceleration at the Max Born Institut and a setup was build to perform the described experiments. This thesis focuses on controlled injection and two different methods will be compared. The first method of stimulated injection, presented in this thesis, is ionization injection, which typically causes electron trapping over an extended laser propagation distance. As electrons become injected at different positions, electrons will be accelerated over different distances, yielding a wide energy spread in the emitted electron beam. The second stimulated injection method utilizes a supersonic phenomenon called shock front to stimulate a quasi-instantaneous injection. When a supersonic gas flow is disturbed by a sharp edge, a shock front is created and injection is stimulated at the crossing of the propagating laser pulse and the shock-front region. It is found that the Mach number of the flow or the density transition in the shock front respectively, can be used to tune the total charge injected. This increase in total charge comes at the expense of an increased energy spread. Electron beams are demonstrated with an energy spread of less than 2% at peak energies of 300MeV with 5 pC of charge. For the ionization injection as well as for the shock-front injection it is found, that the charge per energy interval and solid angle is constant and amounts to (0.021+-0.001) pC/MeV/mrad^2 for all observed electron beams. The continuous injection and the quasi-instantaneous injection yield the same correlation between charge, divergence and energy spread. This implies that this correlation is a property of the wakefield structure itself.