Faculté des sciences de base SB, Programme doctoral Physique

Characterization of electron bunches from field emitter array cathodes for use in next-generation X-Ray free electron lasers

Leemann, Simon Christian ; Wrulich, Albin Friedrich (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2007 ; no 3724.

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    Summary
    PSI is interested in developing an X-FEL as a companion radiation source to the existing Swiss Light Source. In order to achieve radiation wavelengths as low as 1 Å, the X-FEL requires excellent electron beam quality and high beam energy. The energy requirements and thus the size and cost of the project can be reduced considerably if an ultra-low emittance electron source is developed. Therefore PSI has started the Low Emittance Gun Project with the aim to design a novel type of electron source that will deliver an electron beam with unprecedented emittance at high peak currents to the linear accelerator of the proposed X-FEL. A source candidate for such a gun is field emission from cold cathodes. In order to gain first experience with field emission guns, investigate the dynamics of space charge dominated electron beams and to develop diagnostics capable of resolving ultra-low emittances, it was decided to build a 100 keV DC gun test stand. In the scope of this thesis, the test stand has been designed, assembled and commissioned. For the first time, transverse phase space measurements of bunches emitted by field emitter arrays in pulsed DC accelerating fields have been performed.
    Zusammenfassung
    Das PSI ist an der Entwicklung eines X-FEL als komplementäre Lichtquelle zur bestehenden Synchrotron Lichtquelle Schweiz interessiert. Um Strahlung mit Wellenlängen bis zu 1 Å zu erzeugen, verlangt ein X-FEL ausgezeichnete Elektronenstrahleigenschaften und hohe Strahlenergie. Die Anforderungen an die Energie, und somit an Grösse und Kosten des Projekts, können bedeutend reduziert werden, sollte eine Elektronenquelle mit sehr kleiner Emittanz gefunden werden. Deshalb hat das PSI das Low Emittance Gun Projekt gegründet mit dem Ziel, eine neuartige Elektronenquelle zu entwickeln, die bisher unerreichte Emittanz bei gleichzeitig hohem Spitzenstrom an den Linearbeschleuniger des X-FEL liefern soll. Eine mögliche Quelle für eine solche Elektronenkanone ist Feldemission von kalten Kathoden. Um erste Erfahrungen mit auf Feldemission basierten Kanonen zu sammeln, die Dynamik durch Raumladung dominierter Elektronenstrahlen zu untersuchen und Diagnostik zu entwickeln, welche niedrigste Emittanzen messen kann, wurde beschlossen, einen 100 keV Teststand zu bauen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde dieser Teststand entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Zum ersten Mal wurde der transversale Phasenraum von Elektronenpaketen, die von einer Feldemissions-Matrix ausgesendet und in gepulsten Gleichstromfeldern beschleunigt wurden, ausgemessen.