title: Entwicklung und Aufbau der Laser-getriebenen Compton-Rückstreuquelle COBRA für Strahldiagnose am S-DALINAC
Creators: name: Meier, Maximilian Georg
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2024

description: Die Charakterisierung der Elektronenstrahlenergie und Energieunschärfe von Beschleunigern ist ein wichtiger Aspekt für viele Experimente. Hierzu gibt es je nach Beschleunigeranlage und Typ unterschiedlichste Methoden. Eine vielversprechende Methode ist die Verwendung der inversen Compton-Streuung oder Compton-Rückstreuung, bei der ein Photon an einem relativistischen Elektron streut und dabei ein Energieübertrag vom Elektron auf das Photon stattfindet. Dieser Zusammenhang kann vereinfacht über eine doppelte Lorentztransformation der Photonenenergie mit E=4γ²·Eₚ ausgedrückt werden, wobei γ der Lorentzfaktor gegeben durch das Elektron ist und Eₚ die Energie des ursprünglichen Photons. Das gestreute Photon hat somit quadratisch proportional zum Impuls der Elektronen an Energie gewonnen. Mit der detektierten Energie des gestreuten Photons kann anschließend auf die Elektronenenergie rückgeschlossen werden. Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung und den Aufbau einer Laser-getriebenen Compton-Rückstreuquelle am supraleitenden Darmstädter Elektronen-Linearbeschleuniger (S-DALINAC) des Instituts für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt, welcher als mehrfach rezirkulierender ERL (Akronym für engl. Energy Recovery LINAC) betrieben werden kann. Die Compton-Rückstreuquelle COBRA (Akronym für engl. Compton Backscattering at a Recirculating Accelerator) wurde entwickelt und aufgebaut für den Betrieb als Elektronenstrahldiagnose. Mit ihr soll zunächst die kinetische Energie und die Energieunschärfe gemessen werden. Außerdem bietet das System eine gute Basis für spätere Weiterentwicklungen in Richtung einer Strahlungsquelle für Röntgenphotonen, wodurch ein neuer Anwendungsbereich geschaffen würde. Im Verlauf dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen zur Compton-Rückstreuung geschaffen, woraus Entwicklungs-Aspekte für eine Compton-Rückstreuquelle abgeleitet werden können. Anschließend wird der S-DALINAC und die aktuell verwendeten Messmethoden der Strahlparameter vorgestellt. Ein zentrales Element für die COBRA-Quelle ist für den S-DALINAC und die Anwendung als Strahldiagnose ein geeignetes Lasersystem zu charakterisieren. Hierzu wurde ein Simulationsprogramm auf Basis der analytischen Rechnungen der Compton-Rücksstreuung erstellt. Die Ergebnisse, wie auch das finale Lasersystem werden vorgestellt. Es zeigt sich, dass ein 100-W-Lasersystem für die erfolgreiche Strahldiagnose benötigt wird. Trotz der Positionierung des Lasersystems in einem ca. 50 m entfernten Laserlabor konnte eine Transmission der Leistung von 96% gewährleistet werden. Der zweite Teil der Entwicklung beinhaltet die geometrische Auslegung der Überlagerung des Elektronen- und Laserstrahls. Hierzu wurde ein robustes und dennoch flexibles Design gewählt. Dieses soll erste Messungen der Strahlenergie ermöglichen und möglichst viel Anpassungspotential liefern. Die gewählte Geometrie der Frontalkollision spielt dabei eine zentrale Rolle, bietet es doch die Maximierung der Parameter Photonenfluss und Energie, bei gleichzeitig vereinfachter Analyse der Diagnosedaten. Die Frontralkollision wurde durch den Einsatz eines Off-Axis-Parabolspiegels erreicht, welcher in der Strahlachse der Elektronen positioniert wird. Um den Elektronen den Durchgang durch den Spiegel zu vereinfachen, wurde dieser mit einer zentralen Bohrung versehen. Der Laserstrahl hingegen wird durch den Parabolspiegel um 90° umgelenkt und fokussiert. Dieser Aufbau hat dadurch eine gewisse Flexibilität der Laserstrahlparameter, so kann jederzeit die Strahlgröße und auch der Kollisionswinkel (in geringem Maße) angepasst werden. Abschließend konnte die entwickelte Compton-Rückstreuquelle COBRA innerhalb der dritten Rezirkulation des S-DALINAC aufgebaut werden. Es wurden Messungen zur Charakterisierung des Laserstrahls am Interaktionspunkt durchgeführt. Hier konnten Strahlgrößen von 50 bis 100 μm mit 93% der Laserleistung erreicht werden. Dies bildet eine gute Grundlage für die anschließende Inbetriebnahme von COBRA.