title: Exploring Necessary Conditions for Generating Coherent Radiation from Microbunching at the Metrology Light Source
Creators: name: Kruschinski, Arnold
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2025
Subjects: subject: Beschleunigerphysik
subject: Steady-State Microbunching
subject: nichtlineare longitudinale Strahldynamik
subject: low-alpha
subject: kohärente Synchrotronstrahlung
subject: Laser-Elektronenstrahl-Interaktion
subject: accelerator physics
subject: steady-state microbunching
subject: nonlinear longitudinal beam dynamics
subject: low-alpha
subject: coherent synchrotron radiation
subject: laser-electron beam interaction
subject: 530 Physik

description: Synchrotronstrahlung ist für Wissenschaft und Industrie in den letzten Jahrzehnten unverzichtbar geworden. Synchrotronstrahlungsquellen bieten eine hohe Brillianz und die Möglichkeit, sehr kurze Pulse zu erzeugen. Kurze Wellenlängen, vom Extrem-Ultravioletten (EUV) bis hin zu Röntgenstrahlen, sind von besonderem Interesse für Messtechniken, die eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung erfordern. Allerdings ist es bei diesen kurzen Wellenlängen schwierig, Strahlungsquellen von hoher Durchschnittsleistung bereitzustellen, die Nachfrage nach solchen steigt jedoch sowohl in Wissenschaft als auch Industrie. Eine Idee zur Lösung dieses Problems ist das Steady-State Microbunching (SSMB), eine Technik, kohärente Strahlung von hoher Leistung in einem Elektronenspeicherring zu erzeugen. Um die Machbarkeit von SSMB zu untersuchen, wird an der Metrology Light Source in Berlin ein Proof-of-Principle-Experiment (PoP) durchgeführt. Das Experiment erprobt den Kernaspekt des SSMB: Die Modulation eines Elektronenstrahls durch einen optischen Laser und die Feinabstimmung der Speicherringeinstellungen, sodass Mikrobunche entstehen können. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit systematischen Untersuchungen der Bedingungen, die notwendig sind, um Mikrobunche im SSMB-PoP-Experiment erzeugen und über mehrere Umläufe im Speicherring erhalten zu können. Die Arbeit zielt darauf ab, die theoretischen Grundlagen von SSMB zu bestätigen, sowie bislang unerreichte Gebiete der longitudinalen Strahldynamik auszutasten. Ein wichtiger Teil der Arbeit ist die Erforschung des Einflusses von Nichtlinearitäten der Phase-Slippage-Funktion, die für den Mikrobunching-Prozess maßgeblich ist. Um dies zu ermöglichen, wird erstmalig ein präzises Rahmenwerk eingeführt, dass sich damit beschäftigt, wie die Phase-Slippage-Funktion bei veränderlicher Strahlenergie korrekt verwendet wird. Die gewonnenen Erkenntnisse sind ein wichtiges Fundament für die zukünftige Realisierung von SSMB-Lichtquellen.
description: Synchrotron radiation has been indispensable for science and industry over the last decades. Synchrotron light sources offer high brilliance and the ability to generate very short pulses. Short wavelengths, from extreme ultraviolet (EUV) to X-rays, are especially of interest for measurement techniques requiring high spatial and temporal resolution. However, at these short wavelengths, it has been challenging to realize radiation sources of high average power, the demand for which has been rising in both science and industry. One idea to solve this issue is steady-state microbunching (SSMB), a scheme to generate high average power coherent radiation from an electron storage ring. To investigate if a realization of SSMB is feasible, a proof-of-principle (PoP) experiment is conducted at the Metrology Light Source electron storage ring in Berlin. The experiment tests the core aspect of SSMB, the modulation of an electron beam by an optical laser and the fine-tuning of the storage ring settings so that microbunches can form, achieving its first goal to show that coherent radiation can be generated in this way in 2019. This thesis focuses on systematic investigations of the necessary conditions to enable generation of microbunches in the SSMB PoP experiment, and maintaining them for several revolutions around the storage ring. It aims to verify the theoretical foundations of SSMB and probe areas of longitudinal electron beam dynamics that have not been visited so far. An important part of this work is the exploration of the influence of non-linearity in the phase slippage function that is governing the microbunching process. To enable the examination of this aspect, a fully rigorous framework of the necessary definitions and relations is introduced for the first time, dealing with how to properly employ the concept of phase slippage at variable beam momentum. The insights gained in this work are important foundations for the future realization of SSMB light sources.