Magnetic Characterization Studies of a Superconducting Transverse Gradient Undulator for a Compact LWFA-based Free-Electron Laser
Creators: name: Damminsek, Kantaphon
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Free-electron laser
superconducting transverse gradient undulator
laser wakefield acceleration
electron accelerator

description: Die Erzeugung kohärenter Strahlung in einem herkömmlichen planaren Undulator mit einem transversal homogenen und longitudinal periodischen Magnetfeld erfordert Elektronenstrahlen mit geringer Energieverteilungsbreite. Im Allgemeinen werden solche Elektronenstrahlen in Großanlagen wie Linearbeschleunigern und Speicherringen generiert. Ein Laser-Plasma-Elektronenbeschleuniger, der auf dem Mechanismus der Laser-Wake\-field-Beschleunigung (LWFA) basiert, kann Elektronenstrahlen auf eine Energie von mehreren hundert MeV in einem sehr kurzen Beschleunigungsmedium von einigen Millimetern bis Zentimetern Länge beschleunigen. Allerdings sind die Elektronenstrahleigenschaften aufgrund der Plasmainstabilität im Medium deutlich schlechter als bei konventionellen Elektronenbeschleunigern. Insbesondere die erhöhte Energieeverteilungsbreite, Strahldivergenz und Richtungsinstabilität führen zu inkohärenter Strahlung in einem planaren Undulator. Der Transversalgradient-Undulator (TGU) mit transversal abnehmender Magnetfeldamplitude ist eine Alternative, um den Nachteil der LWFA-Elektronenstrahlen mit der großen Energieverteilungsbreite zu überwinden. Ein TGU, der auf modernen supraleitenden Technologien für extrem starke Magnetfelder basiert, wurde am am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt, um experimentell zu zeigen, dass das TGU-Schema ein gangbarer Weg ist, mit LWFA-erzeugten Elektronenpaketen auch Freie-Elektronen-Laser (FEL) -Verstärkung zu erreichen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die magnetische Charakterisierung des supraleitenden TGU, dessen Design für einen kompakten LWFA-getriebenen FEL entwickelt wurde. Magnetische Leistungstests und Quenchstudien mit dem TGU wurden bei einer Temperatur von \SI{4,3}{\kelvin} bis \SI{4,4}{K} in dessen eigenem Kryostaten durchgeführt. Die TGU-Spulen erreichten den supraleitenden Zustand und wurden erfolgreich mit bis zu \SI{850}{A} betrieben. Die senkrechte Komponente des Magnetfelds in der Mittelebene des TGU wurden mit einem System sieben äquidistanter Hall-Sensoren bei Temperaturen von \SI{5}{K} bis \SI{6}{K} und daher bei relativ kleinen Stromstärken von \SI{10}{A} bis \SI{50}{A} erfasst. Die Magnetfelder unter nominalen Betriebsbedingungen (\SI{750}{A}) konnten jedoch aufgrund ihrer proportionalen Abhängigkeit vom Strom ermittelt werden. Darüber hinaus wurden die gemessenen Magnetfeldkarten verwendet, um die erwarteten Strahlungseigenschaften durch Simulationen mit dem Code WAVE zu bewerten. Die schmale Bandbreite der Undulatorstrahlung wurde bestätigt und die spektrale Dispersion des Elektronenstrahls, die zur Anpassung an den transversalen Feldgradienten des TGU erforderlich ist, wurde bestimmt. Die Ergebnisse der WAVE-Simulationen und die Auswirkungen der bei den Messungen beobachteten Feldfehler auf die Strahlung werden in dieser Arbeit diskutiert.