Comprehensive Analysis of Micro-Structure Dynamics in Longitudinal Electron Bunch Profiles

Der Betrieb von Synchrotronstrahlungsquellen mit kurzen Elektronenpaketen führt zur Ausbildung von Mikro-Strukturen innerhalb der Pakete, was wiederum einen Anstieg der abgestrahlten kohärenten Synchrotronstrahlungs-Leistung zur Folge hat. Die dynamische Entwicklung dieser Mikro-Strukturen kann indirekt durch die Messung der resultierenden Fluktuationen der emittierten Strahlungsleistung untersucht werden. Diese Fluktuationen konnten an verschiedenen Synchrotronstrahlungsquellen gemessen werden, so auch an ANKA, KIT. Für die direkte Beobachtung der Mikro-Strukturen stehen zwar bereits einige Methoden zur Messung der Elektronenverteilung in den Paketen zur Verfügung, der kleine Maßstab stellt hier allerdings hohe Anforderung an die jeweilige Messtechnik. ... mehrZum Zwecke dieser Masterarbeit wurde die longitudinale Dynamik daher mittels des neu entwickelten Programms Inovesa simuliert. Da dies schnell zu großen Datenmengen führen kann, wurden Methoden des maschinellen Lernens eingesetzt, um die dominanten Mikro-Strukturen in den longitudinalen Elektronenverteilungen zu identifizieren. Anhand der so gewonnenen Resultate wird anschließend die Charakteristik und Dynamik der Mikro-Strukturen und deren Korrelation zur abgestrahlten kohärenten Synchrotronstrahlung ausführlich untersucht.

The operation with short electron bunches at synchrotron light sources leads to the formation of micro-structures within the bunches, which increase the emitted coherent synchrotron radiation power. The dynamic changes of these micro-structures can indirectly be studied by measuring the resulting fluctuations of the emitted radiation power. Such fluctuations have been observed at various synchrotron light sources including ANKA, KIT. Although several techniques exist to measure the electron distribution within the bunch, the small scale of the micro-structures makes their direct observation quite challenging. ... mehrTherefore, in this thesis, the longitudinal dynamics have been simulated using the newly developed simulation code Inovesa. As this quickly accumulates to large data sets, machine learning techniques are employed in order to identify the dominant micro-structures in the longitudinal bunch profiles. Subsequently, these findings are used to extensively study the characteristics and dynamics of the micro-structures, and to investigate their correlation to the emitted coherent synchrotron radiation.