Magnetic Characterization Studies of a Superconducting Transverse Gradient Undulator for a Compact LWFA-based Free-Electron Laser

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. ... mehrAllerdings 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.

A conventional planar undulator which has a uniform and periodic magnetic field in the undulator gap requires low energy-spread electron beams for radiation with coherent characteristics. In general, such electron beams are achieved in large-scale facilities such as linear accelerators and storage rings.

A laser-plasma electron accelerator based on the laser wakefield acceleration (LWFA) mechanism can produce electron beams with an energy of several hundred MeV in a very short acceleration medium of a few millimeters to centimeters in length. However, the electron beam properties are much worse than those of conventional electron accelerators due to the plasma instability in the medium. ... mehrEspecially, the increased energy spread, beam divergence and pointing instability lead to incoherent radiation in the planar undulator.

The transverse gradient undulator (TGU) having nonuniform magnetic fields in the transverse plane perpendicular to the beam axis is an alternative to overcome the disadvantage of the LWFA electron beams with the high energy spread. A TGU based on modern superconducting technologies for extremely strong magnetic fields was developed at Karlsruhe Institute of Technology (KIT) to experimentally prove that the TGU scheme is a viable option for the free-electron laser (FEL) amplification with LWFA-generated electron bunches.

This thesis describes the magnetic characterization of the superconducting TGU designed for a compact FEL driven by a laser-plasma accelerator. Magnetic powering tests and quench studies with the TGU in a vacuum cryostat were performed at a temperature of \SIrange{4.3}{4.4}{K}. The TGU coils were successfully powered up to \SI{850}{A} and reached the superconducting state. The perpendicular components of the magnetic field in the median plane of the TGU were mapped using a Hall probe system with seven equidistant sensors parallel to the median plane at temperatures of \SIrange{5}{6}{K} and therefore at applied currents limited to \SIrange{10}{50}{A}. Nevertheless, the magnetic fields in nominal operation conditions (\SI{750}{A}) could be estimated due to their linear dependence on the applied current.

Moreover, the measured magnetic field maps were used to evaluate the expected radiation properties by simulations with the code WAVE. The narrow bandwidth of the undulator radiation was confirmed and the spectral dispersion of the electron beam required to match the transverse field gradient of the TGU was determined. The results of the WAVE simulations and the effect of field errors observed in the measurements on the radiation will be discussed in this thesis.