DE102016109171B4 - Device for amplifying micro-electron-packet instabilities - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (1) zur Verstärkung von Mikro-Elektronenpaket-Instabilitäten umfassend, entlang einer ersten Richtung (X) angeordnet:eine erste Anordnung von Magneten (10) zur Strahlfokussierung umfassend eine Abfolge von mindestens zwei hintereinander, entlang der ersten Richtung (X) angeordneten Multipolen (12) zweiter oder höherer Ordnung, wobei die Multipole (12) eine alternierende Polarität aufweisen und wobei der Strahlquerschnitt σnach der Strahlfokussierung im Bereichliegt, mit λ = Wellenlänge der Mikro-Elektronenpakete und γ = relativistischer Faktor undmindestens eine zweite Anordnung von Magneten (40) zur Umsetzung der Energiemodulationen in Dichtemodulationen umfassend eine Abfolge von mehreren, entlang der ersten Richtung (X) angeordneten Gruppen (22) von Dipolen (24) mit unterschiedlicher Polarität und einem Multipol (50), mindestens zweiter Ordnung, der den Dipolen vorausgeht und wobei eine eingehende Betafunktion in der zweiten Anordnung mindestens um einen Faktor vier vergrößert wird.A device (1) for amplifying micro-electron-packet instabilities, arranged along a first direction (X): a first arrangement of magnets (10) for beam focusing comprising a sequence of at least two multipoles arranged one behind the other along the first direction (X) Second or higher order (12), wherein the multipoles (12) have an alternating polarity and wherein the beam cross-section σ is within the range after the beam focusing, with λ = wavelength of the micro-electron packets and γ = relativistic factor and at least one second arrangement of magnets (40) for the implementation of energy modulation in density modulation comprising a sequence of a plurality of first polarity (22) groups (22) of different polarity dipoles (24) and a second order multipole (50) preceding the dipoles and wherein one incoming beta function in the second arrangement by at least a factor four is enlarged.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstärkung von Mikro-Elektronenpaket Instabilitäten und eine Synchrotronstrahlungsquelle mit einer solchen Vorrichtung.The present invention relates to an apparatus for amplifying microelectron packet instabilities and to a synchrotron radiation source comprising such apparatus.

Stand der TechnikState of the art

Eine Synchrotron-Strahlungsquelle besteht aus einer Hochfrequenz-Elektronenquelle, in welcher voneinander getrennte Elektronenpakete aus sich räumlich und zeitlich gemeinsam bewegenden Elektronen erzeugt werden, einem oder mehreren Hochfrequenz-Hohlraumresonatoren zur Beschleunigung, vorzugsweise durch dazwischenliegende Driftstrecken (feldfreie Strecken) getrennt, in denen die Elektronenpakete kollimiert und auf relativistische Geschwindigkeiten gebracht werden, einem oder mehreren Undulatoren, in welchen die Elektronenpakete auf oszillierende Bahnen transversal zur Ausbreitungsrichtung gezwungen und dabei zur Strahlungsemission angeregt werden.A synchrotron radiation source consists of a high-frequency electron source in which separate electron packets of spatially and temporally co-moving electrons are generated, one or more high-frequency cavity resonators for acceleration, preferably separated by intermediate drift paths (field-free stretches) in which the electron packets collimated and brought to relativistic speeds, one or more undulators, in which the electron packets are forced on oscillating paths transversely to the direction of propagation and thereby excited to emit radiation.

Beschleunigeranlagen wie Freie-Elektronen-Laser (FEL) als SynchrotronStrahlungsquellen erzeugen intensive kohärente elektromagnetische Strahlung mit hoher Brillanz. Die Technik basiert auf der Erzeugung, Beschleunigung und Ablenkung von Elektronenstrahlen, wobei während der Ablenkung eines solchen Elektronenstrahls in einem Undulator die Wechselwirkung zwischen bereits emittiertem Licht und dem Elektronenstrahl zu stimulierter Emission kohärenter Strahlung genutzt wird.Accelerator systems such as free-electron lasers (FELs) as synchrotron radiation sources produce intense coherent electromagnetic radiation with high brilliance. The technique is based on the generation, acceleration and deflection of electron beams, during the deflection of such an electron beam in an undulator the interaction between already emitted light and the electron beam is used to stimulated emission of coherent radiation.

Moderne Freie-Elektronen-Laser basieren auf der gezielten Verstärkung von anfänglichen Dichtefluktuationen innerhalb der von der Hochfrequenz-Elektronenquelle erzeugten Elektronenpakete. Bei diesen sogenannten SASE-FELs, wobei SASE für selbstverstärkende spontane Emission (englisch: self-amplified spontaneous emission) steht, kommt es durch die gegenseitige Wechselwirkung zwischen dem oszillierenden Elektronenpaket und der von dem Elektronenpaket im Undulator erzeugten anfänglich noch spontanen Emission von Lichtstrahlung zu einer longitudinalen Feinstrukturierung der Elektronendichte. Diese Selbstordnung innerhalb des Elektronenpakets erzeugt dünne Elektronenscheiben (sogenannte Mikro-Elektronenpakete, MEP) mit einem gegenseitigen Abstand entsprechend der Wellenlänge der für die Feinstrukturierung verantwortlichen Strahlung. Beim weiteren Durchlauf durch den Undulator emittieren die Mikro-Elektronenpakete Strahlung in einer Wellenlänge, die der Resonanzbedingung des Undulators und somit ihrem Abstand entspricht. Diese kohärente Emission führt zu einer zusätzlichen Verstärkung des insgesamt abgestrahlten elektromagnetischen Felds.Modern free-electron lasers are based on the targeted amplification of initial density fluctuations within the electron bunches generated by the radio frequency electron source. In these so-called SASE-FELs, where SASE stands for self-amplifying spontaneous emission (English: self-amplified spontaneous emission), it comes through the mutual interaction between the oscillating electron packet and the initial still spontaneous emission of light radiation generated by the electron packet in the undulator to one longitudinal fine structuring of the electron density. This self-assembly within the electron packet generates thin electron disks (so-called micro-electron packets, MEP) with a mutual distance corresponding to the wavelength of the responsible for the fine structuring radiation. As it continues to pass through the undulator, the micro-electron packets emit radiation at a wavelength corresponding to the undulator's resonant condition and thus its distance. This coherent emission leads to an additional amplification of the total radiated electromagnetic field.

Eine Änderung der abgestrahlten Wellenlänge wird vorzugsweise über die Energie der Elektronenpakete oder Feldstärke der Undulatoren vorgenommen. Um dabei möglichst kurzwellige elektromagnetische Strahlung bis in den Röntgenbereich zu erzeugen, müssen extrem hohe Ladungsdichten bzw. Spitzenströme innerhalb der Elektronenpakete erzeugt werden. Hierfür werden vor allem sogenannte Elektronenpaketkompressoren, bei denen die Elektronenpakete in magnetischen Schikanen dispersiv abgelenkt werden, eingesetzt.A change in the radiated wavelength is preferably made via the energy of the electron packets or field strength of the undulators. In order to generate the shortest possible electromagnetic radiation into the X-ray range, extremely high charge densities or peak currents must be generated within the electron packets. For this purpose, so-called electron pack compressors, in which the electron packets are deflected dispersively in magnetic baffles, are used in particular.

Die hohe Intensität der FELs basiert auf den hohen Spitzenströmen der Elektronenpakete und ist für viele Anwendungen auch gewünscht. Die hohen Spitzenströme verursachen aber auch eine Verstärkung der destruktiven Raumladungskräfte und nichtlinearer dynamischer Effekte innerhalb eines Elektronenpakets. Dies verursacht wiederum eine Verschlechterung der Strahlqualität, besonders bezüglich Emittanz (Maß für Bündelung und Querschnitt eines Teilchenstrahls) und Energieverteilung. Außerdem wird der FEL anfälliger für statistische und dynamische Fehlerquellen.The high intensity of the FELs is based on the high peak currents of the electron packets and is also desired for many applications. However, the high peak currents also cause an increase in the destructive space charge forces and non-linear dynamic effects within an electron packet. This in turn causes a deterioration of the beam quality, especially with respect to emittance (measure of bundling and cross-section of a particle beam) and energy distribution. In addition, the FEL becomes more susceptible to statistical and dynamic error sources.

In Freie-Elektronen-Laser Anlagen ist die raumladungsgetriebene Mikro-Elektronenpaket-Instabilität (englisch: space-charge driven microbunching instability) bekannt. Diese Instabilität bündelt die Elektronen noch vor dem Eintritt in einen Undulator zu kleinen Grüppchen: zu Mikro-Elektronenpaketen (engl. bunches). Diese Mikro-Elektronenpakete innerhalb eines Elektronenpakets haben ihren Ursprung in den longitudinalen Raumladungskräften, die durch Dichtefluktuationen in dem Elektronenpaket erzeugt werden. Diese Dichtefluktuationen koppeln an die Impedanz des Elektronenpakets, was eine Folge des longitudinalen elektrischen Felds im Elektronenpaket selbst ist. Dieses Feld verursacht eine breitbandige Modulation der Energie in dem Elektronenpaket. Diese Energiemodulation wiederum kann durch die longitudinale Dispersion des Beschleunigers in eine Dichtemodulation umgewandelt werden, wobei einige der ursprünglichen Modulationen verstärkt und andere unterdrückt werden. Dadurch werden insbesondere Dichtefluktuationen bei bestimmten Wellenlängen verstärkt. Die verstärkten Dichtefluktuationen verursachen wiederum stärkere Raumladungskräfte, die noch mehr Energiemodulationen erzeugen und somit auch die Dichtefluktuationen bei diesen bestimmten Wellenlängen weiter verstärken. Dadurch wird die raumladungsgetriebene Mikro-Elektronenpaket-Instabilität hervorgerufen.Free-electron laser systems are known for space-charge-driven microelectron-packet instability (English: space-charge driven microbunching instability). This instability bundles the electrons into small groups even before they enter an undulator: micro-electron bunches. These micro-electron packets within an electron packet originate in the longitudinal space charge forces created by density fluctuations in the electron packet. These density fluctuations combine with the impedance of the electron packet, which is a consequence of the longitudinal electric field in the electron packet itself. This field causes a broadband modulation of the energy in the electron packet. This energy modulation in turn can be converted into density modulation by the longitudinal dispersion of the accelerator, with some of the original modulations amplified and others suppressed. As a result, in particular density fluctuations are intensified at certain wavelengths. The increased density fluctuations, in turn, cause stronger space charge forces that produce even more energy modulations and thus also the density fluctuations in those particular ones Amplify wavelengths further. This causes the space-charge driven microelectron packet instability.

Wie bereits erwähnt, wird die Mikro-Elektronenpaket-Instabilität, auch „Microbunching-Instabilität“ genannt, häufig in Freien-Elektronen-Lasern beobachtet und ist dort unerwünscht, da sie im normalen Betrieb eines Freien-Elektronen-Lasers zu einer deutlichen Verschlechterung der Qualität des abgestrahlten Lichtes sowie zu einer Erniedrigung der erreichbaren Stabilität führt.As already mentioned, the micro-electron instability, also called "microbunching instability", is frequently observed in free-electron lasers and is undesirable there, since in the normal operation of a free-electron laser it leads to a significant deterioration of the quality of the radiated light and a reduction in the achievable stability leads.

Diese Mikro-Elektronenpaket-Instabilität ist in einem vereinfachten Modell zum Beispiel in dem Aufsatz 1 von E. L. Saldin et al. (Longitudinal space chargedriven microbunching instability in the TESLA Test Facility linac; Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 528, 2004, 355-359) und in dem Aufsatz 2 von S. Heifets et al. (Coherent synchrotron radiation instability in a bunch compressor, Physical Review Special Topics - Accelerator and Beams, vol. 5, 2002, S. 064401-1 - 10) beschrieben.This microelectron packet instability is in a simplified model, for example, in Essay 1 of EL Saldin et al. (Longitudinal space-consuming microbunching instability in the TESLA Test Facility linac; Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 528, 2004, 355-359) and in the essay 2 of S. Heifets et al. (Coherent synchrotron radiation instability in a bunch compressor, Physical Review Special Topics - Accelerator and Beams, vol. 5, 2002, pp. 064401-1 - 10) described.

In dem Aufsatz 3 von E.A. Schneidmiller und M.V. Yurkov (Using the longitudinal space charge instability for generation of vacuum ultraviolet and x-ray radiation, Physical Review Special Topics - Accellerators and Beams Vol 13, 2010, S. 110701-1 - 110701-9) wird vorgeschlagen die Mikro-Elektronenpaket-Instabilitäten zu verstärken, um die so erzeugten Dichtefluktuationen zur Erzeugung von Strahlung im Wellenlängenbereich des VUV und der Röntgenstrahlung zu nutzen. Hierzu wird eine Vorrichtung angegeben, die aus einer feldfreien Strecke (englisch auch drift space) und einer dispersiven Strahlführungsstrecke besteht, wobei die transversalen Strahldimensionen entlang der feldfreien Stecke vereinfacht als konstant angenommen werden und die dispersive Strahlführungsstrecke aus einer sogenannten Schikane (C-Schikane oder sogenanntes „Dogleg“) gebildet ist. Letztere muss eine optimierte Pulslängenkompression, die sich über das Element R56 der Transfermatrix der dispersiven Strahlführungsstrecke darstellen lässt, bewirken. Ausgegangen wird dabei von einem initialen Schrotrauschen (entspricht der anfänglichen Dichtemodulation, die in der Elektronenquelle spontan und statisitisch erzeugt wird) in den Elektronenpaketen. Der theoretische Ausgangspunkt der Optimierung basiert auf einem eindimensionalen (1D) Modell für die Betrachtung der Dichtefluktuationen, wie es in dem Aufsatz 1 beschrieben ist. Die im Aufsatz 1 vorgenommene Optimierung der feldfreien Strecken bedeutet eine Minimierung der mittleren Betafunktion, was sich in kleineren transversalen Strahldimensionen in der dispersiven Strecke niederschlägt. Die Betafunktion setzt den Strahlquerschnitt σ in Relation zur Emittanz ε, allgemein gemäß β = σ2/ε, mit σ = maximaler Strahlquerschnitt. Bei den im Aufsatz 3 gewählten Realisierungen für die dispersive Strecke (C-Schikanen, Doglegs) führt dies zu einer Limitierung der erzeugbaren Wellenlängen nach unten d.h. zu kürzeren Wellenlängen, denn durch die Kombination der benötigten Betafunktionen und der dispersiven Kopplung der longitudinalen und transversalen Bewegungsebenen kommt es zu dem Problem einer „Verschmierung“ (Überlagerung) der Dichtefluktuationen, was den Effekt der Verstärkung der Mikro-Elektronenpaket-Instabilitäten stark negativ beeinflusst. Mikro-Elektronenpakete mit kurzen Wellenlängen z.B. im EUV (extreme ultraviolett, hier angenommen im Bereich zwischen 0,1 nm und 200 nm und damit auch den XUV-Bereich genannten Bereich von 0,1 nm bis 10 nm einschließend) können so nicht direkt erzeugt werden, wie es in dem Aufsatz 3 selbst angeführt und erklärt wird.In the essay 3 of EA Schneidmiller and MV Yurkov (Using the longitudinal space charge instability for vacuum generation ultraviolet and x-ray radiation, Physical Review Special Topics - Accellerators and Beams Vol 13, 2010, pp. 110701-1 - 110701-9) It is proposed to increase the microelectron packet instabilities in order to use the density fluctuations thus generated to generate radiation in the wavelength range of the VUV and the X-ray radiation. For this purpose, a device is specified, which consists of a field-free distance (English also drift space) and a dispersive beam path, the transverse beam dimensions along the field-free Stecke simplified are assumed to be constant and the dispersive beam path from a so-called chicane (C-chicane or so-called "Dogleg") is formed. The latter has to effect an optimized pulse length compression, which can be represented by the element R 56 of the transfer matrix of the dispersive beam guidance path. This is based on an initial shot noise (corresponds to the initial density modulation, which is generated spontaneously and statisitcally in the electron source) in the electron packets. The theoretical starting point of the optimization is based on a one-dimensional (1D) model for the observation of the density fluctuations, as described in the article 1. The optimization of the field-free paths undertaken in article 1 means a minimization of the mean beta function, which is reflected in smaller transverse beam dimensions in the dispersive path. The beta function sets the beam cross-section σ in relation to the emittance ε, generally in accordance with β = σ 2 / ε, with σ = maximum beam cross-section. In the realizations for the dispersive route (C-baffles, doglegs) selected in article 3, this leads to a limitation of the producible wavelengths downwards, ie to shorter wavelengths, because the combination of the required beta functions and the dispersive coupling of the longitudinal and transverse movement planes results it addresses the problem of "smearing" (superimposition) of the density fluctuations, which greatly negatively affects the effect of enhancing micro-electron-packet instabilities. Micro-electron packets with short wavelengths, for example in the EUV (extreme ultraviolet, here assumed in the range between 0.1 nm and 200 nm and thus also the XUV range mentioned range from 0.1 nm to 10 nm including) can not be generated directly as stated and explained in the essay 3 itself.

Ein Verstärker für longitudinale Raumladungen (longitudinal space charge amplifier, LSCA), wie er auch dem aus Aufsatz 3 entspricht, ist auch in dem Aufsatz 4 von M. Dohlus et al. (Generation of attosecond soft x-ray pulses in a longitudinal space charge amplifier, Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams, Vol. 14, 2011, S. 090702-1 – 10) offenbart. Dieser dient in Ergänzung zu einem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser zur Erzeugung von Attosekunden-Laserpulsen. Der LSCA ist aus einer Kaskade aus Abfolgen von fokussierenden Kanälen, welche durch Schikanen abgewechselt sind und letztlich in einen Undulator münden aufgebaut, gefolgt von einem weiteren fokussierenden Kanal, einem modulierenden Undulator, einer Schikane und einem abschließenden Undulator. Diese Anordnung ermöglicht die Einstellung der Länge einer Driftstrecke, der Betafunktion und des Elements r56 der Transfermatrix, bei einer gegebenen Wellenlänge, wie es auch beschreiben ist in Aufsatz 3.A longitudinal space charge amplifier (LSCA), as it also corresponds to that from article 3, is also in the article 4 of M. Dohlus et al. (Generation of attosecond soft x-ray pulses in a longitudinal space charge amplifier, Physical Review Special Topic Accelerators and Beams, Vol. 14, 2011, p. 090702-1 - 10) disclosed. This serves in addition to an X-ray free-electron laser for the generation of attosecond laser pulses. The LSCA is composed of a cascade of sequences of focussing channels which are alternated by baffling and ultimately lead to an undulator, followed by another focussing channel, a modulating undulator, a chicane and a final undulator. This arrangement makes it possible to set the length of a drift path, the beta function and the element r 56 of the transfer matrix, for a given wavelength, as also described in article 3.

Die Arbeitsweise eines LSCA, wie er in dem Aufsatz 4 offenbart ist, wird in dem Aufsatz 5 von A. Halavanau und E. Piot (Simulation of a cascade longitudinal space charge amplifier for coherent radiation generation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol 819, 2016, S. 144-153) durch Simulationen untersucht. Der konkrete Einsatz eines solchen LSCA am „Fermi National Accelerator Laboratory“ wird im Aufsatz 6 ebenfalls von A. Halavanau und E. Piot (Simulation of cascaded longitudinal-space-charge amplifier at the fermilab accelerator science & technology (fast) facility, Proceedings of FEL 2015, 37th International Free Electron Laser Conference, 23-28 August 2015, Daejeon, Korea, S. 707-710) mittels Simulationen untersucht.The operation of a LSCA, as disclosed in the article 4, is described in the article 5 of A. Halavanau and E. Piot (Simulation of a cascade longitudinal space charge amplifier for coherent radiation generation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol 819, 2016, pp. 144-153). examined by simulations. The concrete use of such a LSCA at the "Fermi National Accelerator Laboratory" is also described in article 6 by A. Halavanau and E. Piot (Simulation of cascaded longitudinal-space-charge-amplifier at the fermilab accelerator science & technology (fast) facility, Proceedings of FEL 2015, 37th International Free Electron Laser Conference, 23-28 August 2015, Daejeon, Korea, p. 707 -710) examined by means of simulations.

Über die tatsächliche Anwendung eines LSCA, wie er in den Aufsätzen 3 bis 6 behandelt ist, und zwar am NLCTA („Next Linear Collider Test Accellerator“) des SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) National Accelerator Laboratory wird im Aufsatz 7 von A. Marinelli et al. (Generation of coherent broadband photon pulses with a cascaded longitudinal spacecharger amplifier, Physical Review Letters, Vol. 110, 2013, S. 264802-1 - 5) berichtet. The actual use of an LSCA, as described in Articles 3 to 6, at the Next Linear Collider Test Accelerator (NLCTA) of the SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) National Accelerator Laboratory will be reviewed in article 7 of A. Marinelli et al. (Generation of coherent broadband photon pulses with a cascaded longitudinal space charge amplifier, Physical Review Letters, Vol. 110, 2013, p. 264802-1 - 5) reported.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung anzugeben, mit der in einer Beschleunigeranlage die raumladungsgetriebene Mikro-Elektronenpaket-Instabilität im EUV (extreme ultraviolett, siehe oben) Wellenlängenbereich hervorgerufen wird, so dass kohärente intensive Synchrotronstrahlung mit Wellenlängen im EUV Bereich erzeugbar ist.It is an object of the present invention to provide a device with which the space charge driven microelectron packet instability in the EUV (extreme ultraviolet, see above) wavelength range is caused in an accelerator system, so that coherent intense synchrotron radiation with wavelengths in the EUV range can be generated.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Verstärkung von raumladungsgetriebenen Mikro-Elektronenpaket-Instabilitäten vorgeschlagen, welche entlang einer ersten Richtung X, die der Strahlrichtung entspricht, angeordnet die im Folgenden beschriebenen Elemente umfasst. Eine erste Anordnung von Magneten, welche eine Abfolge von mindestens zwei hintereinander entlang der ersten Richtung X angeordneten Multipolen zweiter oder höherer Ordnung umfasst, wobei ein Multipol fokussierend und der andere defokussierend wirkt. Die Anzahl fokussierender und defokussierender Magnete kann sich entsprechen, was aufgrund der dadurch gegebenen Symmetrie zu einer Vereinfachung der Ausführung führt. Auf die Anordnung der Multipole folgt in Strahlrichtung eine zweite Anordnung von Magneten, umfassend eine Abfolge von mehreren, entlang der ersten Richtung X angeordneten Gruppen von Dipolen mit unterschiedlicher Polarität und mindestens einem Multipol, mindestens zweiter Ordnung, welcher den Dipolen in Strahlrichtung vorausgeht. Die erste Richtung X, die der Strahlrichtung entspricht, ist durch einen aus einem Hauptbeschleuniger stammenden Elektronenstrahl in ihrer räumlichen Lage und dem Bewegungsziel bestimmt.The invention proposes a device for amplifying space-charge-driven micro-electron-packet instabilities, which are along a first direction X , which corresponds to the beam direction, comprises the elements described below. A first arrangement of magnets, which are a sequence of at least two consecutive along the first direction X arranged multipoles second or higher order, with one multipole focusing and the other acts defocusing. The number of focusing and defocusing magnets can correspond, which, due to the symmetry given thereby, leads to a simplification of the execution. The arrangement of the multipoles is followed in the beam direction by a second arrangement of magnets, comprising a sequence of several, along the first direction X arranged groups of dipoles with different polarity and at least one multipole, at least second order, which precedes the dipoles in the beam direction. The first direction X , which corresponds to the beam direction, is determined by an originating from a main accelerator electron beam in their spatial position and the movement target.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch als kompakter Fokussierungs- und Pulsformungskanal bezeichnet werden. Die Vorrichtung treibt die sogenannte raumladungsgetriebene Mikro-Elektronenpaket-Instabilität. Mit einem der erfindungsgemäßen Vorrichtung nachgeschalteten Undulator haben die erzeugten Lichtpulse eine sehr hohe spektrale Reinheit und sind Fourier-Transformation-limitiert.The device according to the invention can also be referred to as a compact focusing and pulse shaping channel. The device drives the so-called space charge driven micro-electron-packet instability. With an undulator downstream of the device according to the invention, the generated light pulses have a very high spectral purity and are Fourier transformation limited.

Dies erlaubt es beispielsweise, femtosekundenlange, kohärente EUV Pulse mit Repetitionsraten im mehrere 100 MHz- bis GHz -Bereich in einem nachfolgenden Undulator zu erzeugen. Die Vorrichtung kann auch eine raumladungsgetriebene Mikro-Elektronenpaket-Instabilität im Infrarotbereich verstärken. Außerdem ist die spektrale Reinheit im EUV-Regime für femtosekundenlange Pulse erfindungsgemäß höher als bei Freie-Elektronen-Lasern des Standes der Technik.This makes it possible, for example, to generate femtosecond coherent EUV pulses with repetition rates in the several 100 MHz to GHz range in a subsequent undulator. The device may also enhance space-charge driven micro-electron-beam instability in the infrared region. In addition, the spectral purity in the EUV regime for femtosecond pulses is higher in the present invention than in prior art free electron lasers.

Während die erste Anordnung von Magneten die Elektronenstrahlen transversal fokussiert und so die, durch die dreidimensionalen Raumladungsfelder erzeugte Energiemodulation innerhalb des Elektronenpakets verstärkt, dient die zweite Anordnung von Magneten der Umsetzung der Energiemodulationen in Dichtemodulationen und somit der Erzeugung der Feinstrukturen innerhalb der Elektronenpakete. Die Umsetzung wird durch mehrere Dipole und mindestens einen Multipol, mindestens zweiter Ordnung, der den Dipolen vorausgeht, geleistet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dazu ausgebildet, die raumladungsgetriebene Mikro-Elektronenpaket-Instabilität in Strahlen mit niedrigen Spitzenströmen zu treiben, wodurch die Anforderungen an die Beschleunigeranlage reduziert werden.While the first array of magnets transversally focuses the electron beams and thus enhances the energy modulation produced by the three-dimensional space charge fields within the electron packet, the second array of magnets serves to translate the energy modulations into density modulations and thus the creation of fine structures within the electron packets. The reaction is accomplished by multiple dipoles and at least one multipole, at least second order, preceding the dipoles. The device according to the invention is designed to drive the space-charge-driven microelectron packet instability in beams with low peak currents, thereby reducing the requirements for the accelerator system.

Die Strahlparameter, die die Beschleunigeranlage liefern muss, damit die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verstärkung von raumladungsgetriebenen Mikro-Elektronenpaket-Instabilitäten im Wellenlängenintervall des EUV funktional ist und mit einem sich möglicherweise anschließenden In-Vakuum-Undulator konstruktiv zusammenwirken kann, sind in Tabelle 1 aufgelistet. Die notwendigen Werte für die Strahlparameter können durch entsprechendes Einstellen der Elektronenquelle sowie der Magnete der Strahlführung und die Beschleunigerkavitäten erzielt werden. Tabelle 1 Durchschnitt der Elektronenpaketlänge [µm] 1-10 Ladung der Elektronenpakete [pC] 1 - 20 Strahlquerschnitt rms [µm] 1 - 20 Strahlenergie [MeV] 40 - 1000 Standardabweichung der lokalen Energieabweichung [%] < 0,002 Energie normierte Emittanz [mm mrad] 0,1-0,6 Betafunktion βtrans [m] 0,01-800 The beam parameters which the accelerator system must supply in order for the device according to the invention to reinforce space-charge-driven microelectron packet instabilities in the wavelength interval of the EUV to be functional and to interact constructively with a potentially subsequent in-vacuum undulator are listed in Table 1. The necessary values for the beam parameters can be achieved by appropriate adjustment of the electron source as well as the magnets of the beam guide and the accelerator cavities. Table 1 Average of electron packet length [μm] 1-10 Charge of electron packets [pC] 1 - 20 Beam cross section rms [μm] 1 - 20 Radiation energy [MeV] 40 - 1000 Standard deviation of local energy deviation [%] <0.002 Energy normalized emittance [mm mrad] 0.1-0.6 Beta function β trans [m] 0.01 to 800

Der Ausführung der Vorrichtung liegen die folgenden theoretischen Überlegungen zu Grunde.The embodiment of the device is based on the following theoretical considerations.

Unter der erfindungsgemäßen Betrachtung nicht nur der longitudinalen Dichtefluktuationen sondern auch der transversalen Dichtefluktuationen zeigt sich, dass Mikro-Elektronenpakete mit sehr kurzen Wellenlängen entstehen können. Dies beruht darauf, dass für kurze Wellenlängen der Einfluss der transversalen Dichtefluktuationen zunimmt. Eine Betrachtung nicht nur der longitudinalen Dichtefluktuationen sondern auch der transversalen entspricht einem 3D (dreidimensionalen)-Modell. Für längere Wellenlängen reicht eine Beschreibung mit einem 1D-Model aus, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.The consideration according to the invention not only of the longitudinal density fluctuations but also of the transverse density fluctuations shows that micro-electron packets with very short wavelengths can arise. This is due to the fact that for short wavelengths the influence of transverse density fluctuations increases. A consideration of not only the longitudinal density fluctuations but also the transversal corresponds to a 3D (three-dimensional) model. For longer wavelengths, a description will suffice with a 1D model, as is known in the art.

Die Fourier-Transformation des longitudinalen elektrischen Feldes Ez(x,y,z) im 3D-Modell eines Elektronenpakets mit rundem Querschnitt und N nicht korrelierten Elektronen, gibt Aufschluss über die Wellenlängenabhängige Impedanz, die die Verstärkung der anfänglichen Dichtemodulation verursacht, mit E ˜ k ( r ) = i e k 2 π γ 0 2 ε 0 j N e i k z j K 0 ( k | r r j | γ 0 )

Figure DE102016109171B4_0002
wie es aus dem Aufsatz 4 von D. Ratner et al. (Three Dimensional Analysis of Longitudinal Space Charge Microbunching Starting From Shot Noise, TUPPH041 Proceedings of FEL08, Gyeongju, Korea, 2008, S. 338-341) folgt, und wobei r = (x, y), k = 2π/λ3D λ3D: Wellenlänge im 3D Model, γ0 = gemittelter relativistischer Faktor, ε0 = elektrische Feldkonstante und K0 die modifizierte Besselfunktion darstellt.The Fourier transform of the longitudinal electric field E z (x, y, z) in the 3D model of a round-section electron cluster and N non-correlated electrons provides information about the wavelength-dependent impedance that causes the gain of the initial density modulation e ~ k ( r ) = - i e k 2 π γ 0 2 ε 0 Σ j N e - i k z j K 0 ( k | r - r j | γ 0 )
Figure DE102016109171B4_0002
as it is from the article 4 of D. Ratner et al. (Three Dimensional Analysis of Longitudinal Space Charge Microbunching Starting From Shot Noise, TUPPH041 Proceedings of FEL08, Gyeongju, Korea, 2008, pp. 338-341) follows, and where r = (x, y), k = 2π / λ 3D λ 3D : wavelength in the 3D model, γ 0 = averaged relativistic factor, ε 0 = electric field constant and K 0 represents the modified Bessel function.

Die zugehörige Impedanz pro Einheitslänge Z(k) ist dann gegeben durch: E ˜ k = Z ( k ) I ˜ ( k )

Figure DE102016109171B4_0003
wobei Ĩ(k) die Fourier-Transformierte des Stroms ist.The associated impedance per unit length Z (k) is then given by: e ~ k = - Z ( k ) I ~ ( k )
Figure DE102016109171B4_0003
where Ĩ (k) is the Fourier transform of the stream.

Aus dieser Beziehung folgt, unter Berücksichtigung des 1D- und 3D-Modells, für kleine Wellenlängen (im unteren Bereich des extrem Ultravioletten) und mit der Betrachtung des Mittels des Ensembles < E ˜ k ( r ) E ˜ k ' * ( r ) > ,

Figure DE102016109171B4_0004
dass die Impedanz Z(k) im 1D-Modell invers proportional zur transversalen Strahlgröße und invers proportional zur Strahlenergie ist, während die Voraussagen des 3D-Modells einen konstanten Wert für die Impedanz in kurzen Wellenlängenbereichen ergeben. Das bedeutet, dass sobald man mit den Strahlparametern in den Bereich kommt, in dem das 3D-Modell gültig ist, Dichtemodulationen mit beliebig kurzen Modulationswellenlängen erzeugt werden können, unabhängig von der Energie und dem Strahlquerschnitt. Im Anwendungsbereich des 1D-Modells hingegen muss eine sehr hohe Spitzenstromstärke (ab ca. 1 kA) erzeugt werden, um Dichtemodulationen mit kurzen Wellenlängen (im EUV Bereich) zu erzeugen, da die Strahlenergien nicht beliebig hoch und die Strahlquerschnitte nicht beliebig klein gemacht werden können. Die Qualität des Elektronenstrahls beizubehalten bei gleichzeitiger Erhöhung der Spitzenströme in den Elektronenpaketen wie sie das 1D-Modell für EUV-Wellenlängen fordert, ist technisch aber auch physikalisch wegen stromabhängiger Wechselwirkungen des Strahls mit der Kammerwand nicht möglich.From this relationship, taking into account the 1D and 3D models, follows for small wavelengths (in the lower part of the ultra-ultraviolet) and looking at the mean of the ensemble < e ~ k ( r ) e ~ k ' * ( r ) > .
Figure DE102016109171B4_0004
that the impedance Z (k) in the 1D model is inversely proportional to the transverse beam size and inversely proportional to the beam energy, while the predictions of the 3D model give a constant value for the impedance in short wavelength ranges. This means that as soon as the beam parameters reach the area in which the 3D model is valid, density modulation with arbitrarily short modulation wavelengths can be generated, regardless of the energy and the beam cross section. In the field of application of the 1D model, on the other hand, a very high peak current intensity (from approx. 1 kA) must be generated in order to generate short-wave density modulation (in the EUV range), since the beam energies can not be arbitrarily high and the beam cross-sections can not be made arbitrarily small , Maintaining the quality of the electron beam while increasing the peak currents in the electron packets as required by the 1D model for EUV wavelengths is technically and physically impossible due to current-dependent interactions of the beam with the chamber wall.

Die Verstärkung der Dichtefluktuation im 1D Modell wie im Aufsatz 5 von Huang et al. (Microbunching Instability due to Bunch Compression, SLAC-PUB-11597, December 2005) beschrieben, ist gegeben durch: G ( k ) I 0 γ 0 I A | k r 56 0 L d 4 π Z ( k , s ) Z 0 d s | e x p ( k 2 r 56 2 δ E 2 2 γ 0 2 )

Figure DE102016109171B4_0005
mit Z0 = 376,73 Ω (Wellenwiderstand des Vakuums), I0 = Spitzenstrom des Elektronenpakets, IA = 17 kA (Alfvén-Strom), Ld = Länge der Strecke in der die Raumladungskräfte die Energiemodulation bewirken, δE = lokale Energieverbreiterung und r56 = longitudinale Dispersion (1. Ordnung), Element der Transfermatrix des Beschleunigerbereichs.The enhancement of density fluctuation in the 1D model as in article 5 of Huang et al. (Microbunching Instability Due to Bunch Compression, SLAC-PUB-11597, December 2005) described is given by: G ( k ) I 0 γ 0 I A | k r 56 0 L d 4 π Z ( k . s ) Z 0 d s | e x p ( - k 2 r 56 2 δ e 2 2 γ 0 2 )
Figure DE102016109171B4_0005
with Z 0 = 376.73 Ω (characteristic impedance of the vacuum), I 0 = peak current of the electron packet, I A = 17 kA (Alfvén current), L d = length of the distance in which the space charge forces cause the energy modulation, δ E = local energy broadening and r 56 = longitudinal dispersion (1st order), element of the transfer matrix of the accelerator region.

Um die Verstärkung zu erhöhen, muss die exponentielle Funktion in (3) nahezu den Wert 1 annehmen. Dies erfolgt durch die Anpassung der longitudinalen Dispersion in Abhängigkeit vom Wellenlängenbereich der Mikro-Elektronenpakete und der lokalen Energieverbreiterung. Hat die Exponentialfunktion einen Wert nahe 1, dann kann eine Optimierung der Impedanz zu einer weiteren Verstärkung führen. Bei einer gegebenen longitudinalen Dispersion wird entsprechend nur die Impedanz angepasst.In order to increase the gain, the exponential function in (3) must almost be 1. This is done by adjusting the longitudinal dispersion as a function of the wavelength range of the micro-electron packets and the local energy broadening. If the exponential function has a value close to 1 then optimizing the impedance can lead to further amplification. For a given longitudinal dispersion, only the impedance is adjusted accordingly.

Unter Berücksichtigung des 3D-Modells muss der Exponent der Exponentialfunktion in Funktion (3) erweitert werden, um die Effekte, die aus der transversalen Dispersion resultieren, zu berücksichtigen. Kalkuliert man unter diesem Aspekt den Bündelungsfaktor (englisch: bunching factor) für eine bestimmte Wellenzahl k bei kleinen Winkeln (Θx Θy) relativ zur longitudinalen Richtung, erhält man für das Mittel des Ensembles < E ˜ k ( r ) E ˜ k ' * ( r ) >

Figure DE102016109171B4_0006
im 3D Modell (nach Aufsatz 4): < | b c ( k ) | 2 > 4 3 N ( I 0 r 56 L d γ 0 I A σ t r a 2 ) 2 e x p ( k 2 r 56 2 δ E 2 2 γ 0 2 k 2 ( R 2 2 + θ y 2 r 34 2 ) σ t r a ' 2 2 ) 1 + γ 0 2 ( R 1 2 + θ y 2 r 33 2 )
Figure DE102016109171B4_0007
mit σtra und σtra' = transversale Größe und Divergenz des Ensembles, R1 = r51 + Θxr11, R2 = r52 + Θxr12 mit rij = Elemente der Transfermatrix des Beschleunigerbereichs.Considering the 3D model, the exponent of the exponential function in function (3) must be extended to take into account the effects resulting from the transverse dispersion. If one calculates the bunching factor for a given wavenumber k at small angles (Θ x Θ y ) relative to the longitudinal direction, one obtains for the mean of the ensemble < e ~ k ( r ) e ~ k ' * ( r ) >
Figure DE102016109171B4_0006
in the 3D model (after essay 4): < | b c ( k ) | 2 > 4 3 N ( I 0 r 56 L d γ 0 I A σ t r a 2 ) 2 e x p ( - k 2 r 56 2 δ e 2 2 γ 0 2 - k 2 ( R 2 2 + θ y 2 r 34 2 ) σ t r a ' 2 2 ) 1 + γ 0 2 ( R 1 2 + θ y 2 r 33 2 )
Figure DE102016109171B4_0007
with σ tra and σ tra ' = transverse size and divergence of the ensemble, R 1 = r 51 + Θ x r 11 , R 2 = r 52 + Θ x r 12 with r ij = elements of the transfer matrix of the accelerator region.

Die nach (4) erhaltenen Mikro-Elektronenpakete generieren in einem Undulator mit kurzer Periodenlänge eine Leistung gemäß: P c o h I 0 2 4 π σ t r a 2 K 2 8 γ 0 2 < | b c ( k ) | 2 >

Figure DE102016109171B4_0008
mit K = Undulatorparameter.The micro-electron packets obtained according to (4) generate a power in a short-period-length undulator according to: P c O H I 0 2 4 π σ t r a 2 K 2 8th γ 0 2 < | b c ( k ) | 2 >
Figure DE102016109171B4_0008
with K = undulator parameters.

Durch die oben stehenden Ausführungen ist gezeigt, dass (im Normalfall) die chromatischen bzw. Aberrations-Effekte in den dispersiven Schikanen die Verstärkung der raumladungsgetriebenen Mikro-Elektronenpaket-Instabilität stark reduzieren, da die Strahldivergenz auf Grund der gezielt minimierten, transversalen Strahlquerschnitte sehr groß ist. Daraus lässt sich folgern, dass die raumladungsgetriebene Mikro-Elektronenpakt-Instabilität nur für längere Wellenlängen oder ausschließlich mit Hilfe sehr hoher Spitzenströme (mehrere 1 kA) bei kürzeren Wellenlängen vorkommen kann.The above statements show that (in the normal case) the chromatic or aberration effects in the dispersive chicanes greatly reduce the amplification of space-charge-driven microelectron-packet instability, since the beam divergence is very large due to the deliberately minimized transverse beam cross-sections , From this it can be concluded that the space-charge-driven microelectron pact instability can only occur for longer wavelengths or only with the help of very high peak currents (several 1 kA) at shorter wavelengths.

Berücksichtigt man hingegen, dass a) die transversalen Strahlquerschnitte in den Schikanen durchaus groß sein dürfen, da die raumladungsgetriebene Energiemodulation zuvor in einer dafür vorgesehen Transportstrecke stattfindet und b) nach dem 3D-Modell die Impedanz für kurze Wellenlängen unabhängig vom Strahlquerschnitt einen konstanten Wert annimmt, wird ein großer Strahlquerschnitt und entsprechend eine kleine Strahldivergenz für die Schikane (in der erfindungsgemäßen Vorrichtung) gewählt und die Magnetstrukturen der Schikane entsprechend ausgelegt. Legt man eine dedizierte 1. Anordnung (Transportstrecke), die für die gegebenen Strahlparameter eine raumladungsgetriebene Energiemodulation zu kurzen Wellenlängen hin begünstigt und eine Schikane entsprechend den oben beschrieben Überlegungen aus, so ist mit moderaten (im Bereich von ca. 100 A bis 1 kA) bis geringen (< 100 A) Spitzenströmen eine signifikante Mikro-Elektronenpakt-Verstärkung für kurze Wellenlängen zu erhalten. Diese signifikante Verstärkung der Mikro-Elektronenpakte kann in einem nachgestalteten Undulator zu einer Erhöhung der emittierten kohärenten Leistung führen. Durch die Ausnutzung des Effekts der raumladungsgetriebenen Mikro-Elektronenpaket-Instabilität, wie oben beschrieben, führen geringe Spitzenströme der Elektronenpakete bei genügend hoher Wiederholrate zu einer großen Synchrotron-Lichtleistung. Die Strahlinstabilitäten aufgrund hoher (> 1 kA) Spitzenströme der Elektronenpakete werden vermieden, wodurch eine erhöhte Stabilität gewährleistet wird.If, on the other hand, one considers that a) the transverse beam cross sections in the baffles may be quite large, since the space charge driven energy modulation takes place beforehand in a dedicated transport path and b) according to the 3D model, the impedance for short wavelengths assumes a constant value irrespective of the beam cross section, a large beam cross section and correspondingly a small beam divergence for the chicane (in the device according to the invention) is selected and the magnetic structures of the chicane are designed accordingly. If one dedicates a dedicated first arrangement (transport path), which favors a space-charge-driven energy modulation to short wavelengths for the given beam parameters and a chicane according to the considerations described above, then moderate (in the range of approximately 100 A to 1 kA) to obtain significant short-wavelength micro-pact amplification to low (<100 A) peak currents. This significant amplification of the micro-electron pacts can result in an increase in the emitted coherent power in a modeled undulator. By exploiting the effect of space-charge driven micro-electron-packet instability, as described above, low peak currents of the electron packets at sufficiently high repetition rates result in a large synchrotron light output. The beam instabilities due to high (> 1 kA) peak currents of the electron packets are avoided, which ensures increased stability.

In der vorgeschlagenen Vorrichtung findet die Energiemodulation während des Transports durch die erste Anordnung, die aus fokussierenden und defokussierenden Multipolen besteht, statt. Diese Modulation lässt sich durch das 3D-Modell beschreiben. Die im Bereich des 3D-Modells erforderliche Bedingung an die Strahlquerschnitte für Zielwellenlängen im Bereich von 1 µm bis 1 nm, bei Elektronenstrahlenergien von 40 MeV bis 1 GeV, ist folgende: 1 < 2 π σ t r a γ λ 6 γ λ 2 π < σ t r a 6 γ λ 2 π ,

Figure DE102016109171B4_0009
mit λ = Wellenlänge der Mikro-Elektronenpakete und γ = relativistischer Faktor.In the proposed device, energy modulation takes place during transport through the first array consisting of focusing and defocusing multipoles. This modulation can be described by the 3D model. The condition required in the region of the 3D model for the beam cross sections for target wavelengths in the range of 1 μm to 1 nm, with electron beam energies of 40 MeV to 1 GeV, is the following: 1 < 2 π σ t r a γ λ 6 γ λ 2 π < σ t r a 6 γ λ 2 π .
Figure DE102016109171B4_0009
with λ = wavelength of the micro-electron packets and γ = relativistic factor.

Für 2 π σ t r a γ λ < 1

Figure DE102016109171B4_0010
gilt das 1D-Modell und für 2 π σ t r a γ λ > 6
Figure DE102016109171B4_0011
nimmt die radiale Korrelation der Moden der Raumladungsfelder sehr stark ab. Damit der Anwendungsbereich des 3D Modells nicht verlassen wird, wird die longitudinale Strahldimension (Bereich des 3D Modells) entsprechend σz ≦ σ und σ = σtra gewählt, wobei letztere Relationen kleine Abweichungen erlauben. Damit ergeben sich für kleine Ladungen der Elektronenpakete, im Bereich von 1 pC bis 20 pC Spitzenströme deutlich kleiner als 1 kA, insbesondere kleiner 500 A. Die Umsetzung der Energiemodulation in eine räumliche Modulation (sogenannte Pulsformung, auch Bunching genannt) findet in der zweiten Anordnung statt. Hierbei wird die eingehende transversale Betafunktion βtrans , (siehe Tabelle 1) um einen Faktor mindestens größer 4 vergrößert. Die transversale Strahldivergenz nimmt entsprechend ab. Die Strahlquerschnitte in der zweiten Anordnung sind durch die Kombination einer großen (mindestens um einen Faktor 4 vergrößerten) Betafunktion und Dispersion wesentlich grösser als in der ersten Anordnung (Transportstrecke). Die Kopplung zwischen transversalen und longitudinalen Bewegungsebenen, gegeben durch die Elemente r51 und r52 (oder falls es sich um eine vertikale Schikane handelt r53 und r54 ) der Transfermatrix, wird für die Optimierung, relativ zum Strahlquerschnitt klein gehalten, d.h. mindestens eine Größenordnung kleiner als dieser. Dies wird durch mehrere kleine (kürzere und schwächere) Schikanen, die in Summe die gleiche longitudinale Dispersion wie eine große Schikane erzeugen, erzielt. Die kleinen Schikanen lenken jeweils abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen ab, um die unerwünschten Effekte der kohärenten Synchrotronstrahlung (Coherent Synchrotron Radiation, CSR) in den Dipolen zu reduzierten. Die transversale Strahldimension wird durch vorgeschaltete, zur zweiten Anordnung gehörige einzelne Quadrupole oder andere Multipole kontrolliert. Während die longitudinale und transversale Strahldimensionen wie oben beschrieben in Abhängigkeit von der Zielwellenlänge und Strahlenergie gewählt werden, wird die longitudinale Dispersion so gewählt, dass einerseits der energieverbreitungsabhängige Term in der Exponentialfunktion der Gleichung (4) (Bunching-Formel) möglichst minimiert wird und anderseits die Amplitude des Bunching, (erster Faktor in Gleichung 4), maximiert wird. Dabei ist zu beachten, dass die Länge der ersten Anordnung (Transportstrecke) selbst eine longitudinale Dispersion, Ld2, (Ld = länge der Transportstrecke, y = relativistischer Faktor) erzeugt, die in die gesamtlongitudinale Dispersion eingeht.For 2 π σ t r a γ λ < 1
Figure DE102016109171B4_0010
applies the 1D model and for 2 π σ t r a γ λ > 6
Figure DE102016109171B4_0011
decreases the radial correlation of the modes of space charge fields very much. So that the scope of the 3D model is not left, the longitudinal beam dimension (area of the 3D model) is chosen according to σ z ≦ σ and σ = σ tra , the latter relations allowing small deviations. This results in small charges of the electron packets, in the range of 1 pC to 20 pC peak currents significantly smaller than 1 kA, especially less than 500 A. The implementation of energy modulation in a spatial modulation (so-called pulse shaping, also called bunching) takes place in the second arrangement instead of. Here, the incoming transversal beta function becomes β trans , (see Table 1) increased by a factor of at least greater than 4. The transverse beam divergence decreases accordingly. The beam cross sections in the second arrangement are substantially larger by the combination of a large (at least a factor of 4) beta function and dispersion than in the first arrangement (transport path). The coupling between transverse and longitudinal planes of motion, given by the elements 51 and 52 (or if it is a vertical chicane r 53 and 54 ) of the transfer matrix is kept small for the optimization, relative to the beam cross-section, ie at least an order of magnitude smaller than this. This is achieved by several small (shorter and weaker) baffles, which together produce the same longitudinal dispersion as a large chicane. The small baffles alternately deflect in opposite directions to reduce the unwanted effects of Coherent Synchrotron Radiation (CSR) in the dipoles. The transverse beam dimension is controlled by upstream individual quadrupoles or other multipoles belonging to the second arrangement. While the longitudinal and transverse beam dimensions are chosen as described above as a function of the target wavelength and beam energy, the longitudinal dispersion is chosen so that, on the one hand, the energy dissipation-dependent term in the exponential function of equation (4) (Bunching formula) is minimized as far as possible Amplitude of the bunching, (first factor in equation 4) is maximized. It should be noted that the length of the first arrangement (transport path) itself produces a longitudinal dispersion, L d / γ 2 , (L d = length of the transport path, y = relativistic factor), which is included in the Gesamtlongitudinale dispersion.

Bevorzugt umfasst die Vorrichtung ferner zwei zweite Anordnungen, die auf die erste Anordnung folgen. Insbesondere sind mehrere (>2) zweite Anordnungen hintereinander angeordnet. Hierdurch wird die dispersive Strahlstrecke (die Strecke der zweiten Anordnungen bzw. der Schikanen) verlängert (in L) was zu einer höheren Verstärkung führt.Preferably, the device further comprises two second arrangements following the first arrangement. In particular, a plurality of (> 2) second arrangements are arranged one behind the other. As a result, the dispersive beam path (the distance of the second arrangements or baffles) is extended (in L), which leads to a higher gain.

Durch die Aufteilung der Pulsformung auf mehrere Dipolanordnungen wird der Pulsformungseffekt für den Strahl weiter verbessert.By dividing the pulse shaping into several dipole arrangements, the pulse shaping effect for the beam is further improved.

In einem Ausführungsbeispiel unterscheiden sich zwei entlang der ersten Richtung X aufeinanderfolgende zweite Anordnungen von Magneten dadurch, dass die Polaritäten der sich entsprechenden Gruppen von Dipolen entlang der ersten Richtung X komplementär zueinander sind. Dies führt zu einer effizienten Pulsformung.In one embodiment, two consecutive second arrays of magnets along the first direction X differ in that the polarities of the respective groups of dipoles along the first direction X are complementary to one another. This leads to efficient pulse shaping.

Ferner können sich zwei entlang der ersten Richtung X aufeinanderfolgende magnetische Multipole zweiter oder höherer Ordnung dadurch unterscheiden, dass ein Multipol fokussierend und der andere defokussierend ausgebildet ist. Dies verbessert die Strahlfokussierung.Furthermore, two consecutive second or higher order magnetic multiples along the first direction X may differ in that one multipole is focusing and the other is defocussing. This improves beam focusing.

Ferner kann die Vorrichtung eine abschließende erste Anordnung von Magneten, umfassend Multipole zweiter oder höherer Ordnung, zur Strahlfokussierung umfassen.Further, the apparatus may comprise a final first array of magnets comprising second or higher order multipoles for beam focusing.

Insbesondere ist die Vorrichtung aus einer Serie (Kaskade) von mindestens zwei Abfolgen gebildet, wobei jede Abfolge aus einer ersten Anordnung besteht, auf die zweite Anordnungen folgen. Die Serie, und damit auch die Vorrichtung, wird dabei von einer ersten Anordnung abgeschlossen.In particular, the device is formed from a series (cascade) of at least two sequences, each sequence consisting of a first arrangement followed by second arrangements. The series, and thus also the device, is thereby completed by a first arrangement.

Die erfindungsgemäß verwendeten Multipole sind bevorzugt ringförmig mit einer Öffnung zur Strahlführung ausgebildet. Die Multipole sind besonders bevorzugt Quadrupole, die aus Permanentmagneten gebildet sind. The multipoles used in accordance with the invention are preferably designed in the form of a ring with an opening for guiding the beam. The multipoles are more preferably quadrupoles formed from permanent magnets.

Die zweiten Anordnungen von Magneten können C-Schikanen oder Zick-Zack-Schikanen sein, die kombiniert sind mit Multipolen mindestens zweiter Ordnung, welche bevorzugt Quadrupole sind.The second arrays of magnets may be C-baffles or zig-zag baffles combined with at least second-order multipoles, which are preferably quadrupoles.

In einem Ausführungsbeispiel sind die Multipole in einer ersten Anordnung von Magneten äquidistant angeordnet.In one embodiment, the multipoles are arranged equidistantly in a first arrangement of magnets.

Auch die Gruppen von Dipolen in den zweiten Anordnungen von Magneten können äquidistant zueinander angeordnet sein.The groups of dipoles in the second arrangements of magnets can also be arranged equidistant from one another.

Erfindungsgemäß ist ferner eine Synchrotronstrahlungsquelle vorgesehen, bestehend aus einer Elektronenstrahlquelle, einer Vorrichtung zur Verstärkung von Mikro-Elektronenpaket-Instabilitäten gemäß der Erfindung, und einem Undulator.According to the invention, a synchrotron radiation source is further provided, consisting of an electron beam source, a device for amplification of micro-electron-packet instabilities according to the invention, and an undulator.

In der vorliegenden Erfindung werden Mikro-Elektronenpaket-Instabilitäten verstärkt. Der Vorteil der Erfindung ist, dass der genutzte Verstärkungsmechanismus wesentlich robuster arbeitet als in herkömmlichen Freie-Elektronen-Lasern und auch bei niedrigen Strahlströmen und -energien intensive Synchrotronstrahlung mit kurzen (EUV) Wellenlängen generierbar ist.In the present invention, micro-electron-packet instabilities are enhanced. The advantage of the invention is that the used amplification mechanism works much more robustly than in conventional free-electron lasers and even at low beam currents and energies intensive synchrotron radiation with short (EUV) wavelengths can be generated.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

  • 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 2 die Struktur A aus zwei Quadrupolmagneten der 1,
  • 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
  • 4 Quadrupolgradienten in einem dritten Ausführungsbeispiel,
  • 5 Quadrupolgradienten in einem vierten Ausführungsbeispiel,
  • 6 Quadrupolgradienten in einem fünften Ausführungsbeispiel,
  • 7 Verlauf der Betafunktion für das zweite Ausführungsbeispiel,
  • 8 Verlauf der Strahlquerschnitte für das zweite Ausführungsbeispiel und
  • 9 eine erfindungsgemäße Synchrotronstrahlungsquelle.
The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they will be achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments, which will be described in detail in conjunction with the drawings. Show it:
  • 1 a device according to the invention in a first embodiment,
  • 2 the structure A from two quadrupole magnets of the 1 .
  • 3 a device according to the invention in a second embodiment,
  • 4 Quadrupole gradients in a third embodiment,
  • 5 Quadrupole gradients in a fourth embodiment,
  • 6 Quadrupole gradients in a fifth embodiment,
  • 7 Course of the beta function for the second embodiment,
  • 8th Course of the beam cross sections for the second embodiment and
  • 9 a synchrotron radiation source according to the invention.

Elektronen werden in Beschleunigeranlagen mit Hilfe von Führungsmagneten abgelenkt und fokussiert. 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verstärkung von raumladungsgetriebenen Mikro-Elektronenpaket-Instabilitäten in einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 1 zur Verstärkung von Mikro-Elektronenpaket-Instabilitäten, auch Fokussierungskanal genannt, umfasst zunächst eine erste Anordnung von Magneten 10. Die erste Anordnung von Magneten 10 dient der Strahlfokussierung und umfasst eine Abfolge von mindestens zwei hintereinander, entlang der ersten Richtung X angeordneter Multipole 12 zweiter oder höherer Ordnung.Electrons are deflected and focused in accelerator systems with the aid of guide magnets. 1 shows a side view of a device according to the invention for the enhancement of space-charge driven micro-electron-packet instabilities in a first embodiment. The device 1 for amplifying micro-electron-packet instabilities, also called focusing channel, initially comprises a first arrangement of magnets 10 , The first arrangement of magnets 10 is used for beam focusing and comprises a sequence of at least two consecutive, along the first direction X arranged multipoles 12 second or higher order.

Diese mindesten zwei Multipole 12 sind in der Struktur A zusammengefasst und in 2 getrennt voneinander in einer Draufsicht gezeigt. Jeder Multipol 12 ist in dem gezeigten aber nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel ein ringförmiger Quadrupol mit einer in der Mitte befindlichen Öffnung 18, die als Elektronenkanal 30 dient. Ein Quadrupolmagnet 12 hat vier Pole 14, 16, zwei Nord- und zwei Südpole, wobei sich die gleichnamigen Pole diagonal gegenüberstehen. Ein Quadrupolmagnet 12 fokussiert die transversale Dimension eines Strahls geladener Teilchen in einer Ebene, während er sie in der anderen Ebene defokussiert. Der Elektronenstrahl durchläuft die 1 von links nach rechts im Elektronenkanal 30 entlang der Richtung X. Mit anderen Worten ist die erste Richtung X die Elektronenstrahlrichtung. Der Feldverlauf innerhalb der Öffnung des Multipols 12-1 wird durch die Kombination der durch die Pole 14 und 16 erzeugten Felder bestimmt. Der Multipol 12-1 fokussiert den Elektronenstrahl in horizontaler Ebene und defokussiert ihn in der vertikalen Ebene. Im zweiten Multipol 12-2, der in X-Richtung hinter dem ersten Multipol 12-1 angeordnet ist, sind die Pole 14, 16 komplementär zu den Polen 14, 16 des ersten Multipol 12-1 ausgebildet. Der Multipol 12-2 defokussiert den Elektronenstrahl in horizontaler Ebene und fokussiert ihn in der vertikalen Ebene. Diese hintereinander angeordnete komplementäre Ausbildung der ersten Anordnung dient der kompakten Strahlfokussierung. Eine solche Struktur ist z. B. eine sogenannte FODO-Struktur. Dabei steht „F“ für eine horizontale Fokussierung bei gleichzeitiger vertikaler Defokussierung, „D“ für eine vertikale Fokussierung bei gleichzeitiger horizontaler Defokussierung und „O“ für ein Neutralelement. Eine FODO-Struktur besteht aus einer äquidistanten Abfolge von Quadrupolmagneten 12 mit alternierender Polarität, so dass ein Strahl geladener Teilchen beim Durchlaufen der Struktur in beiden transversalen Ebenen abwechselnd fokussiert und defokussiert wird.These at least two multipoles 12 are in the structure A summarized and in 2 shown separated from each other in a plan view. Each multipole 12 In the embodiment shown, but not limiting, is an annular quadrupole with an opening in the middle 18 acting as an electron channel 30 serves. A quadrupole magnet 12 has four poles 14 . 16 , two north and two south poles, with the poles of the same name facing each other diagonally. A quadrupole magnet 12 focuses the transverse dimension of a beam of charged particles in one plane while defocusing it in the other plane. The electron beam passes through the 1 from left to right in the electron channel 30 along the direction X , In other words, the first direction X the electron beam direction. The field course within the opening of the multipole 12 - 1 is due to the combination of the poles 14 and 16 determined fields determined. The multipole 12 - 1 focuses the electron beam in a horizontal plane and defocuses it in the vertical plane Level. In the second multipole 12 - 2 who in X Direction behind the first multipole 12 - 1 is arranged, are the poles 14 . 16 complementary to the poles 14 . 16 of the first multipole 12 - 1 educated. The multipole 12 - 2 defocuses the electron beam in a horizontal plane and focuses it in the vertical plane. This successive arranged complementary formation of the first arrangement is the compact beam focusing. Such a structure is z. B. a so-called FODO structure. It says " F "For horizontal focusing with simultaneous vertical defocusing," D "For vertical focusing with simultaneous horizontal defocusing and" O "For a neutral element. An FODO structure consists of an equidistant sequence of quadrupole magnets 12 with alternating polarity, so that a beam of charged particles is alternately focused and defocused as it traverses the structure in both transverse planes.

Bevorzugt sind die Quadrupole 12 aus Permanentmagneten aufgebaut und bestehen aus NdFeB mit einem remanenten Feld von z. B. 1,3 T. Die erste Anordnung von Magneten 10 ist so ausgebildet, dass Magnetisierungsfelder von 2 Tm-1 erreichbar sind. Feldgradienten zwischen 300 und 800 Tm-1 sind dabei erreichbar. Die Öffnung 18 kann z. B. einen Durchmesser von lediglich 6 mm aufweisen, der bevorzugt zwischen 5 und 10 mm liegt. Die Quadrupolabstände liegen bevorzugt zwischen 0,05 m und 0,15 m. Die Länge des fokussierenden Quadrupols kann gleich der Länge des defokussierenden Quadrupols oder von ihr verschieden sein. Die Längen liegen zwischen 0,02 m und 0,1 m, bevorzugt zwischen 0,025 und 0,075 m.The quadrupoles are preferred 12 composed of permanent magnets and consist of NdFeB with a remanent field of z. B. 1.3 T. The first arrangement of magnets 10 is designed so that magnetization fields of 2 Tm -1 can be achieved. Field gradients between 300 and 800 Tm -1 are achievable. The opening 18 can z. B. have a diameter of only 6 mm, which is preferably between 5 and 10 mm. The quadrupole distances are preferably between 0.05 m and 0.15 m. The length of the focusing quadrupole may be equal to or different than the length of the defocusing quadrupole. The lengths are between 0.02 m and 0.1 m, preferably between 0.025 and 0.075 m.

An die erste Anordnung von Magneten 10 schließt sich eine zweite Anordnung von Magneten 40 an, die aus Gruppen 22 von Dipolen 24 mit unterschiedlicher Polarität besteht. Ein Dipolmagnet 24 besteht aus zwei verschiedenen Polen, Nord- und Südpol, die sich gegenüberstehen. Das Feld eines Dipolmagneten 24 lenkt einen Strahl geladener Teilchen um einen Winkel, der von Stärke des Feldes und Energie des Strahls abhängt, ab. Die Dipolmagnete 24 bestehen erfindungsgemäß aus Permanentmagneten. Außerdem umfasst die zweite Anordnung von Magneten 40 einen Quadrupol 50, der den Dipolen vorangeht. In 1 bilden die Dipole der zweiten Anordnung exemplarisch eine sogenannte C-Schikane 20. Eine C-Schikane lenkt den Strahl von seiner Achse ab und führt ihn auf einem Weg ähnlich wie einem nach unten geöffneten „C“ zu ihr zurück. Diese Anordnung kann die Energiemodulation eines Strahls geladener Teilchen in eine longitudinale Modulation umsetzen. Eine C-Schikane 20 besteht aus einer ersten Gruppe 22-1 von Dipolen 24, hier mit genau einem Dipol 24, der den Elektronenstrahl nach rechts ablenkt. Der obere, erste Pol ist ein Südpol 28, der untere, zweite Pol ein Nordpol 26. Die zweite Gruppe von Dipolen 22-2 besteht hier exemplarisch aus zwei nach links ablenkenden Dipolen 24, kann aber auch nur einen Dipol 24 umfassen. Die dritte Gruppe von Dipolen 22-3 lenkt den Strahl im Elektronenkanal 30 wiederum nach rechts ab. Somit verläuft die Ablenkung in einem nach links geöffneten „C“. Diese Form der Ablenkung gibt der Dipolanordnung 20 den Namen „C-Schikane“. Betrachtet man nur die obere Reihe von Polen so bestünden die Pole in X-Richtung aus den vier Polen „Süd-Nord-Nord-Süd“. Es können aber auch Zick-Zack-Schikanen zum Einsatz kommen. Eine Zick-Zack-Schikane besteht aus zwei Gruppen von Dipolen, wobei die Pole der ersten Gruppe von Dipolen komplementär zur zweiten Gruppe von Dipolen angeordnet sind. Jede Gruppe von Dipolen wiederum besteht aus zwei Dipolen mit komplementär zueinander angeordneten Polen. So würde die obere Reihe von Polen beispielsweise „(Süd-Nord)-(Nord-Süd)“ sein.To the first arrangement of magnets 10 closes a second array of magnets 40 on, coming from groups 22 of dipoles 24 exists with different polarity. A dipole magnet 24 consists of two different poles, north and south poles facing each other. The field of a dipole magnet 24 deflects a beam of charged particles by an angle that depends on the strength of the field and energy of the beam. The dipole magnets 24 consist according to the invention of permanent magnets. In addition, the second arrangement comprises magnets 40 a quadrupole 50 which precedes the dipoles. In 1 The dipoles of the second arrangement form an example of a so-called C-chicane 20 , A C-chicane deflects the beam from its axis and leads it on a path similar to a down-opened " C "Back to her. This arrangement can convert the energy modulation of a charged particle beam into a longitudinal modulation. A C chicane 20 consists of a first group 22 - 1 of dipoles 24 , here with exactly one dipole 24 , which deflects the electron beam to the right. The upper, first pole is a south pole 28 , the lower, second pole is a north pole 26 , The second group of dipoles 22 - 2 consists here by way of example of two left-deflecting dipoles 24 , but also only one dipole 24 include. The third group of dipoles 22 - 3 directs the beam in the electron channel 30 turn right again. Thus, the distraction runs in a left-opened " C ". This form of deflection gives the dipole arrangement 20 the name " C -Chicane". Considering only the upper row of poles, the poles would be in X Direction from the four poles "South-North-North-South". But you can also use zig-zag chicanes. A zigzag chicane consists of two groups of dipoles, with the poles of the first group of dipoles arranged complementary to the second group of dipoles. Each group of dipoles consists of two dipoles with poles arranged complementary to each other. For example, the top row of poles would be "(south-north) - (north-south)".

Die Dipollängen können zwischen 0,01 m und 0,05 m liegen. Die Dipolfelder können zwischen 0,1 und 1 T liegen, bevorzugt zwischen 0,4 und 0,7 T.The dipole lengths can be between 0.01 m and 0.05 m. The dipole fields can be between 0.1 and 1 T, preferably between 0.4 and 0.7 T.

Die Gesamtlänge der Vorrichtung kann zwischen 1 m und 20 m variieren, bevorzugt zwischen 5 und 15 m.The total length of the device may vary between 1 m and 20 m, preferably between 5 and 15 m.

3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Entlang der X-Richtung ist zunächst wieder eine erste Anordnung von Magneten 10 vorgesehen. Auf diese folgt eine zweite Anordnung von Magneten 40. Daran schließen sich weitere Anordnungen 40 von Magneten an. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind mehrere, hier acht zweite Anordnungen 40 von Magneten hintereinander angeordnet. In dem Beispiel sind jeweils zwei entlang der ersten Richtung X aufeinanderfolgende zweite Anordnungen von Magneten 40 dadurch unterschieden, dass die Polaritäten der sich entsprechenden Gruppen 20 von Dipolen 22 entlang der ersten Richtung X komplementär zueinander sind. Beinhaltet eine zweite Anordnung von Magneten 40 eine nach links geöffnete C-Schikane 20, beinhaltet die in Strahlrichtung folgende weitere zweite Anordnung von Magneten 40 eine nach rechts geöffnete C-Schikane 20. Bevorzugt unterscheiden sich zudem zwei entlang der Strahlrichtung aufeinanderfolgende magnetische Multipole 50 zweiter oder höherer Ordnung dadurch, dass ein Multipol 50 in einer Ebene fokussierend und der andere defokussierend ausgebildet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Fokussierungskanal 1 eine abschließende erste Anordnung von Magneten 10 umfassend Multipole 12 zweiter oder höherer Ordnung zur Strahlfokussierung. 3 shows a device according to the invention in a second embodiment. Along the X Direction is first again a first arrangement of magnets 10 intended. This is followed by a second arrangement of magnets 40 , This is followed by further orders 40 from magnets on. In the embodiment shown are several, here eight second arrangements 40 arranged by magnets in a row. In the example, two are each along the first direction X successive second arrays of magnets 40 characterized in that the polarities of the corresponding groups 20 of dipoles 22 along the first direction X are complementary to each other. Includes a second arrangement of magnets 40 a C-chicane opened to the left 20 , contains the following second arrangement of magnets in the beam direction 40 a C-chicane opened to the right 20 , In addition, two magnetic multipoles succeeding one another along the beam direction preferably also differ 50 second or higher order in that a multipole 50 Focusing in one plane and the other defocusing is formed. In the embodiment shown, the focusing channel comprises 1 a final first arrangement of magnets 10 comprising multipoles 12 second or higher order for beam focusing.

Allgemein besteht ein Fokussierungskanal 1 bevorzugt aus Permanentmagneten und ist zusammengesetzt aus drei Bestandteilen: a) erste Anordnungen von Magneten 10, z. B. FODO-Strukturen, b) zweite Anordnungen von Magneten 40, z. B. C-Schikanen 20 und einzelne Quadrupolmagneten 50. In einem Fokussierungskanal 1 folgt einer ersten Anordnung von Magneten 10 eine Abfolge von zweiten Anordnungen von Magneten 40, die jeweils einen einzelnen Quadrupolmagnet 50 und z.B. eine C-Schikane 20 umfassen. Die aufeinander folgenden zweiten Anordnungen von Magneten 40 lenken den Strahl in entgegengesetzte Richtungen ab. Ein Fokussierungskanal 1 besteht im Allgemeinen aus mehreren solcher Anordnungen von ersten Anordnungen von Magneten 10 und zweiten Anordnungen von Magneten 40. Die Anzahl der benötigten Anordnungen hängt von den Strahlparametern und gewünschten Wellenlängen ab. Sie wird für jede Anwendung neu bestimmt. Dies erfolgt durch Anpassen der oben eingeführten Parameter und ist gegebenenfalls durch eine Simulation zu überprüfen. Generally, there is a focus channel 1 preferably made of permanent magnets and is composed of three components: a) first arrangements of magnets 10 , z. B. FODO structures, b) second arrangements of magnets 40 , z. B. C-harassment 20 and individual quadrupole magnets 50 , In a focusing channel 1 follows a first arrangement of magnets 10 a sequence of second arrays of magnets 40 , each a single quadrupole magnet 50 and eg a C-chicane 20 include. The successive second arrays of magnets 40 divert the beam in opposite directions. A focusing channel 1 generally consists of several such arrangements of first arrays of magnets 10 and second arrays of magnets 40 , The number of arrangements required depends on the beam parameters and desired wavelengths. It is redefined for each application. This is done by adjusting the parameters introduced above and is to be checked by a simulation if necessary.

Die Anzahl, Dimensionen und Feldstärke der Quadrupolmagnete 12 in den ersten Anordnungen von Magneten 10 sowie die Anzahl der zweiten Anordnungen von Magneten 40 und die Dimension und Feldstärke der einzelnen Dipolmagnete 24 und Quadrupole 50 sind ebenfalls Parameter, die in Abhängigkeit von Strahlparametern und gewünschten Wellenlängen optimiert werden gemäß den oben eingeführten Bedingungen.The number, dimensions and field strength of the quadrupole magnets 12 in the first arrangements of magnets 10 and the number of second arrays of magnets 40 and the dimension and field strength of the individual dipole magnets 24 and quadrupoles 50 are also parameters that are optimized depending on beam parameters and desired wavelengths according to the conditions introduced above.

In den ersten Anordnungen von Magneten 10 eines Fokussierungskanals 1 erzeugt die raumladungsgetriebene Mikro-Elektronenpaket-Instabilität eine breitbandige Energiemodulation des Strahls. Diese wird von der zweiten Anordnung von Magneten 40 in eine räumliche, longitudinale Modulation (sogenanntes microbunching) umgesetzt. Dies hat zur Folge, dass ein Paket geladener Teilchen in viele kleine Pakete unterteilt wird, der Strahl wird „microbuncht“. Dieses Elektronenpaket kann dann kohärente Strahlung mit Wellenlängen viel kürzer als das ursprüngliche Paket erzeugen.In the first arrangements of magnets 10 a focusing channel 1 space-charge-driven microelectron packet instability generates a broadband energy modulation of the beam. This is from the second arrangement of magnets 40 converted into a spatial, longitudinal modulation (so-called microbunching). This has the consequence that a packet of charged particles is divided into many small packets, the beam is "microbuncht". This electron packet can then generate coherent radiation with wavelengths much shorter than the original packet.

Die Struktur der Vorrichtung kann abgewandelt werden, um entweder das Microbunching für Strahlen mit verschiedenen Strahlparametern in demselben Wellenlängenbereich zu verstärken oder um das Microbunching in anderen Wellenlängenbereichen mit denselben Strahlparametern zu verstärken. Die Stärke der Dipol- und Quadrupolmagnete kann zum Beispiel geändert werden, um das Microbunching in demselben Wellenlängenbereich für Strahlen mit verschiedenen Energien zu verstärken. Es können auch die Anzahl, die Längen der Dipol- und Quadrupolmagnete, deren Feldstärke und Abstände geändert werden, um das Microbunching in demselben Wellenlängenbereich zu verstärken. Beispiele für Anpassungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden in den folgenden Figuren gezeigt.The structure of the device may be modified to either enhance microbunching for beams with different beam parameters in the same wavelength range or to enhance microbunching in other wavelength ranges with the same beam parameters. For example, the strength of the dipole and quadrupole magnets can be changed to enhance microbunching in the same wavelength range for beams of different energies. It is also possible to change the number, lengths of dipole and quadrupole magnets, their field strength and spacings to enhance microbunching in the same wavelength range. Examples of adaptations of the device according to the invention are shown in the following figures.

4 zeigt berechnete Quadrupolgradienten in einem dritten Ausführungsbeispiel, das einer Serie (Kaskade) von zwei Abfolgen entspricht, die jeweils eine erste Anordnung auf die acht zweite Anordnungen folgen umfassen, und einer sich an die zwei Abfolgen anschließenden, abschließenden ersten Anordnung. Die Dipolgradienten sind nicht gezeigt. In dem Ausführungsbeispiel werden Elektronenstrahlen mit 600 MeV fokussiert. Die Gesamtlänge der Vorrichtung beträgt 15 m (Z). Auf eine erste Anordnung von Magneten 10 folgen acht zweite Anordnungen von Magneten 40. Daran schließt sich eine zweite, erste Anordnung von Magneten 10, und acht weitere zweite Anordnung von Magneten 40 und, abschließend, eine dritte, erste Anordnung von Magneten 10 an. Die Länge der fokussierenden/defokussierenden Quadrupole 12 beträgt 0,05 m, der Gradient beträgt 400 T/m bzw. -400 T/m und die Öffnung 18 der Quadrupole 12 hat einen Durchmesser von 0,01 m. Die Entfernung zwischen den Quadrupolen 12 beträgt 0,1 m. Die zweiten Anordnungen von Magneten 40 umfassen jeweils eine C-Schikane 20 mit einer Dipollänge von 0,03 m, einem Dipolfeld von 0,6 T, einer Länge der fokussierenden/defokussierenden Quadrupole 50 von 0,05 m, einem Gradienten von +/- 140 T/m und einer Öffnung von 0,01 m. Die generierten Strahlquerschnitte und Betafunktionen für die ersten und zweiten Anordnungen entsprechen denen der 7 und 8. 4 Figure 4 shows calculated quadrupole gradients in a third embodiment corresponding to a series (cascade) of two sequences, each of which comprises a first arrangement following the eight second arrangements, and a final, first arrangement following the two sequences. The dipole gradients are not shown. In the embodiment, electron beams are focused at 600 MeV. The total length of the device is 15 m ( Z ). On a first arrangement of magnets 10 Eight second arrangements of magnets follow 40 , This is followed by a second, first arrangement of magnets 10 , and eight more second arrangement of magnets 40 and, finally, a third, first array of magnets 10 on. The length of the focusing / defocusing quadrupoles 12 is 0.05 m, the gradient is 400 T / m or -400 T / m and the opening 18 the quadrupole 12 has a diameter of 0.01 m. The distance between the quadrupoles 12 is 0.1 m. The second arrangements of magnets 40 each include a C chicane 20 with a dipole length of 0.03 m, a dipole field of 0.6 T, a length of the focusing / defocusing quadrupoles 50 of 0.05 m, a gradient of +/- 140 T / m and an opening of 0.01 m. The generated beam cross sections and beta functions for the first and second arrangements correspond to those of the 7 and 8th ,

5 zeigt berechnete Quadrupolgradienten in einem vierten Ausführungsbeispiel, das einer Serie (Kaskade) von zwei Abfolgen entspricht, die jeweils eine erste Anordnung auf die acht zweite Anordnungen folgen umfassen, und einer sich an die zwei Abfolgen anschließenden, abschließenden ersten Anordnung. Die Dipolgradienten sind nicht gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel werden Elektronenstrahlen mit 400 MeV fokussiert. Die Gesamtlänge der Vorrichtung beträgt 12 m (Z). Auf eine erste Anordnung von Magneten 10 folgen acht zweite Anordnungen von Magneten 40. Daran schließt sich eine zweite, erste Anordnung von Magneten 10, und acht weitere zweite Anordnungen von Magneten 40 und, abschließend, eine dritte, erste Anordnung von Magneten 10 an. Die Länge der fokussierenden Quadrupole 12 beträgt 0,025 m, der Gradient beträgt 711 T/m und die Öffnung 18 der Quadrupole 12 hat einen Durchmesser von 0,008 m. Die Länge der defokussierenden Quadrupole 12 beträgt 0,025 m, der Gradient beträgt - 711 T/m und die Öffnung 18 der Quadrupole 12 hat einen Durchmesser von 0,008 m. Die Entfernung zwischen den Quadrupolen 12 beträgt 0,075 m. Die zweiten Anordnungen von Magneten 40 umfassen jeweils eine C-Schikane 20 mit einer Dipollänge von 0,015 m, einem Dipolfeld von 0,4 T, einer Länge der fokussierenden/defokussierenden Quadrupole 50 von 0,025 m, einem Gradienten von +/- 247 T/m und einer Öffnung von 0,008 m. Die generierten Strahlquerschnitte und Betafunktionen für die ersten und zweiten Anordnungen entsprechen denen der 7 und 8 der Größe und dem Verlauf nach. 5 Figure 4 shows calculated quadrupole gradients in a fourth embodiment corresponding to a series (cascade) of two sequences, each comprising a first array following the eight second arrays, and a final first array following the two sequences. The dipole gradients are not shown. In this embodiment, electron beams are focused at 400 MeV. The total length of the device is 12 m ( Z ). On a first arrangement of magnets 10 Eight second arrangements of magnets follow 40 , This is followed by a second, first arrangement of magnets 10 , and eight more second arrangements of magnets 40 and, finally, a third, first array of magnets 10 on. The length of the focusing quadrupole 12 is 0.025 m, the gradient is 711 T / m and the opening 18 the quadrupole 12 has a diameter of 0.008 m. The length of the defocusing quadrupole 12 is 0.025 m, the gradient is - 711 T / m and the opening 18 the quadrupole 12 has a diameter of 0.008 m. The distance between the quadrupoles 12 is 0.075 m. The second arrangements of magnets 40 each include a C chicane 20 with a dipole length of 0.015 m, a dipole field of 0.4 T, a length of the focusing / defocusing quadrupoles 50 of 0.025 m, a gradient of +/- 247 T / m and an opening of 0.008 m. The generated beam cross sections and beta functions for the first and second arrangements correspond to those of the 7 and 8th the size and the course after.

6 zeigt berechnete Quadrupolgradienten in einem fünften Ausführungsbeispiel, das einer Serie (Kaskade) von zwei Abfolgen entspricht, die jeweils eine erste Anordnung auf die acht zweite Anordnungen folgen umfassen, und einer sich an die zwei Abfolgen anschließenden, abschließenden ersten Anordnung. Die Dipolgradienten sind nicht gezeigt. Im fünften Ausführungsbeispiel werden Elektronenstrahlen mit 900 MeV fokussiert. Die Gesamtlänge der Vorrichtung beträgt 15 m (Z). Auf eine erste Anordnung von Magneten 10 folgen acht zweite Anordnungen von Magneten 40. Daran schließt sich eine zweite, erste Anordnung von Magneten 10, und weitere acht zweite Anordnung von Magneten 40 und, abschließend, eine dritte, erste Anordnung von Magneten 10 an. Die Länge der fokussierenden/defokussierenden Quadrupole 12 in den ersten Anordnungen von Magneten 10 beträgt 0,05 m, der Gradient beträgt 600 T/m und die Öffnung 18 der Quadrupole 12 hat einen Durchmesser von 0,01 m. Die Entfernung zwischen den Quadrupolen 12 beträgt 0,1 m. Die zweiten Anordnungen von Magneten 40 bestehen jeweils aus einer C-Schikane 20 mit einer Dipollänge von 0,03 m, einem Dipolfeld von 0,9 T, einer Länge der fokussierenden/defokussierenden Quadrupole 50 von 0,05 m, einem Gradienten von +/- 210 T/m und einer Öffnung von 0,01 m. Die generierten Strahlquerschnitte und Betafunktionen für die ersten und zweiten Anordnungen entsprechen denen der 7 und 8. 6 Figure 4 shows calculated quadrupole gradients in a fifth embodiment corresponding to a series (cascade) of two sequences, each comprising a first array following the eight second arrays, and a final first array following the two sequences. The dipole gradients are not shown. In the fifth embodiment, electron beams are focused at 900 MeV. The total length of the device is 15 m ( Z ). On a first arrangement of magnets 10 Eight second arrangements of magnets follow 40 , This is followed by a second, first arrangement of magnets 10 , and another eight second arrangement of magnets 40 and, finally, a third, first array of magnets 10 on. The length of the focusing / defocusing quadrupoles 12 in the first arrangements of magnets 10 is 0.05 m, the gradient is 600 T / m and the opening 18 the quadrupole 12 has a diameter of 0.01 m. The distance between the quadrupoles 12 is 0.1 m. The second arrangements of magnets 40 each consist of a C chicane 20 with a dipole length of 0.03 m, a dipole field of 0.9 T, a length of the focusing / defocusing quadrupoles 50 of 0.05 m, a gradient of +/- 210 T / m and an opening of 0.01 m. The generated beam cross sections and beta functions for the first and second arrangements correspond to those of the 7 and 8th ,

Eine Darstellung des Verlaufs der Betafunktion und der Strahlquerschnitte entlang Z (Gesamtlänge der Vorrichtung), die dem 2., 3. und 5. Ausführungsbeispiel entsprechen und dem 4. der Größe und dem Verlauf nach (andere Gesamtlänge) sind in 7 bzw. 8 gezeigt.A representation of the course of the beta function and the beam cross sections along Z (total length of the device), which correspond to the 2nd, 3rd and 5th embodiment and the 4th of the size and the course after (other total length) are in 7 or. 8th shown.

Zusammenfassend dient die erfindungsgemäße Vorrichtung einer gezielten Verstärkung von Mikro-Elektronenpaket-Instabilitäten zwecks Erzeugung kohärenter Synchrotronstrahlung in einem nachfolgenden kurzen Undulator. Durch die kompakte Bauform dieser Vorrichtung können die hohen Anforderungen an die Elektronenstrahlqualität zur Erzeugung von kohärenter Synchrotronstrahlung, wobei die Wellenlängen der erzeugten Strahlung insbesondere im Wellenlängenbereich beginnend mit dem infraroten Wellenlängenbereich über den Bereich des EUV (extrem ultravioletten) des Spektrums bis zum Spektrum der weichen Röntgenstrahlung (XUV) liegen, erheblich reduziert werden.In summary, the device according to the invention serves to selectively amplify micro-electron-packet instabilities in order to generate coherent synchrotron radiation in a subsequent short undulator. Due to the compact design of this device, the high demands on the electron beam quality for generating coherent synchrotron radiation, the wavelengths of the generated radiation, especially in the wavelength range starting with the infrared wavelength range over the range of EUV (extreme ultraviolet) of the spectrum to the spectrum of soft X-rays (XUV) are significantly reduced.

Erfindungsgemäß werden also Abschnitte mit kurzen und extrem starken Multipolen, bevorzugt Permanent-Quadrupolmagneten, welche bevorzugt in einer dichten, sogenannten FODO-Struktur mit kurzen Dipolmagneten als magnetische Schikanen angeordnet. Die Vorrichtung ist somit ein kompakter Fokussierungs- und Pulsformungskanal.Thus, according to the invention, sections with short and extremely strong multipoles, preferably permanent quadrupole magnets, which are preferably arranged in a dense, so-called FODO structure with short dipole magnets as magnetic chicanes. The device is thus a compact focusing and pulse shaping channel.

Die erwünschten hohen mittleren Synchrotronstrahlleistungen werden durch die hohen Wiederholraten erzeugt. Dieses ermöglicht den Einsatz sehr kleiner Elektronenpaketladungen im Bereich 1 bis 20 pC, was seinerseits zu einem stabileren Betrieb der Beschleunigeranlage führt. Die durchschnittliche (rms) Länge der Elektronenpakete liegt in einem Bereich von 1 bis 10 µm (was 3 bis 30 fs entspricht). Dabei können transversale Strahlgrößen zwischen 5 und 200 µm erreicht werden. Durch die Einstellung der Parameter auf diese Werte werden zusätzlich auch die destruktiven Effekte durch kohärente Synchrotronstrahlung in den Schikanen reduziert.The desired high mean synchrotron beam powers are produced by the high repetition rates. This allows the use of very small electron-packet charges in the range 1 to 20 pC, which in turn leads to a more stable operation of the accelerator system. The average (rms) length of the electron packets is in a range of 1 to 10 μm (which corresponds to 3 to 30 fs). In this case, transverse beam sizes between 5 and 200 microns can be achieved. Setting the parameters to these values also reduces the destructive effects of coherent synchrotron radiation in the baffles.

Der Strahlquerschnitt wirkt sich direkt bei der Verstärkung von Instabilitäten innerhalb eines Elektronenpaketes aus und ist möglichst klein zu halten. Genügend kleine Strahlquerschnitte werden durch die im Fokussierungskanal eingesetzten, in einer kompakten FODO-Struktur angeordneten, fokussierenden und defokussierenden Komponenten realisiert.The beam cross section has a direct effect on the amplification of instabilities within an electron packet and should be kept as small as possible. Sufficiently small beam cross sections are realized by the focusing and defocusing components used in the focusing channel and arranged in a compact FODO structure.

Die Vorrichtung zur Verstärkung von Instabilitäten innerhalb eines Elektronenpaketes wird damit aus der Kombination von magnetischen Fokussierungs- und Ablenkmagneten gebildet. Als Fokussierungselemente zur Aufrechterhaltung oder Einstellung des Strahlquerschnitts können standardgemäße Quadrupole eingesetzt werden. Die Ablenkmagnete dienen zur Einstellung der longitudinalen Dispersion. Es können standardgemäße Dipole, die zum Beispiel als C-förmige Schikanen angeordnet sind, eingesetzt werden. Die benötigte Länge der Strecke zur Verstärkung von Instabilitäten innerhalb eines Elektronenpakets ist abhängig von den vorliegenden Strahlparametern und wird daran angepasst.The device for amplifying instabilities within an electron packet is thus formed from the combination of magnetic focusing and deflection magnets. As a focusing elements for maintaining or adjusting the beam cross-section standard quadrupoles can be used. The deflection magnets are used to adjust the longitudinal dispersion. It is possible to use standard dipoles, which are arranged, for example, as C-shaped baffles. The required length of the path for amplifying instabilities within an electron packet is dependent on the present beam parameters and is adapted thereto.

Die Verstärkung der Instabilitäten innerhalb eines Elektronenpaketes erfolgt aus einer Dichtefluktuation des Elektronenstrahls und weist daher eine statistische Charakteristik mit hohen Fluktuationswerten im Bündelungsfaktor auf. In einem Fokussierungskanal sind die wesentlichen Parameter zur Einstellung des Bündelungsfaktors die Energie des Elektronenstrahls und die Ladung der Elektronenpakete.The amplification of the instabilities within an electron packet occurs from a density fluctuation of the electron beam and therefore has a statistical characteristic with high fluctuation values in the bundling factor. In a focusing channel, the essential parameters for adjusting the convergence factor are the energy of the electron beam and the charge of the electron packets.

Erfindungsgemäß ist ferner eine Synchrotronstrahlungsquellen 100 bestehend aus einer Anlage zu Erzeugung relativistische Elektronenstrahlen 110 (Beschleunigeranlage), z.B. eine Linearbeschleunigeranlage bestehend aus einer Elektronenquelle und Beschleunigermodulen, einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Verstärkung von raumladungsgetriebenen Mikro-Elektronenpaket-Instabilitäten und einem Undulator 120, in Teilchenstrahlrichtung hintereinander angeordnet. Dies ist in 9 gezeigt. Als Undulator 120 kann ein standardgemäßer Undulator eingesetzt werden.Furthermore, according to the invention, a synchrotron radiation sources 100 consisting of a plant generating relativistic electron beams 110 (Accelerator), for example, a linear accelerator system consisting of an electron source and accelerator modules, a device according to the invention 1 to enhance space-charge driven microelectron packet instabilities and an undulator 120 arranged in particle beam direction one behind the other. This is in 9 shown. As an undulator 120 a standard undulator can be used.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.While the invention has been further illustrated and described in detail by way of preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Vorrichtung zur Verstärkung von Mikro-Elektronenpaket-InstabilitätenDevice for amplifying micro-electron-packet instabilities
1010
Erste Anordnung von MagnetenFirst arrangement of magnets
1212
Multipol mindestens zweiter OrdnungMultipole at least second order
1414
Erste Gruppen von PolenFirst groups of Poland
1616
Zweite Gruppe von PolenSecond group of Poles
2020
Anordnung von Dipolen (Schikanen)Arrangement of dipoles (baffles)
2222
Gruppen von DipolenGroups of dipoles
2424
Dipoldipole
2626
Erster Pol (z.B. Südpol)First Pole (e.g., South Pole)
2828
Zweiter Pol (z.B. Nordpol)Second pole (e.g., North Pole)
3030
Elektronenkanalelectron channel
4040
Zweite Anordnung von MagnetenSecond arrangement of magnets
5050
Multipol mindestens zweiter Ordnung (insbesondere Quadrupol)At least second order multipole (in particular quadrupole)
100100
Synchrotronstrahlungsquellesynchrotron Radiation
110110
Anlage zur Erzeugung relativistischer ElektronenstrahlenPlant for the production of relativistic electron beams
120120
Undulatorundulator

Claims (13)

Vorrichtung (1) zur Verstärkung von Mikro-Elektronenpaket-Instabilitäten umfassend, entlang einer ersten Richtung (X) angeordnet: eine erste Anordnung von Magneten (10) zur Strahlfokussierung umfassend eine Abfolge von mindestens zwei hintereinander, entlang der ersten Richtung (X) angeordneten Multipolen (12) zweiter oder höherer Ordnung, wobei die Multipole (12) eine alternierende Polarität aufweisen und wobei der Strahlquerschnitt σtra nach der Strahlfokussierung im Bereich γ λ 2 π < σ t r a 6 γ λ 2 π
Figure DE102016109171B4_0012
liegt, mit λ = Wellenlänge der Mikro-Elektronenpakete und γ = relativistischer Faktor und mindestens eine zweite Anordnung von Magneten (40) zur Umsetzung der Energiemodulationen in Dichtemodulationen umfassend eine Abfolge von mehreren, entlang der ersten Richtung (X) angeordneten Gruppen (22) von Dipolen (24) mit unterschiedlicher Polarität und einem Multipol (50), mindestens zweiter Ordnung, der den Dipolen vorausgeht und wobei eine eingehende Betafunktion in der zweiten Anordnung mindestens um einen Faktor vier vergrößert wird.
A device (1) for amplifying micro-electron-packet instabilities, arranged along a first direction (X): a first arrangement of magnets (10) for beam focusing comprising a sequence of at least two multipoles arranged one behind the other along the first direction (X) (12) second or higher order, wherein the multipoles (12) have an alternating polarity and wherein the beam cross section σ tra after the beam focusing in the range γ λ 2 π < σ t r a 6 γ λ 2 π
Figure DE102016109171B4_0012
with λ = wavelength of the micro-electron packets and γ = relativistic factor and at least one second arrangement of magnets (40) for implementing the energy modulation in density modulation comprising a sequence of a plurality of groups (22) arranged along the first direction (X) of FIG Dipoles (24) of different polarity and a multipole (50), at least second order, which precedes the dipoles and wherein an incoming beta function in the second arrangement is increased by at least a factor of four.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine weitere zweite Anordnung, die auf die erste zweite Anordnung folgt, aufweist.Device after Claim 1 , characterized in that the device comprises at least one further second arrangement following the first second arrangement. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei zweite Anordnungen (40) hintereinander angeordnet sind. Device after Claim 2 , characterized in that more than two second arrangements (40) are arranged one behind the other. Vorrichtung nach Anspruch 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwei entlang der ersten Richtung (X) aufeinanderfolgende zweite Anordnungen von Magneten (40) dadurch unterscheiden, dass die Polaritäten der sich entsprechenden Gruppen (22) von Dipolen (24) entlang der ersten Richtung (X) komplementär zueinander sind.Device after Claim 2 , or 3, characterized in that two consecutive second arrays of magnets (40) along the first direction (X) differ in that the polarities of the respective groups (22) of dipoles (24) along the first direction (X) are complementary to each other. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei entlang der ersten Richtung (X) aufeinanderfolgende magnetische Multipole (50) zweiter oder höherer Ordnung sich dadurch unterscheiden, dass ein Multipol (50) fokussierend und der andere defokussierend ausgebildet ist.Device according to one of Claims 2 to 4 , characterized in that two consecutive second or higher order magnetic multipoles (50) along the first direction (X) differ in that one multipole (50) is focused and the other defocusing. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Anordnung von Magneten (10), umfassend Multipole (12) zweiter oder höherer Ordnung zur Strahlfokussierung, die Vorrichtung abschließt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that a first arrangement of magnets (10), comprising multipoles (12) of second or higher order for beam focusing, terminates the device. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einer Serie von mindestens zwei Abfolgen erster Anordnungen, auf die zweite Anordnungen folgen, wobei die Serie von einer ersten Anordnung abgeschlossen wird, gebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device consists of a series of at least two sequences of first arrangements, followed by the second arrangements, the series being completed by a first arrangement. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Multipole (12, 50) ringförmig mit einer Öffnung zur Strahlführung ausgebildet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the multipoles (12, 50) are formed annularly with an opening for beam guidance. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Multipole (12, 50) Quadrupole sind, die aus Permanentmagneten gebildet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the multipoles (12, 50) are quadrupoles, which are formed from permanent magnets. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Anordnungen von Magneten (40) C-Schikanen oder Zick-Zack-Schikanen umfassen.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second arrangements of magnets (40) comprise C-baffles or zig-zag baffles. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Multipole (12) in einer ersten Anordnung von Magneten (10) äquidistant angeordnet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the multipoles (12) are arranged equidistantly in a first arrangement of magnets (10). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen (22) von Dipolen (24) in den zweiten Anordnungen von Magneten (40) äquidistant zueinander angeordnet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the groups (22) of dipoles (24) in the second arrangements of magnets (40) are arranged equidistant from each other. Synchrotronstrahlungsquelle (100) bestehend aus einer Beschleunigeranlage (110), einer Vorrichtung (1) zur Verstärkung von Mikro-Elektronenpaket-Instabilitäten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und einem Undulator (120).A synchrotron radiation source (100) comprising an accelerator system (110), a device (1) for amplifying microelectron packet instabilities according to any one of the preceding claims, and an undulator (120).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110337173B (en) * 2019-03-27 2020-11-06 华中科技大学 Electron beam focusing device
US11483919B2 (en) 2019-03-27 2022-10-25 Huazhong University Of Science And Technology System of electron irradiation

Non-Patent Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. Halavanau und E. Piot (Simulation of a cascade longitudinal space charge amplifier for coherent radiation generation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol 819, 2016, S. 144-153)
A. Marinelli et al. (Generation of coherent broadband photon pulses with a cascaded longitudinal spacecharger amplifier, Physical Review Letters, Vol. 110, 2013, S. 264802-1 - 5)
D. Ratner et al. (Three Dimensional Analysis of Longitudinal Space Charge Microbunching Starting From Shot Noise, TUPPH041 Proceedings of FEL08, Gyeongju, Korea, 2008, S. 338-341)
DOHLUS, M. ; SCHNEIDMILLER, E. A. ; YURKOV, M. V.: Generation of attosecond soft x-ray pulses in a longitudinal space charge amplifier. In: Physical Review Special Topics – Accelerators and Beams, Vol. 14, 2011, Article-No. 090702 (10 S.). - ISSN 1098-4402, *
E. L. Saldin et al. (Longitudinal space chargedriven microbunching instability in the TESLA Test Facility linac; Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 528, 2004, 355-359)
E. Piot (Simulation of cascaded longitudinal-space-charge amplifier at the fermilab accelerator science & technology (fast) facility, Proceedings of FEL 2015, 37th International Free Electron Laser Conference, 23-28 August 2015, Daejeon, Korea, S. 707-710)
E.A. Schneidmiller und M.V. Yurkov (Using the longitudinal space charge instability for generation of vacuum ultraviolet and x-ray radiation, Physical Review Special Topics - Accellerators and Beams Vol 13, 2010, S. 110701-1 - 110701-9)
HALAVANAU, A. ; PIOT, P.: Simulation of a cascaded longitudinal space charger amplifier for coherent radiation generation. In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 819, 2016, S. 144-153. - ISSN 0168-9002, *
HALAVANAU, A. ; PIOT, P.: Simulation of cascaded longitudinal-space-charge amplifier at the fermilab accelerator science & technology (fast) facility. In: Proceedings of FEL 2015, 37th International Free Electron Laser Conference, 23-28 August 2015, Daejeon, Korea, S. 707-710. - ISBN 978-3-95450-134-2 *
HEIFETS, S. ; STUPAKOV, G ; KRINSKY, S.: Coherent synchrotron radiation instability in a bunch compressor. In: Physical review special topics - Accelerators and beams. Vol. 5, 2002, S.064401-1-10 *
Huang et al. (Microbunching Instability due to Bunch Compression, SLAC-PUB-11597, December 2005)
HUANG, Zhirong ; WU, Juhao ; SHAFTAN, Timur: Microbunching Instability due to Bunch Compression. In: ICFA Beam Dynamics Newsletter, December, 2005 *
M. Dohlus et al. (Generation of attosecond soft x-ray pulses in a longitudinal space charge amplifier, Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams, Vol. 14, 2011, S. 090702-1 – 10)
MARINELLI, A. [et al.]: Generation of coherent broadband photon pulses with a cascaded longitudinal space-charger amplifier. In: Physical Review Letters, Vol. 110, 2013, Article-No. 264802 (5 S.). - ISSN 0031-9007 *
RATNER, D. ; CHAO, A ; HUANG, Z.: Three-dimensional Analysis of longitudinal Space Charge Microbunching starting from Shot Noise. TUPPH041 In: Proceedings of FEL08, Gyeongju, Korea, 2008, S. 338-341 *
S. Heifets et al. (Coherent synchrotron radiation instability in a bunch compressor, Physical Review Special Topics - Accelerator and Beams, vol. 5, 2002, S. 064401-1 - 10)
SALDIN, E.L. ; SCHNEIDMILLER, E.A. ; YURKOV M.V.: Longitudinal space charge-driven microbunching instability in the TESLA Test Facility linac. In: Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section A 528, 2004, S. 355-359 *
SCHNEIDMILLER E.A. ; YURKOV M.V.: Using the longitudinal space charge instability for generation of vacuum ultraviolet and x-ray radiation. In: Physical Review Special Topics - Accelerators and Beams. 2010, Vol. 13, S.110701-1-9 *

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