Volltext - Universität Hamburg

1. Einführung
Dieses führt zu einer kohärenten Abstrahlung von Licht. Die kohärente Abstrahlung bewirkt eine
starke Zunahme der Anzahl der abgestrahlten Photonen pro Zeit. Die Kohärenzeigenschaften
des abgestrahlten Lichts sind für die unterschiedlichen FEL-Klassen unterschiedlich.
Das Spektrum des Lichts eines SASE-Pulses ist dem intrinsischen Rauschen des Elektronenpakets
unterworfen und besitzt viele unterschiedliche longitudinale Moden, die sich von
Elektronenpakets zu Elektronenpakets unterscheiden (Saldin et al., 2000). Diese Fluktuationen
können durch einen wohl definierten initialen Lichtpuls, der verstärkt wird, unterdrückt
werden („seeding“) (Saldin et al., 2000). Für Angstrøm-Wellenlängen ist der initiale Lichtpuls
ein gefilterter Strahlungspuls aus einem voran gestellten FEL. Diese „self-seeding“ genannten
Experimente benötigen eine längere Undulatorstrecke als der SASE-Undulator, da die Intensität
des Lichtpulses vom ersten Undulatorabschnitt durch das Filtern des Spektrums verringert
wird (Saldin et al., 2001).
Ein weiterer FEL ist der „schwach verstärkende“ FEL (Madey, 1979). Dieser FEL besteht
aus einem Resonator, in dem ein Undulator als Verstärker der Lichtpulse steht. Die Undulatorstrahlung
wird über viele Resonatorumläufe verstärkt. Bestehende Anlagen arbeiten bereits
über einen weiten Wellenlängenbereich von 10 mm bis 180 nm (Ramian, 1992; Marsi et al.,
2002). Für Röntgenstrahlung ist der Aufbau eines Resonators mit herkömmlichen metallischen
Spiegeln nicht möglich, da die Plasmafrequenz kleiner ist als die Frequenz des Lichts (vgl.
Jackson, 1966, S. 227). Ein Resonator für Röntgenstrahlung wurde schon vor Jahrzehnten
(Cotterill, 1968; Colella et al., 1984) vorgeschlagen und nutzt die Beugung von Röntgenlicht
an den Netzebenen von Kristallen, die Bragg-Beugung (Bragg et al., 1913; Authier,
2001). Vor ein paar Jahren wurde die Idee neu aufgegriffen, um einen X-Ray Free Electron
Laser Oscillator (XFELO) für einen Energy Recovery Linac (ERL) zu realisieren (Kim et al.,
2008). Bei dieser Art von Elektronenbeschleunigern kann so die Brillanz stark erhöht werden.
Im Gegensatz zu den SASE-Pulsen sind die XFELO-Pulse nahezu Fourier-limitiert.
Der auf supraleitenden Beschleunigerstrukturen basierende European XFEL lässt es aufgrund
der Zeitstruktur der Elektronenpakete und der Eigenschaften der Elektronenpakete zu, einen
XFELO zu betreiben.
Im Rahmen dieser Arbeit wird der Verstärkungsprozess eines XFELOs für verschiedenen
Ladungen und Wellenlängen näher untersucht. Die Wärmeentwicklung in den Bragg-Kristallen,
die nötig sind, um den Resonator aufzubauen, wird analytisch und numerisch berechnet und
es wird ein Experiment beschrieben, mit dem die erwartbare Wärmelast auf den Kristallen
simuliert werden kann.
Zunächst werden die Grundlagen zur FEL- und Bragg-Theorie erörtert, gefolgt von der Beschreibung
des Wärmeflusses in Festkörpern. Es folgt eine Einführung zum European XFEL.
Verschiedene Spiegelkonfigurationen für den Resonator eines XFELOs am European XFEL
werden vorgestellt im Hinblick auf die Durchstimmbarkeit und die Anforderung an die Winkelstabilität
der Aufstellung der Spiegel. Anschließend werden numerische Berechnungen zur
Verstärkung des Lichts im Resonator und der Wärmeentwicklung in den Kristallen diskutiert.
Der letzte Abschnitt befasst sich mit dem experimentellen Aufbau und den ersten Messungen,
die mit dem Experiment durchgeführt worden sind.
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