Volltext - Universität Hamburg

A. European XFEL
Der European XFEL ist ein Linearbeschleuniger mit anschließendem FEL mit einer Gesamtlänge
von ca. 3.4 km, der unterirdisch in einem Tunnel von 5.2 m bzw. 4.6 m Durchmesser vom
DESY-Gelände bis nach Schenefeld, Schleswig-Holstein, verläuft. Nach dem 1.6 km langen Linearbeschleuniger
beträgt die Energie der Elektronen maximal E B = 17.5 GeV. Danach schließt
sich ein Tunnelfächer an, in dem die Elektronen in Undulatoren Lichtpulse erzeugen und zu den
Experimentierplätzen geleitet werden. Im Folgenden werden die einzelnen Teilbereiche des Beschleunigers
näher erläutert.
A.1. Injektor
Der Photoinjektor des European XFELs besteht aus einer Cs 2 Te-Kathode in einer 1 1 2 -zelligen
normalleitenden Beschleunigungsstruktur aus Kupfer. Die Energie der Elektronen wird in der
Beschleunigungsstruktur, welche einen Feldgradienten an der Kathode von etwa 60 MV/m hat,
auf E B = 5 MeV erhöht. Ein frequenzvervierfachter Nd:YLF-Laser mit einer Wellenlänge von
262 nm, der auf die Kathode geleitet wird, erzeugt die Elektronenpakete. Der Lichtpuls von
etwa 20 ps Länge löst eine ungefähr ebenso lange Elektronenwolke aus der Cs 2 Te-Kathode. Ein
Solenoidmagnet dient zur Fokussierung des Elektronenstrahls in das erste Beschleunigungsmodul.
Ein weiterer Solenoidmagnet „Bucking Coil“ vor der Kathode dient zur Kompensation des
Magnetfeldes auf der Kathode. Die Parameter der Elektronen aus dem Injektor sind in Tab. A.1
für unterschiedliche Ladungen aufgelistet (Rimjaem et al., 2010).
A.2. Linearbeschleuniger
Die Elektronen aus dem Injektor mit einer Energie von E B = 5 MeV werden in dem 1.6 km langen
supraleitenden Linear Accelerator (Linac) auf eine Maximalenergie von E B = 17.5 GeV beschleunigt.
Dieser Linac basiert auf 9-zelligen TeV-Energy Superconducting Linear Accelerator
(TESLA)-Strukturen (Aune et al., 2000).
Ein Elektronenpaket mit dem nötigen Spitzenstrom am Injektor zu erzeugen, ist nicht möglich,
da die repulsive Raumladungskraft (Coulomb-Abstoßung) zu einer Defokussierung des
Pulses führt. Im Fall relativistischer Elektronen wird die repulsive Raumladungskraft fast vollständig
von der fokussierend wirkenden, magnetischen Wechselwirkung kompensiert (Hinterberger,
2008, S. 364). Der Elektronenstrahl kann, wenn die Strahlenergie erhöht wird, stärker
komprimiert werden, ohne dass Raumladungskräfte den Elektronenpuls defokussieren. An drei
Positionen im Linac, bei einer Elektronenenergie von 100 MeV, 500 MeV und 2.0 GeV, wird in
dispersiven Schikanen der Elektronenpuls longitudinal komprimiert. Durch die longitudinale
Kompression des Elektronenpakets wird der Spitzenstrom auf ca. I P = 5 kA erhöht.
Ein Dauerpulsbetrieb bei einer Elektronenenergie von 6-8 GeV wäre möglich, da der Beschleunigungsgradient
geringer sein kann und somit die Kühlleistung und die benötigte Hochfre-
117