Transcript Mattia Schaer, PhD Thesis - ETH E

DISS. ETH No. 23405
RF TRAVELING-WAVE ELECTRON GUN
FOR HIGH BRIGHTNESS
PHOTOINJECTORS
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
MATTIA SCHAER
MSc ETH Physics
born on 10.06.1987
citizen of Gondiswil BE, Switzerland
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Jürg Leuthold, ETH Zurich, examiner
Prof. Dr. Christian Hafner, ETH Zurich, co-examiner
Dr. Lukas Stingelin, PSI Villigen, co-examiner
Dr. Paolo Craievich, PSI Villigen, co-examiner
2016
Abstract
The design of a photoinjector, in particular that of the electron source, is of central importance for Free Electron Laser (FEL) machines where a high brightness of the electron
beam is required in order to achieve an efficient lasing process.
In addition to the brightness of the electron beam, other quantities like the bunch length
and the mismatch parameter determine the performance of a photoinjector. The starting
point of this work is represented by the rigorous definition of a suitable figure of merit
for the optimization of an FEL photoinjector, taking into consideration the tight relation
between the electron and the photon beam.
A 5.6-cell RF standing-wave photocathode gun operating at C-band (5.712 GHz) is proposed as the first option for a future upgrade of the SwissFEL injector, whose reference
setup foresees a state-of-the-art RF standing-wave gun operating at S-band (2.998 GHz).
The aim of the higher RF frequency is to increase the initial accelerating gradient applied
to the electron bunch in order to reach a faster relativistic suppression of the space-charge
forces. The proposed C-band gun design allows one to halve the bunch length and to slightly
increase the brightness before the first bunch compressor compared to the reference design.
After recognizing the limitations related to the presence of resonant modes other than the
accelerating mode in standard RF standing-wave guns, an RF traveling-wave photocathode
gun operating at C-band is proposed as a more innovative upgrade option for SwissFEL.
To the author’s knowledge, this is the first time that a complete RF traveling-wave gun
design is presented. A brightness improvement up to a factor 3 is achieved together with
a double gun output energy compared to the reference design. The higher brightness is
mainly given by a (at least) halved bunch length before the first bunch compressor, which
brings benefits also for the beam dynamics in the main linac.
The optimization of the gun designs is achieved by the integration of RF and machine
parameters into a single optimization loop. In particular, the cell lengths of the RF cavity
are optimized based on the simulated beam quality before the first bunch compressor.
Both proposed C-band gun designs are characterized by a novel coaxial RF coupling of
the accelerating cavity, which allows a solenoid with integrated bucking coil to be placed
around the cathode in order to provide the necessary focusing right after the emission of
the electron bunch.
iii
Riassunto
Il design di un fotoiniettore, e in particolare quello della sorgente di elettroni, è di centrale
importanza per le macchine laser a elettroni liberi (Free Electron Laser, FEL), nelle quali
un’alta brillanza del fascio di elettroni è necessaria per ottenere un processo di emissione
efficiente.
Oltre alla brillanza del fascio di elettroni, altre quantità, quali la lunghezza del pacchetto
di elettroni e il parametro di mismatch, determinano la prestazione di un fotoiniettore.
Il punto di partenza di questo lavoro è rappresentato da una definizione rigorosa di una
figura di merito adatta all’ottimizzazione di fotoiniettori per macchine FEL, che prenda in
considerazione la stretta relazione tra il fascio di elettroni e quello di fotoni.
Un cannone RF a onda stazionaria su 5.6 celle con fotocatodo, operato ad una frequenza in banda C (5.712 GHz), è proposto come prima opzione per un potenziamento
futuro dell’iniettore di SwissFEL, la cui configurazione di riferimento prevede un cannone
RF a onda stazionaria operato ad una frequenza in banda S (2.998 GHz). L’aumento di
frequenza ha lo scopo di incrementare il gradiente di accelerazione iniziale applicato al
pacchetto di elettroni, cosı̀ da raggiungere più velocemente lo smorzamento relativistico
delle forze dovute alla carica spaziale. Rispetto al design di riferimento, quello proposto in
banda C permette di dimezzare la lunghezza del pacchetto di elettroni e di incrementarne
leggermente la brillanza prima del primo compressore longitudinale.
La presenza di modi risonanti oltre a quello di accelerazione è una caratteristica intrinseca
dei cannoni RF a onda stazionaria che comporta delle limitazioni. Una volta riconosciute
queste ultime, un cannone RF a onda viaggiante con fotocatodo, operato in banda C, è
proposto come opzione più innovativa per il potenziamento di SwissFEL. A conoscenza
dell’autore, si tratta della prima volta in cui viene presentato un design completo di un
cannone RF a onda viaggiante. Un miglioramento della brillanza fino a un fattore 3 è
ottenuto in contemporanea a un raddoppio dell’energia rispetto al design di riferimento.
L’incremento di brillanza è dovuto principalmente al dimezzamento, come minimo, della
lunghezza del pacchetto di elettroni prima del primo compressore longitudinale. Ciò comporta dei benefici anche per la dinamica del fascio lungo il linac principale.
L’ottimizzazione del design del cannone è ottenuta grazie all’integrazione di parametri
RF e parametri di macchina all’interno di un unico ciclo di ottimizzazione. Nello specifico,
la lunghezza delle celle che compongono la cavità RF sono ottimizzate in base alla qualità
del fascio di elettroni risultante dalle simulazioni.
Entrambi i designs di cannone in banda C proposti, sono caratterizzati da un innovativo
accoppiamento RF coassiale della cavità accelerante, che permette di posizionare attorno al
catodo un solenoide con spira di compensazione integrata, in modo da fornire la necessaria
focalizzazione immediatamente dopo l’emissione del pacchetto di elettroni.
v