Der Betrieb eines Freien Elektronen Lasers (FEL), bei dem die spontan emittierte Undulatorstrahlung ueber Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl selbst verstaerkt wird, setzt eine praezise Ausrichtung des Elektronenstrahls mit dem Photonenstrahl voraus. Um den Ueberlapp von Elektronen-und Photonenstrahl zu gewaehrleisten, wurde ein neuartiger Typ von Wellenleiter-Strahllagemonitor entwickelt, der in eine Vakuumkammer des Undulators des FELs der TESLA Test Facility (TTF) integriert ist. Vier um das Strahlrohr verteilte Wellenleiter koppeln ueber schmale Schlitze einen Bruchteil jenes elektromagnetischen Feldes aus, welches den Strahl begleitet. Die induzierten Signale haengen von der transversalen Strahlposition und der Strahlintensitaet ab. Mit vier Schlitz-Wellenleiter Paaren laesst sich ein lineares Signal ableiten, anhand dessen die Position des Elektronenstrahls bestimmt werden kann. Die induzierten Signale werden mittels eines stegbelasteten Wellenleiters in die erste Stufe eines bei 12 GHz arbeitenden Empfaengers zugefuehrt. Die vorliegende Arbeit beschreibt Design, Tests und Implementierung dieses neuartigen Typs von Strahllagemonitor. / The operation of a free electron laser working in the Self Amplified Spontaneous Emission mode (SASE FEL) requires the electron trajectory to be aligned with very high precision in overlap with the photon beam. In order to ensure this overlap, one module of the SASE FEL undulator at the TESLA Test Facility (TTF) is equipped with a new type of waveguide beam position monitor (BPM). Four waveguides are arranged symmetrically around the beam pipe, each channel couples through a small slot to the electromagnetic beam field. The induced signal depends on the beam intensity and on the transverse beam position in terms of beam--to--slot distance. With four slot--waveguide combinations a linear position sensitive signal can be achieved, which is independent of the beam intensity. The signals transduced by the slots are transferred by ridged waveguides through an impedance matching stage into a narrowband receiver tuned to 12 GHz. The present thesis describes design, tests, and implementation of this new type of BPM.

BESSY II ist eine Strahlungsquelle der dritten Generation, die vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH für Experimente mit Synchrotronstrahlung betrieben wird. Mehrere Betriebsmodi werden am BESSY II Speicherring angeboten bzw. entwickelt, um die Anforderungen der vielfältigen Nutzergemeinde zu erfüllen. Dazu gehören nicht nur ein komplexes Füllmuster im Standardnutzerbetrieb, sondern auch spezielle Betriebsmodi mit kurzen Pulsen oder das sogenannte Transverse Resonant Island Buckets Separationsschema. Die Komplexität des Füllmusters erfordert eine pulsaufgelöste Strahldiagnose für die Inbetriebnahme und zur Sicherstellung der langfristigen Qualität des Beschleunigerbetriebs. Ferner werden für den Kurzpulsbetrieb Pulslängenmessungen mit ps Auflösung benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wird zu diesem Zweck eine neue Diagnoseplattform mit mehreren Strahlrohren aufgebaut. Jeweils ein Strahlrohr ist für transversale Strahlgrößenmessungen und für longitudinale Strahldiagnose vorgesehen. Beide Strahlrohre sind mit Messapperaturen für pulsaufgelöste Messungen ausgestattet. Hauptfokus dieser Arbeit liegen auf dem Design, der Installation und den Verbesserungen dieser Strahlrohre und den zugehörigen Meßgeräten in Kombination mit spezifischen Anwendungen in der Strahldiagnose an BESSY II. Im Allgemeinen erfordern Kopplungen zwischen Zeit- und Raumkoordinaten pulsselektive und korrelierte Detektionsmethoden mehrerer Parameter. Daher sind die longitudinale Diagnose sowie die Streak Kamera so optimiert worden, dass die direkte Abbildung des transversalen Strahlprofils möglich ist und sogar interferometrische Strahlgrößenmessungen durchführbar. Zusätzlich zur Zeitachse der Streak Kamera kann entweder die horizontale oder die vertikale Dimension des Strahls abgebildet werden und dadurch sind 2D-Messungen möglich. Mit dieser Methode wurden mehrere pulsaufgelöste 2D-Messungen durchgeführt und Analysemethoden entwickelt. / BESSY II is a third generation light source operated by the Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH for experiments with synchrotron radiation. Multiple operation modes are offered or are under development at the BESSY II storage ring to serve the needs of its diverse user community. This does not only include a complex fill pattern in standard operation, but also special operation modes featuring short pulses or the new transverse resonant island buckets separation scheme. The complexity of the fill pattern requires bunch-resolved diagnostics for commissioning and to ensure the long-term quality of accelerator operation. In addition, short pulse operation demands bunch length measurements with ps resolution. For this purpose a new diagnostics platform featuring multiple beamlines is set up. One beamline is dedicated for transverse beam size measurements and one for longitudinal diagnostics. Both beamlines are equipped with fast gated devices for bunch-resolved measurements. Design, installation and improvements of these beamlines and the measuring devices are the main focus of this work, together with specific BESSY II bunch diagnostics applications. In general, coupling between time- and space-coordinates do call for bunch-selective and correlated multi-parameter detection methods. Thus, the longitudinal diagnostics beamline and the streak camera have been made capable of direct transverse beam-profile imaging and even interferometric beam size measurements are feasible. Either the horizontal or vertical beam dimension can be imaged in addition to the time axis of the streak camera and 2D measurements are possible. Taking advantage of these capabilities, multiple bunch-resolved 2D measurements have been performed and analysis methods have been developed.

Die Protonentherapie von Aderhautmelanomen wird vor allem für die Behandlung von Tumoren nahe kritischer Strukturen (Sehnerv) und bei großen Tumoren angewandt. Dabei ist die begrenzte Reichweite der Protonen vorteilhaft, die scharf begrenzte Dosisfelder im Auge ermöglicht, und das an den Tumor grenzende gesunde Gewebe bestmöglich schont. Daher erfolgt die Positionierung der Patienten und der Strahlenfelder in der Augentumortherapie, wie auch die regelmäßigen Konstanzprüfungen, mit einer Reichweitengenauigkeit in Wasser von 0,1 mm. Mit einem Multi-Leaf Faraday Cup (MLFC) kann die Reichweite der Protonen in kurzer Zeit sehr genau gemessen werden. Dabei misst der MLFC die differentielle Fluenz der Protonenstrahlen, also das Reichweitenprofil. Er besteht aus einem Stapel Folien, abwechselnd leitend und isolierend. Eindringende Protonen deponieren eine zusätzliche Ladung in der Folie in der sie stoppen. Durch eine gleichzeitige Strommessung an allen Folien misst der MLFC relativ schnell die Reichweite der Protonen. Aufgabe dieser Arbeit ist es, einen MLFC entsprechend den Anforderungen der Augentumortherapie zu entwickeln, aufzubauen und mögliche Anwendungspotentiale zu untersuchen. Dafür wurden Monte-Carlo-Rechnungen mit MCNPX 2.6 und SRIM durchgeführt, verschiedene Folienstapel an Luft und im Vakuum untersucht, verschiedene Messelektroniken zur gleichzeitigen Messung von Strömen im pA-Bereich in vielen Kanälen getestet, ein Absorbersystem für einen variablen Messbereich von 30 MeV bis 70 MeV aufgebaut und die entsprechende Mess- und Steuersoftware in LabVIEW 2011 entwickelt. Es wurde die Genauigkeit der Reichweitenmessungen untersucht und gezeigt, dass der MLFC durch seine Mobilität eine schnelle Energiebestimmung an unterschiedlichen Experimentierplätzen erlaubt. In der Therapie ist neben der einfachen Bestimmung der maximalen Reichweite der Protonen auch die regelmäßige Kontrolle der Modulation der ausgedehnten Bragg-Kurven möglich. / Proton therapy of uveal melanomas is primarily used for the treatment of tumors near critical structures (optic nerve) and in large tumors. The great advantage of protons is their sharply limited range in tissue, which leads to sharp defined dose fields in the eye and the dose absorbed by the healthy tissue around the tumor can be reduced. Therefore, the positioning of the patient and the radiation fields, as well as the regular control measurements in the eye tumor therapy requires an accuracy of 0.1 mm in water. A Multi-Leaf Faraday Cup (MLFC) gives the opportunity to measure the proton range relatively fast and accurate. The MLFC measures the differential fluence, which means the range profile of the proton beam. It consists of a stack of sheets, alternating conductive and insulating, and the penetrating protons bring their additional charge into the sheet in which they stop. By measuring the corresponding current in each conducting sheet at the same time, the MLFC can quickly measure the range of the protons. The task of this work is to develop a MLFC with respect to the requirements of the eye tumor therapy and to explore possible application potentials. Therefore, Monte Carlo calculations with MCNPX 2.6 and SRIM were conducted, various foil stacks were studied in air and in vacuum, different measurement electronics for measuring currents in the pA range in many channels simultaneously were tested, a system of degraders for a variable measuring range from 30 MeV to 70 MeV was developed and the corresponding measurement and control software was written in LabVIEW 2011. The accuracy of the range measurements was examined and it was shown that a quick energy measurement at different target stations can be made by the MLFC due to its mobility. In therapy, in addition to the determination of the maximum range of the proton beam, the regular monitoring of the modulation of the extended Bragg-curves is in principle possible.