Ultrashort, nearly monochromatic hard X-ray pulses enrich the understanding of the dynamics and function of matter, e.g., the motion of atomic structures associated with ultrafast phase transitions, structural dynamics and (bio)chemical reactions. Inverse Compton backscattering of intense laser pulses from relativistic electrons not only allows for the generation of bright X-ray pulses which can be used in a pump-probe experiment, but also for the investigation of the electron beam dynamics at the interaction point. The focus of this PhD work lies on the detailed understanding of the kinematics during the interaction of the relativistic electron bunch and the laser pulse in order to quantify the influence of various experiment parameters on the emitted X-ray radiation. The experiment was conducted at the ELBE center for high power radiation sources using the ELBE superconducting linear accelerator and the DRACO Ti:sapphire laser system. The combination of both these state-of-the-art apparatuses guaranteed the control and stability of the interacting beam parameters throughout the measurement. The emitted X-ray spectra were detected with a pixelated detector of 1024 by 256 elements (each 26μm by 26μm) to achieve an unprecedented spatial and energy resolution for a full characterization of the emitted spectrum to reveal parameter influences and correlations of both interacting beams. In this work the influence of the electron beam energy, electron beam emittance, the laser bandwidth and the energy-angle-correlation on the spectra of the backscattered X-rays is quantified. A rigorous statistical analysis comparing experimental data to ab-initio 3D simulations enabled, e.g., the extraction of the angular distribution of electrons with 1.5% accuracy and, in total, provides predictive capability for the future high brightness hard X-ray source PHOENIX (Photon electron collider for Narrow bandwidth Intense X-rays) and potential all optical gamma-ray sources. The results will serve as a milestone and starting point for the scaling of the X-ray flux based on available interaction parameters of an ultrashort bright X-ray source at the ELBE center for high power radiation sources. The knowledge of the spatial and spectral distribution of photons from an inverse Compton scattering source is essential in designing future experiments as well as for tailoring the X-ray spectral properties to an experimental need. / Ultrakurze, quasi-monochromatische harte Röntgenpulse erweitern das Verständnis für die dynamischen Prozesse und funktionalen Zusammenhänge in Materie, beispielsweise die Dynamik in atomaren Strukturen bei ultraschnellen Phasenübergängen, Gitterbewegungen und (bio)chemischen Reaktionen. Compton-Rückstreuung erlaubt die Erzeugung der für ein pump-probe-Experiment benötigten intensiven Röntgenpulse und ermöglicht gleichzeitig einen Einblick in die komplexen kinematischen Prozesse während der Wechselwirkung von Elektronen und Photonen. Ziel dieser Arbeit ist, ein quantitatives Verständnis der verschiedenen experimentellen Einflüsse auf die emittierte Röntgenstrahlung bei der Streuung von Laserphotonen an relativistischen Elektronen zu entwickeln. Die Experimente wurden am ELBE - Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen des Helmholtz-Zentrums Dresden - Rossendorf durchgeführt. Der verwendete supraleitende Linearbschleuniger ELBE und der auf Titan-Saphir basierende Hochleistungslaser DRACO garantieren ein Höchstmaß an Kontrolle und Stabilität der experimentellen Bedingungen. Zur Messung der emittierten Röntgenstrahlung wurde ein Siliziumdetektor mit 1024x256 Pixeln (Pixelgröße 26μm × 26μm) verwendet, welcher für eine bisher nicht erreichte spektrale und räumliche Auflösung sorgt. Die so erfolgte vollständige Charakterisierung der Energie-Winkel-Beziehung erlaubt Rückschlüsse auf Parametereinflüsse und Korrelationen von Elektronen- und Laserstrahl. Eine umfassende statistische Analyse, bei der ab-initio 3D Simulationen mit den experimentellen Daten verglichen und ausgewertet wurden, ermöglichte u.a. die Bestimmung der Elektronenstrahldivergenz mit einer Genauigkeit von 1.5% und erlaubt Vorhersagen zur zu erwartenden Strahlung der zukünftigen brillianten Röntgenquelle PHOENIX (Photon electron collider for Narrow bandwidth Intense X-rays) und potentiellen lasergetriebenen Gammastrahlungsquellen. Die Ergebnisse dienen als Fixpunkt für die Skalierung des erwarteten Photonenflusses der Röntgenquelle für die verfügbaren Ausgangsgrößen am Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf. Das Wissen um die räumliche und spektrale Verteilung der Röntgenstrahlung ist entscheidend für die Planung zukünftiger Experimente sowie zur Anpassung der Quelle an experimentelle Bedürfnisse.

Ultrashort, nearly monochromatic hard X-ray pulses enrich the understanding of the dynamics and function of matter, e.g., the motion of atomic structures associated with ultrafast phase transitions, structural dynamics and (bio)chemical reactions. Inverse Compton backscattering of intense laser pulses from relativistic electrons not only allows for the generation of bright X-ray pulses which can be used in a pumpprobe experiment, but also for the investigation of the electron beam dynamics at the interaction point. The focus of this PhD work lies on the detailed understanding of the kinematics during the interaction of the relativistic electron bunch and the laser pulse in order to quantify the influence of various experiment parameters on the emitted X-ray radiation. The experiment was conducted at the ELBE center for high power radiation sources using the ELBE superconducting linear accelerator and the DRACO Ti:sapphire laser system. The combination of both these state-of-the-art apparatuses guaranteed the control and stability of the interacting beam parameters throughout the measurement. The emitted X-ray spectra were detected with a pixelated detector of 1024 by 256 elements (each 26μm by 26μm) to achieve an unprecedented spatial and energy resolution for a full characterization of the emitted spectrum to reveal parameter influences and correlations of both interacting beams. In this work the influence of the electron beam energy, electron beam emittance, the laser bandwidth and the energy-anglecorrelation on the spectra of the backscattered X-rays is quantified. A rigorous statistical analysis comparing experimental data to ab-initio 3D simulations enabled, e.g., the extraction of the angular distribution of electrons with 1.5% accuracy and, in total, provides predictive capability for the future high brightness hard X-ray source PHOENIX (Photon electron collider for Narrow bandwidth Intense X-rays) and potential all optical gamma-ray sources. The results will serve as a milestone and starting point for the scaling of the Xray flux based on available interaction parameters of an ultrashort bright X-ray source at the ELBE center for high power radiation sources. The knowledge of the spatial and spectral distribution of photons from an inverse Compton scattering source is essential in designing future experiments as well as for tailoring the X-ray spectral properties to an experimental need. / Ultrakurze, quasi-monochromatische harte Röntgenpulse erweitern das Verständnis für die dynamischen Prozesse und funktionalen Zusammenhänge in Materie, beispielsweise die Dynamik in atomaren Strukturen bei ultraschnellen Phasenübergängen, Gitterbewegungen und (bio)chemischen Reaktionen. Compton-Rückstreuung erlaubt die Erzeugung der für ein pump-probe-Experiment benötigten intensiven Röntgenpulse und ermöglicht gleichzeitig einen Einblick in die komplexen kinematischen Prozesse während der Wechselwirkung von Elektronen und Photonen. Ziel dieser Arbeit ist, ein quantitatives Verständnis der verschiedenen experimentellen Einflüsse auf die emittierte Röntgenstrahlung bei der Streuung von Laserphotonen an relativistischen Elektronen zu entwickeln. Die Experimente wurden am ELBE - Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen des Helmholtz-Zentrums Dresden - Rossendorf durchgeführt. Der verwendete supraleitende Linearbschleuniger ELBE und der auf Titan-Saphir basierende Hochleistungslaser DRACO garantieren ein Höchstmaß an Kontrolle und Stabilität der experimentellen Bedingungen. Zur Messung der emittierten Röntgenstrahlung wurde ein Siliziumdetektor mit 1024x256 Pixeln (Pixelgröße 26μm × 26μm) verwendet, welcher für eine bisher nicht erreichte spektrale und räumliche Auflösung sorgt. Die so erfolgte vollständige Charakterisierung der Energie-Winkel-Beziehung erlaubt Rückschlüsse auf Parametereinflüsse und Korrelationen von Elektronen- und Laserstrahl. Eine umfassende statistische Analyse, bei der ab-initio 3D Simulationen mit den experimentellen Daten verglichen und ausgewertet wurden, ermöglichte u.a. die Bestimmung der Elektronenstrahldivergenz mit einer Genauigkeit von 1.5% und erlaubt Vorhersagen zur zu erwartenden Strahlung der zukünftigen brillianten Röntgenquelle PHOENIX (Photon electron collider for Narrow bandwidth Intense X-rays) und potentiellen lasergetriebenen Gammastrahlungsquellen. Die Ergebnisse dienen als Fixpunkt für die Skalierung des erwarteten Photonenflusses der Röntgenquelle für die verfügbaren Ausgangsgrößen am Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf. Das Wissen um die räumliche und spektrale Verteilung der Röntgenstrahlung ist entscheidend für die Planung zukünftiger Experimente sowie zur Anpassung der Quelle an experimentelle Bedürfnisse.

Der International Linear Collider (ILC) ist ein Elektron-Positron-Beschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie zwischen 200 und 500 GeV und einer Spitzenluminositaet von $2\cdot 10^{34}\mbox{ cm}^{-2}\mbox{s}^{-1}$. Fuer das Physikprogramm dieser Maschine ist eine exzellente paketweise Messung der Strahlenergie von grundlegender Bedeutung. Um das zu erreichen, sind am ILC verschiedene Techniken vorgesehen. Insbesondere wurden Energiespektrometer vor und nach dem $e^+/e^-$-Wechselwirkungspunkt vorgeschlagen. Die gegenwaertige Standardoption fuer das Spektrometer vor dem Wechselwirkungspunkt ist ein auf Strahllagemonitoren basierendes Magnetspektrometer. In den Jahren 2006/2007 wurde ein Prototyp eines solchen Spektrometers in der End Station A am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) aufgebaut, um die Leistungsfaehigkeit und Zuverlaessigkeit einer derartigen Anlage zu pruefen. Ausserdem wurde eine neue Methode zur Messung der Strahlenergie vorgeschlagen. Diese beruht auf Compton-Streuung von Laserlicht an den Strahlelektronen und erlaubt, die geforderte Energiegenauigkeit von $\Delta E_b / E_b = 10^{-4}$ zu erreichen. Erfahrungen von dem Large Electron-Positron Collider (LEP) und dem Stanford Linear Collider (SLC) zeigten, dass komplementaere Energiemessmethoden notwendig sind, um die Ergebnisse des BPM-Spektrometers zu ueberpruefen. In der vorliegenden Arbeit werden eine Uebersicht ueber das Experiment am SLAC und erste Ergebnisse praesentiert. Des Weiteren wird die neue Methode der Laser-Compton-Streuung beschrieben und wichtige Aspekte detailliert besprochen. / The International Linear Collider (ILC) is an electron-positron collider with a center-of-mass energy between 200 and 500 GeV and a peak luminosity of $2\cdot 10^{34}\mbox{cm}^{-2}\mbox{s}^{-1}$. For the physics program at this machine, an excellent bunch-by-bunch control of the beam energy is mandatory. Several techniques are foreseen to be implemented at the ILC in order to achieve this request. Energy spectrometers upstream and downstream of the electron/positron interaction point were proposed and the present default option for the upstream spectrometer is a beam position monitor based (BPM-based) spectrometer. In 2006/2007, a prototype of such a device was commissioned at the End Station A beam line at the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in order to study performance and reliability. In addition, a novel method based on laser Compton backscattering has been proposed, since as proved at the Large Electron-Positron Collider (LEP) and the Stanford Linear Collider (SLC), complementary methods are necessary to cross-check the results of the BPM-based spectrometer. In this thesis, an overview of the experiment at End Station A is given, with emphasis on the performance of the magnets in the chicane and first energy resolution estimations. Also, the novel Compton backscattering method is discussed in details and found to be very promising. It has the potential to bring the beam energy resolution well below the requirement of $\Delta E_b / E_b = 10^{-4}$.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第18664号 / エネ博第309号 / 新制||エネ||63(附属図書館) / 31578 / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー応用科学専攻 / (主査)教授 大垣 英明, 教授 白井 康之, 教授 松田 一成 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

La nécessité de prouver l’existence de nouvelles particules comme les quarks et le boson de Higgs a entrainé le développement de deux nouveaux pans de la recherche : la physique des hautes énergies ou physique des particules, dédiée à prouver expérimentalement l'existence de ces particules puis à étudier leurs propriétés et la physique des accélérateurs, dédiée au développement de nouveaux instruments pour la physique des hautes énergies.Dans ce contexte, des collisionneurs linéaires électrons/positrons polarisés de forte luminosité dont l'énergie serait connue et accordable pourrait permettre d’étudier plus finement des particules se situant dans des énergies autour du TeV telles que le Boson de Higgs. C'est dans ce sens que le projet International Linear Collider (ILC) est conçu et c'est dans le cadre du développement de ce collisionneur linéaire de particules que cette thèse de doctorat se situe. Un des points critiques de l'ILC est la source de positrons polarisés. Sans entrer dans des explications sur la physique du processus de création de positrons polarisés, nous précisons simplement que ceux-ci sont créés lorsque des rayons gamma polarisés circulairement interagissent avec la matière. Le point critique est donc la source de rayons gamma polarisés circulairement. Une alternative pour cette source est la diffusion Compton inverse et c'est finalement dans le cadre de la recherche et du développement de systèmes lasers de fortes puissances moyennes asservis à des cavités Fabry-Perot pour la production de rayons gamma polarisés par diffusion Compton inverse que se situe cette thèse.Dans un premier temps, nous posons plus précisément le contexte de cette thèse, le principe de la diffusion Compton inverse ainsi que le choix d’une architecture optique basée sur un laser fibré et une cavité Fabry-Perot. Nous finissons sur une énumération des différentes applications possibles de la diffusion Compton inverse montrant que les travaux présentés pourraient bénéficier de transfert technologique vers d’autres domaines. Dans un second temps, nous présentons les différentes architectures d’amplification laser fibrée étudiées ainsi que les résultats obtenus. Dans un troisième temps, nous faisons un rappel du principe de fonctionnement d’une cavité Fabry-Perot et présentons celle utilisée pour notre expérience ainsi que ses spécificités. Dans un quatrième temps, nous abordons l’expérience de diffusion Compton inverse qui nous a permis de présenter pour la première fois à notre connaissance l’utilisation conjointe d’un laser à fibre optique et d’une cavité Fabry-Perot dans le cadre d’un accélérateur de particules pour générer des rayons gamma. Le dispositif expérimental ainsi que les résultats obtenus sont alors présentés. Finalement, nous résumons les résultats présentés dans ce manuscrit et proposons différentes possibilités d’évolution pour le système dans une conclusion générale. / The requirement to prove the existence of news particles like quarks and the Higgs boson has led the development of two news branches for the research: the high energy physics or particle physics, dedicated to experimentally prove the existence of these new particles then to study their properties and the accelerator physics, dedicated to develop particles accelerators for the high energy physic. In this context, polarized electrons/positrons high luminosity linear collider of known and scalable energy might enable more precise studies of particles with energy around the TeV such as the Higgs boson. To that end, the International Linear Collider (ILC) project is being designed and it is in this framework that this PhD thesis takes place. One of the critical points of the ILC is the polarized positrons source. Without going through further explanation on the physical process of polarized positrons production, we point out that they are produced when circularly polarized gamma rays interact with mater. Thus, the critical point is the circularly polarized gamma-ray source. A technical solution for this source is the Compton backscattering and in the end, this thesis takes place in the framework of R&D for high average power laser systems enslaved to Fabry-Perot cavities for polarized gamma-ray production by Compton backscattering. In the first part, we present this thesis context, the Compton backscattering principle and the choice for an optical architecture based on a fiber laser and a Fabry-Perot cavity. We finish by enumerating several possible applications for Compton backscattering which shows that the work presented here might benefits from technology transfer through others research fields. In the second part, we present the different fiber laser architecture studied as well as the results obtained. In the third part, we remind the operating principle of a Fabry-Perot cavity and present the one used for our experiment as well as its specificities. In the fourth part, we address the Compton backscattering experiment which enables us to present the joint utilization of a fiber laser and a Fabry-Perot cavity in a particles accelerator to generate gamma rays for the first time to our knowledge. The experimental apparatus as well as the results obtained are thus presented. In the end, we summarize the results presented in this manuscript and propose different evolution possibilities for the system in a general conclusion.