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Das Verständnis der inneren Vorgänge in der Materie, einschließlich des komplizierten Tanzes von Elektronen, Atomen und Molekülen, hat Forscher schon lange fasziniert. Elektronen werden seit der Erfindung des Elektronenmikroskops zur Untersuchung von Materie eingesetzt, aber erst in jüngster Zeit haben Fortschritte in der Elektronenquellen- und Beschleunigertechnologie die Erzeugung von Elektronenstrahlen mit hoher Helligkeit und Energien im Megaelektronenvoltbereich ermöglicht. Diese Entwicklungen versprechen die Beobachtung des Verhaltens von Materie auf atomarer Ebene. Die Forschung in dieser Dissertation konzentriert sich auf die Bereitstellung von Elektronenstrahlen im Megaelektronenvoltbereich, die für die Untersuchung von Materialien geeignet sind. Angesichts der Herausforderungen, die sich aus den für solche Experimente erforderlichen niedrigen Intensitäten und geringen Emittanzen ergeben, werden die notwendigen Modifikationen an der Strahllinie des SRF-Photoinjektors untersucht. Anschließend wird eine experimentelle Kampagne durchgeführt, um spezielle Strahldiagnosetechniken zur Echtzeitüberwachung des Strahls zu testen. Darüber hinaus werden die Fähigkeiten des Beschleunigers zur Durchführung zeitaufgelöster Elektronenstreuexperimente mit Auflösungen auf atomarer Zeitskala untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen das Potenzial des SRF-Photoinjektors und ähnlicher Beschleuniger, ultraschnelle Elektronenstreuexperimente mit beispielloser zeitlicher Auflösung durchzuführen. Darüber hinaus können diese Beschleuniger genutzt werden, um lokalisierte Prozesse mit räumlichen Auflösungen von über 10 Nanometern zu beobachten, indem ein geeignetes Design der Elektronenoptik verwendet wird, für das ein innovativer Ansatz vorgeschlagen wird. Durch die Untersuchung der Grenzen der aktuellen Beschleunigertechnologie bei der Durchführung von Materieuntersuchungsexperimenten mit relativistischen Elektronen werden die Grenzen dieses Feldes in neue Richtungen verschoben. / Understanding the inner workings of matter, including the intricate dance of electrons, atoms, and molecules, has long captivated researchers. Electrons have been employed to probe matter since the advent of the electron microscope, but it has not been until recently that advancements in electron source and accelerator technology have enabled the production of high-brightness electron beams with megaelectronvolt energies. These developments hold promise for enabling the observation of matter’s behaviors at atomic scales. The research in this dissertation focuses on delivering megaelectronvolt electron beams suitable for the investigation of materials. Considering the challenges posed by the low intensities and small emittances required for such experiments, the necessary modifications to the SRF Photoinjector's beamline are studied. An experimental campaign is then conducted to test dedicated beam diagnostic techniques for real-time monitoring of the beam. Furthermore, the accelerator’s capabilities for conducting time-resolved electron scattering experiments with resolutions at atomic temporal scales are investigated. Our findings reveal the potential of the SRF Photoinjector and similar accelerators to perform ultrafast electron scattering experiments with unprecedented temporal resolutions. Additionally, these accelerators can be utilized to observe localized processes with spatial resolutions surpassing 10 nanometers by using an appropriate design of electron optics, for which an innovative approach is proposed. By studying the limitations of current accelerator technology in conducting matter-probing experiments with relativistic electrons, the boundaries of this field are pushed toward new frontiers.

Zukünftige Beschleunigerprojekte und Nutzerexperimente erfordern für ihren Betrieb einen hochbrillanten Elektronenstrahl mit hohem mittlerem Strom. Eine Elektronenquelle mit dem Potential die Anforderungen erfüllen, ist ein supraleitender Hochfrequenz (SHF) Photoinjektor im Dauerstrichbetrieb. Die Strahldynamik eines solchen Photoinjektor Systems bestimmt die maximal zu erreichende Strahlbrillanz und wird ihrerseits von den Design und Betriebsparametern des Photoinjektors beeinflusst. Ziel ist immer die entscheidenden Design- und Betriebsparameter der Elektronenquelle hinsichtlich einer maximalen Strahlbrillanz zu wählen. Diese Aufgabe verlangt ein detailliertes Verständnis der Strahldynamik-Prozesse. Ferner ist es notwendig, eine Optimierung des Photoinjektors als Ganzes, mit dem Ziel einer maximalen Strahlqualität bei hohem mittlerem Strom, vorzunehmen. Dieses ermöglicht auch, die physikalischen Grenzen eines gegebenen Designs zu ermitteln und im Betrieb vollständig auszunutzen. Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Strahldynamik in einem SHF Photoinjektor, unter Berücksichtigung interner Raumladungseffekte. Die Erkenntnisse zur Strahldynamik werden für die Entwicklung eines Optimierungsprogramms verwendet, um die Leistung des Injektors hinsichtlich der Strahlbrillanz zu verbessern. Die entwickelte Methode basiert auf Pareto-Optimierung mehrerer Zielfunktionen, unter Verwendung eines generischen Algorithmus. Das zentrale Ergebnis dieser Arbeit umfasst ein universelles Optimierungsprogramm, das für Photoinjektoren unabhängig von ihrem Design und Anwendungsgebiet genutzt werden kann. Für den Betrieb mit hoher Strahlbrillanz ist es möglich aus den erhaltenen Pareto-optimalen Lösungen einen stabilen Satz an Einstellwerten für den Photoinjektor zu extrahieren. Durch die allgemeine Optimierungsstrategie lässt sich das entwickelte Programm auch für andere Beschleunigerabschnitte, oder die Optimierung einer ganzen Anlage mit erweiterter Zielsetzung anpassen. / An increasing number of future accelerator projects, light sources and user experiments require high brightness, high average current electron beams for operation. Superconducting radio-frequency (SRF) photoinjectors running in continuous-wave (cw) mode hold the potential to serve as an electron source that generates electron beams of high brightness. Different operation and design parameters of the SRF photoinjector impact the beam dynamics and, thus, the beam brightness. Therefore, an in-depth understanding of the beam dynamics processes in an SRF photoinjector and the dependency of the beam dynamics on the photoinjector set parameters is crucial. A high brightness beam operation requires a global optimization of the SRF photoinjector that allows to find suitable photoinjector settings and to figure out and extend the physical performance limits of the investigated injector design. The dissertation at hand offers a detailed analysis of the beam dynamics in an SRF photoinjector regarding internal space charge effects. Furthermore, the impact of the photoinjector elements on the electron beam is discussed. The lessons learned from this theoretical view are implemented in the development of an optimization tool to achieve a high brightness performance. A universal multi-objective optimization program based on a generic algorithm was developed to extract stable, optimum gun parameter from Pareto-optimum solutions. This universal tool is able to optimize and find the physical performance limit of any (S)RF photoinjector independent from the individual application of the electron source (energy recovery linac, free electron laser, ultra-fast electron diffraction). This thesis thereby verifies and complements existing theoretical considerations regarding photoinjector-beam interactions. The global optimization strategy can be introduced to variable optimization objectives as well as it can be extended to an optimization of further parts of the accelerator facility.