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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/30194 |
| Date | 18 October 2024 |
| Creators | Alberdi Esuain, Beñat |
| Contributors | Kamps, Thorsten, Koch, Christoph T., Hug, Florian |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | (CC BY 4.0) Attribution 4.0 International, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| Relation | 10.1038/s41598-022-17453-z, 10.1038/s42005-021-00717-x |
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