Designing and Commissioning of a Setup for Timing-Jitter Measurements Using Electro-Optic Temporal Decoding

Borissenko, Dennis

Book/Report/Master Thesis

PUBDB-2016-05592

Designing and Commissioning of a Setup for Timing-Jitter Measurements Using Electro-Optic Temporal Decoding

Borissenko, D. (Corresponding author)DESY*

2016
Verlag Deutsches Elektronen-Synchrotron Hamburg

Hamburg : Verlag Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY-THESIS 87 pp. (2016) [10.3204/PUBDB-2016-05592] = Masterarbeit, Universität Hamburg, 2016

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Report No.: DESY-THESIS-2016-035

Abstract: Precise measurements of the arrival time jitter between the ionization laser, usedto create the plasma, and the driver beam in the PWFA setup of the FLASHForwardproject are of high interest for the operation and optimization of the experiment.In this thesis, an electro-optic temporal decoding (EOTD) setup with nearcrossed polarizer detection scheme is presented, which can measure the timingjitterto an accuracy of around 30 fs. This result was obtained during severalmeasurements conducted at the coherent transition radiation beamline CTR141at FLASH, using a 100 m thick GaP crystal and coherent diffraction/transitionradiation, generated from the FLASH1 electron bunches.Measurements were performed during long and short electron bunch operationat FLASH, showing that best results are obtained with CDR from long electronbunches. Utilizing CTR led to a higher EO signal and "over-compensation" ofthe SHG background level during the measurement, which resulted in a doublepeakstructure of the observed THz pulses. To resolve the single-cycle nature ofthese THz pulses, the SHG background had to be adjusted properly.Furthermore, EOTD measurements during a short bunch operation run at FLASHexhibited strong oscillations in the EO signal, which were suspected to come eitherfrom internal lattice resonances of the EO crystal or internal reflections, orexcitation of water vapor in the humid air in the laboratory. The oscillationsspoiled the observed EOTD trace leading to no sensible measurements of thearrival time jitter during this short bunch operation.Präzise Messungen des Ankunftszeit-Jitters zwischen dem Ionisierungs-Laserfür die Erzeugung des Plasmas und dem Kielfeld treibenden Elektronenstrahl imPWFA Aufbau des FLASHForward-Projekts sind von großem Interesse für denBetrieb und die Optimierung dieses Experiments. In dieser Masterarbeit wirdein elektro-optischer Aufbau vorgestellt, welcher den Timing-Jitter mit einerGenauigkeit von etwa 30 fs messen kann. Dieses Messergebnis wurde währendmehrerer Experimente an der kohärenten Übergangstrahlungsquelle CTR141bei FLASH mit einem 100 m dicken GaP-Kristall und kohärenter Diffraktionsbzw.Übergangsstrahlung ermittelt.Die Experimente wurden während verschiedener Betriebsmodi des FLASH Beschleunigersdurchgeführt, wobei lange und kurze Elektronenpakete verwendetwurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die besten Messungen des Timing-Jittersmit Diffraktionsstrahlung von langen Elektronenpaketen erhalten werden. DieVerwendung von Übergangsstrahlung führte zu einem höheren EO-Signal undeiner "Überkompensation" des SHG Hintergrundpegels während der Messung,die zu einer Doppelspitzenstruktur des beobachteten THz-Pulses führte. Umdie Single-Cycle Struktur dieses THz-Pulses aufzulösen, musste der SHG Hintergrundverändert werden.Darüber hinaus zeigten EOTD Messungen während des Betriebes mit kurzenElektronenpaketen, dass es zu sehr starken Schwingungen im EO-Signal kommt,welche entweder auf interne Gitter-Resonanzen des EO-Kristalls oder interneReflexionen im Kristall, oder Anregung von Wasserdampf in der feuchten Luftdes Labors zurückzuführen sind. Diese Schwingungen machten es unmöglich,vernünftige Messungen des Ankunftszeit-Jitters durchzuführen.Um zu beurteilen, inwieweit der verwendete EO-Aufbau zur Überwachung desTiming-Jitter von kurzen PWFA beschleunigten Elektronenpaketen oder sehrkurze Elektronenpaketen im Treiberstrahl bei FLASHForward eingesetzt werdenkann, müssen weitere Untersuchungen zu den beobachteten Schwingungenim EOTD Signal beim Kurzpuls-Betrieb von FLASH mit verschiedenen Kristallenund unter Vakuum-Bedingungen durchgeführt werden, um die genauen Ursachedes Auftretens dieser Schwingungen festzustellen.To evaluate the capabilities of the setup for monitoring the timing jitter of shortPWFA accelerated electron bunches or very short driver bunches at FLASHForward,further investigations on the observed oscillations in the EOTD traceshave to be performed during short bunch operation at FLASH with differentcrystals and under vacuum conditions, to understand the oscillations of the EOsignal better.

Note: Masterarbeit, Universität Hamburg, 2016

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