Influence of Pulsed Heat Load on the Performance of Diamond Bragg Mirrors for an XFEL-Oscillator,Einfluss von gepulster Wärmelast auf die Leistungsfähigkeit von diamantenen Bragg-Spiegeln für einen XFEL-Oszillator
In this thesis, different aspects of an x-ray free electron laser oscillator (XFELO) are considered. The focus, however, is clearly on the investigation of the influence of absorbed x-ray power on the Bragg reflection of diamond crystals. Due to its unique combination of superb thermomechanical and optical properties, diamond is the most promising material for high power x-ray Bragg mirrors as required to build an XFELO cavity. Because the Bragg reflection is sensitive to strain in the crystal structure, a numerical study is performed to obtain the strain field in a diamond crystal caused by the heat load expected to be deposited by a typical XFELO pulse. Furthermore, the effect of the strain in the diamond crystal on its Bragg reflectivity is studied as well. Due to the even more outstanding thermal conductivity and thermal expansion of diamond at cryogenic temperatures it appears favorable to operate the Bragg mirrors at those temperatures. However, at low temperatures and the spatial dimensions of an XFELO Bragg mirror, ballistic heat conduction effects, which are difficult to predict theoretically, set in. These ballistic heat conduction effects question the applicability of the classical heat conduction equation. For that reason a pump-probe experimental setup has been designed and realized, capable of simulating the heat load expected to be deposited by an XFELO pulse and measuring the resulting temperature decay. Additionally, by means of an appropriate data analysis, the validity of the classical heat equation and the hyperbolic heat equation at cryogenic temperatures is evaluated.
In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte eines Röntgen-Freie-Elektronen-Laser-Oszillators (XFELO) betrachtet. Dabei liegt der Fokus jedoch klar auf der Untersuchung des Einflusses von absorbierter Röntgenstrahlung auf die Bragg-Reflexion von Diamantkristallen. Aufgrund der einzigartigen Kombination seiner hervorragenden thermo-mechanischen und optischen Eigenschaften ist Diamant das vielversprechendste Material für Hochleistungs-Bragg-Spiegel, wie sie zum Aufbau einer XFELO Kavität benötigt werden. Da die Bragg-Reflexion empfindlich auf Dehnungen der Kristallstruktur reagiert, wurde eine numerische Studie durchgeführt, um so das Dehnungsfeld innerhalb des Diamantkristalls zu erhalten, welches durch die Wärmelast verursacht wird, die erwartungsgemäß von einem typischen XFELO Puls deponiert wird. Außerdem wird die Auswirkung der Dehnung innerhalb des Kristalls auf die Bragg-Reflektivität untersucht. Aufgrund der sogar noch günstigeren thermischen Leitfähigkeit und thermischen Ausdehnung von Diamant bei kryogenen Temperaturen erscheint es vorteilhaft, die Bragg-Spiegel bei solchen Temperaturen zu betreiben. Bei niedrigen Temperaturen und den geringen räumlichen Ausmaßen der XFELO-Bragg-Spiegel treten jedoch ballistische Wärmeleitungseffekte auf, die theoretisch schwer vorhersagbar sind. Diese ballistischen Wärmeleitungseffekte stellen die Anwendbarkeit der klassischen Wärmeleitungsgleichung in Frage. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit die Entwicklung und Realisierung eines experimentellen Aufbaus beschrieben, mit dem die erwartete Wärmelast, die in einem XFELO-Spiegel deponiert wird, simuliert und der anschließende Abkühlvorgang gemessen werden kann. Zusätzlich wird anhand geeigneter Datenanalyse die Gültigkeit der klassischen Wärmeleitungsgleichung und der hyperbolischen Wärmeleitungsgleichung überprüft.