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Abstract

Short duration, high spatial coherence and the high intensity of pulses generated by X-ray Free-Electron Lasers (XFELs) enable unique experimental techniques in material studies, femtosecond chemistry and others. Crystal optics are widely used at XFELs as diagnostics devices and to tailor the pulses for the experiments. The diagnostics is required due to the random nature of XFEL pulses, which leads to each pulse having individual spectral properties. Strongly bent crystals allow to disperse various photon energies over angles thus allowing to measure the spectrum. In this thesis, the effect of diffraction on the bent crystal spectrometer is studied within the frame of dynamical diffraction. It is shown that the crystal thickness limits the resolving power of the device. Due to the high intensity of the pulses, the heating caused by the absorption in the crystals leads to a significant distortion of the lattice which affects the performance of optical devices based on crystal optics. A model for the estimation of the heat load effect on the performance of a cryo-cooled monochromator is presented. A wavefront simulation software is used to simulate the spatio-temporal effects of asymmetric dynamical diffraction.

Freie-Elektronen-Röntgenlasern (XFELs) erzeugen Pulse von extrem kurzer Dauer, hoher räumlicher Kohärenz und hoher Intensität die einzigartige Experimente in der Materialforschung, Femtosekundenchemie und weiteren Forschungsfelder ermöglichen. Diffraktionsoptische Systeme werden an XFELs zur Charakterizierung und Modifikation der Pulse für die jeweiligen Experimente eingesetzt. Da jeder Puls aufgrund der stochastischen Natur der XFEL-Pulse individuelle spektrale Eigenschaften hat, ist eine pulsaufgelöste Diagnostik erforderlich. Stark gekrümmte Kristalle ermöglichen es, verschiedene Photonenenergien über einen breiten Winkelbereich zu beugen und somit das Energiespektrum des XFEL Pulses zu messen. In dieser Dissertation wird der Einfluss der Beugung eines gekrümmten Kristallspektrometers auf das Spektrum mittels dynamischer Diffraktion untersucht. Es wird gezeigt, dass die Kristalldicke das Auflösungsvermögen des Spektrometers begrenzt. Aufgrund der hohen Intensität der Pulse führt die durch die Absorption in den Kristallen verursachte Erwärmung zu einer erheblichen Gitterverzerrung, die die Leistung der jeweiligen optischen Instrumente beeinträchtigt. Ein Modell wurde entwickelt, um den Einfluss dieser Erwärmung auf die Leistungsfähigkeit eines kryo-gekühlten Monochromators abzuschätzen. Weiter wurde eine Software zur Wellenfrontsimulation wurde verwendet, um die räumlichen und zeitlichen Effekten der asymmetrischen dynamischen Diffraktion zu simulieren.