Um die zu erwartenden Eigenschaften einer ERLbasierten Synchrotronstrahlungsquelle zu untersuchen, baut das Helmholtz Zentrum Berlin die Testanlage bERLinPro. Die Strahlenergie in diesem Testbeschleuniger beträgt Ekin = 50MeV bei einem Strom von 100 mA. Solch ein hochstromiger Elektronenstrahl im mittleren Bereich der kinetischen Energie ist Raumladungskräften unterworfen. Raumladungskräfte sind eine Quelle von Microbunching Instabilität, die zu einer Dichtemodulation in einer Elektronenverteilung führen kann. Eine solch modulierte Verteilung kann z.B. beim Durchgang durch einen Dipol kohärente, hochbrillante Synchrotronstrahlung emittieren, also Strahlung mit längeren Wellenlängen als die Verteilung. Im Rahmen dieser Arbeit wird sowohl das Auftreten, als auch die Einsatzmöglichkeit von Microbunching Instabilität in bERLinPro untersucht. Es ist geplant, bERLinPro bei zwei verschiedenen Betriebsarten (normaler Betriebsmodus und KurzPulsModus) zu betreiben. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum ersten Mal nummerische Simulationen des Testbeschleunigers von dessen Anfang bis dessen Ende durchgeführt, die sowohl von analytischen Rechnungen unterstützt als auch mit ihnen verglichen wurden. Ausführlich werden sowohl der Simulationscode, das Programm zur Nachbearbeitung der nummerischen Untersuchungen als auch ein SigmamatrixTrackingSkript beschrieben. Dieses dient als Basis für analytische Rechnungen, dass zusätzlich auch Impedanz Berechnungen und Gain Rechnungen beinhalten. Für den KurzPulsModus können nur analytische Rechnungen betrachtet werden, denn das entsprechende Design der Maschine, wie auch die Anpassung der Phase im Linearbeschleuniger, sind Gegenstand aktueller Untersuchungen. / To investigate the expected properties of an ERLbased synchrotron light source, the Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) is building the test facility bERLinPro. The beam energy of the test facility amounts to Ekin = 50MeV at a current of 100 mA. Such a high current electron beam with a medium bunch energy underlies space charge forces. These are a source of microbunching instability which can lead to a density modulation of the electron distribution in the electron bunch. These modulated bunches can emit highbrilliance coherent synchrotron radiation; radiation with wavelengths longer than the bunch, i.e. by passing a dipole. In the framework of this thesis both the occurence and the possible application of microbunching instability are investigated in bERLinPro. Planes are to run bERLinPro in two different operation modes: Standard operation mode and short pulse mode. In the context of this thesis, numerical start-to-end simulations for standard operation mode have been carried out for the first time. Both were compared and supported with analytical calculations. Elaborated descriptions of simulation codes and postprocessing tools for numerical investigation are described, as well as a sigma matrix tracking script as basis for analytical investigation, including impedance and gain calculations. Since current investigations include lattice design and linac phase adjustments for the short pulse mode, only analytical calculation could be considered for this operation mode.

Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) baut seit 2011 eine Testanlage Energy Recovery Linac (ERL) Project – BERLinPro. Das Ziel dieses Projektes ist den hohen Strom und hohe Brillanz von dem Elektronenstrahl in einem ERL zu demonstrieren. Die angestrebten Strahlparameter sind vergleichbar mit den Parametern von e.g. zukünftigen ERL-basierten Lichtquellen. Eine von solchen Anlagen ist Femto-Science Factory (FSF), die am HZB konzipiert wurde. FSF ist eine Lichtquelle in Röntgenbereich auf Basis von einem mehrumläufigen ERL mit zweistüfiger Injektion und Energie von einigen GeV. Die Quelle soll Diffraktionslimitiert sein und kurze (Femtosekundenbereich) Lichtpulse erzeugen. Die durchschnittliche und spitzen- Brillanz soll mindesten eine Größenordnung höher liegen als die Brillanz der modernen Speicherring-basierten Lichtquellen. Ein Überblick von BERLinPro und FSF ist gegeben. Eine potentielle Schwäche von ERL besteht in Strahlinstabilitäten, insbesondere regenerative Beam Break Up (BBU). Die Instabilität kann den erreichbaren durchschnittlichen Strom in einem ERL begrenzen. Der Grenzstrom von der BBU für BERLinPro ist berechnet in der Dissertation. Vergleich von zwei Linacs mit zwei verschiedenen supraleitenden Kavitätendesigns ist vorgestellt. Drei Methoden für Strahlstabilisierung (Einfluss von Strahlrotation mit einem Soleniod, Pseudoreflektor, und Tripleten von Quadrupolen in dem Linac auf den Grenzstrom) sind untersucht. Analytische Lösungen für die Twiss-Parameter wurden gefunden für die beste Linacoptik mit und ohne zusätzliche optische Elemente. Zukünftige große ERLs können unterschiedliche Beschleunigungsschemen benutzen. Diese Dissertation vergleicht drei Schemas: unmittelbare Injektion in einen 6 GeV Linac; zweistufige Injektion in einen 6 GeV Linac; und zweistufige Injektion in einen mehrumläufigen Beschleuniger mit geteiltem Hauptlinac in zwei 1 GeV Linacs. Der Basis für den Vergleich ist die Vollkostenanalyse sowie erreichbarer Grenzstrom von den Instabilitäten. / In January 2011 Helmholtz-Zentrum Berlin officially started the realization of the Berlin Energy Recovery Linac (ERL) Project – BERLinPro. The goal of this compact ERL is to develop the accelerator physics and technology required to accelerate a high-current (100 mA) low emittance beam. The parameters are desired for future large scale facilities based on ERLs, e.g. ERL-based synchrotron light sources. One of such large scale facilities is in the design phase at Helmholtz-Zentrum Berlin. This facility is called Femto-Science Factory (FSF). It is a GeV-scale multi-turn ERL-based light source. This light source will operate in the diffraction limited regime for X-rays and offer a short length of a light pulse in the femtosecond region. The average and peak brightness will be at least an order of magnitude higher than achievable from storage rings. In this work an overview of these two projects is given. One potential weakness of the Energy Recovery Linacs is a regenerative form of BBU – transverse beam break up instability. This instability can limit a beam current. In this work the threshold current of the BBU instability was calculated for BERLinPro. The comparison of two linacs based on different types of superconducting cavities is made. Different methods of BBU suppression are investigated (e.g. the influence of solenoid, pseudo-reflector and quadruple triplets in the linac structure on the BBU threshold). Analytic solutions of the Twiss parameters are used to find the best optic in the linac with and without external focusing are presented. Large scale ERL facilities can be realized on different schemes of beam acceleration. This dissertation compares a direct injection scheme with acceleration in a 6 GeV linac, a two-stage injection with acceleration in a 6 GeV linac and a multi-turn (3-turn) scheme with a two-stage injection and two main 1 GeV linacs. The key points of the comparison were total costs and BBU instability. Linac optic solutions are presented.

Das Forschungsfeld der Synchrotronstrahlungsquellen hat sich in den letzen Jahren entscheidend weiterentwickelt. Alle Zukunftsideen, unabhängig von ihrer Komplexität, haben dennoch eines gemeinsam: die Erzeugung kurzer Pulse. Die Naturwissenschaften haben die Spitzenbrillanz, die mit Hilfe kürzester Pulse produziert werden kann, als neues Schlüsselwerkzeug entdeckt. Die Nutzergemeinschaft verlangt nicht mehr nur ein statisches Bild, sondern vielmehr eine Reihe von bewegten Aufnahmen atomarer Substrukturen und den dazugehöringen Prozessen. Existierende dritte Generation Synchrotronstrahlungsquellen werden an die neuen Herausforderungen angepasst: Verbesserungen an der Magnet-Optik sowie der Einbau modernster Beschleunigertechnologie ermöglichen die Erzeugung kürzester Pulse mit höchster Brillanz für zeitaufgelöste Experimente. Ein möglicher Kandidat für die Lichtquelle der nächsten Generation ist ein Linear-Beschleuniger mit Energierückgewinnung. Durch die Verwendung langer Beschleunigungsstrukturen kann es, selbst bei hohen Energien, nicht zur Ausbildung des Emittanzgleichgewichts wie in Speicherringen kommen. Durch die Verwendung Impulsabhängiger-Umlaufbahnen und der Rückgewinnung der Strahlenergie ist es mit `Energy Recovery Linac'' (ERL)-basierten Quellen energieeffizient möglich, hochenergetische Elektronen-Pulse im Femtosekundenbereich zu erzeugen. Die longitudinale Elekronstrahldynamik solcher ERLs ist eines der Hauptthemen dieser Arbeit. Umfangreiche Simulationen über die gesamte Maschine wurden im Rahmen der `Femto-Science Factory'' Lichtquellen Studie durchgeführt. Die Begrenzungen des Kurzpulsmodus Betriebes wurden untersucht und mit den Erwartungen verglichen. Besondere Aufmerksamkeit lag dabei auf den 6D Elektronenstrahleigenschaften, insbesondere auf der Vermeidung von Strahlaufweitungen, die mit der Erzeugung von Ultra-Kurzpulsen einhergehen können. / Synchrotron light sources are entering a new era. No matter how elaborate, all the next generation proposals share a common necessity; the production of ultra-short electron bunches. There is an evolution in the field of science under investigation using the high peak brilliance generated from such bunches. The user community is demanding not just pictures but videos of atomic substructures and the processes that define them. Existing 3rd generation facilities are modifying their magnetic lattices and upgrading the acceleration schemes in order to keep up with this trend of generating short pulses with ultimate brilliance for time resolved experiments. A possible candidate for the next generation light source is one based on ERL technology. Using long linacs to accelerate to high energies overcomes the present limitation of emittance equilibrium in storage rings. By implementing independent arcs for acceleration and deceleration while recuperating the beams energy, ERL based sources are theoretically capable of efficiently producing high energy femtosecond long bunch lengths. The study of the longitudinal motion of the beam through single pass magnetic optic in combination with linacs is the main topic of this thesis. Dedicated start-to-end simulations in the framework of the Femto-Science Factory large scale light source are undertaken. The expectations and restrictions on the short pulse mode (SPM) operation are comprehensively examined in this work. Particular attention is given to the 6D electron beam properties and with it the beam degradation caused by the production of ultra-short bunches.