Im Jahre 1958, schlug Kenneth W. Robinson die Nutzung eines Korrektormagneten vor um den entdämpften radialen Betatronoszillationen im Cambridge electron accelerator entgegen zu wirken. Dieser Korrektormagnet sollte aus kurzen, alternierenden Dipolen mit einem starken Gradienten bestehen, sodass die Verluste durch Synchrotronstrahlung mit zunehmendem Trajektorienradius abnehmen. Diese Transversal-Gradienten-Wiggler werden auch "Robinson Wiggler" (RW) genannt. Die Metrology Light Source (MLS), welche Eigentum der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ist und vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) entworfen und betrieben wird, ist ein Elektronen-Synchrotron, optimiert für die Produktion von Synchrotronstrahlung im Spektralbereich zwischen THz und EUV. Da die MLS eine gerampte Maschine ist, nimmt der gespeicherte Elektronenstrom mit der Zeit ab und die Strahllebensdauer ist von Bedeutung für die Nutzer der Synchrotronstrahlung. Es wird vorgeschlagen einen RW bei der MLS zu installieren um die Strahllebensdauer zu erhöhen. Mit RW wäre es möglich, Dämpfung aus der longitudinalen in die horizontale Ebene zu verschieben sodass sich die Energiebreite um einen Faktor 3 erhöht und die Emittanz sich um ungefähr einen Faktor 2 reduziert. Die Länge der Elektronenpakete wird dadurch stärker verlängert als die mittlere horizontale Paketbreite reduziert wird. So nimmt die Elektronendichte im Paket ab und die Verlustrate sinkt. Dies hat zu Folge dass sich die Lebensdauer verbessert und die Aktivierung von Komponenten reduziert wird. Mit erhöhter Energiebreite und verringerter Emittanz, wird der Beitrag der Dispersion zur horizontalen Quellgröße stärker. Durch geeignete Wahl der Magnetoptik kann die Brillianz am Quellpunkt erhöht werden bei gleichzeitiger Verbesserung der Lebensdauer. Simulationen zeigen dass die Lebensdauer an der MLS durch die Installation eines solchen RW um einen Faktor 2.3 ansteigt, was einem Zugewinn an integriertem Photonenfluss von 30 % entspricht. / In 1958, Kenneth W. Robinson proposed the usage of a magnetic correction device to reduce the antidamping of radial betatron oscillations in the Cambridge electron accelerator. The essence of this correction device are short, alternating dipoles with a strong gradient, such that the radiation loss decreases with increasing radius of trajectory. These transverse gradient wigglers are also called "Robinson Wigglers" (RW). The Metrology Light Source (MLS), owned by the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) and designed and operated by Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), is an electron synchrotron, optimized for the production of synchrotron radiation in the THz to the EUV spectral region. Being a ramped machine, Top-Up operation is not possible. With a decaying beam current, the lifetime of the stored beam is of importance for the user community, for reasons of temporal stability and integrated photon flux. It is proposed to install a RW at the MLS in order to improve the beam lifetime. With a RW, it is possible to transfer damping from the longitundinal to the horizontal plane in a way, that the energy spread increases by a factor of 3 and the emittance reduces by a factor of 2. Doing so, the bunch length is increased by a larger fraction than the average bunch width is decreased. Thereby the electron density is reduced which results in a lower loss rate of electrons. This improves the beam lifetime and reduces induced radioactivity of accelerator components and shielding. With an increased energy spread and a reduced emittance, the contribution of the dispersion to source size becomes more important. By carefully choosing the magnet optics, the brilliance at the source point can be improved simultaneously to increasing the lifetime. Simulations indicate that a RW is able to increase the lifetime in the standard user operation mode at the MLS by a factor of 2.3, corresponding to an increase in photon flux for one standard user run of approximately 30 %.

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.