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.

Nous étudions l’accélération d’un faisceau d’électrons provenant d’un photoinjecteur RF lorsque celui-ci est injecté dans le champ électrique à très fort gradient crée par un laser de forte puissance dans un plasma. Dans cette thèse la configuration d’une telle expérience est étudiée et des simulations du début à la fin sont présentées. Étant donné qu’un faisceau ultra-court d’électrons (quelques femto secondes) est nécessaire pour atteindre une faible dispersion en énergie dans le plasma, le faisceau d’électrons de 10 MeV provenant du photoinjecteur est comprimé en deux étapes. Le premier étage utilise une chicane coudée qui comprime le paquet d’électrons jusqu’à une durée de 69 fs, puis un deuxième étage qui utilise la méthode de regroupement par différence de célérité dans le plasma et qui comprime le paquet jusqu’à 4 fs avant qu’il ne soit accéléré. Le paquet d’électrons est comprimé transversalement avant d’être injecté dans le plasma. Le paquet d’électrons est focalisé transversalement avant d’être injecté dans le plasma. Une longue cellule plasma est utilisée pour créer le plasma en commençant plusieurs longueurs de Rayleigh avant le plan focal du laser, ce qui permet un regroupement par différence de célérité dans la première partie du plasma avec des contraintes relâchées sur la taille transverse du paquet d’électrons. La cellule plasma s’étend plusieurs longueurs de Rayleigh après le plan focal du laser pour supprimer la divergence angulaire du paquet d’électrons. Nous démontrons que le paquet d’électrons à la sortie du plasma a une énergie de plus d’une centaine de MeV avec une émittance plus petite que 1 µm, une charge plus grande que 7pC et une dispersion en énergie plus petite que 1,5% (largeur à mi-hauteur). Pour étendre la longueur d’accélération nous avons étudié le guidage du laser par un capillaire diélectrique creux et les résultats montrent que même dans le cas optimal le profile Gaussien usuel d’un laser n’est pas optimal, principalement à cause de la diffraction du laser sur les bords à l’entrée du capillaire. Un profile Gaussien aplatit est donc suggéré pour supprimer cette diffraction et il est montré que dans ce cas les électrons peuvent être accélérés sur plus de 10 longueurs de Rayleigh. / The acceleration of an externally injected 10MeV electron bunch coming from a RF photoinjector in a high gradient electric field excited in a plasma by a high power laser is studied. In this thesis, the configuration of such an experiment is studied and start to end simulations are presented. As an ultrashort electron bunch (several femtoseconds) is required to maintain a low energy spread beam in the plasma, the 10MeV electron bunch coming from the photoinjector is compressed in two stages. The first stage is realized using a dogleg chicane which compresses the electron bunch to 69fs, the second stage is realized with velocity bunching in the plasma that further compresses the electron bunch to 3fs before efficient acceleration. The electron bunch is transversely focused with a solenoid before being injected into the plasma. A long cell is used to create a plasma starting several Rayleigh lengths before the laser focal plane, allowing the velocity bunching in the first part of the plasma and relaxing constraints on the transverse bunch size. The cell extends several Rayleigh lengths after the laser focal plane to suppress the angular divergence of the electron bunch. We demonstrate that the electron bunch at the exit of the plasma has an energy of more than one hundred MeV, with an emittance smaller than 1 µm, a charge greater than 7pC and a FWHM energy spread smaller than 1.5%. To extend the acceleration section, the guiding of the laser beam with a hollow dielectric capillary is studied, the results show that even in the best matching conditions, the usual laser Gaussian transverse profile is not optimum, mainly because of the diffraction of the laser on the edges at the entrance of the capillary, a flattened Gaussian laser profile is then suggested to suppress this diffraction and the electrons can be accelerated over more than ten Rayleigh lengths.

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.