Teilchenbeschleuniger sind technische Anlagen, die in der Lage sind, geladene Teilchen mithilfe elektromagnetischer Felder auf hohe Energien zu beschleunigen. Neben einer Vielzahl von industriellen und medizinischen Anwendungen spielen sie eine bedeutende Rolle in der Grundlagenforschung, da mit ihrer Hilfe grundlegende Gesetzmäßigkeiten der Natur erforscht werden können. Um die dazu benötigten Strahlparameter, wie Energie, Intensität und Strahltemperatur, zu erreichen, ist ein teilweise komplexes Zusammenspiel unterschiedlicher Beschleuniger und Speicherringe nötig. Bisweilen ist es erforderlich, dass die Länge des Teilchenstrahls flexibel variiert werden kann. Für einige Experimente, die an der GSI (Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung) und an dem zukünftigen Beschleunigerkomplex FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt geplant sind, werden Barrier-Bucket- Hochfrequenzsysteme benötigt, da sie es ermöglichen, die longitudinale Teilchenverteilung innerhalb eines Strahls durch gepulste elektrische Felder beinahe uneingeschränkt zu variieren. Aufgrund der hohen Komplexität solcher Barrier-Bucket-Systeme und der hohen Anforderungen an die Signalqualität der erzeugten Pulse, stellen die Systementwicklung und die Berechnung des benötigten Eingangssignals allerdings hohe Herausforderungen dar. Für das Barrier-Bucket-System, das vor Kurzem im ESR (ExperimentierSpeicherRing) der GSI installiert wurde, wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Strategien entwickelt, um diese Herausforderungen zu bewältigen.

Es wird gezeigt, dass die verfügbare Bandbreite eines Barrier-Bucket-Systems erwartungsgemäß entscheidend für die erreichbare Signalqualität der Ausgangspulse ist. Da das Systemverhalten im benötigten Frequenzband durch die Eigenschaften verschiedener Komponenten des Gesamtsystems und deren Wechselwirkungen beeinflusst wird, sind Simulationen unabdingbar, um eine zuverlässige Entwicklung des Systems, speziell der Kavität, sicherzustellen. Dazu wird ein Ersatzschaltbild für die Barrier-Bucket-Kavität entwickelt, mit dem es einfach möglich ist, unterschiedliche Komponenten der Kavität im Modell während des Entwicklungsprozesses leicht anzupassen. Das Modell ermöglicht es, das Verhalten der zukünftigen Kavität präzise vorauszusagen und darüber hinaus die spätere Kopplung mit der Verstärkerstufe zu simulieren.

Auch bei Barrier-Bucket-Systemen, die über eine ausreichende Bandbreite verfügen, führen Frequenzabhängigkeiten unterschiedlicher Systemkomponenten sowie Sättigungseffekte in der Verstärkerstufe zu starken Signalverzerrungen, die unerwünschte Auswirkungen auf den Teilchenstrahl haben. Um dem entgegenzuwirken, werden unterschiedliche Strategien vorgestellt, die es ermöglichen, das benötigte Eingangssignal zu berechnen, um das gewünschte Ausgangssignal zu erreichen. Dazu werden verschiedene Blackbox-Modelle mit unterschiedlichen Identifikationsmethoden für die benötigten Modellparameter verwendet. Zusätzlich werden verschiedene technische Konzepte analysiert, um das berechnete Eingangssignal zu generieren und dabei die Amplitude und das Timing des Signals in dem für die geplanten Experimente benötigten Rahmen zu steuern.

Zum Abschluss werden Ergebnisse eines Maschinenexperiments vorgestellt, das durchgeführt wurde, um die Funktionsfähigkeit des ESR-Barrier-Bucket-Systems zu demonstrieren. Während des Experiments wurde ein Strahl aus 56Fe25+-Ionen erfolgreich zwischen zwei Feldbarrieren eingefangen und anschließend komprimiert und wieder dekomprimiert. Eine Analyse der Ausgangssignale zeigt, dass die Signalqualität während der HF-Manipulationen erhalten bleibt und dass sowohl Amplituden- als auch Phasenjitter so klein sind, dass sie den Teilchenstrahl nicht unzulässig beeinflussen.

Auch, wenn sich die hier entwickelten Berechnungen und Modelle in erster Linie auf das ESRBarrier-Bucket-System konzentrieren, sind sie auch auf andere Barrier-Bucket-Systeme anwendbar. Insbesondere sind sie geeignet, um die Signalqualität der Ausgangssignale bereits existierender Systeme zu verbessern und die Entwicklung zukünftiger Barrier-Bucket-Systeme, wie dem SIS100-Barrier-Bucket-System, das derzeit für FAIR entwickelt wird, zu unterstützen.