Hauptgegenstand der vorliegenden Arbeit ist die erste Realisierung eines Energierückgewinnungsmodus mit mehreren Rezirkulationssollbahnen am supraleitenden Darmstädter Elektronenlinearbeschleuniger (deutsch für superconducting Darmstadt electron linear accelerator, S-DALINAC). In einem solchen Betriebsmodus passieren Elektronen den Hauptlinearbeschleuniger zunächst mehrmals für eine Akkumulation des pro Durchgang erzielten Energiegewinns, was – bei gegebenem Hauptlinearbeschleunigerleistungsvermögen pro Durchgang – im Vergleich zu einem Betrieb mit einem einzigen Durchgang höhere Elektronenenergien ermöglicht. Während dieser Beschleunigung wird den elektrischen Wechselfeldern, die sich in den Kavitäten des Hauptlinearbeschleunigers befinden, Energie entzogen und den Elektronen zugeführt. Nach dieser mehrfachen Beschleunigung passieren die Elektronen den Hauptlinearbeschleuniger für eine mehrfache Abbremsung, wobei die Anzahl der Durchgänge für die Beschleunigung und die Anzahl der Durchgänge für die Abbremsung gleich sind. Abbremsung ist durch das Passieren der elektrischen Wechselfelder mit einem entsprechenden Phasenversatz möglich. Während der Abbremsung ist der Vorgang umgekehrt, das heißt, Energie wird den Elektronen entzogen und an die elektrischen Wechselfelder zurückgegeben und somit im Hauptlinearbeschleuniger zurückgewonnen. Durch die Verwendung von supraleitenden Kavitäten wird die zurückgewonnene Energie nahezu verlustfrei zwischengespeichert und kann daher bei der Beschleunigung nachfolgender Elektronen fast vollständig wiederverwendet werden. Somit benötigt der Betrieb des Hauptlinearbeschleunigers als Energierückgewinnungslinearbeschleuniger (deutsch für energy-recovery linear accelerator, ERL) im Vergleich zum entsprechenden konventionellen Betrieb weniger extern bereitgestellte Hochfrequenzleistung, um eine bestimmte Anzahl an Elektronen pro Zeit, das heißt einen bestimmten Strahlstrom, zu beschleunigen. Infolgedessen ermöglicht der Betrieb des Hauptlinearbeschleunigers als ERL bei gegebener extern bereitgestellter Hochfrequenzleistung im Vergleich zum entsprechenden konventionellen Betrieb die Beschleunigung höherer Strahlströme. Zusammenfassend ermöglicht eine mehrfache Beschleunigung mit einem ERL sowohl hohe Elektronenenergien als auch hohe Strahlströme und somit hohe Strahlleistungen.

Mehrfaches Passieren des Hauptlinearbeschleunigers ist möglich, da sein Ausgang über Rezirkulationsstrahlführungen mit seinem Eingang verbunden ist. In einem Energierückgewinnungsmodus mit mehreren Rezirkulationssollbahnen am S-DALINAC überlagern sich Strahlen in mindestens einer Rezirkulationsstrahlführung. Solch ein gemeinsamer Rezirkulationstransport bietet weniger Freiheitsgrade als ein getrennter Rezirkulationstransport; allerdings ist das erstgenannte Transportschema kosteneffizienter. Darüber hinaus kann eine hohe Maschineneffizienz erreicht werden, wenn die Elektronenenergie beim Verlassen des Injektorlinearbeschleunigers (Injektorenergie) möglichst gering ist, da die den Elektronen in flussaufwärts gelegenen Sektionen zugeführte Energie am S-DALINAC nicht zurückgewonnen und folglich nicht wiederverwendet werden kann. Eine geringe Injektorenergie bringt jedoch eine sich deutlich von der Lichtgeschwindigkeit unterscheidende Elektronengeschwindigkeit mit sich, was zu signifikantem Phasenschlupf während eines Hauptlinearbeschleunigerdurchgangs führt, was sich wiederum auf die Beschleunigung beziehungsweise die Abbremsung auswirkt. Der auftretende Phasenschlupf in Kombination mit dem gemeinsamen Rezirkulationstransport macht Strahldynamiksimulationen notwendig, um einen geeigneten Arbeitspunkt ermitteln zu können.

Diese Arbeit umfasst die notwendigen Vorbereitungen zur Realisierung eines Energierückgewinnungsmodus mit zwei Rezirkulationssollbahnen am S-DALINAC, insbesondere Strahldynamiksimulationen und Strahlführungsmodifikationen, sowie die erfolgreiche Realisierung des Betriebsmodus selbst. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Drahtscanner konstruiert, installiert und zur quasizerstörungsfreien Strahldiagnose während des Betriebs im Energierückgewinnungsmodus mit zwei Rezirkulationssollbahnen genutzt. Darüber hinaus wurden Strahldynamiksimulationen durchgeführt, um einen möglichen Energierückgewinnungsmodus mit drei Rezirkulationssollbahnen am S-DALINAC zu untersuchen.