Die Dekohärenz eines transversal versetzten Ionenpakets ist ein wichtiger strahldynamischer Vorgang in Synchrotronen und Speicherringen. Ein Versatz kann durch einen Injektionsfehler nach der Paket-zu-Paket Übergabe zwischen Synchrotronen oder durch einen extern erzeugten Kraftstoß entstehen. Dekohärenz führt zur transversalen Emittanzvergrößerung, die Strahlverluste und eine Verminderung der Strahlqualität verursachen kann. Um die Aufweitung des Strahls zu verhindern, kann ein transversales Rückwirkungssystem oder ”Transverse Feedback System” (TFS) verwendet werden. Die TFS-Dämpfungszeit sollte kürzer sein als die charakteristische Dekohärenzzeit, die stark durch das Zusammenspiel unterschiedlicher Intensitätseffekte (z. B. Raumladung und Impedanzen) beeinflusst wird.

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung analytischer Modelle, welche Dekohärenz und Emittanzvergrößerung unter Berücksichtigung von Chromatizität, Raumladung und Spiegelladungen innerhalb der ersten Synchrotronschwingungsperiode wiedergeben. Eine Pulsantwortfunktion unter Berücksichtigung von Intensitätseffekten wird aus einem Modell für die Strahlübertragungsfunktion abgleitet. Im Falle eines Gleichstromtrahls zeigt das zweidimensionale analytische Modell, dass die Raumladung die Dekohärenz verlangsamt und oberhalb einer Schwellintensität vollständig unterdrückt. Die Vorhersagen der analytischen Modelle wurden durch Simulationen der Teichlendynamik mit den selbstkonsistenten Raumladungsfeldern bestätigt. Zusätzlich wurde die Entstehung eines Halos und die Strahlverluste während der Dekohärenz in den Simulationen beobachtet. Unter Verwendung eines nicht-selbstkonsistenten Teilchen-Kern-Modells wurden diese Effekte erfolgreich interpretiert.

Das zweidimensionale analytische Modell wurde auf den Fall der Teilchenpakete erweitert. Die Simulationsergebnisse reproduzieren die analytischen Vorhersagen. Die Schwellintensitäten der Dekohärenzabschwächung sind höher im Vergleich zum Gleichstromtrahl, die Spiegelladungen können aber die Dekohärenz wiederherstellen. Im Rahmen der Arbeit wurden dedizierte Experimente am SIS18-Synchrotron an der GSI Darmstadt durchgeführt, die Ergebnisse wurden mit Simulationen und analytischen Vorhersagen verglichen. Der Beitrag von Nichtlinearitäten und Spiegelladungen ist vernachlässigbar, während die Chromatizität und die Raumladung die Dekohärenz bestimmen.

Zur Untersuchung der Dämpfungseffizienz eines Rückwirkungssystem wurde ein umfangreiches TFS-Modul für die numerischen Simulationen entwickelt. Die TFS-Bandbreite sollte das charakteristische Spektrum des Strahles umfassen, wobei die Intensitätseffekte berücksichtigt werden müssen. Schwellwerte der Verzögerungsfehler, die eine Instabilität des Strahls verursachen können, und der Rauschenpegel, der zur Emittanzvergrößerung führt, wurden bestimmt.