Die jüngsten technologischen Fortschritte bei energierückgewinnenden Linearbeschleunigern (Energy Recovery Linear Accelerators, ERLs) haben es uns ermöglicht, auf hochenergetische und hochintensive Elektronenstrahlen zuzugreifen, wodurch wir enorme Einblicke in die Grundlagen der Physik gewinnen und gleichzeitig vielfältige und robuste Anwendungen für Elektronenstrahlen entwickeln können. ERLs sind rezirkulierende Linearbeschleuniger, die Elektronenstrahlen von hoher Qualität erzeugen, deren Energie bei mehreren Durchgängen durch einen supraleitenden Beschleuniger-Resonator erhöht wird. Nachdem der vollbeschleunigte Strahl seine Interaktion, z.B. mit einem internen Target, abgeschlossen hat, werden die Elektronen im Linearbeschleuniger wieder abgebremst und übertragen ihre Energie zurück auf die Hochfrequenzfelder im Hohlraumresonator. Mit zunehmender Strahlintensität beeinflussen jedoch kollektive Effekte wie die Raumladung die Strahlqualität erheblich. Die Raumladung verändert die Elektronenstrahldynamik in dispersiven Bereichen entlang der strahlführenden Elemente. Darüber hinaus kann die longitudinale Raumladung zusammen mit der Dispersion zu einer Verstärkung des anfänglichen Schrotrauschens durch Dichtemodulation entlang der Strahlführung führen. Dies wird als Microbunching-Instabilität bezeichnet.

In den letzten zwei Jahrzehnten wurde die Microbunching-Instabilität in Speicherringen und Linearbeschleunigern intensiv untersucht. Aufgrund der zunehmenden Komplexität der Maschinenkonfiguration von ERLs im Vergleich zu Linacs muss jedoch die bestehende Analyse der Microbunching Instabilität erweitert werden, um die hohe Intensität des Elektronenstrahls in einem ERL unter durch Raumladung veränderter Dispersion mit zu berücksichtigen.

Diese Dissertation konzentriert sich auf die theoretische Untersuchung der Strahlanpassung mit Raumladung und der raumladungsinduzierten Microbunching-Instabilität in den Rezirkulationsbögen eines ERL. Es wird gezeigt, dass Strahl-Enveloppen und -Dispersion entlang der Rezirkulationsbögen eines ERL, einschließlich der Raumladungskräfte, angepasst werden können, um den Strahl an die Parameter der nachfolgenden HF-Struktur anzupassen. Es wird auch gezeigt, dass die durch Raumladungs modifizierte Dispersion eine Schlüsselrolle bei der Anpassung der des Momentum Compaction Faktors, sowohl für den isochronen als auch für den nicht-isochronen Rezirkulationsmodus eines ERL, spielt.

Ein Matrix-Ansatz, jedoch unter Berücksichtigung der transversal - longitudinalen Kopplung, wird zur Anpassung mit Raumladung und zur Berechnung der Instabilitätsverstärkung durch Microbunching verwendet. Der Strahlmatrixansatz wird mit Teilchen-Tracking Simulationen verglichen. Für eine qualitative Analyse wird gezeigt, dass man die Approximation der glatten Fokussierung verwenden kann, jedoch mit Längs-Quer-Kopplung. In diesem vereinfachten Modell wird die Skalierung der durchschnittlichen Dispersion, des Momentum Compaction Faktors und der Impulsabweichung unter Berücksichtigung der Raumladung untersucht.

Als Beispiel wird das obige Modell auf die Rezirkulationsbögen des mehrfach rezirkulierenden Mainzer Energy-recovery Superconducting Accelerator (MESA) angewandt, der einen kontinuierlichen Elektronen Strahl mit einer Strahlenergie von 105MeV für physikalische Experimente mit einem pseudo internen Target bereitstellen soll. Zunächst wird ein niederenergetischer (5MeV), 180° Injektionsbogen, der auch als Bunch-Kompressor arbeitet, an die nachfolgende erste HF-Struktur des geplanten MESA angepasst. Anschließend werden Start-to-End Simulationen entlang der strahlführenden Elemente von MESA mit Raumladung durchgeführt. Schließlich werden Einschränkungen der Strahlintensität durch Raumladungseffekte analysiert und Modelle zur Umgehung dieser Limitierungen implementiert.