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Following the recommendations of the European Strategy Group for High Energy Physics, CERN launched the Future Circular Collider Study (FCC) to investigate the feasibility of large-scale circular colliders for future high energy physics research. In the electron-positron collider of the study, FCC-ee, large synchrotron radiation losses cause the beam to have large local deviations from the design energy. These energy deviations cause orbit o���sets and create the so-called sawtooth e���ect, which causes particles to pass the magnets of the accelerator o���-centre. This in turn causes perturbing magnetic ���elds via the feed-down e���ect. In order to correct the sawtooth e���ect and therefore the feed-down e���ect, the dipole magnets in the machine can be adjusted to the local beam energy in a process called dipole tapering. In the course of this thesis, di���erent dipole magnet tapering scenarios are compared in terms of their e���ectiveness, feasibility and cost. Furthermore, this thesis focuses on tuning the horizontal beam emittance using wigglers. A small value of the beam emittance corresponds to a small beam cross-section, resulting in an increased likelihood of particle collisions and thus a higher luminosity. However, a number of perturbations can cause the beam emittance to deviate from its design value. In order to restore the design emittance, wigglers are implemented in the accelerator lattice. Di���erent wiggler designs will be presented for both decreasing and increasing the value of the horizontal beam emittance. It will be shown, that an emittance decrease and increase by a factor of 10 % with an acceptable increase in synchrotron radiation is possible. The last section of this thesis focuses on chromaticity correction in FCC- ee and its in���uence on the beam emittance. Chromaticity correction schemes with varying numbers of sextupole families are implemented into the FCC-ee lattice. Sextupole strengths are optimized using a downhill simplex algorithm in order to reduce chromaticities up to the fourthorder. Finally, emittance calculations after the application of each correction scheme show, that chromaticity correction schemes can have a signi���cant in���uence on the beam emittance, which should be considered in the design of these correction schemes.

Im Jahre 1958, schlug Kenneth W. Robinson die Nutzung eines Korrektormagneten vor um den entdämpften radialen Betatronoszillationen im Cambridge electron accelerator entgegen zu wirken. Dieser Korrektormagnet sollte aus kurzen, alternierenden Dipolen mit einem starken Gradienten bestehen, sodass die Verluste durch Synchrotronstrahlung mit zunehmendem Trajektorienradius abnehmen. Diese Transversal-Gradienten-Wiggler werden auch "Robinson Wiggler" (RW) genannt. Die Metrology Light Source (MLS), welche Eigentum der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ist und vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) entworfen und betrieben wird, ist ein Elektronen-Synchrotron, optimiert für die Produktion von Synchrotronstrahlung im Spektralbereich zwischen THz und EUV. Da die MLS eine gerampte Maschine ist, nimmt der gespeicherte Elektronenstrom mit der Zeit ab und die Strahllebensdauer ist von Bedeutung für die Nutzer der Synchrotronstrahlung. Es wird vorgeschlagen einen RW bei der MLS zu installieren um die Strahllebensdauer zu erhöhen. Mit RW wäre es möglich, Dämpfung aus der longitudinalen in die horizontale Ebene zu verschieben sodass sich die Energiebreite um einen Faktor 3 erhöht und die Emittanz sich um ungefähr einen Faktor 2 reduziert. Die Länge der Elektronenpakete wird dadurch stärker verlängert als die mittlere horizontale Paketbreite reduziert wird. So nimmt die Elektronendichte im Paket ab und die Verlustrate sinkt. Dies hat zu Folge dass sich die Lebensdauer verbessert und die Aktivierung von Komponenten reduziert wird. Mit erhöhter Energiebreite und verringerter Emittanz, wird der Beitrag der Dispersion zur horizontalen Quellgröße stärker. Durch geeignete Wahl der Magnetoptik kann die Brillianz am Quellpunkt erhöht werden bei gleichzeitiger Verbesserung der Lebensdauer. Simulationen zeigen dass die Lebensdauer an der MLS durch die Installation eines solchen RW um einen Faktor 2.3 ansteigt, was einem Zugewinn an integriertem Photonenfluss von 30 % entspricht. In 1958, Kenneth W. Robinson proposed the usage of a magnetic correction device to reduce the antidamping of radial betatron oscillations in the Cambridge electron accelerator. The essence of this correction device are short, alternating dipoles with a strong gradient, such that the radiation loss decreases with increasing radius of trajectory. These transverse gradient wigglers are also called "Robinson Wigglers" (RW). The Metrology Light Source (MLS), owned by the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) and designed and operated by Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), is an electron synchrotron, optimized for the production of synchrotron radiation in the THz to the EUV spectral region. Being a ramped machine, Top-Up operation is not possible. With a decaying beam current, the lifetime of the stored beam is of importance for the user community, for reasons of temporal stability and integrated photon flux. It is proposed to install a RW at the MLS in order to improve the beam lifetime. With a RW, it is possible to transfer damping from the longitundinal to the horizontal plane in a way, that the energy spread increases by a factor of 3 and the emittance reduces by a factor of 2. Doing so, the bunch length is increased by a larger fraction than the average bunch width is decreased. Thereby the electron density is reduced which results in a lower loss rate of electrons. This improves the beam lifetime and reduces induced radioactivity of accelerator components and shielding. With an increased energy spread and a reduced emittance, the contribution of the dispersion to source size becomes more important. By carefully choosing the magnet optics, the brilliance at the source point can be improved simultaneously to increasing the lifetime. Simulations indicate that a RW is able to increase the lifetime in the standard user operation mode at the MLS by a factor of 2.3, corresponding to an increase in photon flux for one standard user run of approximately 30 %.

Im Rahmen eines grossangelegten Modernisierungsprogramms des CERN Beschleunigerkomplexes zur Steigerung der Intensität der Protonenstrahlen wird in einer ersten Phase der Protonenbeschleuniger Linac2 durch einen H− Ionen Beschleuniger Linac4 ersetzt. Um den Ionenstrahl an die einzelnen Beschleunigerelemente des Linac4 anzupassen sind drei Strahltransportsektionen notwendig. Diese sind aufgrund ihrer strahldynamischen Eigenschaften sensitive Stellen für ungewolltes Emittanzwachstum und Teilchenverluste und sind im Schwerpunkt dieser Thesis. Die erste Strahltransportsektion, „Low Energy Beam Transport”(LEBT), befindet sich zwischen der Teilchenquelle und dem ersten Beschleunigerelement, den Radiofrequency Quadrupole (RFQ). Im Rahmen dieser Thesis wurde das LEBT in Betrieb genommen, dessen Strahldynamik rekonstruiert und die Leistungslimitierungen experimentell bestimmt. Der zweite Teil der Thesis ist auf die Auslegung und Strahldynamik der Transfer Linie zwischen Linac4 und dem Proton Synchrotron Booster(PS-Booster) konzentriert. Die Strahldynamik der Transferlinie wurde optimiert und teilweise komplett überarbeitet. Die neue Transferlinie zeichnet sich durch eine verbesserte Emittanzerhaltung, höhere Stabilität der Strahldynamik gegenüber Aufstellungsfehlern und Feldjittern der Magnete und durch eine optimale Anpassung der Strahlparameter an die verschiedenen Injektionsschemata des PS-Boosters aus. Für eine abschließenden „Start-To-End” Simulationen wurden die Strahlcharakteristiken, die bei der Inbetriebnahme des LEBTs bestimmt worden sind, als Anfangsbedingungen für die strahldynamische Simulation von Linac4 einschließlich Transferlinie genutzt. Mit Hilfe dieser „Start-To-End” Simulationen werden kritische Positionen der Strahldynamik identifiziert, die durch Teilchenverluste oder Emittanzwachstum gekennzeichnet sind. Eine besonders kritische Sektion stellt das „Medium Energy Beam Transport” da, dessen Optik auf die neuen Strahlparameter angepasst werden musste., In the first phase of the upgrade program of the CERN accelerator complex the proton injector Linac2 will be replaced by a new, normal-conducting H− ion Linac, Linac4, allowing a significant increase of the proton flux intensity along the downstream accelerator complex. In the design of Linac4 three beam transport sections are implemented to match the beam between the different accelerator elements and to model the longitudinal pulse structure. These three beam transport sections, which are the most critical locations in terms of beam quality preservation, are in the focus of this thesis. During the work of this thesis the Low Energy Beam Transport (LEBT), which is required to match the source beam to the radiofrequency quadrupole (RFQ), has been commissioned and its beam dynamics re-constructed. The measurement campaign used to reconstruct the LEBT beam dynamics was performed with the aim to prepare the RFQ commissioning and to maximise the LEBT performance. Downstream of the Linac4 accelerator the beam is transported along a 180m long transfer line to the Proton Synchrotron Booster (PS-Booster). The transfer line optics was studied, optimised and sections were completely re-designed. The new transfer line optics is characterised by an improved preservation of the beam emittance, higher stability of the optical solution with respect to alignment errors and field jitters of the transfer line magnets and it is matched to each of the PS-Booster injection schemes. In a concluding ”Start-To-End” simulation based on the measured beam characteristics at the LEBT exit the beam dynamics of the downstream Linac, including the transfer line, was calculated. To minimise particle losses within acceptable emittance preservation the beam optics of the Medium Energy Beam Transport (MEBT) was adapted to the measured beam parameters. This ”Start-To-End” simulation was performed to identify critical sections of the Linac4 beam dynamics and to adjust the commissioning strategies.

Entladungsbasierte Elektronenquellen mit Kaltkathode waren gegen Ende des 19. Jahr hunderts weithin genutzte Forschungswerkzeuge und ermöglichten die Entdeckung des Elektrons und der Röntgenstrahlung. In jüngster Zeit erfahren sie erneutes Interesse in Wissenschaft und Industrie, motiviert durch ihre Fähigkeit, Elektronenstrahlen hoher Leistung für Produktionsprozesse (wie das Schweißen, die Materialverdampfung in der Vakuum beschichtung oder die Vakuum-Schmelzveredlung in der Metallurgie) basierend auf einem robusten Design sowie einfachen Versorgungs- und Steuerungssystemen zu erzeugen. Entladungsbasierte Elektronenquellen könnten also eine wirtschaftlich attraktive Alternative zu den gegenwärtig noch etablierten Elektronenstrahlkanonen mit Glühkathoden bieten. Trotz der langen Geschichte und vieler empirischer Ansätze, Gasentladungen zur Elektronenstrahlerzeugung für diverse Anwendungen zu nutzen, sind die bestimmenden Mechanismen bei dieser Art von Elektronenquellen immer noch unzulänglich verstanden. Es war deshalb das Ziel der für die vorliegende Dissertation durchgeführten experimentellen und theoretischen Arbeiten, nicht nur die technologischen Potentiale und Limitierungen entladungsbasierter Elektronenstrahlquellen zu untersuchen, sondern auch die Kenntnis grundlegender physikalischer Effekte zu verbessern. Analysiert wurden zunächst verschiedene, im Fraunhofer FEP vorhandene Kaltkathoden-Strahlquellen, die - ungeachtet der Tatsache, dass sie für unterschiedliche Anwendungen konstruiert wurden - sämtlich auf demselben Funktionsprinzip beruhen: Innerhalb des Gerätes wird eine Hochspannungs-Glimmentladung (HSGE) unterhalten. Ionen erfahren im Kathodenfall einen Energiezuwachs, treffen auf die Kathode und setzen dort Sekundärelektronen frei. Diese Elektronen werden in Richtung des Plasmas be schleu nigt und verlassen schließlich die Strahlquelle, um am Prozessort die beabsichtigte Wirkung zu erzielen. Zur Optimierung der Stabilität der die Ionen produzierenden Entladung, der Effizienz der Strahlerzeugung sowie der Strahlleistungsdichte und Kathodenlebensdauer wurden verschiedene Kombinationen von Kathodenmaterialien und Plasma-Arbeitsgasen experimentell untersucht. Die Abhängigkeit der Ausdehnung des Kathodenfalls von Strom und Spannung der Entladung wurde gemessen und konnte durch ein analytisches Modell erklärt werden. Emittanz und Richtstrahlwert sind wichtige Kenngrößen zur Charakterisierung der Qualität von Elektronenstrahlen. Beide wurden in dieser Arbeit für den Elektronenstrahl einer HSGE-basierten Kaltkathoden-Schweißstrahlquelle bestimmt, wobei zwei Ansätze verfolgt wurden: Zum einen konnte die Emittanz aus der Randstrahlgleichung gewonnen werden, die den experimentell beobachteten Verlauf des Strahldurchmessers entlang der Ausbreitungsachse analytisch beschreibt. Zum anderen wurde die Emittanz anhand des aus der numerischen Simulation berechneten Phasenraumprofils ermittelt. Eine Kernaufgabe dieser Arbeit war es, Software-Werkzeuge zur Simulation der Strahl erzeugung in verschiedenen geometrischen Konfigurationen zu entwickeln und zu validieren, mit denen künftig die Konstruktion und Optimierung neuer entladungsbasierter Strahlerzeuger unterstützt werden sollte. Da kommerziell verfügbare Programme zur Simulation der Erzeugung und Führung von Elektronenstrahlen grundlegende Effekte plasma basierter Quellen, wie z. B. die Raumladung der Ionen oder die ioneninduzierte Sekundär elektronen-Freisetzung, nicht berücksichtigen, wurde für diese Arbeit eine neue Herangehensweise favorisiert: „Particle-in-Cell“ (PIC)-Algorithmen werden in der Plasma forschung üblicherweise zur Modellierung von Entladungen sowie zum Studium nichtlinearer Probleme, wie z. B. Instabilitäten, verwendet. Deshalb wurde nun eine PIC-Simulations umgebung zur Modellierung der HSGE und der damit verbundenen Strahlerzeugung entwickelt. Die Simulation reproduziert experimentelle Ergebnisse, wie etwa die Charakteristik der Entladung, die Emittanz des Strahls oder die Ausdehnung des Kathodendunkelraums, in befriedigender Weise. Schließlich wurde im Rahmen dieser Arbeit eine entladungsbasierte Elektronenstrahlquelle neuen Typs entwickelt und charakterisiert, die die Einfachheit der bekannten Kaltkathoden-Strahler und vorteilhafte Leistungsparameter, z. B. eine hohe Strahlleistungsdichte und niedrige Arc-Rate, wie sie bisher nur mit traditionellen Glühkathodenstrahlern erreichbar waren, in sich vereinigt. Die Kathode bestand aus LaB6 - einem Material, das sowohl eine hohe Sekundärelektronen-Ausbeute als auch eine niedrige Austrittsarbeit aufweist - und wurde gegen die Halterung thermisch isolierend montiert. Dadurch kann sie von Ionen aus einer HSGE auf hohe Betriebstemperaturen geheizt werden und in erheblichem Maße thermisch freigesetzte Elektronen emittieren. Neben technisch nützlichen Gebrauchs eigenschaften weist diese so genannte „Hybrid-Kathode“ auch ein physikalisch interessantes Verhalten auf. Einige neuartige Effekte, die von Entladungen mit kalten Kathoden nicht bekannt waren, konnten beobachtet und erklärt werden, wie z.B. die auffällige „N-förmige“ Druck-Strom-Charakteristik, die bei plötzlicher Abschaltung der Entladung nur langsam und ungleichmäßig abklingende Elektronenemission, die Limitierung des erreichbaren Strahl stromes und eine Fülle von Kathodenverschleiß-Mechanismen. Physikalische Modelle zur Beschreibung verschiedener Aspekte der Hybridkathoden-Entladung wurden erarbeitet und mit den experimentellen Befunden verglichen.:1 Einleitung 1.1 Hintergrund und Motivation 1.2 Aufgabenstellung und Gliederung 2 Grundlagen 2.1 Erzeugung freier Elektronen 2.1.1 Elektronenfreisetzung durch Glüheffekt und Feldemission 2.1.2 Elektronenfreisetzung durch Teilchenbeschuss 2.2 Hochspannungsglimmentladungen 2.3 Kathodenverschleiß 2.4 Hochspannungsüberschläge 2.5 Aspekte der Strahlphysik 2.5.1 Strahlgüte 2.5.2 Strahlinstabilitäten 3 Experimentelle Basis 3.1 Elektronenstrahlquellen 3.1.1 CCGD-5/30 3.1.2 CCDG-EXP 3.1.3 CCGD-60/30 3.1.4 CCGD-400/40 3.1.5 EasyBeam-60/40 3.2 Messmethoden 3.2.1 Messung von Strom und Spannung 3.2.2 Druck- und Gasflussmessung 3.2.3 Messung des Kathodendunkelraums 3.3 Strahlstromregelung 4 Experimente mit Kaltkathoden-Elektronenstrahlquellen 4.1 Vermessung und Modellierung der Ausdehnung des Kathodendunkelraums 4.2 Untersuchungen zur Effizienz der Strahlerzeugung 4.3 Untersuchungen zum Kathodenverschleiß 5 Untersuchung und Charakterisierung der Strahlqualität 5.1 Überblick über etablierte Messmethoden 5.2 Eigene Messmethode 5.2.1 Aufbau und Messprinzip 5.2.2 Datenauswertung 5.2.3 Bestimmung der Emittanz 5.2.4 Diskussion 6 Numerische Simulation von Kaltkathoden-Elektronenstrahlquellen 6.1 Grundlagen zur Simulation von Plasmen und Elektronenstrahlen 6.2 Literaturübersicht zur Simulation von Hochspannungsglimmentladungen 6.3 Plasmasimulation mit Particle-in-Cell-Programmen 6.3.1 Skalierungsregeln und Stabilitätskriterien 6.3.2 Eingesetztes Simulationsprogramm und implementierte Modelle 6.4 Vergleich von Simluationsergebnissen und Experimenten 6.5 Fazit 7 Strahlerzeugung mit einer entladungsgeheizten thermionischen Kathode 7.1 Motivation 7.2 Funktionsweise und Wahl der Materialien 7.3 Experimentelle Ergebnisse 7.4 Erarbeitung und Diskussion von Modellvorstellungen 8 Zusammenfassung und Ausblick A Häufig verwendete Abkürzungen und Symbole A.1 Abkürzungen und Indizes A.2 Symbole A.3 Konstanten Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis Discharge-based, cold-cathode electron sources were routinely used as research tools at the end of the 19th century and facilitated then the discovery of the electron and of the x-rays. In recent time, they experience a renewed interest in science and industry due to their capability of generating high power electron beams for production processes (like welding, evaporation of materials for vapor deposition, and vacuum melt refining in metallurgy) relying on rugged mechanic designs as well as simple supply and control systems. Hence, discharge-based electron sources could provide an economically attractive alternative to the currently established electron beam guns with thermionic cathodes. Despite the long history and many empirical trials to utilize electron beam generation by gas discharges in several applications, the mechanisms governing this kind of electron sources are far from being well understood. Therefore, it was the purpose of the theoretical and experimental work performed for this thesis not only to investigate in the technological potentials and limitations of discharge-based electron beam guns but also to improve the knowledge of physical basic effects. At first, several cold-cathode beam sources existing at Fraunhofer FEP were analyzed. Regardless that they were designed for different applications, all were based on the same function principle: A high-voltage glow-discharge (HVGD) is sustained inside the device. Ions gain energy in the cathode fall, hit the cathode and release secondary electrons. These electrons will be accelerated towards the plasma then and can finally leave the beam source to perform the desired action at the process site. In order to optimize stability of the ions generating discharge, efficiency of the beam generation, beam power density and longevity of the cathode, different combinations of cathode materials and plasma forming gases have been investigated experimentally. The dependence of the cathode dark space width on current and discharge voltage was measured and could be explained by an analytic model. Emittance and brightness are important measures which quantify the quality of electron beams. In this work, both were determined for the beam originating from a HVGD based cold-cathode electron gun designed for welding following two approaches: First the emittance could be extracted from the envelope equation which analytically describes the evolution of the experimentally observed beam diameter along the propagation axis. Second the emittance was calculated from numerically simulated traces in the phase space. It was a core purpose of this work to develop and validate software tools capable of simulating the beam formation in various geometric configurations. This task was aimed at supporting the design and optimization of new discharge-based beam sources. Since commercially available software for modeling electron beam generation and transport do not consider the key mechanisms of plasma-based sources like the ion space charge or the ion-dependent production of free electrons, a new attempt was favored for this work: Particle-in-Cell (PIC) are being used in plasma research for studying nonlinear problems like instabilities. Therefore, a PIC simulation environment was utilized to numerically model the HVGD and the related beam generation. The simulation satisfactorily reproduces experimental findings, like the characteristics of the discharge, the emittance of the beam or the cathode dark space dimension. Finally, a discharge-based electron-beam sources of a new type was developed and characterized in the frame of this work. It merges the simplicity of known cold cathode devices with beneficial performance parameters, like high beam power density and low arcing rate, which have been reached so far with traditional thermionic electron sources only. The cathode of the new beam source consists of LaB6 - a material with a high secondary electron yield and a low thermionic work function - and was mounted thermally insulated against the holder. Then, an elevated operation temperature resulting in considerable thermionic emission was maintained by ions extracted from a HVGD. Besides to technically advantageous features, this so called “hybrid“ cathode mode of beam generation shows a physically interesting behaviour. Several new effects - not known from traditional cold-cathode discharges - could be observed, like a peculiar “N-shaped“ appearance of the pressure-current characteristic, the slowly and irregularly decreasing electron emission after a sudden discharge cutoff, a limitation of achievable beam current, and a multitude of possible cathode wear mechanisms. Physical models describing various features of the hybrid cathode discharge were elaborated and compared with the experimental findings.:1 Einleitung 1.1 Hintergrund und Motivation 1.2 Aufgabenstellung und Gliederung 2 Grundlagen 2.1 Erzeugung freier Elektronen 2.1.1 Elektronenfreisetzung durch Glüheffekt und Feldemission 2.1.2 Elektronenfreisetzung durch Teilchenbeschuss 2.2 Hochspannungsglimmentladungen 2.3 Kathodenverschleiß 2.4 Hochspannungsüberschläge 2.5 Aspekte der Strahlphysik 2.5.1 Strahlgüte 2.5.2 Strahlinstabilitäten 3 Experimentelle Basis 3.1 Elektronenstrahlquellen 3.1.1 CCGD-5/30 3.1.2 CCDG-EXP 3.1.3 CCGD-60/30 3.1.4 CCGD-400/40 3.1.5 EasyBeam-60/40 3.2 Messmethoden 3.2.1 Messung von Strom und Spannung 3.2.2 Druck- und Gasflussmessung 3.2.3 Messung des Kathodendunkelraums 3.3 Strahlstromregelung 4 Experimente mit Kaltkathoden-Elektronenstrahlquellen 4.1 Vermessung und Modellierung der Ausdehnung des Kathodendunkelraums 4.2 Untersuchungen zur Effizienz der Strahlerzeugung 4.3 Untersuchungen zum Kathodenverschleiß 5 Untersuchung und Charakterisierung der Strahlqualität 5.1 Überblick über etablierte Messmethoden 5.2 Eigene Messmethode 5.2.1 Aufbau und Messprinzip 5.2.2 Datenauswertung 5.2.3 Bestimmung der Emittanz 5.2.4 Diskussion 6 Numerische Simulation von Kaltkathoden-Elektronenstrahlquellen 6.1 Grundlagen zur Simulation von Plasmen und Elektronenstrahlen 6.2 Literaturübersicht zur Simulation von Hochspannungsglimmentladungen 6.3 Plasmasimulation mit Particle-in-Cell-Programmen 6.3.1 Skalierungsregeln und Stabilitätskriterien 6.3.2 Eingesetztes Simulationsprogramm und implementierte Modelle 6.4 Vergleich von Simluationsergebnissen und Experimenten 6.5 Fazit 7 Strahlerzeugung mit einer entladungsgeheizten thermionischen Kathode 7.1 Motivation 7.2 Funktionsweise und Wahl der Materialien 7.3 Experimentelle Ergebnisse 7.4 Erarbeitung und Diskussion von Modellvorstellungen 8 Zusammenfassung und Ausblick A Häufig verwendete Abkürzungen und Symbole A.1 Abkürzungen und Indizes A.2 Symbole A.3 Konstanten Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis

Bei der GSI – Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt wird im Rahmen des HITRAP-Projekts ein linearer Abbremser für schwere, hochgeladene Ionen für atomphysikalische Präzisionsexperimente in Betrieb genommen. Während der Inbetriebnahme wurden transversale Emittanzmessungen mit der Pepperpot- und der Multi-Gradienten-Methode durchgeführt, um die Emittanz des aus dem Experimentierspeicherring (ESR) extrahierten Strahls zu messen. Weiterhin wurde auch die Phasenraumverteilung des auf eine Zwischenenergie von 500keV/u abgebremsten Strahls hinter der IH-Struktur gemessen. Dazu wurden neue Auswertealgorithmen in die Analyse der digitalen Bilder integriert. Die longitudinalen Bunchstrukturmessungen des Strahls am Eintrittspunkt in den Abbremser und die Funktionsweise des Doppel-Drift Bunchers wird gezeigt. Die Konzeption und der Aufbau sowie die erste Inbetriebnahme einer neuartigen Einzelschuss-Pepperpot-Emittanzmessanlage für kleinste Strahlströme und -energien wird beschrieben, die es ermöglichen, den Strahl hinter den Abbremskavitäten zu vermessen. Zusätzlich wurden transversale Strahldynamikrechnungen durchgeführt, welche theoretische Grundlagen zur Inbetriebnahme von HITRAP lieferten. Es wird beschrieben, wie die gesamte Strahllinie vom ESR bis zum Radio-Frequenz Quadrupol nach der erfolgreichen Integration einer Abbremsroutine innerhalb des Softwarepakets COSY Infinity optimiert werden kann. At GSI - Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt/Germany the HITRAP project is in the commissioning phase. This world-wide unique facility consists of a linear decelerator for heavy, highly charged ions including atomic physics precision experiments. During commissioning of the cavities, transverse emittances were measured using the single-shot pepperpot method as well as the multi-gradient method. The extraction emittance of the experimental storage ring (ESR) was determined. Furthermore, the phase space distribution of an decelerated beam at an intermediate energy of 500keV/u was measured behind the IH-structure. New algorithms have been integrated into the analysis of digital images. The longitudinal bunch structure measurements of the ion beam at the entry point into the decelerator and the operation of the Double-drift Buncher is shown. The design, development and the first commissioning of a new single-shot pepperpot emittance meter for very low beam currents and beam energies in the order of some hundred nA is described, making it possible to measure the beam behind the deceleration cavities. In addition, transverse beam dynamics calculations were performed, which supported the hands-on commissioning of the accelerator. It is described how the entire beam line from the ESR to the radio-frequency quadrupole can be optimized using the new routine for transverse effects of the bunching and deceleration, which was successfully integrated into the software COSY Infinity.

In einer Gabor-Linse wird durch ein axiales magnetisches Feld und ein longitudinales Potential ein so genanntes nichtneutrales Plasma (NNP) stabil eingeschlossen. Das elektrische Feld der Ladungsträgerwolke wirkt fokussierend auf Ionenstrahlen, die das Linsenvolumen passieren. Dieses Konzept, das D. Gabor 1946 vorstellte, wurde hinsichtlich seiner Eignung zur Ionenstrahlfokussierung seit den 1970-er Jahren untersucht, denn Gabor-Linsen ermöglichen eine elektrostatische Fokussierung erster Ordnung bei gleichzeitiger Raumladungskompensation im gesamten Transportkanal und haben damit einen großen Vorteil gegenüber den konventionellen Linsensystemen. Hauptsächlich zwei Gründe sprachen jedoch nach den meisten Experimenten gegen einen Einsatz dieses Linsentyps in Beschleunigern: Die erreichte Einschlusseffizienz und die Abbildungseigenschaften der eingeschlossenen Raumladungswolke blieben weit hinter den Erwartungen zurück. Erst ein geändertes Konzept zur Befüllung der Linse mit Elektronen und ein parallel zu den Experimenten entwickeltes numerisches Verfahren zur Bestimmung der Plasmaparameter ermöglichte die Entwicklung eines Linsensystems, das die Vorteile gegenüber konventionellen Ionenoptiken sichtbar werden ließ In der vorliegenden Arbeit wird neben der theoretischen Beschreibung des Plasmaeinschlusses der Aufbau und die Funktionsweise einer Gabor-Linse dargestellt. Experimentelle Befunde zur Strahlinjektion in einen RFQ unter Verwendung einer LEBT-Sektion, bestehend aus zwei Gabor-Linsen werden präsentiert. Nach der Beschleunigung des Ionenstrahles durch einen RFQ auf eine Energie von etwa 440 keV sollten Transportexperimente zeigen, ob eine neu entwickelte Hochfeld Gabor-Linse (HGL) zur Fokussierung dieses Strahles eingesetzt werden kann. Die Strahlenergie ist dabei mit der vergleichbar, die im HIF-Projekt (Heavy Ion Fusion) für die Injektion des Bi1+-Strahles in die erste Beschleunigerstruktur geplant ist. Insbesondere war bei den Experimenten mit dem durch den RFQ beschleunigten Strahl die Einschlusseffizienz bezüglich der Elektronendichte in der HGL von Interesse und auch das Verhalten des NNP bei der Fokussierung eines gepulsten Ionenstrahles. Gabor lenses provide strong cylinder symmetric focusing for low energy ion beams using a confined nonneutral plasma. They need drastically reduced magnetic and electrostatic field strength or a reduced installation length to provide a given focal length compared with conventional LEBT – systems like quadrupoles and magnetic solenoids. The density distribution of the enclosed space charge is given by the enclosure conditions in transverse and longitudinal direction. For homogeneous charge density distribution the resulting electrostatic field and therefrom the focusing forces inside the space charge cloud are linear. Additionally in case of a positive ion beam the space charge of the confined electrons causes compensation of the ion beam space charge forces. Hence all resolving forces on the beam ions are linear and thus the transformation is linear as well and the aberrations are minimal. Therefore space charge lenses are a serious alternative to inject space charge dominated low energy heavy ion beams into an RFQ. To study the capabilities of a Gabor double lens system to match an ion beam into an RFQ a testinjector was installed at IAP and put into operation successfully. Furthermore to verify the beam focusing of bunched beams using this lens type at beam energies up to 500 keV a new high field Gabor lens was built and installed downstream of the RFQ. The experimental results will be presented together with numerical simulations.

In dieser Arbeit wird die Auflösungsgrenze der optischen Synchrotronstrahlungsmonitore am Beispiel der 3. Generation Synchrotronstrahlungsquelle DELTA untersucht. Im Rahmen der Dissertation wird der klassische Synchrotronlichtmonitor mit seiner minimal auflösbaren Elektronenstrahlgröße von ca. 80 µm betrachtet. Insbesondere wird ein für DELTA entwickeltes Synchrotronlichtinterferometer behandelt, das aufgebaut und getestet wurde. Dieses erlaubt an der gleichen Beamline die Messung von Elektronenstrahlgrößen bereits oberhalb ca. 8 µm, bietet also eine um eine Größenordnung bessere Auflösung. Es erfolgen Messungen der Elektronenstrahlgröße und die Bestimmung der Emittanz mittels beider Monitortypen. Hieran schließt sich eine Betrachtung der möglichen Ursachen von Strahlschwankungen an., Scope of this thesis is the investigation of the resolution limit of the optical synchrotron light monitors at DELTA, a third generation synchrotron radiation source. At first the normal synchrotron light monitor is analysed. The minimum measurable beam size is about 80 microns. Emphasis is put on a special synchrotron light interferometer, developed for DELTA, which has been built up and tested. This interferometer uses the same beamline and can measure beamsizes down to about 8 microns. So its resolution is about ten times better. Measurements of the electron beam size and emittance are done with both synchrotron light monitors. An investigation of possible reasons of beam movements is appended.

Scope of this thesis is the evaluation of the influence of the relative and absolute accuracy of the beam position measuring system on the performance of DELTA, a third generation synchrotron radiation source. Emphasis is put on the beam based calibration system, developed for DELTA, which gives an absolute accuracy of the beam position measurement with respect to the magnetic axis of the quadrupole magnets of 20um. Furthermore for beam position monitors with capacitive pick-up electrodes an analytical solution for the determination of the signal function of a beam with gaussian charge distribution in relation to the signal function of a pencil beam is given. The influence on the determination of the beam position is evaluated and the possibility to develop an emittance measuring system, based on these effects, is discussed.