Urządzenie do wkładania

Ukośne urządzenie wprowadzające w Advanced Photon Source , Argonne National Laboratory .

Urządzenie wprowadzające (ID) jest elementem nowoczesnych synchrotronowych źródeł światła , tak zwanych, ponieważ są one „wsuwane” w tory akceleratora. Są to okresowe struktury magnetyczne, które stymulują wysoce jaskrawą , skierowaną do przodu emisję promieniowania synchrotronowego, zmuszając zmagazynowaną wiązkę naładowanych cząstek do wykonywania drgań lub falowania, gdy przechodzą przez urządzenie. Ten ruch jest powodowany przez siłę Lorentza i to właśnie z tego ruchu oscylacyjnego otrzymujemy nazwy dwóch klas urządzeń, które są znane jako wigglery i undulatory . Oprócz tworzenia jaśniejszego światła, niektóre urządzenia wprowadzające umożliwiają dostrojenie światła, dzięki czemu można generować różne częstotliwości dla różnych zastosowań.

Historia

Teoria undulatorów została opracowana przez Witalija Ginzburga w ZSRR . Jednak to Motz i jego zespół w 1953 roku zainstalowali pierwszy undulator w akceleratorze liniowym w Stanford, używając go do generowania promieniowania fal milimetrowych aż do światła widzialnego.

Dopiero w latach 70. w pierścieniach magazynujących elektrony zainstalowano undulatory do wytwarzania promieniowania synchrotronowego. Pierwszymi instytucjami, które przyjęły te urządzenia, były Instytut Fizyczny im. Lebiediewa w Moskwie oraz Politechnika w Tomsku . Instalacje te pozwoliły na pełniejszą charakterystykę zachowania undulatorów.

Undulatory stały się praktycznymi urządzeniami do umieszczania w synchrotronowych źródłach światła dopiero w 1981 r., Kiedy zespoły z Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), Stanford Synchrotron Radiation Laboratory (SSRL) oraz w Budker Institute of Nuclear Physics (BINP) w Rosji opracowały trwałe macierze magnetyczne , znane jako tablice Halbacha , które pozwalały na krótkie okresy powtarzania , nieosiągalne ani dla cewek elektromagnetycznych , ani dla cewek nadprzewodzących .

Pomimo podobnej funkcji, wigglery były używane w pierścieniach magazynujących przez ponad dekadę, zanim zostały użyte do generowania promieniowania synchrotronowego dla linii badawczych . Wigglery mają tłumiące na pierścienie magazynujące, co jest funkcją, którą po raz pierwszy zastosowali w Cambridge Electron Accelerator w Massachusetts w 1966 roku. Pierwszym wigglerem użytym do generowania promieniowania synchrotronowego był 7-biegunowy wiggler zainstalowany w SSRL w 1979 roku.

Od czasu tych pierwszych wprowadzeń liczba undulatorów i wigglerów w obiektach wykorzystujących promieniowanie synchrotronowe na całym świecie wzrosła i są one jedną z technologii napędzających następną generację źródeł światła, laserów na swobodnych elektronach .

Operacja

Urządzenia wprowadzające są tradycyjnie wkładane w proste odcinki pierścieni akumulacyjnych (stąd ich nazwa). Gdy zmagazynowana wiązka cząstek, zwykle elektronów , przechodzi przez ID, zmienne pole magnetyczne doświadczane przez cząstki powoduje, że ich trajektoria przechodzi poprzeczną oscylację. Przyspieszenie związane z tym ruchem stymuluje emisję promieniowania synchrotronowego.

Mechaniczna różnica między wigglerami a undulatorami jest bardzo niewielka, a kryterium zwykle używanym do ich rozróżnienia jest współczynnik K. Współczynnik K jest bezwymiarową stałą zdefiniowaną jako:

${\ Displaystyle K = {\ Frac {qB \ lambda _ {u}} {2 \ pi \ beta mc}}}$

gdzie q to ładunek cząstki przechodzącej przez ID, $\beta =v/c}$ u \ Displaystyle $}}$ $u$ odnosi się do prędkości lub energii cząstki, m to masa przyspieszonej cząstki, a c to prędkość światła .

Uważa się, że Wigglery mają K>>1, a undulatory mają K<1.

Współczynnik K określa energię wytwarzanego promieniowania, aw sytuacjach, w których wymagany jest zakres energii, liczbę K można modyfikować, zmieniając siłę pola magnetycznego urządzenia. W urządzeniach z magnesami trwałymi odbywa się to zwykle poprzez zwiększenie odstępu między układami magnesów. W urządzeniach elektromagnetycznych pole magnetyczne zmienia się poprzez zmianę prądu w cewkach magnesów.

W wigglerze okres i siła pola magnetycznego nie są dostrojone do częstotliwości promieniowania wytwarzanego przez elektrony. Zatem każdy elektron w wiązce promieniuje niezależnie, a wynikające z tego pasmo promieniowania jest szerokie. Wigglera można uznać za serię zginających się magnesów połączonych ze sobą, a jego intensywność promieniowania skaluje się jako liczba biegunów magnetycznych w wigglerze.

W undulatorowym źródle promieniowanie wytwarzane przez oscylujące elektrony konstruktywnie interferuje z ruchem innych elektronów, powodując, że widmo promieniowania ma stosunkowo wąską szerokość pasma. Intensywność promieniowania skaluje się jako , gdzie ${\$ $displaystyle N }$ liczbą biegunów w układzie magnesów.