Undulator

Zobacz też: Wiggler (synchrotron)

Działanie undulatora. 1: magnesy, 2: wiązka elektronów wchodząca z lewego górnego rogu, 3: promieniowanie synchrotronowe wychodzące z prawego dolnego rogu

Undulator jest urządzeniem wstawianym z fizyki wysokich energii i zwykle jest częścią większej instalacji, pierścienia magazynującego synchrotron lub może być elementem lasera na swobodnych elektronach . Składa się z okresowej struktury magnesów dipolowych . Mogą to być magnesy trwałe lub magnesy nadprzewodzące . Statyczne pole magnetyczne zmienia się wzdłuż długości undulatora z długością fali ${\ displaystyle \ lambda _ {u}}$ . Elektrony przechodzące przez okresową strukturę magnesu są zmuszane do oscylacji, a tym samym do wypromieniowania energii. Promieniowanie wytwarzane w undulatorze jest bardzo intensywne i skoncentrowane w wąskich pasmach energii w widmie. Jest również skolimowany na płaszczyźnie orbity elektronów. Promieniowanie to jest kierowane przez linie badawcze do eksperymentów w różnych dziedzinach nauki.

Parametr siły undulatora wynosi:

$\ Displaystyle K = {\ Frac {eB \ lambda _ {u}} {2 \ pi m_ {e} c}}}$ ,

gdzie e to ładunek elektronu, B to pole magnetyczne, $m_ {e}}$ okres przestrzenny magnesów undulatora, to masa spoczynkowa elektronu, $m$ mi a c to prędkość światła.

Ten parametr charakteryzuje naturę ruchu elektronów. Dla $oscylacji$ ruchu jest mała, a promieniowanie wyświetla wzorce interferencji, które prowadzą do wąskich Jeśli amplituda oscylacji jest większa, a udział promieniowania z każdego okresu pola sumuje się niezależnie, co prowadzi do $szerokiego$ W tym reżimie pól urządzenie nie nazywa się już undulatorem ; nazywa się to wigglerem .

Kluczową różnicą między undulatorem a wigglerem jest spójność. W przypadku undulatora emitowane promieniowanie jest spójne z długością fali określoną długością okresu i energią wiązki, podczas gdy w wigglerze elektrony nie są spójne.

Zwykły opis undulatora jest relatywistyczny, ale klasyczny. Oznacza to, że chociaż dokładne obliczenia są żmudne, undulator można postrzegać jako czarną skrzynkę , w której tylko funkcje wewnątrz urządzenia wpływają na sposób konwersji sygnału wejściowego na wyjściowy; elektron wchodzi do pudełka, a impuls elektromagnetyczny wychodzi przez małą szczelinę wyjściową. Szczelina powinna być na tyle mała, aby przechodził tylko główny stożek, a boczne płaty widma długości fali można zignorować.

Undulatory mogą zapewnić o kilka rzędów wielkości większy strumień niż zwykły magnes zginający i jako takie są bardzo poszukiwane w obiektach wykorzystujących promieniowanie synchrotronowe. W przypadku undulatora z N okresami jasność może wynosić do ${\ Displaystyle N ^ {2}}$ więcej niż magnes zginający. Pierwszy współczynnik N występuje, ponieważ intensywność jest zwiększona do współczynnika N przy długościach fal harmonicznych z powodu konstruktywnej interferencji pól emitowanych podczas okresów promieniowania N. Zwykły puls to sinus z pewną obwiednią. Drugi współczynnik N pochodzi z redukcji kąta emisji związanej z tymi harmonicznymi, który jest redukowany jako 1/N. Kiedy elektrony nadchodzą z połową okresu, interferują destrukcyjnie, undulator pozostaje ciemny. To samo dotyczy sytuacji, gdy mają postać łańcuszka.

Polaryzację emitowanego promieniowania można kontrolować za pomocą magnesów trwałych do indukowania różnych okresowych trajektorii elektronów przez undulator. Jeśli oscylacje są ograniczone do płaszczyzny, promieniowanie będzie spolaryzowane liniowo. Jeśli trajektoria oscylacji jest spiralna, promieniowanie będzie spolaryzowane kołowo, z kierunkiem określonym przez helisę.

Jeśli elektrony podążają za rozkładem Poissona, częściowa interferencja prowadzi do liniowego wzrostu intensywności. W laserze na swobodnych elektronach intensywność wzrasta wykładniczo wraz z liczbą elektronów.

Zasługą undulatora jest blask widmowy .

Historia

Rosyjski fizyk Witalij Ginzburg wykazał teoretycznie, że undulatory można zbudować w artykule z 1947 roku. Julian Schwinger opublikował w 1949 roku przydatny artykuł, w którym zredukowano niezbędne obliczenia do funkcji Bessela , dla których istniały tabele. Było to istotne dla rozwiązania równań projektowych, ponieważ komputery cyfrowe nie były wówczas dostępne dla większości naukowców.

Hans Motz i jego współpracownicy z Uniwersytetu Stanforda zademonstrowali pierwszy undulator w 1952 roku. Wytwarzał on pierwsze spójne promieniowanie podczerwone wytworzone przez człowieka. Projekt może generować całkowity zakres częstotliwości od światła widzialnego do fal milimetrowych .

Linki zewnętrzne

• Strona DT Attwood w Berkeley: Soft X-Rays and Extreme Ultraviolet Radiation . Jego wykład i widoki są dostępne w Internecie.