Undulaattori
Undulaattori on suurienergisen fysiikan lisäyslaite, joka on yleensä osa suurempaa laitosta, synkrotronivarastorengasta. Se koostuu dipolimagneettien jaksollisesta rakenteesta. Staattinen magneettikenttä vuorottelee undulaattorin pituussuunnassa aallonpituudella λ u {\displaystyle \lambda _{u}} 
. Periodisen magneettirakenteen läpi kulkevat elektronit joutuvat värähtelyihin. Elektronit siis luovuttavat energiaa elektronimagneettisena säteilynä. Undulaattorissa syntyvä säteily on hyvin voimakasta ja keskittyy spektrin kapeisiin energiakaistoihin. Valonsäde on myös kollimoitu elektronien ratatasolle. Tämä säteily ohjataan sädelinjojen kautta eri tieteenalojen kokeisiin.
Tärkeä dimensioton parametri
K = e B λ u 2 π β β m e c {\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}} 
jossa e on hiukkasen varaus, B on magneettikenttä, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c}
, m e {\displaystyle m_{e}}
on elektronin lepomassa ja c on valonnopeus, luonnehtii elektronin liikkeen luonnetta. Kun K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
, liikkeen oskillaatioamplitudi on pieni ja säteily osoittaa interferenssikuvioita, jotka johtavat kapeisiin energiakaistoihin. Jos K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
värähtelyamplitudi on suurempi ja kunkin kenttäjakson säteilyosuudet summautuvat itsenäisesti, mikä johtaa laajaan energiaspektriin. Kun K on paljon suurempi kuin 1, laitetta ei enää kutsuta undulaattoriksi vaan wiggleriksi.
Fyysikot pohtivat undulaattoreita sekä klassisen fysiikan että suhteellisuusteorian avulla. Tämä tarkoittaa, että vaikka tarkat laskelmat ovat työläitä, undulaattoria voidaan pitää mustana laatikkona. Elektroni tulee tähän laatikkoon ja sähkömagneettinen pulssi poistuu pienen ulostulorakon kautta. Raon pitäisi olla riittävän pieni, jotta vain pääkartion läpäisee, jolloin sivulohkot voidaan jättää huomiotta.
Undulaattorit voivat tuottaa satoja kertoja suuremman magneettivuon kuin pelkkä taivutusmagneetti, ja sen vuoksi ne ovat erittäin kysyttyjä synkrotronisäteilylaitoksissa. N kertaa (N jaksoa) toistuvan undulaattorin kirkkaus voi olla jopa N 2 {\displaystyle N^{2}}
suurempi kuin taivutusmagneetin. Intensiteetti kasvaa jopa N-kertaiseksi harmonisilla aallonpituuksilla, mikä johtuu N säteilyjakson aikana emittoituvien kenttien rakentavasta interferenssistä. Tavallinen pulssi on siniaalto, jolla on jokin kuorikerroin. Toinen N-kerroin tulee näihin harmonisiin liittyvästä säteilykulman pienenemisestä, joka pienenee suhteessa 1/N. Kun elektronit tulevat puolet jaksosta, ne häiritsevät tuhoavasti. Niinpä undulaattori pysyy pimeänä. Sama pätee, jos elektronit tulevat helmiketjuna. Koska elektroninippu leviää sitä laajemmalle, mitä useamman kerran se kiertää synkrotronin, fyysikot haluavat suunnitella uusia laitteita, jotka heittävät elektroniniput pois ennen kuin ne ehtivät levitä. Tällä muutoksella saadaan aikaan hyödyllisempää synkrotronisäteilyä.
Emittoituneen säteilyn polarisaatiota voidaan säätää käyttämällä kestomagneetteja, jotka indusoivat erilaisia jaksollisia elektroniratoja undulaattorin läpi. Jos värähtelyt rajoittuvat tasoon, säteily on lineaarisesti polarisoitunutta. Jos värähtelyrata on kierre, säteily on ympyräpolarisoitunutta, ja kätisyys määräytyy kierteen mukaan.
Jos elektronit noudattavat Poisson-jakaumaa, osittainen interferenssi johtaa lineaariseen intensiteetin kasvuun. Vapaiden elektronienlaserissa intensiteetti kasvaa eksponentiaalisesti elektronien määrän myötä.
Fyysikot mittaavat undulaattorin tehokkuutta spektrisäteilyn perusteella.
Undulaattorin toiminta. 1: magneetit, 2: elektronisuihku, 3: synkrotronisäteily.
Moninapainen heiluttaja, jota käytetään Australian synkrotronin varastointirenkaassa synkrotronisäteilyn tuottamiseen.
Historia
Ensimmäisen undulaattorin rakensi Hans Motz ja hänen työtoverinsa Stanfordissa vuonna 1953. Yksi heidän undulaattoreistaan tuotti ensimmäisen kerran koherenttia infrapunasäteilyä. Heidän kokonaistaajuusalueensa ulottui näkyvästä valosta aina millimetriaaltoihin asti. Venäläinen fyysikko V.L. Ginzburg osoitti vuonna 1947 julkaisemassaan artikkelissa, että undulaattoreita voidaan periaatteessa valmistaa.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on undulaattori?
A: Undulaattori on korkean energian fysiikan laite, joka koostuu dipolimagneettien jaksollisesta rakenteesta. Se pakottaa elektronit värähtelemään, mikä tuottaa voimakasta ja keskittynyttä sähkömagneettista säteilyä kapeilla energiakaistoilla.
K: Mikä parametri kuvaa elektronien liikkeen luonnetta?
V: Tärkeä dimensioton parametri K = eBλu/2πβmecc luonnehtii elektronin liikkeen luonnetta, jossa e on hiukkasen varaus, B on magneettikenttä, β = v/c , me on elektronin lepomassa ja c on valonnopeus.
Kysymys: Miten undulaattori vertautuu taivutusmagneettiin magneettivuon suhteen?
V: Undulaattorit voivat tuottaa satoja kertoja suuremman magneettivuon kuin yksinkertainen taivutusmagneetti.
K: Miten interferenssi vaikuttaa intensiteettiin undulaattoria käytettäessä?
V: Jos K ≤ 1, värähtelyamplitudi on pieni ja säteily näyttää interferenssikuvioita, jotka johtavat kapeisiin energiakaistoihin. Jos K ≥ 1, värähtelyamplitudi on suurempi ja kunkin kenttäjakson säteilyosuus summautuu itsenäisesti, mikä johtaa laajaan energiaspektriin.
Kysymys: Miten polarisaatiota voidaan hallita undulaattoria käytettäessä?
V: Polarisaatiota voidaan ohjata käyttämällä kestomagneetteja, jotka indusoivat erilaisia jaksollisia elektroniratoja undulaattorin läpi. Jos värähtelyt rajoittuvat tasoon, säteily on lineaarisesti polarisoitunutta; jos liikerata on kierteinen, säteily on ympyräpolarisoitunutta ja kätisyys määräytyy kierteestä.
Kysymys: Miten intensiteetti kasvaa elektronien lukumäärän mukaan vapaiden elektronien lasereissa?
V: Kun elektronit noudattavat Poissonin jakaumaa, osittainen interferenssi johtaa intensiteetin lineaariseen kasvuun; vapaiden elektronien lasereissa intensiteetti kasvaa eksponentiaalisesti elektronien lukumäärän myötä.
K: Millä mittarilla fyysikot arvioivat undulaattorin tehokkuutta?
V: Fyysikot mittaavat undulaattorin tehokkuutta spektrisen säteilytehon avulla.
