Insertointilaite: undulaattorit ja wigglerit synkrotronivalon lähteinä
Insertointilaitteet: undulaattorit ja wigglerit synkrotronivalon tehokkaina lähteinä — erot, käyttö ja sovellukset tutkijoille ja teollisuudelle.
Fysiikassa lisäyslaite (engl. insertointilaite) on joukko magneetteja ja niihin liittyvää rautarakennetta, joka sijoitetaan hiukkaskiihdyttimen suoralle segmentille tuottamaan synkrotronivaloa. Insertointilaite käytännössä korvaa putken osan, joka muuten muodostaisi hiukkassäteen reitin ja vaadittavan tyhjiön, mutta sen läpi suppeasta aukosta kulkeva varautunut hiukkassäde joutuu periodisesti poikkeamaan magneettikentän vaikutuksesta ja säteilee siitä sähkömagneettista säteilyä. Usein insertointilaitteita asennetaan synkrotronin ympyräradalle tai varastorenkaaseen erityisesti säteen valovoiman (brightness) ja spektrin parantamiseksi.
Insertointilaitteita on pääosin kahta tyyppiä. Undulaattorit tuottavat sähkömagneettista säteilyä, joka on viritetty kapealle taajuusalueelle ja koostuu hyvin kapeista harmonisista huipuista. Wiggerit tekevät sähkömagneettista säteilyä laajalla taajuusalueella ja antavat leveämmän, jatkuvamman spektrin. (Huom. wiggler on usein kirjoitettu myös muodossa "wiggler".)
Toimintaperiaate
Insertointilaitteen magneetit laittavat kulkevan elektronin poikittaiseen vaihteluun: elektronin suunta vaihtuu periodisesti ja kiihtyvyys synnyttää säteilyä. Tärkeimpiä parametrien nimityksiä ovat:
- jakson pituus (λu): yksittäisen magneettiparin pituus
- jaksojen lukumäärä (N): kuinka monta jaksoa laitteessa on — suurempi N johtaa kapeampaan spektriin undulaattorissa
- deflektio- tai intensiteettiparametri K: kuvaa magneettikentän voimakkuuden suhteessa jakson pituuteen; pienemmillä K-arvoilla (< ~1) syntyy interferenssin vuoksi kapeita huippuja (undulaattori), suurilla K-arvoilla (>>1) säteily muistuttaa wigglerin laajaa spektriä
Undulaattorit
Undulaattorit hyödyntävät interferenssia peräkkäisten jaksojen välillä, jolloin säteily muodostuu kapeista, korkean kirkkauden (brightness) huipuista tietyissä taajuuksissa ja niiden harmonisissa. Undulaattoreita käytetään, kun tarvitaan lähes koherenttia ja säteilyä, jonka spektri voidaan virittää: muuttamalla electronien energiaa, jakson pituutta tai magneettikentän voimakkuutta saavutetaan haluttu fotonien energia. Undulaattorit voivat olla
- planaarisia (säteily polarisoitu pääosin lineaarisesti)
- helical (kierukka), joilla saadaan pyörähtelevä magneettikenttä ja siten pyörähtelevä (kierrepolarisoitu) säteily
- monipuolisia, kuten APPLE-tyyppiset undulaattorit, jotka mahdollistavat vaihtuvan polarisaation
Wiggerit (wigglerit)
Wiggerit ovat voimakkaammilla magneeteilla varustettuja insertointilaitteita, joiden K-arvo on suuri. Niissä yksittäisten jaksojen säteilystä muodostuu käytännössä laaja spektri, ja eri jaksojen säteilyt eivät interferoi niin voimakkaasti kuin undulaattorissa, jolloin tuloksena on leveä ja voimakas spektri. Wigglerit antavat usein suuremman kokonaistehon, mutta pienemmän spektritiheyden kapeille huipuille verrattuna undulaattoriin.
Erikoismuodot ja tekniikat
Nykyteknologiassa insertointilaitteita on monenlaisia: suprajohtavilla magneeteilla toteutettuja undulaattoreita, kryogeenisiä ratkaisuja paremman kenttätilan ja kompaktimman rakenteen saavuttamiseksi sekä adaptaatioita vapaata elektronisäteilyä (FEL, free-electron laser) varten, joissa undulaattori toimii stimuloidun säteilyn vahvistuksen perusosana. Lisäksi on olemassa lyhyen jakson pituuden laitteita, jotka tuottavat kovempia röntgensäteitä pienen elektronien energian hinnalla.
Käyttökohteet
Insertointilaitteilla tuotettua synkrotronivaloa käytetään laajasti tieteellisessä tutkimuksessa ja teollisuudessa: materiaalitutkimuksessa, rakennebiologiassa (kriittiset röntgenkristallografiat), kemiallisessa analytiikassa, magneettikuvausmenetelmien kehityksessä ja nanoteknologiassa. Undulaattoreiden mahdollistama korkea kirkkaus ja säteilyn hallittavuus ovat erityisen tärkeitä kokeissa, jotka vaativat pientä kohinaa ja hyvää kohdennettavuutta.
Tärkeitä huomioita käytössä
- Insertointilaitteet muuttavat hiukkassäteen emittanssia ja voivat vaatia säätöjä ringin optiikkaan, jotta säteen laatu säilyy.
- Laite vaatii huolellisen tyhjiön ja mekaanisen suunnittelun, jotta häiriöt säteen liikkeessä ja vakuumissa pysyvät minimissä.
- Undulaattorin spektri on helposti viritettävissä, mutta sen suunnittelu ja optimointi vaativat tarkkaa laskentaa jaksojen lukumäärästä, K-arvosta ja elektronienergiasta.
Yhteenvetona insertointilaitteet — olipa kyse undulaattoreista tai wiggler-kaltaisista laitteista — ovat synkrotronilähteiden keskeisiä komponentteja, jotka mahdollistavat korkeatasoisen, monipuolisen ja usein hyvin hallitun sähkömagneettisen säteilyn tutkimus- ja teollisuussovelluksiin.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on pistolaite?
V: Lisäyslaite on ryhmä magneetteja, jotka voidaan sijoittaa hiukkaskiihdyttimen suoralle segmentille synkrotronivalon lähteeksi.
K: Miksi niitä kutsutaan lisäyslaitteiksi?
V: Niitä kutsutaan insertointilaitteiksi, koska ne korvaavat putken, joka muutoin pitäisi yllä hiukkassäteen reitin ylläpitämiseen tarvittavaa tyhjiötä.
K: Missä insertointilaitteita käytetään?
V: Insertointilaitteita käytetään monesti synkrotronin tai varastorenkaan ympyräradalla.
K: Kuinka monenlaisia insertointilaitteita on olemassa?
V: Insertiolaitteita on kahta tyyppiä.
K: Mitä ovat undulaattorit?
V: Undulaattorit tuottavat sähkömagneettista säteilyä, joka on viritetty kapealle taajuusalueelle.
K: Mitä ovat heiluttimet?
V: Wigglerit tuottavat sähkömagneettista säteilyä laajalla taajuusalueella.
K: Mikä on insertointilaitteiden tarkoitus?
V: Insertiolaitteen tarkoitus on olla synkrotronivalonlähde.
Etsiä