Ондулятор

Работа ондулятора. 1: магниты, 2: электронный луч, входящий сверху слева, 3: синхротронное излучение, выходящее снизу справа

Ондулятор — это вводное устройство из физики высоких энергий и обычно часть более крупной установки, синхротронного накопителя , или может быть компонентом лазера на свободных электронах . Он состоит из периодической структуры дипольных магнитов . Это могут быть постоянные магниты или сверхпроводящие магниты . Статическое магнитное поле чередуется по длине ондулятора с длиной волны . Электроны, проходящие через периодическую магнитную структуру, вынуждены совершать колебания и, таким образом, излучать энергию. Излучение, производимое в ондуляторе, очень интенсивно и концентрируется в узких энергетических полосах в спектре. Оно также коллимируется на плоскости орбиты электронов. Это излучение направляется через каналы пучков для экспериментов в различных научных областях. ${\displaystyle \lambda _{u}}$

Параметр силы ондулятора равен:

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

где e — заряд электрона, B — магнитное поле, — пространственный период ондуляторных магнитов, — масса покоя электрона, а c — скорость света. ${\displaystyle \lambda _{u}}$ ${\displaystyle m_{e}}$

Этот параметр характеризует характер движения электронов. Для амплитуды колебаний движения мала, и излучение демонстрирует интерференционные картины, которые приводят к узким энергетическим полосам. Если амплитуда колебаний больше, и вклады излучения от каждого периода поля суммируются независимо, что приводит к широкому энергетическому спектру. В этом режиме полей устройство больше не называется ондулятором ; его называют вигглером . ${\displaystyle K\ll 1}$ ${\displaystyle K\gg 1}$

Ключевое различие между ондулятором и вигглером — когерентность. В случае ондулятора испускаемое излучение когерентно с длиной волны, определяемой длиной периода и энергией пучка ^[1] , тогда как в вигглере электроны не когерентны.

Обычное описание ондулятора является релятивистским, но классическим. ^{[ требуется цитата ]} Это означает, что хотя точный расчет утомителен, ондулятор можно рассматривать как черный ящик , где только функции внутри устройства влияют на то, как вход преобразуется в выход; электрон входит в ящик, а электромагнитный импульс выходит через небольшую выходную щель. Щель должна быть достаточно маленькой, чтобы проходил только главный конус, а боковые лепестки спектров длин волн можно было игнорировать.

Ондуляторы могут обеспечить поток на несколько порядков выше, чем простой изгибающий магнит, и как таковые пользуются большим спросом на объектах синхротронного излучения. Для ондулятора с N периодами яркость может быть больше, чем у изгибающего магнита. Первый фактор N возникает из-за того, что интенсивность увеличивается до фактора N на гармонических длинах волн из-за конструктивной интерференции полей, излучаемых в течение N периодов излучения. Обычный импульс представляет собой синус с некоторой огибающей. Второй фактор N возникает из-за уменьшения угла излучения, связанного с этими гармониками, который уменьшается как 1/N. Когда электроны приходят с половиной периода, они интерферируют деструктивно, ондулятор остается темным. То же самое верно, если они приходят в виде цепочки бусин. ${\displaystyle N^{2}}$

Поляризацией испускаемого излучения можно управлять, используя постоянные магниты для индуцирования различных периодических траекторий электронов через ондулятор. Если колебания ограничены плоскостью, излучение будет линейно поляризованным. Если траектория колебаний винтовая, излучение будет кругово поляризованным, причем направление определяется спиралью.

Если электроны следуют распределению Пуассона, частичная интерференция приводит к линейному увеличению интенсивности. В лазере на свободных электронах ^[2] интенсивность увеличивается экспоненциально с числом электронов.

Показателем качества ондулятора является спектральная яркость .

История

Русский физик Виталий Гинзбург в своей статье 1947 года теоретически показал, что ондуляторы могут быть построены. ^[3] Джулиан Швингер опубликовал полезную статью в 1949 году ^[4] , в которой необходимые вычисления были сведены к функциям Бесселя , для которых имелись таблицы. Это было важно для решения уравнений проектирования, поскольку в то время цифровые компьютеры были недоступны большинству ученых.

Ганс Мотц и его коллеги из Стэнфордского университета продемонстрировали первый ондулятор в 1952 году. ^{[5] [6]} Он произвел первое искусственное когерентное инфракрасное излучение. Конструкция могла производить полный диапазон частот от видимого света до миллиметровых волн .

Ссылки

1. Клаус Вилле, Введение в устройства для вставки , часть синхротронного излучения и лазеров на свободных электронах. Труды, CERN Accelerator School, CAS, Гренобль, Франция, 22-27 апреля 1996 г. (стр. 61-75)
2. Паоло Лукини, Ганс Моц, Ондуляторы и лазеры на свободных электронах , Oxford University Press, 1990.
3. Гинзбург, Виталий Лазаревич (1947). «Об излучении микрорадиоволн и их поглощении в воздухе». Изв. АН СССР сер. физ. (на русском языке). Т. XI №2. Академия наук СССР: (с. 165-182). ISSN  0367-6765 . Проверено 22 сентября 2024 г.
4. Швингер, Джулиан (1949). «О классическом излучении ускоренных электронов». Physical Review . 75 (12): 1912. Bibcode : 1949PhRv...75.1912S. doi : 10.1103/PhysRev.75.1912.
5. Мотц, Ганс (1951). «Применение излучения быстрых электронных пучков». Журнал прикладной физики . 22 (5): 527. Bibcode : 1951JAP....22..527M. doi : 10.1063/1.1700002.
6. Motz, H.; Thon, W.; Whitehurst, RN (1953). «Эксперименты по излучению с помощью быстрых электронных пучков». Журнал прикладной физики . 24 (7): 826. Bibcode : 1953JAP....24..826M. doi : 10.1063/1.1721389.

Внешние ссылки

• Страница DT Attwood в Беркли: Мягкие рентгеновские лучи и экстремальное ультрафиолетовое излучение. Его лекция и обзоры доступны онлайн.