Ондулятор - Undulator

Работа ондулятора. 1: магниты, 2: электронный пучок, входящий в верхний левый угол, 3: синхротронное излучение, выходящее в нижний правый угол.

Ондуляторное представляет собой вкладыш от физики высоких энергий и обычно является частью более крупной установки, в синхротронное накопительного кольца , или он 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 структуру магнита, вынуждены совершать колебания и, таким образом, излучать энергию. Излучение, создаваемое ондулятором, очень интенсивно и сосредоточено в узких энергетических полосах спектра. Он также коллимирован на плоскости орбиты электронов. Это излучение проходит по каналам для экспериментов в различных научных областях. ${\ displaystyle \ lambda _ {u}}$

Параметр силы ондулятора:

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

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

Этот параметр характеризует характер движения электрона. Поскольку амплитуда колебаний мала, 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 уже не называют ондулятором ; его называют вигглером . ${\ displaystyle K \ ll 1}$${\ displaystyle K \ gg 1}$

Ключевое различие между ондулятором и вигглером - согласованность. В случае ондулятора испускаемое излучение когерентно с длиной волны, определяемой длиной периода и энергией пучка, тогда как в вигглере электроны некогерентны.

Обычное описание ондулятора релятивистское, но классическое. Это означает, что хотя точный расчет утомителен, ондулятор можно рассматривать как черный ящик , где только функции внутри устройства влияют на то, как входной сигнал преобразуется в выходной; электрон попадает в ящик, и электромагнитный импульс выходит через небольшую выходную щель. Щель должна быть достаточно маленькой, чтобы проходил только основной конус, а боковыми лепестками спектров длин волн можно было пренебречь.

Ондуляторы могут обеспечивать на несколько порядков больший поток, чем простой поворотный магнит, и поэтому они очень востребованы на объектах синхротронного излучения. Для ондулятора с N периодами яркость может быть больше поворотного магнита. Первый коэффициент N возникает из-за того, что интенсивность увеличивается до коэффициента N на длинах волн гармоник из-за конструктивной интерференции полей, излучаемых в течение N периодов излучения. Обычный импульс - это синус с некоторой огибающей. Второй коэффициент N возникает из-за уменьшения угла излучения, связанного с этими гармониками, который уменьшается как 1 / N. Когда электроны приходят с половиной периода, они деструктивно интерферируют, ондулятор остается темным. То же верно, если они идут в виде бусин. ${\ displaystyle N ^ {2}}$

Поляризацией испускаемого излучения можно управлять с помощью постоянных магнитов, которые индуцируют различные периодические траектории электронов через ондулятор. Если колебания ограничены плоскостью, излучение будет линейно поляризованным. Если траектория колебаний является спиральной, излучение будет поляризованным по кругу, причем вращение будет определяться спиралью.

Если электроны следуют распределению Пуассона, частичная интерференция приводит к линейному увеличению интенсивности. В лазере на свободных электронах интенсивность экспоненциально возрастает с увеличением числа электронов.

Ондулятор по добротности является спектральным сиянием .

История

Русский физик Виталий Гинзбург теоретически показал, что ондуляторы могут быть построены в статье 1947 года. Джулиан Швингер опубликовал в 1949 году полезную статью, в которой необходимые вычисления сводились к функциям Бесселя , для которых были таблицы. Это было важно для решения проектных уравнений, поскольку в то время цифровые компьютеры не были доступны большинству ученых.

Ханс Моц и его коллеги из Стэнфордского университета продемонстрировали первый ондулятор в 1952 году. Он произвел первое искусственное когерентное инфракрасное излучение. Конструкция может воспроизводить полный частотный диапазон от видимого света до миллиметровых волн .

использованная литература

внешние ссылки

• Страница Д. Т. Эттвуда в Беркли: мягкие рентгеновские лучи и экстремальное ультрафиолетовое излучение . Его лекция и графики доступны в Интернете.