Ондулятор

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

Ондулятор представляет собой вводное устройство из высокого уровня. физика энергии и, как правило, часть более крупной установки, синхротрон накопительное кольцо, или это может быть компонент 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 $\lambda \; u\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; lambda\; \_\; \{u\}\}$. 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 направляется через лучи для экспериментов в различных научных областях.

Параметр силы ондулятора:

$K\; =\; e\; B\; \lambda \; u\; 2\; \pi \; mec\; \{\backslash \; displaystyle\; K\; =\; \{\backslash \; frac\; \{eB\; \backslash \; lambda\; \_\; \{u\}\}\; \{2\; \backslash \; pi\; m\_\; \{e\}\; c\; \}\}\}$,

где e - заряд электрона, B - магнитное поле, $\lambda \; u\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; lambda\; \_\; \{u\}\}$- пространственный период магнитов ондулятора, $me\; \{\backslash \; displaystyle\; m\_\; \{e\}\}$- масса покоя электрона, а c - скорость света.

Этот параметр характеризует характер движения электрона. Для $K\; \ll \; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; K\; \backslash \; ll\; 1\}$амплитуда колебаний при движении мала, и излучение отображает интерференционные картины, которые приводят к узким энергетическим полосам. Если $K\; \gg \; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; K\; \backslash \; gg\; 1\}$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; он называется вигглером.

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 вход преобразуется в выход; электрон попадает в ящик, и электромагнитный импульс выходит через небольшую выходную щель. Щель должна быть достаточно маленькой, чтобы проходил только главный конус, а боковыми лепестками спектров длин волн можно было пренебречь.

Ондуляторы могут обеспечивать на несколько порядков более высокий магнитный поток, чем простой поворотный магнит, и поэтому они очень востребованы на объектах синхротронного излучения. Для ондулятора с N периодами яркость может быть на $N\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; N\; ^\; \{2\}\}$больше, чем у изгибающего 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.

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 количества электронов.

Добротность ондулятора составляет спектральная яркость.

Российский физик Виталий Гинзбург теоретически показал, что ондуляторы могут быть построен в газете 1947 года. Джулиан Швингер опубликовал полезную статью в 1949 году, в которой необходимые вычисления были сокращены до функций 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 сотрудники из Стэнфордского университета продемонстрировали первый ондулятор в 1952 году. Он произвел первое искусственное когерентное инфракрасное излучение. Конструкция может обеспечивать полный частотный диапазон от видимого света до миллиметровых волн.

• D. Страница Т. Аттвуда в Беркли: Мягкие рентгеновские лучи и экстремальное ультрафиолетовое излучение. Его лекция и графики доступны в Интернете.