Undulátor
Az undulátor a nagyenergiájú fizikában használatos behelyező eszköz, amely általában egy nagyobb berendezés, a szinkrotron tárológyűrű része. Ez egy dipólmágnesekből álló periodikus szerkezetből áll. Az undulátor hosszában λ u hullámhosszúságú statikus mágneses mező váltakozik {\displaystyle \lambda _{u}} 
. A periodikus mágnesszerkezeten áthaladó elektronok oszcillációra kényszerülnek. Az elektronok tehát elektronmágneses sugárzás formájában energiát adnak le. Az undulátorban keletkező sugárzás nagyon intenzív és a spektrum keskeny energiasávjaira koncentrálódik. A fénysugár az elektronok pályasíkján is kollimált. Ezt a sugárzást sugárvonalakon keresztül vezetik a különböző tudományterületeken végzett kísérletekhez.
A fontos dimenziótlan paraméter
K = e B λ u 2 π β m e c {\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}}} 
ahol e a részecske töltése, B a mágneses tér, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c}
, m e {\displaystyle m_{e}}
az elektron nyugalmi tömege és c a fénysebesség, jellemzi az elektron mozgásának jellegét. K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
esetén a mozgás oszcillációs amplitúdója kicsi, és a sugárzás interferenciamintázatot mutat, amely keskeny energiasávokhoz vezet. K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
esetén az oszcillációs amplitúdó nagyobb, és az egyes térperiódusokból származó sugárzási hozzájárulások egymástól függetlenül összegződnek, ami széles energiaspektrumhoz vezet. Ha K sokkal nagyobb, mint 1, az eszközt már nem nevezzük undulátornak, hanem wiggler-nek.
A fizikusok a klasszikus fizika és a relativitáselmélet segítségével is gondolkodnak az undulátorokról. Ez azt jelenti, hogy bár a precíziós számítás fárasztó, az undulátor fekete dobozként tekinthető. Egy elektron belép ebbe a dobozba, és egy elektromágneses impulzus távozik egy kis kilépő résen keresztül. A résnek elég kicsinek kell lennie ahhoz, hogy csak a főkúp haladjon át rajta, így az oldalhajtásokat figyelmen kívül lehet hagyni.
Az undulátorok több százszor nagyobb mágneses fluxust képesek biztosítani, mint egy egyszerű hajlítómágnes, és mint ilyenek, nagy keresletnek örvendenek a szinkrotron sugárzási létesítményekben. Egy N-szer (N periódus) ismétlődő undulátor esetében a fényerő akár N 2 {\displaystyle N^{2}}
több lehet, mint egy hajlítómágnesé. Az intenzitás akár N-szeresére is megnő a harmonikus hullámhosszokon az N sugárzási periódus alatt kibocsátott mezők konstruktív interferenciája miatt. A szokásos impulzus egy szinuszhullám némi burkológörbével. A második N faktor az e harmonikusokhoz kapcsolódó, 1/N arányban csökkenő kibocsátási szög csökkenéséből származik. Amikor az elektronok a periódus felével érkeznek, rombolóan interferálnak. Így az undulátor sötét marad. Ugyanez igaz, ha az elektronok gyöngyláncként érkeznek. Mivel az elektroncsomó annál jobban szétterül, minél többször járják körbe a szinkrotront, a fizikusok olyan új gépeket akarnak tervezni, amelyek kidobják az elektroncsomókat, mielőtt még esélyük lenne szétterülni. Ez a változtatás hasznosabb szinkrotron sugárzást eredményez majd.
A kibocsátott sugárzás polarizációja állandó mágnesek segítségével szabályozható, amelyek különböző periodikus elektronpályákat indukálnak az undulátoron keresztül. Ha az oszcillációk egy síkba korlátozódnak, a sugárzás lineárisan polarizált lesz. Ha az oszcillációs pálya spirális, a sugárzás cirkulárisan polarizált lesz, és a spirál határozza meg az irányt.
Ha az elektronok a Poisson-eloszlást követik, a részleges interferencia az intenzitás lineáris növekedéséhez vezet. A szabadelektronoslézerben az intenzitás az elektronok számával exponenciálisan nő.
A fizikusok az undulátor hatékonyságát a spektrális sugárzással mérik.
Az undulátor működése. 1: mágnesek, 2: elektronsugár, 3: szinkrotron sugárzás
Egy többpólusú wiggler, ahogyan azt az ausztrál szinkrotronban a szinkrotron sugárzás előállítására használt tároló gyűrűben használják.
Történelem
Az első undulátort Hans Motz és munkatársai építették 1953-ban Stanfordban. Az egyik undulátoruk állította elő az első koherens infravörös sugárzást. Teljes frekvenciatartományuk a látható fénytől a milliméteres hullámokig terjedt. V. L. Ginzburg orosz fizikus 1947-ben egy tanulmányában mutatta meg, hogy elvileg lehet undulátorokat készíteni.
Kérdések és válaszok
K: Mi az az undulátor?
V: Az undulátor egy olyan eszköz a nagyenergiájú fizikából, amely dipólmágnesek periodikus szerkezetéből áll. Az elektronokat oszcillációra kényszeríti, ami intenzív és koncentrált elektromágneses sugárzást hoz létre keskeny energiasávokban.
K: Milyen paraméter jellemzi az elektronok mozgásának jellegét?
V: A K = eBλu/2πβmecc fontos dimenziótlan paraméter jellemzi az elektron mozgásának természetét, ahol e a részecske töltése, B a mágneses tér, β = v/c , me az elektron nyugalmi tömege és c a fénysebesség.
K: Hogyan viszonyul egy undulátor a mágneses fluxus szempontjából egy hajlító mágneshez?
V: Az undulátorok több százszor nagyobb mágneses fluxust képesek biztosítani, mint egy egyszerű hajlítómágnes.
K: Hogyan befolyásolja az interferencia az intenzitást undulátor használata esetén?
V: Ha K ≤ 1, akkor az oszcillációs amplitúdó kicsi, és a sugárzás interferenciamintázatot mutat, ami keskeny energiasávokhoz vezet. Ha K ≥ 1, akkor az oszcillációs amplitúdó nagyobb, és az egyes mezőperiódusokból származó sugárzási hozzájárulások egymástól függetlenül összegződnek, ami széles energiaspektrumhoz vezet.
K: Hogyan szabályozható a polarizáció undulátor használata esetén?
V: A polarizáció úgy szabályozható, hogy állandó mágnesek segítségével különböző periodikus elektronpályákat indukálunk az undulátoron keresztül. Ha az oszcillációk egy síkban vannak, a sugárzás lineárisan polarizált lesz; ha a pálya spirális, a sugárzás körkörösen polarizált lesz, a spirál által meghatározott irányultsággal.
K: Hogyan nő az intenzitás az elektronok számával a szabadelektron-lézerek esetében?
V: Ha az elektronok Poisson-eloszlást követnek, a részleges interferencia az intenzitás lineáris növekedéséhez vezet; a szabadelektron-lézerek esetében az intenzitás exponenciálisan nő az elektronok számával.
K: Milyen mérőszámot használnak a fizikusok egy undulátor hatékonyságának értékelésére?
V: A fizikusok az undulátor hatékonyságát a spektrális sugárzással mérik.
