Ундулятор
Ундулятор - это вставное устройство из физики высоких энергий и, как правило, часть более крупной инсталляции, кольцо запоминающего устройства синхротрона. Он состоит из периодической структуры дипольных магнитов. Статическое магнитное поле чередуется по длине волны ундулятора с длиной волны λ u {\displaystyle \lambda _{u}}. 
. Электроны, проходящие через структуру периодического магнита, вынуждены подвергаться колебаниям. Поэтому электроны излучают энергию как электромагнитное излучение. Излучение, производимое в ундуляторе, очень интенсивно и концентрируется в узких энергетических полосах спектра. Пучок света также коллимируется на плоскости орбиты электронов. Это излучение направляется через пучковые линии для проведения экспериментов в различных научных областях.
Важный безразмерный параметр
K = e B λ u 2 π β m e c {\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}} 
где e - заряд частицы, B - магнитное поле, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c}
, m e {\displaystyle m_{e}
- масса покоя электрона, а c - скорость света, характеризует природу движения электрона. Для K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
амплитуда колебаний движения мала, и излучение отображает интерференционные картины, которые приводят к узким энергетическим полосам. Для K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
амплитуда колебаний больше и вклад излучения от каждого периода поля суммируется независимо, что приводит к широкому энергетическому спектру. Когда K намного больше 1, устройство больше не называется ундулятором, оно называется вихревым.
Физик думает об ундуляторах как с использованием классической физики, так и с использованием относительности. Это означает, что, несмотря на то, что вычисления точности утомительны, вандалятор можно рассматривать как черный ящик. Электрон входит в этот ящик и электромагнитный импульс выходит через небольшую выходную щель. Щель должна быть достаточно малой, чтобы проходил только главный конус, так что боковые лопасти могут быть проигнорированы.
Ундуляторы могут обеспечивать в сотни раз больший магнитный поток, чем простой магнит для изгиба, и поэтому пользуются большим спросом на установках синхротронного излучения. Для ундулятора, повторяющего N раз (N периодов), яркость может быть до N 2 {\displaystyle N^{2}}
больше, чем у изгибающего магнита. Интенсивность увеличивается до фактора N на длинах гармонических волн за счет конструктивных помех полей, излучаемых в течение N периодов излучения. Обычным импульсом является синусоидальная волна с некоторой огибающей. Второй коэффициент N получается за счет уменьшения угла излучения, связанного с этими гармониками, который уменьшается пропорционально 1/N. Когда электроны приходят с половиной периода, они деструктивно вмешиваются. Таким образом, ундулятор остается темным. То же самое верно, если электроны приходят как цепочка бусин. Поскольку пучок электронов распространяется тем больше раз, чем больше они перемещаются вокруг синхротрона, физики хотят спроектировать новые машины, которые выбрасывают электронные пучки до того, как у них появляется шанс распространиться. Это изменение приведет к более полезному синхротронному излучению.
Поляризацию испускаемого излучения можно контролировать с помощью постоянных магнитов, чтобы вызвать различные периодические электронные траектории через ундулятор. Если колебания ограничены плоскостью, излучение будет линейно поляризовано. Если траектория колебаний спиральна, то излучение будет поляризовано по кругу, при этом рука определяется спиралью.
Если электроны следуют Пуассонскому распределению, то частичная интерференция приводит к линейному увеличению интенсивности. В лазерена свободных электронах интенсивность возрастает экспоненциально с увеличением числа электронов.
Физики измеряют эффективность ундулятора с точки зрения спектрального излучения.
Многополюсный вирглер, используемый в накопительном кольце на австралийском синхротроне для генерации синхротронного излучения.
Работа ундулятора. 1: магниты, 2: электронный пучок, 3: синхротронное излучение.
История
Первый вандалятор был построен Хансом Мотцем и его коллегами в Стэнфорде в 1953 году. Один из их вандаляторов создал первое в истории когерентное инфракрасное излучение. Их общий диапазон частот был от видимого света до миллиметровых волн. Российский физик В.Л. Гинзбург в 1947 году показал, что в принципе волнорезы могут быть изготовлены.
Вопросы и ответы
В: Что такое ундулятор?
О: Ундулятор - это устройство из физики высоких энергий, которое состоит из периодической структуры дипольных магнитов. Он заставляет электроны совершать колебания, что производит интенсивное и концентрированное электромагнитное излучение в узких энергетических диапазонах.
В: Какой параметр характеризует характер движения электронов?
О: Важный безразмерный параметр K = eBλu/2πβmecc характеризует природу движения электрона, где e - заряд частицы, B - магнитное поле, β = v/c , me - масса покоя электрона и c - скорость света.
В: Чем ундулятор отличается от изгибающегося магнита с точки зрения магнитного потока?
О: Ундулятор может обеспечить в сотни раз больший магнитный поток, чем простой изгибающийся магнит.
В: Как интерференция влияет на интенсивность при использовании ундулятора?
О: Если K ≤ 1, то амплитуда колебаний мала, и излучение показывает интерференционные картины, которые приводят к узким энергетическим полосам. Если K ≥ 1, то амплитуда колебаний больше, и вклады излучения от каждого периода поля суммируются независимо, что приводит к широкому энергетическому спектру.
В: Как можно управлять поляризацией при использовании ундулятора?
О: Поляризацией можно управлять, используя постоянные магниты, чтобы вызвать различные периодические траектории электронов через ундулятор. Если колебания ограничены плоскостью, излучение будет линейно поляризованным; если траектория спиралевидная, излучение будет циркулярно поляризованным с направленностью, определяемой спиралью.
В: Как интенсивность увеличивается с ростом числа электронов для лазеров на свободных электронах?
О: Когда электроны следуют распределению Пуассона, частичная интерференция приводит к линейному увеличению интенсивности; для лазеров на свободных электронах интенсивность увеличивается экспоненциально с числом электронов.
В: Какую меру используют физики для оценки эффективности ундулятора?
О: Физики измеряют эффективность ундулятора в терминах спектрального излучения.
