Undulator

Ундулаторът е устройство за вмъкване във физиката на високите енергии и обикновено е част от по-голяма инсталация - пръстен за съхранение на синхротрон. Той се състои от периодична структура от диполни магнити. По дължината на ундулатора се редува статично магнитно поле с дължина на вълната λ u {displaystyle \lambda _{u}}. . Електроните, които преминават през периодичната магнитна структура, са принудени да претърпят колебания. Така електроните отделят енергия като електронно-магнитно излъчване. Радиацията, произведена в ундулатор, е много интензивна и концентрирана в тесни енергийни ленти в спектъра. Светлинният лъч също така е колимиран в равнината на орбитите на електроните. Това лъчение се насочва чрез лъчеви линии за експерименти в различни научни области.

Важният безразмерен параметър

K = e B λ u 2 π β m e c {\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}}

където e е зарядът на частицата, B е магнитното поле, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c} , m e {\displaystyle m_{e}} е масата на електрона в покой, а c е скоростта на светлината, характеризира характера на движението на електрона. За K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1} амплитудата на трептене на движението е малка и излъчването показва интерференчни модели, които водят до тесни енергийни ленти. Ако K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}, амплитудата на трептене е по-голяма и приносите на лъчението от всеки период на полето се сумират независимо, което води до широк енергиен спектър. Когато К е много по-голям от 1, устройството вече не се нарича ундулатор, а се нарича уиглър.

Физиците мислят за вълнообразите както с помощта на класическата физика, така и с помощта на теорията на относителността. Това означава, че въпреки че прецизните изчисления са досадни, ундулаторът може да се разглежда като черна кутия. В тази кутия влиза електрон, а през малък изходен процеп излиза електромагнитен импулс. Прорезът трябва да е достатъчно малък, за да преминава само основният конус, така че страничните лобове да могат да бъдат пренебрегнати.

Ундулаторите могат да осигурят стотици пъти по-голям магнитен поток от обикновен огъващ магнит и поради това са много търсени в съоръженията за синхротронно лъчение. При ундулатор, който се повтаря N пъти (N периода), яркостта може да бъде до N 2 {\displaystyle N^{2}} по-голяма от тази на огъващ магнит. Интензитетът се увеличава до N пъти при хармоничните дължини на вълните поради конструктивната интерференция на полетата, излъчвани през N-те периода на излъчване. Обичайният импулс е синусоидална вълна с някаква обвивка. Вторият фактор N идва от намаляването на ъгъла на излъчване, свързан с тези хармоници, който се намалява пропорционално на 1/N. Когато електроните идват с половината от периода, те интерферират разрушително. Така ундулаторът остава тъмен. Същото е вярно, ако електроните идват като верижка от мъниста. Тъй като купчината електрони се разпространява толкова повече пъти, колкото повече пъти обикалят синхротрона, физиците искат да проектират нови машини, които изхвърлят електронните купчини, преди да имат възможност да се разпространят. Тази промяна ще доведе до по-полезно синхротронно лъчение.

Поляризацията на излъчваното лъчение може да се контролира чрез използване на постоянни магнити, които да предизвикат различни периодични траектории на електроните през ундулатора. Ако осцилациите са ограничени в една равнина, излъчването ще бъде линейно поляризирано. Ако траекторията на трептенията е спираловидна, излъчването ще бъде кръгово поляризирано, като посоката на движение се определя от спиралата.

Ако електроните следват разпределението на Поасон, частичната интерференция води до линейно нарастване на интензитета. В лазера съссвободни електрони интензивността нараства експоненциално с броя на електроните.

Физиците измерват ефективността на ундулатора по отношение на спектралното излъчване.

Въпроси и отговори

В: Какво е ундулатор?

Въпрос: Кой параметър характеризира естеството на движението на електроните?

Въпрос: Как се сравнява един ундулатор с огъващ се магнит по отношение на магнитния поток?

В: Как интерференцията влияе на интензитета при използване на ундулатор?

Въпрос: Как може да се контролира поляризацията, когато се използва ундулатор?

Въпрос: Как нараства интензивността с броя на електроните при лазерите със свободни електрони?

Въпрос: Каква мярка използват физиците, за да оценят ефективността на ундулатора?

Търсене по буква