Вмъкващо устройство в синхротрона: дефиниция, видове и синхротронна светлина

Научете как вмъкващите устройства в синхротрона генерират синхротронна светлина: видове, принципи и приложения за тясно- и широкоспектърно излъчване.

Във физиката устройството за вмъкване е група магнити, които могат да се поставят върху прав сегмент на ускорител на частици, за да се превърнат в източник на синхротронна светлина. Наричат се "устройства за вмъкване", тъй като заместват тръбата, която иначе би задържала вакуума, необходим за поддържане на пътя на снопа частици. Много пъти устройствата за вмъкване се използват на кръговата траектория на синхротрона или на пръстена за съхранение.

Съществуват два вида устройства за поставяне. Влагащите устройства създават електромагнитно излъчване, което е настроено на тесен честотен диапазон. Вдъншните устройства създават електромагнитно излъчване с широк диапазон от честоти.

Принцип на работа

Устройствата за вмъкване съдържат поредица от магнитни полюси с периодична структура. Когато електронен (или друг зареден) сноп преминава през това периодично магнитно поле, той се отклонява на малки осцилации и излъчва синхротронна светлина. Интерференцията между вълните, излъчани от отделните периоди, определя спектралните и пространствените свойства на получения лъч.

Ключови параметри

• Периодна дължина (λu) — разстоянието между две последователни полюси в устройството.
• Параметър на отклонение (K) — безразмерна величина, пропорционална на магнитното поле и периодната дължина; тя определя дали устройството работи в режим на теснолентово излъчване (малки K) или в широколентов режим (големи K). Формулно K ≈ 0.934·B[T]·λu[cm].
• Брой на периодите — повече периоди дават по-висока яркост и по-тесни спектрални линии при режимите на интерференция.
• Поляризация — конструкцията на магнитите може да осигури линейна, кръгова или еллиптична поляризация.

Основни видове

В техническата литература най-често срещаните категории са:

• Ундулатори (undulators) — работят при относително малки стойности на K (K ≲ 1–2). Заради конструкцията и интерференцията между периодите те излъчват светлина в тесни спектрални линии (хармоници). Ундулаторите се използват тогава, когато е нужна висока брилиантност и тесен монохроматичен лъч.
• Виглъри (wigglers) — при големи K (K ≫ 1) отделните импулси не интерферируют така силно, затова спектърът е широк, подобен на традиционната синхротронна радиация, но с много по-голяма интензивност. Подходящи са за експерименти, които изискват голям брой фотони в широк енергиен диапазон.
• Типове по конструкция — постоянни магнити (permanent magnet), електромагнитни (adjustable pole electromagnets) и суперкондктивни устройства, както и специализирани конструкции за променлива поляризация (например APPLE-II).

Влияние върху ускорителя и експлоатация

Монтажът и работата на устройствата за вмъкване оказват влияние върху динамиката на снопа: допълнителни полета могат да променят орбитата, константите на индикация (tune) и разпределението на емитанс. Затова се налагат корекции на орбитата, компенсиращи магнити и прецизно настроени вакуумни камери и системи за охлаждане. Освен това е необходимо внимателно управление на топлинните натоварвания от синхротронната светлина и защити за детекторите и оптическата апаратура в лъчевите линии.

Приложения

Устройствата за вмъкване са ключов източник на високоинтензивна и добре колимирана синхротронна светлина. Те се използват в:

• Рентгенова дифракция и кристалография;
• Спектроскопия (XAS, EXAFS, RIXS и др.);
• Микроскопия и наноскопия;
• Изследвания на материали, биомолекули и динамични процеси в реално време;
• Свободно-електронни лазери (FEL), където ундулационните структури са основата за генериране на кохерентно излъчване с много висока яркост.

Заключение

Устройствата за вмъкване са сложни магнитни структури, които превръщат правите участъци на ускорителите в мощни и гъвкави източници на синхротронна светлина. Изборът между ундулатор и виглър, между различни конструктивни решения и параметри зависи от изискванията на експеримента — спектрален диапазон, поляризация, блясък и коерентност. Добрата интеграция в ускорителната система и правилната експлоатация са ключови за постигане на дълготрайна и стабилна работа на тези устройства.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява устройството за вмъкване?

В: Защо се наричат устройства за вмъкване?

В: Къде се използват устройствата за вмъкване?

В: Колко вида устройства за вмъкване има?

Въпрос: Какво представляват ундулаторите?

В: Какво представляват уиглърните?

В: Какво е предназначението на устройствата за вмъкване?

Търсене по буква