Undulator - Undulator

Arbeid av undulator. 1: magneter, 2: elektronstråle som kommer inn fra øvre venstre, 3: synkrotronstråling som går ned til høyre

En undulator er en innsettingsenhet fra høyenergifysikk og vanligvis en del av en større installasjon, en synkrotron lagringsring , eller den kan være en komponent i en fri elektronlaser . Den består av en periodisk struktur av dipolmagneter . Dette kan være permanente magneter eller superledende magneter . Det statiske magnetfeltet alternerer langs bølgelengden med en bølgelengde . Elektroner som krysser den periodiske magnetstrukturen blir tvunget til å gjennomgå svingninger og dermed til å utstråle energi. Strålingen produsert i en undulator er veldig intens og konsentrert i smale energibånd i spekteret. Det kollimeres også på elektronenes baneplan. Denne strålingen blir ledet gjennom bjelkelinjer for eksperimenter i forskjellige vitenskapelige områder. ${\ displaystyle \ lambda _ {u}}$

Undulatorstyrkeparameteren er:

${\ displaystyle K = {\ frac {eB \ lambda _ {u}} {2 \ pi m_ {e} c}}}$ ,

hvor e er elektronladningen, B er magnetfeltet, er den romlige perioden til undulatormagneter, er elektronhvilen og c er lysets hastighet. ${\ displaystyle \ lambda _ {u}}$${\ displaystyle m_ {e}}$

Denne parameteren karakteriserer elektronbevegelsen. For bevegelsens svingning er amplituden liten, og strålingen viser interferensmønstre som fører til smale energibånd. Hvis svingningsamplituden er større og strålingsbidragene fra hver feltperiode oppsummeres uavhengig, noe som fører til et bredt energispektrum. I dette feltregimet kalles ikke enheten lenger en undulator ; det kalles en wiggler . ${\ displaystyle K \ ll 1}$${\ displaystyle K \ gg 1}$

Hovedforskjellen mellom undulator og wiggler er sammenheng. I tilfelle en undulator er den utstrålte strålingen koherent med en bølgelengde bestemt av periodelengden og strålenergien, mens elektronene i wiggler ikke er koherente.

Den vanlige beskrivelsen av undulatoren er relativistisk, men klassisk. Dette betyr at selv om en presis beregning er kjedelig, kan undulatoren sees på som en svart boks , der bare funksjoner inne i enheten påvirker hvordan en inngang konverteres til en utgang; et elektron kommer inn i boksen og en elektromagnetisk puls går ut gjennom en liten utgangssliss. Spalten skal være liten nok til at bare hovedkeglen passerer, og sidelappene til bølgelengdespektrene kan ignoreres.

Undulators kan gi flere størrelsesordener høyere strøm enn en enkel bøyemagnet og er som sådan i høy etterspørsel ved synkrotronstrålingsanlegg. For en undulator med N-perioder kan lysstyrken være opptil mer enn en bøyemagnet . Den første faktoren av N oppstår fordi intensiteten forbedres opp til en faktor N ved harmoniske bølgelengder på grunn av den konstruktive forstyrrelsen til feltene som sendes ut under N-strålingsperioder. Den vanlige pulsen er en sinus med litt konvolutt. Den andre faktoren av N kommer fra reduksjonen av utslippsvinkelen assosiert med disse overtonene, som er redusert som 1 / N. Når elektronene kommer med halve perioden, forstyrrer de destruktivt, undulatoren forblir mørk. Det samme gjelder, hvis de kommer som en perlekjede. ${\ displaystyle N ^ {2}}$

Polarisasjonen av den utstrålte strålingen kan kontrolleres ved å bruke permanente magneter for å indusere forskjellige periodiske elektronbaner gjennom undulatoren. Hvis svingningene er begrenset til et plan, vil strålingen være lineært polarisert. Hvis svingningsbanen er spiralformet, vil strålingen bli sirkulært polarisert, med hånden bestemt av spiralen.

Hvis elektronene følger Poisson-fordelingen, fører en delvis interferens til en lineær økning i intensitet. I den frie elektronlaseren øker intensiteten eksponentielt med antall elektroner.

En undulator's fortjeneste er spektral utstråling .

Historie

Den russiske fysikeren Vitaly Ginzburg viste teoretisk at undulators kunne bygges i et papir fra 1947. Julian Schwinger publiserte et nyttig papir i 1949 som reduserte de nødvendige beregningene til Bessel-funksjoner , som det var tabeller for. Dette var viktig for å løse designligningene, da digitale datamaskiner ikke var tilgjengelig for de fleste akademikere på den tiden.

Hans Motz og hans kolleger ved Stanford University demonstrerte den første undulatoren i 1952. Den produserte den første menneskeskapte sammenhengende infrarøde strålingen. Designet kan produsere et totalt frekvensområde fra synlig lys ned til millimeterbølger .

Referanser

Eksterne linker

• DT Attwoods side på Berkeley: Myke røntgenstråler og ekstrem ultrafiolett stråling . Hans forelesning og visningsbilder er tilgjengelige online.