Undulator

Falownik jest urządzeniem wstawiającym z fizyki wysokoenergetycznej i zazwyczaj jest częścią większej instalacji, synchrotronowego pierścienia magazynującego. Składa się on z okresowej struktury magnesów dipolowych. Statyczne pole magnetyczne jest zmienne na długości fal falownika o długości λ u {\i1}displaistylu lambda _{u}}. {\displaystyle \lambda _{u}}. Elektrony poruszające się po okresowej strukturze magnesu są zmuszone do poddawania się oscylacji. Tak więc elektrony wydzielają energię w postaci promieniowania elektronowo-magnetycznego. Promieniowanie wytwarzane w falowniku jest bardzo intensywne i koncentruje się w wąskich pasmach energii w widmie. Wiązka światła jest również kolimowana na płaszczyźnie orbitalnej elektronów. Promieniowanie to jest kierowane przez linie promieniowania do eksperymentów w różnych dziedzinach nauki.

Ważny bezwymiarowy parametr

K = e B λ u 2 π β m e c {\i1}displaystyle K==frac {eB \i0}lambda _{u}}{2}pi {\i1}beta m_{e}c}}} {\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}}

gdzie e jest ładunkiem cząsteczkowym, B jest polem magnetycznym, β = v / c {\i1}displaistylu \i0}beta =v/c}{\displaystyle \beta =v/c} , m e {\i1}displaistylu m_{e}}{\displaystyle m_{e}} jest masą spoczynkową elektronu, a c jest prędkością światła, charakteryzuje naturę ruchu elektronu. Dla K 1 {\i1}wyświetlacz Kll 1}{\displaystyle K\ll 1} amplituda oscylacji ruchu jest mała, a promieniowanie wykazuje wzorce zakłóceń, które prowadzą do wąskich pasm energii. Jeśli K 1 {\i1}wyświetlacz Kgg 1}{\displaystyle K\gg 1} amplituda oscylacji jest większa, a wkład promieniowania z każdego okresu pola sumuje się niezależnie, prowadząc do szerokiego spektrum energii. Gdy K jest znacznie większe od 1, urządzenie nie jest już nazywane falownikiem, lecz wiggelerem.

Fizycy myślą o falownikach zarówno z wykorzystaniem fizyki klasycznej, jak i względności. Oznacza to, że mimo że obliczanie precyzji jest żmudne, to falownik może być postrzegany jako czarna skrzynka. Elektron wchodzi do tej skrzynki, a impuls elektromagnetyczny wychodzi przez małą szczelinę wylotową. Szczelina ta powinna być na tyle mała, aby przechodził przez nią tylko główny stożek, tak aby można było zignorować boczne płatki.

Odkurzacze mogą zapewnić setki razy większy strumień magnetyczny niż zwykły magnes zginający i jako takie są bardzo potrzebne w instalacjach promieniowania synchrotronowego. W przypadku undulatora, który powtarza N razy (okresy N), jasność może być do N 2 {\i0}więcej niż{\displaystyle N^{2}}magnesu zginającego. Intensywność jest zwiększona do współczynnika N przy długościach fal harmonicznych ze względu na konstruktywne zakłócenia pól emitowanych podczas okresów promieniowania N. Typowym impulsem jest fala sinusoidalna z pewną obwiednią. Drugi czynnik N pochodzi z redukcji kąta emisji związanej z tymi harmonicznymi, który jest zredukowany proporcjonalnie do 1/N. Gdy elektrony przychodzą z połową okresu, zakłócają się destrukcyjnie. Tak więc, falownik pozostaje ciemny. Tak samo jest w przypadku, gdy elektrony przychodzą jako łańcuch koralików. Ponieważ wiązka elektronów rozprzestrzenia się tym bardziej, im więcej razy podróżuje wokół synchrotronu, fizycy chcą zaprojektować nowe maszyny, które wyrzucają wiązki elektronów zanim będą miały szansę się rozprzestrzenić. Ta zmiana spowoduje, że promieniowanie synchrotronowe będzie bardziej użyteczne.

Polaryzacja emitowanego promieniowania może być kontrolowana za pomocą magnesów stałych w celu wywołania różnych okresowych trajektorii elektronów przez falownik. Jeśli oscylacje są ograniczone do płaszczyzny, promieniowanie będzie spolaryzowane liniowo. Jeżeli trajektoria oscylacji jest spiralna, to promieniowanie będzie spolaryzowane kołowo, a jego kierunkowość będzie określona przez spiralę.

Jeśli elektrony podążają za rozkładem Poissona, częściowe zakłócenie prowadzi do liniowego wzrostu natężenia. W laserzena wolnych elektronach intensywność wzrasta wykładniczo wraz z liczbą elektronów.

Fizycy mierzą skuteczność falownika w zakresie promieniowania spektralnego.

Praca undulatora. 1: magnesy, 2: wiązka elektronów, 3: promieniowanie synchrotronoweZoom
Praca undulatora. 1: magnesy, 2: wiązka elektronów, 3: promieniowanie synchrotronowe

Wielobiegunowy wigler, stosowany w pierścieniu magazynującym w australijskim Synchrotronie do generowania promieniowania synchrotronowegoZoom
Wielobiegunowy wigler, stosowany w pierścieniu magazynującym w australijskim Synchrotronie do generowania promieniowania synchrotronowego

Historia

Pierwszy falownik został zbudowany przez Hansa Motza i jego współpracowników w Stanford w 1953 roku. Jeden z ich falowników wytworzył pierwsze w historii spójne promieniowanie podczerwone. Ich całkowity zakres częstotliwości wahał się od światła widzialnego do fal milimetrowych. Rosyjski fizyk V.L. Ginzburg pokazał, że falowniki mogą być w zasadzie wykonane w 1947 roku.

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest undulator?


O: Undulator to urządzenie z fizyki wysokich energii, które składa się z periodycznej struktury magnesów dipolowych. Zmusza on elektrony do oscylacji, co powoduje intensywne i skoncentrowane promieniowanie elektromagnetyczne w wąskich pasmach energetycznych.

P: Jaki parametr charakteryzuje charakter ruchu elektronów?


O: Ważny bezwymiarowy parametr K = eBλu/2πβmecc charakteryzuje charakter ruchu elektronu, gdzie e jest ładunkiem cząstki, B jest polem magnetycznym, β = v/c , me jest masą spoczynkową elektronu, a c jest prędkością światła.

P: Jak wypada undulator w porównaniu do magnesu zginającego pod względem strumienia magnetycznego?


O: Undulatory mogą zapewnić setki razy większy strumień magnetyczny niż zwykły magnes zginający.

P: Jak zakłócenia wpływają na natężenie światła przy stosowaniu undulatora?


O: Jeżeli K ≤ 1, to amplituda oscylacji jest mała i promieniowanie wykazuje wzorce interferencyjne, które prowadzą do wąskich pasm energetycznych. Jeżeli K ≥ 1, to amplituda oscylacji jest większa i wkłady promieniowania z każdego okresu pola sumują się niezależnie, co prowadzi do szerokiego spektrum energetycznego.

P: Jak można kontrolować polaryzację przy użyciu undulatora?


O: Polaryzację można kontrolować za pomocą magnesów stałych, które indukują różne okresowe trajektorie elektronów przez undulator. Jeżeli oscylacje są ograniczone do płaszczyzny, promieniowanie będzie spolaryzowane liniowo; jeżeli trajektoria jest spiralna, promieniowanie będzie spolaryzowane kołowo, przy czym stopień rozdwojenia zależy od spirali.

P: Jak wzrasta natężenie wraz z liczbą elektronów w laserach na swobodnych elektronach?


O: Gdy elektrony mają rozkład Poissona, częściowa interferencja prowadzi do liniowego wzrostu natężenia; w przypadku laserów na swobodnych elektronach natężenie rośnie wykładniczo wraz z liczbą elektronów.

P: Jakiej miary używają fizycy, aby ocenić skuteczność undulatora?


O: Fizycy mierzą skuteczność undulatora w kategoriach widmowego promieniowania.

AlegsaOnline.com - 2020 / 2023 - License CC3