Undulatory i wigglery — źródło światła synchrotronowego w akceleratorach

Zasada działania

Podstawowym elementem undulatora lub wigglera jest okresowa struktura magnetyczna, która zmusza poruszające się z dużą prędkością elektrony do wykonywania oscylacyjnych odchyleń od kierunku prostopadłego do pola magnetycznego. Przy każdym zakręcie przyspieszony elektron emituje promieniowanie elektromagnetyczne. Charakter powstającego promieniowania zależy od amplitudy odchyleń i parametrów pola magnetycznego.

Różnice między undulatorami i wigglami

Istnieją dwa zasadnicze typy urządzeń wprowadzających:

• Undulatory — zazwyczaj o małej amplitudzie odchyleń wiązki (deflection parameter K ≲ 1). Emisja z kolejnych okresów interferuje wzajemnie, co prowadzi do wąskich maksymów spektralnych (harmoniki) i bardzo jasnej, quasi-monochromatycznej wiązki na określonych energiach fotonów.
• Wigglery — mają większą amplitudę (K ≫ 1). Emisja z poszczególnych okresów sumuje się niemal niezależnie, co daje szerokie pasmo promieniowania z rozkładem podobnym do zwykłego promieniowania synchrotronowego, o dużym strumieniu fotonów, ale bez wąskich linii spektralnych.

Główne parametry i ich znaczenie

• Okres magnetyczny (λu) — odległość pomiędzy kolejnymi biegunami magnetycznymi; decyduje o skali częstotliwości emitowanego promieniowania.
• Parametr odchylenia K — K = 0.934 · B[T] · λu[cm], gdzie B to natężenie pola magnetycznego; K wyznacza, czy urządzenie zachowuje się jak undulator (K ≲ 1) czy wiggler (K ≫ 1).
• Liczba okresów (N) — większe N daje w undulatorze węższe linie spektralne i większą jasność; w wigglerze zwiększa całkowity strumień fotonów.
• Emisja i jasność — undulatory mogą dostarczać bardzo wysoką jasność i częściową koherencję przy wąskim paśmie; wigglery oferują większy całkowity strumień w szerokim paśmie.
• Polaryzacja — układy planar­ne generują promieniowanie liniowo spolaryzowane; undulatory helikalne pozwalają uzyskać promieniowanie kołowo spolaryzowane, istotne w badaniach magnetycznych i spektroskopii.

Typy i konstrukcje

• Permanent-magnet — najczęściej stosowane; kompaktowe, bez potrzeby zasilania, o stabilnych właściwościach.
• Superprzewodzące — umożliwiają uzyskanie większych pól przy krótszych okresach, przydatne gdy wymagane są wysokie energie fotonów.
• Zmienne (tunable) undulatory — pozwalają zmieniać K lub okres efektywny (np. przez przesuwanie magnetów), co umożliwia dostrajanie energii fotonów bez konieczności zmiany energii elektronów.
• Planarne vs helikalne — planarne mają pola naprzemienne w jednej płaszczyźnie; helikalne wytwarzają skręcone pole, co daje kołową polaryzację.

Zastosowania

Undulatory i wigglery są kluczowymi źródłami promieniowania w instalacjach synchrotronowych i wolnych elektronowych laserach (FEL). Typowe zastosowania obejmują:

• spektroskopię rentgenowską i UV,
• dyfrakcję rentgenowską i badania strukturalne (kryształografia białek),
• mikroskopię i obrazowanie (tomografia, nano- i mikro-skaning),
• pomiary dynamiki i czasowo-rozdzielcze eksperymenty (stroboskopowe badania procesów ultrakrótkich),
• badania materiałów magnetycznych przy użyciu spolaryzowanego promieniowania.

Wpływ na wiązkę i aspekty inżynieryjne

Wstawienie periodycznego pola magnetycznego wpływa na parametry wiązki: może zmieniać jej optykę, powodować wzrost rozpraszania emisyjnego lub wymagać korekcji poprawiających orbitę. Dlatego projekt undulatora/wigglra uwzględnia:

• precyzyjną mechanikę i stabilność termiczną,
• kompatybilność z komorą próżniową i dostęp do chłodzenia,
• minimalizację aberracji magnetycznych i jednorodności pola,
• możliwość strojenia parametrów (np. zmiana gapa magnetycznego),
• wpływ na rozmiar i emisyjność wiązki — mniejsze emisyjności i energia elektronów zwiększają efektywność undulatorów dla wąskopasmowych aplikacji.

Podsumowanie

Undulatory i wigglery to wyspecjalizowane urządzenia wstawiające, które umożliwiają laboratoryjne wytwarzanie intensywnego promieniowania synchrotronowego o bardzo różnych własnościach: od quasi-monochromatycznych, wysoko jasnych wiązek po szerokopasmowe źródła o dużym strumieniu fotonów. Wybór między nimi zależy od wymagań eksperymentu — czy priorytetem jest wąskie pasmo i wysoka jasność, czy szerokie spektrum i maksymalny strumień.