Ондулятор - Undulator

Работа ондулятора. 1: магниты, 2: электронный пучок, входящий в верхний левый угол, 3: синхротронное излучение, выходящее в нижний правый угол.

An ондулятор является устройство для вставки от физика высоких энергий и обычно является частью более крупной установки, синхротрон кольцо для хранения, или это может быть компонент лазер на свободных электронах. Он состоит из периодической структуры дипольные магниты. Это может быть постоянные магниты или сверхпроводящие магниты. Статический магнитное поле чередуется по длине ондулятора с длиной волны ${ displaystyle lambda _ {u}}$ . Электроны, проходящие через периодическую структуру магнита, вынуждены совершать колебания и, таким образом, излучать энергию. Излучение, создаваемое ондулятором, очень интенсивно и сосредоточено в узких энергетических полосах спектра. Это также коллимированный на плоскости орбиты электронов. Это излучение проходит через лучи для экспериментов в различных научных областях.

Параметр силы ондулятора:

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

,

где е - заряд электрона, B магнитное поле, ${ displaystyle lambda _ {u}}$ - пространственный период магнитов ондулятора, ${ displaystyle m_ {e}}$ - масса покоя электрона, а c это скорость света.

Этот параметр характеризует характер движения электрона. Для ${ displaystyle K ll 1}$ амплитуда колебаний мала, а излучение демонстрирует интерференционные картины, которые приводят к узким энергетическим полосам. Если ${ displaystyle K gg 1}$ амплитуда колебаний больше, а вклады излучения от каждого периода поля суммируются независимо, что приводит к широкому энергетическому спектру. В этом режиме полей устройство больше не называют ондулятор; это называется виглер.

Обычное описание ондулятора релятивистское, но классическое.^{[нужна цитата ]} Это означает, что хотя точный расчет утомителен, ондулятор можно рассматривать как черный ящик, где только функции внутри устройства влияют на то, как вход преобразуется в выход; электрон попадает в ящик, а электромагнитный импульс выходит через небольшую выходную щель. Щель должна быть достаточно маленькой, чтобы проходил только основной конус, а боковыми лепестками спектров длин волн можно было пренебречь.

Ондуляторы могут обеспечивать на несколько порядков больший поток, чем простой поворотный магнит, и поэтому они очень востребованы на объектах синхротронного излучения. Для ондулятора с N периодами яркость может быть до ${ displaystyle N ^ {2}}$ больше, чем поворотный магнит. Первый фактор N возникает из-за того, что интенсивность увеличивается до N раз на гармонических длинах волн из-за конструктивной интерференции полей, излучаемых в течение N периодов излучения. Обычный импульс - это синус с некоторой огибающей. Второй коэффициент N возникает из-за уменьшения угла излучения, связанного с этими гармониками, который уменьшается как 1 / N. Когда электроны приходят с половиной периода, они деструктивно интерферируют, ондулятор остается темным. То же верно, если они идут в виде бусин.

Поляризацией испускаемого излучения можно управлять с помощью постоянных магнитов, индуцирующих различные периодические траектории электронов через ондулятор. Если колебания ограничены плоскостью, излучение будет линейно поляризованным. Если траектория колебаний является спиральной, излучение будет поляризованным по кругу, причем вращение будет определяться спиралью.

Если электроны следуют за распределение Пуассона частичная интерференция приводит к линейному увеличению интенсивности. лазер на свободных электронах^[1] интенсивность растет экспоненциально с увеличением числа электронов.

Ондулятор добродетель является спектральное сияние.

История

Русский физик Виталий Гинзбург Теоретически показал возможность построения ондуляторов в статье 1947 года. Джулиан Швингер опубликовал полезную статью в 1949 г.^[2] что сократило необходимые вычисления до Функции Бесселя, для которых были таблицы. Это было важно для решения проектных уравнений, поскольку в то время цифровые компьютеры не были доступны большинству ученых.

Ганс Моц и его коллеги в Стэндфордский Университет продемонстрировал первый ондулятор в 1952 г.^[3]^[4] Он произвел первое искусственное когерентное инфракрасное излучение. Конструкция могла обеспечить полный частотный диапазон от видимого света до миллиметровые волны.

использованная литература

^ Паоло Лучини, Ханс Моц, Ондуляторы и лазеры на свободных электронах, Oxford University Press, 1990.
^ Швингер, Джулиан (1949). «О классическом излучении ускоренных электронов». Физический обзор. 75 (12): 1912. Bibcode:1949ПхРв ... 75.1912С. Дои:10.1103 / PhysRev.75.1912.
^ Моц, Ганс (1951). «Приложения излучения пучков быстрых электронов». Журнал прикладной физики. 22 (5): 527. Bibcode:1951JAP .... 22..527M. Дои:10.1063/1.1700002.
^ Motz, H .; Thon, W .; Уайтхерст, Р. Н. (1953). «Эксперименты по излучению пучками быстрых электронов». Журнал прикладной физики. 24 (7): 826. Bibcode:1953JAP .... 24..826M. Дои:10.1063/1.1721389.

внешние ссылки

Страница Д. Т. Этвуда в Беркли: Мягкие рентгеновские лучи и экстремальное ультрафиолетовое излучение. Его лекция и графики доступны в Интернете.

[1] Паоло Лучини, Ханс Моц, Ондуляторы и лазеры на свободных электронах, Oxford University Press, 1990.

[js-2] Швингер, Джулиан (1949). «О классическом излучении ускоренных электронов». Физический обзор. 75 (12): 1912. Bibcode:1949ПхРв ... 75.1912С. Дои:10.1103 / PhysRev.75.1912.

[3] Моц, Ганс (1951). «Приложения излучения пучков быстрых электронов». Журнал прикладной физики. 22 (5): 527. Bibcode:1951JAP .... 22..527M. Дои:10.1063/1.1700002.

[4] Motz, H .; Thon, W .; Уайтхерст, Р. Н. (1953). «Эксперименты по излучению пучками быстрых электронов». Журнал прикладной физики. 24 (7): 826. Bibcode:1953JAP .... 24..826M. Дои:10.1063/1.1721389.

[1]

[2]

[3]

[4]