Undulator
Un ondulator este un dispozitiv de inserție din fizica energiilor înalte și face parte, de obicei, dintr-o instalație mai mare, un inel de stocare sincrotronică. Acesta constă într-o structură periodică de magneți dipolari. Un câmp magnetic static alternează de-a lungul lungimii ondulatorului cu o lungime de undă λ u {\displaystyle \lambda _{u}}. 
. Electronii care traversează structura magnetică periodică sunt forțați să se supună unor oscilații. Astfel, electronii degajă energie sub formă de radiație electronomagnetică. Radiația produsă într-un ondulator este foarte intensă și concentrată în benzi energetice înguste din spectru. De asemenea, fasciculul de lumină este colimat pe planul orbitei electronilor. Această radiație este ghidată prin linii de fascicule pentru experimente în diverse domenii științifice.
Parametrul adimensional important
K = e B λ u 2 π β m e c {\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}} 
unde e este sarcina particulei, B este câmpul magnetic, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c}
, m e {\displaystyle m_{e}}
este masa de repaus a electronului și c este viteza luminii, caracterizează natura mișcării electronului. Pentru K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
, amplitudinea de oscilație a mișcării este mică, iar radiația prezintă modele de interferență care conduc la benzi energetice înguste. Dacă K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
amplitudinea de oscilație este mai mare, iar contribuțiile radiației din fiecare perioadă de câmp se însumează independent, ceea ce conduce la un spectru energetic larg. Atunci când K este mult mai mare decât 1, dispozitivul nu se mai numește ondulator, ci ondulator.
Fizicienii se gândesc la undulatoare atât folosind fizica clasică, cât și relativitatea. Aceasta înseamnă că, deși calculele de precizie sunt plictisitoare, ondulatorul poate fi considerat o cutie neagră. Un electron intră în această cutie și un impuls electromagnetic iese printr-o mică fantă de ieșire. Fanta ar trebui să fie suficient de mică pentru ca numai conul principal să treacă, astfel încât lobii laterali să poată fi ignorați.
Undulatoarele pot furniza un flux magnetic de sute de ori mai mare decât un simplu magnet de îndoire și, ca atare, sunt foarte solicitate la instalațiile de radiații sincrotronice. Pentru un ondulator care se repetă de N ori (N perioade), luminozitatea poate fi cu până la N 2 {\displaystyle N^{2}}
mai mare decât cea a unui magnet de îndoire. Intensitatea este sporită până la un factor N la lungimi de undă armonice datorită interferenței constructive a câmpurilor emise în timpul celor N perioade de radiație. Impulsul obișnuit este o undă sinusoidală cu un anumit plic. Al doilea factor N provine din reducerea unghiului de emisie asociat acestor armonici, care se reduce proporțional cu 1/N. Atunci când electronii vin cu jumătate din perioadă, aceștia interferează distructiv. Astfel, ondulatorul rămâne întunecat. Același lucru este valabil dacă electronii vin sub forma unui lanț de mărgele. Deoarece mănunchiul de electroni se împrăștie cu cât se deplasează de mai multe ori în jurul sincrotronului, fizicienii doresc să proiecteze noi aparate care să arunce mănunchiurile de electroni înainte ca acestea să aibă șansa de a se împrăștia. Această schimbare va produce radiații sincrotronice mai utile.
Polarizarea radiației emise poate fi controlată prin utilizarea magneților permanenți pentru a induce diferite traiectorii periodice ale electronilor prin ondulator. În cazul în care oscilațiile sunt limitate la un plan, radiația va fi polarizată liniar. Dacă traiectoria de oscilație este elicoidală, radiația va fi polarizată circular, cu o polaritate determinată de elice.
În cazul în care electronii urmează distribuția Poisson, o interferență parțială duce la o creștere liniară a intensității. În cazul laserului cu electroni liberi, intensitatea crește exponențial odată cu numărul de electroni.
Fizicienii măsoară eficiența unui ondulator în termeni de radiație spectrală.
Funcționarea ondulatorului. 1: magneți, 2: fascicul de electroni, 3: radiație sincrotronică.
Un wiggler multipolar, așa cum este utilizat în inelul de stocare de la Sincrotonul australian pentru a genera radiație sincrotronică.
Istoric
Primul ondulator a fost construit de Hans Motz și colaboratorii săi de la Stanford în 1953. Unul dintre ondulatoarele lor a produs prima radiație infraroșie coerentă din istorie. Gama lor totală de frecvențe era de la lumina vizibilă până la undele milimetrice. Fizicianul rus V.L. Ginzburg a arătat că undulatoarele pot fi realizate în principiu într-o lucrare din 1947.
Întrebări și răspunsuri
Î: Ce este un ondulator?
R: Un ondulator este un dispozitiv din fizica energiilor înalte care constă într-o structură periodică de magneți dipolari. Acesta forțează electronii să sufere oscilații, ceea ce produce radiații electromagnetice intense și concentrate în benzi energetice înguste.
Î: Ce parametru caracterizează natura mișcării electronilor?
R: Parametrul adimensional important K = eBλu/2πβmecc caracterizează natura mișcării electronilor, unde e este sarcina particulei, B este câmpul magnetic, β = v/c , me este masa de repaus a electronului și c este viteza luminii.
Î: Cum se compară un ondulator cu un magnet de îndoire în ceea ce privește fluxul magnetic?
R: Undulatoarele pot furniza un flux magnetic de sute de ori mai mare decât un simplu magnet de îndoire.
Î: Cum afectează interferențele intensitatea atunci când se utilizează un ondulator?
R: Dacă K ≤ 1, atunci amplitudinea de oscilație este mică și radiația prezintă modele de interferență care conduc la benzi de energie înguste. Dacă K ≥ 1, atunci amplitudinea de oscilație este mai mare și contribuțiile radiației din fiecare perioadă de câmp se însumează independent, ceea ce duce la un spectru energetic larg.
Î: Cum poate fi controlată polarizarea atunci când se utilizează un ondulator?
R: Polarizarea poate fi controlată prin utilizarea magneților permanenți pentru a induce diferite traiectorii periodice ale electronilor prin ondulator. Dacă oscilațiile sunt limitate la un plan, radiația va fi polarizată liniar; dacă traiectoria este elicoidală, radiația va fi polarizată circular, cu o orientare determinată de elice.
Î: Cum crește intensitatea cu numărul de electroni în cazul laserelor cu electroni liberi?
R: Atunci când electronii urmează distribuția Poisson, interferența parțială duce la creșterea liniară a intensității; pentru laserele cu electroni liberi, intensitatea crește exponențial cu numărul de electroni.
Î: Ce măsură folosesc fizicienii pentru a evalua eficacitatea unui ondulator?
R: Fizicienii măsoară eficacitatea unui ondulator în termeni de radiație spectrală.
