Undulator
En undulator är en insättningsanordning inom högenergifysik och ingår vanligtvis i en större installation, en synkrotronlagringsring. Den består av en periodisk struktur av dipolmagneter. Ett statiskt magnetfält är växlande längs undulatorns längd med en våglängd λ u {\displaystyle \lambda _{u}} 
. Elektroner som passerar genom den periodiska magnetstrukturen tvingas genomgå svängningar. Elektronerna avger alltså energi som elektromagnetisk strålning. Den strålning som produceras i en undulator är mycket intensiv och koncentrerad till smala energiband i spektrumet. Ljusstrålen är också kollimerad på elektronernas banplan. Denna strålning styrs genom strålrör för experiment inom olika vetenskapliga områden.
Den viktiga dimensionslösa parametern
K = e B λ u 2 π β m e c {\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2pi \beta m_{e}c}}}} 
där e är partikelns laddning, B är magnetfältet, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c}
, m e {\displaystyle m_{e}}}
är elektronens vilomassa och c är ljusets hastighet, karakteriserar elektronrörelsens karaktär. För K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
är rörelsens svängningsamplitud liten och strålningen uppvisar interferensmönster som leder till smala energiband. Om K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
är oscillationsamplituden större och strålningsbidragen från varje fältperiod summerar oberoende av varandra, vilket leder till ett brett energispektrum. När K är mycket större än 1 kallas anordningen inte längre för en undulator utan för en wiggler.
Fysiker tänker på undulatorer både med hjälp av klassisk fysik och relativitetsteori. Detta innebär att undulatorn kan ses som en svart låda, även om precisionsberäkningarna är tråkiga. En elektron går in i denna låda och en elektromagnetisk puls går ut genom en liten spalt. Spalten bör vara tillräckligt liten så att endast huvudkonen passerar, så att sidoloberna kan ignoreras.
Undulatorer kan ge hundratals gånger mer magnetiskt flöde än en enkel böjningsmagnet och är därför mycket efterfrågade vid synkrotronstrålningsanläggningar. För en undulator som upprepas N gånger (N perioder) kan ljusstyrkan vara upp till N 2 {\displaystyle N^{2}}
mer än en böjningsmagnet. Intensiteten förstärks upp till en faktor N vid harmoniska våglängder på grund av den konstruktiva interferensen av de fält som avges under de N strålningsperioderna. Den vanliga pulsen är en sinusvåg med en viss omslagsform. Den andra faktorn N kommer från minskningen av den emissionsvinkel som är förknippad med dessa övertoner, som minskas i proportion till 1/N. När elektronerna kommer med halva perioden interfererar de destruktivt. Undulatorn förblir alltså mörk. Samma sak gäller om elektronerna kommer som en pärlkedja. Eftersom elektronbunten sprider sig ju fler gånger de färdas runt synkrotronen vill fysikerna konstruera nya maskiner som kastar ut elektronbunkarna innan de har en chans att sprida sig. Denna förändring kommer att producera mer användbar synkrotronstrålning.
Polariseringen av den emitterade strålningen kan kontrolleras genom att använda permanentmagneter för att inducera olika periodiska elektronbanor genom undulatorn. Om svängningarna är begränsade till ett plan kommer strålningen att vara linjärt polariserad. Om svängningsbanan är spiralformad kommer strålningen att vara cirkulärt polariserad, med en handled som bestäms av spiralen.
Om elektronerna följer Poisson-fördelningen leder en partiell interferens till en linjär ökning av intensiteten. I en frielektronlaser ökar intensiteten exponentiellt med antalet elektroner.
Fysiker mäter en undulators effektivitet i termer av spektralstrålning.
Arbetet med undulatorn. 1: magneter, 2: elektronstråle, 3: synkrotronstrålning.
En multipolig wiggler, som används i lagringsringen vid Australian Synchrotron för att generera synkrotronstrålning.
Historia
Den första undulatorn byggdes av Hans Motz och hans medarbetare på Stanford 1953. En av deras undulatorer producerade den första sammanhängande infraröda strålningen någonsin. Deras totala frekvensområde sträckte sig från synligt ljus ner till millimetervågor. Den ryske fysikern V.L. Ginzburg visade i en artikel från 1947 att undulatorer i princip kunde tillverkas.
Frågor och svar
F: Vad är en undulator?
S: En undulator är en anordning från högenergifysiken som består av en periodisk struktur av dipolmagneter. Den tvingar elektroner att genomgå svängningar, vilket ger upphov till intensiv och koncentrerad elektromagnetisk strålning i smala energiband.
F: Vilken parameter karakteriserar elektronrörelsens karaktär?
S: Den viktiga dimensionslösa parametern K = eBλu/2πβmecc karakteriserar elektronrörelsens natur, där e är partikelns laddning, B är magnetfältet, β = v/c , me är elektronens vilomassa och c är ljusets hastighet.
F: Hur kan en undulator jämföras med en böjningsmagnet när det gäller det magnetiska flödet?
S: Undulatorer kan ge hundratals gånger mer magnetiskt flöde än en enkel böjningsmagnet.
F: Hur påverkar interferens intensiteten när man använder en undulator?
S: Om K ≤ 1 är svängningsamplituden liten och strålningen uppvisar interferensmönster som leder till smala energiband. Om K ≥ 1 är oscillationsamplituden större och strålningsbidragen från varje fältperiod summeras oberoende av varandra, vilket leder till ett brett energispektrum.
F: Hur kan polarisationen kontrolleras när man använder en undulator?
S: Polarisationen kan kontrolleras genom att använda permanentmagneter för att inducera olika periodiska elektronbanor genom undulatorn. Om svängningarna är begränsade till ett plan kommer strålningen att vara linjärt polariserad; om banan är spiralformad kommer strålningen att vara cirkulärt polariserad, med en handled som bestäms av spiralen.
F: Hur ökar intensiteten med antalet elektroner för frielektronlasrar?
S: När elektronerna följer Poisson-fördelningen leder partiell interferens till en linjär ökning av intensiteten.
F: Vilket mått använder fysiker för att utvärdera en undulators effektivitet?
S: Fysiker mäter en undulators effektivitet i termer av spektralstrålning.
