Ontregelaar
Een undulator is een invoegtoestel uit de hoge energiefysica en maakt meestal deel uit van een grotere installatie, een synchrotron-opslagring. Het bestaat uit een periodieke structuur van dipoolmagneten. Een statisch magnetisch veld wordt afgewisseld met een golflengte λ u {\\\\lambda} 
. Elektronen die de periodieke magneetstructuur doorkruisen worden gedwongen om oscillaties te ondergaan. De elektronen geven dus energie af als elektronenmagnetische straling. De straling die in een undulator wordt geproduceerd is zeer intens en geconcentreerd in smalle energiebanden in het spectrum. De lichtstraal wordt ook gecollimeerd op het baanvlak van de elektronen. Deze straling wordt door stralingslijnen geleid voor experimenten in verschillende wetenschappelijke gebieden.
De belangrijke dimensieloze parameter
K = e B λ u 2 π β m e c {\frac {eBlambda _{u}}{2pi {e}c}} 
waarbij e de deeltjeslading is, B het magnetisch veld, β = v / c {\\beta =v/c} 
, m e {displaystyle m_{e}}
is de elektronenrustmassa en c de lichtsnelheid, kenmerkt de aard van de elektronenbeweging. Voor K ≪ 1 {displaystyle K\ll 1}
is de oscillatieamplitude van de beweging klein en vertoont de straling interferentiepatronen die leiden tot smalle energiebanden. Als K ≫ 1 {\playstyle K\gg 1}
de oscillatieamplitude groter is en de stralingsbijdragen van elke veldperiode onafhankelijk van elkaar optellen, wat leidt tot een breed energiespectrum. Als K veel groter is dan 1, wordt het apparaat niet langer een undulator genoemd, maar een wiggler.
Fysicus denkt aan golfbewegingen, zowel met behulp van de klassieke fysica als met behulp van de relativiteit. Dit betekent dat hoewel de precisieberekening vervelend is, de golfbreker als een zwarte doos kan worden gezien. Een elektron gaat deze doos binnen en een elektromagnetische puls gaat uit via een kleine uitgangsspleet. De spleet moet klein genoeg zijn om alleen de hoofdkegel te laten passeren, zodat de zijdelingse lobben genegeerd kunnen worden.
Ontladers kunnen honderden malen meer magnetische flux leveren dan een eenvoudige buigmagneet en zijn als zodanig veelgevraagd bij synchrotronstralingsinstallaties. Voor een ontdubbelaar die N-tijden (N-periodes) herhaalt, kan de helderheid tot N 2 ^{displaystyle N^{2}}
meer zijn dan een buigmagneet. De intensiteit wordt verhoogd tot een factor N bij harmonische golflengten door de constructieve interferentie van de velden die tijdens de N-stralingsperioden worden uitgezonden. De gebruikelijke puls is een sinusgolf met wat omhulling. De tweede factor van N komt voort uit de vermindering van de emissiehoek die samenhangt met deze harmonischen, die in verhouding tot 1/N wordt gereduceerd. Wanneer de elektronen met de helft van de periode komen, storen ze destructief. De golfbeweging blijft dus donker. Hetzelfde geldt als de elektronen als een parelketting komen. Omdat de elektronenbundel zich verspreidt naarmate ze meer keren rond de synchrotron reizen, willen natuurkundigen nieuwe machines ontwerpen die de elektronenbundels weggooien voordat ze de kans krijgen om zich te verspreiden. Deze verandering zal meer bruikbare synchrotronstraling opleveren.
De polarisatie van de uitgezonden straling kan worden gecontroleerd door het gebruik van permanente magneten om verschillende periodieke elektronenbanen door de undulator te induceren. Als de oscillaties beperkt blijven tot een vlak zal de straling lineair gepolariseerd zijn. Als de oscillatiebaan spiraalvormig is, zal de straling circulair gepolariseerd zijn, waarbij de handigheid bepaald wordt door de helix.
Als de elektronen de Poisson-verdeling volgen, leidt een gedeeltelijke storing tot een lineaire verhoging van de intensiteit. In de vrije-elektronenlaser neemt de intensiteit exponentieel toe met het aantal elektronen.
Fysici meten de effectiviteit van een undulator in termen van spectrale uitstraling.
Werking van de ontstopper. 1: magneten, 2: elektronenbundel, 3: synchrotronstraling.
Een meerpolige wiggler, zoals gebruikt in de opslagring bij de Australische Synchrotron om synchrotronstraling te genereren.
Geschiedenis
De eerste undulator werd in 1953 door Hans Motz en zijn medewerkers op Stanford gebouwd. Een van hun undulators produceerde de allereerste coherente infraroodstraling. Hun totale frequentiebereik ging van zichtbaar licht tot millimetergolven. De Russische natuurkundige V.L. Ginzburg liet zien dat de golfbrekers in principe in 1947 konden worden gemaakt.
Vragen en antwoorden
V: Wat is een undulator?
A: Een undulator is een apparaat uit de hoge-energiefysica dat bestaat uit een periodieke structuur van dipoolmagneten. Het dwingt elektronen om oscillaties te ondergaan, wat intense en geconcentreerde elektromagnetische straling in smalle energiebanden produceert.
V: Welke parameter kenmerkt de aard van de elektronenbeweging?
A: De belangrijke dimensieloze parameter K = eBλu/2πβmecc karakteriseert de aard van de elektronenbeweging, waarbij e de deeltjeslading is, B het magneetveld, β = v/c , me de rustmassa van het elektron en c de lichtsnelheid.
V: Hoe verhoudt een undulator zich tot een buigmagneet in termen van magnetische flux?
Antwoord: Undulators kunnen honderden keren meer magnetische flux leveren dan een eenvoudige buigmagneet.
V: Hoe beïnvloedt interferentie de intensiteit bij gebruik van een undulator?
A: Als K ≤ 1, is de oscillatieamplitude klein en vertoont de straling interferentiepatronen die leiden tot smalle energiebanden. Als K ≥ 1, dan is de oscillatieamplitude groter en worden de stralingsbijdragen van elke veldperiode onafhankelijk opgeteld, wat leidt tot een breed energiespectrum.
V: Hoe kan de polarisatie worden geregeld bij gebruik van een undulator?
A: Polarisatie kan worden geregeld door permanente magneten te gebruiken om verschillende periodieke elektronentrajecten door de undulator te induceren. Als de oscillaties beperkt blijven tot een vlak, zal de straling lineair gepolariseerd zijn; als de baan spiraalvormig is, zal de straling cirkelvormig gepolariseerd zijn, waarbij de richting bepaald wordt door de spiraal.
V: Hoe neemt de intensiteit bij vrije-elektronenlasers toe met het aantal elektronen?
A: Als de elektronen een Poisson-verdeling volgen, leidt gedeeltelijke interferentie tot een lineaire toename van de intensiteit; bij vrije-elektronenlasers neemt de intensiteit exponentieel toe met het aantal elektronen.
V: Welke maatstaf gebruiken natuurkundigen om de doeltreffendheid van een undulator te evalueren?
A: Natuurkundigen meten de doeltreffendheid van een undulator in termen van spectrale straling.
