Undulaator
Undulaator on kõrgeenergiafüüsika sisestusseade, mis on tavaliselt osa suuremast rajatisest, sünkrotroni salvestusringist. See koosneb dipoolmagnetite perioodilisest struktuurist. Piki undulaatori pikkust vaheldub staatiline magnetväli lainepikkusega λ u {\displaystyle \lambda _{u}}. 
. Perioodilist magnetstruktuuri läbivad elektronid on sunnitud läbima võnkumisi. Seega annavad elektronid energiat välja elektronmagnetilise kiirguse kujul. Undulaatoris tekkiv kiirgus on väga intensiivne ja kontsentreeritud spektri kitsastesse energiaribadesse. Samuti on valguskiir kollimeeritud elektronide orbiidi tasapinnal. Seda kiirgust juhitakse läbi kiirgusliinide erinevate teadusvaldkondade eksperimentide jaoks.
Oluline mõõtmeta parameeter
K = e B λ u 2 π β m e c {\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}} 
kus e on osakese laeng, B on magnetväli, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c}
, m e {\displaystyle m_{e}}
on elektroni puhkemass ja c on valguse kiirus, iseloomustab elektroni liikumise iseloomu. K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
korral on liikumise võnkeamplituud väike ja kiirgus näitab interferentsmustreid, mis viivad kitsaste energiaribade tekkimiseni. Kui K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
on võnkumise amplituud suurem ja iga väliperioodi kiirguse panus summeerub iseseisvalt, mis viib laia energiaspektri tekkimiseni. Kui K on palju suurem kui 1, ei nimetata seadet enam undulaatoriks, vaid vingerdajaks.
Füüsikud mõtlevad undulaatorite üle nii klassikalise füüsika kui ka relatiivsusteooria abil. See tähendab, et kuigi täpsed arvutused on tüütud, võib undulaatorit vaadelda kui musta kasti. Elektron siseneb sellesse kasti ja elektromagnetiline impulss väljub läbi väikese väljumisriba. See pilu peaks olema piisavalt väike, et ainult põhikoonus läbiks, nii et külgmisi lobisid võib ignoreerida.
Undulaatorid suudavad pakkuda sadu kordi suuremat magnetvoogu kui lihtne paindemagnet ja seetõttu on nad väga nõutud sünkrotronkiirguse rajatistes. N korda (N perioodi) korduva undulaatori heledus võib olla kuni N 2 {\displaystyle N^{2}}
suurem kui painutusmagnetil. Intensiivsus suureneb kuni N korda N harmoonilistel lainepikkustel N kiiritusperioodi jooksul kiiratavate väljade konstruktiivse interferentsi tõttu. Tavaline impulss on mingi ümbrikuga siinuslaine. Teine tegur N tuleneb nende harmoonikatega seotud kiirgusnurga vähenemisest, mis väheneb proportsionaalselt 1/N. Kui elektronid tulevad poole perioodiga, siis interfereerivad nad destruktiivselt. Seega jääb undulaator pimedaks. Sama kehtib ka siis, kui elektronid tulevad helmeketi kujul. Kuna elektronide kobarad levivad seda rohkem, mida rohkem kordi nad ümber sünkrotroni liiguvad, tahavad füüsikud konstrueerida uusi masinaid, mis viskavad elektronide kobarad välja, enne kui neil on võimalus laiali minna. See muudatus toodab rohkem kasulikku sünkrotronkiirgust.
Emissioonitud kiirguse polarisatsiooni saab kontrollida, kasutades püsimagneteid, et indutseerida erinevaid perioodilisi elektronide trajektoore läbi undulaatori. Kui võnkumised piirduvad tasandiga, on kiirgus lineaarselt polariseeritud. Kui võnkumise trajektoor on spiraalne, on kiirgus tsükliliselt polariseeritud, kusjuures spiraali kätekalle määrab spiraal.
Kui elektronid järgivad Poissoni jaotust, toob osaline interferents kaasa intensiivsuse lineaarse suurenemise. Vabaelektroonlaseril suureneb intensiivsus eksponentsiaalselt koos elektronide arvuga.
Füüsikud mõõdavad undulaatori tõhusust spektraalse kiirguse järgi.
Undulaatori töö. 1: magnetid, 2: elektronkiir, 3: sünkrotronkiirgus.
Mitmepooluseline vingerpussi, nagu seda kasutatakse Austraalia sünkrotroni salvestusringis sünkrotronkiirguse tekitamiseks.
Ajalugu
Esimese undulaatori ehitasid Hans Motz ja tema töötajad Stanfordis 1953. aastal. Üks nende undulaatoritest tootis esimest korda sidusat infrapunakiirgust. Nende kogu sagedusvahemik ulatus nähtavast valgusest kuni millimeetrilaineteni. Vene füüsik V. L. Ginzburg näitas 1947. aastal avaldatud artiklis, et undulaatoreid saab põhimõtteliselt valmistada.
Küsimused ja vastused
K: Mis on undulaator?
V: Undulaator on kõrgenergeetikast pärit seade, mis koosneb dipoolmagnetite perioodilisest struktuurist. See sunnib elektrone võnkuma, mis tekitab intensiivset ja kontsentreeritud elektromagnetilist kiirgust kitsastes energiaribades.
K: Milline parameeter iseloomustab elektronide liikumise olemust?
V: Elektroni liikumise olemust iseloomustab oluline mõõtmeta parameeter K = eBλu/2πβmecc, kus e on osakese laeng, B on magnetväli, β = v/c , me on elektroni puhkemass ja c on valguse kiirus.
K: Kuidas on undulaator magnetvoo poolest võrreldav painduva magnetiga?
V: Undulaatorid võivad pakkuda sadu kordi suuremat magnetvoogu kui lihtne paindemagnet.
K: Kuidas mõjutab interferents intensiivsust undulaatori kasutamisel?
V: Kui K ≤ 1, siis on võnkumise amplituud väike ja kiirgus näitab interferentsmustreid, mis viivad kitsaste energiaribade tekkimiseni. Kui K ≥ 1, siis on võnkumise amplituud suurem ja iga väljaperioodi kiirguse panus summeerub sõltumatult, mis viib laia energiaspektri tekkimiseni.
K: Kuidas saab undulaatori kasutamisel kontrollida polarisatsiooni?
V: Polarisatsiooni saab kontrollida, kasutades püsimagneteid, et indutseerida erinevaid perioodilisi elektronide trajektoore läbi undulaatori. Kui võnkumised piirduvad tasandiga, on kiirgus lineaarselt polariseeritud; kui trajektoor on spiraalne, on kiirgus ringikujuliselt polariseeritud, kusjuures spiraal määrab kätesuse.
K: Kuidas suureneb intensiivsus koos elektronide arvuga vabade elektronide laserite puhul?
V: Kui elektronid järgivad Poissoni jaotust, siis osaline interferents toob kaasa intensiivsuse lineaarse suurenemise; vabaelektronlaserite puhul suureneb intensiivsus eksponentsiaalselt koos elektronide arvuga.
K: Millist mõõdikut kasutavad füüsikud undulaatori tõhususe hindamiseks?
V: Füüsikud mõõdavad undulaatori tõhusust spektraalse kiirguse järgi.
