Sisestusseade sünkrotronis: undulaatorid ja vingerdajad – määratlus

Sisestusseadmed sünkrotronis: undulaatorid vs vingerdajad — kuidas magnetstruktuurid tekitavad kitsa või laia spektriga sünkrotronkiirgust, rakendused ja häälestusvõimalused.

Füüsikas on sisestusseade magnetite või elektromagnetite järjestus, mida paigaldatakse osakeste kiirendi või säilitusringi sirgele segmendile, et tekitada kontrollitud kõikumist elektronkiires ja selle käigus eralduvat sünkrotronvalgusallikat. Neid nimetatakse sisestusseadmeteks, sest nad asendavad või täidavad tavaliselt vaakumtori osa otse sirgel — ehkki osakeste kiir kulgeb endiselt vaakumis, paiknevad magnetid ja vajadusel nende kered/seadmed selle vaakumtunneli välisküljel või otse selle sees. Sisestusseadmeid kasutatakse laialdaselt sünkrotroni ja salvestusringi valgusallikatena ning need võimaldavad toota väga intensiivset, suunatud ja sageli häälestatavat elektromagnetilist kiirgust.

Kuidas sisestusseade töötab

Sisestusseade tekitab perioodilise magnetvälja, mille mõjul osakestekiir (tavaliselt elektronid) hakkab sirgjoonelisest liikumisteest kõverduma ja võnkele. Selline kiiruse suuna muutus põhjustab kiirguse eraldumise (sünkrotronkiirgus). Peamised toimimispõhimõtted:

• Periood — magnetite korduv struktuur ehk undulaatori või vingerdaja perioodiline pikkus (λ_u) määrab põhilise kiirguse lainepikkuse ja harmooniliste omadused.
• Amplituud / tugevus — undulaatori tugevust iseloomustab parameter K (mõõdetud ilmaühikutes). Kui K ≲ 1, tekib nõrk kõikumine ja tugevalt koherentne, kitsasribaline kiirgus (undulaator). Kui K ≫ 1, tekib laiaribaline kiirgus (vingerdaja).
• Häälestus — juhtimisega (nt magnetite vahe kauguse ehk „gap” muutmisega) saab nihutada kiirguse sagedust või lainepikkust.

Erinevus undulaatori ja vingerdaja vahel

• Undulaator: K-väärtus on mõõdukas (tüüpiliselt alla 2–3), elektron kõigub väikestes amplituudides, kiirgus tekib mitmepoolsete interference-täppidega ja on hästi kitsasbandsiline. Undulaatorid annavad kõrge briljantsuse ja on sobivad koherentsete, häälestatavate röntgenkiirte tootmiseks.
• Vingerdaja (wiggler): K on suur (tavaliselt palju >1), iga periood tekitab praktiliselt iseseisva sünkrotronkiirguse ja interference ei koherentista seda kitsaks ribaks — tulemus on laiaribaline, intensiivne spekter, mis sarnaneb paljude kõrvuti olevate painutuspilu-toodetega.

Tüübid ja erifunktsioonid

• Planar — magnetid paigutatud ühes tasapinnas, tekitavad lineaarselt poliseeritud kiirgust.
• Helikaalne — magnetid on pööratud nii, et kiirgus võib olla ringpolaarne või valitud suunaga polarisatsiooniga; kasutatakse näiteks magnetilise sirge ning doseeritud polariseerituse eksperimendis.
• Täpsus- ja püsivusparameetrid — kaasaegsed sisestusseadmed on konstrueeritud väga täpse periodilisuse, madalate magnetveakõveruste ja võimalusega täpselt häälestada gap‘i või etappide faasi.

Põhiparameetrid ja nende mõju

• Periodi pikkus (λ_u) — lühem period võimaldab saavutada lühemaid lainepikkusi samade elektronenergiatega.
• K-parameeter — määrab kiirguse spektri laius ja harmoonikud.
• Elektroni energia ja emiteet — kõrgem energia nihutab spektrit lühematele lainepikkustele; kiirem kiiirus ja madal emiteet annavad suurema briljantsuse.
• Harmooniline sisu — undulaatorid toodavad selgelt eristuvaid harmoonilisi read, mida saab kasutusele võtta nii üheharuliste kui ka mitmeharuliste eksperimentide jaoks.

Rakendused

Sisestusseadmed võimaldavad mitmesuguseid teadus- ja tööstusrakendusi:

• X-ray spektroskoopia, difraktsioon ja tomograafia väga kõrge heledustasemega kiirguse jaoks;
• time-resolved eksperimendid (lühiajalised protsessid), kus kasutatakse lühikese impulsi ja suure paketitiheduse kombinatsiooni;
• koherentsete kiirte kasutamine katvussimulatsioonides ja uimastiuuringutes; vaba-elektronlasterite (FEL) allikana toimivad undulaatorid koherentse kiirguse tekitamiseks;
• materiaaliteadus, bioloogia, keemia ja meditsiinilised uuringud, kus on vajalik kõrge ruumiline ja spektraalne resolutsioon.

Praktilised aspektid ja mõjud ringile

Sisestusseadmete paigaldamine mõjutab säilitusringi beam-dünaamikat: need võivad muuta orbitit, lisada väravaid hajutamiseks, nõuda täiendavat kompensatsiooni ja häälestust (korrektorite, fokusseerivate elementide abil) ning mõjutada kiirte omadusi nagu emiteet ja energiakaotus. Seetõttu planeeritakse ja modelleeritakse sisestusseadmete mõju hoolikalt enne paigaldust.

Kokkuvõte: undulaatorid ja vingerdajad on sisestusseadmete peamised alamtüübid — undulaatorid annavad kitsasribalist, sageli koherentset ja häälestatavat valgust, vingerdajad annavad laia- ja intensiivset spektrit. Mõlemad on keskse tähtsusega kaasaegsetes sünkrotron- ja FEL-keskustes, kus on vaja väga erksat ja kontrollitud elektromagnetilist kiirgust.

Küsimused ja vastused

K: Mis on sissekirjutusaparaat?

K: Miks nimetatakse neid sisestusseadmeteks?

K: Kus kasutatakse sisestusseadmeid?

K: Kui palju on sisestusseadmeid?

K: Mis on undulaatorid?

K: Mis on vingerdajad?

K: Mis on sisestusseadmete eesmärk?

Otsing