Undulátor
Vlnovec je vkladacie zariadenie z fyziky vysokých energií a zvyčajne je súčasťou väčšieho zariadenia, synchrotrónového úložného prstenca. Pozostáva z periodickej štruktúry dipólových magnetov. Po dĺžke undulátora sa strieda statické magnetické pole s vlnovou dĺžkou λ u {\displaystyle \lambda _{u}}. 
. Elektróny prechádzajúce periodickou štruktúrou magnetov sú nútené podstupovať oscilácie. Elektróny teda odovzdávajú energiu ako elektrónomagnetické žiarenie. Žiarenie produkované v undulátore je veľmi intenzívne a sústredené v úzkych energetických pásmach spektra. Svetelný lúč je tiež kolimovaný v rovine obežnej dráhy elektrónov. Toto žiarenie je vedené cez lúčové linky na experimenty v rôznych vedeckých oblastiach.
Dôležitý bezrozmerný parameter
K = e B λ u 2 π β m e c {\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}} 
kde e je náboj častice, B je magnetické pole, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c}
, m e {\displaystyle m_{e}}
je pokojová hmotnosť elektrónu a c je rýchlosť svetla, charakterizuje charakter pohybu elektrónu. Pre K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
je amplitúda oscilácií pohybu malá a žiarenie vykazuje interferenčné vzory, ktoré vedú k úzkym energetickým pásmam. Ak je K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
, amplitúda kmitania je väčšia a príspevky žiarenia z každej periódy poľa sa sčítavajú nezávisle, čo vedie k širokému energetickému spektru. Keď je K oveľa väčšie ako 1, zariadenie sa už nenazýva undulátor; nazýva sa wiggler.
Fyzici uvažujú o vlnovkách pomocou klasickej fyziky aj relativity. To znamená, že hoci je presný výpočet zdĺhavý, undulátor možno považovať za čiernu skrinku. Do tejto škatule vstupuje elektrón a cez malú výstupnú štrbinu vychádza elektromagnetický impulz. Štrbina by mala byť dostatočne malá, aby ňou prešiel len hlavný kužeľ, takže bočné laloky možno ignorovať.
Zvlňovače môžu poskytnúť stokrát väčší magnetický tok ako jednoduchý ohybový magnet a ako také sú veľmi žiadané v zariadeniach synchrotrónového žiarenia. Pri undulátore, ktorý sa opakuje N-krát (N periód), môže byť jas až o N 2 {\displaystyle N^{2}}
väčší ako pri ohybovom magnete. Intenzita sa zvýši až na faktor N pri harmonických vlnových dĺžkach v dôsledku konštruktívnej interferencie polí emitovaných počas N periód žiarenia. Obvyklý impulz je sínusová vlna s určitou obálkou. Druhý faktor N pochádza zo zníženia uhla vyžarovania spojeného s týmito harmonickými, ktoré sa zmenšuje úmerne 1/N. Keď elektróny prichádzajú s polovičnou periódou, interferujú deštruktívne. Takže undulátor zostáva tmavý. To isté platí, ak elektróny prichádzajú ako korálková reťaz. Pretože sa zväzok elektrónov rozširuje tým viac, čím viackrát precestujú okolo synchrotrónu, chcú fyzici navrhnúť nové stroje, ktoré zväzky elektrónov vyhodia skôr, ako sa stihnú rozptýliť. Táto zmena prinesie užitočnejšie synchrotrónové žiarenie.
Polarizáciu vyžarovaného žiarenia možno ovládať pomocou permanentných magnetov, ktoré indukujú rôzne periodické trajektórie elektrónov cez undulátor. Ak sú oscilácie obmedzené na rovinu, žiarenie bude lineárne polarizované. Ak je trajektória oscilácií špirálovitá, žiarenie bude kruhovo polarizované, pričom ručička je určená špirálou.
Ak sa elektróny riadia Poissonovým rozdelením, čiastočná interferencia vedie k lineárnemu nárastu intenzity. V laseri svoľnými elektrónmi sa intenzita zvyšuje exponenciálne s počtom elektrónov.
Fyzici merajú účinnosť undulátora z hľadiska spektrálneho žiarenia.
Práca s undulátorom. 1: magnety, 2: elektrónový lúč, 3: synchrotrónové žiarenie
Multipólový wiggler, ktorý sa používa v zásobníkovom kruhu v austrálskom synchrotróne na generovanie synchrotrónového žiarenia
História
Prvý undulátor zostrojil Hans Motz so svojimi spolupracovníkmi na Stanforde v roku 1953. Jeden z ich undulátorov vytvoril vôbec prvé koherentné infračervené žiarenie. Ich celkový frekvenčný rozsah bol od viditeľného svetla až po milimetrové vlny. Ruský fyzik V. L. Ginzburg v článku z roku 1947 ukázal, že undulátory sa dajú principiálne vyrobiť.
Otázky a odpovede
Otázka: Čo je to undulátor?
Odpoveď: undulátor je zariadenie z fyziky vysokých energií, ktoré pozostáva z periodickej štruktúry dipólových magnetov. Núti elektróny podstupovať oscilácie, ktoré vytvárajú intenzívne a koncentrované elektromagnetické žiarenie v úzkych energetických pásmach.
Otázka: Aký parameter charakterizuje povahu pohybu elektrónov?
Odpoveď: Charakter pohybu elektrónov charakterizuje dôležitý bezrozmerný parameter K = eBλu/2πβmecc, kde e je náboj častice, B je magnetické pole, β = v/c , me je pokojová hmotnosť elektrónu a c je rýchlosť svetla.
Otázka: Ako sa dá porovnať undulátor s ohybovým magnetom z hľadiska magnetického toku?
Odpoveď: Vlnenie môže poskytnúť stokrát väčší magnetický tok ako jednoduchý ohybový magnet.
Otázka: Ako ovplyvňuje interferencia intenzitu pri použití undulátora?
Odpoveď: Ak je K ≤ 1, amplitúda kmitov je malá a žiarenie vykazuje interferenčné vzory, ktoré vedú k úzkym energetickým pásmam. Ak je K ≥ 1, potom je amplitúda oscilácií väčšia a príspevky žiarenia z každej periódy poľa sa sčítavajú nezávisle, čo vedie k širokému energetickému spektru.
Otázka: Ako možno riadiť polarizáciu pri použití undulátora?
Odpoveď: Polarizáciu možno riadiť pomocou permanentných magnetov, ktoré indukujú rôzne periodické trajektórie elektrónov cez undulátor. Ak sú oscilácie obmedzené na rovinu, žiarenie bude lineárne polarizované; ak je trajektória špirálovitá, žiarenie bude kruhovo polarizované s ručičkami určenými špirálou.
Otázka: Ako sa zvyšuje intenzita s počtom elektrónov v prípade laserov s voľnými elektrónmi?
Odpoveď: Ak sa elektróny riadia Poissonovým rozdelením, čiastočná interferencia vedie k lineárnemu nárastu intenzity; v prípade laserov na voľných elektrónoch intenzita rastie exponenciálne s počtom elektrónov.
Otázka: Aké meradlo používajú fyzici na hodnotenie účinnosti undulátora?
Odpoveď: Fyzici merajú účinnosť undulátora z hľadiska spektrálneho žiarenia.
