Undulators
Undulators ir augstas enerģijas fizikas ievietošanas ierīce, kas parasti ir daļa no lielākas iekārtas - sinhrotrona glabāšanas gredzena. To veido dipolu magnētu periodiska struktūra. Statisks magnētiskais lauks mainās gar visu undulatora garumu ar viļņa garumu λ u {\displaystyle \lambda _{u}}. 
. Elektroniem, kas šķērso periodisko magnētu struktūru, ir jāpakļaujas svārstībām. Tāpēc elektroni izdala enerģiju kā elektronmagnētisko starojumu. Starojums, kas rodas undulatorā, ir ļoti intensīvs un koncentrēts šaurās enerģijas spektra joslās. Gaismas staru kūlis ir arī kolimēts elektronu orbītas plaknē. Šo starojumu vada pa staru līnijām, lai veiktu eksperimentus dažādās zinātnes jomās.
Svarīgais bezdimensiju parametrs
K = e B λ u 2 π π β m e c {\displaystyle K={{\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}}}} 
kur e ir daļiņas lādiņš, B ir magnētiskais lauks, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c}
, m e {\displaystyle m_{e}}
ir elektrona miera masa un c ir gaismas ātrums, raksturo elektrona kustības raksturu. Ja K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
, kustības svārstību amplitūda ir maza, un starojumam ir interferences raksturs, kas rada šauras enerģijas joslas. Ja K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
, svārstību amplitūda ir lielāka, un starojuma devums no katra lauka perioda summējas neatkarīgi, radot plašu enerģijas spektru. Ja K ir daudz lielāks par 1, ierīci vairs nesauc par undulatoru, bet gan par viglatoru.
Fiziķi par undulatoriem domā gan izmantojot klasisko fiziku, gan relativitātes teoriju. Tas nozīmē, ka, lai gan precīzie aprēķini ir nogurdinoši, undulatoru var uzskatīt par melno kasti. Elektrons ieiet šajā kastē, un elektromagnētiskais impulss iziet caur nelielu izejas spraugu. Šlīpai jābūt pietiekami mazai, lai caur to izietu tikai galvenais konuss, tādējādi sānu lobes var ignorēt.
Undulatori var nodrošināt simtiem reižu lielāku magnētisko plūsmu nekā vienkāršs lieces magnēts, un tāpēc tie ir ļoti pieprasīti sinhrotron starojuma iekārtās. Ja undulators atkārtojas N reižu (N periodu), spilgtums var būt līdz pat N 2 {\displaystyle N^{2}}
lielāks nekā lieces magnētam. Intensitāte palielinās līdz N reizēm harmoniskajos viļņu garumos, pateicoties N starojuma periodu laikā izstaroto lauku konstruktīvai interferencei. Parasts impulss ir sinusoidāls vilnis ar zināmu aploksni. Otrais N koeficients rodas, samazinoties ar šīm harmonikām saistītajam emisijas leņķim, kas samazinās proporcionāli 1/N. Kad elektroni nāk ar pusi no perioda, tie interferē destruktīvi. Tādējādi undulators paliek tumšs. Tas pats attiecas uz elektroniem, kas nāk kā lodīšu ķēde. Tā kā elektronu ķekars izkliedējas, jo vairāk reižu tie apceļo sinhrotronu, fiziķi vēlas konstruēt jaunas iekārtas, kas elektronu ķekarus izmet, pirms tiem ir iespēja izkliedēties. Šīs izmaiņas ļaus radīt lietderīgāku sinhrotrona starojumu.
Izstarotā starojuma polarizāciju var kontrolēt, izmantojot pastāvīgos magnētus, lai inducētu dažādas periodiskas elektronu trajektorijas caur undulatoru. Ja svārstības ir ierobežotas plaknē, starojums būs lineāri polarizēts. Ja svārstību trajektorija ir spirālveida, starojums būs riņķveidīgi polarizēts, un tā virzienu nosaka spirāle.
Ja elektroniem ir Poisona sadalījums, daļēja interference izraisa lineāru intensitātes pieaugumu. Brīvo elektronulāzera gadījumā intensitāte pieaug eksponenciāli, pieaugot elektronu skaitam.
Fiziķi mēra undulatora efektivitāti spektrālā starojuma izteiksmē.
Vuldera darbība. 1: magnēti, 2: elektronu staru kūlis, 3: sinhrotrona starojums.
Daudzpolu vibrators, ko izmanto Austrālijas sinhrotrona glabāšanas gredzenā sinhrotrona starojuma ģenerēšanai.
Vēsture
Pirmo undulatoru 1953. gadā Stenfordā uzbūvēja Hanss Motcs un viņa kolēģi. Viens no viņu undulatoriem radīja pirmo koherento infrasarkano starojumu. To kopējais frekvenču diapazons bija no redzamās gaismas līdz pat milimetru viļņiem. Krievu fiziķis V. L. Ginzburgs 1947. gadā publicētajā darbā parādīja, ka undulatorus principā var izgatavot.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir undulators?
A: Undulators ir ierīce no augstas enerģijas fizikas, kas sastāv no dipolu magnētu periodiskas struktūras. Tā liek elektroniem izjust svārstības, kas rada intensīvu un koncentrētu elektromagnētisko starojumu šaurās enerģijas joslās.
J: Kāds parametrs raksturo elektronu kustības raksturu?
A: Elektronu kustības raksturu raksturo svarīgs bezdimensiju parametrs K = eBλu/2πβmecc, kur e ir daļiņas lādiņš, B ir magnētiskais lauks, β = v/c , me ir elektrona miera masa un c ir gaismas ātrums.
J: Kā undulators ir salīdzināms ar saliekamo magnētu magnētiskās plūsmas ziņā?
A: Undulatori var nodrošināt simtiem reižu lielāku magnētisko plūsmu nekā vienkāršs lieces magnēts.
J: Kā interference ietekmē intensitāti, izmantojot undulatoru?
A: Ja K ≤ 1, tad svārstību amplitūda ir maza, un starojumā parādās interferences modeļi, kas rada šauras enerģijas joslas. Ja K ≥ 1, tad svārstību amplitūda ir lielāka un starojuma devums no katra lauka perioda summējas neatkarīgi, radot plašu enerģijas spektru.
J: Kā, izmantojot undulatoru, var kontrolēt polarizāciju?
A: Polarizāciju var kontrolēt, izmantojot pastāvīgos magnētus, lai ierosinātu dažādas periodiskas elektronu trajektorijas caur undulatoru. Ja svārstības ir ierobežotas plaknē, starojums būs lineāri polarizēts; ja trajektorija ir spirālveida, starojums būs riņķveidīgi polarizēts, un to virzienu nosaka spirāle.
J: Kā pieaug intensitāte, palielinoties elektronu skaitam brīvo elektronu lāzeros?
A: Ja elektroniem ir Poisona sadalījums, daļējas interferences rezultātā intensitāte pieaug lineāri; brīvo elektronu lāzeriem intensitāte pieaug eksponenciāli ar elektronu skaitu.
J: Kādu mērījumu fiziķi izmanto, lai novērtētu undulatora efektivitāti?
A: Fiziķi mēra undulatora efektivitāti spektrālā starojuma izteiksmē.
