Ondulador - Undulator

Funcionamiento del ondulador. 1: imanes, 2: haz de electrones que entra por la parte superior izquierda, 3: radiación de sincrotrón que sale por la parte inferior derecha

Un ondulador es un dispositivo de inserción de la física de alta energía y generalmente parte de una instalación más grande, un anillo de almacenamiento de sincrotrón , o puede ser un componente de un láser de electrones libres . Consiste en una estructura periódica de imanes dipolos . Estos pueden ser imanes permanentes o imanes superconductores . El campo magnético estático se alterna a lo largo del ondulador con una longitud de onda . Los electrones que atraviesan la estructura periódica del imán se ven obligados a sufrir oscilaciones y, por tanto, a irradiar energía. La radiación producida en un ondulador es muy intensa y se concentra en bandas de energía estrechas en el espectro. También está colimada en el plano orbital de los electrones. Esta radiación se guía a través de líneas de luz para experimentos en diversas áreas científicas. ${\ Displaystyle \ lambda _ {u}}$

El parámetro de fuerza del ondulador es:

${\ Displaystyle K = {\ frac {eB \ lambda _ {u}} {2 \ pi m_ {e} c}}}$ ,

donde e es la carga del electrón, B es el campo magnético, es el período espacial de los imanes onduladores, es la masa en reposo del electrón y c es la velocidad de la luz. ${\ Displaystyle \ lambda _ {u}}$${\ Displaystyle m_ {e}}$

Este parámetro caracteriza la naturaleza del movimiento de los electrones. Porque la amplitud de oscilación del movimiento es pequeña y la radiación muestra patrones de interferencia que conducen a bandas de energía estrechas. Si la amplitud de oscilación es mayor y las contribuciones de radiación de cada período de campo se suman de forma independiente, lo que da lugar a un amplio espectro de energía. En este régimen de campos, el dispositivo ya no se denomina ondulador ; se llama wiggler . ${\ Displaystyle K \ ll 1}$${\ Displaystyle K \ gg 1}$

La diferencia clave entre ondulador y wiggler es la coherencia. En el caso de un ondulador, la radiación emitida es coherente con una longitud de onda determinada por la duración del período y la energía del haz, mientras que en el ondulador los electrones no son coherentes.

La descripción habitual del ondulador es relativista pero clásica. Esto significa que, aunque un cálculo preciso es tedioso, el ondulador puede verse como una caja negra , donde solo las funciones dentro del dispositivo afectan cómo una entrada se convierte en una salida; un electrón entra en la caja y un pulso electromagnético sale por una pequeña ranura de salida. La rendija debe ser lo suficientemente pequeña como para que solo pase el cono principal y se puedan ignorar los lóbulos laterales de los espectros de longitud de onda.

Los onduladores pueden proporcionar varios órdenes de magnitud de flujo más alto que un simple imán de flexión y, como tales, tienen una gran demanda en las instalaciones de radiación de sincrotrón. Para un ondulador con N períodos, el brillo puede ser superior al de un imán de flexión. El primer factor de N se produce porque la intensidad aumenta hasta un factor de N en longitudes de onda armónicas debido a la interferencia constructiva de los campos emitidos durante los N períodos de radiación. El pulso habitual es un seno con alguna envolvente. El segundo factor de N proviene de la reducción del ángulo de emisión asociado a estos armónicos, que se reduce a 1 / N. Cuando los electrones llegan con la mitad del período, interfieren de manera destructiva, el ondulador permanece oscuro. Lo mismo es cierto, si vienen como una cadena de cuentas. ${\ Displaystyle N ^ {2}}$

La polarización de la radiación emitida se puede controlar mediante el uso de imanes permanentes para inducir diferentes trayectorias periódicas de electrones a través del ondulador. Si las oscilaciones se limitan a un plano, la radiación se polarizará linealmente. Si la trayectoria de oscilación es helicoidal, la radiación estará polarizada circularmente, con la destreza determinada por la hélice.

Si los electrones siguen la distribución de Poisson, una interferencia parcial conduce a un aumento lineal de intensidad. En el láser de electrones libres, la intensidad aumenta exponencialmente con el número de electrones.

La figura de mérito de un ondulador es el resplandor espectral .

Historia

El físico ruso Vitaly Ginzburg demostró teóricamente que se podían construir onduladores en un artículo de 1947. Julian Schwinger publicó un artículo útil en 1949 que reducía los cálculos necesarios a funciones de Bessel , para las cuales había tablas. Esto fue importante para resolver las ecuaciones de diseño, ya que las computadoras digitales no estaban disponibles para la mayoría de los académicos en ese momento.

Hans Motz y sus compañeros de trabajo en la Universidad de Stanford demostraron el primer ondulador en 1952. Produjo la primera radiación infrarroja coherente artificial. El diseño podría producir un rango de frecuencia total desde luz visible hasta ondas milimétricas .

Referencias

enlaces externos

• La página de DT Attwood en Berkeley: rayos X suaves y radiación ultravioleta extrema . Su conferencia y viewgraphs están disponibles en línea.