Unduliatorius – periodinis magnetinis įtaisas sinchrotroninei spinduliuotei
Unduliatorius yra specializuotas didelės energijos fizikos įterpimo įtaisas, dažniausiai įrengiamas sinchrotrono saugojimo žiede – sinchrotrono komplekso dalis. Jį sudaro periodinė dipolinių magnetų struktūra, kurios magnetinis laukas statinis, bet keičiasi išilgai įtaiso. Unduliatoriaus magnetinio lauko periodą žymi bangos ilgis λ u {\displaystyle \lambda _{u}}. 
Per šią periodinę struktūrą praeinantys energingi elektronai priverčiami virpėti (išsilenkti), ir dėl to skleidžiama elektromagnetinė spinduliuotė. Unduliatoriuje suformuotas spindulys yra labai ryškus, spektriškai siauras ir gerai kolimuotas elektronų orbitos plokštumoje; tokia spinduliuotė nukreipiama per pluošto linijas, skirtas moksliniams eksperimentams įvairiose srityse (fizika, chemija, biologija, medžiagų mokslas ir kt.).
Kaip veikia unduliatorius
Periodiniame magnetiniame lauke elektronai juda svyruodami aplink pagrindinę trajektoriją. Kiekvienas lauko periodas priverčia elektroną spinduliuoti mažą dalį elektromagnetinės energijos; šie indėliai gali interferuoti konstruktyviai, todėl per daug periodų (N) bendra spinduliuotė gali būti labai sustiprinta. Dėl interferencijos atsiranda siauri spektro pikai (harmonikos), o spinduliuotės kryptis ir spektras stipriai priklauso nuo įtaiso geometrijos, magnetinio lauko ir elektronų energijos.
Unduliatoriaus parametras K
Svarbus fizikinis parametras, apibūdinantis unduliatoriaus elgseną, yra unduliatoriaus parametras K:
K = e B λ u 2 π β m e c {\displaystyle K={{\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}}} 
Šioje formulėje e – dalelės krūvis, B – magnetinio lauko amplitudė, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c}
– santykinis greitis, m e {\displaystyle m_{e}}
– elektrono ramybės masė, o c – šviesos greitis. Parametras K charakterizuoja svyravimo amplitudę ir lemia spinduliuotės spektro savybes.
Elgesys priklauso nuo K reikšmės:
- kai K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
, svyravimų amplitudė maža, spinduliuotė stipriai koherentinė ir atsiranda aiškios siauros spektrinės linijos dėl interferencijos; - kai K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
, svyravimai didesni, atskiro periodo indėliai sumažina koherentiškumą ir spektras tampa plačiu – tokiu atveju įtaisas dažnai vadinamas wiggleriu, o ne unduliatoriumi.
Klasikiniai ir reliatyvistiniai skaičiavimai
Undulatoriai apdorojami tiek klasikinės, tiek reliatyvumo fizikos metodais. Nors tikslūs skaičiavimai (ypač kai reikia įtraukti spinduliuotės atgalinį poveikį elektronams arba erdvinę spinduliuotės formą) gali būti sudėtingi, paprastai įtaiso veikimą galima apibendrinti kaip juodąją dėžę: į dėžę įeina elektronas, o pro mažą išėjimo plyšį išeina elektromagnetinis impulsas. Plyšys turi būti pakankamai mažas, kad pro jį eitų tik pagrindinis spindulio kūgis, todėl šoninių skiltelių indėlis paprastai gali būti neįtraukiamas.
Ryškumas, harmoningumas ir periodų skaičiaus reikšmė
Undulatoriai gali suteikti žymiai didesnį magnetinį srautą ir spinduliuotės ryškumą nei paprasti lenkiamieji magnetai. Jei unduliatorius turi N periodų, idealizuotomis sąlygomis jo ryškumas gali didėti iki N 2 {\displaystyle N^{2}}
lyginant su vienu lenkiamuoju magnetu. Harmoninių intensyvumas taip pat gali didėti (įprastai iki N kartų) dėl konstruktyvios laukų interferencijos, vykstančios per N spinduliavimo periodų. Be to, su padidėjusiu periodų skaičiumi pagrindinis spindulio kampas siaurėja (proporcingai 1/N), todėl energija telkiasi mažesniame erdviniame plote.
Jei elektronų atėjimas yra sinchronizuotas taip, kad jie ateina su pusės periodo poslinkiu, konstruktyvioji interferencija gali išnykti ir unduliatorius tam tikromis sąlygomis likti „tamsus“. Todėl sinchrotronų operatoriai siekia valdyti elektronų paketų ilgį ir laiko struktūrą, kad išlaikytų aukštą spinduliuotės kokybę; naujos kartos mašinos projektuojamos taip, kad elektronų paketai būtų išmetami, kol jie dar neperplinta ir nepraranda koherentiškumo.
Poliarizacija ir unduliatorių tipai
Spinduliuojamos spinduliuotės poliarizacija gali būti kontroliuojama magnetų konfigūracija:
- jei svyravimai vyksta vienoje plokštumoje (plokstelinis arba „planar“ unduliatorius), spinduliuotė bus daugiausia tiesiškai poliarizuota;
- jei trajektorija yra spiralinė (helical undulator), spinduliuotė gali būti apskritai poliarizuota – dešininė arba kairinė priklausomai nuo spiralės orientacijos (apskritinė poliarizacija);
- egzistuoja ir kiti sudėtingi magnetiniai išdėstymai, leidžiantys gauti bet kokią pageidaujamą poliarizaciją arba keisti ją eksperimentų metu.
Koherentiškumas, statistika ir laisvųjų elektronų lazeriai
Jeigu elektronų pasiskirstymas yra atsitiktinis pagal Puasono pasiskirstymą, interferencija bus tik dalinė ir bendras intensyvumas didės proporcingai elektronų skaičiui (linijiškai). Tačiau laisvųjų elektronų lazeriuose (FEL) atsiranda kolektyviniai srautiniai efektai, dėl kurių intensyvumas gali augti eksponentiškai – tai leidžia pasiekti labai aukštą koherentiškumą ir intensyvumą specifiniuose bangos ilgiuose.
Matuokliai ir praktinės savybės
Unduliatoriaus veikimo efektyvumas dažniausiai vertinamas pagal spektrinį ryškumą (spectral brightness), spektrinę galią ir poliarizacijos kokybę. Praktiniuose sinchrotronuose unduliatoriai yra optimizuojami atsižvelgiant į:
- periodų skaičių N ir periodą λu,
- magnetinio lauko stiprumą B ir parametrą K,
- elektronų spindulio energiją ir emiciją (erdvinį praplėtimą),
- reikalingą poliarizaciją bei spektro griežtumą,
- terminius ir mechaninius stabilumo reikalavimus ilgalaikiam ir stabiliam darbui.
Unduliatoriai yra esminė sinchrotroninės šviesos infrastruktūros dalis, plačiai naudojama tiek fundamentiniams tyrimams, tiek taikomosiose srityse, kur reikalingas intensyvus, gerai kolimuotas ir poliarizuotas rentgeno arba ultravioletinės spinduliuotės šaltinis.
Fizikai tradiciškai vertina unduliatoriaus veikimą pagal jo spektrinį spindesį ir taikomuosius parametrus, todėl tiek eksperimentinė, tiek skaitmeninė optimizacija yra nuolatinis tyrimų laukas.
Volungatoriaus veikimas. 1: magnetai, 2: elektronų pluoštas, 3: sinchrotroninė spinduliuotė
Australijos sinchrotrono saugyklos žiede naudojamas daugiapolis perintuvas, skirtas sinchrotroninei spinduliuotei generuoti.
Istorija
Pirmąjį undulatorių 1953 m. Stanforde sukonstravo Hansas Motzas ir jo bendradarbiai. Vienas iš jų unduliatorių sukūrė pirmąją koherentinę infraraudonąją spinduliuotę. Jų bendras dažnių diapazonas buvo nuo regimosios šviesos iki milimetrinių bangų. Rusų fizikas V. L. Ginzburgas 1947 m. darbe parodė, kad unduliatorius iš esmės galima pagaminti.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra undulatorius?
A.: Unduliatorius yra didelės energijos fizikos prietaisas, kurį sudaro periodinė dipolinių magnetų struktūra. Jis priverčia elektronus patirti svyravimus, dėl kurių susidaro intensyvi ir koncentruota elektromagnetinė spinduliuotė siaurose energijos juostose.
Klausimas: Koks parametras apibūdina elektronų judėjimo pobūdį?
A: Elektronų judėjimo pobūdį apibūdina svarbus bedimensinis parametras K = eBλu/2πβmecc, kur e - dalelės krūvis, B - magnetinis laukas, β = v/c , me - elektrono ramybės masė, o c - šviesos greitis.
Klausimas: Kaip pagal magnetinį srautą galima palyginti undulatorių su lenkiamuoju magnetu?
A: Undulatoriai gali suteikti šimtus kartų didesnį magnetinį srautą nei paprastas lenkiamasis magnetas.
K: Kaip interferencija veikia intensyvumą naudojant unduliatorių?
A: Jei K ≤ 1, virpesių amplitudė yra maža, o spinduliuotė pasižymi interferenciniais modeliais, dėl kurių susidaro siauros energijos juostos. Jei K ≥ 1, svyravimų amplitudė yra didesnė ir kiekvieno lauko periodo spinduliuotės įnašai sumuojasi nepriklausomai, todėl susidaro platus energijos spektras.
Klausimas: Kaip galima valdyti poliarizaciją naudojant unduliatorių?
A: Poliarizacija gali būti valdoma naudojant nuolatinius magnetus, kad per unduliatorių būtų sukeltos skirtingos periodinės elektronų trajektorijos. Jei svyravimai apsiriboja plokštuma, spinduliuotė bus tiesiškai poliarizuota; jei trajektorija yra spiralinė, spinduliuotė bus apskritimiškai poliarizuota, o rankų kryptį lems spiralė.
Klausimas: Kaip intensyvumas didėja priklausomai nuo elektronų skaičiaus laisvųjų elektronų lazeriuose?
A: Kai elektronai pasiskirsto pagal Puasono pasiskirstymą, dėl dalinės interferencijos intensyvumas didėja tiesiškai; laisvųjų elektronų lazeriuose intensyvumas didėja eksponentiškai, kai elektronų skaičius didėja.
K: Kokį matą fizikai naudoja unduliatoriaus efektyvumui įvertinti?
A: Fizikai matuoja unduliatoriaus efektyvumą pagal spektrinį spindesį.
