Undulator
Unduliatorius yra didelės energijos fizikos įterpimo įtaisas, paprastai priklausantis didesniam įrenginiui - sinchrotrono saugojimo žiedui. Jį sudaro periodinė dipolinių magnetų struktūra. Statinis magnetinis laukas yra kintantis išilgai unduliatoriaus, kurio bangos ilgis λ u {\displaystyle \lambda _{u}}. 
. Elektronai, keliaujantys per periodinę magnetų struktūrą, priversti patirti virpesius. Taigi elektronai atiduoda energiją kaip elektronmagnetinę spinduliuotę. Undulatoriuje sklindanti spinduliuotė yra labai intensyvi ir koncentruota siaurose spektro energijos juostose. Šviesos spindulys taip pat yra kolimuotas elektronų orbitos plokštumoje. Ši spinduliuotė nukreipiama per pluošto linijas, skirtas eksperimentams įvairiose mokslo srityse.
Svarbus neišmatuojamas parametras
K = e B λ u 2 π β m e c {\displaystyle K={{\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}}} 
kur e - dalelės krūvis, B - magnetinis laukas, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c}
, m e {\displaystyle m_{e}}
- elektrono ramybės masė, o c - šviesos greitis, apibūdina elektrono judėjimo pobūdį. Kai K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
, judėjimo svyravimų amplitudė yra maža, o spinduliuotė pasižymi interferenciniais modeliais, dėl kurių susidaro siauros energijos juostos. Jei K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
, svyravimų amplitudė yra didesnė ir kiekvieno lauko periodo spinduliuotės indėlis sumuojasi nepriklausomai, todėl susidaro platus energijos spektras. Kai K yra daug didesnis už 1, prietaisas nebevadinamas unduliatoriumi; jis vadinamas wiggleriu.
Fizikai apie undulatorius mąsto ir remdamiesi klasikine, ir reliatyvumo fizika. Tai reiškia, kad nors tikslūs skaičiavimai yra varginantys, undulatorius gali būti laikomas juodąja dėže. Į šią dėžę įeina elektronas, o pro mažą išėjimo plyšį išeina elektromagnetinis impulsas. Plyšys turi būti pakankamai mažas, kad pro jį praeitų tik pagrindinis kūgis, todėl į šonines skiltis galima nekreipti dėmesio.
Undulatoriai gali suteikti šimtus kartų didesnį magnetinį srautą nei paprastas lenkiamasis magnetas, todėl yra labai paklausūs sinchrotroninės spinduliuotės įrenginiuose. N kartų (N periodų) pasikartojančio unduliatoriaus ryškumas gali būti iki N 2 {\displaystyle N^{2}}
didesnis nei lenkiamojo magneto. Intensyvumas iki N kartų padidėja harmoninių bangų ilgiuose dėl konstruktyvios laukų, išspinduliuotų per N spinduliavimo periodų, interferencijos. Įprastas impulsas yra sinusinė banga su tam tikru apvalkalu. Antrasis N faktorius atsiranda dėl su šiomis harmonikomis susijusio spinduliavimo kampo sumažėjimo, kuris sumažėja proporcingai 1/N. Kai elektronai ateina su puse periodo, jie interferuoja destruktyviai. Taigi unduliatorius lieka tamsus. Tas pats pasakytina, jei elektronai ateina kaip karoliukų grandinėlė. Kadangi elektronų virtinė skleidžiasi tuo labiau, kuo daugiau kartų jie keliauja aplink sinchrotroną, fizikai nori sukurti naujas mašinas, kurios išmestų elektronų virtines, kol jos dar nespėjo išsiskleisti. Šis pokytis leis gauti naudingesnę sinchrotrono spinduliuotę.
Spinduliuojamos spinduliuotės poliarizacija gali būti valdoma naudojant nuolatinius magnetus, kad per unduliatorių būtų indukuojamos skirtingos periodinės elektronų trajektorijos. Jei svyravimai apsiriboja plokštuma, spinduliuotė bus tiesiškai poliarizuota. Jei virpesių trajektorija yra spiralinė, spinduliuotė bus apskritimiškai poliarizuota, o jos kryptį lemia spiralė.
Jei elektronai pasiskirsto pagal Puasono pasiskirstymą, dalinė interferencija lemia linijinį intensyvumo didėjimą. Laisvųjų elektronųlazeryje intensyvumas didėja eksponentiškai didėjant elektronų skaičiui.
Fizikai matuoja unduliatoriaus efektyvumą pagal spektrinį spindesį.
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.
