Įterpimo įtaisas (undulatorius, wigleris) – sinchrotroninės spinduliuotės šaltinis

Įterpimo įtaisas (undulatorius, wigleris) – efektyvus sinchrotroninės spinduliuotės šaltinis, generuojantis siaurų arba plačių spektrų spinduliuotę mokslui, medicinai ir pramonei.

Fizikoje įterpimo įtaisas - tai magnetų grupė, kurią galima uždėti ant tiesaus dalelių greitintuvo segmento ir paversti sinchrotroninės šviesos šaltiniu. Jie vadinami įterpimo įtaisais, nes pakeičia vamzdį, kuriame kitu atveju būtų laikomas vakuumas, reikalingas dalelių pluošto keliui išlaikyti. Daug kartų įterpimo įtaisai naudojami sinchrotrono apskritiminiame kelyje arba kaupimo žiede.

Yra dviejų tipų įterpimo įtaisai. Įterpiamieji įtaisai skleidžia elektromagnetinę spinduliuotę, pritaikytą siauram dažnių diapazonui. Įterpikliai sukuria plataus dažnių diapazono elektromagnetinę spinduliuotę.

Kas tai yra ir kaip veikia

Įterpimo įtaisas — tai periodiškai išdėstytų magnetų sistema, priverčianti greitai judančius laidininkų dalelių pluoštus (paprastai el. energizuotas elektronų spindulys) svyruoti („siūbuoti“) per kelias dešimtis arba šimtus magnetinių periodų. Šie šoninio poslinkio pokyčiai priverčia daleles skleidžiant elektromagnetinę spinduliuotę. Šviesos spektras ir savybės priklauso nuo magnetų geometrijos, periodinės struktūros ilgio, magnetinio lauko stiprumo ir dalelių energijos.

Undulatorius ir wigleris — pagrindiniai skirtumai

Dažnai vartojami du terminai: undulatorius ir wigleris. Pagrindinis skirtumas yra dalelių nukrypimo dydis (apibūdinamas vadinamuoju deflekcijos parametru K):

• Undulatorius: K maždaug <~1 (maži poslinkiai). Radiacija iš atskirų periodų interfere—dėl to gaunami ryškūs, siauri spektriniai pikai (harmonikos). Tai leidžia gauti didelę ryškumą ir siaurą dažnių diapazoną.
• Wiggleris: K ≫ 1 (dideli poslinkiai). Kiekvienas periodas skleidžia panašią radiaciją, bet interferencijos efektas yra menkesnis; bendras spektras yra platesnis ir artimas vieno lanko magneto spinduliuotės sumai. Wigleriai tinka, jei reikia didesnės bendros skleidžiamos galios ir platesnio spektro.

Svarbūs parametrai ir reguliavimas

• Periodas (λu) — magnetų poros ilgis, nuo kurio priklauso galimos bangos ilgiai.
• Deflekcijos parametras (K) — apibūdina magnetinio lauko įtaką dalelės trajektorijai ir lemia, ar prietaisas veiks kaip undulatorius, ar wigleris.
• Dalelių energija (γ) — didesnė energija sumažina generuojamos šviesos bangos ilgį (judėjimas link rentgeno diapazono).
• Tuningas — daugelis įterpimo įtaisų yra reguliuojami: keičiant magnetų tarpus (gap) arba skirtingai išdėstant modulius galima tiksliai keisti skleidžiamos šviesos energiją ir polarizaciją.

Polarizacija ir konstrukcijos tipai

Įterpimo įtaisai būna įvairių konstrukcijų: planariniai (sukuria linijinę polarizaciją), helicaliniai (sukuria cirkuliarinę polarizaciją) ir specialūs kintamos polarizacijos įtaisai (pvz., APPLE tipo), kurie leidžia keisti spinduliuotės orientaciją ir polarizacijos tipą. Tai ypač svarbu tomografijoje, magnetinių savybių tyrimuose ir kitose eksperimentinėse technikose.

Panaudojimas

Įterpimo įtaisai yra pagrindiniai sinchrotroninės šviesos šaltiniai daugelyje mokslo sričių:

• struktūrinė biologija (baltymų kristalografija);
• medžiagų mokslas (paviršių analizė, nanostruktūrų tyrimai);
• cheminė analitika (spektroskopija);
• pramoniniai ir medicininiai taikymai (vaizdavimo metodai, proceso stebėsena).

Be to, undulatoriai yra esminė dalis laisvo elektronų lazerio (FEL) setupuose, kur intensyvi, koherentiška spinduliuotė susidaro per savigrėdinės atgalinės sąveikos procesus.

Privalumai ir techniniai iššūkiai

• Privalumai: labai didelis ryškumas (brightness), galimybė gauti siaurą spektrą ir kintamą polarizaciją, tuneliavimas į didelių energijų (rentgeno) diapazonus.
• Iššūkiai: reikalauja itin tiksliai pagamintų ir suderintų magnetų, griežtos geometrijos ir stabilumo; vakuuminė apkrova ir šiluminės apkrovos (heat load) reikalauja inžinerinių sprendimų; didelis magnetinio lauko netikslumas mažina spinduliuotės kokybę.

Išvados

Įterpimo įtaisai (undulatoriai, wigleriai) yra lankstūs ir galingi sinchrotroninės šviesos šaltiniai. Tinkamai parinkus konstrukciją ir parametrus, galima gauti labai skirtingas spinduliuotės savybes — nuo itin siaurų, koherentiškų linijų iki plataus spektro, didelės galios šviesos. Dėl šių savybių jie tapo kertiniais instrumentais moderniuose tyrimuose ir taikymuose.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra įterpimo įtaisas?

K: Kodėl jie vadinami įterpimo įtaisais?

K: Kur naudojami įterpimo įtaisai?

K: Kiek yra įterpimo įtaisų tipų?

K.: Kas yra įdėklai?

K: Kas yra pertvariniai įtaisai?

K: Kokia yra įterpimo įtaisų paskirtis?

Paieška pagal raidę