Ondulador

Onduladores ( ondular = serpentear, mover-se em ondas ) e wigglers ( agitar = agitar) são dispositivos técnicos para gerar radiação síncrotron . Eles são usados em aceleradores de elétrons de alta energia sob o título de dispositivos de inserção .

Como funciona, construção

Ondulador

Se uma partícula eletricamente carregada é desviada por um campo magnético, isso fisicamente significa que ela é acelerada na direção do vôo. Uma partícula que se move quase à velocidade da luz - na prática um elétron - emite radiação eletromagnética, radiação síncrotron.

O wiggler e o ondulador são fileiras de imãs dipolo que se alternam de norte a sul. O arranjo especial do ímã força uma partícula voando através dele em um caminho semelhante a uma cobra, principalmente sinusoidal . A partícula emite radiação síncrotron em sua direção média de vôo. As propriedades da radiação dependem fortemente do comprimento dos ímãs individuais, da força do campo magnético e da velocidade, carga e massa da partícula.

Existem vários designs diferentes para wigglers e onduladores:

• Construção eletromagnética em que uma culatra de ferro comum é envolvida por diferentes bobinas normalmente condutoras ( densidade de fluxo magnético B = 2  Tesla (T)) ou bobinas de corrente supercondutora são dispostas em uma casca ( B > 2 T a cerca de 12 T) de modo que formem o campo dipolo alternado ;
• Ímãs permanentes ( B = 0,8-1,0 T);
• Ímãs híbridos. Aqui, os campos magnéticos de vários ímãs permanentes são guiados por uma culatra metálica; isso atinge uma densidade de fluxo mais alta do que com ímãs permanentes apenas. ( B > 2 T)

Diferença entre wiggler e ondulador

Esboço esquemático de um ondulador

Os wigglers diferem dos onduladores no tipo de radiação síncrotron emitida: um wiggler gera um espectro contínuo, um ondulador um espectro de linha.

Isso é conseguido por meio de designs diferentes. No wiggler, as partículas são defletidas com muita força para obter alta energia de fótons. Para isso, ímãs mais fortes são usados ​​do que em onduladores; os ímãs no wiggler são normalmente organizados como uma matriz Halbach . Além disso, o período da estrutura magnética (veja o esboço esquemático) em wigglers é geralmente maior do que em onduladores. Devido à alta deflexão, os lóbulos de radiação gerados têm um grande ângulo com o eixo do wiggler e, portanto, não se sobrepõem. Como resultado, os vários lóbulos de radiação não podem interferir uns com os outros e o espectro da radiação gerada é relativamente amplo. ${\ displaystyle \ lambda _ {u}}$

No caso do ondulador, o caminho do elétron é escolhido de forma que todos os lóbulos de radiação interfiram. Isso é alcançado por uma pequena deflexão do caminho do elétron. Isso leva a uma menor energia do fóton, mas também a um espectro nítido e maior brilho . O ângulo de abertura da radiação gerada também é menor.

A intensidade da radiação emitida no centro do feixe de radiação gerado (ou seja, no eixo óptico) é proporcional ao número de elétrons no feixe de elétrons emissores (feixe) em ambos os tipos. Além disso, depende do número de períodos de deflexão, pelo que existe uma diferença essencial entre wigglers e onduladores: em wigglers a intensidade no eixo óptico é proporcional ao número de períodos de deflexão, em onduladores é proporcional ao quadrado deste número.

A transição do ondulador para o wiggler é descrita pelo parâmetro do ondulador adimensional :

${\ displaystyle K = {\ frac {eB \ lambda _ {u}} {2 \ pi mc}} \, {\ text {,}}}$

aqui e é a carga elementar, B a força do campo magnético , o período do ondulador, m a massa do elétron ec a velocidade da luz . O período do ondulador é a distância após a qual o campo magnético retorna ao seu valor original. K descreve a força da deflexão dos elétrons. ${\ displaystyle \ lambda _ {u}}$

• Se for chamado de wiggler. A deflexão dos elétrons é relativamente grande e os cones de luz não se sobrepõem construtivamente. (A intensidade é apenas proporcional ao número de períodos do ondulador :) O resultado é que um espectro relativamente amplo é criado.${\ displaystyle K> 1}$${\ displaystyle I \ propto N}$
• Se for assim, a deflexão é pequena, os cones de luz gerados se sobrepõem construtivamente e fala-se de um ondulador. (A intensidade é então proporcional ao quadrado do número de Undulatorperioden: )${\ displaystyle K \ leq 1}$${\ displaystyle I \ propto N ^ {2}}$

O comprimento de onda da radiação emitida pode ser calculado usando a chamada equação do ondulador :

${\ displaystyle \ lambda = {\ frac {\ lambda _ {u}} {2 \ gamma ^ {2}}} \ left (1 + {\ frac {K ^ {2}} {2}} + (\ theta \ gamma) ^ {2} \ right),}$

aqui, o fator de Lorentz , o período do ondulador, K é o parâmetro do ondulador descrito acima e o ângulo medido a partir do centro do lobo irradiado. ${\ displaystyle \ gamma = {\ frac {1} {\ sqrt {1- \ beta ^ {2}}}}}$${\ displaystyle \ lambda _ {u}}$${\ displaystyle \ theta}$

Apesar do nome, a equação se aplica tanto ao wiggler quanto ao ondulador; K determina qual dos dois é.

• A expressão anterior mostra que a radiação de onda curta é causada por uma contração de Lorentz e o efeito Doppler (portanto ) dos períodos ondulatórios.${\ displaystyle {\ frac {\ lambda _ {u}} {2 \ gamma ^ {2}}}}$${\ displaystyle \ gamma ^ {2}}$
• Uma reconhece que a radiação emitida tem o comprimento de onda mais curto no centro e que esta aumenta na direcção do exterior.${\ displaystyle \ theta}$

Para gerar a mesma energia de fóton em um ondulador e em um wiggler, os feixes de elétrons devem ser acelerados para uma energia mais alta. Essa despesa adicional é aceita porque a radiação emitida tem um brilho muito maior e um espectro mais estreito. Apenas onduladores são usados ​​em fontes modernas de radiação síncrotron de terceira e quarta geração.

O comprimento de um ondulador é geralmente de alguns metros. Se você estender o comprimento para vários 10 metros ou mesmo vários 100 metros, a radiação resultante pode interagir com o pacote de elétrons por uma distância agora maior e, dessa forma, você obtém uma microestruturação especial no pacote. Se for esse o caso, fala-se de um laser de elétrons livres . A intensidade de um FEL é, portanto, não apenas proporcional ao quadrado do número de períodos do ondulador ( ), mas também proporcional ao quadrado do número de elétrons contidos no pacote ( ). Isso aumenta o brilho e a intensidade significativamente. ${\ displaystyle \ propto N ^ {2}}$${\ displaystyle \ propto n ^ {2}}$

Links da web

• Uwe Schindler, Um ondulador supercondutor com helicidade eletricamente comutável , 2004 Research Centre Karlsruhe, Scientific Reports FZKA 6997 (pdf; 2,0 MB)

Evidência individual

1. ^ H. Motz: Onduladores e lasers de elétrons livres . In: Contemporary Physics . fita 20 , não. 5 , 1 de setembro de 1979, ISSN  0010-7514 , pp. 547-568 , doi : 10.1080 / 00107517908210921 (Inglês).