Undulator
Undulacija je naprava za vstavljanje v fiziki visokih energij, ki je običajno del večje naprave, skladiščnega obroča sinhrotrona. Sestavljena je iz periodične strukture dipolnih magnetov. Po dolžini undulatorja se izmenjuje statično magnetno polje z valovno dolžino λ u {\displaystyle \lambda _{u}}. 
. Elektroni, ki prečkajo periodično magnetno strukturo, so prisiljeni nihati. Tako elektroni oddajajo energijo kot elektronsko-magnetno sevanje. Sevanje, ki nastaja v undulatorju, je zelo intenzivno in skoncentrirano v ozkih energijskih pasovih v spektru. Svetlobni žarek je prav tako kolimiran na ravnini orbite elektronov. To sevanje se usmerja prek žarkovnih linij za poskuse na različnih znanstvenih področjih.
Pomemben brezrazsežni parameter
K = e B λ u 2 π β m e c {\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}}} 
kjer je e naboj delca, B magnetno polje, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c}
, m e {\displaystyle m_{e}}
je mirujoča masa elektrona, c pa je svetlobna hitrost, opisuje naravo gibanja elektrona. Za K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
je amplituda nihanja gibanja majhna, sevanje pa kaže interferenčne vzorce, ki vodijo do ozkih energijskih pasov. Če je K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
, je amplituda nihanja večja in prispevki sevanja iz vsake periode polja se seštevajo neodvisno, kar vodi v širok energijski spekter. Če je K veliko večji od 1, se naprava ne imenuje več undulator, temveč wiggler.
Fiziki razmišljajo o valovalnikih tako na podlagi klasične fizike kot relativnosti. To pomeni, da lahko undulator, čeprav je natančen izračun naporen, obravnavamo kot črno skrinjico. V to škatlo vstopi elektron, elektromagnetni impulz pa iz nje izstopi skozi majhno izhodno režo. Reža mora biti dovolj majhna, da gre skozi njo samo glavni stožec, tako da se stranski lobi lahko zanemarijo.
Podvijalci lahko zagotovijo stokrat večji magnetni tok kot navaden upogibni magnet in so zato zelo iskani v objektih za sinhrotronsko sevanje. Pri undulatorju, ki se ponovi N-krat (N period), je lahko svetlost do N 2 {\displaystyle N^{2}}
večja kot pri upogibnem magnetu. Intenziteta se pri harmoničnih valovnih dolžinah poveča do faktorja N zaradi konstruktivne interference polj, ki se oddajajo med N periodami sevanja. Običajni impulz je sinusni val z določeno ovojnico. Drugi faktor N izhaja iz zmanjšanja kota oddajanja, povezanega s temi harmonskimi, ki se zmanjša sorazmerno z 1/N. Ko elektroni prihajajo s polovico periode, se destruktivno interferirajo. Tako undulator ostane temen. Enako velja, če elektroni prihajajo v obliki kroglične verige. Ker se šop elektronov širi toliko bolj, kolikor večkrat potujejo po sinhrotronu, želijo fiziki zasnovati nove naprave, ki šop elektronov zavržejo, še preden se lahko razširijo. Ta sprememba bo omogočila bolj uporabno sinhrotronsko sevanje.
Polarizacijo oddanega sevanja je mogoče nadzorovati z uporabo trajnih magnetov, ki skozi undulator inducirajo različne periodične trajektorije elektronov. Če so nihanja omejena na ravnino, bo sevanje linearno polarizirano. Če je trajektorija nihanja spiralna, bo sevanje krožno polarizirano, pri čemer je ročnost določena s spiralo.
Če elektroni sledijo Poissonovi porazdelitvi, delna interferenca povzroči linearno povečanje jakosti. Pri laserju sprostimi elektroni se intenzivnost povečuje eksponentno s številom elektronov.
Fiziki merijo učinkovitost undulatorja s spektralnim sevanjem.
Delovanje valjarja. 1: magneti, 2: elektronski žarek, 3: sinhrotronsko sevanje
Večpolni wiggler, ki se uporablja v shranjevalnem obroču avstralskega sinhrotrona za generiranje sinhrotronskega sevanja.
Zgodovina
Prvi undulator je leta 1953 izdelal Hans Motz s sodelavci na Stanfordu. Eden od njunih undulatorjev je proizvedel prvo koherentno infrardeče sevanje. Njihovo skupno frekvenčno območje je segalo od vidne svetlobe do milimetrskih valov. Ruski fizik V. L. Ginzburg je leta 1947 v svojem članku pokazal, da je undulatorje načeloma mogoče izdelati.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je undulator?
O: undulator je naprava iz fizike visokih energij, ki je sestavljena iz periodične strukture dipolnih magnetov. Elektrone prisili v nihanje, kar povzroči intenzivno in koncentrirano elektromagnetno sevanje v ozkih energijskih pasovih.
V: Kateri parameter označuje naravo gibanja elektronov?
O: Pomemben brezrazsežni parameter K = eBλu/2πβmecc opisuje naravo gibanja elektronov, kjer je e naboj delca, B je magnetno polje, β = v/c , me je mirujoča masa elektrona, c pa je svetlobna hitrost.
V: Kako se undulator primerja z upogibnim magnetom glede magnetnega pretoka?
O: Undulatorji lahko zagotovijo stokrat večji magnetni tok kot navaden upogibni magnet.
V: Kako interferenca vpliva na intenzivnost pri uporabi undulatorja?
O: Če je K ≤ 1, je amplituda nihanja majhna in sevanje ima interferenčne vzorce, ki vodijo v ozke energijske pasove. Če je K ≥ 1, je amplituda nihanja večja in prispevki sevanja iz vsake periode polja se seštevajo neodvisno, kar vodi v širok energijski spekter.
V: Kako je mogoče nadzorovati polarizacijo pri uporabi undulatorja?
O: Polarizacijo lahko nadzorujemo z uporabo trajnih magnetov, ki skozi undulator inducirajo različne periodične trajektorije elektronov. Če so nihanja omejena na ravnino, bo sevanje linearno polarizirano; če je trajektorija spiralna, bo sevanje krožno polarizirano, pri čemer je ročnost odvisna od spirale.
V: Kako se intenzivnost povečuje s številom elektronov pri laserjih s prostimi elektroni?
O: Kadar elektroni sledijo Poissonovi porazdelitvi, delna interferenca vodi do linearnega povečanja intenzivnosti; pri laserjih s prostimi elektroni intenzivnost narašča eksponentno s številom elektronov.
V: Katero merilo uporabljajo fiziki za oceno učinkovitosti undulatorja?
O: Fiziki merijo učinkovitost undulatorja s spektralnim sevanjem.
