Ондуляторы и вигглеры

Принципы работы и роль в ускорителях

Ондуляторы и вигглеры представляют собой магнитные устройства, устанавливаемые в синхротронных и кольцевых ускорителях для формирования периодического магнитного поля. Основная цель их применения — вынуждать пучок релятивистских электронов совершать колебательные движения, в результате которых возникает синхротронное излучение с высокой интенсивностью и узкой направленностью.

Ключевое различие между ондуляторами и вигглерами заключается в характере движения электронов:

  • Ондулятор создает небольшие амплитуды колебаний, при которых пучок сохраняет почти прямолинейное движение, а излучение интерферирует и формирует узкие спектральные линии с выраженной когерентной структурой.
  • Вигглер формирует более сильное магнитное поле, вызывая крупные отклонения траектории частиц. Здесь интерференционные эффекты практически отсутствуют, и суммарное излучение представляет собой суперпозицию отдельных импульсов, что увеличивает интенсивность, но расширяет спектр.

Конструкция и параметры

Ондуляторы и вигглеры имеют схожую конструкцию: последовательность чередующихся полюсов с северным и южным направлением магнитного поля. Основные параметры, определяющие характеристики излучения:

  1. Периодическая длина (λu) — расстояние между соседними одноименными полюсами.

  2. Амплитуда магнитного поля (B0) — определяет величину отклонения электрона.

  3. Параметр жесткости (K), задающий масштаб колебаний:

    $$ K = \frac{e B_0 \lambda_u}{2\pi m c} $$

    где e — заряд электрона, m — масса электрона, c — скорость света. Для K ≪ 1 устройство работает как ондулятор, для K ≫ 1 — как вигглер.

Спектральные характеристики излучения

  • Ондулятор: спектр имеет выраженные гармоники, длина волны основной гармоники определяется выражением:

    $$ \lambda_n = \frac{\lambda_u}{2 n \gamma^2} \left(1 + \frac{K^2}{2} + \gamma^2 \theta^2 \right) $$

    где n — номер гармоники, γ — фактор Лоренца, θ — угол наблюдения относительно оси пучка. Излучение концентрируется в узком конусе, ширина которого  ∼ 1/γ.

  • Вигглер: излучение формируется как сумма отдельных синхротронных импульсов от каждого периода. Спектр более широк, интенсивность линейно растет с числом периодов. В отличие от ондулятора, наблюдается практически непрерывное распределение по длинам волн.

Энергетическая отдача и эффективность

Энергия излучения на один период определяется как:

$$ E_\text{rad} \sim \frac{e^2 \gamma^2 K^2}{\lambda_u} $$

  • В ондуляторах K ∼ 1, энергия излучения умеренная, но спектр с узкими гармониками делает устройство особенно ценным для синхротронного света высокой яркости.
  • В вигглерах K ≫ 1, энергия излучения на период значительно выше, что позволяет создавать мощные источники широкополосного излучения.

Применение в ускорительных комплексах

Ондуляторы и вигглеры находят широкое применение в синхротронных источниках света:

  1. Ондуляторы используют для получения монохроматического излучения в рентгеновском диапазоне с высокой направленностью, применяемого в:

    • кристаллографии,
    • микроскопии,
    • спектроскопии с высокой разрешающей способностью.

  2. Вигглеры применяются там, где требуется мощное широкополосное излучение, например:

    • для генерации рентгеновских лучей высокой энергии,
    • для исследований в материалах и биологии, где важна высокая интенсивность, а не узкая спектральная линия.

Современные тенденции и технологии

Современные синхротронные источники активно используют периодические магнитные структуры со сверхпериодами и переменными параметрами, позволяющими:

  • регулировать длину волны основной гармоники,
  • изменять спектр излучения без механического перестроения всей системы,
  • достигать высокой степени когерентности в ультракоротких рентгеновских импульсах.

Появились встроенные ондуляторы с переменной жесткостью (variable-gap undulators), которые позволяют изменять параметр K динамически, что открывает возможности для тонкой настройки излучения под конкретные экспериментальные задачи.

Оглавление