Вставочные устройства (insertion devices) играют ключевую роль в ускорительной технике, обеспечивая создание высокоинтенсивного и коллимированного синхротронного излучения. Они устанавливаются в прямолинейные участки кольцевого ускорителя и используются для управления траекторией пучка частиц с целью генерации электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне.
Существуют два основных типа вставочных устройств: вибраторы (wigglers) и переменные магнитные решётки (undulators).
Вибраторы (wigglers) представляют собой последовательность периодически расположенных магнитов с чередующимися полюсами, создающих сильное поперечное магнитное поле. Электронный пучок при прохождении через такой участок вынужден совершать колебательные движения, что приводит к излучению с высокой интенсивностью, но относительно широким спектром.
Переменные магнитные решётки (undulators) имеют более мягкое поперечное поле и меньшую амплитуду отклонения пучка. Они обеспечивают интерференцию излучения от последовательных периодов, что приводит к узкополосному спектру с высокой когерентностью. Ключевым параметром undulator является параметр К, определяющий амплитуду колебаний и интенсивность излучения:
$$ K = \frac{e B_0 \lambda_u}{2\pi m c} $$
где B0 — максимальное магнитное поле, λu — период решётки, e — заряд электрона, m — масса электрона, c — скорость света.
Прохождение электрона через вставочное устройство описывается уравнениями движения с периодическим поперечным магнитным полем. Для одной плоскости отклонения можно записать:
$$ \frac{d^2 x}{dz^2} + k^2 \sin^2\left(\frac{2\pi z}{\lambda_u}\right) x = 0 $$
где x — поперечное отклонение, z — продольная координата, k — коэффициент, зависящий от амплитуды магнитного поля.
В результате пучок выполняет небольшие колебательные движения, а частота излучения определяется как:
$$ \omega_n = \frac{2 \pi c}{\lambda_u} \frac{2 \gamma^2 n}{1 + K^2/2 + \gamma^2 \theta^2} $$
где n — порядок гармоники, γ — фактор Лоренца, θ — угол наблюдения относительно продольной оси пучка.
Для undulator излучение сосредоточено в узких гармониках, что позволяет использовать их для экспериментальной физики с высокими требованиями к спектральной чистоте. Вибраторы же создают более широкий спектр, что полезно при необходимости получения высокой интенсивности при меньших требованиях к монохроматичности.
Конструкция вставочных устройств предполагает использование постоянных магнитов или электромагнитных систем. Основные параметры, влияющие на характеристики излучения:
Для undulator важно минимизировать дефекты магнитного поля, поскольку даже небольшие флуктуации приводят к ухудшению когерентности и снижению яркости излучения.
Яркость вставочных устройств существенно превосходит яркость обычного синхротронного излучения, создаваемого бета-радиусными колебаниями в обычных дипольных магнитах. Яркость определяется как поток фотонов на единицу площади и углового рассеяния:
$$ B = \frac{d^2 N}{dA \, d\Omega \, dt \, d\omega/\omega} $$
Для undulator с большим числом периодов N интенсивность на центральной гармонике растёт как N2, тогда как для вибратора линейно с N.
Спектральные характеристики позволяют получать как монохроматические узкие линии, так и широкополосное излучение, что делает вставочные устройства универсальными инструментами в экспериментальной физике, рентгеноструктурном анализе и материаловедении.
Вставочные устройства оказывают влияние на оптические функции ускорителя, в том числе на бета-функции и дисперсию. Сильные поля могут изменять фокусировку и вызывать смещения пучка. Для компенсации используются корректирующие магниты (steering magnets) и корректирующие секции, позволяющие сохранить стабильность пучка и минимизировать влияние на динамическую апертуру кольца.
Вставочные устройства являются источниками высококачественного синхротронного излучения:
Их высокая гибкость и возможность настройки параметров излучения делают их ключевым компонентом современных синхротронизированных источников света.