Периодические магнитные структуры, к которым относятся ондуляторы и вигглеры, являются ключевыми элементами современных источников синхротронного излучения. Их работа основана на том, что движущиеся с релятивистской скоростью электроны проходят через систему магнитов с чередующимися полюсами, вызывающими синусоидальное или квазисинусоидальное отклонение траектории электронного пучка.
В отличие от изгибающих магнитов накопительных колец, где излучение генерируется при движении электрона по дуге большого радиуса, периодические магнитные структуры позволяют управлять спектральными и пространственными характеристиками излучения за счёт изменения амплитуды и периода магнитного поля.
Основные параметры, определяющие свойства излучения:
При K ≪ 1 режим называется ондуляторным, при K ≫ 1 — вигглерным.
Излучение в периодических магнитных структурах имеет ярко выраженную когерентную природу, что отличает его от обычного синхротронного излучения. В ондуляторе наблюдается интерференция волн, испускаемых на последовательных изгибах траектории электрона, что приводит к формированию узких спектральных линий.
Частота n-го гармонического максимума определяется выражением:
$$ \omega_n = \frac{2 \pi c}{\lambda_u} \cdot \frac{2 \gamma^2}{1 + K^2/2 + \gamma^2 \theta^2} \cdot n , $$
где γ — релятивистский фактор Лоренца, θ — угол наблюдения.
Таким образом, изменяя параметры магнитной структуры, можно гибко управлять положением и шириной спектральных пиков, добиваясь генерации излучения от инфракрасного до рентгеновского диапазона.
Особенность излучения в ондуляторе заключается в его высокой направленности. Основной пучок формируется в пределах угла порядка 1/γ, что многократно меньше углового распределения излучения от изгибающих магнитов.
Кроме того, излучение на одной гармонике имеет почти одинаковую фазу для всех периодов магнитной структуры, что создаёт условия для пространственной когерентности. Эта когерентность является основой для применения ондуляторов в качестве источников квазимонохроматического и когерентного излучения.
Ондуляторы предназначены для получения излучения с узкой спектральной полосой. Благодаря интерференции излучения от многих периодов магнитного поля, интенсивность основной гармоники возрастает как N2.
Характерные черты ондуляторного излучения:
Ондуляторы широко применяются в источниках третьего и четвёртого поколений, где они обеспечивают доступ к рентгеновскому диапазону с высокой интенсивностью и когерентностью.
Вигглеры отличаются большими значениями параметра K. В этом режиме излучение от различных периодов не складывается когерентно, и интерференция почти исчезает. Спектр становится непрерывным и широким, аналогичным обычному синхротронному излучению. Однако суммарная мощность излучения существенно возрастает за счёт того, что электрон многократно ускоряется и тормозится в поперечном направлении.
Вигглеры применяются в тех случаях, когда требуется широкий спектральный диапазон высокой интенсивности, например, для исследований в области ядерной физики, материаловедения и медицинской диагностики.
В современных накопительных кольцах и линейных ускорителях используются сверхпроводящие ондуляторы и электромагнитные структуры с переменным зазором, позволяющие гибко изменять параметры спектра. Сверхпроводящие технологии дают возможность уменьшить период магнитной структуры и увеличить магнитное поле, что позволяет получать жёсткое рентгеновское излучение на сравнительно низких энергиях электронного пучка.
Важнейшие области применения излучения из ондуляторов и вигглеров включают:
Использование периодических магнитных структур требует учёта их влияния на электронный пучок. В ондуляторах, из-за сравнительно слабых магнитных полей, возмущения траектории малы, и эмиттанс пучка практически не увеличивается. В вигглерах же сильные магнитные поля приводят к росту излучательных потерь и нагреву вакуумной камеры, что требует дополнительных инженерных решений.
Кроме того, в условиях высокой плотности пучка возможно возникновение когерентного спонтанного излучения, когда электроны начинают излучать синфазно, что существенно изменяет характеристики спектра. Этот эффект используется в современных свободных электронных лазерах.