Многополюсные вигглеры и ондуляторы

Основные принципы действия

Многополюсные вигглеры и ондуляторы представляют собой специальные магнитные структуры, встроенные в накопительные кольца или линейные ускорители, предназначенные для генерации интенсивного когерентного излучения в широком спектральном диапазоне. Принцип их работы основан на том, что релятивистские электроны, проходя через чередующиеся дипольные магнитные поля, испытывают вынужденные колебания. Эти колебания вызывают ускоренное движение зарядов, что приводит к испусканию электромагнитного излучения.

Если электронный пучок отклоняется в результате воздействия сильных магнитных полей на большие углы, структура называется вигглером. Если же магнитные поля таковы, что электроны отклоняются на малые углы и излучение от последовательных колебаний когерентно складывается, образуя интерференционные максимумы, то такая структура называется ондулятором.

Отличие вигглера от ондулятора

  • Вигглер создаёт излучение с широкой спектральной полосой и большой мощностью. Его излучение близко к сумме отдельных дипольных спектров. Он используется там, где требуется высокая интенсивность, но не критична монохроматичность.
  • Ондулятор обеспечивает узкополосное излучение за счёт интерференции излучения от разных периодов магнитной решётки. В результате формируются резонансные пики на определённых длинах волн, зависящих от периода магнитной структуры, энергии пучка и параметра ондулятора.

Параметр ондулятора

Для характеристики многополюсных структур вводится безразмерный параметр:

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

где B0 — амплитуда магнитного поля, λu — период магнитной структуры, m — масса электрона, c — скорость света.

  • При K ≪ 1 излучение носит чисто ондуляторный характер и формируются узкие спектральные линии.
  • При K ≫ 1 структура фактически работает как вигглер, и излучение становится широкополосным.

Спектральные свойства

Излучение многополюсных структур имеет резонансный характер. Основная длина волны ондуляторного излучения определяется выражением:

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

где γ — фактор Лоренца электрона, θ — угол наблюдения относительно направления пучка.

Таким образом, длина волны излучения управляется тремя параметрами: энергией пучка, величиной магнитного поля и геометрией магнитной структуры.

Поляризация излучения

В зависимости от конфигурации магнитных полей можно получать излучение с различной поляризацией:

  • Линейная поляризация — достигается при использовании планарных ондуляторов.
  • Круговая и эллиптическая поляризация — реализуется в так называемых эллиптических ондуляторах, где магнитные поля чередуются не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлениях.

Конструктивные особенности

Многополюсные вигглеры и ондуляторы строятся как последовательности чередующихся магнитов, создающих синусоидальное распределение магнитного поля. Основные конструктивные параметры:

  • Период магнитной структуры λu.
  • Количество периодов N, определяющее спектральную ширину излучения. Чем больше число периодов, тем уже спектральные линии.
  • Максимальная магнитная индукция B0, влияющая на величину параметра K.

Современные технологии позволяют создавать устройства с изменяемым зазором между магнитами. Это обеспечивает регулировку величины магнитного поля и, соответственно, перестройку частоты излучения без изменения энергии пучка.

Применение в источниках синхротронного излучения

Многополюсные вигглеры и ондуляторы используются в современных синхротронных центрах в качестве специализированных источников когерентного излучения для задач, требующих высокой яркости, направленности и возможности спектральной настройки.

  • Вигглеры применяются для генерации мощного потока фотонов в широком диапазоне энергий — от мягкого рентгена до жёсткого рентгена. Они незаменимы в экспериментах, где требуется высокая интенсивность, например в медицинской визуализации или материаловедении.
  • Ондуляторы дают возможность получать узкополосное, квазимонохроматическое излучение, что особенно важно для спектроскопии высокого разрешения, исследования кристаллических структур, молекулярной биологии и нанотехнологий.

Влияние на характеристики пучка

Размещение многополюсных структур в накопительном кольце оказывает влияние на динамику электронного пучка.

  • Вигглеры из-за больших углов отклонения увеличивают энерговыброс и могут снижать время жизни пучка.
  • Ондуляторы менее сильно возмущают пучок, что делает их более подходящими для работы в режиме высокой стабильности.

Современные тенденции

Современное развитие ондуляторных технологий направлено на создание устройств с возможностью быстрой перенастройки параметров:

  • изменяемый зазор для плавного изменения длины волны;
  • возможность переключения поляризации излучения;
  • гибридные конструкции с использованием как постоянных магнитов, так и электромагнитов;
  • компактные ондуляторы для линейных ускорителей, используемых в источниках типа FEL (Free Electron Laser — лазер на свободных электронах).

Эти усовершенствования позволяют получать источники с ещё более высокой яркостью, когерентностью и гибкостью в настройке, что делает многополюсные вигглеры и ондуляторы ключевыми элементами современной фотонной науки.

Оглавление