Новые типы ондуляторов и вигглеров

Ондуляторы и вигглеры представляют собой магнитные системы периодической структуры, предназначенные для генерации синхротронного излучения за счет вынужденного колебательного движения заряженных частиц, в основном электронов, в ускорителях. Их принцип действия основан на преобразовании кинетической энергии пучка частиц в электромагнитное излучение за счет ускорения частиц в магнитном поле.

Ондулятор – магнитная структура с чередующимися полюсами, создающая периодическое колебательное движение электронов. Ондулятор позволяет получать излучение с узким спектром и высокой когерентностью в определенном диапазоне длин волн.

Вигглер – разновидность ондулятора с большей амплитудой магнитного поля, вызывающей более сильное отклонение электронов. Вигглер генерирует более широкий спектр излучения, часто с интенсивностью, пропорциональной числу периодов, что делает его незаменимым источником высокоэнергетического рентгеновского излучения.

Новые конструкции ондуляторов

С развитием синхротронных источников наблюдается тенденция к созданию компактных, высокоинтенсивных и настраиваемых ондуляторов. Основные направления исследований:

1. Эллиптические и переменные поляризационные ондуляторы Такие устройства позволяют изменять поляризацию излучения от линейной до круговой без изменения длины волны. Это достигается за счет сложной геометрии магнитных полюсов, обеспечивающей вращение плоскости колебаний электрона.

   • Применение: спектроскопия магнитного рассеяния, изучение хиральных и магнитных свойств материалов.
   • Преимущество: высокая управляемость поляризации без потери интенсивности.

2. Сверхкороткие периодические ондуляторы Сокращение периода ондулятора до миллиметрового диапазона позволяет генерировать жесткое рентгеновское излучение при относительно невысоких энергиях электронного пучка.

   • Эффект: увеличение частоты гармоник и улучшение спектральной яркости.
   • Техническая сложность: высокая точность изготовления магнитной системы и стабилизация положения магнитов.

3. Квазипериодические и апериодические ондуляторы Эти конструкции используют изменяющуюся амплитуду или период магнитного поля для подавления определенных гармоник излучения.

   • Применение: создание более чистого спектра излучения с минимальными побочными гармониками.
   • Влияние: улучшение спектральной селективности и качества экспериментов, чувствительных к гармоническим искажениям.

Новые типы вигглеров

Современные исследования направлены на увеличение яркости, расширение спектра и уменьшение потерь энергии в вигглерах:

1. Сверхпроводящие вигглеры Использование сверхпроводящих магнитов позволяет достигать более высоких амплитуд магнитного поля при меньших размерах устройства и меньшем энергопотреблении.

   • Преимущество: возможность генерации жесткого рентгеновского излучения при относительно низких энергиях электронного пучка.
   • Особенности эксплуатации: требуются криогенные системы для поддержания сверхпроводимости.

2. Переменные вигглеры (tapered wigglers) Амплитуда магнитного поля постепенно изменяется вдоль оси пучка для увеличения интенсивности излучения на определенной длине волны или для компенсации изменения энергии пучка.

   • Применение: усиление интенсивности синхротронного излучения в узком диапазоне спектра.
   • Техническая особенность: сложное проектирование магнитной системы с точной настройкой градиентов поля.

3. Смешанные или комбинированные вигглеры Совмещение различных типов магнитных структур (например, секции ондулятора и вигглера в одном устройстве) позволяет получать излучение с широким спектром и высокой яркостью.

   • Преимущество: универсальные источники для множества экспериментальных методов.
   • Ограничение: увеличение длины устройства и сложности управления магнитной конфигурацией.

Влияние новых ондуляторов и вигглеров на характеристики синхротронного излучения

Основные параметры, улучшаемые современными конструкциями:

• Яркость и флукс излучения: увеличение плотности фотонов на единицу площади и единицу углового распределения.
• Поляризация: возможность точного контроля поляризации для экспериментов с хиральными и магнитными материалами.
• Спектральная чистота: уменьшение количества побочных гармоник и паразитного излучения.
• Селективность длины волны: возможность фокусировки интенсивности на нужной области спектра.
• Компактность и интеграция: современные конструкции позволяют устанавливать устройства в ограниченном пространстве ускорителей низкой и средней энергии.

Примеры применения новых ондуляторов и вигглеров

1. Рентгеновская спектроскопия: изучение электронной структуры материалов, включая сверхпроводники и магнитные системы.
2. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах: исследование структуры белков и наноматериалов с высокой разрешающей способностью.
3. Магнитная микроскопия: использование круговой и эллиптической поляризации для исследования магнитных доменов.
4. Ультрабыстрая физика: генерация коротких импульсов жесткого рентгеновского излучения для наблюдения динамических процессов в веществах на фемтосекундном масштабе.