Ондуляторы и их отличие от вигглеров

Общие принципы работы ондуляторов

Ондулятор представляет собой магнитное устройство, установленное в прямом участке накопительного кольца или линейного ускорителя, создающее поперечное магнитное поле с чередующейся полярностью. Электрон, проходя через последовательность чередующихся дипольных магнитов, совершает синусоидальные колебания вокруг оси движения. Эти колебания сопровождаются излучением фотонов, характеристики которых определяются параметрами ондулятора.

Ключевым параметром является ондуляторный параметр:

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

где B0 — амплитуда магнитного поля, λu — период ондулятора, e и me — заряд и масса электрона, c — скорость света.

При K ≪ 1 излучение в основном формируется на основной гармонике и сосредоточено в узкой спектральной линии. При K ∼ 1 проявляются более высокие гармоники, однако спектр сохраняет квазимонолинейный характер.

Спектральные свойства ондуляторов

Спектр ондуляторного излучения принципиально отличается от спектра излучения в магнитах изгиба. Излучение в ондуляторе имеет линейчатую структуру, где доминируют дискретные гармоники:

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

где n — номер гармоники, γ — лоренц-фактор электрона, θ — угол наблюдения.

Таким образом, ондуляторы позволяют получать квазимонохроматическое излучение, что делает их особенно ценными для применения в области спектроскопии, биологии и материаловедения.

Яркость и когерентность излучения

Ондулятор является источником с исключительно высокой яркостью благодаря интерференции излучения от различных участков траектории электрона. Излучение когерентно в продольном направлении, что повышает интенсивность на порядок по сравнению с излучением одиночных магнитов.

Поперечная когерентность обусловлена узкой угловой апертурой пучка. В результате излучение ондулятора может рассматриваться как квазилазерный источник в диапазоне рентгеновских и ультрафиолетовых длин волн.

Отличие ондуляторов от вигглеров

Несмотря на внешнее сходство, ондуляторы и вигглеры существенно различаются по физике излучения.

  1. Значение параметра K:

    • Для ондулятора K ≲ 1, излучение носит линейчатый характер.
    • Для вигглера K ≫ 1, спектр становится широким и приближается к непрерывному.

  2. Спектральные свойства:

    • Ондулятор → дискретные гармоники, узкая спектральная полоса.
    • Вигглер → спектр близок к сумме излучений от отдельных магнитных изгибов, шире и менее структурирован.

  3. Интерференция излучения:

    • В ондуляторе излучение когерентно и усиливается за счёт интерференции.
    • В вигглере интерференция отсутствует, излучение от различных участков суммируется инкогерентно.

  4. Яркость и направленность:

    • Ондулятор даёт чрезвычайно яркое и направленное излучение, пригодное для задач с высокой спектральной селективностью.
    • Вигглер формирует более широкий спектр с большей мощностью, но меньшей монохроматичностью.

  5. Области применения:

    • Ондуляторы применяются для исследований, требующих узкой спектральной линии (структурная биология, рентгеновская спектроскопия, нанонаука).
    • Вигглеры используют там, где необходима высокая мощность излучения в широком диапазоне энергий (рентгенография, медицинские применения, исследования с большой светосилой).

Конструктивные особенности

Ондуляторы, как правило, имеют меньший период магнитной структуры по сравнению с вигглерами. Для тонкой настройки излучения используется возможность изменения зазора между магнитными полюсами, что позволяет изменять величину B0 и, соответственно, параметр K.

Вигглеры же чаще ориентированы на создание сильных магнитных полей и больших амплитуд колебаний электронов, при которых интерференция подавляется.

Современные разработки

В новейших синхротронных центрах создаются перестраиваемые ондуляторы, позволяющие изменять спектр излучения в широких пределах. Используются как линейно-поляризованные, так и кругово-поляризованные схемы. Вигглеры в свою очередь модифицируются для получения поляризованного излучения высокой мощности.

Таким образом, оба устройства — ондуляторы и вигглеры — являются ключевыми элементами современной синхротронной техники, обеспечивая пользователям возможность выбора между высокой монохроматичностью или высокой интегральной мощностью источника.

Оглавление