Undulator
En undulator er en indføringsanordning fra højenergifysik og er normalt en del af et større anlæg, en synkrotronlagringsring. Den består af en periodisk struktur af dipolmagneter. Et statisk magnetfelt er vekslende langs undulatorens længde med en bølgelængde λ u {\displaystyle \lambda _{u}} 
. Elektroner, der gennemløber den periodiske magnetstruktur, tvinges til at undergå svingninger. Elektronerne afgiver således energi som elektromagnetisk stråling. Den stråling, der produceres i en undulator, er meget intens og koncentreret i smalle energibånd i spektret. Lysstrålen er også kollimeret på elektronernes baneplan. Denne stråling ledes gennem strålebaner til forsøg inden for forskellige videnskabelige områder.
Den vigtige dimensionsløse parameter
K = e B λ u 2 π β β m e c {\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}}} 
hvor e er partikelens ladning, B er det magnetiske felt, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c}
, m e {\displaystyle m_{e}}}
er elektronens hvilemasse og c er lysets hastighed, karakteriserer elektronens bevægelsesmåde. For K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
er bevægelsens svingningsamplitude lille, og strålingen viser interferensmønstre, som fører til smalle energibånd. Hvis K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
er svingningsamplituden større, og strålingsbidragene fra hver feltperiode summeres uafhængigt af hinanden, hvilket fører til et bredt energispektrum. Når K er meget større end 1, kaldes anordningen ikke længere en undulator, men en wiggler.
Fysikere tænker på undulatorer både ved hjælp af klassisk fysik og relativitetsteori. Det betyder, at selv om præcisionsberegningen er kedelig, kan undulatoren betragtes som en sort boks. En elektron kommer ind i denne kasse, og en elektromagnetisk impuls kommer ud gennem en lille udgangsspalte. Spalten skal være lille nok til, at kun hovedkeglen passerer, således at sideloberne kan ignoreres.
Undulatorer kan give hundreder af gange mere magnetisk flux end en simpel bøjemagnet og er derfor meget efterspurgte på synkrotronstrålingsanlæg. For en undulator, der gentages N gange (N perioder), kan lysstyrken være op til N 2 {\displaystyle N^{2}}
mere end en bøjemagnet. Intensiteten øges op til en faktor N ved harmoniske bølgelængder på grund af den konstruktive interferens af de felter, der udsendes i løbet af de N strålingsperioder. Den sædvanlige puls er en sinusbølge med en vis indhylling. Den anden faktor N kommer fra reduktionen af den emissionsvinkel, der er forbundet med disse overtoner, og som reduceres proportionalt med 1/N. Når elektronerne kommer med halvdelen af perioden, interfererer de destruktivt. Så undulatoren forbliver mørk. Det samme gælder, hvis elektronerne kommer som en perlekæde. Da elektronbunken spreder sig ud, jo flere gange de bevæger sig rundt i synkrotronen, ønsker fysikerne at konstruere nye maskiner, der smider elektronbunkene ud, før de har en chance for at sprede sig ud. Denne ændring vil give mere nyttig synkrotronstråling.
Polariseringen af den udsendte stråling kan styres ved at bruge permanente magneter til at fremkalde forskellige periodiske elektronbaner gennem undulatoren. Hvis svingningerne er begrænset til et plan, vil strålingen være lineært polariseret. Hvis svingningsbanen er spiralformet, vil strålingen være cirkulært polariseret, med den af spiralen bestemte håndretning.
Hvis elektronerne følger Poisson-fordelingen, fører en delvis interferens til en lineær stigning i intensiteten. I en frielektronlaser stiger intensiteten eksponentielt med antallet af elektroner.
Fysikere måler en undulators effektivitet i form af spektralstråling.
Funktion af undulatoren. 1: magneter, 2: elektronstråle, 3: synkrotronstråling
En multipole wiggler, som anvendes i lagringsringen på den australske synkrotron til at generere synkrotronstråling
Historie
Den første undulator blev bygget af Hans Motz og hans medarbejdere på Stanford i 1953. En af deres undulatorer producerede den første sammenhængende infrarøde stråling nogensinde. Deres samlede frekvensområde var fra synligt lys og ned til millimeterbølger. Den russiske fysiker V.L. Ginzburg viste i en artikel fra 1947, at undulatorer i princippet kunne fremstilles.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er en undulator?
A: En undulator er en anordning fra højenergifysikken, som består af en periodisk struktur af dipolmagneter. Den tvinger elektroner til at undergå svingninger, hvilket producerer intens og koncentreret elektromagnetisk stråling i smalle energibånd.
Spørgsmål: Hvilken parameter karakteriserer arten af elektronernes bevægelse?
Svar: Den vigtige dimensionsløse parameter K = eBλu/2πβmecc karakteriserer elektronbevægelsens karakter, hvor e er partikelens ladning, B er magnetfeltet, β = v/c , me er elektronens hvilemasse og c er lysets hastighed.
Sp: Hvordan kan en undulator sammenlignes med en bøjningsmagnet med hensyn til magnetisk flux?
Svar: Undulatorer kan give hundreder af gange mere magnetisk flux end en simpel bøjemagnet.
Spørgsmål: Hvordan påvirker interferens intensiteten, når man bruger en undulator?
Svar: Hvis K ≤ 1, er svingningsamplituden lille, og strålingen viser interferensmønstre, som fører til smalle energibånd. Hvis K ≥ 1, er svingningsamplituden større, og strålingsbidragene fra hver feltperiode summeres uafhængigt af hinanden, hvilket fører til et bredt energispektrum.
Spørgsmål: Hvordan kan polarisationen styres ved brug af en undulator?
Svar: Polarisationen kan styres ved at bruge permanente magneter til at inducere forskellige periodiske elektronbaner gennem undulatoren. Hvis svingningerne er begrænset til et plan, vil strålingen være lineært polariseret; hvis banebanen er spiralformet, vil strålingen være cirkulært polariseret, idet den er bestemt af spiralformet.
Sp: Hvordan stiger intensiteten med antallet af elektroner for frielektronlasere?
A: Når elektronerne følger Poisson-fordelingen, fører partiel interferens til en lineær stigning i intensiteten; for frielektronlasere stiger intensiteten eksponentielt med antallet af elektroner.
Spørgsmål: Hvilken måling bruger fysikere til at vurdere en undulators effektivitet?
A: Fysikere måler en undulators effektivitet i form af spektralstråling.
