Undulator
Ein Undulator ist eine Einfügevorrichtung aus der Hochenergiephysik und normalerweise Teil einer größeren Anlage, eines Synchrotronspeicherrings. Er besteht aus einer periodischen Struktur von Dipolmagneten. Ein statisches Magnetfeld wechselt entlang der Länge des Undulators mit einer Wellenlänge λ u {\displaystyle \lambda _{u}} 
. Elektronen, die die periodische Magnetstruktur durchqueren, werden zu Schwingungen gezwungen. So geben die Elektronen Energie als elektronenmagnetische Strahlung ab. Die in einem Undulator erzeugte Strahlung ist sehr intensiv und in schmalen Energiebändern des Spektrums konzentriert. Der Lichtstrahl ist auch auf der Bahnebene der Elektronen kollimiert. Diese Strahlung wird durch Strahlführungen für Experimente in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen geführt.
Der wichtige dimensionslose Parameter
K = e B λ u 2 π β m e c {\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}} 
wobei e die Teilchenladung, B das Magnetfeld, β = v / c {\Displaystyle \beta =v/c}
, m e {\Displaystyle m_{e}}
die Elektronenruhemasse und c die Lichtgeschwindigkeit ist, charakterisiert die Art der Elektronenbewegung. Für K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
ist die Schwingungsamplitude der Bewegung klein und die Strahlung zeigt Interferenzmuster, die zu schmalen Energiebändern führen. Bei K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
ist die Oszillationsamplitude größer und die Strahlungsbeiträge aus jeder Feldperiode summieren sich unabhängig voneinander, was zu einem breiten Energiespektrum führt. Wenn K viel größer als 1 ist, wird das Gerät nicht mehr Undulator, sondern Wiggler genannt.
Physiker denken über Undulatoren sowohl mit Hilfe der klassischen Physik als auch der Relativitätstheorie nach. Das bedeutet, dass der Undulator, obwohl die Präzisionsberechnung mühsam ist, als eine Black Box betrachtet werden kann. Ein Elektron tritt in diese Box ein und ein elektromagnetischer Impuls tritt durch einen kleinen Austrittsspalt aus. Der Schlitz sollte so klein sein, dass nur der Hauptkegel passiert, so dass die Nebenkeulen ignoriert werden können.
Undulatoren können hunderte Male mehr magnetischen Fluss liefern als ein einfacher Biegemagnet und sind als solche in Synchrotronstrahlungsanlagen sehr gefragt. Für einen Undulator, der N-mal (N Perioden) wiederholt, kann die Helligkeit bis zu N 2 {\Displaystil N^{2}}}
mehr betragen als bei einem Biegemagneten. Die Intensität wird bei harmonischen Wellenlängen aufgrund der konstruktiven Interferenz der während der N Strahlungsperioden emittierten Felder bis zu einem Faktor N verstärkt. Der übliche Impuls ist eine Sinuswelle mit einer gewissen Hüllkurve. Der zweite Faktor von N ergibt sich aus der Verringerung des mit diesen Harmonischen verbundenen Emissionswinkels, der sich proportional zu 1/N verringert. Wenn die Elektronen mit der Hälfte der Periode kommen, interferieren sie destruktiv. Der Undulator bleibt also dunkel. Dasselbe gilt, wenn die Elektronen als Perlenkette kommen. Da sich das Elektronenbündel umso mehr ausbreitet, je öfter es sich um das Synchrotron bewegt, wollen die Physiker neue Maschinen konstruieren, die die Elektronenbündel auswerfen, bevor sie eine Chance haben, sich auszubreiten. Diese Änderung wird eine nützlichere Synchrotronstrahlung erzeugen.
Die Polarisation der emittierten Strahlung kann durch die Verwendung von Permanentmagneten gesteuert werden, um verschiedene periodische Elektronenbahnen durch den Undulator zu induzieren. Wenn die Schwingungen auf eine Ebene beschränkt sind, wird die Strahlung linear polarisiert. Wenn die Oszillationsbahn schraubenförmig ist, wird die Strahlung zirkular polarisiert, wobei die Händigkeit durch die Helix bestimmt wird.
Wenn die Elektronen der Poisson-Verteilung folgen, führt eine partielle Interferenz zu einer linearen Intensitätszunahme. Im Freie-Elektronen-Laser nimmt die Intensität exponentiell mit der Anzahl der Elektronen zu.
Physiker messen die Wirksamkeit eines Undulators in Bezug auf die spektrale Strahldichte.
Ein mehrpoliger Wiggler, wie er im Speicherring des australischen Synchrotrons zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung verwendet wird
Funktionsweise des Undulators. 1: Magnete, 2: Elektronenstrahl, 3: Synchrotronstrahlung
Geschichte
Der erste Undulator wurde 1953 von Hans Motz und seinen Mitarbeitern in Stanford gebaut. Einer ihrer Undulatoren erzeugte die erste kohärente Infrarotstrahlung überhaupt. Ihr gesamter Frequenzbereich reichte vom sichtbaren Licht bis hinunter zu Millimeterwellen. Der russische Physiker W.L. Ginzburg zeigte 1947 in einer Arbeit von 1947, dass Undulatoren prinzipiell hergestellt werden können.
Fragen und Antworten
F: Was ist ein Undulator?
A: Ein Undulator ist ein Gerät aus der Hochenergiephysik, das aus einer periodischen Struktur von Dipolmagneten besteht. Er zwingt die Elektronen zu Schwingungen, die intensive und konzentrierte elektromagnetische Strahlung in schmalen Energiebändern erzeugen.
F: Welcher Parameter charakterisiert die Art der Elektronenbewegung?
A: Der wichtige dimensionslose Parameter K = eBλu/2πβmecc charakterisiert die Art der Elektronenbewegung, wobei e die Teilchenladung, B das Magnetfeld, β = v/c , me die Ruhemasse des Elektrons und c die Lichtgeschwindigkeit ist.
F: Was ist der Unterschied zwischen einem Undulator und einem Biegemagneten in Bezug auf den magnetischen Fluss?
A: Undulatoren können Hunderte Male mehr magnetischen Fluss liefern als ein einfacher Biegemagnet.
F: Wie wirkt sich die Interferenz bei der Verwendung eines Undulators auf die Intensität aus?
A: Wenn K ≤ 1 ist, dann ist die Schwingungsamplitude klein und die Strahlung zeigt Interferenzmuster, die zu schmalen Energiebändern führen. Wenn K ≥ 1 ist, dann ist die Oszillationsamplitude größer und die Strahlungsbeiträge aus jeder Feldperiode summieren sich unabhängig voneinander, was zu einem breiten Energiespektrum führt.
F: Wie kann die Polarisation bei der Verwendung eines Undulators kontrolliert werden?
A: Die Polarisation kann durch den Einsatz von Permanentmagneten gesteuert werden, die verschiedene periodische Elektronenbahnen durch den Undulator induzieren. Wenn die Oszillationen auf eine Ebene beschränkt sind, wird die Strahlung linear polarisiert sein. Wenn die Bahn spiralförmig ist, wird die Strahlung zirkular polarisiert sein, wobei die Händigkeit durch die Spirale bestimmt wird.
F: Wie nimmt die Intensität bei Freie-Elektronen-Lasern mit der Anzahl der Elektronen zu?
A: Wenn die Elektronen einer Poisson-Verteilung folgen, führt die partielle Interferenz zu einem linearen Anstieg der Intensität; bei Lasern mit freien Elektronen steigt die Intensität exponentiell mit der Anzahl der Elektronen.
Q: Mit welchem Maß bewerten Physiker die Effektivität eines Undulators?
A: Physiker messen die Effektivität eines Undulators anhand der spektralen Strahldichte.
