Устройство для ввода

Скошенное вставное устройство в фотонов Усовершенствованном источнике Аргоннской национальной лаборатории .

Устройство ввода (ИД) — это компонент современных источников синхротронного света , названный так потому, что они «вставляются» в дорожки ускорителя. Они представляют собой периодические магнитные структуры, которые стимулируют яркое , направленное вперед синхротронное излучение, заставляя накопленный пучок заряженных частиц совершать покачивания или волнообразные движения при прохождении через устройство. Это движение вызывается силой Лоренца , и именно от этого колебательного движения мы получаем названия двух классов устройств, которые известны как вигглеры и ондуляторы .Некоторые вставные устройства не только создают более яркий свет, но и позволяют настраивать свет таким образом, чтобы для разных приложений можно было генерировать разные частоты.

История

Теорию ондуляторов разработал Виталий Гинзбург в СССР . Однако именно Мотц и его команда в 1953 году установили первый ондулятор в линейном ускорителе в Стэнфорде, используя его для генерации излучения миллиметровых волн вплоть до видимого света.

Лишь в 1970-е годы ондуляторы были установлены в накопителях электронов для получения синхротронного излучения. Первыми учреждениями, принявшими эти устройства, были Физический институт Лебедева в Москве и Томский политехнический университет . Эти установки позволили более полно охарактеризовать поведение ондуляторов.

Ондуляторы стали практическими устройствами для включения в источники синхротронного света только в 1981 году, когда команды Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL), Стэнфордской лаборатории синхротронного излучения (SSRL) и Института ядерной физики Будкера (ИЯФ) в России разработали постоянные магнитные решетки. , известные как массивы Хальбаха , которые обеспечивали короткие периоды повторения , недостижимые ни для электромагнитных катушек , ни для сверхпроводящих катушек .

Несмотря на схожую функцию, вигглеры использовались в накопительных кольцах более десяти лет, прежде чем их начали использовать для генерации синхротронного излучения для пучков лучей . Вигглеры оказывают демпфирующее воздействие на накопительные кольца, и именно эту функцию они впервые применили в Кембриджском ускорителе электронов в Массачусетсе в 1966 году. Первым вигглером, использованным для генерации синхротронного излучения, был 7-полюсный вигглер, установленный в ССРЛ в 1979 году.

С момента этих первых внедрений количество ондуляторов и вигглеров в установках синхротронного излучения по всему миру увеличилось, и они являются одной из движущих технологий следующего поколения источников света - лазеров на свободных электронах .

Операция

Устройства-вставки традиционно вставляются в прямые участки накопительных колец (отсюда и их название). Когда накопленный пучок частиц, обычно электронов , проходит через внутренний диаметр, переменное магнитное поле, испытываемое частицами, заставляет их траекторию подвергаться поперечным колебаниям. Ускорение, связанное с этим движением, стимулирует испускание синхротронного излучения.

Между вигглерами и ондуляторами очень небольшая механическая разница, и критерием, обычно используемым для их различия, является К-фактор. К-фактор представляет собой безразмерную константу, определяемую как:

$K={\frac {qB\lambda _{u}}{2\pi \beta mc}}$

где q – заряд частицы, проходящей через ИД, B – пиковое магнитное поле ИД, $\lambda _{u}$ период идентификатора, $\beta =v/c$ относится к скорости или энергии частицы, m — масса ускоренной частицы, а c — скорость света .

Считается, что вигглеры имеют K>>1, а ондуляторы - K<1.

К-фактор определяет энергию производимого излучения, и в ситуациях, когда требуется определенный диапазон энергии, К-число можно изменить, изменяя силу магнитного поля устройства. В устройствах с постоянными магнитами это обычно делается за счет увеличения зазора между массивами магнитов. В электромагнитных устройствах магнитное поле изменяется путем изменения тока в катушках магнита.

В вигглере период и сила магнитного поля не настроены на частоту излучения, создаваемого электронами. Таким образом, каждый электрон в сгустке излучает независимо, и результирующая полоса излучения широка. Вигглер можно рассматривать как серию соединенных вместе изгибающихся магнитов , а интенсивность его излучения зависит от количества магнитных полюсов в вигглере.

В источнике ондулятора излучение колеблющихся электронов конструктивно интерферирует с движением других электронов, в результате чего спектр излучения имеет относительно узкую полосу пропускания. Интенсивность излучения масштабируется как $N^{2}$, где $N$ количество полюсов в магнитной решетке.