Dispositivo de inserción

Un dispositivo de inserción ( ID ) es un componente de las fuentes de luz de sincrotrón modernas , llamado así porque se "inserta" en las pistas del acelerador. Son estructuras magnéticas periódicas que estimulan la emisión de radiación de sincrotrón dirigida hacia adelante y de gran brillo al obligar a un haz de partículas cargadas almacenadas a realizar ondulaciones a medida que pasan a través del dispositivo. Este movimiento es causado por la fuerza de Lorentz , y es a partir de este movimiento oscilatorio que obtenemos los nombres de las dos clases de dispositivos, que se conocen como onduladores y onduladores . Además de crear una luz más brillante, algunos dispositivos de inserción permiten ajustar la luz de modo que se puedan generar diferentes frecuencias para diferentes aplicaciones.

La teoría de los onduladores fue desarrollada por Vitaly Ginzburg en la URSS . Sin embargo, fueron Motz y su equipo quienes en 1953 instalaron el primer ondulador en un acelerador lineal en Stanford, utilizándolo para generar radiación de ondas milimétricas hasta luz visible. ^[1]

No fue hasta la década de 1970 cuando se instalaron onduladores en anillos de almacenamiento de electrones para producir radiación sincrotrón. Las primeras instituciones que adoptaron estos dispositivos fueron el Instituto Físico Lebedev de Moscú y la Universidad Politécnica de Tomsk . Estas instalaciones permitieron una caracterización más completa del comportamiento de los onduladores.

Los onduladores sólo se convirtieron en dispositivos prácticos para su inserción en fuentes de luz de sincrotrón en 1981, cuando los equipos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL), el Laboratorio de Radiación Sincrotrón de Stanford (SSRL) y el Instituto Budker de Física Nuclear (BINP) en Rusia desarrollaron conjuntos magnéticos permanentes, conocidos como conjuntos Halbach , que permitían períodos cortos de repetición inalcanzables ni con bobinas electromagnéticas ni con bobinas superconductoras .

A pesar de su función similar, los wigglers se utilizaron en anillos de almacenamiento durante más de una década antes de que se utilizaran para generar radiación de sincrotrón para líneas de luz . Los wigglers tienen un efecto de amortiguación en los anillos de almacenamiento, que es la función a la que se aplicaron por primera vez en el Acelerador de Electrones de Cambridge en Massachusetts en 1966. El primer wiggler utilizado para la generación de radiación de sincrotrón fue un wiggler de 7 polos instalado en el SSRL en 1979.

Desde estas primeras inserciones, el número de onduladores y wigglers en las instalaciones de radiación de sincrotrón en todo el mundo han proliferado y son una de las tecnologías impulsoras detrás de la próxima generación de fuentes de luz, los láseres de electrones libres .

Los dispositivos de inserción se insertan tradicionalmente en secciones rectas de anillos de almacenamiento (de ahí su nombre). A medida que el haz de partículas almacenadas, generalmente electrones , pasa a través del ID, el campo magnético alterno experimentado por las partículas hace que su trayectoria sufra una oscilación transversal. La aceleración asociada a este movimiento estimula la emisión de radiación de sincrotrón.

Hay muy poca diferencia mecánica entre los onduladores y los wigglers y el criterio que se utiliza normalmente para distinguirlos es el factor K. El factor K es una constante adimensional definida como:

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

donde q es la carga de la partícula que pasa a través del ID, B es el campo magnético máximo del ID, es el período del ID, se relaciona con la velocidad o energía de la partícula, m es la masa de la partícula acelerada y c es la velocidad de la luz . ${\displaystyle \lambda _{u}}$${\displaystyle \beta =v/c}$

Se considera que los onduladores tienen K >> 1 y los que los mueven con ondulación tienen K < 1.

El factor K determina la energía de la radiación producida y, en situaciones en las que se requiere un rango de energía, el número K se puede modificar variando la intensidad del campo magnético del dispositivo. En los dispositivos de imán permanente, esto se hace generalmente aumentando la separación entre los conjuntos de imanes. En los dispositivos electromagnéticos, el campo magnético se cambia variando la corriente en las bobinas del imán.

En un wiggler, el período y la fuerza del campo magnético no están ajustados a la frecuencia de radiación producida por los electrones. Por lo tanto, cada electrón de un grupo irradia de forma independiente y el ancho de banda de radiación resultante es amplio. Un wiggler puede considerarse como una serie de imanes flexibles concatenados entre sí, y su intensidad de radiación aumenta según el número de polos magnéticos en el wiggler.

En una fuente ondulatoria, la radiación producida por los electrones oscilantes interfiere de manera constructiva con el movimiento de otros electrones, lo que hace que el espectro de radiación tenga un ancho de banda relativamente estrecho. La intensidad de la radiación varía según , donde es el número de polos en el conjunto de imanes. $Estilo de visualización N^{2}}$${\estilo de visualización N}$

La longitud de onda de la radiación emitida por un dispositivo de inserción se puede calcular utilizando la ecuación del ondulador : ${\estilo de visualización \lambda}$

${\displaystyle \lambda ={\frac {\lambda _{u}}{2\gamma ^{2}}}\left(1+{\frac {K^{2}}{2}}+(\theta \gamma )^{2}\right)}$

donde es el factor de Lorentz , el período de ondulación, K el factor K como se describió anteriormente y el ángulo medido desde el centro del lóbulo radiado. ${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}}$${\displaystyle \lambda _{u}}$${\estilo de visualización \theta}$

A pesar de su nombre, la ecuación es válida tanto para los onduladores como para los que se mueven con movimientos ondulantes.