Dispositivo de inserción

Un dispositivo de inserción ( DI ) 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 altamente brillante y dirigida hacia adelante, al forzar a un haz de partículas cargadas almacenadas a realizar oscilaciones u ondulaciones al pasar a través del dispositivo. Este movimiento es causado por la fuerza de Lorentz , y es de este movimiento oscilatorio de donde provienen los nombres de las dos clases de dispositivos: onduladores y wigglers . Además de crear una luz más brillante, algunos dispositivos de inserción permiten ajustar la luz para generar diferentes frecuencias para distintas aplicaciones.

La teoría sobre 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 que se instalaron onduladores en anillos de almacenamiento de electrones para producir radiación sincrotrón. Las primeras instituciones en adoptar estos dispositivos fueron el Instituto de Física Lebedev en Moscú y la Universidad Politécnica de Tomsk . Estas instalaciones permitieron una caracterización más completa del comportamiento de los onduladores.

Los onduladores no se convirtieron en dispositivos prácticos para su inserción en fuentes de luz de sincrotrón hasta 1981, cuando equipos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL), el Laboratorio de Radiación de Sincrotrón de Stanford (SSRL) y el Instituto Budker de Física Nuclear (BINP) en Rusia desarrollaron matrices magnéticas permanentes, conocidas como matrices de Halbach , que permitían períodos de repetición cortos inalcanzables con bobinas electromagnéticas o bobinas superconductoras .

A pesar de su función similar, los onduladores se utilizaron en anillos de almacenamiento durante más de una década antes de emplearse para generar radiación sincrotrón para líneas de haz . Los onduladores amortiguan la radiación en los anillos de almacenamiento, función para la que se emplearon por primera vez en el acelerador de electrones de Cambridge, Massachusetts, en 1966. El primer ondulador utilizado para la generación de radiación sincrotrón fue un ondulador de 7 polos instalado en el SSRL en 1979.

Desde estas primeras inserciones, el número de onduladores y wigglers en las instalaciones de radiación sincrotrón de todo el mundo se ha multiplicado y son una de las tecnologías clave para 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 , atraviesa el dispositivo, el campo magnético alterno que experimentan las partículas provoca una oscilación transversal en su trayectoria. La aceleración asociada a este movimiento estimula la emisión de radiación sincrotrón.

Hay muy poca diferencia mecánica entre los onduladores y los wigglers, y el criterio que normalmente se utiliza 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,${\displaystyle \lambda _{u}}$es el período de la identificación,${\displaystyle \beta =v/c}$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 .

Se considera que los wigglers tienen K>>1 y los onduladores tienen K<1.

El factor K determina la energía de la radiación producida, y en situaciones donde se requiere un rango de energía, el número K puede modificarse variando la intensidad del campo magnético del dispositivo. En dispositivos de imanes permanentes, esto generalmente se logra aumentando la distancia entre los conjuntos de imanes. En dispositivos electromagnéticos, el campo magnético se modifica variando la corriente en las bobinas magnéticas.

En un ondulador, el periodo y la intensidad del campo magnético no están ajustados a la frecuencia de la radiación producida por los electrones. Por lo tanto, cada electrón en un haz irradia de forma independiente, y el ancho de banda de radiación resultante es amplio. Un ondulador puede considerarse como una serie de imanes de curvatura concatenados, y su intensidad de radiación es proporcional al número de polos magnéticos que contiene.

En una fuente de ondulador , la radiación producida por los electrones oscilantes interfiere constructivamente con el movimiento de otros electrones, lo que provoca que el espectro de radiación tenga un ancho de banda relativamente estrecho. La intensidad de la radiación aumenta como${\displaystyle N^{2}}$, dónde${\displaystyle N}$es el número de polos en el conjunto de imanes.

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

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

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

A pesar de su nombre, la ecuación es válida tanto para los onduladores como para los gusanos sinuosos.