Ondulador

Un ondulador es un dispositivo de inserción de la física de altas energías y normalmente forma parte de una instalación mayor, un anillo de almacenamiento de sincrotrón , o puede ser un componente de un láser de electrones libres . Consiste en una estructura periódica de imanes dipolares . Estos pueden ser imanes permanentes o imanes superconductores . El campo magnético estático alterna a lo largo de la longitud del ondulador con una longitud de onda . Los electrones que atraviesan la estructura periódica del imán se ven obligados a sufrir oscilaciones y, por lo tanto, a irradiar energía. La radiación producida en un ondulador es muy intensa y se concentra en bandas de energía estrechas en el espectro. Además, está colimada en el plano de la órbita de los electrones. Esta radiación se guía a través de líneas de luz para experimentos en diversas áreas científicas. ${\displaystyle \lambda _{u}}$

El parámetro de fuerza del ondulador es:

${\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi m_{e}c}}}$,

donde e es la carga del electrón, B es el campo magnético, es el período espacial de los imanes del ondulador, es la masa en reposo del electrón y c es la velocidad de la luz. ${\displaystyle \lambda _{u}}$${\displaystyle m_{e}}$

Este parámetro caracteriza la naturaleza del movimiento del electrón. Si la amplitud de oscilación del movimiento es pequeña, la radiación muestra patrones de interferencia que dan lugar a bandas de energía estrechas. Si la amplitud de oscilación es mayor y las contribuciones de radiación de cada período de campo se suman de forma independiente, se obtiene un espectro de energía amplio. En este régimen de campos, el dispositivo ya no se denomina ondulador , sino wiggler . ${\displaystyle K\ll 1}$${\displaystyle K\gg 1}$

La diferencia clave entre el ondulador y el wiggler es la coherencia. En el caso del ondulador, la radiación emitida es coherente con una longitud de onda determinada por la longitud del período y la energía del haz, ^[1] mientras que en el wiggler los electrones no son coherentes.

La descripción habitual del ondulador es relativista pero clásica. ^{[ cita requerida ]} Esto significa que, aunque un cálculo preciso es tedioso, el ondulador puede verse como una caja negra , donde solo las funciones dentro del dispositivo afectan cómo se convierte una entrada en una salida; un electrón ingresa a la caja y un pulso electromagnético sale a través de una pequeña rendija de salida. La rendija debe ser lo suficientemente pequeña como para que solo pase el cono principal, y los lóbulos laterales de los espectros de longitud de onda se puedan ignorar.

Los onduladores pueden proporcionar un flujo de varios órdenes de magnitud mayor que un simple imán de flexión y, como tal, tienen una gran demanda en las instalaciones de radiación de sincrotrón. Para un ondulador con N períodos, el brillo puede ser hasta mayor que el de un imán de flexión. El primer factor de N se produce porque la intensidad se mejora hasta un factor de N en longitudes de onda armónicas debido a la interferencia constructiva de los campos emitidos durante los N períodos de radiación. El pulso habitual es una onda sinusoidal con cierta envolvente. El segundo factor de N proviene de la reducción del ángulo de emisión asociado con estos armónicos, que se reduce a 1/N. Cuando los electrones vienen con la mitad del período, interfieren destructivamente, el ondulador permanece oscuro. Lo mismo es cierto, si vienen como una cadena de cuentas. $Estilo de visualización N2$

La polarización de la radiación emitida se puede controlar mediante el uso de imanes permanentes para inducir diferentes trayectorias periódicas de los electrones a través del ondulador. Si las oscilaciones están confinadas en un plano, la radiación estará polarizada linealmente. Si la trayectoria de oscilación es helicoidal, la radiación estará polarizada circularmente, con la polarización determinada por la hélice.

Si los electrones siguen la distribución de Poisson, una interferencia parcial produce un aumento lineal de la intensidad. En el láser de electrones libres ^[2], la intensidad aumenta exponencialmente con el número de electrones.

La figura de mérito de un ondulador es la radiancia espectral .

El físico ruso Vitaly Ginzburg demostró teóricamente que se podían construir onduladores en un artículo de 1947 ^[3] . Julian Schwinger publicó un artículo útil en 1949 ^[4] que reducía los cálculos necesarios a funciones de Bessel , para las que existían tablas. Esto fue importante para resolver las ecuaciones de diseño, ya que las computadoras digitales no estaban disponibles para la mayoría de los académicos en ese momento.

Hans Motz y sus colaboradores de la Universidad de Stanford demostraron el primer ondulador en 1952. ^{[5] [6]} Produjo la primera radiación infrarroja coherente creada por el hombre. El diseño podía producir un rango de frecuencia total desde la luz visible hasta las ondas milimétricas .

• Página de DT Attwood en Berkeley: Rayos X suaves y radiación ultravioleta extrema. Su conferencia y sus gráficos de visión están disponibles en línea.