Ondulator

Fig. 1 - Schema unui ondulator. 1: magneți, 2: fascicul de electroni, 3: radiație sincrotronă

Un ondulator este un dispozitiv de inserție utilizat în complex dedicat fizicii energiilor mari, de obicei sincroni , pentru a obține radiații extrem de monocromatice în fascicule extrem de colimate.

Un ondulator tipic este compus schematic dintr-o serie de dipoli magnetici dispuși în așa fel încât să genereze un câmp magnetic alternativ de-a lungul întregii axe a dispozitivului (vezi Figura 1). Grinzi de particule încărcate (mai ales electroni ) dintr-un sincrotron, ciclotron sau inel de stocare sunt trecute prin ondulator. Particulele, care trec prin această structură magnetică periodică, sunt forțate să oscileze și, prin urmare, să emită radiații. Această radiație este apoi direcționată în mod corespunzător de-a lungul structurilor numite linii de fascicul ( lit. „linii de curgere”), în interiorul cărora sunt construite laboratoare care folosesc radiația pentru experimente în cele mai variate zone științifice.

Fiecare ondulator este caracterizat de un parametru adimensional $K\$ ${\ displaystyle K \}$ ${\ displaystyle K \}$ care, pentru electroni, este definit ca

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

unde este $\lambda _{u}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {u}}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {u}}$ este distanța minimă dintre doi dipoli magnetici al căror câmp magnetic este orientat în direcția opusă (vezi Figura 1) și este sarcina electronului, B câmpul magnetic , $m_{e}$ ${\ displaystyle m_ {e}}$ ${\ displaystyle m_ {e}}$ masa de repaus a electronului și c viteza luminii în vid. Acest parametru definește natura mișcării electronilor din interiorul dispozitivului: pentru un ondulator $K\ll 1$ ${\ displaystyle K \ ll 1}$ ${\ displaystyle K \ ll 1}$ iar radiația emisă de electronii fasciculului este coerentă și caracterizată printr-o gamă foarte îngustă de frecvențe; dacă în schimb $K\gg 1$ ${\ displaystyle K \ gg 1}$ ${\ displaystyle K \ gg 1}$ spectrul de frecvență emis este mai extins și dispozitivul este numit wiggler .

Un ondulator poate oferi radiații mai multe ordine de mărime mai intense decât un magnet de îndoire: pentru un ondulator caracterizat prin $N\$ ${\ displaystyle N \}$ ${\ displaystyle N \}$ perioadele de oscilație a câmpului magnetic, luminozitatea poate fi de până la $N^{2}\$ ${\ displaystyle N ^ {2} \}$ ${\ displaystyle N ^ {2} \}$ de ori mai mare decât cea a unui magnet de îndoire.

Principiul de funcționare

Fiecare electron care trece prin ondulator, fiind o sarcină care se mișcă în interiorul unui câmp magnetic, suferă o forță Lorentz transversală la care este asociată o accelerație. Conform legilor electromagnetice ale lui Maxwell , fiecare încărcare supusă accelerației emite radiații electromagnetice : prin urmare, fasciculul de electroni care trece prin ondulator emite radiație directă de-a lungul axei ondulatorului. Radiația emisă se numește radiație sincrotronă . În realitate, deoarece magneții ondulatorului au lățimi tipice de ordinul unui centimetru, radiația emisă conform acestei prime descrieri ar avea o lungime de undă de aproximativ $10^{-2}$ ${\ displaystyle 10 ^ {- 2}}$ ${\ displaystyle 10 ^ {- 2}}$ m, adică caracteristicile spectrului de unde radio, în timp ce radiația utilizată în sincroni aparține spectrului de raze X ( $\lambda =10^{-10}$ ${\ displaystyle \ lambda = 10 ^ {- 10}}$ ${\ displaystyle \ lambda = 10 ^ {- 10}}$ m).

De fapt, deoarece electronii care circulă într-un sincrotron se deplasează la viteze apropiate de cea a luminii în vid, descrierea corectă a mișcării lor necesită ca aceștia să fie tratați ca particule relativiste, plasând fenomenul în cadrul de referință al teoriei relativitatea . Calculele riguroase pot deveni destul de complicate, dar o descriere intuitivă (deși aproximativă) a fenomenului este următoarea.

În cadrul inerțial al fasciculului de electroni, fiecare electron „percepe” ondulatorul care trece în jurul lui cu viteză relativistă. Prin urmare, spațiul care înconjoară electronul și, prin urmare, fiecare magnet al ondulatorului, suferă o contracție Lorentz în direcția mișcării, proporțională cu factorul Lorentz

$\gamma (v)={\frac {1}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\$ ${\ displaystyle \ gamma (v) = {\ frac {1} {\ sqrt {1-v ^ {2} / c ^ {2}}}} \}$ ${\ displaystyle \ gamma (v) = {\ frac {1} {\ sqrt {1-v ^ {2} / c ^ {2}}}} \}$ .

Dacă luăm de exemplu electronii care circulă în inelul de stocare al instalației europene de sincronizare a radiației (ESRF), viteza fasciculului este $v\$ ${\ displaystyle v \}$ ${\ displaystyle v \}$ = 0,999999995 $c\$ ${\ displaystyle c \}$ ${\ displaystyle c \}$ , unde c este viteza luminii în vid, din care se obține $\gamma \$ ${\ displaystyle \ gamma \}$ ${\ displaystyle \ gamma \}$ = 10000. Fiecare magnet este deci perceput de electronul cu o lățime de 10000 de ori mai mică sau în ordinea micrometrelor. Lungimea de undă de emisie însăși este apoi contractată de acest factor, trecând de la $10^{-2}$ ${\ displaystyle 10 ^ {- 2}}$ ${\ displaystyle 10 ^ {- 2}}$ dar $10^{-6}$ ${\ displaystyle 10 ^ {- 6}}$ ${\ displaystyle 10 ^ {- 6}}$ m, adică se încadrează în spectrul de microunde .

Efectul Doppler relativist este apoi adăugat contracției Lorentz: electronii care traversează ondulatorul sunt de fapt surse care emit radiații directe de-a lungul direcției lor de mișcare. Prin urmare, în sistemul de referință inerțial al liniei fasciculului de-a lungul căruia este direcționată radiația, lungimea de undă a radiației emise este observată ca fiind contrată în continuare de același factor Lorentz văzut mai sus, trecând de la $10^{-6}$ ${\ displaystyle 10 ^ {- 6}}$ $10 ^ {{- 6}}$ dar $10^{-10}$ ${\ displaystyle 10 ^ {- 10}}$ ${\ displaystyle 10 ^ {- 10}}$ m. Prin urmare, radiația observată în cele din urmă de cei din laboratorul situat de-a lungul liniei fasciculului se află în spectrul de raze X.

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe Ondulator

linkuri externe

Lumina undulatorului: Lumina undulatorului
Site-ul ESRF: http://www.esrf.fr
DT Attwood's: raze X moi și radiații ultraviolete extreme .

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica