Ondulatore
Un ondulatore è un dispositivo di inserimento della fisica delle alte energie e di solito fa parte di un'installazione più grande, un anello di immagazzinamento di sincrotrone. È costituito da una struttura periodica di magneti a dipolo. Un campo magnetico statico si alterna lungo la lunghezza dell'ondulatore con una lunghezza d'onda λ u \displaystyle \lambda _{u}}}. 
. Gli elettroni che attraversano la struttura del magnete periodico sono costretti a subire oscillazioni. Così gli elettroni emettono energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. La radiazione prodotta in un ondulatore è molto intensa e concentrata in strette bande di energia nello spettro. Il fascio di luce viene anche collimato sul piano dell'orbita degli elettroni. Questa radiazione è guidata attraverso linee di luce per esperimenti in vari settori scientifici.
L'importante parametro adimensionale
K = e B λ u 2 π π β m e c {\a6}}{{{il gioco di parole K={frac {eB{lambda _{u}}}{2\pi \a6}beta m_{e}c 
dove e è la carica di particelle, B è il campo magnetico, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c}
, m e {\displaystyle m_{e}}
è la massa a riposo dell'elettrone e c è la velocità della luce, caratterizza la natura del moto dell'elettrone. Per K ≪ 1 {\i}
l'ampiezza dell'oscillazione del moto è piccola e la radiazione mostra modelli di interferenza che portano a bande di energia ristrette. Se K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
l'ampiezza dell'oscillazione è maggiore e i contributi di radiazione di ogni periodo di campo si sommano indipendentemente, portando ad un ampio spettro energetico. Quando K è molto più grande di 1, il dispositivo non viene più chiamato ondulatore, ma wiggler.
Il fisico pensa agli ondulatori usando sia la fisica classica che la relatività. Ciò significa che anche se il calcolo di precisione è noioso, l'ondulatore può essere visto come una scatola nera. Un elettrone entra in questa scatola e un impulso elettromagnetico esce attraverso una piccola fessura di uscita. La fessura dovrebbe essere abbastanza piccola da far passare solo il cono principale, in modo che i lobi laterali possano essere ignorati.
Gli ondulatori possono fornire centinaia di volte più flusso magnetico di un semplice magnete a flessione e come tali sono molto richiesti negli impianti di radiazione di sincrotrone. Per un ondulatore che ripete N volte (N periodi), la luminosità può essere fino a N 2 {\fscx130\fscy130\fscy130\frx40}} 
più di un magnete a flessione. L'intensità viene aumentata fino ad un fattore di N alle lunghezze d'onda armoniche a causa dell'interferenza costruttiva dei campi emessi durante i periodi di radiazione N. L'impulso abituale è una sinusoide con un certo inviluppo. Il secondo fattore di N deriva dalla riduzione dell'angolo di emissione associato a queste armoniche, che viene ridotto in proporzione a 1/N. Quando gli elettroni arrivano con metà del periodo, interferiscono in modo distruttivo. Così, l'ondulatore rimane scuro. Lo stesso vale se gli elettroni arrivano come una catena di perline. Poiché il gruppo di elettroni si diffonde più volte che viaggia intorno al sincrotrone, i fisici vogliono progettare nuove macchine che gettino via i gruppi di elettroni prima che abbiano la possibilità di diffondersi. Questo cambiamento produrrà una radiazione di sincrotrone più utile.
La polarizzazione della radiazione emessa può essere controllata utilizzando magneti permanenti per indurre diverse traiettorie periodiche di elettroni attraverso l'ondulatore. Se le oscillazioni sono limitate ad un piano, la radiazione sarà linearmente polarizzata. Se la traiettoria di oscillazione è elicoidale, la radiazione sarà polarizzata circolarmente, con la manualità determinata dall'elica.
Se gli elettroni seguono la distribuzione di Poisson, un'interferenza parziale porta ad un aumento lineare dell'intensità. Nel laser ad elettroni liberi l'intensità aumenta esponenzialmente con il numero di elettroni.
I fisici misurano l'efficacia di un ondulatore in termini di radianza spettrale.
Funzionamento dell'ondulatore. 1: magneti, 2: fascio di elettroni, 3: radiazione di sincrotrone
Un wiggler multipolare, utilizzato nell'anello di immagazzinamento presso il sincrotrone australiano per generare la radiazione di sincrotrone
Storia
Il primo ondulatore fu costruito da Hans Motz e dai suoi collaboratori a Stanford nel 1953. Uno dei loro ondulatori ha prodotto la prima radiazione infrarossa coerente in assoluto. La loro gamma di frequenza totale andava dalla luce visibile fino alle onde millimetriche. Il fisico russo V.L. Ginzburg dimostrò che gli ondulatori potevano essere realizzati in linea di principio in un articolo del 1947.
Domande e risposte
D: Che cos'è un ondulatore?
R: Un ondulatore è un dispositivo della fisica delle alte energie che consiste in una struttura periodica di magneti a dipolo. Costringe gli elettroni a subire delle oscillazioni, che producono una radiazione elettromagnetica intensa e concentrata in bande energetiche ristrette.
D: Quale parametro caratterizza la natura del movimento degli elettroni?
R: L'importante parametro adimensionale K = eBλu/2πβmecc caratterizza la natura del movimento dell'elettrone, dove e è la carica della particella, B è il campo magnetico, β = v/c , me è la massa a riposo dell'elettrone e c è la velocità della luce.
D: In che modo un ondulatore è paragonabile a un magnete curvo in termini di flusso magnetico?
R: Gli ondulatori possono fornire un flusso magnetico centinaia di volte superiore a quello di un semplice magnete curvo.
D: Come influisce l'interferenza sull'intensità quando si utilizza un ondulatore?
R: Se K ≤ 1, l'ampiezza dell'oscillazione è piccola e la radiazione mostra modelli di interferenza che portano a bande di energia strette. Se K ≥ 1, l'ampiezza di oscillazione è maggiore e i contributi di radiazione di ciascun periodo di campo si sommano in modo indipendente, dando luogo a un ampio spettro energetico.
D: Come si può controllare la polarizzazione quando si utilizza un ondulatore?
R: La polarizzazione può essere controllata utilizzando magneti permanenti per indurre diverse traiettorie periodiche di elettroni attraverso l'ondulatore. Se le oscillazioni sono confinate in un piano, la radiazione sarà polarizzata linearmente; se la traiettoria è elicoidale, la radiazione sarà polarizzata circolarmente, con la polarità determinata dall'elica.
D: Come aumenta l'intensità con il numero di elettroni per i laser a elettroni liberi?
R: Quando gli elettroni seguono la distribuzione di Poisson, l'interferenza parziale porta ad un aumento lineare dell'intensità; per i laser a elettroni liberi, l'intensità aumenta esponenzialmente con il numero di elettroni.
D: Quale misura utilizzano i fisici per valutare l'efficacia di un ondulatore?
R: I fisici misurano l'efficacia di un ondulatore in termini di radianza spettrale.
