Синхротрон сәулелендірішін күшейту құрылғылары: Инсерциялық құрылғылар мен олардың даму тарихы
Insertion device
Синхротронды сәулелендіру көздеріндегі құрылғылар (ID) – бұл зарядталған бөлшектерді тербеліске шақырып, жарқын сәуле тудыратын магниттік құрылымдар. Виталий Гинзбург теориясы.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Инсерциялық құрылғы (ID) – қазіргі заманғы синхротрон жарық көздерінің құрамдас бөлігі, олар үдеткіш трассаларына "орналастырылады". Олар – сақталған зарядталған бөлшектер шоғын құрылғы арқылы өтетін кезде тербелістер немесе толқындар жасауға мәжбүр ететін, жоғары жарықтандырылған, алға бағытталған синхротрон сәулесін шығаруға ынталандыратын периодты магниттік құрылымдар. Бұл қозғалыс Лоренц күшінің нәтижесінде туындайды, және осы тербелісті қозғалыстан құрылғылардың екі классының атаулары – вигглерлер және ундуляторлар пайда болған. Жарықты жарықтандырумен қатар, кейбір инсерциялық құрылғылар жарықтың жиілігін реттеуге мүмкіндік береді, осылайша әртүрлі қолданыстар үшін әртүрлі жиіліктерде сәуле шығаруға болады.
An insertion device (ID) is a component in modern synchrotron light sources, so called because they are "inserted" into accelerator tracks. They are periodic magnetic structures that stimulate highly brilliant, forward directed synchrotron radiation emission by forcing a stored charged particle beam to perform wiggles, or undulations, as they pass through the device. This motion is caused by the Lorentz force, and it is from this oscillatory motion that we get the names for the two classes of device, which are known as wigglers and undulators. As well as creating a brighter light, some insertion devices enable tuning of the light so that different frequencies can be generated for different applications.
Тарих
Толқыныстырғыштардың теориясын КСРО-да Виталий Гинзбург әзірлеген. Алайда, 1953 жылы Мотц пен оның командасы Стэнфордтағы сызықтық үдеткіште (линак) алғашқы толқыныстырғышты орнатып, миллиметрлік толқынды сәулеленуден көзге көрінетін жарыққа дейін шығару үшін пайдаланған. Тек 1970 жылдары ғана толқыныстырғыштар электрондық сақтау сақиналарына синхротрондық сәулеленуді өндіру үшін орнатылды. Бұл құрылғыларды алғаш рет Мәскеудегі Лебедев физикалық институты мен Томск политехникалық университеті қабылдады. Бұл орналымдар толқыныстырғыштардың мінез-құлқының толық сипаттамасын жасауға мүмкіндік берді. 1981 жылы Лоуренс Беркли ұлттық зертханасы (LBNL), Стэнфорд синхротрондық сәулелену зертханасы (SSRL) және Ресейдегі Будкер ядролық физика институты (BINP) командалары электромагниттік немесе суперотказғыш орамдармен қол жеткізе алмайтын қысқа қайталану периодына мүмкіндік беретін, Халбах массиві деп аталатын тұрақты магниттік массивтерді жасағанда ғана толқыныстырғыштар синхротрондық сәулелену көздеріне енгізілу үшін практикалық құрылғыларға айналды. Олардың ұқсас функциясына қарамастан, вигглерлер сәуле желілері үшін синхротрондық сәулеленуді өндіруге қолданылғанға дейін он жылдан астам уақыт бойы сақтау сақиналарында қолданылды. Вигглерлер сақтау сақиналарына демпферлік әсер етеді, бұл функцияны олар алғаш рет 1966 жылы Массачусетс штатындағы Кембридж электрондық үдеткішінде қолданды. Синхротрондық сәулеленуді өндіру үшін пайдаланылған алғашқы вигглер 1979 жылы SSRL-ге орнатылған 7 полюсті вигглер болды. Осы алғашқы орналымдардан бері әлемдегі синхротрондық сәулелену нысандарында толқыныстырғыштар мен вигглерлердің саны көбейді және олар жаңа буын жарық көздерінің, бос электронды лазерлердің негізгі технологияларының бірі болып табылады.
The theory behind undulators was developed by Vitaly Ginzburg in the USSR. However it was Motz and his team who in 1953 installed the first undulator in a linac at Stanford, using it to generate millimetre wave radiation through to visible light. It was not until the 1970s that undulators were installed in electron storage rings to produce synchrotron radiation. The first institutions to take these devices were the Lebedev Physical Institute in Moscow, and the Tomsk Polytechnic University. These installations allowed a fuller characterisation of the behaviour of undulators. Undulators only became practical devices for insertion in synchrotron light sources in 1981, when teams at the Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), Stanford Synchrotron Radiation Laboratory (SSRL), and at Budker Institute of Nuclear Physics (BINP) in Russia developed permanent magnetic arrays, known as Halbach arrays, which allowed short repeating periods unachievable with either electromagnetic coils or superconducting coils. Despite their similar function, wigglers were used in storage rings for over a decade before they were used to generate synchrotron radiation for beamlines. Wigglers have a damping effect on storage rings, which is the function to which they first put at the Cambridge Electron Accelerator in Massachusetts in 1966. The first wiggler used for generation of synchrotron radiation was a 7 pole wiggler installed in the SSRL in 1979. Since these first insertions the number of undulators and wigglers in synchrotron radiation facilities throughout the world have proliferated and they are one of the driving technologies behind the next generation of light sources, free electron lasers.
Операция
Орнату құрылғылары дәстүрлі түрде сақтау сақиналарының түзу бөліктеріне (сондықтан олардың аты осыдан шыққан) орнатылады. Сақталған бөлшектер сәулесі, әдетте электрондар, ID арқылы өтетін кезде, бөлшектердің баламалы магнит өрісіне тап болуы олардың траекториясының көлденең тербеліске түсуіне себеп болады. Бұл қозғалысқа байланысты үдеу синхротрон сәулеленуінің шығуына ықпал етеді. Вигглерлер мен ундуляторлар арасында механикалық айырмашылық өте аз, оларды ажырату үшін қалыпты түрде қолданылатын өлшем – K факторы. K факторы – өлшемсіз тұрақты, ол былай анықталады:
Insertion devices are traditionally inserted into straight sections of storage rings (hence their name). As the stored particle beam, usually electrons, pass through the ID the alternating magnetic field experienced by the particles causes their trajectory to undergo a transverse oscillation. The acceleration associated with this movement stimulates the emission of synchrotron radiation. There is very little mechanical difference between wigglers and undulators and the criterion normally used to distinguish between them is the K Factor. The K factor is a dimensionless constant defined as:
мұндағы q – ID арқылы өтетін бөлшектің заряды, B – ID магнит өрісінің ең жоғары мәні, – ID периоды, бөлшектің жылдамдығына немесе энергиясына байланысты, m – үдетілген бөлшектің массасы, ал c – жарық жылдамдығы. Вигглерлерде K>>1, ал ундуляторларда K<1 деп есептеледі. K факторы сәулеленудің энергиясын анықтайды, ал энергияның белгілі бір диапазоны қажет болған жағдайда K мәні құрылғының магнит өрісінің күшін өзгерту арқылы түзетуге болады. Тұрақты магниттік құрылғыларда бұл әдетте магниттік массивтер арасындағы аралықты ұлғайту арқылы жасалады. Электромагниттік құрылғыларда магнит өрісі магнит орамдарындағы ток күшін өзгерту арқылы өзгертіледі. Виггерде период пен магнит өрісінің күші электрондардың тудыратын сәулелену жиілігіне сәйкес келмейді. Осылайша, шоқтағы әрбір электрон дербес сәулеленеді, нәтижесінде сәулеленудің жолақтығы кең болады. Виггерді біріктірілген иілу магниттерінің тізбегі деп қарастыруға болады, ал оның сәулелену қарқындылығы виггердегі магниттік полюстер санына пропорционалды. Ундуляторда тербелісті электрондардың тудырған сәулеленуі басқа электрондардың қозғалысына конструктивті түрде араласып, сәулелену спектрінің салыстырмалы түрде тар жолақты болуына себеп болады. Сәулелену қарқындылығы , мұндағы – магниттік массивтегі полюстер саны.
where q is the charge of the particle passing through the ID, B is the peak magnetic field of the ID, is the period of the ID, relates to the speed, or energy of the particle, m is the mass of the accelerated particle, and c is the speed of light. Wigglers are deemed to have K>>1 and undulators to have K<1. The K Factor determines the energy of radiation produced, and in situations where a range of energy is required the K number can be modified by varying the strength of the magnetic field of the device. In permanent magnet devices this is usually done by increasing the gap between the magnet arrays. In electromagnetic devices the magnetic field is changed by varying the current in the magnet coils. In a wiggler the period and the strength of the magnetic field is not tuned to the frequency of radiation produced by the electrons. Thus every electron in a bunch radiates independently, and the resulting radiation bandwidth is broad. A wiggler can be considered to be series of bending magnets concatenated together, and its radiation intensity scales as the number of magnetic poles in the wiggler. In an undulator source the radiation produced by the oscillating electrons interferes constructively with the motion of other electrons, causing the radiation spectrum to have a relatively narrow bandwidth. The intensity of radiation scales as , where is the number of poles in the magnet array.