Кіріспе
Толқытқыш – жоғары энергиялық физикадағы енгізу құрылғысы және әдетте үлкен орналымның бөлігі, синхротрон сақтау сақинасы, немесе ол еркін электронды лазердің құрамдас бөлігі болуы мүмкін. Ол диполь магниттерінен тұратын периодтық құрылымнан тұрады. Бұл тұрақты магниттер немесе суперотказғыш магниттер болуы мүмкін. Статикалық магнит өрісі толқытқыш бойында периодты түрде өзгереді. Электрондар периодтық магнит құрылымынан өте келе тербеліске түсіп, энергия сәулелендіреді. Толқытқышта туындайтын сәуле өте қарқынды және спектрдегі тар энергиялық жолақтарда шоғырланған. Сондай-ақ, ол электрондардың орбиталық жазықтығында бағытталған. Бұл сәулелену әртүрлі ғылыми салалардағы тәжірибелер үшін сәуле желілері арқылы бағытталады. Толқытқыш күшінің параметрі: , мұнда e – электрон заряды, B – магнит өрісі, – толқытқыш магниттерінің кеңістіктік периоды, – электронның тыныш массасы, ал c – жарық жылдамдығы. Бұл параметр электрон қозғалысының сипатын сипаттайды. Егер қозғалыс тербелісінің амплитудасы кішкентай болса, сәулелену тар энергиялық жолақтарға әкелетін интерференциялық үлгілерді көрсетеді. Егер амплитуда үлкен болса және әр өріс периодының сәулелену үлестері тәуелсіз түрде қосылса, кең энергетикалық спектр пайда болады. Мұндай режимде құрылғы енді толқытқыш деп атамайды, ол вигглер деп аталады. Толқытқыш пен вигглер арасындағы басты айырмашылық – когеренттілік. Толқытқыш жағдайында шығарылатын сәулелену период ұзындығымен және сәуле энергиясымен анықталатын толқын ұзындығымен когерентті болады, ал виггерде электрондар когерентті емес. Толқытқыштың сипаттамасы әдетте релятивистік, бірақ классикалық. Яғни, нақты есептеу қиын болғанымен, толқытқышты қара жәшік ретінде қарастыруға болады, онда құрылғы ішіндегі функциялар ғана кірістің шығысқа қалай айналуын анықтайды; электрон жәшікке кіреді және электромагниттік импульс кішкентай шығыс тілігінен шығады. Тілік негізгі конустың өтуі үшін жеткілікті кішкентай болуы керек, ал толқын ұзындығы спектрінің бүйірлік бөліктерін ескермеуге болады. Толқытқыштар қарапайым иілімді магнитке қарағанда бірнеше есе артық сәуле шығаруға қабілетті, сондықтан синхротрон сәулелену орналастыруларында оларға жоғары сұраныс бар. N периодты толқытқыш үшін жарықтығы иілімді магнитке қарағанда еселік артық болуы мүмкін. N-нің бірінші коэффициенті интенсивтіліктің N сәулелену периодында шығарылатын өрістердің конструктивті интерференциясының нәтижесінде гармоникалық толқын ұзындықтарында N есеге дейін артуына байланысты пайда болады. Әдеттегі импульс – кернеуі бар синус. N-нің екінші коэффициенті осы гармоникалармен байланысты сәуле шығару бұрышының азаюынан туындайды, ол 1/N ретінде азаяды. Егер электрондар жартылай периодпен келсе, олар деструктивті түрде араласады, толқытқыш қараңғы болады. Егер олар тізбектей келсе де солай. Шығарылатын сәулеленудің поляризациясын тұрақты магниттерді пайдаланып, толқытқыш арқылы әртүрлі периодты электрон траекторияларын тудыру арқылы басқаруға болады. Егер тербелістер жазықтықта болса, сәулелену сызықтық поляризацияланады. Егер тербеліс траекториясы спиральді болса, сәулелену шеңберлік поляризацияланады, ал спиральдың бұрылысы оның қолдығын анықтайды. Электрондар Пуассон таралуына сәйкес келсе, ішінара интерференция интенсивтіліктің сызықтық өсуіне әкеледі. Еркін электронды лазерде интенсивтілік электрондар санымен экспоненциалды түрде артады. Толқытқыштың сапа көрсеткіші – спектрлік сәулелену.
installation, a synchrotron storage ring, or it may be a component of a free electron laser. It consists of a periodic structure of dipole magnets. These can be permanent magnets or superconducting magnets. The static magnetic field alternates along the length of the undulator with a wavelength Electrons traversing the periodic magnet structure are forced to undergo oscillations and thus to radiate energy. The radiation produced in an undulator is very intense and concentrated in narrow energy bands in the spectrum. It is also collimated on the orbit plane of the electrons. This radiation is guided through beamlines for experiments in various scientific areas. The undulator strength parameter is:
,
where e is the electron charge, B is the magnetic field, is the spatial period of the undulator magnets, is the electron rest mass, and c is the speed of light. This parameter characterizes the nature of the electron motion. For the oscillation amplitude of the motion is small and the radiation displays interference patterns which lead to narrow energy bands. If the oscillation amplitude is bigger and the radiation contributions from each field period sum up independently, leading to a broad energy spectrum. In this regime of fields the device is no longer called an undulator; it is called a wiggler. The key difference between undulator and wiggler is coherence. In the case of an undulator, the emitted radiation is coherent with a wavelength determined by the period length and the beam energy, while in wiggler the electrons are not coherent. The usual description of the undulator is relativistic but classical. This means that although a precise calculation is tedious, the undulator can be seen as a black box, where only functions inside the device affect how an input is converted to an output; an electron enters the box and an electromagnetic pulse exits through a small exit slit. The slit should be small enough such that only the main cone passes, and the side lobes of the wavelength spectra can be ignored. Undulators can provide several orders of magnitude higher flux than a simple bending magnet and as such are in high demand at synchrotron radiation facilities. For an undulator with N periods, the brightness can be up to more than a bending magnet. The first factor of N occurs because the intensity is enhanced up to a factor of N at harmonic wavelengths due to the constructive interference of the fields emitted during the N radiation periods. The usual pulse is a sine with some envelope. The second factor of N comes from the reduction of the emission angle associated with these harmonics, which is reduced as 1/N. When the electrons come with half the period, they interfere destructively, the undulator stays dark. The same is true, if they come as a bead chain. The polarization of the emitted radiation can be controlled by using permanent magnets to induce different periodic electron trajectories through the undulator. If the oscillations are confined to a plane the radiation will be linearly polarized. If the oscillation trajectory is helical, the radiation will be circularly polarized, with the handedness determined by the helix. If the electrons follow the Poisson distribution a partial interference leads to a linear increase in intensity. In the free electron laser the intensity increases exponentially with the number of electrons. An undulator's figure of merit is spectral radiance.
Тарих
Орыс физигі Виталий Гинзбург 1947 жылғы мақаласында толқындыратын құрылғыларды (ундаляторларды) теориялық тұрғыдан жасауға болатынын көрсетті. Джулиан Швингер 1949 жылы пайдалы мақала жариялады, онда қажетті есептеулерді кестелері бар Бессель функцияларына дейін төмендетті. Бұл цифрлық компьютерлер сол кезде көптеген ғалымдарға қолжетімді болмағандықтан, есептеу теңдеулерін шешу үшін маңызды болды. Ханс Моц және Стэнфорд университетіндегі әріптестері 1952 жылы алғашқы толқындыратын құрылғыны (ундаторды) жасады. Ол адам жасаған алғашқы когерентті инфрақызыл сәулеленуді тудырды. Бұл құрылымның дизайны көзге көрінетін жарықтан миллиметрлік толқындарға дейінгі жиіліктердің кең ауқымын қамтамасыз ететін болды.