Устройства-вставки в синхротронах: вигглеры и ондуляторы.
Insertion device
Инсерционные устройства в синхротронах: вигглеры и ондуляторы для генерации яркого синхротронного излучения. Теория ондуляторов – разработка Виталия Гинзбурга.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Устройство вставки (ID) — это компонент современных синхротронных источников света, названный так потому, что оно "вставляется" в траекторию ускорителя. Это периодические магнитные структуры, которые стимулируют излучение высокояркого, направленного вперед синхротронного излучения, заставляя пучок хранимых заряженных частиц совершать колебания или волнообразные движения при прохождении через устройство. Это движение вызвано силой Лоренца, и именно от этого колебательного движения происходят названия двух классов устройств – вигглеров и ондуляторов. Помимо создания более яркого света, некоторые устройства вставки позволяют настраивать излучение для генерации различных частот, необходимых для разных приложений.
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.
История
Теория, лежащая в основе ондуляторов, была разработана Виталием Гинзбургом в СССР. Однако именно Мотц и его команда в 1953 году установили первый ондулятор в линаке в Стэнфорде, используя его для генерации миллиметрового волнового излучения вплоть до видимого света. Только в 1970-х годах ондуляторы были установлены в кольцах хранения электронов для получения синхротронного излучения. Первыми учреждениями, внедрившими эти устройства, стали Физический институт имени П.Н. Лебедева в Москве и Томский политехнический университет. Эти установки позволили более детально изучить поведение ондуляторов. Ондуляторы стали практическими устройствами для внедрения в источники синхротронного света только в 1981 году, когда группы исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL), Стэнфордской лаборатории синхротронного излучения (SSRL) и Института ядерной физики имени Г.И. Будкера (BINP) в России разработали постоянные магнитные структуры, известные как массивы Халбаха, которые обеспечивали короткие периоды повторения, недостижимые ни с помощью электромагнитных, ни с помощью сверхпроводящих катушек. Несмотря на схожую функцию, вигглеры использовались в кольцах хранения более десяти лет, прежде чем их стали применять для генерации синхротронного излучения для линий облучения. Вигглеры оказывают демпфирующее воздействие на кольца хранения, и именно эту функцию они впервые реализовали в Кембриджском электронном ускорителе в Массачусетсе в 1966 году. Первым вигглером, использованным для генерации синхротронного излучения, был 7-полюсный вигглер, установленный в SSRL в 1979 году. С тех пор количество ондуляторов и вигглеров в синхротронных установках по всему миру значительно возросло, и они являются одной из ключевых технологий, определяющих развитие нового поколения источников света – лазеров на свободных электронах.
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
Вставные устройства традиционно устанавливаются в прямые участки накопительных колец (отсюда и их название). Когда накопленный пучок частиц, обычно электронов, проходит через вставное устройство (ID), попеременное магнитное поле, испытываемое частицами, вызывает поперечные колебания их траектории. Ускорение, связанное с этим движением, стимулирует излучение синхротронного излучения. Существуют незначительные механические различия между виглерами и ондуляторами, и критерий, обычно используемый для их разграничения, – это фактор K. Фактор K – это безразмерная константа, определяемая следующим образом:
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:
где q – заряд частицы, проходящей через ID, B – максимальная величина магнитного поля ID, λ – период ID, γ связана со скоростью или энергией частицы, m – масса ускоряемой частицы, а c – скорость света. Виглеры характеризуются K >> 1, а ондуляторы – K < 1. Фактор K определяет энергию излучаемого излучения, и в ситуациях, когда требуется широкий диапазон энергий, значение K можно изменить, варьируя напряженность магнитного поля устройства. В устройствах на постоянных магнитах это обычно достигается увеличением зазора между магнитными массивами. В электромагнитных устройствах магнитное поле изменяется путем изменения тока в магнитных катушках. В виглере период и напряженность магнитного поля не согласованы с частотой излучения, генерируемого электронами. Таким образом, каждый электрон в пучке излучает независимо, что приводит к широкой полосе пропускания излучения. Виглер можно рассматривать как последовательное соединение ряда отклоняющих магнитов, и интенсивность его излучения пропорциональна числу магнитных полюсов в виглере. В источнике на основе ондулятора излучение, генерируемое колеблющимися электронами, интерферирует конструктивно с движением других электронов, что приводит к относительно узкой полосе пропускания спектра излучения. Интенсивность излучения масштабируется как , где N – число полюсов в магнитном массиве.
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.