Ondulador

An undulator es un dispositivo de inserción de la física de alta energía y generalmente parte de un mayor instalación, un anillo de almacenamiento de sincrotrón, o puede ser un componente de un láser de electrones gratis. Consiste en una estructura periódica de imanes dipolos. Estos pueden ser imanes permanentes o imanes superconductores. El campo magnético estático se alterna a lo largo del undulador con una longitud de onda ${displaystyle lambda _{u}$. Los electrones que atraviesan la estructura periódica del imán se ven obligados a sufrir oscilaciones y, por lo tanto, a irradiar energía. La radiación producida en un undulador es muy intensa y concentrada en bandas de energía estrechas en el espectro. También está colimado en el plano orbital de los electrones. Esta radiación se guía a través de vigas para experimentos en diversas áreas científicas.

El parámetro de fuerza del ondulador es:

${displaystyle K={frac {eBlambda ¿Qué? - Sí.$,

Donde e es la carga de electrones, B es el campo magnético, ${displaystyle lambda _{u}$ es el período espacial de los imanes unduladores, ${displaystyle m_{e}$ es la masa de reposo de electrones, y c es la velocidad de la luz.

Este parámetro caracteriza la naturaleza del movimiento de electrones. Para ${displaystyle Kll 1}$ la amplitud de oscilación del movimiento es pequeña y la radiación muestra patrones de interferencia que conducen a bandas de energía estrechas. Si ${displaystyle Kgg 1}$ la amplitud de oscilación es mayor y las contribuciones de radiación de cada período de campo se resumen independientemente, lo que conduce a un amplio espectro de energía. En este régimen de campos el dispositivo ya no se llama un undulator; se llama wiggler.

La diferencia clave entre ondulador y meneador es la coherencia. En el caso de un ondulador, la radiación emitida es coherente con una longitud de onda determinada por la duración del período y la energía del haz, mientras que en un ondulador los electrones no son coherentes.

La descripción habitual del ondulador es relativista pero clásica. Esto significa que, aunque un cálculo preciso es tedioso, el ondulador puede verse como una caja negra, donde sólo las funciones dentro del dispositivo afectan cómo se convierte una entrada en una salida; un electrón entra en la caja y un pulso electromagnético sale por una pequeña rendija de salida. La rendija debe ser lo suficientemente pequeña como para que solo pase el cono principal y se puedan ignorar los lóbulos laterales de los espectros de longitud de onda.

Los desduladores pueden proporcionar varias órdenes de flujo más alto de magnitud que un simple imán de flexión y como tales están en alta demanda en instalaciones de radiación sincrotron. Para un undulador con periodos N, el brillo puede ser hasta ${displaystyle N^{2}$ más que un imán de flexión. El primer factor de N ocurre porque la intensidad se aumenta hasta un factor de N en longitudes de onda armónicas debido a la interferencia constructiva de los campos emitidos durante los períodos de radiación N. El pulso habitual es un seno con un sobre. El segundo factor de N proviene de la reducción del ángulo de emisión asociado con estos armónicos, que se reduce como 1/N. Cuando los electrones vienen con la mitad del período, interfieren destructivamente, el undulador permanece oscuro. Lo mismo es cierto, si vienen como cadena de cuentas.

La polarización de la radiación emitida se puede controlar mediante el uso de imanes permanentes para inducir diferentes trayectorias periódicas de electrones a través del ondulador. Si las oscilaciones se limitan a un plano, la radiación estará polarizada linealmente. Si la trayectoria de oscilación es helicoidal, la radiación estará polarizada circularmente y la dirección estará determinada por la hélice.

Si los electrones siguen la distribución de Poisson, una interferencia parcial conduce a un aumento lineal de la intensidad. En el láser de electrones libres la intensidad aumenta exponencialmente con el número de electrones.

La figura de mérito de un ondulador es el resplandor espectral.

Historia

El físico ruso Vitaly Ginzburg demostró teóricamente que se podían construir onduladores en un artículo de 1947. Julian Schwinger publicó un artículo útil en 1949 que reducía los cálculos necesarios a funciones de Bessel, para las cuales existían tablas. Esto fue importante para resolver las ecuaciones de diseño, ya que las computadoras digitales no estaban disponibles para la mayoría de los académicos en ese momento.

Hans Motz y sus compañeros de trabajo en la Universidad de Stanford demostraron el primer ondulador en 1952. Produjo la primera radiación infrarroja coherente hecha por el hombre. El diseño podría producir un rango de frecuencia total desde luz visible hasta ondas milimétricas.