纠偏器

起伏器是高能物理学中的一种插入装置,通常是一个较大的装置的一部分,即同步辐射储存环。它由偶极磁铁的周期性结构组成。一个静态的磁场是交替沿长度的undulator与波长λ u {displaystyle \lambda _{u}}。{\displaystyle \lambda _{u}}.电子在周期性磁体结构中穿行时,被迫发生振荡。所以电子以电子磁辐射的形式发出能量。在起伏器中产生的辐射是非常强烈的,并且集中在光谱的狭窄能带中。光束也被准直在电子的轨道平面上。这种辐射通过光束线引导,用于各种科学领域的实验。

重要的无尺寸参数

K = e B λ u 2 π β m e c {\displaystyle K={\frac {eB/lambda _{u}}{2\pi β m_{e}c}}}。 {\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}}

其中e为粒子电荷,B为磁场,β=v / c {\displaystyle β=v/c} {\displaystyle \beta =v/c}m e {\displaystyle m_{e}}{\displaystyle m_{e}}为电子静止质量,c为光速,表征了电子运动的性质。对于K 1 {\displaystyle K\ll 1{\displaystyle K\ll 1}},运动的振荡幅度很小,辐射显示出干扰模式,导致能带很窄。如果K1 {\displaystyle K\gg 1{\displaystyle K\gg 1}},则振荡振幅较大,每个场周期的辐射贡献独立相加,导致宽的能谱。当K远大于1时,该器件不再称为起伏器,而是称为摆动器。

物理学家用经典物理学和相对论来思考起伏器。这意味着,虽然精密计算很繁琐,但可以把起伏器看成一个黑盒子。一个电子进入这个盒子,一个电磁脉冲从一个小的出口缝隙中出来。狭缝应该足够小,以便只有主锥体通过,因此可以忽略侧裂片。

起伏器可以提供比简单的弯曲磁铁多数百倍的磁通量,因此在同步辐射设施中需求量很大。对于一个undulator重复N次(N周期),亮度可以高达N 2 {\displaystyle N^{2}}{\displaystyle N^{2}}比弯曲磁铁。由于在N个辐射周期内发射的场的构造性干扰,强度在谐波波长下可增强到N倍。通常的脉冲是具有一定包络性的正弦波。N的第二个因子来自与这些谐波相关的发射角的减小,它的减小比例为1/N。当电子以一半的周期来时,它们就会产生破坏性的干扰。所以,起伏器保持黑暗。如果电子以珠链的形式来,情况也是如此。由于电子束在同步加速器上传播的次数越多,物理学家希望设计新的机器,在电子束还没来得及传播之前就把它们扔掉。这种改变将产生更有用的同步辐射。

发射辐射的偏振可以通过使用永磁体来控制,以诱导不同周期性的电子轨迹通过起伏器。如果振荡被限制在一个平面上,辐射将是线性偏振。如果振荡轨迹是螺旋形的,辐射将是圆极化的,手感由螺旋形决定。

如果电子遵循泊松分布,部分干涉会导致强度的线性增加。在自由电子激光器中,强度随电子数的增加而成倍增加。

物理学家用光谱辐射度来衡量起伏器的有效性。

多极摇摆器,用于澳大利亚同步加速器的存储环,以产生同步辐射。Zoom
多极摇摆器,用于澳大利亚同步加速器的存储环,以产生同步辐射。

起伏器的工作原理。1:磁铁,2:电子束,3:同步辐射。Zoom
起伏器的工作原理。1:磁铁,2:电子束,3:同步辐射。

历程

1953年,汉斯-莫茨和他的同事在斯坦福大学建造了第一个起伏器。他们的一个起伏器产生了有史以来第一次相干的红外辐射,其总频率范围从可见光到毫米波。他们的总频率范围是从可见光到毫米波。俄罗斯物理学家V.L. Ginzburg在1947年的一篇论文中表明,起伏器原则上是可以制造的。

问题和答案

问:什么是起伏器?
答:起振器是高能物理学中的一种装置,由偶极子磁体的周期性结构组成。它迫使电子发生振荡,从而在狭窄的能带中产生强烈而集中的电磁辐射。

问:什么参数可以表征电子运动的性质?
答:重要的无量纲参数K=eBλu/2πβmecc表征电子运动的性质,其中e是粒子电荷,B是磁场,β=v/c,me是电子静止质量,c是光速。

问:就磁通量而言,起伏器与弯曲的磁铁相比如何?
答:起伏器可以提供比简单的弯曲磁铁多几百倍的磁通量。

问:在使用起振器时,干扰对强度有什么影响?
答:如果K≤1,那么振荡幅度小,辐射显示干扰模式,导致窄的能量带。如果K≥1,则振荡幅度较大,每个场期的辐射贡献独立地加起来,导致宽能谱。

问:使用起振器时如何控制偏振?
答:极化可以通过使用永久磁铁诱导不同周期的电子轨迹通过起振器来控制。如果振荡被限制在一个平面内,辐射将是线性偏振;如果轨迹是螺旋状的,辐射将是圆形偏振,其手性由螺旋决定。

问:对于自由电子激光器来说,强度是如何随着电子的数量而增加的?
答:当电子遵循泊松分布时,部分干涉导致强度的线性增加;对于自由电子激光器,强度随电子数量的增加而呈指数增长。

问:物理学家用什么方法来评价一个起伏器的有效性?
答:物理学家用光谱辐射度来衡量起爆器的有效性。

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