挿入装置

挿入装置( ID )は、現代のシンクロトロン光源のコンポーネントであり、加速器トラックに「挿入」されることからそのように呼ばれています。挿入装置は周期的な磁気構造で、蓄積された荷電粒子ビームが装置を通過するときに波動またはうねりを強制することにより、非常に明るい前方方向のシンクロトロン放射の放出を刺激します。この動きはローレンツ力によって引き起こされ、この振動運動から、ウィグラーとアンジュレータと呼ばれる 2 種類の装置の名前が付けられています。より明るい光を作り出すだけでなく、一部の挿入装置は光の調整も可能にし、さまざまな用途に合わせてさまざまな周波数を生成できます。

アンジュレータの理論はソ連のヴィタリー・ギンツブルグによって開発された。しかし、1953年にスタンフォード大学の線形加速器に最初のアンジュレータを設置し、ミリ波から可視光線までを発生させたのはモッツと彼のチームであった。^[1]

シンクロトロン放射を生成するために電子蓄積リングにアンジュレータが設置されたのは、1970 年代になってからでした。これらの装置を導入した最初の機関は、モスクワのレベデフ物理学研究所とトムスク工科大学でした。これらの設備により、アンジュレータの動作をより詳細に特徴付けることができるようになりました。

アンジュレータがシンクロトロン光源に挿入できる実用的な装置になったのは、1981年にローレンス・バークレー国立研究所(LBNL)、スタンフォード大学シンクロトロン放射研究所(SSRL)、およびロシアのブドカー原子核物理学研究所 (BINP) のチームがハルバッハ配列と呼ばれる永久磁石配列を開発してからです。ハルバッハ配列により、電磁コイルや超伝導コイルでは実現できない短い繰り返し周期が可能になりました。

ウィグラーは、ビームライン用のシンクロトロン放射を生成するために使用される以前から、10 年以上にわたって蓄積リングで使用されていました。ウィグラーは蓄積リングに対して減衰効果があり、この機能は 1966 年にマサチューセッツ州のケンブリッジ電子加速器で初めて採用されました。シンクロトロン放射を生成するために使用された最初のウィグラーは、1979 年に SSRL に設置された 7 極ウィグラーでした。

これらの最初の導入以来、世界中のシンクロトロン放射施設におけるアンジュレータとウィグラーの数は急増しており、これらは次世代の光源である自由電子レーザーの推進技術の 1 つとなっています。

挿入装置は、従来、蓄積リングの直線部分に挿入されます (そのため、挿入装置と呼ばれます)。蓄積された粒子ビーム (通常は電子) が ID を通過すると、粒子が受ける交流磁場によって、粒子の軌道が横方向に振動します。この動きに伴う加速によって、シンクロトロン放射が放出されます。

ウィグラーとアンジュレータの間には機械的な違いはほとんどなく、通常、両者を区別する基準は K 係数です。K 係数は次のように定義される無次元定数です。

${\displaystyle K={\frac {qB\lambda _{u}}{2\pi \beta mc}}}$

ここで、qは ID を通過する粒子の電荷、Bは ID のピーク磁場、は ID の周期、粒子の速度またはエネルギーに関連し、m は加速粒子の質量、c は光速です。 ${\displaystyle \lambda_{u}}$${\displaystyle \beta =v/c}$

ウィグラーは K>>1 を持ち、アンジュレータは K<1 を持つと見なされます。

K 係数は生成される放射線のエネルギーを決定します。エネルギーの範囲が必要とされる状況では、デバイスの磁場の強度を変えることで K 数を変更できます。永久磁石デバイスでは、通常、磁石アレイ間のギャップを増やすことでこれを行います。電磁気デバイスでは、磁場は磁石コイルの電流を変えることで変更されます。

ウィグラーでは、磁場の周期と強度は、電子によって生成される放射の周波数に調整されていません。したがって、束の中のすべての電子は独立して放射し、結果として放射帯域幅は広くなります。ウィグラーは、連結された一連の曲げ磁石と考えることができ、その放射強度はウィグラー内の磁極の数に応じて増減します。

アンジュレータ源では、振動する電子によって生成された放射が他の電子の動きと建設的に干渉し、放射スペクトルの帯域幅が比較的狭くなります。放射の強度は で表されます。ここで は磁石アレイの極の数です。 ${\displaystyle N^{2}}$${\displaystyle N}$

挿入装置から放射される放射線の波長は、アンジュレータ方程式を使用して計算できます。 ${\displaystyle \lambda}$

${\displaystyle \lambda ={\frac {\lambda _{u}}{2\gamma ^{2}}}\left(1+{\frac {K^{2}}{2}}+(\theta \gamma )^{2}\right)}$

ここで、はローレンツ因子、波動周期、K は前述の K 係数、および放射ローブの中心から測定された角度 です。${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}}$${\displaystyle \lambda_{u}}$${\displaystyle \theta}$

名前にもかかわらず、この式はアンジュレータとウィグラー両方に当てはまります。