アンジュレーター

アンジュレータは、高エネルギー物理学における挿入装置であり、通常はシンクロトロン蓄積リングなどの大型装置の一部ですが、自由電子レーザーのコンポーネントである場合もあります。双極子磁石の周期的構造で構成されています。これらは永久磁石または超伝導磁石です。静磁場は、アンジュレータの長さに沿って波長とともに交互に変化します。周期的な磁石構造を横切る電子は振動を強いられ、エネルギーを放射します。アンジュレータで生成される放射線は非常に強力で、スペクトルの狭いエネルギー帯に集中しています。また、電子の軌道面上では平行になっています。この放射線は、さまざまな科学分野の実験のために ビームラインを通じて導かれます。 ${\displaystyle \lambda_{u}}$

アンジュレータの強度パラメータは次のとおりです。

${\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi m_{e}c}}}$、

ここで、eは電子の電荷、Bは磁場、はアンジュレータ磁石の空間周期、は電子の静止質量、cは光速です。 ${\displaystyle \lambda_{u}}$${\displaystyle m_{e}}$

このパラメータは電子の運動の性質を特徴づけます。運動の振動振幅が小さいため、放射は干渉パターンを示し、狭いエネルギー帯につながります。振動振幅が大きい場合、各フィールド周期からの放射寄与が独立して合計され、広いエネルギースペクトルにつながります。このフィールド領域では、デバイスはもはやアンジュレータとは呼ばれず、ウィグラーと呼ばれます。 ${\displaystyle K\ll 1}$${\displaystyle K\gg 1}$

アンジュレータとウィグラーの主な違いはコヒーレンスです。アンジュレータの場合、放出される放射線は周期長とビームエネルギーによって決まる波長とコヒーレントですが、^[1]ウィグラーの場合、電子はコヒーレントではありません。

アンジュレータの通常の説明は相対論的だが古典的である。^[要出典]つまり、正確な計算は面倒だが、アンジュレータはブラックボックスとみなすことができ、デバイス内部の機能のみが入力を出力に変換する方法に影響を与える。電子がボックスに入り、電磁パルスが小さな出口スリットを通って出る。スリットはメインコーンだけが通過し、波長スペクトルのサイドローブは無視できるほど小さくなければならない。

アンジュレータは、単純な偏向磁石よりも数桁高い磁束を提供できるため、シンクロトロン放射施設で需要が高い。N 周期のアンジュレータの場合、明るさは偏向磁石よりも高くなることがあります。最初の係数 N は、N 放射周期中に放出される場の建設的干渉により、高調波波長で強度が N 倍まで増強されるために発生します。通常のパルスは、エンベロープのある正弦波です。2 番目の係数 N は、これらの高調波に関連する放出角度の減少から生じ、1/N に減少します。電子が半分の周期で来ると、それらは破壊的に干渉し、アンジュレータは暗いままです。電子がビーズ チェーンとして来る場合も同じことが言えます。 ${\displaystyle N^{2}}$

永久磁石を使用してアンジュレータを通る異なる周期的な電子軌道を誘導することで、放射される放射線の偏光を制御できます。振動が平面に限定されている場合、放射線は直線偏光になります。振動軌道が螺旋状である場合、放射線は円偏光になり、その向きは螺旋によって決まります。

電子がポアソン分布に従う場合、部分的な干渉によって強度が直線的に増加します。自由電子レーザー^[2]では、強度は電子の数に応じて指数関数的に増加します。

アンジュレータの性能指数はスペクトル放射輝度です。

ロシアの物理学者ヴィタリー・ギンツブルグは1947年の論文で、アンジュレータが作れることを理論的に示しました。^[3] ジュリアン・シュウィンガーは1949年に有用な論文^[4]を発表し、必要な計算をベッセル関数にまで簡略化し、その表を用意しました。当時はほとんどの学者がデジタルコンピュータを利用できなかったため、これは設計方程式を解く上で重要でした。

1952年、スタンフォード大学のハンス・モッツと彼の同僚は、世界初のアンジュレータを実証しました。^{[5] [6]アンジュレータは、世界初の人工コヒーレント赤外線を生成しました。この設計では、可視光から}ミリ波までの全周波数範囲を生成できました。

• DT Attwood の Berkeley のページ: ソフト X 線と極端紫外線。彼の講義とビューグラフはオンラインで閲覧できます。