Undulator
Undulator adalah perangkat penyisipan dari fisika energi tinggi dan biasanya merupakan bagian dari instalasi yang lebih besar, cincin penyimpanan sinkrotron. Ini terdiri dari struktur periodik magnet dipol. Medan magnet statis bergantian sepanjang undulator dengan panjang gelombang λ u {\displaystyle \lambda _{u}}. 
. Elektron yang melintasi struktur magnet periodik dipaksa untuk mengalami osilasi. Jadi elektron mengeluarkan energi sebagai radiasi elektronmagnetik. Radiasi yang dihasilkan dalam undulator sangat intens dan terkonsentrasi pada pita energi sempit dalam spektrum. Berkas cahaya juga terkolimasi pada bidang orbit elektron. Radiasi ini dipandu melalui beamlines untuk eksperimen di berbagai bidang ilmiah.
Parameter tak berdimensi yang penting
K = e B λ u 2 π β m e c {\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}}} 
di mana e adalah muatan partikel, B adalah medan magnet, β = v/c {\displaystyle \beta =v/c}
, m e {\displaystyle m_{e}}
adalah massa istirahat elektron dan c adalah kecepatan cahaya, mencirikan sifat gerak elektron. Untuk K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
amplitudo osilasi gerakannya kecil dan radiasi menampilkan pola interferensi yang mengarah ke pita energi sempit. Jika K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
amplitudo osilasi lebih besar dan kontribusi radiasi dari setiap periode medan dijumlahkan secara independen, yang mengarah ke spektrum energi yang luas. Ketika K jauh lebih besar dari 1, peranti tidak lagi disebut undulator; ia disebut wiggler.
Fisikawan berpikir tentang undulator baik menggunakan fisika klasik maupun relativitas. Ini berarti bahwa meskipun perhitungan presisi membosankan, undulator dapat dilihat sebagai kotak hitam. Sebuah elektron memasuki kotak ini dan pulsa elektromagnetik keluar melalui celah keluar kecil. Celah harus cukup kecil sehingga hanya kerucut utama yang lewat, sehingga lobus samping dapat diabaikan.
Undulator dapat memberikan fluks magnetik ratusan kali lebih banyak daripada magnet lentur sederhana dan karena itu sangat diminati di fasilitas radiasi sinkrotron. Untuk undulator yang mengulang N kali (N periode), kecerahannya bisa mencapai N 2 {\displaystyle N^{2}}
lebih dari magnet lentur. Intensitas ditingkatkan hingga faktor N pada panjang gelombang harmonik karena interferensi konstruktif dari medan yang dipancarkan selama periode radiasi N. Denyut nadi yang biasa adalah gelombang sinus dengan beberapa amplop. Faktor kedua N berasal dari pengurangan sudut emisi yang terkait dengan harmonik ini, yang berkurang secara proporsional dengan 1/N. Ketika elektron datang dengan setengah periode, mereka mengganggu secara destruktif. Jadi, undulator tetap gelap. Hal yang sama berlaku jika elektron datang sebagai rantai manik-manik. Karena tandan elektron menyebar semakin sering mereka melakukan perjalanan di sekitar sinkrotron, fisikawan ingin merancang mesin baru yang membuang tandan elektron sebelum mereka memiliki kesempatan untuk menyebar. Perubahan ini akan menghasilkan radiasi sinkrotron yang lebih berguna.
Polarisasi radiasi yang dipancarkan dapat dikontrol dengan menggunakan magnet permanen untuk menginduksi lintasan elektron periodik yang berbeda melalui undulator. Jika osilasi terbatas pada bidang, radiasi akan terpolarisasi secara linear. Jika lintasan osilasi berbentuk heliks, radiasi akan terpolarisasi sirkuler, dengan handedness ditentukan oleh heliks.
Jika elektron mengikuti distribusi Poisson, interferensi parsial menyebabkan peningkatan intensitas secara linear. Dalam laser elektron bebas, intensitas meningkat secara eksponensial dengan jumlah elektron.
Fisikawan mengukur keefektifan undulator dalam hal pancaran spektral.
Cara kerja undulator. 1: magnet, 2: berkas elektron, 3: radiasi sinkrotron
Sebuah multipole wiggler, seperti yang digunakan dalam cincin penyimpanan di Sinkrotron Australia untuk menghasilkan radiasi sinkrotron
Sejarah
Undulator pertama dibangun oleh Hans Motz dan rekan kerjanya di Stanford pada tahun 1953. Salah satu undulator mereka menghasilkan radiasi inframerah koheren pertama yang pernah ada. Rentang frekuensi total mereka adalah dari cahaya tampak hingga gelombang milimeter. Fisikawan Rusia V.L. Ginzburg menunjukkan bahwa undulator pada prinsipnya dapat dibuat dalam makalah tahun 1947.
Pertanyaan dan Jawaban
T: Apa yang dimaksud dengan undulator?
J: Undulator adalah perangkat dari fisika energi tinggi yang terdiri dari struktur periodik magnet dipol. Alat ini memaksa elektron untuk mengalami osilasi, yang menghasilkan radiasi elektromagnetik yang intens dan terkonsentrasi dalam pita energi yang sempit.
T: Parameter apa yang mencirikan sifat gerak elektron?
J: Parameter penting tanpa dimensi K = eBλu/2πβmecc mencirikan sifat gerak elektron, di mana e adalah muatan partikel, B adalah medan magnet, β = v/c, me adalah massa istirahat elektron dan c adalah kecepatan cahaya.
T: Bagaimana undulator dibandingkan dengan magnet pembengkok dalam hal fluks magnetik?
J: Undulator dapat menghasilkan fluks magnet ratusan kali lebih banyak daripada magnet pembengkok sederhana.
T: Bagaimana interferensi mempengaruhi intensitas ketika menggunakan undulator?
J: Jika K ≤ 1, maka amplitudo osilasi kecil dan radiasi menampilkan pola interferensi yang mengarah ke pita energi yang sempit. Jika K ≥ 1, maka amplitudo osilasi lebih besar dan kontribusi radiasi dari setiap periode medan dijumlahkan secara independen sehingga menghasilkan spektrum energi yang luas.
T: Bagaimana polarisasi dapat dikontrol ketika menggunakan undulator?
J: Polarisasi dapat dikontrol dengan menggunakan magnet permanen untuk menginduksi lintasan elektron periodik yang berbeda melalui undulator. Jika osilasi terbatas pada suatu bidang, radiasi akan terpolarisasi linier; jika lintasan berbentuk heliks, radiasi akan terpolarisasi melingkar dengan arah tangan yang ditentukan oleh heliks.
T: Bagaimana intensitas meningkat dengan jumlah elektron untuk laser elektron bebas?
J: Ketika elektron mengikuti distribusi Poisson, interferensi parsial menyebabkan peningkatan intensitas secara linier; untuk laser elektron bebas, intensitas meningkat secara eksponensial dengan jumlah elektron.
T: Ukuran apa yang digunakan fisikawan untuk mengevaluasi efektivitas undulator?
J: Fisikawan mengukur efektivitas undulator dalam hal pancaran spektral.
