Un ondulador es un dispositivo de inserción de la física de altas energías y, por lo general, forma parte de una instalación más grande, un anillo de almacenamiento de sincrotrón , o puede ser un componente de un láser de electrones libres . Consiste en una estructura periódica de imanes dipolares . Pueden ser imanes permanentes o imanes superconductores . El campo magnético estático alterna a lo largo del ondulador con una longitud de onda . Los electrones que atraviesan la estructura del imán periódico se ven obligados a sufrir oscilaciones y, por tanto, a irradiar energía. La radiación producida en un ondulador es muy intensa y se concentra en estrechas bandas de energía del espectro. También está colimado en el plano orbital de los electrones. Esta radiación se guía a través de líneas de luz para experimentos en diversas áreas científicas.
El parámetro de fuerza del ondulador es:
donde e es la carga del electrón, B es el campo magnético, es el período espacial de los imanes onduladores, es la masa en reposo del electrón y c es la velocidad de la luz.
Este parámetro caracteriza la naturaleza del movimiento de los electrones. Porque la amplitud de oscilación del movimiento es pequeña y la radiación muestra patrones de interferencia que conducen a bandas de energía estrechas. Si la amplitud de la oscilación es mayor y las contribuciones de radiación de cada período del campo se suman de forma independiente, se obtiene un amplio espectro de energía. En este régimen de campos el dispositivo ya no se llama ondulador ; se llama meneador .
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, [1] mientras que en un ondulador los electrones no son coherentes.
La descripción habitual del ondulador es relativista pero clásica. [ cita necesaria ] Esto significa que aunque un cálculo preciso es tedioso, el ondulador puede verse como una caja negra , donde solo las funciones dentro del dispositivo afectan la forma en que una entrada se convierte 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 onduladores pueden proporcionar un flujo varios órdenes de magnitud mayor que un simple imán de flexión y, como tales, tienen una gran demanda en las instalaciones de radiación sincrotrón. Para un ondulador con N períodos, el brillo puede ser superior al de un imán de flexión. El primer factor de N ocurre porque la intensidad 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 de N. El pulso habitual es un seno con cierta envolvente. El segundo factor de N proviene de la reducción del ángulo de emisión asociado a estos armónicos, el cual se reduce a 1/N. Cuando los electrones llegan con la mitad del período, interfieren destructivamente, el ondulador permanece oscuro. Lo mismo ocurre si vienen como una 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 intensidad. En el láser de electrones libres [2] la intensidad aumenta exponencialmente con el número de electrones.
La figura de mérito de un ondulador es el resplandor espectral .
El físico ruso Vitaly Ginzburg demostró teóricamente que se podían construir onduladores en un artículo de 1947. Julian Schwinger publicó un útil artículo en 1949 [3] 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. [4] [5] 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 .
