Ondulador
Un ondulador es un dispositivo de inserción de la física de altas energías y suele formar parte de una instalación mayor, un anillo de almacenamiento de sincrotrón. Consiste en una estructura periódica de imanes dipolares. Un campo magnético estático se alterna a lo largo del ondulador con una longitud de onda λ u 
. Los electrones que atraviesan la estructura magnética periódica se ven obligados a sufrir oscilaciones. Así, los electrones emiten energía en forma de radiación electromagnética. La radiación producida en un ondulador es muy intensa y se concentra en bandas de energía estrechas en el espectro. Además, el haz de luz está colimado en el plano orbital de los electrones. Esta radiación se guía a través de líneas de luz para realizar experimentos en diversas áreas científicas.
El importante parámetro adimensional
K = e B λ u 2 π β m e c {\displaystyle K={frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c} 
donde e es la carga de la partícula, B es el campo magnético, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c}
, m e {\displaystyle m_{e}}
es la masa en reposo del electrón y c es la velocidad de la luz, caracteriza la naturaleza del movimiento del electrón. Para K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
la amplitud de oscilación del movimiento es pequeña y la radiación muestra patrones de interferencia que conducen a bandas de energía estrechas. Si K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1} 
la amplitud de oscilación es mayor y las contribuciones de radiación de cada período de campo se suman de forma independiente, dando lugar a un amplio espectro de energía. Cuando K es mucho mayor que 1, el dispositivo ya no se llama ondulador, sino ondulador.
Los físicos piensan en los onduladores tanto desde la física clásica como desde la relatividad. Esto significa que, aunque el cálculo de precisión es tedioso, el ondulador puede verse como una caja negra. Un electrón entra en esta caja y un impulso electromagnético sale por una pequeña rendija de salida. La rendija debe ser lo suficientemente pequeña como para que sólo pase el cono principal, de modo que se puedan ignorar los lóbulos laterales.
Los onduladores pueden proporcionar cientos de veces más flujo magnético que un simple imán de flexión y, como tal, son muy solicitados en las instalaciones de radiación de sincrotrón. Para un ondulador que se repite N veces (N períodos), la luminosidad puede ser hasta N 2 {\displaystyle N^{2}}
más que un imán de flexión. La intensidad aumenta hasta un factor de N en las longitudes de onda armónicas debido a la interferencia constructiva de los campos emitidos durante los N períodos de radiación. El pulso habitual es una onda sinusoidal con cierta envolvente. El segundo factor de N proviene de la reducción del ángulo de emisión asociado a estos armónicos, que se reduce en proporción a 1/N. Cuando los electrones vienen con la mitad del período, interfieren destructivamente. Por lo tanto, el ondulador permanece oscuro. Lo mismo ocurre si los electrones vienen como una cadena de cuentas. Debido a que el racimo de electrones se dispersa cuantas más veces viajan alrededor del sincrotrón, los físicos quieren diseñar nuevas máquinas que desechen los racimos de electrones antes de que tengan la oportunidad de dispersarse. Este cambio producirá una radiación de sincrotrón más útil.
La polarización de la radiación emitida puede controlarse utilizando imanes permanentes para inducir diferentes trayectorias periódicas de los electrones a través del ondulador. Si las oscilaciones están confinadas a un plano, la radiación estará linealmente polarizada. Si la trayectoria de las oscilaciones es helicoidal, la radiación estará polarizada circularmente, con la lateralidad determinada por la hélice.
Si los electrones siguen la distribución de Poisson, una interferencia parcial conduce a un aumento lineal de la intensidad. En el láserde electrones libres, la intensidad aumenta exponencialmente con el número de electrones.
Los físicos miden la eficacia de un ondulador en términos de radiación espectral.
Funcionamiento del ondulador. 1: imanes, 2: haz de electrones, 3: radiación de sincrotrón
Un wiggler multipolar, como el que se utiliza en el anillo de almacenamiento del Sincrotrón Australiano para generar radiación de sincrotrón
Historia
El primer ondulador fue construido por Hans Motz y sus colaboradores en Stanford en 1953. Uno de sus onduladores produjo la primera radiación infrarroja coherente de la historia. Su rango total de frecuencias iba desde la luz visible hasta las ondas milimétricas. El físico ruso V.L. Ginzburg demostró que, en principio, se podían fabricar onduladores en un artículo de 1947.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es un ondulador?
R: Un ondulador es un dispositivo de la física de altas energías que consiste en una estructura periódica de imanes dipolares. Obliga a los electrones a sufrir oscilaciones, lo que produce una radiación electromagnética intensa y concentrada en bandas de energía estrechas.
P: ¿Qué parámetro caracteriza la naturaleza del movimiento de los electrones?
R: El importante parámetro adimensional K = eBλu/2πβmecc caracteriza la naturaleza del movimiento del electrón, donde e es la carga de la partícula, B es el campo magnético, β = v/c , me es la masa en reposo del electrón y c es la velocidad de la luz.
P: ¿Cómo se compara un ondulador con un imán de curvatura en términos de flujo magnético?
R: Los onduladores pueden proporcionar cientos de veces más flujo magnético que un simple imán de flexión.
P: ¿Cómo afecta la interferencia a la intensidad cuando se utiliza un ondulador?
R: Si K ≤ 1, la amplitud de oscilación es pequeña y la radiación muestra patrones de interferencia que dan lugar a bandas de energía estrechas. Si K ≥ 1, entonces la amplitud de oscilación es mayor y las contribuciones de radiación de cada periodo de campo se suman independientemente dando lugar a un amplio espectro de energía.
P: ¿Cómo se puede controlar la polarización cuando se utiliza un ondulador?
R: La polarización puede controlarse utilizando imanes permanentes para inducir diferentes trayectorias periódicas de electrones a través del ondulador. Si las oscilaciones se limitan a un plano, la radiación se polarizará linealmente; si la trayectoria es helicoidal, la radiación se polarizará circularmente con la lateralidad determinada por la hélice.
P: ¿Cómo aumenta la intensidad con el número de electrones en los láseres de electrones libres?
R: Cuando los electrones siguen la distribución de Poisson, la interferencia parcial conduce a un aumento lineal de la intensidad; para los láseres de electrones libres la intensidad aumenta exponencialmente con el número de electrones.
P: ¿Qué medida utilizan los físicos para evaluar la eficacia de un ondulador?
R: Los físicos miden la eficacia de un ondulador en términos de radiancia espectral.
