Onduleur

Un onduleur est un dispositif d'insertion issu de la physique des hautes énergies et fait généralement partie d'une installation plus grande, un anneau de stockage synchrotron , ou peut être un composant d'un laser à électrons libres . Il est constitué d'une structure périodique d' aimants dipolaires . Ceux-ci peuvent être des aimants permanents ou des aimants supraconducteurs . Le champ magnétique statique alterne sur la longueur de l'onduleur avec une longueur d'onde . Les électrons traversant la structure magnétique périodique sont obligés de subir des oscillations et donc de rayonner de l'énergie. Le rayonnement produit dans un onduleur est très intense et concentré dans des bandes d'énergie étroites du spectre. Il est également collimaté sur le plan orbital des électrons. Ce rayonnement est guidé à travers des lignes de faisceaux pour des expériences dans divers domaines scientifiques.

Le paramètre de force de l'onduleur est :

où e est la charge de l'électron, B est le champ magnétique, est la période spatiale des aimants de l'onduleur, est la masse au repos de l'électron et c est la vitesse de la lumière.

Ce paramètre caractérise la nature du mouvement des électrons. En effet, l'amplitude d'oscillation du mouvement est faible et le rayonnement présente des motifs d'interférence qui conduisent à des bandes d'énergie étroites. Si l'amplitude d'oscillation est plus grande et que les contributions du rayonnement de chaque période de champ s'additionnent indépendamment, cela conduit à un large spectre d'énergie. Dans ce régime de champs, le dispositif n'est plus appelé onduleur ; il est appelé wiggler .

La principale différence entre un onduleur et un wiggler est la cohérence. Dans le cas d'un onduleur, le rayonnement émis est cohérent avec une longueur d'onde déterminée par la longueur de la période et l'énergie du faisceau, alors que dans le cas d'un wiggler, les électrons ne sont pas cohérents.

La description habituelle de l'onduleur est relativiste mais classique. Cela signifie que même si un calcul précis est fastidieux, l'onduleur peut être vu comme une boîte noire , où seules les fonctions à l'intérieur de l'appareil affectent la façon dont une entrée est convertie en sortie ; un électron entre dans la boîte et une impulsion électromagnétique sort par une petite fente de sortie. La fente doit être suffisamment petite pour que seul le cône principal passe et que les lobes latéraux des spectres de longueur d'onde puissent être ignorés.

Les onduleurs peuvent fournir un flux plusieurs ordres de grandeur plus élevé qu'un simple aimant de courbure et sont donc très demandés dans les installations de rayonnement synchrotron. Pour un onduleur à N périodes, la luminosité peut être supérieure à celle d'un aimant de courbure. Le premier facteur N se produit parce que l'intensité est augmentée jusqu'à un facteur N aux longueurs d'onde harmoniques en raison de l'interférence constructive des champs émis pendant les N périodes de rayonnement. L'impulsion habituelle est un sinus avec une certaine enveloppe. Le deuxième facteur N provient de la réduction de l'angle d'émission associé à ces harmoniques, qui est réduit à 1/N. Lorsque les électrons arrivent avec la moitié de la période, ils interfèrent de manière destructive, l'onduleur reste sombre. Il en va de même s'ils arrivent sous forme de chaîne de billes.

La polarisation du rayonnement émis peut être contrôlée en utilisant des aimants permanents pour induire différentes trajectoires électroniques périodiques à travers l'onduleur. Si les oscillations sont confinées à un plan, le rayonnement sera polarisé linéairement. Si la trajectoire d'oscillation est hélicoïdale, le rayonnement sera polarisé circulairement, la direction étant déterminée par l'hélice.

Si les électrons suivent la loi de Poisson, une interférence partielle conduit à une augmentation linéaire de l'intensité. Dans le laser à électrons libres l'intensité augmente de manière exponentielle avec le nombre d'électrons.

La figure de mérite d'un onduleur est la radiance spectrale .

Le physicien russe Vitaly Ginzburg a montré théoriquement que des onduleurs pouvaient être construits dans un article de 1947. Julian Schwinger a publié un article utile en 1949 qui réduisait les calculs nécessaires aux fonctions de Bessel , pour lesquelles il existait des tables. Cela était important pour résoudre les équations de conception, car les ordinateurs numériques n'étaient pas disponibles pour la plupart des universitaires à cette époque.

Hans Motz et ses collègues de l'Université de Stanford ont présenté le premier onduleur en 1952. Il a produit le premier rayonnement infrarouge cohérent artificiel. La conception pouvait produire une gamme de fréquences complète allant de la lumière visible aux ondes millimétriques .