Undulator (Synchrotron)

Ein Wiggler oder Undulator ist ein technisches Gerät zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung. Hierbei handelt es sich um eine lineare Folge von Permanentmagneten, die in abwechselnder Nord-Süd-Ausrichtung hintereinander geschaltet sind.

Magnete werden in einem Teilchenbeschleuniger oder Speicherring für folgende Zwecke eingesetzt:

• um Teilchenpakete zu bündeln.
• um Teilchen umzulenken.

Wird ein Teilchen abgelenkt, so wird es beschleunigt und es entsteht Synchrotronstrahlung.

Durch die spezielle Magnetanordnung in einem Wiggler oder Undulator wird ein durch sie hindurchfliegendes geladenes Teilchen auf eine periodische, meist sinusförmige Bahn gezwungen. Das so beschleunigte Teilchen erzeugt nun Synchrotronstrahlung in seiner durchschnittlichen Flugrichtung.

Die erzeugte Strahlung ist beinahe monochromatisch. Ihre Eigenschaften hängen von der Länge der einzelnen Magnete, von der Stärke des Magnetfeldes und von der Geschwindigkeit, Ladung und Masse des Teilchens ab.

Wiggler unterscheiden sich von Undulatoren durch die Art der abgegebenen Synchrotronstrahlung. Beim Undulator ist die Elektronenbahn so gewählt, dass es zu konstruktiver Interferenz aller Strahlungskeulen kommt. Dies wird durch eine kleine Auslenkung der Elektronenbahn erreicht. Das führt zu kleinerer Photonenenergie, aber auch zu einem scharfem Spektrum. Die Intensität der Strahlung ist proportional zum Quadrat der Auslenkungsperioden. Wiggler hingegen erzeugen Photonen großer Energie mit einem kontinuierliches Spektrum. Die Intensität ist proportional zur Anzahl der Auslenkperioden. Erreicht wird das durch große Auslenkung der Elektronenbahn. Daher werden in Wigglern stärkere Magneten verwendet als in Undulatoren. Die Folge hiervon ist, dass der Öffnungswinkel der erzeugten Strahlung größer ist.

Den Übergang vom Undulator zum Wiggler beschreibt der dimensionslose Parameter

$K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi mc}},$

hierbei ist e die Elektronenladung, B die Magnetfeldstärke, $\lambda _{u}$ die Wellenlänge des Undulators, m die Elektronenmasse und c die Lichtgeschwindigkeit. K beschreibt die Stärke der Auslenkung der Elektronen. Gilt $K\ll 1$, ist die Auslenkung klein und die Bewegung der Elektronen harmonisch. Ist jedoch $K\gg 1$, wird die Bewegung der Elektronen nicht-linear, und im emittierten Spektrum treten höhere Harmonische auf.

Die Bezeichnung Wiggler stammt vom englischen Wort to wiggle, was wackeln bedeutet. Vom englischen to undulate, was soviel bedeutet, wie sich schlängeln oder wellenförmig bewegen, stammt der Begriff Undulator.