Ондулятороное излучение. 
Дифракционный структурный анализ

.

Ондуляторное излучение представляет собой электромагнитное излучение заряженных частиц при их движении в системах с периодическим внешним полем. Это излучение обусловлено возникновением центростремительного ускорения частиц при искривлении их траектории. Ондуляторное излучение (ОИ) по своей природе оказывается близким к СИ. Различие между этими двумя типами излучения связано только лишь с эффективной длиной траектории, на которой они формируются.

Ондулятор представляет собой многополюсную магнитную систему с высокой магнитной индукцией (от 0.1 до 10 Тл в зависимости от типа устройства) и чередующейся полярностью. В магнитном поле ондулятора траектории электронов сильно искривляются, и генерируется электромагнитное излучение с целенаправленно избранными характеристиками.

Впервые на возможность излучения релятивистскими электронами при их движении в периодических системах обратил внимание Гинзбург в 1947 году. Термин «ондулятор» впервые был применен Мотцем в 1951 году. В 1960 году было предложено установить ондулятор в прямолинейный промежуток синхротрона или накопительного кольца [3]. При многократном прохождении электронов через ондулятор раскачка пучка в прямолинейном участке траектории частиц оказывает существенное влияние на формирование спектра СИ и может быть основой для получения интенсивных и достаточно монохроматических потоков рентгеновского и ультрафиолетового излучения.

Впервые наблюдение излучения из ондулятора, встроенного в камеру ускорителя, было проведено в 1977 году на синхротроне ФИ АН (1 ГэВ) «Пахра».

Существует два типа ондуляторов. В одном из них траектория частицы представляет собой кривую, лежащую в фиксированной плоскости (плоскоский ондулятор), в другом электроны движутся по спирали (спиральный ондулятор).

В зависимости от величины ондуляторной постоянной.

различают два различных режима работы онду;

лятора. Режим работы при К «1 называется ондуляторным. Случай К « 1 соответствует режиму виглера — ондулятора с большой напряженностью магнитного поля. Характеры излучения в этих двух случаях различны (см. рис. 9.10).

Наиболее важным свойством ондулятора является концентрация излучения с помощью виглера.

Различные криволинейные участки траектории электронов в виглере с N полюсами (вблизи полюсов) излучают независимо друг от друга, что приводит к росту интенсивности СИ примерно в N раз по сравнению с излучением из поворотного магнита. Другим преимуществом виглера является возможность создавать более сильные магнитные поля (5−10 Тл), чем в поворотном магните (в последнем величина магнитной индукции связана с радиусом орбиты), что приводит к сдвигу критической длины волны СИ в коротковолновую область.

Ондулятор отличается от виглера увеличенным числом полюсов и их более тесным расположением (рис. 9.11), а также сравнительно более слабыми магнитными полями (~1Тл). Параметры ондулятора подбирают таким образом, чтобы достичь интерференции излучения от соседних участков искривленной траектории пучка. Вследствие интерференции в спектре СИ на определенных длинах волн появляются максимумы интенсивности — гармоники ондулятора. Интенсивность гармоник (пропорциональная N²) много выше интенсивности излучения как из поворотного магнита, так и из виглера. Кроме того, излучение ондулятора более направленно.

Из вышесказанного, открывается новое применение СИ в качестве инструмента исследования в физике и технике, а накопительное кольцо меняет свои функции, и его главной задачей становится получение релятивистских электронов, излучающих свет с помощью виглера или ондулятора.

Временная структура СИ связана с типом машины. На синхротроне цикл ускорения, как правило, повторяется с частотой 50 Гц, и с такой же частотой повторяются пакеты импульсов СИ — банчи (bunch), протяженностью несколько сантиметров, промодулированные внутри пакетов с частотой обращения электронов на орбите со₀— Длина сгустка электронов на орбите определяет длительность этого минимального импульса, которая достигает сотен пикосекунд. Если на орбите несколько сгустков, то частота повторения будет кратной частоте обращения со' = Мо_(Ь где N — число сгустков. В накопителях электроны живут на орбите часами. Важно учесть длину сгустка, достигающую нескольких сантиметров (длительность до 100 пс), число сгустков на орбите и частоту обращения электрона. Постепенно интенсивность импульсов СИ снижается из-за потери частиц с орбиты.

Ключевой характеристикой источника СИ является его эмиттанс — величина, равная произведению размера поперечного сечения излучающей области электронного пучка на угол расходимости пучка фотонов (типичные значения вертикального и горизонтального эмиттанса современных источников СИ составляют соответственно КГ¹⁰-КГ⁸ и ИГ⁸-КГ⁶ мрад). Именно эта величина, зависящая от степени совершенства магнитной системы источника, наиболее полно отражает уровень промышленной технологии, использованной при создании накопительного кольца. Как правило, эмиттанс коррелирует с яркостью источника: чем меньше эмиттанс, тем выше яркость; но кроме этого, яркость сильно зависит от электронного тока.

Накопитель имеет серьезные преимущества перед синхротроном как источник СИ, в частности, благодаря возможности длительного использования излучения моноэнергетических электронов. На синхротроне, в отличие от накопителя, в каждом цикле ускорения необходимо при помощи прерывателя (механического модулятора) выделять временной участок (при 50 Гц порядка 5 мс), на котором электроны можно считать моноэнергетическими. Это существенно снижает эффективность использования синхротрона в качестве источника. Есть и другие важные преимущества у накопителей как источников СИ, связанные с меньшим сечением пучка электронов, возможностью накопления большого числа частиц на орбите, более высоким вакуумом (КГ⁹ Topp), более низким радиационным фоном вокруг накопителя, что позволяет располагать аппаратуру в непосредственной близости от источника СИ, и др.

Синхротроны как источники СИ сыграли важную историческую роль в освоении СИ: на них было обнаружено синхротронное излучение, исследованы его основные характеристики, начаты (и ведутся в настоящее время) эксперименты по использованию СИ. Но, именно на основе накопителей, созданы и разрабатываются специализированные источники СИ.

В настоящее время в мире функционирует около 50 синхротронов, которые расположены в 18 странах мира. Существует деление синхротронов по «поколениям», характеризующим мощность и качества синхротронного излучения.

К первому поколению относят ускорители с эмиттансом 100−500 нм-рад, построенные в 60-е годы. Такие установки проектировали в рамках ядерно-физических программ, и они не были предназначены для синхротронных приложений, так что исследования с использованием СИ занимали лишь небольшую часть всего «пучкового времени». В 1980;х годах появились накопительные кольца второго поколения с эмиттансом 50−150 нм-рад, предназначенные исключительно для синхротронных исследований, поэтому их часто называют специализированными источниками. К данному поколению относится большинство действующих накопительных колец. К третьему поколению относятся центры СИ, сооруженные в 1990;е годы. Эмитганс таких источников составляет 1−10 нм-рад, а их характерной конструктивной особенностью является большое число протяженных прямолинейных участков канала между поворотными магнитами, используемых для размещения всгроенных устройств. Яркость источников каждого нового поколения выше яркости источников предыдущего поколения на 2−3 порядка.

Наилучшими являются источники третьего поколения, к которым обычно относят: ESRF (Гренобль, Франция); Spring-8 (Япония), APS (Advanced Photon Source, Арагонская национальная лаборатория, США); PETRA-Ш (DESY, Гамбург, Германия). Российские ученые внесли значительный вклад в работы по теории и конструкции синхротронов. В настоящее время в России действующими источниками СИ являются ВЭПП-3 и ВЭПП-4 в Новосибирске и Курчатовский источник СИ в Москве, которые могут быть отнесены ко второму поколению синхротронов.

Приобретаемый опыт исследований с использованием широчайших возможностей, предоставляемых источниками СИ, подталкивает к росту требований, предъявляемых к этим источникам. В частности, стремление исследовать с помощью рентгеновских лучей все более мелкие объемы вещества (размерами порядка нескольких нанометров), требует сверхярких микропучков, а для изучения структурных превращений в реальном времени протекания химических реакций желательно иметь длительность импульсов порядка 100 фемтосекунд. Более чем тридцатилетние усилия ученых и инженеров по разработке и строительству все более совершенных накопительных колец привели к тому, что их характеристики в источниках СИ 3-го поколения достигли своих физических пределов, как по размерам и яркости источника излучения, так и по его временной структуре. Например, диаметр электронного пучка в накопительном кольце Е5ЯГ при энергии 7 ГэВ и токе 200 мА достигает 50 мкм и далее уменьшаться не может из-за физических принципов, а, следовательно, не может дальше повышаться и яркость СИ.

Пределы характеристик источников излучения на базе накопительных колец естественным образом заключены в самом принципе их действия, как источников фотонного излучения. Их нельзя преодолеть никакими дальнейшими техническими усовершенствованиями. Эти ограничения параметров связаны с условием накопления ускоренных частиц (тока), при котором частицы в кольце должны накапливаться на стабильных равновесных орбитах, а свойства их сгустков должны быть согласованы с возмущениями энергии и импульса, возникающими при испускании СИ, свойствами ускоряющей системы, эффектами межчастичных рассеяний в пучке (эффект Тушека) и погрешностями в системе поворачивающих и фокусирующих магнитов. Все эти возмущения приводят к связи между горизонтальными и вертикальными размерами пучка частиц на орбите. Данные возмущения являются свойствами каждого конкретного накопительного кольца и определяются структурой его магнитных и электронно-оптических элементов. В свою очередь, структура накопительного кольца строится в результате компромисса между исходным эмиттансом загружаемых пакетов частиц и структурой их уравновешенных сгустков, которая обычно достигается за многие тысячи оборотов по кольцу и характеризуется длиной в несколько миллисекунд. Хотя равновесное сжатие частиц в пакеты обеспечивает накопительное кольцо отличной стабильностью, оно приводит к тому, что параметры накопленных уравновешенных сгустков никак не связаны с параметрами исходно инжектированных пакетов частиц, которые, в принципе, могут иметь длину и на несколько порядков меньше. Поэтому, если в накопительное кольцо инжектировать прекрасно сформированные пакеты частиц с эмиттансом и длиной меньше тех, которые характерны для данной структуры кольца, то в процессе движения по кольцу они все равно будут уравновешены и доведены до значении типичных для данного кольца. То есть можно сказать, что сама структура накопительного кольца и требование равновесности пучка на его орбите будут неизбежно ухудшать исходные характеристики хорошо сформированных пакетов, получаемых из инжектора.

Таким образом, технология накопительных колец для производства фотонов на сегодня уже практически исчерпала возможности совершенствования таких характеристик, как длительность импульса излучения, яркость и временная структура пучков СИ, и возникла потребность в поиске альтернативных технологий генерирования рентгеновских лучей, способных обойти естественные ограничения накопительных колец. В последнее время в качестве такой альтернативы рассматриваются рентгеновские лазеры на свободных электронах и источники СИ на базе линейных ускорителей с возвратом мощности [5,6].

Использование СИ для спектроскопии началось уже в 1958 году с работ Гартмана и Томбуляна по применению СИ в атомной спектроскопии. Более систематическое использование СИ начинается с 1964 года (Хэнзела и Кунца) на БЕБУ. На этом синхротроне на 6 ГэВ был создан канал СИ и излучение начало использоваться в широкой области спектра от ультрафиолетовой до рентгеновской в основном для спектроскопии твердого тела, атомной и молекулярной спектроскопии, метрологии. Однако, все эти работы ведутся наряду с основными работами центра ОЕБУ по физике высоких энергий, которые определяют режим работы машины. Среди ряда практических применений СИ наиболее интересным оказалось его использование в экспериментах по спектроскопии твердого тела. Исследования подобного ряда в нашей стране начались с 1967 года группой синхротронного излучения МГУ на синхротроне С-60 ФИАН и получили развитие на многих ускорителях и накопителях России. Особые свойства источников СИ обусловили создание специализированного оборудования, которое существенно отличается от традиционного, применявшегося с обычными источниками излучения. Эксперименты по использованию СИ в спектроскопии твердого тела, начавшиеся у нас в стране на синхротроне С-60 ФИАН, продолжались на ускорителе ФИЛИ «Пахра».