挿入装置
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挿入光源（ID ）は、現代のシンクロトロン光源を構成する部品の一つで、加速器の軌道に「挿入」されることからその名が付けられています。挿入光源は周期的な磁気構造で、蓄積された荷電粒子ビームが装置を通過する際に、ビームに揺らぎ（うねり）を生じさせることで、高輝度で前方に放射するシンクロトロン放射を刺激します。この振動はローレンツ力によって引き起こされ、この振動運動から、ウィグラーとアンジュレータと呼ばれる2種類の装置が名付けられています。より明るい光を作り出すだけでなく、一部の挿入光源は光を調整して、様々な用途に合わせて異なる周波数を生成することも可能にします。
歴史
アンジュレータの理論はソ連のヴィタリー・ギンツブルグによって開発されました。しかし、1953年にスタンフォード大学の線形加速器に最初のアンジュレータを設置し、ミリ波から可視光線までを発生させたのは、モッツと彼のチームでした。[ 1 ]
シンクロトロン放射を発生させるために電子蓄積リングにアンジュレータが設置されたのは1970年代になってからでした。これらの装置を最初に導入した機関は、モスクワのレベデフ物理学研究所とトムスク工科大学でした。これらの設備により、アンジュレータの挙動をより詳細に評価することが可能になりました。
アンジュレータがシンクロトロン光源に挿入できる実用的な装置になったのは、1981年にローレンス・バークレー国立研究所(LBNL)、スタンフォード大学シンクロトロン放射研究所(SSRL)、およびロシアのブドカー原子核物理研究所 (BINP) のチームがハルバッハ配列と呼ばれる永久磁石配列を開発してからです。ハルバッハ配列により、電磁コイルや超伝導コイルでは実現できない短い繰り返し周期が可能になりました。
ウィグラーは、ビームライン用のシンクロトロン放射発生に使用されるようになる10年以上前から、蓄積リングで使用されていました。ウィグラーは蓄積リングの減衰効果を持ち、この機能は1966年にマサチューセッツ州のケンブリッジ電子加速器で初めて採用されました。シンクロトロン放射発生に使用された最初のウィグラーは、1979年にSSRLに設置された7極ウィグラーでした。
これらの最初の導入以来、世界中のシンクロトロン放射施設におけるアンジュレータとウィグラーの数は急増しており、これらは次世代の光源である自由電子レーザーを支える原動力となる技術の 1 つとなっています。
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手術
挿入光源は、従来、蓄積リングの直線部分に挿入されます（これが挿入光源の名称の由来です）。蓄積された粒子ビーム（通常は電子）が挿入光源を通過すると、粒子が受ける交流磁場によって軌道が横振動します。この運動に伴う加速がシンクロトロン放射の放出を刺激します。
ウィグラーとアンジュレータの機械的な違いはほとんどなく、通常、両者を区別する基準としてK係数が用いられます。K係数は以下のように定義される無次元定数です。
ここで、 qは ID を通過する粒子の電荷、Bは ID のピーク磁場、は ID の周期、粒子の速度またはエネルギーに関連し、mは加速粒子の質量、cは光速です。
ウィグラーでは K>>1 であると見なされ、アンジュレータでは K<1 であると見なされます。
K係数は生成される放射線のエネルギーを決定します。幅広いエネルギーが必要な場合、装置の磁場の強度を変えることでK係数を変更できます。永久磁石装置では、通常、磁石アレイ間のギャップを広げることでこれを行います。電磁石装置では、磁場は磁石コイルの電流値を変えることで変化します。
ウィグラーでは、磁場の周期と強度は電子が生成する放射の周波数とは一致しません。そのため、束の中のすべての電子は独立して放射し、結果として放射帯域幅は広くなります。ウィグラーは複数の偏向磁石を連結したものと考えることができ、その放射強度はウィグラー内の磁極の数に比例します。
アンジュレータ光源では、振動する電子によって生成される放射が他の電子の運動と建設的に干渉し、放射スペクトルの帯域幅が比較的狭くなります。放射の強度は に比例します。ここでは磁石アレイの極数です。
挿入装置から放射される放射線の波長は、アンジュレータ方程式を使用して計算できます。
ここで、 はローレンツ係数、は波動周期、K は前述の K 係数、 は放射ローブの中心から測定された角度です。
その名前にもかかわらず、この式はアンジュレータとウィグラー両方に当てはまります。
参考文献
- ^ Robinson, Arthur L. 「X線データブックレット：シンクロトロン放射の歴史」 。 2011年9月4日閲覧。
