Вигглеры и ондуляторы

Главная характеристика источника синхротронного излучения (СИ) - спектральная яркость потока излучения, которое взаимодействует с изучаемым образцом. Повышение спектральной яркости на уже существующих источниках СИ связано с коренной модернизацией всей структуры ускорителей, что требует больших финансовых вложений. Поэтому наиболее экономически выгодный вариант – это установка в свободные промежутки накопителя специальных сверхпроводящих магнитов с высоким уровнем магнитного поля так называемых «вигглеров», которые локально изменяют траекторию электронного пучка для генерации синхротронного излучения нужными характеристиками. Такие «вставные устройства» являются очень гибким инструментом для генерации СИ, так как не влияют на орбиту накопителя вне места их установки и позволяют локально создавать именно такую конфигурацию магнитного поля, которая необходима для проведения конкретного эксперимента, не создавая помех другим пользователям СИ. Установка таких устройств позволяет на порядки увеличить интенсивность СИ, по сравнению с излучением из поворотных магнитов, изменить спектрально-угловые и поляризационные характеристики излучения (монохроматичность, поляризация, и др.). Кроме того, возможность создания высокого уровня магнитного поля (до ~10 Тл), благодаря использованию сверхпроводимости, даёт возможность генерировать более «жёсткий» спектр излучения фотонов (до 100 кэВ). Это позволяет продлить жизненный цикл уже существующих источников и проводить на них такие же эксперименты, как и на более дорогих современных источниках СИ.
Пояснительная записка

Одним из видов вставных устройств являются сверхпроводящие шифтеры, которые предназначены для сдвигания спектра излучения в коротковолновую область. Шифтер представляет собой магнит, состоящий из одного центрального диполя (полюса) с высоким уровнем магнитного поля и двух боковых полюсов с низким полем, предназначенных для компенсации искажения орбиты, произведённого центральным полюсом. ИЯФ СО РАН производит шифтеры с любой конфигурацией магнитного поля, определяемой условиями эксперимента.

Наиболее эффективным является использование многополюсных сверхпроводящих вставных устройств со знакопеременным полем, яркость излучения из которых прямо пропорциональна числу магнитных полюсов. Основные параметры таких вигглеров оптимизируются для получения необходимого потока фотонов в нужном диапазоне с учётом требований эксперимента и характеристик конкретного источника СИ. Можно условно разделить такие вигглеры на несколько групп, каждая из которых предназначена для решения своих специфических задач.
Установка вигглеров с высоким уровнем поля (7–7.5 Тл) на источники СИ с низкой энергией (1-2.5 ГэВ) не только увеличивает величину потока фотонов, но и сдвигает спектр излучения в более жёсткую область и продлевает жизненный цикл уже существующих источников СИ. Большое угловое отклонение пучка с низкой энергией позволяет установить несколько каналов вывода излучения.

Вигглеры со средним уровнем поля и небольшим пространственным периодом изменения поля наиболее востребованы, благодаря удачному сочетанию этих параметров и типичных характеристик современных источников СИ. При установке таких вигглеров производится генерация максимального количества фотонов в наиболее используемом для исследований спектральном диапазоне.

Вигглеры с коротким периодом (30-34 мм) и низким уровнем поля (2 – 2.2 Тл) приближаются по параметрам к ондуляторам, так как в низкоэнергетическом диапазоне в спектре их излучения начинают проявляться когерентные свойства.

Особенностью криостатов, обеспечивающих температуру жидкого гелия на сверхпроводящих обмотках вигглеров, является дополнительная тепловая нагрузка на вакуумную камеру со стороны токов изображения от электронного пучка и от синхротронного излучения. Основная концепция криостата на основе промышленно выпускаемых криокулеров состоит в перехвате всех каналов притока тепла в жидкий гелий на холодильные головки криокулеров (с температурами 60К, 20К и 4К) полностью предотвращая испарение жидкого гелия.

ИЯФ СО РАН разрабатывает на коммерческой основе под ключ специализированные сверхпроводящие вставные устройства для генерации синхротронного излучения, адаптируя их параметры под конкретный источник СИ и условия проведения эксперимента. Генерируемое излучение перекрывает весь необходимый для экспериментаторов спектральный диапазон, обеспечивая максимально возможный поток фотонов и позволяя автономно работать в условиях ограниченного доступа без расхода жидкого гелия. В настоящее время ИЯФ СО РАН занимает лидирующие позиции в создании сверхпроводящих генераторов синхротронного излучения. Созданные в ИЯФ СО РАН более 20 различных сверхпроводящих вигглеров используются для генерации излучения в более, чем 10 центрах СИ во всем мире: LSU-CAMD (США), BESSY-II (Германия), ELETTRA (Италия), CLS (Канада), DLS (Англия), LNLS (Бразилия), ALBA (Испания), AS (Австралия), ANKA (Германия) и КИСИ (Москва).