جهاز إدخال

جهاز الإدخال ( ID ) هو أحد مكونات مصادر ضوء السنكروترون الحديثة ، وقد سُمي بهذا الاسم لأنه يُدخل في مسارات المُسرِّع. وهو عبارة عن هياكل مغناطيسية دورية تُحفِّز انبعاث إشعاع السنكروترون عالي السطوع والموجه للأمام، وذلك بإجبار حزمة الجسيمات المشحونة المخزنة على القيام بتذبذبات أو تموجات أثناء مرورها عبر الجهاز. وتنتج هذه الحركة عن قوة لورنتز ، ومن هذه الحركة التذبذبية اشتق اسما نوعي الجهاز: المُتذبذبات والمُتموجات . بالإضافة إلى توليد ضوء أكثر سطوعًا، تُتيح بعض أجهزة الإدخال ضبط الضوء بحيث يُمكن توليد ترددات مختلفة لتطبيقات متنوعة.

طُوِّرت النظرية الكامنة وراء أجهزة التموج على يد فيتالي جينزبورغ في الاتحاد السوفيتي . إلا أن موتز وفريقه هم من قاموا في عام 1953 بتركيب أول جهاز تموج في مسرع خطي في جامعة ستانفورد، مستخدمين إياه لتوليد إشعاع الموجات المليمترية وصولاً إلى الضوء المرئي. ^{[ 1 ]}

لم يتم تركيب أجهزة التموج في حلقات تخزين الإلكترونات لإنتاج إشعاع السنكروترون إلا في سبعينيات القرن العشرين. وكانت أولى المؤسسات التي اقتنت هذه الأجهزة معهد ليبيديف للفيزياء في موسكو وجامعة تومسك التقنية . وقد أتاحت هذه المنشآت توصيفًا أشمل لسلوك أجهزة التموج.

لم تصبح أجهزة التموج أجهزة عملية لإدخالها في مصادر ضوء السنكروترون إلا في عام 1981، عندما طورت فرق في مختبر لورانس بيركلي الوطني (LBNL) ومختبر ستانفورد لإشعاع السنكروترون (SSRL) ومعهد بودكر للفيزياء النووية (BINP) في روسيا مصفوفات مغناطيسية دائمة، تُعرف باسم مصفوفات هالباخ ، والتي سمحت بفترات تكرار قصيرة لا يمكن تحقيقها باستخدام الملفات الكهرومغناطيسية أو الملفات فائقة التوصيل .

على الرغم من تشابه وظائفها، استُخدمت أجهزة التذبذب في حلقات التخزين لأكثر من عقد قبل استخدامها لتوليد إشعاع السنكروترون لخطوط الحزم . تُحدث أجهزة التذبذب تأثيرًا مُخمدًا على حلقات التخزين، وهي الوظيفة التي استُخدمت من أجلها لأول مرة في مُسرِّع كامبريدج للإلكترونات في ماساتشوستس عام 1966. وكان أول جهاز تذبذب استُخدم لتوليد إشعاع السنكروترون جهازًا ذا سبعة أقطاب تم تركيبه في مُسرِّع إشعاع السنكروترون في SSRL عام 1979.

منذ عمليات الإدخال الأولى هذه، ازداد عدد أجهزة التموج والاهتزاز في مرافق إشعاع السنكروترون في جميع أنحاء العالم، وهي إحدى التقنيات المحركة للجيل القادم من مصادر الضوء، ليزرات الإلكترون الحر .

تُدخل أجهزة الإدخال عادةً في أقسام مستقيمة من حلقات التخزين (ومن هنا جاء اسمها). وعندما يمر شعاع الجسيمات المخزن، وعادةً ما يكون إلكترونات ، عبر جهاز الإدخال، يتسبب المجال المغناطيسي المتناوب الذي تتعرض له الجسيمات في تذبذب مسارها بشكل عرضي. ويحفز التسارع المصاحب لهذه الحركة انبعاث إشعاع السنكروترون.

لا يوجد فرق ميكانيكي يُذكر بين المتذبذبات والمتموجات، والمعيار المستخدم عادةً للتمييز بينهما هو عامل K. عامل K هو ثابت عديم الأبعاد يُعرَّف على النحو التالي:

${\displaystyle K={\frac {qB\lambda _{u}}{2\pi \beta mc}}}$

حيث q هي شحنة الجسيم المار عبر جهاز التفريغ، وB هي ذروة المجال المغناطيسي لجهاز التفريغ.${\displaystyle \lambda _{u}}$هي فترة الهوية،${\displaystyle \beta =v/c}$يتعلق الأمر بسرعة أو طاقة الجسيم، و m هي كتلة الجسيم المتسارع، و c هي سرعة الضوء .

تعتبر المتذبذبات ذات K>>1 والمتموجات ذات K<1.

يُحدد عامل K طاقة الإشعاع المُنتَج، وفي الحالات التي تتطلب نطاقًا واسعًا من الطاقة، يُمكن تعديل قيمة K بتغيير شدة المجال المغناطيسي للجهاز. في الأجهزة ذات المغناطيس الدائم، يتم ذلك عادةً بزيادة المسافة بين صفوف المغناطيس. أما في الأجهزة الكهرومغناطيسية، فيتم تغيير المجال المغناطيسي بتغيير شدة التيار في ملفات المغناطيس.

في جهاز التذبذب، لا تتطابق دورة المجال المغناطيسي وقوته مع تردد الإشعاع الناتج عن الإلكترونات. لذا، يشع كل إلكترون في الحزمة بشكل مستقل، ويكون نطاق تردد الإشعاع الناتج واسعًا. يمكن اعتبار جهاز التذبذب سلسلة من المغناطيسات المنحنية المتصلة ببعضها، وتتناسب شدة إشعاعه طرديًا مع عدد الأقطاب المغناطيسية فيه.

في مصدر التموج، يتداخل الإشعاع الناتج عن الإلكترونات المتذبذبة تداخلاً بناءً مع حركة الإلكترونات الأخرى، مما يؤدي إلى أن يكون لطيف الإشعاع نطاق ترددي ضيق نسبيًا. وتتناسب شدة الإشعاع طرديًا مع${\displaystyle N^{2}}$، أين${\displaystyle N}$يمثل عدد الأقطاب في مصفوفة المغناطيس.

الطول الموجي${\displaystyle \lambda }$يمكن حساب نسبة الإشعاع المنبعث من جهاز الإدخال باستخدام معادلة جهاز التموج :

${\displaystyle \lambda ={\frac {\lambda _{u}}{2\gamma ^{2}}}\left(1+{\frac {K^{2}}{2}}+(\theta \gamma )^{2}\right)}$

أين${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}}$هو عامل لورنتز ،${\displaystyle \lambda _{u}}$فترة التموج، و K عامل K كما هو موضح أعلاه، و${\displaystyle \theta }$الزاوية المقاسة من مركز الفص المشع.

على الرغم من اسمها، فإن المعادلة تنطبق على كل من المتموجات والمتذبذبات.