Undulatoren

Ein Undulator ist ein Gerät, welches einen Elektronenstrahl veranlasst, anstatt geradeaus zu fliegen, sich wie eine Schlange im Gras zu bewegen. Dazu benutzt man in der Regel Magnete (Permanent- oder Elektromagnete), deren Nord- und Südpole in regelmäßiger Wiederkehr einander gegenüber angeordnet sind. Die Länge, nach der sich Nord- oder Südpole wiederholen bezeichnet man als die Periodenlänge lu des Undulators.

Der Elektronenstrahl wird mit Hilfe von Dipolmagneten in den Spalt zwischen den Magnetpaaren hinein und am Ende wieder hinausgelenkt. Die Magnete üben auf die vorbeifliegenden Elektronen eine Kraft aus, die sie veranlasst, von der geraden Bahn abzuweichen und zu strahlen. Auf dem Bild ist die Abweichung des Elektronenstrahls von der Geraden übertrieben stark gezeichnet worden. In der Realität beträgt sie nur Bruchteile eines Millimeters.

Die Stärke eines Undulator wird durch den Undulatorparameter Krms beschrieben. Neben den Konstanten e, me und c wird sie durch das Produkt der Periodenlänge λu und dem Maximalwert Bu der Magnetflussdichte auf der Achse des Undulators bestimmt:

Krms = e Bu λ u / (2π me c) = 0.660 B U [T] λU [cm] (2)

Wichtig für die Leistung und Bandbreite der erzeugten Strahlung ist die Anzahl Nu der magnetischen Perioden, aus denen der Undulator besteht. Sie bestimmt, wie oft sich der Elektronenstrahl im Undulator hin- und herwendet. Da diese Schlängelbewegung direkt mit der Lichtemission und der Laserverstärkung verknüpft ist, kann man die Leistung eines FEL dadurch steigern, dass man bei konstanter Länge einer Periode ihre Anzahl erhöht. Das kann so weit gehen, dass man bereits bei einem einzigen Durchlauf die gewünschte Strahlungsleistung erhält und auf eine Rückführung des Lichtes mittels der beiden Spiegel verzichten kann. Das ist besonders dann von Vorteil, wenn es für die erzeugte Strahlung keine hinreichend gut reflektierenden Spiegel gibt, wie das im kurzwelligen Ulktraviolett und bei Röntgenstrahlung der Fall ist. Doch dazu werden Undulatoren und Elektronenenergien von ganz anderem Kaliber benötigt. Ein Beispiel dafür ist der am Deutschen Elektronen SYnchrotron (DESY) in Hamburg im Bau befindliche sog. XFEL, der in mehreren Etappen gebaut wird und Röntgenlicht bis zu einer Wellenlänge von 0.1 nm (10 keV) erzeugen soll.

Im Weiteren wollen wir uns aber auf FELs mit einem optischen Resonator beschränken, bei denen die Verstärkung pro Umlauf einige 10 Prozent beträgt und wo einige hundert Umläufe benötigt werden, um die volle Leistung zu erreichen.

Wer sich für die an ELBE vorgesehenen Undulatoren und deren Wellenlängenbereich interessiert, sollte HIER klicken,
wer aber zum FEL zurück will, der sollte HIER klicken.
 
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