Undulatoren für die FELs von ELBE
An der Strahlungsquelle ELBE sind zwei Undulatoren installiert. Sie unterscheiden sich in der Länge λU einer magnetischen Periode und in deren Anzahl NU. Die in Rossendorf installierten Undulatoren erhielten die Bezeichnung U27 bzw. U100, wobei "U" für Undulator steht, und die darauffolgende Zahl die Periodenlänge in Millimeter angibt. Bei diesen Undulatoren wird das Magnetfeld mit Hilfe von Dauermagneten erzeugt. Die magnetische Flussdichte Bu am Ort des Elektronenstrahls und damit der Undulatorparameter Krms können verändert werden, indem der Abstand g zwischen der oberen und der unteren Reihe von Magneten mit Hilfe eines speziell konstruierten Gestells vergrößert oder verkleinert wird. Dabei verändert sich der Abstand der Magnete vom Elektronenstrahl, der in der Mitte zwischen den beiden Magnetreihen verläuft.
Zur Erzeugung von Laserlicht im mittleren Infrarot (4-22 μm) dient der Undulator U27. Bei ihm handelt es sich um eine sogenannte Hybridkonstruktion, bei der das Magnetfeld in Magneten aus Neodynium, Eisen und Bor erzeugt und der Magnetfluss dann durch Pole aus hochpermeablem Eisen in den Spalt geführt wird, wo sich der Elektronenstrahl befindet.
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Auf der rechten Seite ist ein schematischer Schnitt durch die letzten 6 Perioden dieses Undulators mit den Magneten (blaue Blöcke) und den Polen (rote Blöcke) zu sehen. Der schmale Magnet m2 und der Pol p2 wurden hinzugefügt, damit der Elektronenstrahl den Undulator genau in Achsrichtung verlässt. Die gleiche Anordnung wurde am anderen Undulatorende installiert, um einen geraden Einschuss zu gewährleisten. Ein Foto und weitere Details des Undulators U27 findet man HIER. |
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| Schematischer Schnitt durch die letzten 6 Perioden eines Hybridundulators |
Für die Erzeugung von Licht im fernen Infrarot mit Wellenlängen von 20 - 200 μm dient ein Undulator mit einer Periodenlänge von 100 mm. Er erhielt die Bezeichnung U100 und ist ebenfalls eine Hybridkonstruktion, wobei die Magnete aus einer Samarium-Kobald Legierung bestehen.
Ein Photo des U100 Undulator findest du HIER.
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Die Abbildung auf der linken Seite zeigt, welche Wellenlängen λ1 mit den Undulatoren U27 und U100 sowie dem Elektronenstrahl von ELBE erzeugt werden können. Sie wurde mit Hilfe von Gleichung 1 innerhalb der für ELBE möglichen Werte von Elektronenenergie Eekin und Undulatorparameter Krms erhalten. |
Die Wellenlänge der erzeugten Laserstrahlung wird durch die kinetische Energie Eekin der Elektronen und den Undulatoeparameter Krms bestimmt. An ELBE kann die Energie des Elektronenstrahls von 12 bis 34 MeV variiert werden. Der Undulatorparameter Krms wird durch die Stärke des Magnetfeldes am Ort des Elektronenstrahls bestimmt. Das stärkste Magnetfeld bekommt man, wenn sich die Magnete so nahe wie möglich am Elektronenstrahl befinden. Diese Lage entspricht einem Undulatorparameter von 0.7 beim U27 bzw. 2.7 beim U100 Undulator. Vergrößert man die Entfernung der Magnete von Strahl wird das wirksame Magnetfeld schächer und der Undulatorparameter verkleinert sich. Bei einem Undulatorparameter von etwa 0.4 wird die Verstärkung so klein, dass der Laser ausgeht aus. Mit diesen Variationsbereichen von Elektronenenergie und Undulatorparameter können die in der obigen Abbildung durch eine blaue (U27) bzw. rote (U100) farbige Fläche angezeigten Wellenlängenbereiche erreicht werden. Da sowohl Elektronenenergie als auch Undulatorparameter kontinuierlich in beliebig kleinen Schritten geändert werden können, kann an ELBE elektromagnetische Strahlung jeder Wellenlänge zwischen 4 und 200 μm erzeugt werden. Die kontinuierliche Veränderbarkeit der Wellenlänge ist eine Besonderheit der Freie-Elektronen Laser gegenüber den meisten anderen Lasern, mit deren Hilfe man nur bestimmte vom verwendeten Material vorgegebene Wellenlängen erzeugen kann.
