Was genau ist der Unterschied zwischen einer Sychrotron-Lichtquelle und einem Freie-Elektronen-Laser?

Zyklotronstrahlung ist Strahlung, die von einem geladenen Teilchen emittiert wird, das durch ein Magnetfeld gebogen wird. Der einzige Unterschied zwischen Zyklotron- und Synchrotronstrahlung besteht darin, dass letztere mit relativistischen Geschwindigkeiten auftritt. Ist das richtig?

Nun, AFAIK, Synchrotronstrahlung wird künstlich erzeugt, indem der beschleunigte Teilchenstrahl (ich schätze, das wären im Allgemeinen Elektronen, aber ich nehme an, es könnten Protonen wie im LHC sein) in eine „Einführvorrichtung“ geleitet wird. Ich weiß, dass Wiggler und Undulatoren Beispiele sind, aber ich bin mir nicht sicher, was genau der Unterschied zwischen diesen beiden ist.

Was ich nicht verstehe, ist, was in einem Freie-Elektronen-Laser gemacht wird, der ihn von einer normalen alten Synchrotronstrahlungsquelle unterscheidet. Anscheinend ist Synchrotronstrahlung kohärent, also ist es das eindeutig nicht. Außerdem bin ich verwirrt, wo die stimulierte Emission ins Spiel kommt. Ein Freie-Elektronen-Laser verwendet laut Wikipedia freie Elektronen (daher der Name) statt beispielsweise chromdotiertem Saphir alias Rubin als Verstärkungsmedium. Außer, halt durch. . .die Elektronen sind sicherlich nicht statisch, sie bewegen sich ziemlich schnell, also wie würden die Photonen zurückreflektieren, um die Emission zu stimulieren, wenn sich die Elektronen immer noch direkt an ihnen vorbei bewegen?

Liege ich mit meinen Annahmen richtig, oder liege ich von vornherein völlig falsch? Leider ist Wikipedia zu diesem Thema ziemlich vage. Ich habe versucht, etwas zu diesem Thema zu recherchieren, aber ich habe sehr wenig über den tatsächlichen Bau eines Freie-Elektronen-Lasers gefunden (zumindest war das nicht hinter einer Paywall). Danke für Ihre Hilfe!

Antworten (2)

Synchrotronstrahlung ist die Strahlung, die von einem Elektronenstrahl ausgeht, der sich in einem Magnetfeld dreht. Die Winkelbeschleunigung induziert die Strahlung von Photonen, die tangential zur Strahlkrümmung austreten und kohärent sind.

Synchrotronstrahlung

Synchrotronstrahlung von einem Ablenkmagneten

Dies ist bei Teilchenbeschleunigern für Hochenergiephysik-Streuexperimente der Fall und ist der Hauptenergieverlust für die erzeugten Strahlen. Obwohl die Strahlung kohärent ist, umkreist sie die kreisförmige Geometrie des Strahls und das Frequenzspektrum ist groß.

Der Freie-Elektronen-Laser nutzt den Synchrotron-Effekt, um einen linearen, photonenkohärenten Strahl zu erzeugen, der dem von Lasern in seiner Richtung und Kohärenz ähnlich ist. Irgendwie ist der Name irreführend.

FEL

Schematische Darstellung eines Undulators im Kern eines Freie-Elektronen-Lasers.

Um einen FEL zu erzeugen, wird ein Elektronenstrahl auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Der Strahl durchläuft den FEL-Oszillator, ein periodisches Quermagnetfeld, das durch eine Anordnung von Magneten mit abwechselnden Polen innerhalb eines optischen Hohlraums entlang des Strahlengangs erzeugt wird. Diese Anordnung von Magneten wird üblicherweise als Undulator oder Wiggler konfiguriert, da sie die Elektronen im Strahl dazu zwingt, einem sinusförmigen Pfad zu folgen. Die Beschleunigung der Elektronen entlang dieser Bahn führt zur Freisetzung von Photonen (Synchrotronstrahlung). Da die Elektronenbewegung mit dem Feld des bereits emittierten Lichts in Phase ist, addieren sich die Felder kohärent.

Sowohl Synchrotronstrahlung als auch FEL haben einen Teilchenbeschleuniger, um den Strahl zu erzeugen, aber der FEL in der zweiten Stufe schafft es, einen kohärenten Photonenstrahl zu erhalten, dessen Frequenzbereich und Leistung gesteuert werden können.

Zyklotronstrahlung emittiert aufgrund der Feldkrümmung auch Synchrotronlicht, außer dass der Weg der Elektronen nicht kreisförmig, sondern spiralförmig ist und durch variierende Magnetfelder manipuliert wird. Dies ermöglicht die Erzeugung eines kohärenten Strahls, dessen Frequenzen von den Frequenzen abhängen, die zur Erzeugung des spiralförmigen Pfads verwendet werden.

Zyklotronstrahlung hat ein Spektrum mit seiner Hauptspitze bei derselben Grundfrequenz wie die Umlaufbahn des Teilchens und Oberwellen bei höheren Integralfaktoren. Oberschwingungen sind das Ergebnis von Mängeln in der tatsächlichen Emissionsumgebung,

Gute Antwort. Es gibt jedoch ein Problem mit der FEL-Figur: Der Künstler hat den Strahl gezeichnet, der sich scharf dreht, um aus dem Weg zu gehen, nachdem er den Wiggler verlassen hat. In der Praxis würde dies viel Synchrotronstrahlung erzeugen, die die Reinheit des Strahls beeinträchtigt, sodass er in der Praxis so schnell wie möglich nach dem Wiggler weggelenkt wird, aber eher sanfter als dargestellt.
@dmckee nun, es ist nicht meine Zeichnung :)
Können Sie erläutern, wie der FEL einen kohärenten Strahl erzeugt? Ich verstehe, dass es eindeutig einen Unterschied gibt, aber Synchrotron-Lichtquellen verwenden auch Einführvorrichtungen, oder? Hat es etwas mit dem "Bündeln" von Elektronen zu tun? Wie werden Bündel gebildet/der E-Strahl moduliert? Wie unterscheidet es sich in beiden Fällen? Wie unterscheidet sich ein Wiggler von einem Undulator?
@krfkeith Entschuldigung, nein, nicht mehr als der Artikel im Link. Wenn Sie den Links dort folgen, kann Ihre Neugier befriedigt werden.
Eigentlich ist Kohärenz in dem von mir kopierten Zitat gerechtfertigt. „Da die Elektronenbewegung in Phase mit dem Feld des bereits emittierten Lichts ist, addieren sich die Felder kohärent.“ Bündel sind eine andere Geschichte.
Ich habe Ihre Antwort als akzeptiert markiert, vielen Dank! :) Ich bin neugierig, warum Sie sagen, dass Trauben eine andere Geschichte sind, aber ich frage mich, ob diese Frage möglicherweise besser für einen anderen Beitrag geeignet ist.
Vielen Dank. Bündel sind die Art und Weise, wie die Beschleuniger ihren Strahl formen. Beschleuniger-Technologie. lhc-closer.es/php/index.php?i=1&s=4&p=19&e=0 . Es wird Synchrotronstrahlung in Zeitphase mit den Bündeln geben.
Ich weiß, wir sollten keine Kommentare hinzufügen, die sagen: „Das ist eine wirklich nette Antwort“, aber … das ist eine wirklich nette Antwort! :)

Was den Unterschied zwischen Undulatoren und Wigglern betrifft: Synchrotronstrahlung hat einen charakteristischen Öffnungswinkel (d.h 1 / γ ). In einem Undulator wird die Elektronenbewegung in Querrichtung in der Größenordnung des Öffnungswinkels eingestellt. Bei einem Wiggler wird die Bewegung jedoch größer als der Öffnungswinkel gemacht und daher ergibt sich ein breiterer Strahl.

Zusätzliche Referenzen

  1. Ross Schlueter, Wiggler and Undulator Insertion Devices (Google Books)
  2. USPAS-Kursmaterialien
  3. NGLS F&E und Designstudien bei LBNL, IPAC2012 (PDF)
Danke, genau auf diese Frage brauchte ich eine Antwort! Fyi Ich habe gerade gefragt, was genau der Unterschied zwischen einem Elektronen-Wiggler und einem Undulator ist?
Oh, der zweite Link scheint kaputt zu sein ...
Was genau ist der Unterschied zwischen einer Sychrotron-Lichtquelle und einem Freie-Elektronen-Laser?
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