Черенковское излучение

редактировать

Черенковское излучение светится в активной зоне усовершенствованного испытательного реактора.

Черенковское излучение (; русский : Черенков) - это электромагнитное излучение, испускаемое, когда заряженная частица (например, электрон ) проходит через диэлектрическая среда со скоростью , большей, чем фазовая скорость (скорость распространения волны в среде) света в этом средний. Специальная теория относительности не нарушается, поскольку свет распространяется медленнее в материалах с показателем преломления больше единицы, и это скорость света в вакууме, которая не может быть достигнута (или превышена) частицами с масс. Классическим примером черенковского излучения является характерное голубое свечение подводного ядерного реактора. Его причина аналогична причине звукового удара, резкого звука, слышимого при движении со скоростью, превышающей скорость звука. Явление названо в честь советского физика Павла Черенкова, который стал лауреатом Нобелевской премии по физике 1958 за его открытие.

Содержание

1 История
2 Физическое происхождение
- 2.1 Основы
- 2.2 Угол излучения
- 2.3 Произвольный угол излучения
- 2.4 Обратный эффект Черенкова
- 2.5 В вакууме
3 Характеристики
4 Использование
- 4.1 Обнаружение меченых биомолекул
- 4.2 Медицинская визуализация радиоизотопов и дистанционная лучевая терапия
- 4.3 Ядерные реакторы
- 4.4 Астрофизические эксперименты
- 4.5 Эксперименты по физике элементарных частиц
5 См. Также
6 Цитаты
7 Источники
8 Внешние ссылки

История

Излучение названо в честь советского ученого Павла Черенкова, лауреат Нобелевской премии 1958 года, который первым обнаружил его экспериментально под руководством Сергея Вавилова в Институте Лебедева в 1934 году. Следовательно, это также известное как излучение Вавилова – Черенкова . Во время экспериментов Черенков видел слабый голубоватый свет вокруг радиоактивного препарата в воде. Его докторская диссертация была посвящена люминесценции растворов солей урана, которые возбуждались гамма-лучами вместо менее энергичного видимого света, как это обычно делается. Он обнаружил анизотропию излучения и пришел к выводу, что голубоватое свечение не является флуоресцентным явлением.

Теория этого эффекта была позже развита в 1937 г. в рамках специальной теории относительности Эйнштейна коллегами Черенкова Игорем Таммом и Илья Франк, который также получил Нобелевскую премию 1958 года.

Черенковское излучение в виде конического волнового фронта было теоретически предсказано английским политиком Оливером Хевисайдом в статьях, опубликованных между 1888 и 1889 годами и Арнольд Зоммерфельд в 1904 году, но оба они были быстро забыты после того, как теория относительности ограничила супер-c частицами до 1970-х годов. Мария Кюри наблюдала бледно-голубой свет в высококонцентрированном растворе радия в 1910 году, но не исследовала его источник. В 1926 году французский радиотерапевт Люсьен Малле описал световое излучение радия, излучающего воду, имеющую непрерывный спектр.

В 2019 году группа исследователей из Дартмутского и Центр рака Дартмута-Хичкока Норриса Коттона обнаружил, что черенковский свет генерируется в стекловидном теле пациентов, проходящих лучевую терапию. За светом наблюдали с помощью системы визуализации камеры, называемой CDose, которая специально разработана для наблюдения за световым излучением биологических систем. На протяжении десятилетий пациенты сообщали о таких явлениях, как «вспышки яркого или синего света» при лучевой терапии рака головного мозга, но эти эффекты никогда не наблюдались экспериментально.

Физическое происхождение

Основы

Хотя скорость света в вакууме является универсальной постоянной (c = 299 792 458 м / с), скорость в материале может быть значительно меньше, так как среда воспринимает его как замедленное. Например, в воде она составляет всего 0,75c. Материя может ускоряться сверх этой скорости (хотя и меньше c, скорости света в вакууме) во время ядерных реакций и в ускорителях частиц. Черенковское излучение возникает, когда заряженная частица, чаще всего электрон, проходит через диэлектрическую (может быть электрически поляризована) среду со скоростью, превышающей скорость света в этой среде.

Анимация черенковского излучения

Распространенной аналогией является звуковой удар сверхзвукового самолета. Звуковые волны, генерируемые летательным аппаратом, движутся со скоростью звука, которая медленнее, чем у летательного аппарата, и не могут распространяться вперед от летательного аппарата, вместо этого образуя ударный фронт. Аналогичным образом заряженная частица может генерировать легкую ударную волну, когда она проходит через изолятор.

Скорость, которая должна быть превышена, - это фазовая скорость света, а не групповая скорость света. Фазовую скорость можно резко изменить, используя периодическую среду, и в этом случае можно даже получить черенковское излучение без минимальной скорости частиц, явление, известное как эффект Смита – Перселла. В более сложной периодической среде, такой как фотонный кристалл, можно также получить множество других аномальных черенковских эффектов, таких как излучение в обратном направлении (см. Ниже), тогда как обычное черенковское излучение образует острый угол

Черенковское излучение в Reed Research Reactor.

В своей оригинальной работе по теоретическим основам черенковского излучения Тамм и Франк писали: «Это своеобразное излучение, очевидно, не может быть объяснено никакими обычными такой механизм, как взаимодействие быстрого электрона с отдельным атомом или как радиационное рассеяние электронов на атомных ядрах. С другой стороны, явление можно объяснить как качественно, так и количественно, если принять во внимание тот факт, что электрон, движущийся в среде действительно излучает свет, даже если он движется равномерно, при условии, что его скорость больше, чем скорость света в среде ».

Угол излучения

Геометрия черенковского радиуса Представление показано для идеального случая отсутствия дисперсии.

На геометрическом рисунке частица (красная стрелка) движется в среде со скоростью $vp {\ displaystyle v _ {\ text {p}}}$ $v _ {\ text {p }}$ такой, что

c / n < v p < c {\displaystyle c/n

c / n <v _ {\ text {p}} <c

, где $c {\ displaystyle c}$ $c$ - скорость света в вакууме, а $n { \ displaystyle n}$ $n$ - показатель преломления среды. Если среда представляет собой воду, условие будет $0,75 c < v p < c {\displaystyle 0.75c$ $0,75c <v _ {\ text { p}} <c$ , поскольку $n = 1,33 {\ displaystyle n = 1,33}$ ${\ displaystyle n = 1.33}$ для воды при 20 ° C.

Мы определяем соотношение между скоростью частицы и скоростью света как

β = vp / c {\ displaystyle \ beta = v _ {\ text {p}} / c}

\ beta = v _ {\ text {p}} / c

Испускаемые световые волны (обозначены синими стрелками) распространяются со скоростью

v em = c / n {\ displaystyle v _ {\ text {em}} = c / n}

v _ {\ text {em}} = c / n

Левый угол Треугольник представляет положение сверхсветовой частицы в некоторый начальный момент (t = 0). Правый угол треугольника - это местоположение частицы в более позднее время t. За данный момент времени t частица проходит расстояние

xp = vpt = β ct {\ displaystyle x _ {\ text {p}} = v _ {\ text {p}} t = \ beta \, ct}

x _ {\ text {p}} = v _ {\ text {p}} t = \ beta \, ct

, в то время как излучаемые электромагнитные волны ограничены, чтобы пройти расстояние

x em = v em t = cnt. {\ displaystyle x _ {\ text {em}} = v _ {\ text {em}} t = {\ frac {c} {n}} t.}

x _ {\ text {em}} = v _ {\ text {em}} t = {\ frac {c} {n}} t.

Таким образом, угол выброса дает

cos ⁡ θ = 1 n β {\ displaystyle \ cos \ theta = {\ frac {1} {n \ beta}}}

{\ displaystyle \ cos \ theta = {\ frac {1} {n \ beta }}}

Произвольный угол излучения

Черенковское излучение также может излучаться в произвольном направлении, если оно правильно спроектировано мерные метаматериалы. Последний предназначен для введения градиента запаздывания фазы вдоль траектории быстро бегущей частицы ( $d ϕ / dx {\ displaystyle d \ phi / dx}$ ${\ displaystyle d \ phi / dx}$ ), обращая или управляя черенковским излучением при произвольные углы, задаваемые обобщенным соотношением:

cos ⁡ θ = 1 n β + nk 0 ⋅ d ϕ dx {\ displaystyle \ cos \ theta = {\ frac {1} {n \ beta}} + {\ frac { n} {k_ {0}}} \ cdot {\ frac {d \ phi} {dx}}}

{\ displaystyle \ cos \ theta = {\ frac {1} {n \ beta}} + {\ frac {n} {k_ {0}}} \ cdot {\ frac {d \ phi} {dx}}}

Обратите внимание, что, поскольку это соотношение не зависит от времени, можно взять произвольное время и получить одинаковых треугольников. Угол остается неизменным, а это означает, что последующие волны, генерируемые между начальным моментом времени t = 0 и конечным моментом времени t, будут формировать треугольники с совпадающими правыми конечными точками, как показано.

Обратный эффект Черенкова

Обратный эффект Черенкова можно испытать с использованием материалов, называемых метаматериалами с отрицательным индексом (материалы с субволновой микроструктурой, которая дает им эффективное «среднее» свойство сильно отличается от материалов, из которых они состоят, в данном случае имея отрицательную диэлектрическую проницаемость и отрицательную проницаемость ). Это означает, что когда заряженная частица (обычно электроны) проходит через среду со скоростью, большей, чем фазовая скорость света в этой среде, эта частица испускает остаточное излучение от своего движения через среду, а не перед ней (как случай в обычных материалах с положительной диэлектрической проницаемостью и магнитной проницаемостью). Можно также получить такое черенковское излучение с обратным конусом в периодических средах из неметаматериалов, где периодическая структура имеет тот же масштаб, что и длина волны, поэтому его нельзя рассматривать как эффективно однородный метаматериал.

В вакууме

Эффект Черенкова может возникать в вакууме. В замедляющей структуре, например в ЛБВ (трубка бегущей волны ), фазовая скорость уменьшается, и скорость заряженных частиц может превышать фазовую скорость, оставаясь при этом ниже $с {\ displaystyle c}$ $c$ . В такой системе этот эффект может быть получен из сохранения энергии и импульса, где импульс фотона должен быть $p = ℏ β {\ displaystyle p = \ hbar \ beta}$ ${\ displaystyle p = \ hbar \ beta}$ ( $β {\ displaystyle \ beta}$ $\ beta$ - фазовая постоянная ), а не соотношение де Бройля $p = ℏ k {\ displaystyle p = \ hbar k}$ $p = \ hbar k$ . Этот тип излучения (VCR) используется для генерации мощных микроволн.

Характеристики

Частотный спектр черенковского излучения частицы задается Франком– Формула Тамма :

d 2 E dxd ω = q 2 4 π μ (ω) ω (1 - c 2 v 2 n 2 (ω)) {\ displaystyle {\ frac {d ^ {2} E} {dx \, d \ omega}} = {\ frac {q ^ {2}} {4 \ pi}} \ mu (\ omega) \ omega {\ left (1 - {\ frac {c ^ {2}} {v ^ {2} n ^ {2} (\ omega)}} \ right)}}

{\ displaystyle {\ frac {d ^ {2} E} {dx \, d \ omega}} = {\ frac {q ^ { 2}} {4 \ pi}} \ mu (\ omega) \ omega {\ left (1 - {\ frac {c ^ {2}} {v ^ {2} n ^ {2} (\ omega)}} \ right)}}

Формула Франка – Тамма описывает количество энергии $E {\ displaystyle E}$ $E$ , испускаемой Черенковым излучение на единицу пройденной длины $x {\ displaystyle x}$ $x$ и на частоту $ω {\ displaystyle \ omega}$ $\ omega$ . $μ (ω) {\ displaystyle \ mu (\ omega) }$ $\ mu (\ omega)$ - проницаемость, а $n (ω) {\ displaystyle n (\ omega)}$ $n (\ omega)$ - показатель преломления материала, через который движется заряженная частица. $q {\ displaystyle q}$ $q$ - электрический заряд частицы, $v {\ displaystyle v}$ $v$ - скорость частицы., а $c {\ displaystyle c}$ $c$ - скорость света в вакууме.

В отличие от флуоресцентных или эмиссионных спектров, которые имеют характерные спектральные пики, черенковское излучение непрерывно. В видимом спектре относительная интенсивность на единицу частоты приблизительно пропорциональна частоте. То есть более высокие частоты (более короткие длины волн ) более интенсивны в черенковском излучении. Вот почему видимое черенковское излучение имеет ярко-синий цвет. Фактически, большая часть черенковского излучения находится в ультрафиолетовом спектре - только при достаточно ускоренных зарядах оно даже становится видимым; Чувствительность человеческого глаза достигает пика в зеленом цвете и очень низка в фиолетовой части спектра.

Существует частота отсечки, выше которой уравнение $cos ⁡ θ = 1 / (n β) {\ displaystyle \ cos \ theta = 1 / (n \ beta)}$ $\ cos \ theta = 1 / (n \ beta)$ больше не может быть доволен. Показатель преломления $n {\ displaystyle n}$ $n$ изменяется в зависимости от частоты (и, следовательно, от длины волны) таким образом, что интенсивность не может продолжать увеличиваться на все более коротких длинах волн, даже для очень релятивистских частиц (где v / c близко к 1). На частотах рентгеновских лучей показатель преломления становится меньше 1 (обратите внимание, что в среде фазовая скорость может превышать c без нарушения теории относительности) и, следовательно, отсутствует рентгеновское излучение (или излучение с более короткой длиной волны, например гамма-лучи ). Однако рентгеновские лучи могут генерироваться на специальных частотах чуть ниже частот, соответствующих основным электронным переходам в материале, так как показатель преломления часто больше 1 сразу ниже резонансной частоты (см. соотношение Крамерса-Кронига и аномальная дисперсия ).

Как и в случае звуковых ударов и носовых ударов, угол конуса ударной волны напрямую связан со скоростью разрушения. Угол Черенкова равен нулю при пороговой скорости излучения черенковского излучения. Угол достигает максимума, когда скорость частицы приближается к скорости света. Следовательно, наблюдаемые углы падения могут использоваться для вычисления направления и скорости заряда, производящего черенковское излучение.

Черенковское излучение может генерироваться в глазу, если заряженные частицы попадают в стекловидное тело, создавая впечатление вспышек, как в визуальных явлениях космических лучей и, возможно, в некоторых наблюдениях аварий с критичностью.

Использует

Обнаружение меченых биомолекул

Черенковское излучение широко используется для облегчения обнаружения небольших количеств и низких концентраций биомолекул. Радиоактивные атомы, такие как фосфор-32, легко вводятся в биомолекулы с помощью ферментативных и синтетических средств и впоследствии могут быть легко обнаружены в небольших количествах с целью выяснения биологических путей и характеристики взаимодействия биологических молекул, таких как константы сродства и скорости диссоциации.

Медицинская визуализация радиоизотопов и дистанционная лучевая терапия

Черенковское световое излучение, полученное от грудной стенки пациента, подвергающегося облучению всей груди, с использованием луча 6 МэВ от линейного ускорителя в лучевой терапии.

Совсем недавно, Черенковский свет использовался для изображения веществ в организме. Эти открытия вызвали большой интерес к идее использования этого светового сигнала для количественной оценки и / или обнаружения излучения в организме либо от внутренних источников, таких как введенные радиофармпрепараты, либо от внешней лучевой терапии в онкологии. Радиоизотопы, такие как позитроны излучатели F и N или бета излучатели P или Y имеют измеримую черенковскую эмиссию, а изотопы F и I были отображены на людях для демонстрации диагностической ценности. Было показано, что внешняя лучевая терапия индуцирует значительное количество черенковского света в обрабатываемой ткани из-за уровней энергии пучка фотонов, используемых в диапазонах от 6 до 18 МэВ. Вторичные электроны, индуцированные этими высокоэнергетическими рентгеновскими лучами, приводят к черенковскому световому излучению, при котором обнаруженный сигнал может быть отображен на входных и выходных поверхностях ткани.

Ядерные реакторы

Черенковское излучение в TRIGA бассейн реактора.

Черенковское излучение используется для обнаружения заряженных частиц высоких энергий. В бета-частицы (электроны высокой энергии) высвобождаются в виде распада продуктов деления. Свечение продолжается после прекращения цепной реакции, тускнея по мере распада продуктов с более коротким периодом жизни. Точно так же черенковское излучение может характеризовать оставшуюся радиоактивность отработавших твэлов. Это явление используется для проверки наличия отработавшего ядерного топлива в бассейнах с отработавшим топливом для целей ядерных гарантий.

Астрофизические эксперименты

При высокой энергии (ТэВ ) гамма-фотон или космический луч взаимодействует с атмосферой Земли, он может образовывать пару электрон- позитрон с огромными скорости. Черенковское излучение, испускаемое в атмосферу этими заряженными частицами, используется для определения направления и энергии космических лучей или гамма-лучей, что используется, например, в методе визуализации атмосферы Черенкова (IACT ) с помощью таких экспериментов, как VERITAS, HESS, MAGIC. Черенковское излучение, испускаемое этими заряженными частицами в резервуарах с водой, достигающих Земли, используется для той же цели в эксперименте Extensive Air Shower HAWC, Обсерватории Пьера Оже и других проектах. Подобные методы используются в очень больших детекторах нейтрино , таких как Супер-Камиоканде, Нейтринная обсерватория Садбери (SNO) и IceCube. Другие проекты, реализованные в прошлом с применением соответствующих технологий, такие как STACEE, бывшая солнечная башня, переоборудованная для работы в качестве черенковской обсерватории без получения изображений, которая была расположена в Нью-Мексико.

астрофизических обсерваториях с использованием Метод Черенкова для измерения атмосферных ливней является ключевым для определения свойств астрономических объектов, излучающих гамма-лучи очень высоких энергий, таких как остатки сверхновых и блазары.

эксперименты по физике элементарных частиц

Черенковское излучение обычно используется в экспериментальной физике элементарных частиц для идентификации частиц. Можно измерить (или наложить ограничения) скорость электрически заряженной элементарной частицы по свойствам черенковского света, который она излучает в определенной среде. Если импульс частицы измеряется независимо, можно вычислить массу частицы по ее импульсу и скорости (см. четырехимпульс ), и, следовательно, идентифицировать частицу.

Самым простым типом устройства идентификации частиц, основанным на технике черенковского излучения, является пороговый счетчик, который определяет, превышает ли скорость заряженной частицы определенное значение ( $v 0 = c / n {\ displaystyle v_ {0} = c / n}$ $v_ {0} = c / n$ , где $c {\ displaystyle c}$ $c$ - скорость света, а $n {\ displaystyle n}$ $n$ - показатель преломления среды), глядя на то, излучает ли эта частица черенковский свет в определенной среде. Зная импульс частицы, можно отделить частицы легче определенного порога от частиц тяжелее порога.

Наиболее совершенным типом детектора является RICH, или черенковский детектор с кольцевым отображением, разработанный в 1980-х годах. В детекторе RICH конус черенковского света образуется, когда высокоскоростная заряженная частица проходит через подходящую среду, часто называемую излучателем. Этот световой конус обнаруживается позиционно-чувствительным планарным фотонным детектором, который позволяет реконструировать кольцо или диск, радиус которого является мерой черенковского угла излучения. Используются как фокусирующие, так и бесконтактные детекторы. В фокусирующем детекторе RICH фотоны собираются сферическим зеркалом и фокусируются на фотонном детекторе, расположенном в фокальной плоскости. В результате получается круг с радиусом, не зависящим от точки излучения вдоль трека частицы. Эта схема подходит для излучателей с низким показателем преломления, т.е. газы - из-за большей длины излучателя, необходимого для создания достаточного количества фотонов. В более компактной конструкции с бесконтактной фокусировкой тонкий объем излучателя излучает конус черенковского света, который проходит небольшое расстояние - бесконтактный зазор - и обнаруживается на плоскости детектора фотонов. Изображение представляет собой световое кольцо, радиус которого определяется черенковским углом излучения и зазором близости. Толщина кольца определяется толщиной радиатора. Примером бесконтактного детектора RICH является детектор High Momentum Particle Identification Detector (HMPID), детектор, который в настоящее время строится для ALICE (Эксперимент на большом ионном коллайдере ), один из шести экспериментов на LHC (Большой адронный коллайдер ) в ЦЕРН.

См. Также

излучение Аскарьяна, аналогичное излучение, производимое быстрыми незаряженными частицами
Голубой шум
тормозное излучение, генерируемое излучение когда заряженные частицы тормозятся другими заряженными частицами
Быстрее света, о предполагаемом распространении информации или материи быстрее скорости света
Формула Франка – Тамма, дающая спектр Черенкова излучение
Световое эхо
Список источников света
Условия отсутствия излучения
Радиолюминесценция
Тахион
Переходное излучение

Цитаты

Источники

Внешние ссылки

Викискладе есть материалы, связанные с излучением Черенкова.

Запуск ядерного реактора на YouTube
Запуск ядерного реактора (альтернативная ссылка) на YouTube
Радович, Андрия (2002). «Черенковские частицы как магнетоны» (PDF). Журнал теоретики. 4 (4): 1–5.