Черенковское излучение

Черенковское излучение светится в активной зоне перспективного испытательного реактора в Национальной лаборатории Айдахо.

Черенковское излучение ( / tʃ ə ˈ r ɛ ŋ k ɒ f / ) (также известное как излучение Черенкова или Черенкова ) — это электромагнитное излучение, испускаемое, когда заряженная частица (например, электрон ) проходит через диэлектрическую среду (например, дистиллированную воду ) со скоростью, большей, чем фазовая скорость (скорость распространения в волнового фронта среде) света в этой среде. . 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 .

История

Излучение названо в честь советского учёного Павла Черенкова, лауреата Нобелевской премии 1958 года , который первым обнаружил его экспериментально под руководством Сергея Вавилова в Институте Лебедева в 1934 году. Поэтому оно также известно 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, возбуждаемых гамма-лучами вместо менее энергичного видимого света, как это обычно делается. Он обнаружил анизотропию излучения и пришел к выводу, что голубоватое свечение не является явлением флуоресценции.

Теория этого эффекта была позже развита в 1937 году. в рамках коллеги Эйнштейна специальной теории относительности Черенкова Игорь Тамм и Илья Франк , также разделившие Нобелевскую премию 1958 года.

Черенковское излучение в виде конических волновых фронтов было теоретически предсказано английским эрудитом Оливером Хевисайдом в статьях, опубликованных между 1888 и 1889 годами. и Арнольд Зоммерфельд в 1904 году, но оба были быстро отвергнуты после того, как теория относительности ограничила сверхсветовые частицы до 1970-х годов. Мария Кюри наблюдала бледно-голубой свет в высококонцентрированном растворе радия в 1910 году. но не исследовал его источник. В 1926 году французский радиотерапевт Люсьен Малле описал светящееся излучение радия, облучающее воду, имеющее непрерывный спектр.

В 2019 году группа исследователей из в Дартмуте и Дартмут-Хичкоке обнаружила Онкологического центра Норриса Коттона черенковский свет, генерируемый в стекловидном теле пациентов, проходящих лучевую терапию . Свет наблюдался с помощью системы визуализации камеры под названием 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 получении лучевой терапии рака головного мозга, но эффекты никогда не наблюдались экспериментально.

Физическое происхождение

Основы

Хотя скорость света в вакууме является универсальной константой ( c = 299 792 458 м/с ), скорость в материале может быть значительно меньше, поскольку считается, что среда замедляет его. Например, в воде она составляет всего 0,75‍с . Материя может ускоряться до скорости выше этой (хотя все же меньше, чем c , скорость света в вакууме) во время ядерных реакций и в ускорителях частиц . Черенковское излучение возникает, когда заряженная частица, чаще всего электрон , движется через диэлектрическую (может быть электрически поляризованной) среду со скоростью, превышающей скорость света в этой среде.

Черенковское излучение во время плановой дозаправки и ремонта энергоблока № 2 Арканзаса (АНО-2)

Эффект можно интуитивно описать следующим образом. Из классической физики известно, что ускоряющиеся заряженные частицы излучают электромагнитные волны, и согласно принципу Гюйгенса эти волны образуют сферические волновые фронты, которые распространяются с фазовой скоростью этой среды (т.е. со скоростью света в этой среде, определяемой выражением $c/n$, для $n$, показатель преломления ). Когда любая заряженная частица проходит через среду, частицы среды в ответ поляризуются вокруг нее. Заряженная частица возбуждает молекулы в поляризуемой среде, и, возвращаясь в свое основное состояние , молекулы повторно излучают энергию, данную им для достижения возбуждения в виде фотонов. Эти фотоны образуют сферические волновые фронты, исходящие от движущейся частицы. Если $v_{\text{p}}<c/n$, то есть скорость заряженной частицы меньше скорости света в среде, то поле поляризации, образующееся вокруг движущейся частицы, обычно симметрично. Соответствующие излучаемые волновые фронты могут быть сгруппированы, но они не совпадают и не пересекаются, поэтому нет необходимости учитывать интерференционные эффекты. В обратной ситуации, т.е. $v_{\text{p}}>c/n$, поле поляризации асимметрично вдоль направления движения частицы, так как частицы среды не успевают вернуться в свои «нормальные» рандомизированные состояния. Это приводит к перекрытию форм сигналов (как в анимации), а конструктивная интерференция приводит к наблюдаемому конусообразному световому сигналу под характерным углом: черенковскому свету.

Анимация черенковского излучения

Распространенной аналогией является удар сверхзвукового самолета . звуковой Звуковые волны , генерируемые самолетом, движутся со скоростью звука, которая медленнее скорости самолета, и не могут распространяться вперед от самолета, вместо этого образуя конический ударный фронт . Подобным образом заряженная частица может генерировать «ударную волну» видимого света, проходя через изолятор.

Скорость, которую необходимо превысить, — это фазовая скорость света, а не групповая скорость света. Фазовую скорость можно существенно изменить, используя периодическую среду, и в этом случае можно даже достичь черенковского излучения без минимальной скорости частицы - 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 со скоростью частицы.

Черенковское излучение в радиационной лаборатории Лоуэлла Массачусетского университета

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

Угол излучения

Геометрия черенковского излучения показана для идеального случая отсутствия дисперсии.

На рисунке геометрии частица (красная стрелка) движется в среде со скоростью $v_{\text{p}}$ такой, что $${\frac {c}{n}}<v_{\text{p}}<c,$$ где $c$ - скорость света в вакууме , а $n$ – показатель преломления среды. Если средой является вода, то условие $0.75c<v_{\text{p}}<c$, с $n\approx 1.33$ для воды при 20°С.

Определим соотношение между скоростью частицы и скоростью света как $$\beta ={\frac {v_{\text{p}}}{c}}.$$ Испускаемые световые волны (обозначены синими стрелками) распространяются со скоростью $$v_{\text{em}}={\frac {c}{n}}.$$

Левый угол треугольника представляет положение сверхсветовой частицы в некоторый начальный момент ( t = 0 ). Правый угол треугольника — это местоположение частицы в некоторый более поздний момент времени t. За заданное время t частица проходит расстояние $$x_{\text{p}}=v_{\text{p}}t=\beta \,ct$$ тогда как излучаемые электромагнитные волны ограничены для прохождения расстояния $$x_{\text{em}}=v_{\text{em}}t={\frac {c}{n}}t.$$

Таким образом, угол излучения приводит к $$\cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}$$

Произвольный угол излучения

Черенковское излучение также может излучаться в произвольном направлении при использовании правильно спроектированных одномерных метаматериалов . Последний предназначен для введения градиента фазового замедления вдоль траектории быстро движущейся частицы ( $d\phi /dx$), обращая или направляя черенковское излучение под произвольными углами, определяемыми обобщенным соотношением: $$\cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}+{\frac {n}{k_{0}}}\cdot {\frac {d\phi }{dx}}$$

Обратите внимание: поскольку это соотношение не зависит от времени, можно взять произвольное время и получить подобные треугольники . Угол остается прежним, а это означает, что последующие волны, генерируемые между начальным моментом t = 0 и конечным моментом t, будут образовывать подобные треугольники с совпадающими правыми конечными точками с показанным.

Обратный эффект Черенкова

Обратный эффект Черенкова можно испытать, используя материалы, называемые метаматериалами с отрицательным показателем преломления (материалы с субволновой микроструктурой, которая придает им эффективное «среднее» свойство, сильно отличающееся от составляющих их материалов, в данном случае имеющих отрицательную диэлектрическую проницаемость и отрицательную проницаемость ). Это означает, что, когда заряженная частица (обычно электроны) проходит через среду со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде, эта частица излучает следящее излучение в результате своего движения через среду, а не перед ней (как случай в нормальных материалах с положительной диэлектрической и магнитной проницаемостью). Такое черенковское излучение с обратным конусом можно также получить в неметаматериальных периодических средах, где периодическая структура имеет тот же масштаб, что и длина волны, поэтому его нельзя рассматривать как эффективно однородный метаматериал.

В вакууме

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

Коллектив Черенкова

Излучение с теми же свойствами, что и типичное черенковское излучение, может быть создано структурами электрического тока, движущимися быстрее света. Манипулируя профилями плотности в установках для ускорения плазмы до нанокулонов структуры с зарядом , создаются , которые могут двигаться быстрее скорости света и излучать оптические удары под углом Черенкова. Электроны все еще субсветовые, следовательно, электроны, составляющие структуру в момент времени t = t _{0 ,} отличаются от электронов в структуре в момент t > t ₀ .

Характеристики

Частотный спектр черенковского излучения частицы определяется формулой Франка–Тамма : $${\frac {d^{2}E}{dx\,d\omega }}={\frac {q^{2}}{4\pi }}\mu (\omega )\omega {\left(1-{\frac {c^{2}}{v^{2}n^{2}(\omega )}}\right)}$$

Формула Франка-Тамма описывает количество энергии $E$ испускаемое черенковским излучением на единицу пройденной длины $x$ и на частоту $\omega$. $\mu (\omega )$ это проницаемость и $n(\omega )$ — показатель преломления материала, через который движется заряженная частица. $q$ - электрический заряд частицы, $v$ - скорость частицы, а $c$ это скорость света в вакууме.

В отличие от флуоресценции или эмиссии спектров , имеющих характерные спектральные пики, черенковское излучение является непрерывным. В видимом спектре относительная интенсивность на единицу частоты примерно пропорциональна частоте. То есть более высокие частоты (более короткие волны ) более интенсивны в черенковском излучении. Вот почему видимое черенковское излучение имеет ярко-синий цвет. На самом деле большая часть черенковского излучения находится в ультрафиолетовом спектре — только при достаточно ускоренных зарядах оно вообще становится видимым; чувствительность человеческого глаза достигает максимума в зеленом цвете и очень низка в фиолетовой части спектра.

Существует граничная частота, выше которой уравнение $\cos \theta =1/(n\beta )$ уже не может быть удовлетворен. Показатель преломления $n$ меняется 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 рентгеновского излучения показатель преломления становится меньше 1 (обратите внимание, что в средах фазовая скорость может превышать c без нарушения теории относительности), и, следовательно, рентгеновское излучение (или более коротковолновое излучение, такое как гамма-лучи ) наблюдаться не будет. Однако рентгеновские лучи могут генерироваться на особых частотах чуть ниже частот, соответствующих основным электронным переходам в материале, поскольку показатель преломления часто превышает 1 чуть ниже резонансной частоты (см. соотношение Крамерса-Кронига и аномальную дисперсию ).

Как и в случае звуковых ударов и ударных ударов, угол ударного конуса напрямую связан со скоростью разрушения. Черенковский угол равен нулю при пороговой скорости излучения черенковского излучения. Угол принимает максимум, когда скорость частицы приближается к скорости света. Следовательно, наблюдаемые углы падения можно использовать для расчета направления и скорости заряда, создающего черенковское излучение.

Черенковское излучение может генерироваться в глазу заряженными частицами, попадающими в стекловидное тело , создавая впечатление вспышек. как в случае с визуальными явлениями космических лучей и, возможно, некоторыми наблюдениями аварий, связанных с критичностью .

Использование

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 ферментативными и синтетическими методами 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 излучение света, полученное из грудной стенки пациента, подвергающегося облучению всей груди с использованием луча 6 МэВ линейного ускорителя при лучевой терапии.

Совсем недавно черенковский свет стал использоваться для изображения веществ в организме. Эти открытия привели к сильному интересу к идее использования этого светового сигнала для количественной оценки и/или обнаружения излучения в организме, либо от внутренних источников, таких как вводимые радиофармацевтические препараты , либо от внешней лучевой терапии в онкологии. Радиоизотопы, такие как позитронов. излучатели ¹⁸ Ф и ¹³ N или бета- излучатели ³² П или ⁹⁰ Y имеют измеримую черенковскую эмиссию. и изотопы ¹⁸ Ф и ¹³¹ Меня сфотографировали на людях для демонстрации диагностической ценности.

Было показано, что внешняя лучевая терапия индуцирует значительное количество черенковского света в обрабатываемой ткани благодаря пучкам электронов или фотонов с энергией в диапазоне от 6 МВ до 18 МВ. Вторичные электроны, индуцированные этими рентгеновскими лучами высокой энергии, приводят к излучению черенковского света, при котором обнаруженный сигнал может быть отображен на входной и выходной поверхностях ткани. Черенковский свет, излучаемый тканями пациента во время лучевой терапии, представляет собой сигнал очень низкого уровня освещенности, но его можно обнаружить специально разработанными камерами, которые синхронизируют его регистрацию с импульсами линейного ускорителя. Возможность видеть этот сигнал показывает форму луча излучения, падающего на ткань, в реальном времени.

Ядерные реакторы

Черенковское излучение в TRIGA бассейне реактора .

Черенковское излучение используется для обнаружения заряженных частиц высоких энергий. В реакторах с открытым бассейном бета -частицы (электроны высокой энергии) высвобождаются по мере распада продуктов деления . Свечение продолжается после прекращения цепной реакции, тускнея по мере распада короткоживущих продуктов. Аналогично черенковское излучение может характеризовать остаточную радиоактивность отработавших топливных стержней. Это явление используется для проверки наличия отработавшего ядерного топлива в бассейнах отработавшего топлива в целях ядерных гарантий.

Астрофизические эксперименты

высокой энергии ( ТэВ ) Когда гамма-фотон или космический луч взаимодействует с атмосферой Земли электрон- позитрон , он может создать пару с огромными скоростями. 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 ) в таких экспериментах, как VERITAS , HESS , МАГИЯ . Черенковское излучение, испускаемое в резервуарах, наполненных водой, заряженными частицами, достигающими Земли, используется с той же целью в эксперименте по расширенному воздушному ливню 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 . В прошлом применялись и другие проекты с применением подобных технологий, такие как STACEE , бывшая солнечная башня, переоборудованная для работы в качестве черенковской обсерватории без визуализации, расположенная в Нью-Мексико .

Астрофизические обсерватории, использующие метод Черенкова для измерения атмосферных ливней, являются ключом к определению свойств астрономических объектов, излучающих гамма-лучи очень высоких энергий, таких как остатки сверхновых и блазары .

Эксперименты по физике элементарных частиц

См. Также: Черенковский детектор и Черенковский детектор кольцевой визуализации.

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

Простейшим типом устройства идентификации частиц, основанным на методе черенковского излучения, является пороговый счетчик, который отвечает, является ли скорость заряженной частицы ниже или выше определенного значения ( $v_{0}=c/n$, где $c$ это скорость света , а $n$ — показатель преломления среды), проверяя, излучает ли эта частица черенковский свет в определенной среде. Зная импульс частицы, можно отделить частицы легче определенного порога от частиц тяжелее порога.

Самый продвинутый тип детектора — RICH, или детектор Черенкова с кольцевой визуализацией , разработанный в 1980-х годах. В детекторе RICH конус черенковского света образуется, когда высокоскоростная заряженная частица пересекает подходящую среду, часто называемую излучателем. Этот световой конус регистрируется позиционно-чувствительным планарным детектором фотонов, который позволяет реконструировать кольцо или диск, радиус которого является мерой черенковского угла излучения. Используются как фокусирующие, так и бесконтактно-фокусировочные детекторы. В фокусирующем детекторе RICH фотоны собираются сферическим зеркалом и фокусируются на детекторе фотонов, расположенном в фокальной плоскости. В результате получается окружность с радиусом, не зависящим от точки выброса вдоль трека частицы. Эта схема подходит для излучателей с низким показателем преломления, то есть газов, из-за большей длины излучателя, необходимой 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 детектора RICH с бесконтактным зазором является детектор идентификации частиц с высоким импульсом (HMPID). Детектор, который в настоящее время строится для ALICE ( Эксперимент на Большом Ионном Коллайдере ), одного из шести экспериментов на LHC ( Большой Адронный Коллайдер ) в ЦЕРН .

См. также

• Излучение Аскаряна , аналогичное излучение, создаваемое быстрыми незаряженными частицами.
• Синий шум
• Тормозное излучение — излучение, возникающее при торможении заряженных частиц другими заряженными частицами.
• «Быстрее света» о предполагаемом распространении информации или материи со скоростью, превышающей скорость света.
• Формула Франка–Тамма , дающая спектр черенковского излучения
• Световое эхо
• Список источников света
• Безрадиационное состояние
• Радиолюминесценция
• Тахион
• Переходное излучение

Источники

• Ландау, Л.Д.; Лифтшиц, Э.М.; Питаевский, Л.П. (1984). Электродинамика сплошных сред . Нью-Йорк: Пергамон Пресс . ISBN  978-0-08-030275-1 .
• Джелли, СП (1958). Черенковское излучение и его применение . Лондон: Пергамон Пресс .
• Смит, С.Дж.; Перселл, Э.М. (1953). «Видимый свет от локализованных поверхностных зарядов, движущихся по решетке». Физический обзор . 92 (4): 1069. Бибкод : 1953PhRv...92.1069S . дои : 10.1103/PhysRev.92.1069 .

Внешние ссылки

• Запуск ядерного реактора на YouTube
• Запуск ядерного реактора (альтернативная ссылка) на YouTube
• Радович, Андрия (2002). «Черенковские частицы как магнетоны» (PDF) . Журнал теории . 4 (4): 1–5. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 30 сентября 2015 г.