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切仑科夫计数器-穿越辐射探测器
2010-04-15 | 浏览次数:|【

切仑科夫计数器(Cherenkov counter)因前苏联物理学家切仑科夫(Pavel Alekseyevich Cherenkov,1904-1990)发现的一种特殊的光效应而命名。1934年,切连科夫在研究发自镭放射源的辐射穿入不同的液体并被液体吸取时发生的现象时发现了一种独特的辐射效应,高能带电粒子束在透明介质中以大于光速的速度通过时产生电磁辐射,通常为浅蓝色。在此之前,有人观察到当辐射穿入液体时,从液体中会放射出微弱的浅蓝色的辉光,他们把它归结为荧光。然而切仑科夫认为,他观察到的不是荧光。他观察穿入经过了两次蒸馏的水中的辐射,排除了微小杂质产生荧光的可能性。他发现,辐射沿入射方向被极化了,正是入射的辐射所产生的快速次级电子才是出现可见辐射的根本原因。通过采用发自镭放射源的电子单独照射液体,他验证了这一点。切仑科夫在1934-1937年间发表的论文给出了这种新辐射的一般性质,但对这一效应缺乏严密的数学描述。

1937年,切仑科夫的两位同事,弗兰克(Ilya Mikhailovich Frank,1908-1990)和塔姆(Igor Yevgenyevich Tamm,1895-1971)联名对切仑科夫效应给出了理论说明。他们证明,切仑科夫辐射与加速带电粒子的辐射有本质上的不同。加速带电粒子的辐射是单个粒子的辐射效应,而切仑科夫辐射是运动带电粒子与介质中的束缚电荷及诱导电流所产生的集体效应。他们认为,切仑科夫发现的辐射是由于电子在介质中以大于光在介质中的速度运动时产生的,并给出了严格的数学描述。他们的理论导致了对切仑科夫效应的各种不同应用,特别是在核物理和高能物理研究方面得到了广泛的应用。切仑科夫、弗兰克和塔姆因此共同分享了1958年度诺贝尔物理学奖。弗兰克后来又对切仑科夫辐射做了许多深入的研究,并预言了穿越辐射的产生。 

切仑科夫光的辐射出现在围绕粒子运动方向的圆锥内。在水中或玻璃中,这个围绕的角度约为40°(右图)。在空气这样的气体中,也会出现切仑科夫辐射,因为折射率与1很接近,所以圆锥的角度很小。水和玻璃的折射率很大,因而辐射切仑科夫光的本领很强。

利用切仑科夫效应可以做成切仑科夫计数器,用于记录带电粒子所发出的微弱切仑科夫辐射。20世纪50年代,随着灵敏且具快速响应的光电倍增管的应用,切仑科夫光的利用成为极有影响的技术。切仑科夫计数器(Cherenkov counter)由产生切仑科夫光的辐射体和探测这种光的光电倍增管组成,它能把单个粒子引起的闪光记录下来。玻璃、水、透明的塑料均可用作辐射体。当粒子以大于光在该介质中的速度进入时,就发生切仑科夫辐射,然后用光电学方法检测。粒子种类已知时,一定的发射角对应一定的粒子能量,可探测加速器或宇宙线中的高能电子、质子、介子及高能γ射线。气体产生的切仑科夫光辐射强度比固体或液体小,但由于它的折射率小,可用来探测更高速度的粒子。切仑科夫辐射的持续时间仅10-10秒,与快速光电倍增管配合,切仑科夫计数器可有很高的时间分辨率。

Wideband实验室的切仑科夫计数器

对宇宙射线研究特别有用的切仑科夫探测器最早出现在伦敦,随后用在英国约克郡设置的哈佛拉公园(Haverah Park)探测器阵列中,取得了极好的工作效果。这些探测器由12米深的封闭大水柜(下图)构成。光电倍增管浸泡到水下进行监视。当空气簇射通过时,电磁成分主要在顶部三分之一的水中产生切仑科夫光,但整个水柜都对贯穿能力更大的μ子很敏感。由电磁成分与μ子成分的信号联合起来形成一个检测信号。

高能粒子在大气中也能产生切仑科夫辐射。空气折射率虽接近1(在地面高度约为1.00027),但如果粒子能量较高(对电子来说约高于20MeV),则空气簇射中的许多粒子都能产生切仑科夫光。切仑科夫光相当微弱时(还是因为折射率接近于1),由于簇射中的粒子很多,用大反光镜把光集中起来,在晴朗无月光的夜晚也能较容易地探测到切仑科夫辐射。

在γ射线天文研究中,切仑科夫计数器常与闪烁计数器构成望远镜(右图),用于探测10兆电子伏以上的γ射线。对于几百兆电子伏以上的γ射线,则使用气体切仑科夫计数器,它与闪烁计数器联合使用,有方向性好、本底小的优点。大于106兆电子伏的γ光子在大气中产生空气簇射,其高能正负电子对能使大气成为辐射体,产生切仑科夫辐射,方向接近高能γ光子进入大气层时的方向,可在地面用光电倍增管进行探测,构成独特的切仑科夫计数器望远镜。

在不同的介质中带电粒子所建立的电磁场是不同的。高能带电粒子穿过不同介质的交界面时﹐来不及调整其所建立的场﹐使部分能量以电磁辐射形式发射出来,称为穿越辐射效应(右图)。穿越辐射效应早被弗兰克等人从理论上预言。

 

穿越辐射形成区的厚度一般为几微米量级,辐射方向基本上朝前(带电粒子飞行方向)。穿越辐射的总能量正比于入射带电粒子的能量,强度很微弱,通常只能用轻物质的多界面交叠结构才能有效地观察这种效应。穿越辐射能谱是连续谱,辐射主要集中在X射线能区。

穿越辐射探测器(transition radiation detector)是利用穿越辐射效应制成的高能粒子探测器,由产生穿越辐射的辐射体、记录穿越辐射的计数器和其他电子学仪器共同组成。辐射体的厚度必须远大于形成区的大小。一般使用原子序数小的材料作为辐射体,如锂箔、镀铝的聚酯薄膜与铍片等。穿越辐射光子产额较少,需要使用多个薄片作为辐射体,这些薄片彼此靠近安顿,形成多个界面。记录穿越辐射的计数器可以使用闪烁计数器、半导体计数器和多丝正比室等。

 

穿越辐射探测器的缺点是:穿越辐射在辐射体中会产生自吸取,入射带电粒子在X 射线探测器中穿过会直接产生电离本底。有人用超导现象记录穿越辐射,在超导型穿越辐射探测器中,辐射体与辐射探测器合并为一体,能克服自吸取的困难,提高探测穿越辐射的灵敏度。

穿越辐射探测器同磁谱仪配合,能够分辨不同种类的高能粒子;对于已知质量的高能粒子,它能定出粒子的能量,可用来分辨电子与强子。

 

(新葡萄娱乐在线网站科技处制作 资料来自百度百科、宇宙飞弹网、诺贝尔奖历史回顾、中国大百科等)


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