Черенковский детектор

    Принцип работы этого детектора основан на регистрации излучения, открытого П.А. Черенковым в 1934 г. и возникающего при движении заряженной частицы в прозрачной среде со скоростью v большей скорости света u в этой среде. Поскольку u = c/n , где скорость света в вакууме, а n – показатель преломления среды, то условие возникновения черенковского излучения имеет вид v > c/n .
    Черенковское свечение является когерентным излучением диполей, образующихся в результате поляризации среды пролетающей заряженной частицей, и возникает при возвращении этих диполей (поляризованных атомов) в исходное неполяризованное состояние. Если частица двигается медленно, то диполи успевают поворачиваться в её направлении. Поляризация среды при этом симметрична относительно координаты частицы. И излучения отдельных диполей при возвращении в исходное состояние гасят друг друга. При движении частицы со "сверхсветовой" скоростью за счёт запаздывающей реакции диполей они преимущественно ориентируются в направлении движения частицы. Итоговая поляризация оказывается несимметричной относительно местоположения частицы и излучение диполей нескомпенсированным.

Рис. 1. Геометрия черенковского излучения. Угол θ = 900 - α

    Фотоны черенковского излучения испускаются под углом к направлению движения частицы, причем величина этого угла определяется соотношением

где β = v/c. Это соотношение легко понять на основе принципа Гюйгенса (см. рис. 1). Действительно, огибающая световых волн для частицы, двигающейся со скоростью v > u, представляет собой конус, вершина которого совпадает с положением частицы в данный момент (точка Р' на рисунке), а нормали m к образующим конуса показывают направление распространения черенковского света. На рис. 1 показано, как частица, проходившая в момент времени t через точку Р, породила сферическую электромагнитную волну, которая за время τ распространилась от точки Р на расстояние R = uτ = cτ/n. За то же время частица, двигающаяся со скоростью v > u прошла путь vτ > R и оказалась в точке Р'. Волна от точки Р' ещё не успела распространиться в веществе. Конус AP'A граница области, занятой черенковской электромагнитной волной (её фронт) к моменту t + τ. Угол это угол между перпендикуляром, опущенным из точки Р на образующую конуса АР', и линией движения частицы (прямой РР'). Очевидно, косинус этого угла равен отношению длин отрезков R и РР', т.е. cos θ = u/v = 1/n.

Рис. 2. Устройство черенковского детектора: - регистрируемая частица, 1 - радиатор, 2 - светопровод, 3 - ФЭУ

    Энергия частицы, конвертируемая в черенковское излучение, мала по сравнению с её ионизационными потерями. Число фотонов, излучаемых на 1 см пути, в зависимости от среды (радиатора) колеблется от нескольких единиц до нескольких сот. Это излучение можно наблюдать визуально и регистрировать с помощью фотоплёнки или ФЭУ. На цветной фотоплёнке, расположенной перпендикулярно направлению движения частицы, излучение, выходящее из радиатора, имеет вид кольца сине-фиолетового цвета.
    Зависимость угла излучения θ от β (1) позволяет, определяя этот угол, найти скорость и энергию частицы. С помощью черенковского детектора можно регистрировать частицы с энергиями вплоть до 100 ГэВ.
Черенковский счетчик позволяет эффективно выделять высокоэнергичные релятивистские частицы на уровне большого фона малоэнергичных частиц.
    Черенковский детектор (см. рис. 2) состоит из радиатора (он может быть твёрдым, жидким или газообразным), оптической системы, обеспечивающей сбор и "доставку" черенковских фотонов к фотокатоду ФЭУ (светопровода) и самого ФЭУ (или нескольких ФЭУ). Разрешающее время черенковских счетчиков не превосходит 10^-9 с.

См. также Черенковский счетчик.

[Детекторы]