Vavilov-Cherenkov nurlanishi

Cherenkov nurlanishi - Vavilov-Cherenkov effekti zaryadlangan zarracha (masalan, elektron) dielektrik muhitdan oʻsha muhitdagi yorugʻlikning faza tezligidan (muhitda toʻlqin jabhasining tarqalish tezligidan) katta tezlikda oʻtganda chiqariladigan elektromagnit nurlanishdir Cherenkov nurlanishining klassik namunasi suv osti yadroviy reaktorining xarakterli koʻk nuridir. Uning sababi tovushli portlashning sababiga oʻxshaydi, tovushdan tezroq harakat sodir boʻlganda oʻtkir ovoz eshitiladi. Bu hodisa sovet fizigi Pavel Cherenkov sharafiga nomlangan.

Tarixi 
Radiatsiya 1958 - yilgi Nobel mukofoti sovrindori sovet olimi Pavel Cherenkov sharafiga nomlangan, u 1934 - yilda Lebedev institutida Sergey Vavilov rahbarligida uni birinchi boʻlib eksperimental ravishda aniqlagan. Shuning uchun u Vavilov-Cherenkov nurlanishi sifatida ham tanilgan. Cherenkov tajribalar davomida suvdagi radioaktiv preparat atrofida zaif mavimsi nurni koʻrdi. Uning doktorlik dissertatsiyasi odatdagidek kamroq energiyali koʻrinadigan yorugʻlik oʻrniga gamma nurlari bilan qoʻzgʻatilgan uran tuzi eritmalarining lyuminestsensiyasiga bagʻishlangan. U nurlanishning anizotropiyasini kashf etdi va mavimsi porlash lyuminestsent hodisa emas degan xulosaga keldi.

Keyinchalik bu taʼsir nazariyasi 1937-yilda Eynshteynning maxsus nisbiylik nazariyasi doirasida Cherenkovning hamkasblari Igor Tamm va Ilya Frank tomonidan 1958-yilgi Nobel mukofoti sovrindorlari tomonidan ishlab chiqilgan.

Cherenkov radiatsiyasi konusning toʻlqinli jabhalari sifatida 1888—1889-yillar oraligʻida chop etilgan maqolalarida ingliz polimati Oliver Xevisayd va 1904-yilda Arnold Sommerfeld tomonidan nazariy jihatdan bashorat qilingan edi, ammo ikkalasi ham nisbiylik nazariyasining oʻta yorugʻlik zarralarini cheklashidan keyin tezda rad etildi. 1970-yillar. Mari Kyuri 1910-yilda yuqori konsentrlangan radiy eritmasida och koʻk nurni kuzatgan, lekin uning manbasini tekshirmagan. 1926-yilda fransuz radioterapevti Lyusen Mallet uzluksiz spektrga ega boʻlgan radiyli nurlantiruvchi suvning yorqin nurlanishini tasvirlab berdi.

2019-yilda Dartmut va Dartmut-Xitkokning Norris paxta saratoni markazi tadqiqotchilari guruhi radiatsiya terapiyasidan oʻtayotgan bemorlarning shishasimon hazilida Cherenkov nuri paydo boʻlishini aniqladilar. Yorugʻlik biologik tizimlardan yorugʻlik emissiyasini koʻrish uchun maxsus ishlab chiqilgan CDose deb nomlangan kamera tasvirlash tizimi yordamida kuzatildi. Oʻnlab yillar davomida bemorlar miya saratoni uchun radiatsiya muolajalarini olayotganda „yorqin yoki koʻk yorugʻlik chaqnashi“ kabi hodisalar haqida xabar berishgan, ammo taʼsir hech qachon eksperimental ravishda kuzatilmagan.

Fizik kelib chiqishi

Asoslar 
Vakuumdagi yorugʻlik tezligi universal doimiy () boʻlsa-da, materialdagi tezlik sezilarli darajada kamroq boʻlishi mumkin, chunki u muhit tomonidan sekinlashadi. Masalan, suvda u faqat 0,75c . Yadro reaksiyalari va zarracha tezlatgichlarida materiya bundan yuqori tezlikka tezlashishi mumkin (garchi yorugʻlik tezligi vakuumdagi c dan kichik boʻlsa ham). Cherenkov nurlanishi zaryadlangan zarracha, koʻpincha elektron, dielektrik (elektr qutblanishi mumkin) muhitda yorugʻlik tezligidan kattaroq tezlikda harakat qilganda paydo boʻladi.

Effektni intuitiv ravishda quyidagi tarzda tasvirlash mumkin. Klassik fizikadan maʼlumki, tezlanayotgan zaryadlangan zarralar EM toʻlqinlarini chiqaradi va Gyuygens printsipi boʻyicha bu toʻlqinlar oʻsha muhitning faza tezligi (yaʼni, bu muhitdagi yorugʻlik tezligi bilan tarqaladigan sferik toʻlqin jabhalarini hosil qiladi. , uchun , sinishi indeksi) Har qanday zaryadlangan zarracha muhitdan oʻtganda, muhitning zarralari javob sifatida uning atrofida qutblanadi. Zaryadlangan zarracha molekulalarni qutblanadigan muhitda qoʻzgʻatadi va ularning asosiy holatiga qaytgandan soʻng, molekulalar fotonlar sifatida qoʻzgʻalishga erishish uchun ularga berilgan energiyani qayta chiqaradi. Ushbu fotonlar harakatlanuvchi zarrachadan kelib chiqqan holda koʻrinadigan sferik toʻlqin jabhalarini hosil qiladi. Agar , yaʼni zaryadlangan zarrachaning tezligi muhitdagi yorugʻlik tezligidan kichik boʻlsa, u holda harakatlanuvchi zarracha atrofida hosil boʻlgan qutblanish maydoni odatda simmetrik boʻladi. Tegishli chiqadigan toʻlqinlar jabhalari toʻplanishi mumkin, lekin ular bir-biriga toʻgʻri kelmaydi yoki kesishmaydi va tashvishlanish uchun hech qanday shovqin taʼsiri yoʻq. Teskari vaziyatda, yaʼni , qutblanish maydoni zarrachaning harakat yoʻnalishi boʻyicha assimetrikdir, chunki muhit zarralari oʻzlarining „normal“ tasodifiy holatlariga qaytish uchun etarli vaqtga ega emaslar. Buning natijasida bir-birining ustiga chiqadigan toʻlqin shakllari (animatsiyada boʻlgani kabi) va konstruktiv aralashuv xarakterli burchak ostida kuzatilgan konusga oʻxshash yorugʻlik signaliga olib keladi: rasmda Cherenkov nuri.

Keng tarqalgan oʻxshashlik — bu tovushdan tez uchadigan samolyotning ovozli portlashi. Samolyot tomonidan ishlab chiqarilgan tovush toʻlqinlari samolyotga qaraganda sekinroq boʻlgan tovush tezligida tarqaladi va samolyotdan oldinga tarqala olmaydi, aksincha, konusning zarba jabhasini hosil qiladi. Xuddi shunday, zaryadlangan zarracha izolyatordan oʻtayotganda koʻrinadigan yorugʻlikning „zarba toʻlqinini“ hosil qilishi mumkin.

Oshib ketishi kerak boʻlgan tezlik yorugʻlikning guruh tezligi emas, balki yorugʻlikning fazaviy tezligidir. Faza tezligini davriy muhit yordamida keskin oʻzgartirish mumkin va bu holda hatto zarrachalarning minimal tezligisiz Cherenkov nurlanishiga erishish mumkin, bu Smit-Pursel effekti deb nomlanuvchi hodisa. Fotonik kristall kabi murakkabroq davriy muhitda boshqa turli xil anomal Cherenkov effektlarini ham olish mumkin, masalan, teskari yoʻnalishdagi nurlanish (pastga qarang), oddiy Cherenkov nurlanishi esa zarracha tezligi bilan oʻtkir burchak hosil qiladi.

Tamm va Frank Cherenkov nurlanishining nazariy asoslari boʻyicha oʻzlarining dastlabki ishlarida shunday deb yozgan edilar: „Bu oʻziga xos nurlanishni tez elektronning alohida atom bilan oʻzaro taʼsiri yoki elektronlarning atom yadrolariga radiatsiyaviy tarqalishi kabi hech qanday umumiy mexanizm bilan izohlab boʻlmaydi. Boshqa tomondan, agar muhitda harakatlanayotgan elektron uning tezligi yorugʻlik tezligidan kattaroq boʻlsa ham, u bir tekis harakatlansa ham yorugʻlik chiqarishini hisobga olsak, hodisani ham sifat, ham miqdoriy jihatdan oʻrtacha tushuntirish mumkin“

Emissiya burchagi 

Geometriyadagi rasmda zarracha (qizil oʻq) tezlik bilan muhitda harakatlanadi  shu kabi

qayerda  yorugʻlikning vakuumdagi tezligi va  muhitning sindirish koʻrsatkichi. Agar vosita suv boʻlsa, , beri  suv uchun 20°C boʻlishi zarur.

Zarracha tezligi va yorugʻlik tezligi oʻrtasidagi nisbatni quyidagicha aniqlaymiz

Chiqarilgan yorugʻlik toʻlqinlari (koʻk oʻqlar bilan belgilanadi) tezlikda tarqaladi

Uchburchakning chap burchagi qandaydir boshlangʻich momentda () superluminal zarrachaning joylashishini koʻrsatadi. Uchburchakning oʻng burchagi - bu zarrachaning t vaqtidagi joylashuvi. Berilgan t vaqt ichida zarracha masofani bosib oʻtadi

chiqadigan elektromagnit toʻlqinlar esa masofani bosib oʻtish uchun siqiladi

Shunday qilib, emissiya burchagi hosil boʻladi

Ixtiyoriy emissiya burchagi 
Cherenkov nurlanishi ham toʻgʻri ishlab chiqilgan bir oʻlchovli metamateriallar yordamida oʻzboshimchalik bilan yoʻnalishda nurlanishi mumkin. Ikkinchisi tez harakatlanuvchi zarrachaning traektoriyasi boʻylab faza sekinlashuvining gradientini kiritish uchun moʻljallangan (), Cherenkov emissiyasini umumlashtirilgan munosabat bilan berilgan ixtiyoriy burchaklarda teskari aylantirish yoki boshqarish:

bu nisbat vaqtga bogʻliq emas, shu sababli ixtiyoriy vaqtlarni olish va shunga oʻxshash uchburchaklarga erishish mumkin. Burchak bir xil boʻlib qoladi, yaʼni boshlangʻich vaqt  va oxirgi vaqt t oʻrtasida hosil boʻlgan keyingi toʻlqinlar koʻrsatilganga toʻgʻri keladigan soʻnggi nuqtalari bilan oʻxshash uchburchaklarni hosil qiladi.

Teskari Cherenkov effekti 
Cherenkovning teskari taʼsirini salbiy indeksli metamateriallar deb ataladigan materiallardan foydalanish mumkin (toʻlqin uzunligi boʻyicha mikro tuzilishga ega boʻlgan materiallar, ular tarkibiy materiallardan juda farq qiluvchi samarali "oʻrtacha" xususiyatni beradi, bu holda salbiy oʻtkazuvchanlik va salbiy oʻtkazuvchanlikka ega) Bu shuni anglatadiki, zaryadlangan zarracha (odatda elektronlar) oʻsha muhitdagi yorugʻlikning faza tezligidan kattaroq tezlikda muhitdan oʻtganda, bu zarracha uning oldidan emas, balki muhitdan oʻtib ketayotgan nurlanishni chiqaradi. normal materiallardagi holat, ham oʻtkazuvchanlik ijobiy) Bunday teskari konusli Cherenkov nurlanishini metamaterial boʻlmagan davriy muhitda ham olish mumkin, bu yerda davriy tuzilma toʻlqin uzunligi bilan bir xil shkalada boʻladi, shuning uchun uni samarali bir xil metamaterial sifatida koʻrib chiqish mumkin emas.

Vakuumda 
Cherenkov effekti vakuumda paydo boʻlishi mumkin. Sekin toʻlqinli tuzilmada, masalan, harakatlanuvchi toʻlqin trubkasida (TWT), faza tezligi pasayadi va zaryadlangan zarrachalarning tezligi faza tezligidan oshib ketishi mumkin, lekin  undan pastroq boʻlib qoladi. Bunday tizimda bu effekt fotonning impulsi boʻlishi kerak boʻlgan energiya va impulsning saqlanishidan kelib chiqishi mumkin.  ( faza doimiysi) emas, balki de Broyl munosabati . Ushbu turdagi nurlanish (VCR) yuqori quvvatli mikrotoʻlqinlarni ishlab chiqarish uchun ishlatiladi.

Xususiyatlari 
Zarracha tomonidan Cherenkov nurlanishining chastota spektri Frank-Tamm formulasi bilan ifodalanadi:

Frank-Tamm formulasi energiya miqdorini tavsiflaydi  Cherenkov nurlanishidan chiqarilgan uzunlik birligi uchun  va chastota boʻyicha  .  oʻtkazuvchanlik hisoblanadi va  zaryadlangan zarracha harakatlanadigan materialning sinishi indeksidir.  zarrachaning elektr zaryadidir,  zarracha tezligi va  yorugʻlikning vakuumdagi tezligidir.

Xarakterli spektral choʻqqilarga ega boʻlgan flüoresan yoki emissiya spektrlaridan farqli oʻlaroq, Cherenkov nurlanishi doimiydir. Koʻrinadigan spektr atrofida chastota birligiga nisbiy intensivlik chastotaga taxminan proportsionaldir. Yaʼni, yuqori chastotalar (qisqaroq toʻlqin uzunliklari) Cherenkov nurlanishida kuchliroqdir. Shuning uchun koʻrinadigan Cherenkov nurlanishi yorqin koʻk rangda boʻlishi kuzatiladi. Darhaqiqat, Cherenkov nurlanishining aksariyati ultrabinafsha spektrda - faqat etarlicha tezlashtirilgan zaryadlar bilan u hatto koʻrinadigan boʻladi; inson koʻzining sezgirligi yashil rangda eng yuqori darajaga etadi va spektrning binafsha qismida juda past boʻladi.

Yuqorida tenglama boʻlgan bir kesish chastotasi mavjud  endi qanoatlantirib boʻlmaydi. Sinishi koʻrsatkichi  chastotaga (va shuning uchun toʻlqin uzunligiga qarab) oʻzgarib turadiki, intensivlik hatto juda relativistik zarralar uchun ham (bu yerda v / c 1 ga yaqin) qisqaroq toʻlqin uzunliklarida oʻsishda davom eta olmaydi. Rentgen chastotalarida sinishi indeksi 1 dan kam boʻladi (esda tutingki, muhitda faza tezligi nisbiylikni buzmasdan c dan oshishi mumkin) va shuning uchun rentgen nurlari emissiyasi (yoki gamma nurlari kabi qisqaroq toʻlqin uzunligi emissiyasi) kuzatilmaydi. Biroq, rentgen nurlari materialning asosiy elektron oʻtishlariga mos keladigan chastotalardan biroz pastroq boʻlgan maxsus chastotalarda yaratilishi mumkin, chunki sinishi indeksi koʻpincha rezonans chastotasidan biroz pastroqda 1 dan katta boʻladi (qarang: Kramers-Kronig munosabatlari va anomal dispersiya)

Ovozli bomlar va kamon zarbalarida boʻlgani kabi, zarba konusining burchagi toʻgʻridan-toʻgʻri buzilish tezligiga bogʻliq. Cherenkov radiatsiyasining emissiyasi uchun chegara tezligida Cherenkov burchagi nolga teng. Zarracha tezligi yorugʻlik tezligiga yaqinlashganda burchak maksimal boʻladi. Demak, kuzatilgan tushish burchaklaridan Cherenkov nurlanish hosil qiluvchi zaryadning yoʻnalishi va tezligini hisoblash uchun foydalanish mumkin.

Cherenkov nurlanishi koʻzda zaryadlangan zarrachalar shishasimon hazilga tegib, miltillovchi taassurot qoldirishi bilan hosil boʻlishi mumkin, kosmik nurlarning vizual hodisalarida boʻlgani kabi va, ehtimol, baʼzi tanqidiy hodisalarning kuzatuvlari.

Foydalanilishi

Belgilangan biomolekulalarni aniqlash 
Cherenkov nurlanishi biomolekulalarning kam miqdori va past konsentratsiyasini aniqlashni osonlashtirish uchun keng foydalaniladi. Fosfor-32 kabi radioaktiv atomlar biomolekulalarga fermentativ va sintetik vositalar yordamida osonlik bilan kiritiladi hamda keyinchalik biologik yoʻllarni tushuntirish va biologik molekulalarning oʻzaro taʼsirini tavsiflash uchun, misol uchun, yaqinlik konstantalari va dissotsiatsiya tezligini aniqlash uchun osonlikcha kichik miqdorda aniqlanishi mumkin.

Radioizotoplarni tibbiy tasvirlash va tashqi nurli radiatsiya terapiyasi 

Yaqinda Cherenkov nuri tanadagi moddalarni tasvirlash uchun ishlatilgan. Ushbu kashfiyotlar organizmdagi radiatsiya miqdorini aniqlash va yoki aniqlash uchun ushbu yorugʻlik signalidan foydalanish gʻoyasiga, masalan, AOK qilingan radiofarmatsevtika kabi ichki manbalardan yoki onkologiyada tashqi nurli radiatsiya terapiyasidan foydalanish gʻoyasiga katta qiziqish uygʻotdi. 18F va 13N pozitron emitentlari yoki beta emitentlari 32P yoki 90Y kabi radioizotoplar oʻlchanadigan Cherenkov emissiyasiga ega va 18F va 131I izotoplari diagnostik qiymatni namoyish qilish uchun odamlarda tasvirlangan. Tashqi nurli radiatsiya terapiyasi 6 MV dan 18 MV gacha boʻlgan energiyaga ega elektron nurlar yoki foton nurlari tufayli davolanayotgan toʻqimalarda katta miqdorda Cherenkov nurini keltirib chiqarishi koʻrsatilgan. Ushbu yuqori energiyali rentgen nurlari tomonidan qoʻzgʻatilgan ikkilamchi elektronlar Cherenkov yorugʻlik emissiyasiga olib keladi, bu yerda aniqlangan signal toʻqimalarning kirish va chiqish yuzalarida tasvirlanishi mumkin.

Yadro reaktorlari 

Cherenkov nurlanishi yuqori energiyali zaryadlangan zarralarni aniqlash uchun ishlatiladi. Ochiq hovuz reaktorlarida parchalanish mahsulotlari parchalanishi natijasida beta zarralari (katta energiyali elektronlar) chiqariladi. Zanjir reaksiyasi toʻxtatilgandan soʻng porlash davom etadi, qisqa umr koʻradigan mahsulotlar parchalanishi bilan xiralashadi. Xuddi shunday, Cherenkov nurlanishi sarflangan yoqilgʻi tayoqlarining qolgan radioaktivligini tavsiflashi mumkin. Ushbu hodisa yadroviy xavfsizlik maqsadlarida ishlatilgan yoqilgʻi havzalarida foydalaniladigan yadro yoqilgʻisi mavjudligini tekshirish maqsadida ishlatiladi.

Astrofizika tajribalari 
Yuqori energiyali (TeV) gamma-foton yoki kosmik nur Yer atmosferasi bilan oʻzaro taʼsirlashganda, u juda katta tezlikda elektron- pozitron juftligini hosil qilishi mumkin. Ushbu zaryadlangan zarralar tomonidan atmosferada chiqariladigan Cherenkov nurlanishi, masalan, VERITAS, HESS kabi tajribalar orqali, masalan, Cherenkov Atmosferasini Tasvirlash Texnikasida (IACT) qoʻllaniladigan kosmik nurlar yoki gamma nurlarining yoʻnalishi va energiyasini aniqlash uchun ishlatiladi. MIGIC. Yerga yetib boruvchi zaryadlangan zarralar tomonidan suv bilan toʻldirilgan tanklarda chiqariladigan Cherenkov radiatsiyasi HAWC Extensive Air Shower tajribasi, Per Auger rasadxonasi va boshqa loyihalarda xuddi shu maqsadda qoʻllaniladi. Shunga oʻxshash usullar Super-Kamiokande, Sudbury Neytrino Observatory (SNO) va IceCube kabi juda katta neytrino detektorlarida qoʻllaniladi. Ilgari boshqa loyihalar, masalan, STACEE, Nyu-Meksikoda joylashgan Cherenkov rasadxonasi sifatida ishlash uchun yangilangan sobiq quyosh minorasi kabi tegishli texnikani qoʻllagan holda amalga oshirildi.

Havo yomgʻirini oʻlchash uchun Cherenkov texnikasidan foydalanadigan astrofizika observatoriyalari oʻta yangi yulduz qoldiqlari va blazarlar kabi juda yuqori energiyali gamma nurlarini chiqaradigan astronomik ob’ektlarning xususiyatlarini aniqlash uchun kalit hisoblanadi.

Zarrachalar fizikasi tajribalari 
Cherenkov nurlanishi odatda zarrachalarni aniqlash uchun eksperimental zarralar fizikasida qoʻllaniladi. Elektr zaryadlangan elementar zarrachaning tezligini maʼlum bir muhitda chiqaradigan Cherenkov nurining xususiyatlari bilan oʻlchash (yoki chegaralash) mumkin. Agar zarrachaning impulsi mustaqil ravishda oʻlchansa, zarraning massasini uning impulsi va tezligi boʻyicha hisoblash mumkin (qarang: toʻrt-momentum) va shuning uchun zarrachani aniqlash mumkin.

Cherenkov nurlanish texnikasiga asoslangan zarrachalarni identifikatsiya qilishning eng oddiy turi bu zaryadlangan zarrachaning tezligi maʼlum bir qiymatdan past yoki yuqori ekanligiga javob beradigan chegara hisoblagichi (, qayerda  yorugʻlik tezligi va  muhitning sindirish koʻrsatkichi) bu zarrachaning maʼlum bir muhitda Cherenkov nurini chiqaradimi yoki yoʻqligiga qarab. Zarrachalar momentumini bilgan holda, maʼlum bir chegaradan engilroq zarralarni chegaradan ogʻirroq zarralardan ajratish mumkin.

Detektorning eng ilgʻor turi 1980-yillarda ishlab chiqilgan RICH yoki ring-imaging Cherenkov detektoridir. RICH detektorida yuqori tezlikda zaryadlangan zarracha koʻpincha radiator deb ataladigan mos muhitni kesib oʻtganda Cherenkov nurining konusi hosil boʻladi. Ushbu yorugʻlik konusi pozitsiyaga sezgir planar foton detektorida aniqlanadi, bu radiusi Cherenkov emissiya burchagi uchun oʻlchov boʻlgan halqa yoki diskni qayta tiklashga imkon beradi. Fokuslash va yaqinlik fokuslash detektorlari qoʻllaniladi. Fokusli RICH detektorida fotonlar sferik oyna orqali yigʻiladi va fokus tekisligida joylashgan foton detektoriga qaratiladi. Natijada zarrachalar yoʻli boʻylab emissiya nuqtasidan mustaqil radiusga ega boʻlgan doira hosil boʻladi. Yetarli fotonlarni yaratish uchun zarur boʻlgan kattaroq radiator uzunligi tufayli bu sxema past sinishi indeksli radiatorlar, yaʼni gazlar uchun javob beradi. Yana ixcham yaqinlikka yoʻnaltirilgan dizaynda, yupqa radiator hajmi kichik masofani — yaqinlik oraligʻini bosib oʻtuvchi Cherenkov nurining konusini chiqaradi va foton detektori tekisligida aniqlanadi. Tasvir radiusi Cherenkov emissiya burchagi va yaqinlik oraligʻi bilan belgilanadigan yorugʻlik halqasidir. Halqa qalinligi radiatorning qalinligi bilan belgilanadi. RICH detektoriga misol sifatida yuqori momentumli zarrachalarni aniqlash detektori (HMPID) misol boʻla oladi, hozir ALICE (Katta ion toʻqnashuvi eksperimenti) uchun qurilayotgan detektor LHC (Katta adron kollayderi)dagi 6 ta tajribadan biri.

Adabiyotlar