Ακτινοβολία Cherenkov και Εφαρμογές Παρουσίαση: Φίλλης Ευάγγελος Επιβλέπων καθηγητής: κ. Η. Κατσούφης

Το 1934 παρατηρείται για πρώτη φορά το φαινόμενο από τον Pavel Alekseyevich Cherenkov. Συγκεκριμένα, από ένα μπουκάλι με νερό υποκείμενο σε “ραδιενεργό βομβαρδισμό” εκλύεται μπλε ακτινοβολία!

Ερμηνεία Φαινομένου Εργαζόμενος με τον S.I.Vanilov ο Cherenkov καταλήγει ότι η ύπαρξη ακτινοβολίας οφείλεται σε ατομικά σωματίδια που “ταξιδεύουν” με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός σε κάποιο μέσο! Βραβεύεται με Nobel το 1958 για την παρατήρηση και εξήγηση του αντίστοιχου φαινομένου!

Αντιστοιχία φραγμάτων ταχύτητας ήχου – φωτός! Όπως και στο φαινόμενο του ηχητικού κρότου (sonic boom) όταν κάποιο μακροσκοπικό σωματίδιο υπερβαίνει την ταχύτητα του ήχου, ανάλογη περίπτωση αποτελεί η ακτινοβολία Cherenkov κάθε φορά που φορτισμένο υποατομικό σωματίδιο υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός σε κάποιο μέσο!

Είναι φανερός ο τρόπος με τον οποίο συμβάλλουν τα εκπεμπόμενα κύματα φωτονίων κάθε χρονική στιγμή, όταν το σωματίδιο κινείται με υ>c στο μέσο(δεξιά). Όταν υ<c (αριστερά) δεν υπάρχει δυνατότητα συμβολής των κυμάτων, κατά συνέπεια ούτε ακτινοβολία Cherenkov!

Οπτική Παρατήρηση Έκλυση ακτινοβολίας Cherenkov στην καρδιά πυρηνικών αντιδραστήρων! Η ύπαρξη νερού ως μέσο είναι αιτία για το χαρακτηριστικό μπλε χρώμα.

Σχέση γωνίας θ (άξονας διεύθυνσης διάδοσης της ακτινοβολίας με άξονα κίνησης του σωματιδίου), με την ταχύτητα του σωματιδίου: Αρχή του Huyghen

Στη σχέση που είδαμε προηγουμένως: αν θεωρήσουμε β=ν/c και c’=c/n θα προκύψει η εξίσωση cosθc = 1/βn, η οποία αποτελεί την εξάρτηση της γωνίας εκπομπής ακτινοβολίας από το δείκτη διάθλασης n του μέσου και την ταχύτητα v του σωματιδίου.

Χωροταξικά το φαινόμενο Cherenkov:

Μεταβολή του n για διάφορα υλικά ως συνάρτηση του λ Για έκλυση ακτινοβολίας Cherenkov απαραίτητη είναι η συνθήκη β>1/n. Ο δείκτης διάθλασης n είναι συνάρτηση τόσο της θερμοκρασίας(μικρής σημασίας) όσο και του μήκους κύματος λ της ακτινοβολίας. Μεταβολή του n για διάφορα υλικά ως συνάρτηση του λ

Εδώ αναπαρίσταται η εξάρτηση της ενέργειας κατωφλίου(για την ύπαρξη φαινομένου Cherenkov) από το δείκτη διάθλασης του μέσου.

Εξάρτηση της γωνίας θ από τον παράγοντα β, για διάφορες τιμές του n:

Κάνοντας χρήση κλασικής ηλεκτροδυναμικής οι Frank και Tamm το 1937 απέδειξαν ότι ενεργειακά για ένα ηλεκτρόνιο ισχύει η σχέση:

Αν η διακύμανση του n(λ) μεταξύ των τιμών λ1 και λ2 είναι ασήμαντη, ισχύουν οι παρακάτω σχέσεις ανά μονάδα μήκους: Εκλυόμενη ενέργεια Απόδοση φωτονίων

Για την ανίχνευση της ακτινοβολίας Cherenkov διακρίνουμε δύο περιπτώσεις: Ανίχνευση σε υγρό(νερό) – χρήση ανιχνευτή υγρού(water cherenkov detector) Ανίχνευση σε αέρα – χρήση ανιχνευτή αέρα(air cherenkov detector)

Οι ανιχνευτές αερίου υπερισχύουν των υγρών: Σωματίδια με β>0,99 ανιχνεύονται μόνο από ανιχνευτές αερίου. Οι δείκτες διάθλασης των αερίων σε ορατό και υπεριώδες εξαρτώνται από την πίεση, και συγκεκριμένα: n-1=(no-1)P/Po όπου ο δείκτης ο υποδηλώνει ότι η αντίστοιχη ποσότητα μετριέται υπό ατμοσφαιρική πίεση

Ανιχνευτές νερού

Τηλεσκόπια ανιχνευτών Cherenkov αερίων για την ανίχνευση ακτινοβολίας γ από το διάστημα:

Τα φωτόνια ακτίνων γ που αλληλεπιδρούν με την ατμόσφαιρα δημιουργούν ζεύγη ηλεκτρονίου – ποζιτρονίου, τα οποία χάνουν ενέργεια(μέσω σκέδασης Compton, φαινομένου Bremsstrahlung) και δίνουν εκ νέου φωτόνια ώστε να ξαναρχίσει ο κύκλος (air shower).

Η προέλευση ακτινοβολίας Cherenkov από κοσμικές ακτίνες γ έχει μικρότερη διασπορά απ’ ότι αυτής των κοσμικών νουκλεονίων, η οποία λειτουργεί ως υπόβαθρο!

Εδώ παριστάνεται η διασπορά των μετρήσεων των ανιχνευτών, για ακτινοβολία προερχόμενη από ακτίνες γ(αριστερά) και νουκλεονίων(δεξιά), η οποία μας οδηγεί στην αναγνώριση και εξάλειψη του υποβάθρου, για ορθή μέτρηση των κοσμικών ακτίνων γ.

Βασικοί Μετρητές Cherenkov(counters): Μετρητές κατωφλίου(threshold counters) Διαφορικοί μετρητές(differential counters) Μετρητές R.I.CH. (Ring Imaging Cherenkov counters)

Γνωρίζοντας την οριακή συνθήκη βt=1/n ώστε ένα σωματίδιο να παράγει ακτινοβολία Cherenkov, χρησιμοποιούμε τους ανιχνευτές κατωφλίου για την ανάδειξη σωματιδίων των οποίων οι ταχύτητες είναι πάνω από κάποιο ελάχιστο όριο.

Η χρήση διαφορικών μετρητών επιτρέπει την επιλεκτική αναγνώριση σωματιδίων δεδομένης μάζας, μέσω της Cherenkov εκπομπής τους γύρω από μια αναμενόμενη γωνία θ. Ακτινοβολίες σωματιδίων διαφορετικής μάζας “φιλτράρονται” από τους καθρέπτες και δε φτάνουν στους φωτοπολλαπλασιαστές!

Ένας μετρητής RICH μας επιτρέπει να μετράμε τις ταχύτητες σωματιδίων – προϊόντων από διάφορες αλληλεπιδράσεις! Οι πληροφορίες, έχοντας μετρήσει ξέχωρα τις ορμές, οδηγούν σε μετρήσεις των αντίστοιχων μαζών.

Μέσω του “υποτιθέμενου” σφαιρικού καθρέπτη, η ακτινοβολία επιστρέφει στην επιφάνεια του φωτονικού ανιχνευτή(παραλληλόγραμμο).

Διάταξη RICH του LHCb στο CERN

Τα σπουδαιότερα πειράματα: S.T.A.C.E.E. (New Mexico) Super Kamiokande (Ιαπωνία) Pierre Auger(Αργεντινή)

Το πείραμα S.T.A.C.E.E.(Solar Tower Atmospheric Cherenkov Effect Experiment)

Ερευνητικό κέντρο εκμετάλλευσης της ηλιακής θερμοηλεκτρικής ενέργειας(κατά τη διάρκεια της μέρας). Ανίχνευση ατμοσφαιρικής ακτινοβολίας Cherenkov(κατά τη διάρκεια της νύχτας)!

Όπως φαίνεται στο σχήμα, η ακτινοβολία στέλνεται στον ηλιακό πύργο από τα κάτοπτρα, κι από εκεί με χρήση καθρεπτών σε φωτοπολλαπλασιαστές.

Το πείραμα του Super Kamiokande

Βασισμένος στο φαινόμενο της ακτινοβολίας Cherenkov, αποτελεί τον πιο ευαίσθητο και αξιόπιστο ανιχνευτή νετρίνων του κόσμου από το 1990

Μέρος του εξωτερικού ανιχνευτή του Super Kamiokande (πάχος περίπου 2 μέτρα). Η λήψη έγινε απ’ ευθείας μέσα στο νερό!

Απεικόνιση καταγραφής ακτινοβολίας Cherenkov στους φωτοπολλαπλασιαστές του SK, προερχόμενη από ένα νετρίνο.

Πείραμα Τ2Κ σε εξέλιξη: Δέσμη νετρίνων στέλνεται από το J-Parc στο SK για ενεργειακή μελέτη της ταλάντωσης από vμ σε ve!

Το πρόγραμμα Pierre Auger Περιλαμβάνει μελέτη και καταγραφή σωματιδίων των πιο υψηλών ενεργειών που παρατήρησε ο άνθρωπος, αβέβαιης μέχρι σήμερα προέλευσης!

Δεξαμενές νερού που διαθέτουν ανιχνευτές Cherenkov και φωτοπολλαπλασιαστες, λαμβάνουν την ακτινοβολία από τα air showers που προκαλούν οι κοσμικές ακτίνες γ.

Γίνονται προσπάθειες για την εύρεση της βέλτιστης παράταξης ανιχνευτών, όπως και διαχωρισμού της ακτινοβολίας Cherenkov προερχόμενης από τις κοσμικές ακτίνες γ, από αυτή του υποβάθρου(πρωτόνια και πυρήνες).

Το αξιοθαύμαστο της όλης υπόθεσης!! Από την ερμηνεία του φαινομένου της έκλυσης ακτινοβολίας ενός μπουκαλιού νερού φτάνουμε να μελετάμε την προέλευση της κοσμικής ακτινοβολίας στο σύμπαν, και να οδηγούμαστε βήματα μπροστά στην κατανόηση της όλης ύπαρξης!

Βιβλιογραφία: Richard Clinton Fernow: Introduction to Experimental Particle Physics (Κεφ. 8) Schiff: Quantum Mechanics(σελ. 267-272) Jackson 3rd Edition: Classical Electrodynamics(13.3 , 13.4) Διδακτορική Διατριβή Φασουλιώτη (εδάφιο 2.5 – σελ. 37 – 53) www.physics4u.gr www.cern.ch www.wikipedia.org Εργασίες Κυματικής: Καρακίτσου – Κατσαρού, Ν.Νικηφόρου (Ακτινοβολία Cherenkov) www.google.com