체렌코프 방사선

체렌코프 방사선이 발전된 원자로의 노심에 빛을 발하고 있다.

체렌코프 복사(/tʃrɛkɒf/,^[1] 러시아어: эɛɛɛɒɒɒ)))))) - Vavilov-Cherenkov 효과)는 하전 입자(전자 등)가 유전체 매체를 통과하는 속도보다 빠른 속도로 방출되는 전자파 복사이다.체렌코프 방사선의 전형적인 예는 수중 원자로의 특징적인 푸른 빛이다.그 원인은 소리보다 빠른 움직임이 일어날 때 들리는 날카로운 소리인 소닉 붐의 원인과 유사하다.이 현상은 소련의 물리학자 파벨 체렌코프(Pavel Cherenkov)의 이름을 따왔다.

역사

이 방사선은 1934년 레베데프 연구소의 세르게이 바빌로프의 감독 하에 실험적으로 검출한 1958년 노벨상 수상자인 소련의 과학자 파벨 체렌코프(Pavel Cherenkov)의 이름을 딴 것이다.따라서 Vavilov-Cherenkov ^[3]방사선으로도 알려져 있다.체렌코프는 실험 중에 물 속의 방사성 물질 주변에서 희미한 푸른 빛을 보았다.그의 박사학위 논문은 우라늄 소금 용액의 발광에 관한 것이었다. 우라늄 소금 용액은 일반적으로 그렇듯이 덜 에너지적인 가시광선이 아닌 감마선에 의해 흥분된다.그는 방사선의 이방성을 발견하고 푸른 빛을 내는 것은 형광 현상이 아니라는 결론에 도달했다.

이 효과에 대한 이론은 나중에 1937년^[4] 체렌코프의 동료 이고르 탐과 일리야 프랭크에 의해 아인슈타인의 특수 상대성 이론의 틀 안에서 개발되었다.

원추파 전선으로서의 체렌코프 방사선은 1888-1889년^[5] 영국의 철학자 올리버 헤비사이드와 1904년 ^[6]아놀드 소머펠트에 의해 이론적으로 예측되었지만, 상대성 이론이 초광속 입자를 제한함에 따라 1970년대까지 ^[7]두 가지 모두 빠르게 무시되었다.마리 퀴리는 1910년 ^[8]고농도 라듐 용액에서 옅은 파란색 빛을 관찰했지만 그 출처를 조사하지는 않았다.1926년 프랑스의 방사선 치료사 루시앙 말레는 연속 스펙트럼을 ^[9]가진 라듐 조사수의 발광 방사선을 설명했다.

2019년, 다트머스와 다트머스-히치콕의 노리스 면암 센터의 연구팀은 방사선 치료를 받는 환자의 유리액에서 체렌코프 빛이 발생하는 것을 발견했다.이 빛은 CDose라고 불리는 카메라 영상 시스템을 사용하여 관측되었는데, CDose는 생물학적 ^[10]^[11]시스템에서 방출되는 빛을 보기 위해 특별히 설계되었다.수십 년 동안 환자들은 뇌종양으로 방사선 치료를 받을 때 "밝거나 푸른 ^[12]빛의 반짝임"과 같은 현상을 보고했지만, 그 영향은 실험적으로 ^[11]관찰된 적이 없었다.

물리적 기원

기본

진공에서 빛의 속도는 보편 상수(c = 299,792,458 m/s)인 반면, 재료의 속도는 매체에 의해 느려지는 것으로 인식되기 때문에 상당히 낮을 수 있다.예를 들어, 물속에서는 0.75도밖에 되지 않습니다.물질은 핵반응과 입자 가속기에서 이보다 더 빠른 속도로 가속할 수 있습니다(진공 속 빛의 속도인 c 미만).체렌코프 방사선은 가장 일반적으로 전자인 하전 입자가 유전체(전기적으로 분극될 수 있음) 매체를 통해 빛의 속도보다 빠른 속도로 이동할 때 발생합니다.

그 효과는 다음과 같은 방법으로 직관적으로 설명할 수 있다.고전 물리학에서는 하전 입자가 가속하면 전자파가 방출되며, 이러한 파동은 해당 매체의 위상 속도에 따라 전파되는 구형 파동을 형성한다고 알려져 있습니다 $c/n$ 즉 $,$ n\ $display style$ c $/n$ $n$ $n$ \ $display style$ c/n).(x) 어떤 하전입자가 매체를 통과하면 매체의 입자가 반응하여 그 주위를 분극한다.대전된 입자는 분극 가능한 매질에서 분자를 흥분시키고, 분자는 그들에게 주어진 에너지를 광자로 재방출합니다.이 광자들은 움직이는 입자에서 발생하는 구형 파장을 형성합니다. $v_{p}<c/n$ p < $v_{p}<c/n$ / $v_{p}<c/n$ { $style v$ _ { $p$ } < $c$ / $n$ 즉 하전입자의 속도가 매질 내 광속보다 작을 $v_{p}<c/n$ , 이동입자 주위에 형성되는 편광장은 일반적으로 대칭이다.해당 방출된 파편이 묶일 수 있지만 일치하지 않거나 교차하지 않으므로 간섭 효과를 걱정할 필요가 없습니다.그 반대의 상황( $v_{p}>c/n$ , $v_{p}>c/n$ $v_{p}>c/n$ $v_{p}>c/n$ c / $v_{p}>c/n$ { $displaystyle v$ _ { $p$ > $c/n$ ） 에서는, 매체의 입자가 「통상적인」랜덤화 상태로 회복하기에 충분한 시간이 없기 때문에, 편파장은 입자의 운동 방향에 따라서 비대칭이 됩니다.따라서 애니메이션과 같이 파형이 중첩되고 구성 간섭으로 인해 다음과 같은 특성 각도에서 원뿔 모양의 광신호가 관찰됩니다.체렌코프 라이트

체렌코프 방사선 애니메이션

일반적인 비유는 초음속 항공기의 소닉 붐이다.항공기에서 발생하는 음파는 항공기보다 느린 음속으로 이동하며 항공기에서 앞으로 전파되지 않고 원추형 충격 전선을 형성한다.비슷한 방법으로, 대전된 입자는 절연체를 통과할 때 가시광선의 "충격파"를 발생시킬 수 있습니다.

초과해야 하는 속도는 빛의 그룹 속도가 아니라 빛의 위상 속도입니다.위상 속도는 주기적인 매체를 사용하여 극적으로 변경될 수 있으며, 이 경우 스미스-퍼셀 효과로 알려진 현상인 최소 입자 속도 없이 체렌코프 방사선을 얻을 수 있다.포토닉 결정과 같은 보다 복잡한 주기적 매체에서는 일반적인 체렌코프 방사선이 입자 속도에 ^[13]따라 예각을 이루는 반면, 역방향(아래 참조)의 방사선과 같은 다양한 변칙적인 체렌코프 효과도 얻을 수 있다.

매사추세츠 대학교 로웰 방사선 연구소의 체렌코프 방사선

체렌코프 방사선의 이론적 기초에 대한 그들의 첫 번째 연구에서, 탐과 프랭크는 "이 독특한 방사선은 빠른 전자와 개별 원자의 상호작용 또는 원자핵에서의 전자의 복사 산란과 같은 어떤 일반적인 메커니즘으로도 설명될 수 없습니다.한편 매질 내에서 이동하는 전자가 균일하게 이동해도 빛을 방출하는 것을 고려하면 매질 내 광속보다 속도가 높을 경우 정성적으로나 양적으로나 현상을 설명할 수 있다."^[14]

방사각

이상적인 비분산 사례에 대해 표시된 체렌코프 방사선의 기하학적 구조.

지오메트리의 그림에서 입자(빨간색 화살표)는 $v_{\text{p}}$ 과 같이 속도 v $v_{\text{p}}$ p {\ $displaystyle v_{\text{$ p $v_{\text{p}}$ }}}의 매체를 통과합니다.

{c}{n}<v_{\text{p}}<c,

c

서 c

\displaystyle

c는 진공 상태에서의

c

빛의

n

이고 n

\displaystyle

n은

n

매체의 굴절률입니다.매체가 물인 경우, 20°C에서 물의 경우 n

({displaystyle

0.75c<v_{\text{p}}<c

n

\apprough

1.33

)

이므로

0.75c<v_{\text{p}}<c

은

0.75c<v_{\text{p}}<c

75 c

0.75c<v_{\text{p}}<c

<

0.75c<v_{\text{p}}<c

p <

c

\

displaystyle

0.

75

c < v _ { \ text {

p

} <

0.75c<v_{\text{p}}<c

c

0.75c<v_{\text{p}}<c

} 입니다.

우리는 입자의 속도와 빛의 속도 사이의 비율을 다음과 같이 정의한다.

(\displaystyle \displaystyle = v_{\text{p}}{c})}

방출된 광파(파란색 화살표로 표시)는 속도로 이동합니다.

v_{\text{em}}=snfrac {c}{n}}.

삼각형의 왼쪽 모서리는 초기 모멘트(t = 0)에서의 초광속 입자의 위치를 나타냅니다.삼각형의 오른쪽 모서리는 이후 시간 t에 입자의 위치입니다.주어진 시간 t에서 입자는 다음 거리를 이동한다.

x_{\text{p}}=v_{\text{p}}}t=\contract,ct

반면 방출된 전자파는 거리를 이동하기 위해 제한된다.

x_{\text{em}}=v_{\text{em}}t=syslogfrac {c}{n}t.

그래서 방출 각도는

\cos \theta = snfrac {1}{n\sn}

임의방출각

체렌코프 방사선은 또한 적절하게 설계된 1차원 메타물질을 ^[15]사용하여 임의의 방향으로 방사할 수 있다.후자는 고속 이동 입자( $d\phi /dx$ / $d\phi /dx$ $d\phi /dx$ {\ $displaystyle d\phi$ / $d\phi /dx$ dx}), $d\phi /dx$ 후진 또는 스티어링 체렌코프 방출의 궤적을 따라 위상 지연의 구배를 유도하도록 설계되었습니다.

\cos \theta = flac {1} {n\flac } + {\frac {n} {k_{0}}\cdot {d\phi} {flac}

이 비율은 시간과 무관하므로 임의의 시간을 사용하여 유사한 삼각형을 얻을 수 있습니다.각도는 동일하게 유지됩니다. 즉, 초기 시간 t = 0과 최종 시간 t 사이에 생성된 후속 파형이 표시된 오른쪽 끝점과 일치하는 유사한 삼각형을 형성합니다.

역체렌코프 효과

역체렌코프 효과는 음지수 메타물질(이 경우 음의 유전율과 음의 투과율을 갖는 구성 물질과 매우 다른 효과적인 "평균" 특성을 제공하는 부파장 미세 구조를 가진 물질)을 사용하여 경험할 수 있다.즉, 하전 입자(일반적으로 전자)가 매질 내 빛의 위상 속도보다 더 빠른 속도로 매질을 통과할 때, 그 입자는 매질 앞이 아닌 매질을 통해 후속 방사선을 방출합니다(유전율 및 투과율 ^[16]양성의 일반 물질과 같음).또한 주기 구조가 파장과 동일한 척도에 있는 비물질 주기 매질에서도 이러한 역원추체 체렌코프 방사선을 얻을 수 있기 때문에 효과적으로 균질 ^[13]메타물질로 취급할 수 없다.

진공상태에서

체렌코프 효과는 ^[17]진공 상태에서 발생할 수 있습니다.이동파관(TWT)과 같이 느린 파동구조에서는 위상속도가 감소하고 하전입자의 속도가 위상속도를 초과할 수 있으며 c $\display$ c $style$ c\보다 낮은 상태로 유지될 수 있다. 이러한 시스템에서는 광자의 운동량이 필요한 에너지와 운동량을 보존함으로써 이러한 효과를 얻을 수 있다. $p=\hbar \beta$ de Broglie $p=\hbar k$ p $p=\hbar k$ ${\$ $p=\hbar k$ (\ $displaystyle$ p=\ $hbar$ k) $p=\hbar \beta$ 가 아닌 p $=$ $β$ $(\displaystyle$ p=\ $hbar$ \displaystyle $\displaystyle$ p=\ $hbar$ k $p=\hbar k$ 는 위상 $\beta$ ^[18]상수입니다.이 유형의 방사선(VCR)은 고출력 마이크로파를 생성하는 ^[19]데 사용됩니다.

특성.

입자에 의한 체렌코프 방사선의 주파수 스펙트럼은 프랭크-탐 공식에 의해 주어진다.

{d^{2}E}{dx,d\obega}}=flac {q^{2}{4\pi}}}\mu(\obega})\mu(\left(1-{\frac {c^{2}{2}{v^{2}(오메가}}}}}\오른쪽)}

Frank-Tam 공식은 체렌코프 방사선에서 방출되는 $에너지$ E(\ $displaystyle$ E $)$ 의 $E$ 단위 $이동$ $길이$ x(\displaystyle $x$ x $)$ 및 주파수 당 $\omega$ $)$ )(\ $displaystyle \mu(\mega)$ 를 $n(\omega )$ . $n(\omega )$ ( $n(\omega )$ ) $n(\omega )$ { displaystyle \mu(\displaystylen $(\mega)$ 는 $\mu (\omega )$ 투과 n $mega$ )의 $n(\omega )$ $지표$ 입니다. 하전 입자가 통과하는 물질의 굴절. ${displaystyle$ q}는 $q$ 입자의 전하, ${displaystyle$ v $}$ 는 $v$ 입자의 속도, ${displaystyle$ c $}$ 는 $c$ 진공 상태의 빛의 속도입니다.

특징적인 스펙트럼 피크를 갖는 형광이나 발광 스펙트럼과는 달리 체렌코프 방사선은 연속적이다.가시 스펙트럼 주변에서 단위 주파수당 상대 강도는 주파수에 거의 비례합니다.즉, 체렌코프 방사선은 주파수가 높을수록(짧은 파장) 강도가 높아집니다.이것이 눈에 보이는 체렌코프 방사선이 밝은 파란색으로 관측되는 이유이다.사실 대부분의 체렌코프 방사선은 자외선 스펙트럼에 있다. 충분히 가속된 전하가 있어야만 가시화된다. 사람 눈의 민감도는 녹색에서 최고점에 달하며 스펙트럼의 보라색 부분에서 매우 낮다.

cos cos $\cos \theta =1/(n\beta )$ θ $\cos \theta =1/(n\beta )$ $\cos \theta =1/(n\beta )$ 1 $\cos \theta =1/(n\beta )$ / ( $\cos \theta =1/(n\beta )$ ) { $displaystyle \cos \theta$ = $1/(n\display)}$ 이 $\cos \theta =1/(n\beta )$ (가) 더 이상 충족될 수 없는 차단 주파수가 있습니다. $굴절률$ n({ $displaystyle$ n})은 $n$ 주파수에 따라(따라서 파장에 따라) 매우 상대적인 입자(v/c가 1에 가까운 경우)라도 강도가 더 짧은 파장에서 계속 증가할 수 없는 방식으로 변화합니다.X선 주파수에서는 굴절률이 1 미만(매질에서는 위상 속도가 상대성을 위반하지 않고 c를 초과할 수 있음)이 되므로 X선 방출(또는 감마선과 같은 짧은 파장 방출)이 관찰되지 않는다.그러나 굴절률이 공진 주파수 바로 아래의 1보다 큰 경우가 많기 때문에 재료의 코어 전자 천이에 대응하는 주파수 바로 아래의 특수 주파수에서 X선이 발생할 수 있다(Kramers-Kronig 관계 및 비정상적인 분산 참조).

충격 원뿔의 각도는 소닉 붐이나 활 충격과 마찬가지로 교란 속도와 직접 관련이 있습니다.체렌코프 각도는 체렌코프 방사선의 방출 임계값 속도에서 0입니다.입자의 속도가 빛의 속도에 가까워짐에 따라 각도는 최대치를 차지합니다.따라서 관측된 입사각을 사용하여 체렌코프 방사선 생성 전하 방향과 속도를 계산할 수 있다.

체렌코프 방사선은 유리액에 부딪히는 하전 입자에 의해 눈에 생성될 수 있으며, 우주선의 시각 현상이나 임계 사고의 관측과 같이 ^[20]^[21]섬광의 느낌을 준다.

사용하다

라벨 부착 생체분자 검출

체렌코프 방사선은 소량 및 저농도의 생체 ^[22]분자의 검출을 용이하게 하기 위해 널리 사용된다.효소 및 합성수단에 의해 인-32 등의 방사성 원자가 생체분자에 쉽게 도입되어 생물경로를 명확히 하고 친화력 상수 및 해리율 등의 생물분자의 상호작용을 특징짓기 위해 소량 검출이 용이하다.

방사성 동위원소 및 외부빔 방사선 치료의 의료 영상촬영

방사선 치료에서 선형 가속기의 6MeV 빔을 사용하여 유방 전체를 조사 중인 환자의 흉벽에서 체렌코프 광방출 영상을 촬영했습니다.

최근에는 체렌코프 빛을 이용해 ^[23]^[24]^[25]체내 물질을 촬영하고 있다.이러한 발견은 주입된 방사선 의약품이나 종양학에서 외부 빔 방사선 치료와 같은 내부 선원에서 나오는 방사선을 정량화 및/또는 검출하기 위해 이 광신호를 사용하는 아이디어에 대한 깊은 관심을 불러 일으켰다.양전자 방출체 F와 N이나 베타 방출체 P 또는 Y 등의 방사성 동위원소는 측정 가능한 체렌코프^[26] 방출을 가지며, 동위원소 F와 I는 진단값 시연용으로 ^[27]^[28]인체에서 촬영되었다.외부 빔 방사선 치료는 6 MeV ~ 18 MeV 범위에서 사용되는 광자 빔 에너지 수준 때문에 치료 중인 조직에 상당한 양의 체렌코프 빛을 유도하는 것으로 나타났다.이러한 고에너지 X선에 의해 유도되는 2차 전자는 체렌코프 발광으로 이어지며,^[29] 여기서 검출된 신호는 조직의 입구 및 출구 표면에서 촬영될 수 있습니다.

원자로

체렌코프 방사선이 TRIGAreactor 수영장에 있어요

체렌코프 방사선은 고에너지 하전 입자를 검출하는데 사용된다.오픈풀 원자로에서는 핵분열 생성물이 붕괴하면서 베타 입자(고에너지 전자)가 방출된다.이 광택은 연쇄 반응이 멈춘 후에도 지속되며 수명이 짧은 제품이 부패함에 따라 희미해집니다.마찬가지로 체렌코프 방사선은 사용후 핵연료봉의 잔류 방사능을 특성화할 수 있다.이 현상은 원자력 안전장치 ^[30]목적을 위해 사용후 핵연료 저장조에 사용후 핵연료의 존재를 검증하는 데 사용된다.

천체 물리학 실험

고에너지(TeV) 감마 광자 또는 우주선이 지구의 대기와 상호작용할 때, 엄청난 속도의 전자-양전자 쌍을 생성할 수 있다.이러한 하전 입자에 의해 대기 중에 방출되는 체렌코프 방사선은 VERITAS, H .E.S., MAGIC 등의 실험에 의해 예를 들어 IACT(Imaging Amitive Cherenkov Technic)에서 사용되는 우주선 또는 감마선의 방향과 에너지를 결정하는 데 사용됩니다.지구에 도달한 하전 입자에 의해 물이 채워진 탱크에서 방출되는 체렌코프 방사선은 광범위한 공기 샤워 실험 HAWC, 피에르 오거 천문대 및 기타 프로젝트에서 동일한 목적으로 사용됩니다.Super-Kamiokande, Sudbury Neutrino Observatory(SNO) 및 IceCube와 같은 매우 큰 중성미자 검출기에도 유사한 방법이 사용된다.뉴멕시코에 위치한 비영상 체렌코프 천문대로서 작동하도록 개조된 이전 태양탑인 STACEE와 같은 다른 프로젝트들은 관련 기술을 적용하여 운영되었다.

체렌코프 기술을 사용하여 소나기를 측정하는 천체물리학 관측소는 초신성 잔해와 불꽃과 같이 매우 높은 에너지 감마선을 방출하는 천체 물체의 특성을 결정하는 데 핵심적입니다.

입자 물리학 실험

체렌코프 방사선은 입자 식별을 위해 실험 입자 물리학에서 일반적으로 사용됩니다.특정 매체에 방출되는 체렌코프 빛의 특성에 따라 전하를 띤 소립자의 속도를 측정할 수 있다(또는 제한할 수 있다).입자의 운동량을 독립적으로 측정하면 운동량과 속도로 입자의 질량을 계산할 수 있어(4-운동량 참조) 입자를 식별할 수 있다.

Cherenkov 방사선 기술에 기초한 가장 간단한 입자 식별 장치는 임계값 카운터로, 하전 입자의 속도가 특정 값( $v_{0}=c/n$ 0 $v_{0}=c/n$ / $v_{0}=c/n$ { $display$ style $v_{0$ } $c/n)$ 보다 낮거나 높은지 여부를 응답합니다. $c$ 서c { $display style$ c $}$ 는 $c$ 빛의 속도입니다. $n$ { $displaystyle$ c} $yle$ n $)$ 은 $n$ 이 입자가 특정 매질에서 체렌코프 빛을 방출하는지 여부를 조사하는 매질의 굴절률이다.입자 운동량을 알면 특정 임계값보다 가벼운 입자와 임계값보다 무거운 입자를 분리할 수 있다.

검출기의 가장 진보된 유형은 1980년대에 개발된 RICH 또는 링 이미징 체렌코프 검출기다.RICH 검출기에서는 고속 하전 입자가 라디에이터라고 불리는 적절한 매체를 통과할 때 체렌코프 빛의 원뿔이 생성됩니다.이 광원추는 체렌코프 방출 각도에 대한 반지름 측정값인 링 또는 디스크를 재구성할 수 있는 위치에 민감한 평면 광자 검출기에서 검출됩니다.초점 및 근접 초점 검출기가 모두 사용되고 있다.집속 RICH 검출기에서 광자는 구면 거울에 의해 수집되어 초점 평면에 배치된 광자 검출기에 집속된다.그 결과 입자 궤적을 따라 방출점과 독립적인 반지름을 가진 원이 만들어집니다.이 계획은 충분한 광자를 생성하는 데 필요한 방열기 길이가 크기 때문에 저굴절률 방사기에 적합하다.보다 콤팩트한 근접 초점 설계에서는 얇은 라디에이터 부피가 작은 거리(근접 간격)를 가로지르며 광자 검출기 평면에서 검출되는 체렌코프 빛의 원뿔을 방출한다.이미지는 반지름이 체렌코프 방출 각도와 근접 간격에 의해 정의된 빛의 고리입니다.링 두께는 라디에이터 두께에 따라 결정됩니다.근접 간격 RICH 검출기의 예로는 CERN의 LHC(대형 강입자 충돌기)의 6가지 실험 중 하나인 ALICE(대형 이온 충돌기 실험)를 위해 현재 구축 중인 검출기인 HMPID(^[31]High Motament Particle Identification Detector)가 있다.

「」를 참조해 주세요.

아스카리안 방사선, 빠른 비전하 입자에 의해 생성되는 유사한 방사선
블루 노이즈
Bremsstrahlung, 하전 입자가 다른 하전 입자에 의해 감속될 때 발생하는 방사선
빛보다 빠른, 빛의 속도보다 빠른 정보 또는 물질의 추측적 전파
체렌코프 방사선의 스펙트럼을 제공하는 프랭크-탐 공식
라이트 에코
광원 목록
비방사선 조건
방사 발광
타치온
전이 방사선

인용문

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외부 링크

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