1626435893-691da8e1223766775fc277661dcb4565 (844331), страница 68
Текст из файла (страница 68)
Взаимодействие часнищ и излучения с веществом к направлению движения частицы. Рассуждения, опирающиеся на законы сохранения, не позволяют делать заключений о механизме потерь. Ясно только, что он должен быть связан с некоторыми процессами, происходящими в среде (л > 1), поскольку обсуждаемые потери невозможны в вакууме. Излучение Вавилова — Черенкова имеет общую природу с некоторыми другими процессами, наблюдающимися в различных средах при движении в них тел со скоростью, превьгшающей скорость распростоанения волн в этих средах.
Хорошо известными примерами таких процессов являются У-образная волна, идущая за кораблем, и коническая волна, вызываемая сверхзвуковым самолетом или снарядом. Во всех этих случая волновое поле сверх быстродвижущегося тела оказывается сильно возмущенным (по сравнению с полем медленно движущегося тела) и начинает тормозить его. В рассматриваемом случае сверхбыстрого движения заряженной частицы в среде с показателем преломления и> 1 механизм свечения Вавилова — Черенкова заключается в когерентном излучении ди полей, возникающих в результате поляризации атомов среды движущейся в ней заряженной частицей. Диполи образуются под действием электрического поля пролетающей частицы, которое смещает электроны окрестных атомов относительно их ядер.
Возвращение диполей в нормальное состояние (после ухода частицы из данной области) сопровождается испусканием электромагнитного импульса. Если частица движется сравнительно медленно, то возникающая поляризация будет распределена симметрично относительно местонахождения частицы (рис. 156, а), так как электрическое поле частицы «успевает» цолярнзовать все атомы в ее окрестности, в том числе и находящиеся впереди на пути ее движения.
В этом случае результирующее поле всех днполей вдали от частицы будет равно нулю и их излучения погасят друг друга. Если частица движется в среде со скоростью, превышающей скорость распространения электромагнитного поля (с>с'=с/я), то должен наблюдаться своеобразный эффект запаздыван3щей поляризация среды, в результате которого образующиеся диполи будут получать преимущественно ориентацию в сторону движения частицы (рис. 156, б). В этом случае, очевидно, должно существовать такое направление, вдоль которого может возникнуть когерентное излучение диполей, так как волны, испущенные диполями в разных местах пути частицы, могут оказаться в одинаковой фазе, Это направление легко найти. Е" 27.
еезлучеаие Вавилова — Черенеова 339 оо о ос оо о~~ <~о Оо оо оо оо оо О О О о о о о Оо а~о Вувуву Оо ~в о оо ОО 0 О Рис. 157 000 о" 0 Рис. 156 о о о а) 6) Пусть заряженная частица движется слева направо со скоростью и в среде с показателем преломления и>1, причем и)с'=с/п (рис.
157). Воспользуемся принципом Гюйгенса для построения фронта излучаемой волны. Предположим, что частица в момент г находится в точке х=ш. Построим огибающую поверхность к шаровым волнам, испущенным частицей на пути от точки х=О до точки х. Радиус волны в точке х=О в момент г равен Яо=с'ь Радиус волны в точке х в момент г равен Я,=с'(г — (х/сЦ=О. Радиус волны в любой промежуточной точке х' в момент 1 равен Я„,=с')е — (х'/иЦ, т.
е. линейно убывает с ростом х'. Очевидно, что огибающая поверхность является конусом с углом раствора 2ф, где яп ф = Яс/х = с'~/(се) = с'/и = с/(ип) = 1/(Оп). Нормаль к огибающей поверхности определяет направление распространения излучения Вавилова — Черенкова. Угол О между нормалью и осью х равен (я/2) — ф; он определяется условием сох 8 = 1/(рп).
(27.10) Квантовая механика вносит лишь небольшую поправку в этот классический результат. Из формулы (27.10) следует, что излучение Вавилова— Черенкова распространяется вдоль образующих конуса, ось которого совпадает с направлением движения частицы, а угол раствора равен 20. Это свечение можно зарегистрировать при помощи цветной фотопленки ФП, расположенной перпендикулярно направлению движения частицы (рис.
158). Излучение, выходящее из радиатора Р, при пересечении с фотопленкой ФП дает на ней синее кольцо. 340 Глава 1с'. Взаимодействие часиищ и излучения с веществом Резкая направленность излучения Вавилова †Черенко позволяет по углу О определять екорость частицы р. Из формулы (27.10) следует, что возможнь й диапазон изменения б равен: 1/ И (27. ) 1) При 0=1/и свечение наблюдается под углом 0=0, при рчв! — под максимальным углом Яв Рис. 158 соз О„„, =1/и = 0,75. Он равен 41,5'. В соответствии с теорией Тамма — Франка число фотонов в интервале частот от и до и+Ни, испускаемых частицей с зарядом г, движущейся со скоростью О в 'среде с показателем преломления и; ХЯ)сЬ=4я — ~1 — — ) Ыи.
( )г/ ьсг ~ пг(!г) (27.13) Из этой формулы следует, что: 1) спектр одинаков для частиц с г=сопя1„например для р, е, я, р. При изменении г число испускаемых фотонов растет пропорционально г'; 2) )У" (м) растет с ростом р от нуля при О =1/л до 4я' (е гг//гсг) (! — 1/лг) при О вв 1; 3) Ж(и) не зависит от ьз И/1/(и) г/и. О„,=агссоз(1/л). (27.12) Так, например, для воды (л=1,33) Р„= 1/1,33 = 0,75. При !5>0,75 наблюдается свечение Вавилова — Черенкова.
Для электронов условие ~3>0,75 выполняется уже при энергии Т,=лгвсг~ —,1~=0,5~ — 1 =026 МэВ. /! Ог ' ' /1 075г Таким образом, в воде эффект Вавилова — Черенкова должен наблюдаться даже от сравнительно малоэнергичных электронов (например, от электронов О-распада или комптоновских электронов и электронов фотоэффекта, образующихся при взаимодействии с водой у-квантов от радиоактивных продуктов). Максимальный угол, под которым может наблюдаться свечение Вавилова †Черенко в воде, находится из условия (27.12): е" 27.
Иелучение Вавилова — Череииова Спектр равномерен по частотам. Так как Е=Ьи, то это означает, что основная энергия излучения сконцентрирована в наиболее коротковолновой части спектра: в/Ев. ч-ив/Ч. (27.14) Этим объясняется сине-фиолетовый цвет излучения Вавилова— Черенкова. Из этого же следует необходимость выбирать для практического использования материалы, прозрачные до возможно более высоких частот (включая ультрафиолетовую область). В рентгеновском диапазоне, как правило, л <1, и условие (27.1) не выполняется. Однако в узких областях рентгеновского диапазона п>1, и излучение Вавилова — Черенкова наблюдается. Эффект Вавилова — Черенкова находит очень широкое применение при конструировании приборов для определения скорости быстродвижущихся заряженных частиц †т называемых черенковских счетчиков. Выбор среды для генерации излучения Вавилова — Черенкова определяется диапазоном 1), в котором надо производить измерения при помощи черенковского счетчика.
Очень удобным материалом являются прозрачные пластмассы. Изготовляются также черенковские счетчики с жидкостным и газовым наполнением. В зависимости от конструкции черенковские счетчики можно разделить на пороговые (регистрирующие частицы с 1)>1/л) и дифференциальные (позволяющие выделять частицы с данной скоростью р). На рис. 159 изображена схема порогового черенковского счетчика.
Заряженная частица движется в направлении оси радиатора Р. Если скорость частицы р> 1/л, где п †показате преломления материала, из которого изготовлен радиатор, то под углом 8=агссоз(1/1Ь) будет попускаться излучение Вавилова †Черенко. При цилиндрической конструкции радиатора свет падает на поверхность раздела среды с л> 1 и воздуха под углом ер=я/2 — 8, причем так как 0<агссоз(1/и), то 1р>еро =агсяп(1/л). Но неравенство ф> фо является условием полного внутреннего отражения. Поэтому весь свет попадает в к онусную часть радиатора и после отражения от ее поверхности и плоского зеркала 3 собирается линзой Л на фотоумножитель Ф.
(Плоское зеркало устанавливается для того, чтобы вывести фотоумножитель из пучка частиц.) При помощи порогового счетчика можно выделять из пучка частицы данного сорта. Если, например, в составе пучка имеются протоны и я+-мезоны с одинаковым импульсом р =р„+ =р, то из-за различия в массе скорости их будут 342 Глава !у. Взаимооеасчиеие часгиии и ичлучеииа с вещепиеом л я ч~г~> / с ~~ /еве о 77 Рис. !59 Рис.
!б! также различны: В„>~. Если показатель преломления радиатора удовлетворяет условию р, > 1/л > Ве, то фотоумножитель зарегистрирует световой импулъс только прн прохождении к-мезона. Протоны будут проходить через счетчик, не вызывая в нем свечения. Одна из возможных конструкций дифференциального черен- ковского счетчика показана на рис. 160 (в двух проекциях). Здесь Р— радиатор, ЦЗ вЂ” цилиндрическое зеркало, Э вЂ” экран, 3— плоское зеркало, Ф вЂ” фотоумножитель. Из рисунка видно, что такое устройство может регистрировать излучение Вавилова— Черенкова только от частиц с определенной скоростью ~~Щ которой соответствует угол 8+ М.
Излучение Вавилова— Черпакова, вызванное частицами с другой скоростью, не попадает в фотоумножители. Впервые счетчик описанной конструкции был использован в опыте по регистрации антипротона (см. з 94). Для измерения скоростей ультрарелятивистских частиц (В» аа1) используются газовые черенковские счетчики, показатель преломления которых лишь немного превъпнает единицу (его можно измеюпь, регулируя давление газа в счетчике). Схема устройства газового дифференциального счетчика показана иа рнс.
!61. з вк переходное мзлучевае зфз Заряженные частицы движугся со скоростью 1) в газовой среде вдоль оси 00' и в любой точке своей траектории испускают излучение Вавилова — Черенкова под одним и тем же углом О(р) к оси. Из оптики известно, что такие лучи должны собираться линзой Л в фокальной плоскости в виде кольца, радиус которого Я(О) определяется углом О (и фокусным расстоянием линзы). Если в фокальной плоскости линзы помесппь кольцевую диафрагму Д с кольцевой щелью радиусом М(О), то через нее будет проходить свет только от частиц со скоростью ~~/1р.
Лучи этого света после отражения в зеркале 3 будуг зарегистрированы фотоумножителем Ф. Частицы с другой скоростью р' вызовут свечение под другим углом О' к оси 00', которое, пройдя линзу, соберется в кольцо другого радиуса Я(О') и, следовательно, не пройдет через диафрагму. Газовые черенковские счетчики широко применяются в физике частиц высоких энергий. Современные счетчики (например, используемый в экспериментах, проводящихся на Серпуховском ускорителе) имеют размеры около 10м. $28.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
