切连科夫辐射.doc

浅谈切连科夫辐射的应用

摘要：1934年切连科夫在苏联的《苏联科学学院报》上发表论文，宣布把镭源发出的辐射穿透某些高折射率的介质，包括液体和固体，并被介质吸收时，从介质里会发出一种特殊的辐射，浅蓝色的微弱的可见光。人们就把这种特殊的辐射称为切连科夫辐射，这种辐射应该早在几十年中间早就被医生和X射线专家观察到过，因为X射线射荧光物质会发出强烈的荧光。在一定的条件下就会伴随着切连科夫辐射。
关键词：切连科夫辐射 超级神冈探测器 切连科夫计数器
On the application of cherenkov radiation

Summary: 1934 cherenkov in the Soviet Union of the Soviet Academy of Sciences journal published papers. Announced that penetrate some radium sources of radiation generated by high refractive index of the medium.including liquid and solid. And when absorbed by the media, will issue a special kind of radiation from the media. The faint light blue visible light. They are put in this special, known as cherenkov radiation. Should have in the Middle decades of this radiation would have been doctors and experts have observed x-rays, x-ray laser phosphor will send a strong fluorescence. Under certain conditions. Be accompanied by cherenkov radiation.
Key words: Cerenkov radiation Super God gang probe Cerenkov counter
引言：高速荷电粒子在介质中穿行时，如果粒子速度大于介质中的光速,就会产生一种特殊辐射,它具有明显的方向性和强偏振等特点。作匀速直线运动的带电粒子，当其速度大于介质中的光速时，它所辐射的电磁波将集中在粒子后方一个圆锥形区域中。介质中运动的物体速度超过该介质中光速时发出的一种以短波长为主的电磁辐射，其特征是蓝色辉光。这种辐射是1934年由俄罗斯物理学家帕维尔·阿列克谢耶维奇·切连科夫（俄语：Павел Алексеевич Черенков）发现的，因此以他的名字命名。1937年另两名俄国物理学家伊利亚·弗兰克（俄语：Илья́ Миха́йлович Франк）和伊戈尔·塔姆（俄语：И́горь Евге́ньевич Та́мм）成功地解释了切连科夫辐射的成因，三人因此共同获得1958年的诺贝尔物理学奖。

切连科夫简介：
帕维尔·阿列克谢耶维奇·切连科夫（Павел Алексеевич Черенков，1904年－1990年1月6日），苏联物理学家，曾发现切连科夫辐射并因此获得1958年诺贝尔物理学奖。
切连科夫1904年出生于俄罗斯帝国沃罗涅日州的一个农民家庭，1928年从沃罗涅日州立大学毕业数学和物理系毕业，1930年开始在列别捷夫物理研究所担任高级研究员职务，同年结婚，婚后育有一子一女。1940年，切连科夫获得了博士学位。1934年，在瓦维洛夫的指导下，切连科夫研究了放射线穿过流体时所发生的现象，观察到了一种淡蓝色的辉光。虽然这种蓝光已经被前人所观察到，但是他们都认为是荧光。切连科夫在实验中仔细排除了水中产生荧光的杂质，而蓝色辉光仍然存在。他于1934年至1937年间陆续发表了一系列论文，详细记载了这一现象的性质，该现象因此被称为“切连科夫辐射”（又称“切连科夫辐射效应”）。1937年，切连科夫的同事弗兰克和塔姆成功解释了切连科夫辐射的成因。切连科夫辐射在粒子物理学中是一项非常重要的研究手段。因切连科夫辐射的发现和解释，1946年，切连科夫同瓦维洛夫、弗兰克和塔姆一道获得苏维埃国家奖，1958年，切连科夫又与弗兰克、塔姆共同获得诺贝尔物理学奖。切连科夫于1970年当选苏联科学院院士，1984年获得苏联“苏联社会主义劳动英雄”称号。1990年，切连科夫在莫斯科逝世。
切连科夫辐射
1 物理学解释：
根据狭义相对论，具有静质量的物体运动速度不可能超过真空中的光速c，而光在介质中的传播速度（相速度）是小于c的，例如在水中（折射率n为1.33）光仅以0.75c的相速度在传播。物体可以被加速到超过介电质中的光相速，加速的来源可以是核反应或者是粒子加速器。当超过介电质中光速的粒子是带电时（通常是电子）并通过这样的介质时，切连科夫辐射即会产生。
此外，要超过的光速是光的相速度而非群速度。透过采用周期性介质（periodic medium）的方法，光的相速度可以被大幅改变，甚至可以让切连科夫辐射没有最小粒子速度的限制——此现象称为史密斯-柏塞尔效应（Smith-Purcell effect）。在更复杂的周期性介质中，例如光子晶体，可以得到各式各样的异常切连科夫效应（anomalous Cherenkov effects），例如反向传播的辐射（在寻常
切仑可夫辐射中，辐射和粒子速度呈一锐角）。

切连科夫辐射的几何关系

和切连科夫辐射相类比的是超音速飞行器或子弹的音爆现象。由超音速物体产生的音波速度无法快到足以离开物体，因此波“堆积”了起来，形成了一个震波波前。类似的情形，快船超过水波速度时也会在水面上产生很大的弓形震波（bow shock）。相同地，当一个带电的超光速粒子行经绝缘体，会产生光子震波。
右图中，c是真空光速，n是介质折射率，v是粒子速度（红色箭头），β是v/c。蓝色箭头则是发出的光子。几何上，此二方向之角度关系为：

2 特性：
切连科夫辐射的总强度与入射带电粒子的速度成比例关系，另外粒子数量越多总强度也越强。与萤光或受激放射的电磁频谱具有特定频率的峰值的情形相异，切连科夫辐射的频谱是呈连续性的。一个频率下的相对强度与该频率呈正比，也就是说在切连科夫辐射，高频率（短波长）会有较强的强度。这解释了为何可见光波段部分的切连科夫辐射看起来呈亮蓝色。实际上，多数切连科夫辐射是在紫外线波段——当带电粒子被更充足地加速后，才会使可见光波段变得明显而得见；人眼感光最敏锐的波段是绿色光（平均为555纳米），对于蓝色光到紫色光的感应度则相当低。
如同音爆的情形一般，震波椎的角度与波源速度呈反比，在切连科夫辐射也是如此。因此，观测到的入射角可以用来计算产生切连科夫辐射的带电粒子的方向及速度。 切连科夫辐射的总强度与入射带电粒子的速度成比例关系，另外粒子数量越多总强度也越强。

3 切连科夫的应用：切连科夫辐射并非介质中运动的粒子（或物体）本身发出的辐射，而是介质中的极化电流发出的。在粒子物理学中切连科夫辐射是一项非常重要的研究手段。例如Belle实验的切连科夫计数器，以及研究中微子震荡的超级神冈探测器，都是目前运作中的实际应用。从宇宙空间中进入地球大气层的某些高能粒子，运动速度接近光速，可以发出切连科夫辐射。针对切连科夫辐射设计出的切连科夫探测器可以检测切连科夫辐射的强度和方位，从而探测出高能粒子。目前在中微子研究相关的实验中，都有广泛的利用
贝尔实验（Belle experiment）为世界上两大B介子工厂之一，是一个国际合作的实验计划使用日本高能加速器研究机构的KEKB加速器来进行CP对称性破坏的研究。 贝尔实验的名称Belle由来，乃是因为此实验的研究需要产生大量的B介子，而产生的来源是由电子（electron）与正电子（电子的镜像反粒子，el）对撞生成的。参与此实验的研究团队包含有来自17个国家，超过400位物理学家与技术人员所组成的。
超级神冈探测器（Super-Kamiokande）是日本东京大学建造的大型中微子探测器，最初目标是探测质子衰变，也能够探测太阳、地球大气和超新星爆发产生的中微子。它位于日本岐阜县飞騨市神冈町（旧吉城郡）神冈矿山的一个深达1000米的废弃砷矿中，主要部分是一个高41.4米、直径39.3米的圆柱形容器，盛有5万吨高纯度的水，容器的内壁上安装有11200个光电倍增管，用于探测高速中微子在水中通过时产生的切连科夫辐射。
这台探测器最初名为神冈核子衰变实验（KamiokaNDE），于1982年开始建造，1983年完工，圆柱形容器高16米，直径15.6米，装有3000吨水和大约1000只光电倍增管，目的是探测粒子物理学中的一个基本问题——质子衰变。1985年，探测器开始进行扩建，名为神冈核子衰变实验II期（KamiokaNDE-II），灵敏度大大提高。1987年2月，神冈探测器与美国的探测器共同发现了大麦哲伦云中超新星1987A爆发时产生的中微子，这是人类首次探测到太阳系以外的天体产生的中微子。
尽管神冈探测器最初探测质子衰变的目标始终没有实现，但却可以接收来自太阳的中微子，并且测量其入射的方向，研究太阳中微子缺失问题。20世纪90年代，神冈探测器经过再次扩建，于1996年开始观测，名为超级神冈探测器，容量扩大了十倍。1998年，超级神冈探测器的领导者、日本科学家小柴昌俊发表了测量结果，给出中微子振荡的首个确切证据，认为中微子在三种不同“味”之间是可以相互转换的，这也表明中微子是有质量的，而不是粒子物理标准模型中预言的零质量粒子。2002年，超级神冈探测器证实反应堆中产生的中微子发生了振荡。这个结果在中微子天文学和粒子物理学中具有里程碑式的意义，小柴昌俊因此获得2002年的诺贝尔物理学奖。
2001年11月12日，超级神冈探测器数千只光电倍增管由于连锁反应突然爆裂，随后工作人员重新排列了未损坏的光电倍增管，使其恢复了一部分工作能力，并加上了聚甲基丙烯酸甲酯保护壳，防止其进一步损坏。2005年7月到2006年6月，超级神冈探测器重新安装了6000只光电倍增管。
切连科夫计数器 （Cerenkov counter）
一种利用切连科夫辐射的粒子探测器。当粒子种类已知时，一定的发射角对应一定的粒子能量。利用这种效应可探测加速器或宇宙线中的高能电子、质子、介子及高能γ射线。切连科夫计数器由产生切连科夫光的辐射体和探测这种光的光电倍增管组成。玻璃、水、透明的塑料均可用作辐射体。此外,气体（如CO2）也能产生切连科夫光，虽然其辐射强度比固体或液体小,但是,由于它的折射率小,可用来探测更高速度的粒子。所以,应根据所探测粒子的速度范围，适当选用辐射体。切连科夫辐射的持续时间仅10-10秒，与快速光电倍增管配合,切连科夫计数器有很高的时间分辨率。 在γ射线天文中，切连科夫计数器常与闪烁计数器构成望远镜，用于探测10兆电子伏以上的γ射线。图中所示是卫星上用的一架计数器望远镜，用切连科夫计数器探测γ射线产生的电子对，从而识别γ射线的入射方向。对于几百兆电子伏以上的γ射线，则使用气体切连科夫计数器，它与闪烁计数器联合使用，有方向性好、本底小的优点。大于106兆电子伏的γ光子在大气中产生空气簇射,其高能正负电子对能使大气成为辐射体,产生切连科夫辐射,其方向接近高能γ光子进入大气层时的方向，可在地面用光电倍增管进行探测，构成独特的切连科夫计数器望远
4 新的科学研究：
超光速的存在：
超光速(faster-than-light, FTL或称superluminality)会成为一个讨论题目，源自于相对论中对于局域物体不可超过真空中光速c的推论限制，光速（真空中大约为30万千米/秒）成为许多场合下速率的上限值。在此之前的牛顿力学并未对超光速的速度作出限制。
而在相对论中，运动速度和物体的其它性质，如质量甚至它所在参考系的时间流逝等，密切相关，速度低于（真空中）光速的物体如果要加速达到光速，其质量会增长到无穷大因而需要无穷大的能量，而且它所感受到的时间流逝甚至会停止（如果超过光速则会出现“时间倒流”），所以理论上来说达到或超过光速是不可能的（至于光子，那是因为它们本身质量为零）。但也因此使得物理学家（以及普通大众）对于一些“看似”超光速的物理现象特别感兴趣。但是在介质中，物体的运动速度超过介质中的光速则是可能的。因为光速在介质中会下降。这种情况下会产生一些特别的现象。假使物体带电，则会发出蓝色光为主的“切连科夫辐射”。
人们所感兴趣的超光速，一般是指超光速传递能量或者信息。根据狭义相对论，这种意义下的超光速旅行和超光速通讯一般是不可能的。目前关于超光速的争论，大多数情况是某些东西的速度的确可以超过光速，但是不能用它们传递能量或者信息。但现有的理论并未完全排除真正意义上的超光速的可能性。
讨论第一种情况：并非真正意义上的超光速。
切连科夫效应：
　　媒质中的光速比真空中的光速小。粒子在媒质中的传播速度可能超过媒质中的光速。在这种情况下会发生辐射，称为切仑科夫效应。这不是真正意义上的超光速，真正意义上的超光速是指超过真空中的光速。

参考文献：
[1] 科学前沿与未来 香山科学会议 中国环境出版社
[2] 电动力学 第三版 郭硕鸿 高等教育出版社
[3] 《大学物理学·波动与光学》 张三慧 清华大学出版社
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