เครื่องตรวจจับเชเรนคอฟ

เครื่องตรวจจับเชเรนคอฟ (การออกเสียง: /tʃɛrɛnˈkɔv/; รัสเซีย: Черенко́в) เป็นเครื่องตรวจจับอนุภาค ชนิดหนึ่ง ที่ออกแบบมาเพื่อตรวจจับและระบุอนุภาคโดยใช้รังสีเชเรนคอฟ ที่เกิด ขึ้น เทคนิคการวินิจฉัยพลังงานสูงหลายอย่างใช้ประโยชน์จากรังสีเชเรนคอฟเนื่องจากมีคุณสมบัติเฉพาะตัวเมื่อเทียบกับการแผ่รังสีรูปแบบอื่น เครื่องตรวจจับเชเรนคอฟใช้ในฟิสิกส์นิวเคลียร์ฟิสิกส์รังสีคอสมิก ฟิสิกส์อนุภาคและฟิวชั่นแบบกักเก็บด้วยแรงเฉื่อย Jelley ^{[ 1 ]}ระบุข้อดีดังต่อไปนี้

• สามารถนับได้อย่างรวดเร็ว ตอบสนองได้รวดเร็ว และมีอัตราการนับสูง
• การหาความเร็วโดยตรง หากทราบมวล
• การเลือกปฏิบัติทางพลังงาน
• การหาค่าประจุ เนื่องจากรังสีเชเรนคอฟแปรผันตรงกับค่าประจุยกกำลังสอง${\displaystyle q^{2}}$
• การนับจำนวนในพื้นที่ขนาดใหญ่ โดยเฉพาะในบริเวณที่มีรังสีคอสมิก ซึ่งการใช้เครื่องตรวจจับขนาดเมตรจำนวนมากเป็นสิ่งที่เหมาะสม
• การเลือกทิศทาง

และระบุว่าโดยทั่วไปแล้วไม่สามารถใช้กับอนุภาคพลังงานต่ำ (<175 keV) ได้ เนื่องจากมีการปล่อยแสงที่อ่อน จึงมักต้องใช้การขยายสัญญาณผ่านหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์หรือเทคนิคอื่นๆ

เครื่องตรวจจับเชเรคนอฟนั้นแตกต่างจากเทคนิคการวัดอนุภาคนิวเคลียร์อื่นๆ เช่นเครื่องนับแสงวับหรือเครื่องตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์

รังสีเชเรนคอฟเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ผ่านวัสดุด้วยความเร็วที่มากกว่าความเร็วแสง ปรากฏการณ์นี้คล้ายคลึงกับการเกิดเสียงดังสนั่นเมื่อเครื่องบินบินด้วยความเร็วที่มากกว่าความเร็วของคลื่นเสียง ในการสร้างแสงเชเรนคอฟ อนุภาคที่มีประจุจะต้องมีความเร็วและพลังงานสูงพอที่จะตรงตามเงื่อนไขดังกล่าว

${\displaystyle v>{\frac {c}{n}}}$หรือ ${\displaystyle \beta >{\frac {1}{n}}}$

โดยที่คือความเร็วของอนุภาค ซึ่งมากกว่าความเร็วแสงในสุญญากาศหารด้วยดัชนีหักเหของตัวกลาง หรือเทียบเท่ากับ ที่มีค่าเบตาเชิงสัมพัทธภาพ เงื่อนไขเกณฑ์สามารถแสดงได้ในรูปของพลังงานของอนุภาคประจุผ่านสูตรของแฟรงก์-แทมม์ดังนี้ ${\displaystyle v}$${\displaystyle c}$${\displaystyle n}$${\displaystyle \beta ={\frac {v}{c}}}$

${\displaystyle E_{\text{th}}={\bigg (}{\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {1}{n^{2}}}}}}-1{\bigg )}mc^{2}}$.

ดังนั้นอนุภาคที่ตกกระทบจะต้องมีพลังงานสูงกว่าค่าเฉพาะค่าหนึ่งจึงจะสามารถสร้างรังสีเชเรนคอฟได้ ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและความเร็วนี้ใช้ในการระบุอนุภาคโดยการตรวจจับแบบไบนารี ใช่/ไม่ใช่ ว่ามีการสร้างแสงเชเรนคอฟหรือไม่ ทิศทางที่แสงนี้ถูกปล่อยออกมาจะอยู่ในรูปทรงกรวยรอบทิศทางที่อนุภาคเคลื่อนที่ โดยมุมเชเรนคอฟมีความสัมพันธ์ดังนี้ ${\displaystyle \theta _{c}}$

${\displaystyle \cos(\theta _{c})={\frac {c}{nv}}={\frac {1}{n\beta }}}$.

หากวัดมุมได้ ก็สามารถกำหนดความเร็วของอนุภาคได้ โดยความละเอียดมักจะถูกจำกัดด้วยข้อผิดพลาดทางสี การพึ่งพาความยาวคลื่นของแสงเชเรนคอฟนั้นต่อเนื่องและเป็นไปตามสูตรของแฟรงก์-แทมม์

${\displaystyle {\frac {dN_{\text{Cherenkov}}}{d\lambda }}\approx {\frac {2\pi \alpha }{\lambda ^{2}}}{\bigg (}1-{\frac {1}{\beta ^{2}n(\lambda )^{2}}}{\bigg )}(\Delta x)}$.

จำนวนโฟตอนเชเรนคอฟ ( ) ขึ้นอยู่กับค่าคงที่ต่างๆ เช่น ค่าคงที่โครงสร้างละเอียด ( ) และความยาวเส้นทางที่สำคัญคือ ความถี่ของโฟตอนเชเรนคอฟมี ความสัมพันธ์กับความยาวคลื่น ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะที่แตกต่างจากรังสีชนิดอื่นๆ เช่นรังสีเบร็มส์ตรัลลุงรังสีเส้นหรือสารเรืองแสงเมื่อทำการอินทิเกรตสมการนี้ ขอบเขตของการอินทิเกรตจะเป็นไปตามเงื่อนไขความเร็วเชเรนคอฟเท่านั้น โดยทั่วไปแล้ว ด้วยการกระจายตัวในวัสดุ ความถี่สูงสุดจะอยู่ที่ประมาณ 200 นาโนเมตร ขึ้นอยู่กับดัชนีหักเห ด้วยเหตุนี้ รังสีเชเรนคอฟจึงมักสว่างที่สุดในช่วงรังสีอัลตราไวโอเลต/แสงที่มองเห็นได้ ตั้งแต่ 200 ถึง 400 นาโนเมตร ซึ่งสำหรับสายตามนุษย์จะทำให้เห็นสีฟ้าที่เป็นเอกลักษณ์ อย่างไรก็ตาม รังสีเชเรนคอฟสามารถปล่อยออกมาได้ในทุกช่วงความถี่ที่ตรงตามเงื่อนไข กล่าวคือ ลงไปถึงช่วงความถี่วิทยุ ${\displaystyle N_{\text{Cherenkov}}}$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \Delta x}$${\displaystyle N_{\text{Cherenkov}}\propto {\frac {1}{\lambda ^{2}}}}$

นอกจากนี้ วิธีการผลิตเชเรนคอฟยังรวดเร็วมาก โดยเรียงลำดับแรกคือเวลาผ่านของอนุภาคที่มีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสงที่ผ่านวัสดุในระยะทางหนึ่ง การคำนวณโดยละเอียดประมาณการว่าพัลส์เชเรนคอฟจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ ~1 ถึง 100 เฟมโตวินาที ขึ้นอยู่กับรายละเอียด และภายใต้เงื่อนไขเฉพาะอาจเป็นแอตโตวินาทีหรือสั้นกว่านั้น^{[ 2 ]}ในเครื่องตรวจจับ ความละเอียดเชิงเวลาของเครื่องตรวจจับเชเรนคอฟขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของพัลส์หรือความเร็วของเทคนิคการขยายสัญญาณ เช่น โฟโตมัลติพลายเออร์

คุณสมบัติเด่นอื่นๆ ได้แก่ แสงเชเรนคอฟเป็นแสงที่สอดคล้องกันและมีโพลาไรซ์

เครื่องตรวจจับเชเรนคอฟส่วนใหญ่มีเป้าหมายเพื่อบันทึกแสงเชเรนคอฟที่เกิดจากอนุภาคประจุหลัก เทคโนโลยีเซ็นเซอร์บางอย่างมีเป้าหมายเฉพาะเจาะจงไปที่แสงเชเรนคอฟที่เกิดจากอนุภาคทุติยภูมิ ไม่ว่าจะเป็นการปล่อยแสงแบบไม่สอดคล้องกัน เช่นที่เกิดขึ้นในฝักอนุภาค แม่เหล็กไฟฟ้า หรือการปล่อยแสงแบบสอดคล้องกัน เช่นปรากฏการณ์อัสการ์ยาน

เครื่องตรวจจับ Cherenkov สามารถจำแนกได้เป็นเครื่องตรวจจับแบบเกณฑ์หรือแบบภาพ (รวมถึงภาพแบบดิฟเฟอเรนเชียลหรือแบบวงแหวน) ^{[ 3 ]}สามารถจำแนกได้ตามประเภทของตัวกลาง Cherenkov - ก๊าซ แอโรเจล ของเหลว ของแข็ง เมตาวัสดุ สามารถเก็บรวบรวมโฟตอนเดี่ยวหรือโหมดกระแสได้ สามารถจำแนกได้ตามประเภทการเก็บรวบรวมโฟตอน - ก๊าซ สุญญากาศ หรือสถานะของแข็ง

Jelley ^{[ 1 ]}จำแนกเครื่องตรวจจับ Cherenkov เป็นแบบโฟกัส ซึ่งระบบออปติคอลจะโฟกัสแสง หรือแบบไม่โฟกัส ซึ่งแสงจะถูกรวบรวมแบบกระจาย

เครื่องตรวจจับแบบ Cherenkov threshold ถูกนำมาใช้สำหรับการวัดเวลาอย่างรวดเร็วและเวลาในการเดินทางของอนุภาคในเครื่องตรวจจับอนุภาค

การออกแบบที่ซับซ้อนกว่านั้นจะใช้ปริมาณแสงที่ผลิตได้ โดยการบันทึกแสงจากทั้งอนุภาคปฐมภูมิและอนุภาคทุติยภูมิ สำหรับเครื่องวัดพลังงานเชเรนคอฟ ผลผลิตแสงทั้งหมดจะเป็นสัดส่วนกับพลังงานของอนุภาคที่ตกกระทบ

การ ทดลอง LHCbที่CERNใช้ เครื่องตรวจ จับ RICHเมื่ออนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางของเครื่องตรวจจับ (C4F10 สำหรับ RICH-1 และ CF4 สำหรับ RICH-4) มันจะปล่อยรังสี Cherenkov ออกมาในรูปแบบวงแหวน จากนั้นจะใช้เครื่องตรวจจับโฟตอนเพื่อตรวจจับโฟตอน Cherenkov และโดยการวัดมุมที่โฟตอน Cherenkov ถูกสร้างขึ้น ความเร็วของอนุภาคจะถูกกำหนด จากนั้นสามารถใช้ข้อมูลนี้ร่วมกับข้อมูลที่ได้รับจากส่วนอื่นๆ ของเครื่องตรวจจับ (เช่น โมเมนตัมและประจุของอนุภาค) เพื่อระบุประเภทของอนุภาค^{[ 4 ]}

เครื่อง ตรวจจับ Super-Kamiokandeในญี่ปุ่นเป็นเครื่องตรวจจับ Cherenkov ที่ใช้ตรวจจับนิวตริโนประกอบด้วยน้ำบริสุทธิ์พิเศษ 50,220 ตัน ซึ่งใช้เป็นตัวกลาง เมื่อนิวตริโนเคลื่อนที่ผ่านน้ำ พวกมันจะมีโอกาสเล็กน้อยที่จะทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนหรือนิวเคลียสในน้ำ ทำให้เกิดอิเล็กตรอนหรือมิวออนอนุภาคเหล่านี้มีพลังงานสูงและสร้างรังสี Cherenkov เป็นรูปกรวยขณะเคลื่อนที่ผ่านน้ำ แสง Cherenkov จะถูกตรวจจับเป็นลักษณะวงกลมโดยหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ที่วางอยู่รอบเครื่องตรวจจับ และสามารถแยกแยะระหว่างมิวออนและอิเล็กตรอนได้จากความพร่ามัวของวงแหวน มิวออนเป็นอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์อ่อนและสามารถเคลื่อนที่ผ่านเครื่องตรวจจับได้โดยไม่มีสิ่งกีดขวาง ทำให้เกิดวงแหวนที่คมชัด ในขณะที่อิเล็กตรอนจะกระเจิงในน้ำทำให้เกิดวงแหวนที่พร่ามัวกว่ามาก^{[ 5 ]}

เครื่องตรวจจับเชเรนคอฟแบบใช้แก๊สใช้ในการวัดพัลส์รังสีแกมมาความเร็วสูงจาก การทดลอง ฟิวชั่นนิวเคลียร์ที่ถูกกักขังด้วยแรงเฉื่อยเช่น ที่OMEGA LaserและNational Ignition Facilityโฟตอนรังสีแกมมาผ่านหน้าต่างเบริลเลียมซึ่งจะถูกแปลงเป็นอิเล็กตรอนสัมพัทธภาพผ่านการกระเจิงคอมป์ตันซึ่งจะสร้างรังสีเชเรนคอฟเมื่อผ่านห้องที่มีคาร์บอนไดออกไซด์อัดความดัน แม้ว่าเครื่องตรวจจับเชเรนคอฟเหล่านี้จะขาดความละเอียดในการถ่ายภาพหรือสเปกตรัม แต่ก็มีความละเอียดเชิงเวลาที่รวดเร็วมาก ทำให้มีประโยชน์สำหรับการวัดวิวัฒนาการของพัลส์ฟิวชั่นตามเวลา ซึ่งอาจสั้นกว่า 100 พิโควินาที^{[ 6 ] [ 7 ]}

• เครื่องตรวจจับเชเรนคอฟแบบภาพวงแหวน (RICH)
• การตรวจจับแสงเชเรนคอฟสะท้อนภายใน (DIRC)
• ซูเปอร์คามิโอคันเดะ