Tscherenkow-Strahlung (Cherenkov radiation)

Tscherenkow-Strahlung ( ) ist eine elektromagnetische Strahlung, die emittiert wird, wenn ein geladenes Teilchen (z. B. ein Elektron) ein dielektrisches Medium (z. B. …) passiert.

Cherenkov-Strahlung () stellt elektromagnetische Strahlung dar, die entsteht, wenn ein geladenes Teilchen (z. B. ein Elektron) ein dielektrisches Medium (z. B. destilliertes Wasser) mit einer Geschwindigkeit durchquert, die die Phasengeschwindigkeit (d. h. die Geschwindigkeit der Wellenfrontausbreitung) des Lichts in diesem spezifischen Medium überschreitet. Eine wesentliche Manifestation der Tscherenkow-Strahlung ist die charakteristische blaue Lumineszenz, die in Unterwasser-Kernreaktoren beobachtet wird. Dieses Phänomen hat eine kausale Analogie mit einem Überschallknall, einem akuten akustischen Ereignis, das von Objekten erzeugt wird, die sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegen. Das Phänomen ist nach dem sowjetischen Physiker Pawel Tscherenkow benannt.

Verlauf

Diese Strahlung ist nach dem sowjetischen Wissenschaftler Pawel Tscherenkow benannt, einem Nobelpreisträger von 1958, der sie erstmals 1934 am Lebedew-Institut unter der Leitung von Sergej Wawilow experimentell identifizierte. Daher wird sie auch als Wawilow-Tscherenkow-Strahlung bezeichnet. Während seiner Experimente beobachtete Cherenkov eine subtile bläuliche Emission, die von einer in Wasser getauchten radioaktiven Probe ausging. Der Schwerpunkt seiner Doktorarbeit lag auf der Lumineszenz von Uransalzlösungen, die er mithilfe von Gammastrahlen anstelle des herkömmlich verwendeten, weniger energiereichen sichtbaren Lichts anregte. Anschließend identifizierte er die Anisotropie der Strahlung und kam zu dem Schluss, dass das beobachtete bläuliche Leuchten nicht von Fluoreszenz herrührte.

Der theoretische Rahmen für diesen Effekt wurde 1937 von Cherenkovs Mitarbeitern Igor Tamm und Ilya Frank im Kontext von Einsteins spezieller Relativitätstheorie festgelegt; Sie waren auch Mitempfänger des Nobelpreises von 1958.

Die theoretische Existenz der Tscherenkow-Strahlung, die sich als konische Wellenfronten manifestiert, wurde unabhängig vom englischen Universalgelehrten Oliver Heaviside in Veröffentlichungen aus den Jahren 1888–1889 und von Arnold Sommerfeld im Jahr 1904 vorhergesagt. Diese Vorhersagen wurden jedoch bis in die 1970er Jahre weitgehend ignoriert, hauptsächlich aufgrund der vorherrschenden Interpretation der Relativitätstheorie, die dies ausschloss überluminale Teilchengeschwindigkeiten. Im Jahr 1910 bemerkte Marie Curie ein schwaches blaues Licht, das von einer hochkonzentrierten Radiumlösung ausging, obwohl sie keine Untersuchungen zu dessen Ursprung anstellte. Anschließend dokumentierte der französische Strahlentherapeut Lucien Mallet im Jahr 1926 das kontinuierliche Spektrum der Lichtstrahlung, die bei der Bestrahlung von Wasser mit Radium entsteht.

Im Jahr 2019 identifizierte ein Forschungsteam des Norris Cotton Cancer Center in Dartmouth und Dartmouth-Hitchcock die Erzeugung von Cherenkov-Licht im Glaskörper von Patienten, die Strahlentherapie erhielten. Dieses Licht wurde mithilfe eines speziellen Kamerabildgebungssystems namens CDose erfasst, das zur Beobachtung von Lichtemissionen biologischer Systeme entwickelt wurde. Über mehrere Jahrzehnte berichteten Patienten, die sich einer Strahlentherapie gegen Hirntumor unterzogen, immer wieder, dass sie Phänomene wie „Blitze von hellem oder blauem Licht“ erlebten; Diesen subjektiven Berichten fehlte jedoch zuvor eine experimentelle Bestätigung.

Physischer Ursprung

Grundlagen

Obwohl die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine universelle Konstante darstellt (c = 299.792.458 m/s), kann ihre Geschwindigkeit innerhalb eines materiellen Mediums aufgrund der Brechungseigenschaften des Mediums erheblich reduziert werden. Im Wasser beträgt diese Geschwindigkeit beispielsweise etwa 0,75‍c. Bei Kernreaktionen und in Teilchenbeschleunigern kann Materie Geschwindigkeiten erreichen, die diese reduzierte Geschwindigkeit überschreiten, auch wenn sie unter c, der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, bleiben. Tscherenkow-Strahlung wird folglich erzeugt, wenn sich ein geladenes Teilchen, typischerweise ein Elektron, mit einer Geschwindigkeit durch ein dielektrisches Medium ausbreitet, die die Phasengeschwindigkeit des Lichts in diesem spezifischen Medium überschreitet.

Dieses Phänomen kann intuitiv wie folgt verstanden werden. Die klassische Physik besagt, dass beschleunigte geladene Teilchen elektromagnetische Wellen aussenden. Nach dem Huygens-Prinzip erzeugen diese Wellen sphärische Wellenfronten, die sich mit der Phasengeschwindigkeit des Mediums ausbreiten, also der Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium, definiert als $c/n$ , wobei $n$ stellt den Brechungsindex dar. Wenn ein geladenes Teilchen ein Medium durchquert, polarisieren die Partikel, aus denen es besteht, in seiner Umgebung. Das geladene Teilchen regt die Moleküle im polarisierbaren Medium an; Anschließend kehren diese Moleküle in ihren Grundzustand zurück und geben die absorbierte Anregungsenergie als Photonen wieder ab. Diese Photonen verschmelzen zu kugelförmigen Wellenfronten, die sichtbar vom sich bewegenden Teilchen ausgehen. Wenn die Geschwindigkeit des geladenen Teilchens, $v_{\text{p}}<c/n$ kleiner als die Lichtgeschwindigkeit im Medium ist, bleibt das das Teilchen umgebende Polarisationsfeld typischerweise symmetrisch. Die emittierten Wellenfronten können sich zwar bündeln, sie überlappen oder kreuzen sich jedoch nicht, so dass nennenswerte Interferenzphänomene ausgeschlossen sind. Umgekehrt, wenn $v_{\text{p}}>c/n$ wird das Polarisationsfeld in der Bewegungsrichtung des Partikels asymmetrisch, da den Partikeln des Mediums nicht genügend Zeit fehlt, um in ihren zufälligen Gleichgewichtszustand zurückzukehren. Diese Asymmetrie führt zu einer Überlappung der Wellenformen, was zu konstruktiver Interferenz führt, die sich in einem charakteristischen kegelförmigen Lichtsignal manifestiert, das als Cherenkov-Licht bekannt ist und in einem bestimmten Winkel emittiert wird.

Eine häufig zitierte Analogie für dieses Phänomen ist der Überschallknall, der von einem Überschallflugzeug erzeugt wird. Die vom Flugzeug ausgesendeten Schallwellen breiten sich mit Schallgeschwindigkeit aus, die geringer ist als die Geschwindigkeit des Flugzeugs. Dadurch wird verhindert, dass sie vor dem Flugzeug voranschreiten und stattdessen eine kegelförmige Schockfront bilden. Analog kann ein geladenes Teilchen, das ein isolierendes Medium durchquert, eine „Stoßwelle“ aus sichtbarem Licht erzeugen.

Die kritische Geschwindigkeit, die überschritten werden muss, ist die Phasengeschwindigkeit des Lichts, nicht seine Gruppengeschwindigkeit. Die Verwendung eines periodischen Mediums kann die Phasengeschwindigkeit erheblich verändern und möglicherweise Cherenkov-Strahlung ohne minimale Teilchengeschwindigkeit ermöglichen, ein Phänomen, das als Smith-Purcell-Effekt bezeichnet wird. In komplexeren periodischen Medien wie photonischen Kristallen können verschiedene anomale Cherenkov-Effekte auftreten, einschließlich Rückwärtsstrahlung, die im Gegensatz zur herkömmlichen Cherenkov-Strahlung steht, die typischerweise einen spitzen Winkel relativ zur Geschwindigkeit des Teilchens bildet.

In ihrer grundlegenden theoretischen Arbeit zur Tscherenkow-Strahlung stellten Tamm und Frank fest: „Diese besondere Strahlung kann offensichtlich nicht durch einen gemeinsamen Mechanismus wie die Wechselwirkung des schnellen Elektrons mit einem einzelnen Atom oder durch Strahlungsstreuung von Elektronen an Atomkernen erklärt werden. Andererseits kann das Phänomen sowohl qualitativ als auch quantitativ erklärt werden, wenn man die Tatsache berücksichtigt, dass ein Elektron, das sich in einem Medium bewegt, Licht ausstrahlt, selbst wenn es sich gleichmäßig bewegt, vorausgesetzt, seine Geschwindigkeit ist größer als die Geschwindigkeit.“ von Licht im Medium."

Emissionswinkel

Wie im geometrischen Diagramm dargestellt, durchquert ein Teilchen (angezeigt durch den roten Pfeil) ein Medium mit einer Geschwindigkeit $v_{\text{p}}$ ${\frac {c}{n}}<v_{\text{p}}<c,$ $c bezeichnet die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, und stellt die dar Brechungsindex des spezifischen Mediums. Wenn das Medium beispielsweise Wasser ist, lautet die Bedingung$ $0.75c<v_{\text{p}}<c$ $n\ approx 1.33$

Das Verhältnis der Geschwindigkeit des Teilchens zur Lichtgeschwindigkeit ist definiert als $\beta ={\frac {v_{\text{p}}}{c}}.$

Die Anfangsposition des superluminalen Teilchens zum Zeitpunkt t = 0 wird durch den linken Scheitelpunkt des Dreiecks angezeigt. Der spätere Ort des Teilchens zu einem späteren Zeitpunkt t entspricht der rechten Spitze des Dreiecks. Während dieses Intervalls t legt das Teilchen eine Strecke $x_{\text{p}}=v_{\text{p}}t=\beta \,ct$

Folglich wird der Emissionswinkel durch die folgende Beziehung bestimmt: $\cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}$ 19§nβ{\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}}.

Der abgeleitete Emissionswinkel gilt als willkürlich.

Tscherenkow-Strahlung kann auch durch den Einsatz speziell entwickelter eindimensionaler Metamaterialien beliebig gelenkt werden. Diese Metamaterialien sollen einen Gradienten der Phasenverzögerung entlang der Flugbahn eines sich schnell bewegenden Teilchens einführen ( $d\phi /dx$ ), wodurch die Umkehrung oder Lenkung der Cherenkov-Emission in beliebigen Winkeln ermöglicht wird, wie durch die verallgemeinerte Beziehung definiert: $\cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}+{\frac {n}{k_{0}}}\cdot {\frac {d\phi }{dx}}$ 46§ n β + n k §6667§ ⋅ d ϕ d x {\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}+{\frac {n}{k_{0}}}\cdot {\frac {d\phi }{dx}}}

Da dieses Verhältnis zeitunabhängig ist, ist es möglich, beliebige Zeitintervalle auszuwählen und die Bildung ähnlicher Dreiecke zu beobachten. Die Konstanz des Winkels impliziert, dass nachfolgende Wellen, die zwischen einem Anfangszeitpunkt von t = 0 und einem Endzeitpunkt von t erzeugt werden, ähnliche Dreiecke erzeugen, deren rechte Endpunkte mit der dargestellten Konfiguration übereinstimmen.

Umgekehrter Cherenkov-Effekt

Der umgekehrte Cherenkov-Effekt kann in Metamaterialien mit negativem Index beobachtet werden, die durch eine Subwellenlängen-Mikrostruktur gekennzeichnet sind, die effektive Durchschnittseigenschaften verleiht, die sich deutlich von denen ihrer Bestandteile unterscheiden, insbesondere negative Permittivität und negative Permeabilität aufweisen. Wenn ein geladenes Teilchen, typischerweise ein Elektron, ein solches Medium mit einer Geschwindigkeit durchquert, die die Phasengeschwindigkeit des darin enthaltenen Lichts überschreitet, emittiert das Teilchen folglich Strahlung, die seinem Weg folgt, anstatt ihm vorauszugehen, anders als die Emission, die bei herkömmlichen Materialien mit positiver Permittivität und Permeabilität beobachtet wird. Darüber hinaus kann diese Cherenkov-Strahlung mit umgekehrtem Kegel auch in periodischen Medien ohne Metamaterial erzeugt werden, bei denen die Periodizität der Struktur mit der Wellenlänge vergleichbar ist, was ihre Behandlung als effektiv homogenes Metamaterial ausschließt.

Im Vakuum

Der Cherenkov-Effekt ist auch im Vakuum beobachtbar. In einer Struktur mit langsamen Wellen, beispielsweise einer Wanderfeldröhre (TWT), wird die Phasengeschwindigkeit verringert, sodass geladene Teilchen diese Phasengeschwindigkeit überschreiten können, während sie dennoch eine Geschwindigkeit unter $beibehalten c$ . In solchen Systemen kann dieses Phänomen aus der Energie- und Impulserhaltung abgeleitet werden, wobei der Impuls des Photons definiert ist als $p=\hbar \beta$ (mit $\beta$ stellt die Phasenkonstante dar), abweichend von der De-Broglie-Beziehung $p=\hbar k$ . Diese spezielle Art von Strahlung, bekannt als Vakuum-Tscherenkow-Strahlung (VCR), wird bei der Erzeugung von Hochleistungsmikrowellen eingesetzt.

Kollektiv Cherenkov

Strahlung mit Eigenschaften, die mit denen herkömmlicher Tscherenkow-Strahlung identisch sind, kann durch elektrische Stromstrukturen erzeugt werden, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit ausbreiten. Durch die Manipulation von Dichteprofilen in Plasmabeschleunigungskonfigurationen können Strukturen gebildet werden, die Ladungen bis zu Nanocoulomb tragen, möglicherweise die Lichtgeschwindigkeit überschreiten und optische Schocks im Cherenkov-Winkel aussenden. Da einzelne Elektronen subluminal bleiben, unterscheidet sich die Elektronenpopulation, die die Struktur zu einem bestimmten Zeitpunkt t = t§56§ ausmacht, von der Elektronenpopulation innerhalb der Struktur zu einem späteren Zeitpunkt t > t§1314§.

Merkmale

Die spektrale Verteilung der von einem Teilchen emittierten Cherenkov-Strahlung wird durch die Frank-Tamm-Formel genau definiert: {\left(1-{\frac {c^{2}}{v^{2}n^{2}(\omega )}}\right)}}" display="block" xmlns="w3.org/1998/Math/MathML"> d §15 ${\frac {\mathrm {d} ^{2}E}{\mathrm {d} x\,\mathrm {d} \omega }}={\frac {q^{2}}{4\pi }}\mu (\omega )\omega {\left(1-{\frac {c^{2}}{v^{2}n^{2}(\omega )}}\right)}$ E d x d ω = q §49 ${\frac {\mathrm {d} ^{2}E}{\mathrm {d} x\,\mathrm {d} \omega }}={\frac {q^{2}}{4\pi }}\mu (\omega )\omega {\left(1-{\frac {c^{2}}{v^{2}n^{2}(\omega )}}\right)}$ §5455§ π μ ( ω ) ω ( §8081§ − c §91 ${\frac {\mathrm {d} ^{2}E}{\mathrm {d} x\,\mathrm {d} \omega }}={\frac {q^{2}}{4\pi }}\mu (\omega )\omega {\left(1-{\frac {c^{2}}{v^{2}n^{2}(\omega )}}\right)}$ v §100 ${\frac {\mathrm {d} ^{2}E}{\mathrm {d} x\,\mathrm {d} \omega }}={\frac {q^{2}}{4\pi }}\mu (\omega )\omega {\left(1-{\frac {c^{2}}{v^{2}n^{2}(\omega )}}\right)}$ n §108 ${\frac {\mathrm {d} ^{2}E}{\mathrm {d} x\,\mathrm {d} \omega }}={\frac {q^{2}}{4\pi }}\mu (\omega )\omega {\left(1-{\frac {c^{2}}{v^{2}n^{2}(\omega )}}\right)}$ ( ω ) ) {\displaystyle {\frac {\mathrm {d} ^{2}E}{\mathrm {d} x\,\mathrm {d} \omega }}={\frac {q^{2}}{4\pi }}\mu (\omega )\omega {\left(1-{\frac {c^{2}}{v^{2}n^{2}(\omega )}}\right)}

Diese Formel quantifiziert die Energie kodierung="application/x-tex">{\displaystyle E} emittiert als Cherenkov-Strahlung pro Weglängeneinheit $x$ und Häufigkeit pro Einheit $\omega$ . In diesem Ausdruck ist $\mu (\omega )$ stellt die Durchlässigkeit dar, und $n(\omega )$ bezeichnet den Brechungsindex des Mediums, durch das sich das geladene Teilchen ausbreitet. Darüber hinaus gilt: $q$ ist die elektrische Ladung des Teilchens, $v$ ist seine Geschwindigkeit und $c$ bezeichnet die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Im Gegensatz zu Fluoreszenz oder anderen Emissionsspektren, die durch verschiedene gekennzeichnet sind Spektralspitzen weist Cherenkov-Strahlung ein kontinuierliches Spektrum auf. Im sichtbaren Bereich ist die relative Intensität pro Frequenzeinheit ungefähr proportional zur Frequenz, was darauf hinweist, dass höhere Frequenzen (entsprechend kürzeren Wellenlängen) eine größere Intensität besitzen. Das leuchtend blaue Erscheinungsbild der sichtbaren Tscherenkow-Strahlung ist darauf zurückzuführen, dass der Großteil dieser Strahlung zwar im ultravioletten Spektrum auftritt, für das menschliche Auge jedoch nur bei ausreichend energiereichen geladenen Teilchen wahrnehmbar ist; Darüber hinaus ist die Sehempfindlichkeit des Menschen im grünen Bereich am höchsten und im violetten Teil des Spektrums deutlich geringer.

Es gibt eine bestimmte Grenzfrequenz, ab der die Gleichung $\cos \theta =1/(n\beta )$ 17§ / ( n β ) {\displaystyle \cos \theta =1/(n\beta )} wird ungültig. Der Brechungsindex, bezeichnet durch $n$ , weist eine frequenzabhängige Variation (und damit eine wellenlängenabhängige Variation) auf und verhindert, dass die Intensität bei zunehmend kürzeren Wellenlängen kontinuierlich ansteigt, selbst für stark relativistische Teilchen (wobei v/c sich der Eins nähert). Bei Röntgenfrequenzen fällt der Brechungsindex unter 1; Folglich wäre keine Röntgenemission oder Strahlung kürzerer Wellenlänge, wie etwa Gammastrahlen, nachweisbar. Es ist wichtig zu beachten, dass die Phasengeschwindigkeit innerhalb eines Mediums c überschreiten kann, ohne den Relativitätsprinzipien zu widersprechen. Dennoch können Röntgenstrahlen bei bestimmten Frequenzen unmittelbar unterhalb derjenigen erzeugt werden, die mit Kernelektronenübergängen in einem bestimmten Material verbunden sind, da der Brechungsindex knapp unterhalb einer Resonanzfrequenz häufig 1 übersteigt.

Analog zu Überschallknallen und Bugschocks korreliert der Winkel des resultierenden Schockkegels direkt mit der Geschwindigkeit der Störung. Der Cherenkov-Winkel registriert Null bei der Schwellengeschwindigkeit, die für die Emission von Cherenkov-Strahlung erforderlich ist. Dieser Winkel erreicht seinen Maximalwert, wenn sich die Geschwindigkeit des Teilchens der Lichtgeschwindigkeit nähert. Folglich ermöglichen Messungen von Einfallswinkeln die Berechnung sowohl der Richtung als auch der Geschwindigkeit einer Ladung, die Tscherenkow-Strahlung erzeugt.

Tscherenkow-Strahlung kann im menschlichen Auge erzeugt werden, wenn geladene Teilchen auf den Glaskörper treffen und sich als wahrgenommene Blitze manifestieren. Dieses Phänomen wird bei visuellen Effekten der kosmischen Strahlung und möglicherweise bei bestimmten kritischen Unfallszenarien beobachtet.

Anwendungen

Detektion markierter Biomoleküle

Tscherenkow-Strahlung wird häufig zum Nachweis kleinster Mengen und geringer Konzentrationen von Biomolekülen eingesetzt. Radioaktive Isotope wie Phosphor-32 werden durch enzymatische und synthetische Prozesse leicht in Biomoleküle eingebaut. Diese markierten Moleküle können dann in kleinen Mengen leicht nachgewiesen werden und dienen der Aufklärung biologischer Wege und der Charakterisierung molekularer Wechselwirkungen, einschließlich Affinitätskonstanten und Dissoziationsraten.

Medizinische Bildgebung von Radioisotopen und externe Strahlentherapie

In jüngsten Entwicklungen wurde Cherenkov-Licht zur Abbildung von Substanzen im menschlichen Körper genutzt. Diese Fortschritte haben großes Interesse an der Verwendung dieses optischen Signals zur Quantifizierung und/oder Erkennung von Strahlung im Körper geweckt, unabhängig davon, ob sie aus internen Quellen wie injizierten Radiopharmazeutika oder aus einer externen Strahlentherapie in onkologischen Anwendungen stammt. Mehrere Radioisotope, darunter Positronenemitter wie ¹⁸F und ¹³N sowie Betaemitter wie ³²P oder ⁹⁰Y, weisen eine nachweisbare Cherenkov-Emission auf. Darüber hinaus wurden die Isotope ¹⁸F und ¹³¹I erfolgreich bei Menschen abgebildet, um ihren diagnostischen Nutzen zu demonstrieren.

Es wurde gezeigt, dass die externe Strahlentherapie eine signifikante Cherenkov-Lichtemission in den behandelten Geweben induziert, die auf Elektronen- oder Photonenstrahlen zurückzuführen ist, die im Energiespektrum von 6 MV bis 18 MV arbeiten. Die hochenergetische Röntgenstrahlung erzeugt Sekundärelektronen, die anschließend Cherenkov-Licht erzeugen. Dieses ausgesendete Signal kann dann sowohl an der Eintritts- als auch an der Austrittsoberfläche des Gewebes abgebildet werden. Obwohl das Cherenkov-Licht, das während der Strahlentherapie vom Gewebe des Patienten ausgeht, ein sehr schwaches Signal darstellt, kann es von Spezialkameras erkannt werden, die ihre Erfassung mit den Linearbeschleunigerimpulsen synchronisieren. Die Visualisierung dieses Signals liefert Echtzeitinformationen über die Form des Strahlungsstrahls, während er mit dem Gewebe interagiert.

Kernreaktoren

Tscherenkow-Strahlung dient als Methode zum Nachweis hochenergetischer geladener Teilchen. In offenen Poolreaktoren werden beim Zerfall von Spaltprodukten Betateilchen freigesetzt, bei denen es sich um hochenergetische Elektronen handelt. Das charakteristische Leuchten bleibt auch nach Beendigung der Kettenreaktion bestehen und nimmt allmählich ab, wenn sich kurzlebigere Zerfallsprodukte auflösen. Darüber hinaus kann Tscherenkow-Strahlung zur Charakterisierung der Restradioaktivität abgebrannter Brennstäbe eingesetzt werden. Dieses Phänomen wird genutzt, um das Vorhandensein abgebrannter Kernbrennstoffe in Lagerbecken zu bestätigen und so die Ziele der nuklearen Sicherungsmaßnahmen zu unterstützen.

Astrophysik-Experimente

Wenn ein hochenergetisches (TeV) Gammaphoton oder kosmische Strahlung mit der Erdatmosphäre interagiert, kann es ein Elektron-Positron-Paar mit relativistischen Geschwindigkeiten erzeugen. Die von diesen geladenen Teilchen in die Atmosphäre emittierte Tscherenkow-Strahlung wird genutzt, um die Richtung und Energie der kosmischen Strahlung oder Gammastrahlung zu bestimmen. Dieses Prinzip wird beispielsweise in der Imaging Atmospheric Cherenkov Technique (IACT) durch Experimente wie VERITAS, H.E.S.S. und MAGIC angewendet. In ähnlicher Weise wird Tscherenkow-Strahlung, die von geladenen Teilchen erzeugt wird, die die Erde erreichen und mit Wasser gefüllte Tanks durchqueren, für das gleiche Ziel vom Extensive Air Shower Experiment HAWC, dem Pierre-Auger-Observatorium und anderen Initiativen genutzt. Analoge Methoden werden in sehr großen Neutrinodetektoren implementiert, darunter Super-Kamiokande, das Sudbury Neutrino Observatory (SNO) und IceCube. Zu den früheren Projekten, bei denen verwandte Techniken eingesetzt wurden, gehört STACEE, ein umfunktionierter Solarturm in New Mexico, der als nicht bildgebendes Tscherenkow-Observatorium fungierte.

Astrophysikalische Observatorien, die die Tscherenkow-Technik zur Messung von Luftschauern nutzen, spielen eine wichtige Rolle bei der Charakterisierung der Eigenschaften astronomischer Objekte, die sehr energiereiche Gammastrahlen aussenden, wie etwa Supernova-Überreste und Blazare.

Experimente zur Teilchenphysik

Tscherenkow-Strahlung wird in der experimentellen Teilchenphysik häufig zur Teilchenidentifizierung eingesetzt. Forscher können die Geschwindigkeit eines elektrisch geladenen Elementarteilchens anhand der Eigenschaften des in einem bestimmten Medium emittierten Tscherenkow-Lichts messen oder einschränken. Mit einer unabhängigen Messung des Impulses des Teilchens kann aus Impuls und Geschwindigkeit seine Masse berechnet und so die Teilchenidentifizierung ermöglicht werden.

Der Schwellenwertzähler stellt das einfachste Gerät zur Teilchenidentifizierung dar, das Tscherenkow-Strahlung nutzt und ermittelt, ob die Geschwindigkeit eines geladenen Teilchens einen bestimmten Schwellenwert überschreitet oder unterschreitet ( $v_{0}=c/n$ 11§ = c / n {\displaystyle v_{0}=c/n} , wobei $c$ ist die Lichtgeschwindigkeit und $n$ ist der Brechungsindex des Mediums) durch Beobachtung der Anwesenheit oder Abwesenheit von Cherenkov-Lichtemission. Mit der Kenntnis des Teilchenimpulses wird es möglich, Teilchen, die leichter als ein bestimmter Schwellenwert sind, von solchen zu unterscheiden, die diesen überschreiten.

Der in den 1980er Jahren entwickelte ringbildende Cherenkov-Detektor (RICH) ist der fortschrittlichste Detektortyp. In einem RICH-Detektor erzeugt ein mit hoher Geschwindigkeit geladenes Teilchen, das ein geeignetes Medium, oft als Strahler bezeichnet, durchquert, einen Kegel aus Cherenkov-Licht. Dieser Lichtkegel wird anschließend von einem positionsempfindlichen planaren Photonendetektor erfasst und ermöglicht so die Rekonstruktion eines Rings oder einer Scheibe, deren Radius direkt mit dem Cherenkov-Emissionswinkel korreliert. Derzeit werden sowohl Fokussierungs- als auch Nahfokussierungskonfigurationen verwendet. In einem fokussierenden RICH-Detektor werden Photonen von einem sphärischen Spiegel gesammelt und auf einen Photonendetektor gerichtet, der sich in der Brennebene befindet. Diese Konfiguration ergibt ein kreisförmiges Bild mit einem Radius, der unabhängig vom Emissionspunkt entlang der Partikelbahn unverändert bleibt. Aufgrund der größeren Strahlerlänge, die zur Erzeugung einer ausreichenden Photonenausbeute erforderlich ist, eignet sich dieses Design besonders gut für Strahler mit niedrigem Brechungsindex, wie z. B. Gase. Umgekehrt emittiert ein dünnes Strahlervolumen beim kompakteren Proximity-Focusing-Design einen Cherenkov-Lichtkegel, der sich über eine kurze Distanz – die sogenannte Proximity Gap – ausbreitet, bevor er von der Photonendetektorebene erfasst wird. Das resultierende Bild ist ein Lichtring, dessen Radius sowohl durch den Cherenkov-Emissionswinkel als auch durch die Nähelücke bestimmt wird. Die Dicke des Rings hängt von der Dicke des Kühlers ab. Beispielsweise ist der High Momentum Particle Identification Detector (HMPID), der derzeit für ALICE (A Large Ion Collider Experiment) gebaut wird – eines der sechs Experimente am Large Hadron Collider (LHC) am CERN – ein Beispiel für einen RICH-Detektor mit Proximity Gap.

Askarya-Strahlung, ein vergleichbares Phänomen, das durch sich schnell bewegende ungeladene Teilchen erzeugt wird.

Askarische Strahlung, ähnliche Strahlung, die von schnellen ungeladenen Teilchen erzeugt wird
Blaues Rauschen
Bremsstrahlung bezieht sich auf die elektromagnetische Strahlung, die entsteht, wenn geladene Teilchen durch den Einfluss anderer geladener Teilchen abgebremst werden.
Schneller als Licht beschreibt die hypothetische Übertragung von Informationen oder Materie mit Geschwindigkeiten, die die Lichtgeschwindigkeit überschreiten.
Die Frank-Tamm-Formel liefert die spektrale Verteilung der Cherenkov-Strahlung.
Lichtecho.
Eine umfassende Liste von Lichtquellen.
Bedingung ohne Strahlung.
Radiolumineszenz.
Tachyon.
Übergangsstrahlung.

Quellen

Start des Kernreaktors.

Start des Kernreaktors auf YouTube
Kernreaktor startet (alternativer Link).

Tscherenkow-Strahlung (Cherenkov radiation)