切侖科夫計(jì)數(shù)器（Cherenkov counter）因前蘇聯(lián)物理學(xué)家切侖科夫（Pavel Alekseyevich Cherenkov，1904-1990）發(fā)現(xiàn)的一種特殊的光效應(yīng)而命名。1934年，切連科夫在研究發(fā)自鐳放射源的輻射穿入不同的液體并被液體吸收時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的輻射效應(yīng)，高能帶電粒子束在透明介質(zhì)中以大于光速的速度通過時(shí)產(chǎn)生電磁輻射，通常為淺藍(lán)色。在此之前，有人觀察到當(dāng)輻射穿入液體時(shí)，從液體中會(huì)放射出微弱的淺藍(lán)色的輝光，他們把它歸結(jié)為熒光。然而切侖科夫認(rèn)為，他觀察到的不是熒光。他觀察穿入經(jīng)過了兩次蒸餾的水中的輻射，排除了微小雜質(zhì)產(chǎn)生熒光的可能性。他發(fā)現(xiàn)，輻射沿入射方向被極化了，正是入射的輻射所產(chǎn)生的快速次級(jí)電子才是出現(xiàn)可見輻射的根本原因。通過采用發(fā)自鐳放射源的電子單獨(dú)照射液體，他驗(yàn)證了這一點(diǎn)。切侖科夫在1934-1937年間發(fā)表的論文給出了這種新輻射的一般性質(zhì)，但對(duì)這一效應(yīng)缺乏嚴(yán)密的數(shù)學(xué)描述。

1937年，切侖科夫的兩位同事，弗蘭克（Ilya Mikhailovich Frank，1908-1990）和塔姆（Igor Yevgenyevich Tamm，1895-1971）聯(lián)名對(duì)切侖科夫效應(yīng)給出了理論解釋。他們證明，切侖科夫輻射與加速帶電粒子的輻射有本質(zhì)上的不同。加速帶電粒子的輻射是單個(gè)粒子的輻射效應(yīng)，而切侖科夫輻射是運(yùn)動(dòng)帶電粒子與介質(zhì)中的束縛電荷及誘導(dǎo)電流所產(chǎn)生的集體效應(yīng)。他們認(rèn)為，切侖科夫發(fā)現(xiàn)的輻射是由于電子在介質(zhì)中以大于光在介質(zhì)中的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的，并給出了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述。他們的理論導(dǎo)致了對(duì)切侖科夫效應(yīng)的各種不同應(yīng)用，特別是在核物理和高能物理研究方面得到了廣泛的應(yīng)用。切侖科夫、弗蘭克和塔姆因此共同分享了1958年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。弗蘭克后來又對(duì)切侖科夫輻射做了許多深入的研究，并預(yù)言了穿越輻射的產(chǎn)生。 

切侖科夫光的輻射出現(xiàn)在圍繞粒子運(yùn)動(dòng)方向的圓錐內(nèi)。在水中或玻璃中，這個(gè)圍繞的角度約為40°（右圖）。在空氣這樣的氣體中，也會(huì)出現(xiàn)切侖科夫輻射，因?yàn)檎凵渎逝c1很接近，所以圓錐的角度很小。水和玻璃的折射率很大，因而輻射切侖科夫光的本領(lǐng)很強(qiáng)。

利用切侖科夫效應(yīng)可以做成切侖科夫計(jì)數(shù)器，用于記錄帶電粒子所發(fā)出的微弱切侖科夫輻射。20世紀(jì)50年代，隨著靈敏且具快速響應(yīng)的光電倍增管的應(yīng)用，切侖科夫光的利用成為極有影響的技術(shù)。切侖科夫計(jì)數(shù)器（Cherenkov counter）由產(chǎn)生切侖科夫光的輻射體和探測(cè)這種光的光電倍增管組成，它能把單個(gè)粒子引起的閃光記錄下來。玻璃、水、透明的塑料均可用作輻射體。當(dāng)粒子以大于光在該介質(zhì)中的速度進(jìn)入時(shí)，就發(fā)生切侖科夫輻射，然后用光電學(xué)方法檢測(cè)。粒子種類已知時(shí)，一定的發(fā)射角對(duì)應(yīng)一定的粒子能量，可探測(cè)加速器或宇宙線中的高能電子、質(zhì)子、介子及高能γ射線。氣體產(chǎn)生的切侖科夫光輻射強(qiáng)度比固體或液體小，但由于它的折射率小，可用來探測(cè)更高速度的粒子。切侖科夫輻射的持續(xù)時(shí)間僅10-10秒，與快速光電倍增管配合，切侖科夫計(jì)數(shù)器可有很高的時(shí)間分辨率。

對(duì)宇宙射線研究特別有用的切侖科夫探測(cè)器最早出現(xiàn)在倫敦，隨后用在英國(guó)約克郡設(shè)置的哈佛拉公園（Haverah Park）探測(cè)器陣列中，取得了極好的工作效果。這些探測(cè)器由12米深的封閉大水柜（下圖）構(gòu)成。光電倍增管浸泡到水下進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)空氣簇射通過時(shí)，電磁成分主要在頂部三分之一的水中產(chǎn)生切侖科夫光，但整個(gè)水柜都對(duì)貫穿能力更大的μ子很敏感。由電磁成分與μ子成分的信號(hào)聯(lián)合起來形成一個(gè)檢測(cè)信號(hào)。

高能粒子在大氣中也能產(chǎn)生切侖科夫輻射?？諝庹凵渎孰m接近1(在地面高度約為1.00027)，但如果粒子能量較高(對(duì)電子來說約高于20MeV)，則空氣簇射中的許多粒子都能產(chǎn)生切侖科夫光。切侖科夫光相當(dāng)微弱時(shí)(還是因?yàn)檎凵渎式咏?)，由于簇射中的粒子很多，用大反光鏡把光集中起來，在晴朗無月光的夜晚也能較容易地探測(cè)到切侖科夫輻射。

在γ射線天文研究中，切侖科夫計(jì)數(shù)器常與閃爍計(jì)數(shù)器構(gòu)成望遠(yuǎn)鏡（右圖），用于探測(cè)10兆電子伏以上的γ射線。對(duì)于幾百兆電子伏以上的γ射線，則使用氣體切侖科夫計(jì)數(shù)器，它與閃爍計(jì)數(shù)器聯(lián)合使用，有方向性好、本底小的優(yōu)點(diǎn)。大于106兆電子伏的γ光子在大氣中產(chǎn)生空氣簇射，其高能正負(fù)電子對(duì)能使大氣成為輻射體，產(chǎn)生切侖科夫輻射，方向接近高能γ光子進(jìn)入大氣層時(shí)的方向，可在地面用光電倍增管進(jìn)行探測(cè)，構(gòu)成獨(dú)特的切侖科夫計(jì)數(shù)器望遠(yuǎn)鏡。

在不同的介質(zhì)中帶電粒子所建立的電磁場(chǎng)是不同的。高能帶電粒子穿過不同介質(zhì)的交界面時(shí)﹐來不及調(diào)整其所建立的場(chǎng)﹐使部分能量以電磁輻射形式發(fā)射出來，稱為穿越輻射效應(yīng)（右圖）。穿越輻射效應(yīng)早被弗蘭克等人從理論上預(yù)言。

 

穿越輻射形成區(qū)的厚度一般為幾微米量級(jí)，輻射方向基本上朝前（帶電粒子飛行方向）。穿越輻射的總能量正比于入射帶電粒子的能量，強(qiáng)度很微弱，通常只能用輕物質(zhì)的多界面交疊結(jié)構(gòu)才能有效地觀察這種效應(yīng)。穿越輻射能譜是連續(xù)譜，輻射主要集中在X射線能區(qū)。

穿越輻射探測(cè)器（transition radiation detector）是利用穿越輻射效應(yīng)制成的高能粒子探測(cè)器，由產(chǎn)生穿越輻射的輻射體、記錄穿越輻射的計(jì)數(shù)器和其他電子學(xué)儀器共同組成。輻射體的厚度必須遠(yuǎn)大于形成區(qū)的大小。一般使用原子序數(shù)小的材料作為輻射體，如鋰箔、鍍鋁的聚酯薄膜與鈹片等。穿越輻射光子產(chǎn)額較少，需要使用多個(gè)薄片作為輻射體，這些薄片彼此靠近安放，形成多個(gè)界面。記錄穿越輻射的計(jì)數(shù)器可以使用閃爍計(jì)數(shù)器、半導(dǎo)體計(jì)數(shù)器和多絲正比室等。

 

穿越輻射探測(cè)器的缺點(diǎn)是：穿越輻射在輻射體中會(huì)產(chǎn)生自吸收，入射帶電粒子在X 射線探測(cè)器中穿過會(huì)直接產(chǎn)生電離本底。有人用超導(dǎo)現(xiàn)象記錄穿越輻射，在超導(dǎo)型穿越輻射探測(cè)器中，輻射體與輻射探測(cè)器合并為一體，能克服自吸收的困難，提高探測(cè)穿越輻射的靈敏度。

穿越輻射探測(cè)器同磁譜儀配合，能夠分辨不同種類的高能粒子；對(duì)于已知質(zhì)量的高能粒子，它能定出粒子的能量，可用來分辨電子與強(qiáng)子。

 

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