Σύμφωνα μετη φυσική, ηταχύτητα του φωτόςστοκενό είναι μία παγκόσμια σταθερά (c) καιη ανώτατη δυνατή ταχύτητα, την οποία δεν μπορεί να ξεπεράσει οποιοδήποτε σωματίδιο. Ωστόσο, η ταχύτητα μετην οποία διαδίδεται το φως μέσα σε ένα υλικό μπορεί να είναι αρκετά μικρότερη από τηc. Π.χ. στονερό είναι μόνο 0,75c. Σωματίδια λοιπόν μπορούν να επιταχυνθούν πέρα από αυτή την ταχύτητα, και όχι μόνο από επιταχυντές σωματιδίων, αλλά καιστη φύση, π.χ. από πυρηνικές αντιδράσεις. Η ακτινοβολία Τσερενκόφ παράγεται όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο, συνήθως ένα ηλεκτρόνιο, κινείται μέσα σε ένα διηλεκτρικό μέσο (δηλαδή πολώσιμο ηλεκτρικά) με ταχύτητα μεγαλύτερη από εκείνη μετην οποία διαδίδεται (κινείται) το φως μέσα στο ίδιο υλικό.
Επιπλέον, η ταχύτητα που αρκεί να υπερβούν τα σωματίδια προκειμένου να παραχθεί ακτινοβολία Τσερενκόφ είναι ηταχύτητα φάσηςτου φωτεινού κύματος, που μπορεί να μεταβληθεί πολύ μέσα σε ένα περιοδικό υλικό, οπότε μπορεί να ακτινοβολήσει σεοσοδήποτε μικρή ταχύτητα, ένα φαινόμενο γνωστό ως φαινόμενο Smith–Purcell. Σε ένα πιο πολύπλοκο περιοδικό μέσο, όπως σε έναν φωτονικό κρύσταλλο, μπορεί να εκδηλωθεί επίσης μία ποικιλία από «ανώμαλα» φαινόμενα Τσερενκόφ, όπως ακτινοβολία με κατεύθυνση προς τα πίσω.[3]
Η γεωμετρία της ακτινοβολίας Τσερενκόφ γιατην ιδανική περίπτωση χωρίς διάχυση
Καθώς ένα φορτισμένο σωματίδιο κινείται, διαταράσσει το τοπικό ηλεκτρομαγνητικό πεδίοστο υλικό που διασχίζει. Ειδικότερα, ένα διηλεκτρικό υλικό πολώνεται ηλεκτρικά από το ηλεκτρικό πεδίο που συνοδεύει το σωματίδιο. Αντο σωματίδιο κινείται αργά, τότε η διαταραχή επανέρχεται ελαστικά στημηχανική ισορροπία μετά τη διέλευση του σωματίου. Αλλά όταν το σωματίδιο κινείται αρκετά γρήγορα, η περιορισμένη ταχύτητα αποκρίσεως του μέσου σημαίνει ότι παραμένει μία διαταραχή μετά τη διέλευση του σωματιδίου. Τότε η ενέργεια που περιέχεται σε αυτή τη διαταραχή ακτινοβολείται ως ένα σύμφωνο μέτωπο κύματος.
Μία αναλογία είναι ο ήχος ενός υπερηχητικού αεροπλάνου: Τα ηχητικά κύματα που παράγει το αεροπλάνο διαδίδονται μετην ταχύτητα του ήχου και επομένως ταξιδεύουν αργότερα από το σκάφος, αδυνατώντας να περάσουν μπροστά τουκαι σχηματίζοντας ένα κρουστικό κύμα. Με παρόμοιο τρόπο, ένα φορτισμένο σωματίδιο μπορεί να παράγει ένα φωτεινό μέτωπο κύματος καθώς ταξιδεύει μέσα σε ένα διαφανές σώμα.
Στο διπλανό σχήμα το σώμα (κόκκινο βέλος) κινείται μέσα σε υλικό με ταχύτητα , τέτοια ώστε , όπου είναι ηταχύτητα του φωτόςστο κενό και είναι οδείκτης διάθλασηςτου υλικού. (Αντο μέσο είναι το νερό, τότε η συνθήκη αυτή γράφεται ως , αφού γιατο νερό στους 20 °C.)
Ορίζουμε τον λόγο μεταξύ της ταχύτητας του σωματιδίου και της ταχύτητας του φωτός στο κενό ως . Τα εκπεμπόμενα κύματα φωτός (μπλε βέλη) ταξιδεύουν με ταχύτητα .
Η αριστερή γωνία του τριγώνου είναι η θέση του σωματιδίου σε κάποια αρχική χρονική στιγμή (t = 0). Η δεξιά γωνία είναι η θέση του σωματιδίου σε κάποια μεταγενέστερη στιγμή t. Στο ενδιάμεσο χρονικό διάστημα t, το σωματίδιο διανύει απόσταση
ενώ τα εκπεμπόμενα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (φως) περιορίζονται να διανύουν την απόσταση
Επομένως γιατη γωνία θ ισχύει:
Επειδή αυτός ο λόγος είναι ανεξάρτητος του χρόνου, μπορούμε να πάρουμε οποιεσδήποτε χρονικές στιγμές καινα έχει όμοια τρίγωνα. Η γωνία παραμένει η ίδια και επομένως τα επόμενα κύματα που παράγονται μεταξύ των στιγμών t = 0 καιtθα σχηματίζουν όμοια τρίγωνα με τις ίδιες κορυφές στα δεξιά με αυτή του σχήματος.
Ένα αντίστροφο φαινόμενο Τσερενκόφ μπορεί να παρατηρηθεί με χρήση υλικών με αρνητικό δείκτη διαθλάσεως, που ονομάζονται μεταϋλικά αρνητικού δείκτη (υλικά με μικροδομή σε κλίμακα μικρότερη του μήκους κύματος, η οποία τους δίνει μία «μέση» ιδιότητα πολύ διαφορετική από εκείνη των υλικών πουτα αποτελούν, σε αυτή την περίπτωση αρνητική επιτρεπτότητα (ε) και αρνητική μαγνητική διαπερατότητα). Ακτινοβολία Τσερενκόφ «αντίστροφου κώνου» μπορεί να παραχθεί καισεμη-μεταϋλικά με περιοδική δομή της ίδιας κλίμακας μετο μήκος κύματος του φωτός, πουδεν μπορούν να αντιμετωπιστούν ως ισοδύναμα με ομογενή μεταϋλικά.[3]
Η ακτινοβολία Τσερενκόφ μπορεί να παραχθεί με οποιαδήποτε διεύθυνση αν χρησιμοποιηθούν καταλλήλως σχεδιασθέντα μονοδιάστατα μεταϋλικά.[4]Η σχεδίαση αυτών των μέσων είναι τέτοια ώστε να εισάγουν μία βαθμίδα καθυστερήσεως φάσεως κατά μήκος της τροχιάς του σωματιδίου ( ), αντιστρέφοντας έτσι ή καθοδηγώντας την ακτινοβολία Τσερενκόφ σε οποιεσδήποτε γωνίες, οι οποίες δίνονται από τη γενικευμένη σχέση:
Τοφάσμα συχνοτήτων της ακτινοβολίας Τσερενκόφ που παράγεται από σωματίδιο με ταχύτητα δίνεται από τησχέση Φρανκ-Ταμ:
Η σχέση αυτή δίνει την ενέργεια της ακτινοβολίας Τσερενκόφ ανά μονάδα μήκους κύματος και μονάδα αποστάσεως που διανύει το σωματίδιο. είναι ηis the διαπερατότητακαι είναι ο δείκτης διαθλάσεως του υλικού μέσα στο οποίο κινείται το φορτισμένο σωματίδιο.
Αντίθετα μετα φαινόμενα τουφθορισμού ή της εξαναγκασμένης εκπομπής, που έχουν φάσματαμε χαρακτηριστικές κορυφές, η ακτινοβολία Τσερενκόφ είναι συνεχής. Στην περιοχή του ορατού φωτός, η σχετική ένταση ανά μονάδα συχνότητας είναι προσεγγιστικά ανάλογη της συχνότητας. Επομένως οι υψηλότερες συχνότητες (μικρότερα μήκη κύματος) αντιστοιχούν σε μεγαλύτερη ένταση ακτινοβολίας Τσερενκόφ. Αυτός είναι ο λόγος γιατον οποίο η ορατή ακτινοβολία Τσερενκόφ είναι γαλάζια. Στην πραγματικότητα, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς της εκπέμπεται στουπεριώδες φάσμα. Μόνο με αρκετά επιταχυμένα φορτία γίνεται ορατή η ακτινοβολία Τσερενκόφ.
Υπάρχει μία συχνότητα αποκοπής, πάνω από την οποία δεν μπορεί να ισχύει η εξίσωση . Ο δείκτης διαθλάσεως μεταβάλλεται μετη συχνότητα, έτσι ώστε η ένταση δεν μπορεί να συνεχίσει να αυξάνεται καθώς μειώνεται το μήκος κύματος, ακόμα καιγιατα πλέον υπερσχετικιστικά σωματίδια (δηλαδή με v/c περίπου ίσο με 1). Στις συχνότητες τωνακτίνων Xο δείκτης διαθλάσεως πέφτει κάτω από τη μονάδα (σημειώστε ότι η ταχύτητα φάσεως μπορεί να υπερβαίνει τηc χωρίς να παραβιάζεται η θεωρία της σχετικότητας) και άρα δενθα μπορούσε να υπάρξει εκπομπή ακτίνων X (ή σε μικρότερα μήκη κύματος, όπως αυτά τωνακτίνων γ). Ωστόσο, ακτίνες X μπορούν να παραχθούν σε ειδικές συχνότητες, που βρίσκονται ακριβώς κάτω από τις συχνότητες ηλεκτρονιακών μεταπτώσεων στο συγκεκριμένο υλικό, καθώς ο δείκτης διαθλάσεως είναι συχνά μεγαλύτερος του 1 ακριβώς κάτω από μία συχνότητα συντονισμού (σχέση Kramers-Kronigκαι ανώμαλος διασκεδασμός).
Η γωνία τουκώνουτου μετώπου Τσερενκόφ είναι αντίστοιχη της ταχύτητας της διαταραχής που προκαλεί το σωματίδιο. Ηγωνία Τσερενκόφ είναι μηδέν στην ταχύτητα κατωφλίου γιατην εκπομπή ακτινοβολίας Τσερενκόφ. Η γωνία αυτή αυξάνεται καθώς η ταχύτητα του σωματιδίου προσεγγίζει την ταχύτητα του φωτός. Συνεπώς η παρατηρούμενη γωνία μπορεί να χρησιμοποιηθεί γιανα υπολογιστεί η κατεύθυνση καιη ταχύτητα ενός φορτισμένου σωματιδίου που παράγει ακτινοβολία Τσερενκόφ.
Ακτινοβολία Τσερενκόφ μπορεί να παραχθεί στο εσωτερικό του οφθαλμού από φορτισμένα σωματίδια κοσμικών ακτίνωνπου εισχωρούν στουαλώδες σώμα, δίνοντας την εντύπωση αστραπών.[5]
Η ακτινοβολία Τσερενκόφ χρησιμεύει γιατη διευκόλυνση της ανιχνεύσεως μικρών ποσοτήτων και συγκεντρώσεων σημανθέντων βιομορίων.[6] Ραδιενεργοί πυρήνες, όπως αυτός του φωσφόρου-32, εισάγονται εύκολα σε βιομόρια με ενζυματικά και συνθετικά μέσα, καιστη συνέχεια μπορούν να ανιχνευθούν ακόμα καισε μικρές ποσότητες γιατη διευκρίνιση βιολογικών διεργασιών καιτον χαρακτηρισμό των αλληλεπιδράσεων βιομορίων, όπως των σταθερών συγγένειας καιτων ρυθμών αποσυνδέσεως.
Ιατρική απεικόνιση ραδιοϊσοτόπων και ακτινοθεραπεία εξωτερικής δέσμης
Εκπομπή φωτός Τσερενκόφ προερχόμενη από ασθενή που ακτινοβολείται στο στήθος με δέσμη 6 MeV από γραμμικό επιταχυντή σε ακτινοθεραπεία.
Πιο πρόσφατα, το φως Τσερενκόφ έχει χρησιμοποιηθεί γιατην απεικόνιση ουσιών στο ανθρώπινο σώμα.[7][8][9]Το φως αυτό προέρχεται είτε από εσωτερικές πηγές όπως φάρμακα ακτινοθεραπείας που ενίονται στο σώμα, είτε από ακτινοθεραπεία εξωτερικής δέσμης, στην καταπολέμηση του καρκίνου. Ραδιοϊσότοπα όπως οι πηγές ποζιτρονίων18Fκαι13N, ή οι πηγές ηλεκτρονίων32Pκαι90Y, έχουν μετρήσιμη εκπομπή Τσερενκόφ.[10]Τα ισότοπα 18F και131I έχουν απεικονισθεί σε ανθρώπους για επίδειξη της διαγνωστικής αξίας τους.[11][12] Συνακόλουθα, γεννήθηκε ο όρος Τσερενκογραφία (Cerenkography). Η ακτινοθεραπεία εξωτερικής δέσμης έχει αποδειχθεί ότι επάγει σημαντική ακτινοβολία Τσερενκόφ στον ακτινοβολούμενο ιστό, εξαιτίας της ενέργειας των σωματίων της δέσμης, από 6 ως 18 MeV. Τα δευτερογενή ηλεκτρόνια που εκτινάσσονται από την πρόσπτωση αυτών των δεσμών φωτονίων υψηλής ενέργειας προκαλούν την εκπομπή φωτός Τσερενκόφ, το οποίο μπορεί να ανιχνευθεί στις επιφάνειες εισόδου και εξόδου του ιστού.[13]
Ακτινοβολία Τσερενκόφ σε πειραματικό αντιδραστήρα τύπου ανοικτής δεξαμενής
Η ακτινοβολία Τσερενκόφ χρησιμεύει γιατην ανίχνευση φορτισμένων σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Σεπυρηνικούς αντιδραστήρες τύπου ανοικτής δεξαμενής, σωματίδια β (ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας) απελευθερώνονται από τη διάσπαση των προϊόντων (ραδιενεργών ισοτόπων) της πυρηνικής σχάσεως. Η λάμψη συνεχίζεται μετά τον τερματισμό της αλυσιδωτής αντιδράσεως και εξασθενεί καθώς διασπώνται τα πλέον βραχύβια ραδιενεργά ισότοπα. Γιατον ίδιο λόγο, μετην ακτινοβολία Τσερενκόφ μπορεί να βαθμονομηθεί η παραμένουσα ραδιενέργεια χρησιμοποιημένων ράβδων πυρηνικού «καυσίμου».[14].
Κατά την αλληλεπίδραση ενός φωτονίου ακτίνων γ πολύ υψηλής ενέργειας (TeV) ή μιας κοσμικής ακτίναςμετην ατμόσφαιρα της Γης, μπορεί να παραχθεί ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίουμε τεράστιες ταχύτητες. Η ακτινοβολία Τσερενκόφ που εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα από αυτά τα φορτισμένα σωματίδια χρησιμεύει στον προσδιορισμό της διευθύνσεως και της ενέργειας της αρχικής κοσμικής ακτίνας, δια της τεχνικής IACT (Imaging Atmospheric Cherenkov Technique), για παράδειγμα στα πειράματα H.E.S.S., VERITAS καιMAGIC. Εναλλακτικά, η ανίχνευση της ακτινοβολίας που παράγεται από αυτά τα σωματίδια γίνεται μέσα σε κλειστές δεξαμενές γεμάτες με νερό, όταν τα σωματίδια φθάσουν στην επιφάνεια της Γης, όπως στο HAWC (High Altitude Water Cherenkov Experiment), στοΑστεροσκοπείο Πιερ Ωζέκαισε άλλες προσπάθειες. Παρόμοιες μέθοδοι εφαρμόζονται σε πολύ μεγάλους ανιχνευτές νετρίνων, όπως οιSuper-KamiokandeκαιIceCube.
Τα παρατηρητήρια που εκμεταλλεύονται την ακτινοβολία Τσερενκόφ γιατη μελέτη των προϊόντων των κοσμικών ακτίνων ή ακτίνων γ από το διάστημα είναι κλειδί γιατον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών των ουράνιων σωμάτων που εκπέμπουν ακτίνες γ υπερυψηλής ενέργειας, όπως υπολείμματα υπερκαινοφανώνκαιταμπλέιζαρ.
Η ακτινοβολία Τσερενκόφ χρησιμοποιείται συχνά στην πειραματική σωματιδιακή φυσικήγιατην ταυτοποίηση σωματιδίων. Ηταχύτητα ενός φορτισμένου υποατομικού σωματιδίου μπορεί να μετρηθεί (ή να τεθούν όρια σε αυτή) από τα χαρακτηριστικά του φωτός Τσερενκόφ που εκπέμπεται όταν το σωματίδιο διασχίζει κάποιο συγκεκριμένο μέσον. Ανηορμήτου ίδιου σωματιδίου μετρηθεί με ανεξάρτητη μέθοδο, τότε μπορεί να υπολογισθεί ημάζατου από την ταχύτητα καιτην ορμή του, και από τη μάζα να βρεθεί τι είδος σωματιδίου είναι.
Ο απλούστερος τύπος συσκευής ταυτοποιήσεως σωματιδίων με βάση την ακτινοβολία Τσερενκόφ είναι ο «μετρητής κατωφλίου», που απαντά στο εάν η ταχύτητα ενός φορτισμένου σωματιδίου είναι μικρότερη ή μεγαλύτερη από μία ορισμένη τιμή (, όπου είναι ηταχύτητα του φωτόςκαι είναι οδείκτης διάθλασηςτου μέσου), εξετάζοντας το εάν εκπέμπει ή όχι ακτινοβολία Τσερενκόφ σε ένα ορισμένο μέσον. Γνωρίζοντας την ορμή των σωματιδίων, μπορούμε να διαχωρίσουμε όσα είναι ελαφρότερα από ένα ορισμένο κατώφλι από όσα είναι βαρύτερα αυτού.
Από την άλλη, ο πλέον προηγμένος τύπος ανιχνευτή Τσερενκόφ είναι ο ανιχνευτής απεικονίσεως δακτυλίου (RICH, Ring-Imaging Cherenkov detector), που αναπτύχθηκε κατά τη δεκαετία του 1980. Σε αυτόν, ένας κώνος φωτός Τσερενκόφ ανιχνεύεται πάνω σε έναν ευαίσθητο στη θέση επίπεδο ανιχνευτή φωτονίων, που επιτρέπει τη σχεδίαση ενός δακτυλίου ή δίσκου, η ακτίνα του οποίου αποτελεί μέτρο της γωνίας εκπομπής Τσερενκόφ. Παράδειγμα τέτοιου ανιχνευτή είναι ο HMPID[15]στοπείραμα ALICE, στον ισχυρότερο επιταχυντή του κόσμου, τονΜέγα Επιταχυντή ΑδρονίωνστοCERN.
↑Zhong, J.; Qin, C.; Yang, X.; Zhu, S.; Zhang, X.; Tian, J (2011). «Cerenkov luminescence tomography for in vivo radiopharmaceutical imaging». International Journal of Biomedical Imaging2011 (641618): 1–6. doi:10.1155/2011/641618.
↑Sinoff, C.L. (20 Απριλίου 1991). «Radical irradiation for carcinoma of the prostate.». South African Medical Journal79 (8): 514. PMID2020899.
↑Mitchell, G.S.; Gill, R.K.; Boucher, D.L.; Li, C.; Cherry, S.R. (17 Οκτωβρίου 2011). «In vivo Cerenkov luminescence imaging: a new tool for molecular imaging». Philosophical Transactions of the Royal Society A369 (1955): 4605–4619. doi:10.1098/rsta.2011.0271. Bibcode: 2011RSPTA.369.4605M.
↑Das, S.· Thorek, D.L.J.· Grimm, J. (2014). «Cerenkov Imaging». Emerging Applications of Molecular Imaging to Oncology. Advances in Cancer Research. 124. σελ. 213. doi:10.1016/B978-0-12-411638-2.00006-9. ISBN9780124116382.
↑Spinelli, A.E.; Ferdeghini, M.; Cavedon, C.; Zivelonghi, E.; Calandrino, R.; Fenzi, A.; Sbarbati, A.; Boschi, F. (18 Ιανουαρίου 2013). «First human Cerenkography». Journal of Biomedical Optics18 (2): 020502. doi:10.1117/1.JBO.18.2.020502. Bibcode: 2013JBO....18b0502S.
↑Jarvis, L.A.; Zhang, R.; Gladstone, D.J.; Jiang, S.; Hitchcock, W.; Friedman, O.D.; Glaser, A.K.; Jermyn, M. και άλλοι. (Ιούλιος 2014). «Cherenkov Video Imaging Allows for the First Visualization of Radiation Therapy in Real Time». International Journal of Radiation Oncology*Biology*Physics89 (3): 615–622. doi:10.1016/j.ijrobp.2014.01.046.
Πολυμέσα σχετικά 