Ein Tscherenkow-Detektor ist ein Teilchendetektor, der auf der Detektion von Cherenkov-Strahlung (sichtbares Licht oder UV-Photonen) basiert . Im Gegensatz zu einem Szintillationszähler erfolgt die Lichterzeugung augenblicklich. Typische Szintillatordetektoren haben eine Abklingzeit, die in Mikrosekunden gemessen wird, während die Cherenkov-Strahlung nahezu augenblicklich ist und mit schnellen Pulsverarbeitungsgeräten in Pikosekunden gemessen werden kann. Cherenkov-Zähler werden hauptsächlich zur Partikelidentifikation , dh zur Bestimmung von Partikelmassen eingesetzt. Cherenkov-Zähler enthalten zwei Hauptelemente:
- ein Strahler, durch den das geladene Teilchen tritt,
- ein Fotodetektor (z. B. eine Fotovervielfacherröhre – PMT ).
Die Cherenkov-Strahlung, die im Strahler erzeugt wird, ist elektromagnetische Strahlung, die abgegeben wird, wenn sich ein geladenes Teilchen (wie ein Elektron) schneller als die Phasengeschwindigkeit von Licht in diesem Medium durch ein dielektrisches Medium bewegt . Teilchen, die die Phasengeschwindigkeit des Lichts überschreiten, bewirken eine Polarisation entlang der Bewegungsachse, wodurch ein Dipolfeld erzeugt wird. Wenn dieses Feld zusammenbricht, wird ein elektromagnetischer Impuls (Cherenkov-Strahlung) in Vorwärtsrichtung ausgesendet. Es ähnelt der Bugwelle, die von einem Boot erzeugt wird, das schneller als die Geschwindigkeit von Wasserwellen fährt. Cherenkov-Strahlung tritt nur auf, wenn die Teilchengeschwindigkeit höher ist als die Phasengeschwindigkeit des Lichts im Material. Auch bei hohen Energien geht die Energie verlorendurch Cherenkov-Strahlung ist viel geringer als die durch die anderen Mechanismen (Kollisionen, Bremsstrahlung). Es ist nach dem sowjetischen Physiker Pavel Alekseyevich Cherenkov benannt , der 1958 den Nobelpreis für Physik mit Ilya Frank und Igor Tamm für die Entdeckung der Cherenkov-Strahlung aus dem Jahr 1934 teilte .
Cherenkov-Strahlung wird üblicherweise in dielektrischen Materialien durch Compton-Elektronen oder durch Elektronen und Positronen zur Paarbildung erzeugt. Die Intensität des durch dieses Verfahren erzeugten Lichts ist viel geringer als die der Lumineszenz (die Grundlage für den Betrieb des Szintillationsdetektors), was empfindlichere optische Photonendetektionsgeräte wie Photovervielfacherröhren für schwaches Licht (PMT) erfordert . Cherenkov-Zähler können entweder als Bildgebungs- oder Schwellentypen klassifiziert werden , abhängig davon, ob sie Cherenkov-Winkel (θ) -Informationen verwenden oder nicht. Im einfachen Fall eines SchwellendetektorsDie massenabhängige Schwellenenergie ermöglicht die Unterscheidung zwischen einem leichteren Teilchen (das strahlt) und einem schwereren Teilchen (das nicht strahlt) mit der gleichen Energie oder dem gleichen Impuls. Bildzähler können verwendet werden, um Partikel zu verfolgen und sie zu identifizieren. Obwohl Geräte, die Cherenkov-Strahlung verwenden, häufig als PID-Detektoren (Particle Identification) angesehen werden, werden sie in der Praxis in einem viel breiteren Anwendungsbereich eingesetzt. einschließlich:
- schnelle Partikelzähler
- hadronische Partikelidentifikation
- Tracking-Detektoren, die eine vollständige Ereignisrekonstruktion durchführen.
Typen von Tscherenkow-Detektoren – Beispiele
- RICH. Praktische mehrspurige Ring-Imaging-Cherenkov-Detektoren (allgemein als RICH-Zähler bezeichnet) sind eine neuere Entwicklung. In einem RICH-Detektor wird ein Cherenkov-Lichtkegel erzeugt, wenn ein schnell geladenes Teilchen ein geeignetes Medium durchquert, das häufig als Strahler bezeichnet wird. Dieser Lichtkegel wird auf einem positionsempfindlichen planaren Photonendetektor detektiert, der die Rekonstruktion eines Rings oder einer Scheibe ermöglicht, dessen Radius ein Maß für den Cherenkov-Emissionswinkel ist. Zum Beispiel verwendet das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider zwei RICH-Detektoren zur Unterscheidung zwischen Pionen und Kaonen.
- Super-Kamiokande. Super-Kamiokande ist ein unterirdisches Neutrino-Observatorium, das mithilfe großer Cherenkov-Wasserzähler energiereiche Neutrinos aufspürt, um nach Protonenzerfall zu suchen, solare und atmosphärische Neutrinos zu untersuchen und in der Milchstraße nach Supernovae Ausschau zu halten. Es besteht aus einem zylindrischen Edelstahltank mit einer Höhe von 40 m und einem Durchmesser von 50.000 Tonnen hochreinem Wasser. Auf einem inneren Aufbau sind etwa 13.000 Photovervielfacherröhren montiert, die das Licht der Cherenkov-Strahlung erfassen.
