切伦科夫探测器
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辐射体 折射率n 密度 (g/cm3) 辐射长度X0 (cm) 临界能量Ec (MeV) 阈值
铅玻璃SF-5
铅玻璃PN-123 PbF2 TlCl
1.67
1.73 1.75 2.2
4.08
4.70 7.8 7.0
2.54
2.10 0.95 0.94
2005年9月 合肥
15
1.25
1.23
介质原子或分子的极化 与退极化； 电磁辐射的相干叠加， 在一定方向得到加强。
2005年9月 合肥 2
二、切伦科夫辐射产生的条件
（1）快速带电粒子做匀 速运动，且
c v n 或 1 n
1 n
（2）均匀透明的介质 （3）满足 在与 粒子运动方向成角的 方向上电磁辐射相干加 强，才能观测到。
cos
2005年9月 合肥 3
三、切伦科夫辐射的特点
1)
Cherenkov辐射的阈速度和方向性：
c / n 1 cos c v n n 是介质的折射率，c / n 是光在介质中的相速度，
v / c是入射粒子的相对论速度， c 和n 都是切伦科夫辐射波长的函数
2005年9月 合肥 7
常用Cherenkov介质的特性
介质 氢 氦 二氧化碳 气凝硅胶 水 有机玻璃 铅玻璃 折射率 n 1.000140 1.000035 1.000410 1.02 1.33 1.49 1.76 最大辐射角 max 0°57’ 0°29’ 1°38’ 11°22’ 41°15’ 47°51’ 55°23’ N(光子数/cm) 0.13 0.03 0.40 19.0 213 269 332
通过单位长度介质在每单位光子能量间隔产生的光子数是
d 2N 2z2 2z2 2 sin c 2 dEdx c re me c 2 370 sin 2 ( E )
1 1 2 2 n ( E ) (eV 1 cm 1 ) （z 1时）
第六章 切伦科夫探测器
§6-1 切伦科夫辐射的原理 §6-2 切伦科夫辐射的产生和收集 §6-3 切伦科夫探测器的分类和应用
§6-1 切伦科夫辐射的原理
一、切伦科夫辐射的描述
Cherenkov Radiation：匀速带电粒子穿过均匀透明介 质，当其速度超过光在该介质中的相速度c/n时，粒子 将发射辐射，称为Cherenkov辐射。 Cherenkov辐射的阈特性、方向性是和入射粒子的速 度密切相关的。 产生和记录Cherenkov辐射的装置称为Cherenkov探测 器。 产生机理：
6
切伦科夫辐射的特点
（1）切伦科夫辐射角
（2）阈速度
（3）阈动能
1 T＝ n
1 cos n
1
v c
n ET＝E0 2 1 1/ 2 (n 1)
max cos 1
1 n
（4）最大辐射角 （5）辐射光谱是从紫外光到可见光的连续谱。 （6）发光时间短10－9－10－11秒。 （7）平面偏振光。
一、辐射体
可以是气体、液体和固体，应根据不同的用途选择不同的辐射体。
1、全吸收簇射计数器的辐射体 高能电子或射线射入介质后，发生电磁簇射。簇射纵向扩展大，横向扩 展小。能量超过阈能的电子就会产生Cerenkev辐射。 要求： 辐射长度X0小，总尺寸小，足以包容全部簇射，LmaxLnE； 没有闪烁荧光；折射率n大，平均光产额N多，能量分辨好； 透明度好，特别是透紫性能好，以收集更多的光子。
折射率n是光子能量E的函数。 考虑n是光子波长的函数则
1 1 2 2 n ( ) 若介质长L，发出在波长1和2之间的光子总数为
d 2N 2 z 2 dxd
L
N
0
2
1
2 2 2 L z d 2N 2 dxd sin c d 2 1 dxd 2005年9月合肥
2）粒子携带的信息
若已知粒子质量m，则有： p m T m 1
dp 2 d p
E m dE 2 d E
dT d 1 T
若已知粒子动量p，可根据粒子速度确定粒子质量，即 分辨粒子。对粒子的分辨能力为：
dm 2 d m
2005年9月 合肥
8
四、切伦科夫辐射与韧致辐射及荧光的差别
切伦科夫辐射 产生条件 辐射体 辐射角 发光时间 偏振性质 光强 辐射光谱 产生机制 V>c/n,匀速
均匀透明，只与n有关 ＝cos-1(1/n),E大, 大 10-9－10-11 s
韧致辐射
加速度越大辐射越强
与原子序数Z2成正比 <>mc2/E,E大小 ——
荧光
与粒子运动形式无关
荧光物质 各向同性 10-7－10-9 s
平面偏振光
弱 紫外到可见光,连续光谱 介质极化退极化辐射
偏振光
最强 X射线
非偏振光
约大于切伦科夫光100倍 可见光,线光谱或带光谱
相干叠加
快速带电粒子速度 变化辐射
闪烁体原子激化退激 化辐射
2005年9月 合肥
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§6-2 切伦科夫辐射的产生和收集
对动量相同来自百度文库量不同的粒子的速度差（ ~1）为：
m m
1
2
2 2 m m 1 2
2p
2
m1 m2
5
2005年9月 合肥
3）切伦科夫辐射光谱及光子密度分布
电荷为ze的粒子通过单位长度介质辐射的能量是 dE 4 2 z 2e2 1 1 d 2 2 2 n 1 dx c n v为辐射频率
当最小辐射角 =0时，T n 1 ，为产生切伦科夫辐射的最小速度，
称作切伦科夫辐射的阈速度。 1 当 =cos-1 时， 1， max 最大辐射角。 n
切伦科夫辐射与粒子运动方向成角，形成以粒子运动轨迹为轴 的光锥，其张角为2，测定，已知n，即可求得。
2005年9月 合肥 4
铅玻璃SF-5
铅玻璃PN-123 PbF2 TlCl
1.67
1.73 1.75 2.2
4.08
4.70 7.8 7.0
2.54
2.10 0.95 0.94
2005年9月 合肥
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1.25
1.23
介质原子或分子的极化 与退极化； 电磁辐射的相干叠加， 在一定方向得到加强。
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二、切伦科夫辐射产生的条件
（1）快速带电粒子做匀 速运动，且
c v n 或 1 n
1 n
（2）均匀透明的介质 （3）满足 在与 粒子运动方向成角的 方向上电磁辐射相干加 强，才能观测到。
cos
2005年9月 合肥 3
三、切伦科夫辐射的特点
1)
Cherenkov辐射的阈速度和方向性：
c / n 1 cos c v n n 是介质的折射率，c / n 是光在介质中的相速度，
v / c是入射粒子的相对论速度， c 和n 都是切伦科夫辐射波长的函数
2005年9月 合肥 7
常用Cherenkov介质的特性
介质 氢 氦 二氧化碳 气凝硅胶 水 有机玻璃 铅玻璃 折射率 n 1.000140 1.000035 1.000410 1.02 1.33 1.49 1.76 最大辐射角 max 0°57’ 0°29’ 1°38’ 11°22’ 41°15’ 47°51’ 55°23’ N(光子数/cm) 0.13 0.03 0.40 19.0 213 269 332
通过单位长度介质在每单位光子能量间隔产生的光子数是
d 2N 2z2 2z2 2 sin c 2 dEdx c re me c 2 370 sin 2 ( E )
1 1 2 2 n ( E ) (eV 1 cm 1 ) （z 1时）
第六章 切伦科夫探测器
§6-1 切伦科夫辐射的原理 §6-2 切伦科夫辐射的产生和收集 §6-3 切伦科夫探测器的分类和应用
§6-1 切伦科夫辐射的原理
一、切伦科夫辐射的描述
Cherenkov Radiation：匀速带电粒子穿过均匀透明介 质，当其速度超过光在该介质中的相速度c/n时，粒子 将发射辐射，称为Cherenkov辐射。 Cherenkov辐射的阈特性、方向性是和入射粒子的速 度密切相关的。 产生和记录Cherenkov辐射的装置称为Cherenkov探测 器。 产生机理：
6
切伦科夫辐射的特点
（1）切伦科夫辐射角
（2）阈速度
（3）阈动能
1 T＝ n
1 cos n
1
v c
n ET＝E0 2 1 1/ 2 (n 1)
max cos 1
1 n
（4）最大辐射角 （5）辐射光谱是从紫外光到可见光的连续谱。 （6）发光时间短10－9－10－11秒。 （7）平面偏振光。
一、辐射体
可以是气体、液体和固体，应根据不同的用途选择不同的辐射体。
1、全吸收簇射计数器的辐射体 高能电子或射线射入介质后，发生电磁簇射。簇射纵向扩展大，横向扩 展小。能量超过阈能的电子就会产生Cerenkev辐射。 要求： 辐射长度X0小，总尺寸小，足以包容全部簇射，LmaxLnE； 没有闪烁荧光；折射率n大，平均光产额N多，能量分辨好； 透明度好，特别是透紫性能好，以收集更多的光子。
折射率n是光子能量E的函数。 考虑n是光子波长的函数则
1 1 2 2 n ( ) 若介质长L，发出在波长1和2之间的光子总数为
d 2N 2 z 2 dxd
L
N
0
2
1
2 2 2 L z d 2N 2 dxd sin c d 2 1 dxd 2005年9月合肥
2）粒子携带的信息
若已知粒子质量m，则有： p m T m 1
dp 2 d p
E m dE 2 d E
dT d 1 T
若已知粒子动量p，可根据粒子速度确定粒子质量，即 分辨粒子。对粒子的分辨能力为：
dm 2 d m
2005年9月 合肥
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四、切伦科夫辐射与韧致辐射及荧光的差别
切伦科夫辐射 产生条件 辐射体 辐射角 发光时间 偏振性质 光强 辐射光谱 产生机制 V>c/n,匀速
均匀透明，只与n有关 ＝cos-1(1/n),E大, 大 10-9－10-11 s
韧致辐射
加速度越大辐射越强
与原子序数Z2成正比 <>mc2/E,E大小 ——
荧光
与粒子运动形式无关
荧光物质 各向同性 10-7－10-9 s
平面偏振光
弱 紫外到可见光,连续光谱 介质极化退极化辐射
偏振光
最强 X射线
非偏振光
约大于切伦科夫光100倍 可见光,线光谱或带光谱
相干叠加
快速带电粒子速度 变化辐射
闪烁体原子激化退激 化辐射
2005年9月 合肥
9
§6-2 切伦科夫辐射的产生和收集
对动量相同来自百度文库量不同的粒子的速度差（ ~1）为：
m m
1
2
2 2 m m 1 2
2p
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m1 m2
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2005年9月 合肥
3）切伦科夫辐射光谱及光子密度分布
电荷为ze的粒子通过单位长度介质辐射的能量是 dE 4 2 z 2e2 1 1 d 2 2 2 n 1 dx c n v为辐射频率
当最小辐射角 =0时，T n 1 ，为产生切伦科夫辐射的最小速度，
称作切伦科夫辐射的阈速度。 1 当 =cos-1 时， 1， max 最大辐射角。 n
切伦科夫辐射与粒子运动方向成角，形成以粒子运动轨迹为轴 的光锥，其张角为2，测定，已知n，即可求得。
2005年9月 合肥 4