كاشف سيرنكوف

ذكرنا عندما ناقشنا تفاعل الإشعاع مع المادة. أنه عندما يدخل جسيم مشحون إلى وسط بحيث تكون سرعته في هذا الوسط أكبر من سرعة الضوء فيه فإن ذلك ينتج عنه انطلاق إشعاع مرئي هو إشعاع سيرنكوف. وبينا كذلك شرط انطلاق هذا الإشعاع. وسنقوم الآن بحساب أقل طاقة حركة (1) يمكن للجسيم المشحون أن ينطلق بها كي ينتج عنه إشعاع سيرنكوف حيث:

(1)...........

حيث:               

(2)..............

ومن معادلة الاتية:

نجد أن شرط انطلاق الإشعاع هو:

أي أن:                       

أي أن:               

وبالتعويض في معادلة (2) نجد أن شرط انطلاق إشعاع سيرنكوف أن تعطي T بالعلاقة:

 (3) .............

حيث تبين هذه المعادلة قيمة طاقة الحركة T بدلالة معامل انكسار الوسط (n). ومن ثم يمكن أن نتوقع قيمة الطاقة التي يجب ان يمتلكها الجيم كي يتمكن من إطلاق شعاع سيرنكوف.

يمكن بناء كاشف يستغل هذه الظاهرة ويقوم بالكشف عن الضوء الناتج عن مرور الإشعاع في وسط شفاف.

يبين الشكل (1) كاشف سيرنكوف المستخدم للكشف عن الجسيمات في سيرن (CERN) حيث تسقط الجسيمات الريعة على وسط شفاف ومن ثم يمكن أن ينطلق إشعاع سيرنكوف المرني الذي يسقط على مرآة عاكسة وباستخدام مجموعة من العدسات يمكن تركيز هذا الضوء ليسقط على مهبط ضوئي يقوم بتحويل هذا الضوء إلى نبضات كهربية. كما ويمكن أن يسقط هذا الضوء على آلات تصوير خاصة تقوم بأخذ صورة لهذا الإشعاع. ومن ثم

الشكل (1)

بصورة عامة تتميز هذه الكاشفات بالبساطة ويمكن تلخيص خواصها فيما يلي:

1- تتمتع هذه الكاشفات بميزة كبيرة وهي إمكانية التمييز بين طاقات الجسيمات المختلفة وذلك لأن هناك حداً أدنى للطاقة يمكن أن ينطلق عنده الإشعاع (أنظر معادلة 3). حيث أنها لا تستجيب إلا للجسيمات ذات الطاقات المعينة وبالتالي فهي كاشفات عتبة Threshold deocters. فمثلاً عند استخدام الماء كوسط شفاف (1.33 = n) فإن ادنى طاقة يمكن أن ينطلق عندها الإشعاع لكل من البروتونات والبايونات والإلكترونات هي: 599، 73، 265 م.أ.ف.، على الترتيب.

2- زمن استجابة هذه الكاشفات قصير جداً وذلك لأن الضوء الناتج منها يشع خلال فترة زمنية محدودة (حوالي ^12-10 ثانية) وهذه تمثل الفترة التي يستغرقها الإلكترون كي تنقص سرعته الابتدائية إلى أقل سرعة ينطلق عندها إشعاع سيرنكوف.

3- أما عيوب هذه الأجهزة فتتمثل في كفاءتها المنخفضة. حيث وجد أن عدد الفوتونات الناتجة عن الكترون واحد تساوي عدة مئات من الفوتونات لكل م. أ. ف. وهذا يساوي حوالي 0.001 من طاقة الجسيم الساقط. وبالمقارنة مع كواشف الوميض فإن عدد الفوتونات الناتج عن هذه الكاشفات أكبر من العدد الناتج عن كاشفات سيرنكوف بحوالي مائة مرة.

وعلى العموم تختار أوساط سيرنكوف من مواد ذات نفاذية كبيرة للضوء بينما يتراوح معامل انكسار هذه الأوساط بين 1.2، 1.8. كما أن هناك بعض الغازات التي يتراوح معامل انكسارها بين 1، 1.2 وذلك عند ضغوط مختلفة. نجمل بعضاً من هذه الخصائص في الجدول (1).

الجدول (1)

ويمكن ان تعطي β بدلالة زخم (P) الجسيم الذي كتلته (m) بالعلاقة:

(4)................

فإذا كان لدينا جسيمين كتلتيهما m₂ , m₁ ولهما نفس الزخم (P) فإن:

ويمكن استنتاج ان:

(5).............

نبين في الشكل (2) التغير في السرعة (Δβ/β) كدلة في الزخم. حيث يبين الشكل كاشف 2 (Det.2) الذي يستطيع أن يميز بين ميزونات K وπ حتى زخم يساوي GeV/C 300 بينما يستطيع أن يكشف عن البروتونات فقط المتحركة بزخم يساوي 60 GeV/C . بينما يستطيع الكاشف 1 (1.Det) أن يكشف عن بروتونات زخمها GeV/C 12 كما يستطيع التمييز بين K و π حتى زخم يساوي GeV/C 150.

الشكل (2)