Rayonnement Tcherenkov - Cherenkov radiation

Le rayonnement Cherenkov incandescent dans le cœur du réacteur d'essai avancé .

Rayonnement Cherenkov ( / ə r ɛ ŋ k ɒ f / ; russe : Черенков) est un rayonnement électromagnétique émis quand une particule chargée (tel qu'un électron ) passe à travers un diélectrique milieu à une vitesse supérieure à la vitesse de phase (vitesse de propagation d'une onde dans un milieu) de lumière dans ce milieu. Un exemple classique de rayonnement Cherenkov est la lueur bleue caractéristique d'un réacteur nucléaire sous - marin . Sa cause est similaire à la cause d'un bang sonique , le son aigu entendu lorsqu'un mouvement plus rapide que le son se produit. Le phénomène porte le nom du physicien soviétique Pavel Cherenkov , qui a partagé le prix Nobel de physique 1958 pour sa découverte.

Histoire

Le rayonnement porte le nom du scientifique soviétique Pavel Cherenkov , lauréat du prix Nobel de 1958 , qui fut le premier à le détecter expérimentalement sous la supervision de Sergey Vavilov à l' Institut Lebedev en 1934. Par conséquent, il est également connu sous le nom de rayonnement Vavilov-Cherenkov . Cherenkov a vu une faible lumière bleuâtre autour d'une préparation radioactive dans l'eau pendant les expériences. Sa thèse de doctorat portait sur la luminescence de solutions de sels d'uranium qui étaient excitées par des rayons gamma au lieu de la lumière visible moins énergétique, comme cela se fait couramment. Il découvrit l' anisotropie du rayonnement et arriva à la conclusion que la lueur bleutée n'était pas un phénomène fluorescent.

Une théorie de cet effet a ensuite été développé en 1937 dans le cadre d' Einstein de Relativité théorie par les collègues de Cherenkov Igor Tamm et Ilya Frank , qui a également partagé le prix Nobel 1958.

Le rayonnement Cherenkov en tant que front d'onde conique avait été théoriquement prédit par le polymathe anglais Oliver Heaviside dans des articles publiés entre 1888 et 1889 et par Arnold Sommerfeld en 1904, mais les deux avaient été rapidement oubliés suite à la restriction de la théorie de la relativité des particules super-c jusqu'aux années 1970. Marie Curie a observé une lumière bleu pâle dans une solution de radium très concentrée en 1910, mais n'a pas recherché sa source. En 1926, le radiothérapeute français Lucien Mallet a décrit le rayonnement lumineux du radium irradiant l'eau ayant un spectre continu.

En 2019, une équipe de chercheurs de de Dartmouth et Dartmouth-Hitchcock de Norris Cotton Cancer Center a découvert la lumière Cherenkov générée dans l' humeur vitreuse des patients subissant une radiothérapie . La lumière a été observée à l'aide d'un système d'imagerie par caméra appelé CDose, spécialement conçu pour visualiser les émissions lumineuses des systèmes biologiques. Pendant des décennies, les patients avaient signalé des phénomènes tels que des « éclairs de lumière vive ou bleue » lorsqu'ils recevaient des traitements de radiothérapie pour un cancer du cerveau, mais les effets n'avaient jamais été observés expérimentalement.

Origine physique

Notions de base

Alors que la vitesse de la lumière dans le vide est une constante universelle ( c = 299 792 458 m/s ), la vitesse dans un matériau peut être nettement inférieure, car elle est perçue comme ralentie par le milieu. Par exemple, dans l' eau, elle n'est que de 0,75 c . La matière peut accélérer au-delà de cette vitesse (bien qu'encore inférieure à c , la vitesse de la lumière dans le vide) lors des réactions nucléaires et dans les accélérateurs de particules . Le rayonnement Cherenkov se produit lorsqu'une particule chargée, le plus souvent un électron , traverse un milieu diélectrique (peut être polarisé électriquement) à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans ce milieu.

L'effet peut être décrit intuitivement de la manière suivante. De la physique classique, il est connu que les particules chargées émettent des ondes électromagnétiques et via le principe de Huygens, ces ondes formeront des fronts d'onde sphériques qui se propagent avec la vitesse de phase de ce milieu (c'est-à-dire la vitesse de la lumière dans ce milieu donnée par , pour , l' indice de réfraction ). Lorsqu'une particule chargée traverse un milieu, les particules du milieu se polarisent autour de lui en réponse. La particule chargée excite les molécules dans le milieu polarisable et en revenant à leur état fondamental , les molécules réémettent l'énergie qui leur est donnée pour réaliser l'excitation sous forme de photons. Ces photons forment les fronts d'onde sphériques que l'on peut voir provenant de la particule en mouvement. Si , c'est-à-dire la vitesse de la particule chargée est inférieure à celle de la vitesse de la lumière dans le milieu, alors le champ de polarisation qui se forme autour de la particule en mouvement est généralement symétrique. Les fronts d'onde émis correspondants peuvent être regroupés mais ils ne coïncident pas ou ne se croisent pas et il n'y a pas d'effets d'interférence à craindre. Dans la situation inverse, c'est-à-dire que le champ de polarisation est asymétrique le long de la direction du mouvement de la particule, car les particules du milieu n'ont pas assez de temps pour retrouver leurs états aléatoires "normaux". Il en résulte un chevauchement des formes d'onde (comme dans l'animation) et une interférence constructive conduit à un signal lumineux de type cône observé à un angle caractéristique : la lumière Cherenkov.

Animation du rayonnement Cherenkov

Une analogie courante est le bang sonique d'un avion supersonique . Les ondes sonores générées par l'avion se déplacent à la vitesse du son, qui est plus lente que l'avion, et ne peuvent pas se propager vers l'avant depuis l'avion, formant plutôt un front de choc conique . De la même manière, une particule chargée peut générer une "onde de choc" de lumière visible lorsqu'elle traverse un isolant.

La vitesse qui doit être dépassée est la vitesse de phase de la lumière plutôt que la vitesse de groupe de la lumière. La vitesse de phase peut être considérablement modifiée en utilisant un milieu périodique, et dans ce cas, on peut même obtenir un rayonnement Cherenkov sans vitesse minimale de particule, un phénomène connu sous le nom d' effet Smith-Purcell . Dans un milieu périodique plus complexe, tel qu'un cristal photonique , on peut également obtenir une variété d'autres effets Cherenkov anormaux, tels que le rayonnement dans une direction arrière (voir ci-dessous) alors que le rayonnement Cherenkov ordinaire forme un angle aigu avec la vitesse des particules.

Rayonnement Cherenkov dans le réacteur de recherche Reed .

Dans leur travail original sur les fondements théoriques du rayonnement Cherenkov, Tamm et Frank ont ​​écrit : « Ce rayonnement particulier ne peut évidemment pas être expliqué par un mécanisme commun tel que l'interaction de l'électron rapide avec un atome individuel ou comme la diffusion radiative des électrons sur les noyaux atomiques. D'autre part, le phénomène peut s'expliquer à la fois qualitativement et quantitativement si l'on prend en compte le fait qu'un électron se déplaçant dans un milieu rayonne de la lumière même s'il se déplace uniformément à condition que sa vitesse soit supérieure à la vitesse de la lumière dans le moyen."

Angle d'émission

La géométrie du rayonnement Cherenkov montrée pour le cas idéal d'absence de dispersion.

Dans la figure sur la géométrie, la particule (flèche rouge) se déplace dans un milieu avec une vitesse telle que

où est la vitesse de la lumière dans le vide et est l' indice de réfraction du milieu. Si le milieu est de l'eau, la condition est , puisque pour de l'eau à 20 °C.

On définit le rapport entre la vitesse de la particule et la vitesse de la lumière comme

Les ondes lumineuses émises (indiquées par des flèches bleues) se déplacent à grande vitesse

Le coin gauche du triangle représente l'emplacement de la particule supraluminale à un moment initial ( t = 0 ). Le coin droit du triangle est l'emplacement de la particule à un instant ultérieur t. Dans le temps donné t , la particule parcourt la distance

alors que les ondes électromagnétiques émises sont restreintes pour parcourir la distance

L'angle d'émission donne donc

Angle d'émission arbitraire

Le rayonnement Cherenkov peut également rayonner dans une direction arbitraire en utilisant des métamatériaux unidimensionnels correctement conçus . Ce dernier est conçu pour introduire un gradient de retard de phase le long de la trajectoire de la particule à déplacement rapide ( ), inversant ou dirigeant l'émission Cherenkov à des angles arbitraires donnés par la relation généralisée :

Notez que puisque ce rapport est indépendant du temps, on peut prendre des temps arbitraires et réaliser des triangles similaires . L'angle reste le même, ce qui signifie que les vagues suivantes générées entre l'instant initial t = 0 et l'instant final t formeront des triangles similaires avec des extrémités droites coïncidant avec celle illustrée.

Inverser l'effet Cherenkov

Un effet Cherenkov inverse peut être expérimenté en utilisant des matériaux appelés métamatériaux à indice négatif (matériaux avec une microstructure sous-longueur d'onde qui leur confère une propriété "moyenne" efficace très différente de leurs matériaux constitutifs, dans ce cas ayant une permittivité négative et une perméabilité négative ). Cela signifie que, lorsqu'une particule chargée (généralement des électrons) traverse un milieu à une vitesse supérieure à la vitesse de phase de la lumière dans ce milieu, cette particule émet un rayonnement de fuite provenant de sa progression dans le milieu plutôt que devant lui (comme c'est le cas le cas dans les matériaux normaux avec, à la fois la permittivité et la perméabilité positives). On peut également obtenir un tel rayonnement Cherenkov à cône inversé dans des milieux périodiques non métamatériaux où la structure périodique est à la même échelle que la longueur d'onde, de sorte qu'il ne peut pas être traité comme un métamatériau effectivement homogène.

Dans le vide

L'effet Cherenkov peut se produire dans le vide. Dans une structure à ondes lentes, comme dans un tube à ondes progressives (TWT), la vitesse de phase diminue et la vitesse des particules chargées peut dépasser la vitesse de phase tout en restant inférieure à . Dans un tel système, cet effet peut être dérivé de la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement où la quantité de mouvement d'un

photon devrait être ( est constante de phase ) plutôt que de la relation de Broglie . Ce type de rayonnement (VCR) est utilisé pour générer des micro-ondes de haute puissance.

Caractéristiques

Le spectre de

fréquence du rayonnement Cherenkov par une particule est donné par la formule de Frank-Tamm :

La formule de Frank-Tamm décrit la quantité d'énergie émise par le rayonnement Cherenkov, par unité de longueur parcourue et par fréquence . est la

perméabilité et est l' indice de réfraction du matériau à travers lequel la particule de charge se déplace. est la charge électrique de la particule, est la vitesse de la particule et est la vitesse de la lumière dans le vide.

Contrairement

aux spectres de fluorescence ou d' émission qui ont des pics spectraux caractéristiques, le rayonnement Cherenkov est continu. Autour du spectre visible, l'intensité relative par unité de fréquence est approximativement proportionnelle à la fréquence. C'est-à-dire que les fréquences plus élevées (longueurs d' onde plus courtes ) sont plus intenses dans le rayonnement Cherenkov. C'est pourquoi le rayonnement visible de Cherenkov est d'un bleu brillant. En fait, la plupart des rayonnements Cherenkov se situent dans le spectre ultraviolet - ce n'est qu'avec des charges suffisamment accélérées qu'ils deviennent même visibles ; la sensibilité de l'œil humain culmine au vert et est très faible dans la partie violette du spectre.

Il existe une fréquence de coupure au-dessus de laquelle l'équation ne peut plus être satisfaite. L'

indice de réfraction varie avec la fréquence (et donc avec la longueur d'onde) de telle sorte que l'intensité ne peut pas continuer à augmenter à des longueurs d'onde de plus en plus courtes, même pour des particules très relativistes (où v / c est proche de 1). Aux fréquences des rayons X , l'indice de réfraction devient inférieur à 1 (notez que dans les milieux, la vitesse de phase peut dépasser c sans violer la relativité) et donc aucune émission de rayons X (ou d'émissions de longueurs d'onde plus courtes telles que les rayons gamma ) ne serait observée. Cependant, les rayons X peuvent être générés à des fréquences spéciales juste en dessous des fréquences correspondant aux transitions électroniques centrales dans un matériau, car l'indice de réfraction est souvent supérieur à 1 juste en dessous d'une fréquence de résonance (voir relation de Kramers-Kronig et dispersion anormale ).

Comme dans les bangs soniques et les amortisseurs d'étrave, l'angle du cône de choc est directement lié à la vitesse de la perturbation. L'angle Cherenkov est nul à la vitesse seuil d'émission du rayonnement Cherenkov. L'angle atteint un maximum lorsque la vitesse des particules se rapproche de la vitesse de la lumière. Par conséquent, les angles d'incidence observés peuvent être utilisés pour calculer la direction et la vitesse d'une charge productrice de rayonnement Cherenkov.

Le rayonnement Cherenkov peut être généré dans l'œil par des particules chargées frappant l' humeur vitrée , donnant l'impression d'éclairs, comme dans les phénomènes visuels des rayons cosmiques et éventuellement certaines observations d' accidents de

criticité .

Les usages

Détection de biomolécules marquées

Le rayonnement Cherenkov est largement utilisé pour faciliter la détection de petites quantités et de faibles concentrations de biomolécules . Les atomes radioactifs tels que le phosphore-32 sont facilement introduits dans les biomolécules par des moyens enzymatiques et synthétiques et peuvent ensuite être facilement détectés en petites quantités dans le but d'élucider les voies biologiques et de caractériser l'interaction de molécules biologiques telles que les constantes d'affinité et les taux de dissociation.

Imagerie médicale des radio-isotopes et radiothérapie externe

Émission de lumière Cherenkov imagée à partir de la paroi thoracique d'une patiente subissant une irradiation du sein entier, à l'aide d'un faisceau de 6 MeV provenant d'un accélérateur linéaire en radiothérapie.

Plus récemment, la lumière Cherenkov a été utilisée pour imager des substances dans le corps. Ces découvertes ont suscité un vif intérêt autour de l'idée d'utiliser ce signal lumineux pour quantifier et/ou détecter des rayonnements dans l'organisme, soit à partir de sources internes telles que les radiopharmaceutiques injectés, soit à partir de la radiothérapie externe en oncologie. Les radio-isotopes tels que les émetteurs de positons 18 F et 13 N ou les émetteurs

bêta 32 P ou 90 Y ont une émission Cherenkov mesurable et les isotopes 18 F et 131 I ont été imagés chez l'homme pour une démonstration de valeur diagnostique. Il a été démontré que la radiothérapie externe induit une quantité substantielle de lumière Cherenkov dans le tissu traité, en raison des niveaux d'énergie du faisceau de photons utilisés dans les plages de 6 MeV à 18 MeV. Les électrons secondaires induits par ces rayons X à haute énergie entraînent l'émission de lumière Cherenkov, où le signal détecté peut être imagé aux surfaces d'entrée et de sortie du tissu.

Réacteurs nucléaires

Rayonnement Cherenkov dans une piscine de réacteur TRIGA .

Le rayonnement Cherenkov est utilisé pour détecter les particules chargées de haute énergie. Dans les réacteurs à piscine ouverte , des particules bêta (électrons de haute énergie) sont libérées lorsque les produits de fission se désintègrent. La lueur continue après l'arrêt de la réaction en chaîne, s'atténuant à mesure que les produits à courte durée de vie se désintègrent. De même, le rayonnement Cherenkov peut caractériser la radioactivité résiduelle des crayons de combustible usé. Ce phénomène est utilisé pour vérifier la présence de combustible nucléaire usé dans les piscines de combustible usé aux fins du contrôle de sécurité.

Expériences d'astrophysique

Lorsqu'un photon gamma ou un rayon cosmique de haute énergie ( TeV ) interagit avec l' atmosphère terrestre , il peut produire une paire électron- positon avec des vitesses énormes. Le rayonnement Cherenkov émis dans l'atmosphère par ces particules chargées est utilisé pour déterminer la direction et l'énergie du rayon cosmique ou rayon gamma, qui est utilisé par exemple dans la technique d'imagerie atmosphérique Cherenkov ( IACT ), par des expériences telles que VERITAS , HESS , MAGIE . Le rayonnement Cherenkov émis dans des réservoirs remplis d'eau par les particules chargées atteignant la terre est utilisé dans le même but par l'expérience Extensive Air Shower HAWC , l' Observatoire Pierre Auger et d'autres projets. Des méthodes similaires sont utilisées dans de très gros détecteurs de neutrinos , tels que le Super-Kamiokande , le Sudbury Neutrino Observatory (SNO) et IceCube . D'autres projets ont fonctionné dans le passé en appliquant des techniques connexes, tels que STACEE , une ancienne tour solaire rénovée pour fonctionner comme un observatoire Cherenkov sans imagerie, qui était situé au Nouveau-Mexique .

Les observatoires d'astrophysique utilisant la technique Cherenkov pour mesurer les gerbes d'air sont essentiels pour déterminer les propriétés des objets astronomiques qui émettent des rayons gamma à très haute énergie, tels que les restes de supernova et les blazars .

Expériences de physique des particules

Le rayonnement Cherenkov est couramment utilisé en physique expérimentale des particules pour l'identification des particules. On pourrait mesurer (ou mettre des limites) la vitesse d'une particule élémentaire chargée électriquement par les propriétés de la lumière Cherenkov qu'elle émet dans un certain milieu. Si la quantité de mouvement de la particule est mesurée indépendamment, on pourrait calculer la masse de la particule par sa quantité de mouvement et sa vitesse (voir quatre impulsions ), et donc identifier la particule.

Le type le plus simple de dispositif d'identification de particules basé sur une technique de rayonnement Cherenkov est le compteur de seuil, qui indique si la vitesse d'une particule chargée est inférieure ou supérieure à une certaine valeur ( , où est la vitesse de la lumière , et est l' indice de réfraction de le milieu) en regardant si cette particule émet de la lumière Cherenkov dans un certain milieu. Connaissant la quantité de mouvement des particules, on peut séparer les particules plus légères qu'un certain seuil de celles plus lourdes que le seuil.

Le type de détecteur le plus avancé est le RICH, ou détecteur Cherenkov à imagerie annulaire , développé dans les années 1980. Dans un détecteur RICH, un cône de lumière Cherenkov est produit lorsqu'une particule chargée à grande vitesse traverse un milieu approprié, souvent appelé radiateur. Ce cône de lumière est détecté sur un détecteur de photons planaire sensible à la position, qui permet de reconstruire un anneau ou un disque, dont le rayon est une mesure de l'angle d'émission Cherenkov. Des détecteurs de focalisation et de focalisation de proximité sont utilisés. Dans un détecteur RICH focalisant, les photons sont collectés par un miroir sphérique et focalisés sur le détecteur de photons placé au plan focal. Le résultat est un cercle avec un rayon indépendant du point d'émission le long de la trajectoire des particules. Ce schéma convient aux radiateurs à faible indice de réfraction, c'est-à-dire aux gaz, en raison de la plus grande longueur de radiateur nécessaire pour créer suffisamment de photons. Dans la conception de focalisation de proximité plus compacte, un mince volume de radiateur émet un cône de lumière Cherenkov qui traverse une petite distance - l'espace de proximité - et est détecté sur le plan du détecteur de photons. L'image est un anneau de lumière dont le rayon est défini par l'angle d'émission Cherenkov et le gap de proximité. L'épaisseur de l'anneau est déterminée par l'épaisseur du radiateur. Un exemple de détecteur RICH à fente de proximité est le High Momentum Particle Identification Detector (HMPID), un détecteur actuellement en construction pour ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ), l'une des six expériences du LHC ( Large Hadron Collider ) au CERN .

Voir également

Citations

Sources

Liens externes