Übergangsstrahlung - Transition radiation
Übergangsstrahlung ( TR ) ist eine Form elektromagnetischer Strahlung, die emittiert wird, wenn ein geladenes Teilchen durch inhomogene Medien wie eine Grenze zwischen zwei verschiedenen Medien gelangt . Dies steht im Gegensatz zu Tscherenkow - Strahlung , die auftritt , wenn ein geladenes Teilchen eines gelangt durch homogenes Dielektrikum mit einer Geschwindigkeit größer als die mittleren Phasengeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen in diesem Medium.
Geschichte
Übergangsstrahlung wurde 1945 von Ginzburg und Frank theoretisch demonstriert . Sie zeigten die Existenz von Übergangsstrahlung, wenn ein geladenes Teilchen senkrecht durch eine Grenze zwischen zwei verschiedenen homogenen Medien trat. Die Frequenz der Strahlung, die in Rückwärtsrichtung relativ zum Teilchen emittiert wurde, lag hauptsächlich im Bereich des sichtbaren Lichts . Die Intensität der Strahlung war logarithmisch proportional zu dem Lorentz - Faktor des Teilchens. Nach der ersten Beobachtung der Übergangsstrahlung im optischen Bereich zeigten viele frühe Studien, dass die Anwendung der optischen Übergangsstrahlung zum Nachweis und zur Identifizierung einzelner Partikel aufgrund der inhärenten geringen Intensität der Strahlung stark eingeschränkt zu sein schien.
Das Interesse an Übergangsstrahlung wurde erneuert, als Garibian zeigte, dass die Strahlung für ultrarelativistische Partikel auch im Röntgenbereich auftreten sollte . Seine Theorie sagte einige bemerkenswerte Merkmale für die Übergangsstrahlung im Röntgenbereich voraus . 1959 zeigte Garibian theoretisch, dass die Energieverluste eines ultrarelativistischen Partikels beim Emittieren von TR beim Passieren der Grenze zwischen Medium und Vakuum direkt proportional zum Lorentz-Faktor des Partikels waren. Die theoretische Entdeckung der Röntgenübergangsstrahlung, die direkt proportional zum Lorentz-Faktor war, ermöglichte die weitere Verwendung von TR in der Hochenergiephysik .
So begann ab 1959 eine intensive theoretische und experimentelle Erforschung von TR und insbesondere von Röntgen-TR.
Übergangsstrahlung im Röntgenbereich
Übergangsstrahlung im Röntgenbereich ( TR ) wird von relativistisch geladenen Teilchen erzeugt, wenn sie die Grenzfläche zweier Medien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten kreuzen . Die emittierte Strahlung ist die homogene Differenz zwischen den beiden inhomogenen Lösungen der Maxwellschen Gleichungen der elektrischen und magnetischen Felder des sich bewegenden Teilchens in jedem Medium getrennt. Mit anderen Worten, da das elektrische Feld des Partikels in jedem Medium unterschiedlich ist, muss das Partikel die Differenz "abschütteln", wenn es die Grenze überschreitet. Der Gesamtenergieverlust eines geladenen Teilchens beim Übergang hängt von seinem Lorentz-Faktor γ = E / mc 2 ab und ist größtenteils nach vorne gerichtet und erreicht einen Spitzenwert in der Größenordnung von 1 / γ relativ zum Weg des Teilchens. Die Intensität der emittierten Strahlung ist ungefähr proportional zur Energie E des Partikels .
Optische Übergangsstrahlung wird sowohl in Vorwärtsrichtung emittiert als auch von der Grenzflächenoberfläche reflektiert. Im Fall einer Folie mit einem Winkel von 45 Grad in Bezug auf einen Partikelstrahl kann die Form des Partikelstrahls in einem Winkel von 90 Grad visuell gesehen werden. Eine detailliertere Analyse der emittierten visuellen Strahlung kann die Bestimmung von γ und Emission ermöglichen .
In der Approximation von relativistischer Bewegung ( ), kleinen Winkeln ( ) und hoher Frequenz ( ) kann das Energiespektrum ausgedrückt werden als:
Wo ist die Atomladung, ist die Ladung eines Elektrons, ist der Lorentz-Faktor , ist die Plasmafrequenz . Dies divergiert bei niedrigen Frequenzen, bei denen die Approximationen fehlschlagen. Die insgesamt abgegebene Energie beträgt:
Die Eigenschaften dieser elektromagnetischen Strahlung machen sie zur Partikelunterscheidung geeignet, insbesondere von Elektronen und Hadronen im Impulsbereich zwischen 1 GeV / c und 100 GeV / c . Die Übergangsstrahlungs Photonen erzeugten Elektronen durch Wellenlängen im Röntgenbereich, mit Energien typischerweise im Bereich von 5 bis 15 keV . Die Anzahl der pro Grenzflächenkreuzung erzeugten Photonen ist jedoch sehr gering: Für Teilchen mit γ = 2 × 10 3 werden etwa 0,8 Röntgenphotonen detektiert. Normalerweise werden mehrere Schichten alternierender Materialien oder Verbundwerkstoffe verwendet, um genügend Übergangsstrahlungsphotonen für eine angemessene Messung zu sammeln - beispielsweise eine Schicht inerten Materials, gefolgt von einer Schicht Detektor (z. B. Mikrostreifen-Gaskammer) und so weiter.
Durch Platzieren von Grenzflächen (Folien) mit sehr präziser Dicke und Folientrennung werden durch Kohärenzeffekte die spektralen und Winkeleigenschaften der Übergangsstrahlung verändert . Dies ermöglicht es, eine viel höhere Anzahl von Photonen in einem kleineren Winkel "Volumen" zu erhalten. Anwendungen dieser Röntgenquelle sind durch die Tatsache begrenzt, dass die Strahlung in einem Kegel mit einer minimalen Intensität im Zentrum emittiert wird. Röntgenfokussiergeräte (Kristalle / Spiegel) sind für solche Strahlungsmuster nicht einfach zu bauen.