遷移放射

遷移放射（TR ）は、荷電粒子が2つの異なる媒体の境界などの不均質な媒体を通過するときに放出される電磁放射の一種です。これは、荷電粒子が均質な誘電体媒体をその媒体内の電磁波の位相速度よりも速い速度で通過するときに発生するチェレンコフ放射とは対照的です。

遷移放射は、 1945年にギンツブルグとフランクによって理論的に実証されました。^[1] 彼らは、荷電粒子が2つの異なる均質媒体の境界を垂直に通過するときに遷移放射が存在することを示しました。粒子に対して後方に放出される放射の周波数は、主に可視光の範囲内でした。放射の強度は、粒子のローレンツ因子に対数的に比例しました。光学領域での遷移放射の最初の観測の後、^[2]多くの初期の研究は、放射の固有の強度が低いため、個々の粒子の検出と識別への光学遷移放射の応用は大幅に制限されているように思われることを示しました。

遷移放射への関心が再燃したのは、ガリビアンが 超相対論的粒子ではX線領域でも放射が現れるはずだと示したときだった。彼の理論は、 X線領域での遷移放射のいくつかの注目すべき特徴を予測していた。 ^[3] 1959年、ガリビアンは、超相対論的粒子が媒質と真空の境界を通過する際にTRを放射する際のエネルギー損失が、粒子のローレンツ因子に正比例することを理論的に示した。^[4]ローレンツ因子に正比例するX線遷移放射の理論的発見により、高エネルギー物理学におけるTRのさらなる利用が可能になった。^[5]

こうして1959年からTR、特にX線TRの集中的な理論的・実験的研究が始まった。^{[6] [7]}

X 線領域( TR )の遷移放射は、相対論的な荷電粒子が異なる誘電率を持つ 2 つの媒体の界面を横切るときに生成されます。放出される放射は、各媒体を移動する粒子の電場と磁場のマクスウェル方程式の 2 つの不均質解の均質な差です。言い換えると、粒子の電場は各媒体で異なるため、粒子は境界を横切るときにその差を「払いのける」必要があります。遷移時の荷電粒子の全エネルギー損失は、ローレンツ因子 γ = E / mc ²に依存し、ほとんどが前方に向けられ、粒子の経路に対して1/ γのオーダーの角度でピークに達します。放出される放射の強度は、粒子のエネルギーEにほぼ比例します。

光学遷移放射は、前方方向に放射されるとともに、界面表面で反射されます。粒子ビームに対して 45 度の角度を持つフォイルの場合、粒子ビームの形状は 90 度の角度で視覚的に確認できます。放射された可視放射をより詳細に分析することで、 γと放射率を決定できる可能性があります。

相対論的運動（ ）、小角度（）、高周波数（ ）の近似では、エネルギースペクトルは次のように表される：^[8]${\displaystyle \gamma \gg 1}$${\displaystyle \theta \ll 1}$${\displaystyle \omega \gg \omega _{p}}$

${\displaystyle {\frac {dI}{d\nu }}\about {\frac {z^{2}e^{2}\gamma \omega _{p}}{\pic}}{\bigg ( }(1+2\nu ^{2})\ln(1+{\frac {1}{\nu ^{2}}})-2{\bigg )}}$

ここで、は原子電荷、は電子電荷、はローレンツ因子、はプラズマ周波数​​です。これは、近似が失敗する低周波数では発散します。放出される総エネルギーは、次のようになります。 ${\displaystyle z}$${\displaystyle e}$${\displaystyle \gamma}$${\displaystyle \omega_{p}}$

${\displaystyle I={\frac {z^{2}e^{2}\gamma \omega _{p}}{3c}}}$

この電磁放射の特性は、特に運動量範囲の電子とハドロンを区別するのに適している。1 GeV/cおよび100 GeV/c 。電子によって生成される遷移放射線光子は、X線領域の波長を持ち、エネルギーは通常5から15 keV。しかし、界面を通過するごとに生成される光子の数は非常に少なく、γ = 2×10 ³の粒子の場合、約 0.8 の X 線光子が検出されます。通常、十分な測定を行うために十分な遷移放射線光子を収集するために、交互の材料または複合材料の複数の層が使用されます。たとえば、不活性材料の 1 つの層の後に検出器の 1 つの層 (マイクロストリップ ガス チャンバーなど) などです。

非常に正確な厚さと間隔でインターフェース (フォイル) を配置すると、コヒーレンス効果によって遷移放射のスペクトル特性と角度特性が変わります。これにより、より小さな角度の「体積」でより多くの光子を得ることができます。この X 線源の用途は、放射が円錐状に放射され、中心の強度が最小になるという事実によって制限されます。このような放射パターンに対して X 線集束装置 (結晶/ミラー) を構築するのは簡単ではありません。

遷移放射の特殊なタイプは拡散放射です。これは、荷電粒子がランダムに不均一な誘電率を持つ媒体を横切る場合に放射されます^{9,10,11}。

• 遷移放射線検出器

9. ^SRAtayanとZh.S.Gevorkian、「ランダムに不均質な媒体における荷電粒子の擬光子拡散と放射」、Sov.Phys.JETP、v.71(5)、862、(1990)。\\

10. ^Zh.S.Gevorkian、「1次元ランダム性を持つシステムにおける相対論的荷電粒子の放射」、Phys.Rev.E、v.57、2338、(1998)。\\

11. ^ Zh.S.Gevorkian、CPChen、Chin-Kun Hu、「誘電体ランダム媒体中の相対論的荷電粒子からのX線放射の新しいメカニズム」、Phys.Rev.Lett. v.86、3324、(2001)。

• 光遷移放射における干渉現象と粒子線診断および多重散乱測定へのその応用、L. Wartski 他、Journal of Applied Physics -- 1975 年 8 月 -- 第 46 巻、第 8 号、pp. 3644-3653。

• 遷移放射に関する記事