Khi một hạt nhẹ năng lượng cao đi qua môi trường vật chất, bên cạnh hiệu ứng ion hóa, sự phát bức xạ hãm, còn xảy ra hiệu ứng phân cực. Trong nguyên tử, ở trạng thái không bị nhiễu loạn, trọng tâm của lớp electron nằm trùng với vị trí hạt nhân. Khi có một hạt tích điện đến gần nguyên tử, điện trường của chính hạt tích điện làm xê dịch vị trí của đám mây electron so với hạt nhân nguyên tử, do đó nguyên tử bị phân cực. Khi hạt tích điện đi xa, nguyên tử sẽ trở về trạng thái cơ bản ban đầu và phóng thích năng lượng dưới dạng sóng điện từ, gọi là bức xạ Cherenkov. Hiệu ứng này xảy ra khi vận tốc v lớn hơn vận tốc pha (c/n) của ánh sáng trong môi trường đó.
Trong đó, n >1 là chiết suất của môi trường này và c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Các photon Cherenkov phát ra dọc theo phương di chuyển của hạt và ánh sáng Cherenkov bị giới hạn trong một mặt nón có góc ở đỉnh là cho bởi (4.17).
c cosθ= nv (4.17) 4.6.2. Ống đếm Cherenkov PMT Gương Bức xạ Cherenkov Detector
Hình 16: Ống đếm Cherenkov
Ống đếm Cherenkov là detector hạt sử dụng hiệu ứng Cherenkov. Ống đếm có thể phát hiện các hạt nhanh, đo khối lượng hạt, xác định được dấu vết, vị trí của các sự kiện trong môi trường khá lớn như trong các lò phản ứng, đo bức xạ vũ trụ, trong thiên văn học, trong y sinh,… Thực tế, hệ đếm Cherenkov thường được sử dụng gồm nhiều PMT đo trên quy mô lớn. Ống đếm Cherenkov có nhiều điểm tương tự với detector nhấp nháy, trong đó ánh sáng nhấp nháy trong detector nhấp nháy được thay bằng ánh sáng Cherenkov. Ánh sáng Cherenkov phát ra được hội trụ trên PMT, PMT có độ nhạy ứng với vùng ánh sáng tử ngoại. Qua PMT, tín hiệu ánh sáng được chuyển thành tín hiệu điện và được khuếch đại để ghi nhận và chuyển đổi thành số bởi hệ điện tử phía sau. Tuy nhiên, detector Cherenkov có một vài đặc điểm khác detector nhấp nháy:
1. Là loại detector duy nhất có thể phân biệt được bức xạ Cherenkov. Ánh sáng được phát ra trong thời gian ngắn khi electron được làm chậm trong môi trường vật chất. Thời gian này thường khoảng pico giây đối với chất rắn và lỏng. Vì vậy, detector Cherenkov có khả năng phân giải thời gian rất nhanh.
2. Hạn chế lớn của detector Cherenkov là số ánh sáng phát ra rất ít, chỉ khoảng 10-3 phần năng lượng của hạt chuyển thành ánh sáng nhìn thấy, nhỏ hơn khoảng 100 lần so với một chất nhấp nháy.
3. Trái ngược với ánh sáng nhấp nháy, được phát ra đẳng hướng, bức xạ Cherenkov tập trung theo hướng vận tốc hạt tới. Ánh sáng này được nhốt trong bề mặt của một khối hình nón với góc đỉnh là .
Trong lò phản ứng hạt nhân, bức xạ Cherenkov được sử dụng để dò tìm các hạt tích điện năng lượng cao. Trong các lò phản ứng, các hạt electron sinh ra từ các phân rã của các sản phẩm phân hạch có vận tốc cao hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường nước nên trong lò phản ứng luôn có bức xạ Cherenkov. Đo bức xạ Cherenkov giúp xác định được hoạt tính phóng xạ còn lại của các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng. Ngoài ra, bức xạ Cherenkov thường được sử dụng để xác định loại hạt và một số đặc tính cơ bản của hạt trong vật lý hạt cơ bản.
