CN108572491A - 一种产生色散切伦科夫辐射的装置以及方法 - Google Patents

一种产生色散切伦科夫辐射的装置以及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种产生色散切伦科夫辐射的装置以及方法，该装置包括：基底；位于基底表面的介质层，所述介质层的相对介电常数大于所述基底的相对介电常数；带电粒子发射器，所述带电粒子发射器用于产生预设初速度的带电粒子；所述基底与所述介质层均为非色散介质；当所述装置用于产生色散切伦科夫辐射时，所述带电粒子发射器使得带电粒子平行入射所述介质层的表面，使得所述初速度的方向平行于所述介质层的表面，且使得所述带电粒子与所述介质层的表面具有小于预设高度的间隙；所述带电粒子激励起沿所述介质层表面平行传输的表面电磁波；所述表面电磁波在所述介质层内产生色散切伦科夫辐射。本发明技术方案可通过非色散介质实现色散切伦科夫辐射。

Description

一种产生色散切伦科夫辐射的装置以及方法
技术领域
本发明涉及电磁学技术领域，更具体的说，涉及一种产生色散切伦科夫辐射的装置以及方法。
背景技术
切伦科夫辐射(Cherenkov radiation)是指当带电粒子的运动速度超过周围媒质中的光速的情况下产生的一种电磁辐射现象，它在高能粒子物理学、宇宙射线物理、电磁辐射源等领域具有重要的应用，自发现之日起即为全球热点研究课题。
当介质为非色散介质时，切伦科夫辐射场的方向集中在特定的方向(即θ方向)，且满足切伦科夫辐射角公式：
公式(1)中θ是辐射方向与粒子运动方向的夹角，v是粒子运动速度，c是真空中的光速，是介质的折射率，ε为介质相对介电常数。当介质是色散的情况下，折射率n即是随频率变化而变化的，辐射方向与粒子速度方向的夹角θ也将随频率变化。
现有技术中，只能采用色散介质材料实现色散切伦科夫辐射。
发明内容
为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种产生色散切伦科夫辐射的装置以及方法，可以通过非色散介质实现色散切伦科夫辐射，解决了现有技术中只能采用色散介质材料实现色散切伦科夫辐射的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种产生色散切伦科夫辐射的装置，所述装置包括：
基底；
位于基底表面的介质层，所述介质层的相对介电常数大于所述基底的相对介电常数；
带电粒子发射器，所述带电粒子发射器用于产生预设初速度的带电粒子；
所述基底与所述介质层均为非色散介质；
当所述装置用于产生色散切伦科夫辐射时，所述带电粒子发射器用于使得带电粒子平行入射所述介质层的表面，使得所述初速度的方向平行于所述介质层的表面，且使得所述带电粒子与所述介质层的表面具有小于预设高度的间隙；所述带电粒子激励起沿所述介质层表面平行传输的表面电磁波；所述表面电磁波在所述介质层内产生色散切伦科夫辐射。
优选的，在上述装置中，所述基底的相对介电常数范围是2-5，包括端点值。
优选的，在上述装置中，所述介质层的相对介电常数大于20。
优选的，在上述装置中，所述介质层的厚度范围是30nm-50nm，包括端点值。
优选的，在上述装置中，所述预设高度小于1μm。
优选的，在上述装置中，所述基底的厚度大于10倍的所述介质层厚度。
优选的，在上述装置中，所述带电粒子的出射能量范围是40KeV-100KeV，包括端点值。
优选的，在上述装置中，所述基底为玻璃基底、或是陶瓷基底。
优选的，在上述装置中，所述介质层为非色散的人工超材料薄膜。
本发明还提供了一种产生色散切伦科夫辐射的方法，采用上述装置，其特征在于，所述方法包括：
使得带电粒子以预设的初速度经过表面设置有介质层的基底上方，所述带电粒子发射器用于使得带电粒子平行入射所述介质层的表面，使得所述初速度的方向平行于所述介质层的表面，且使得所述带电粒子与所述介质层的表面具有小于预设高度的间隙；所述带电粒子激励起沿所述介质层表面平行传输的表面电磁波；所述表面电磁波在所述介质层内产生色散切伦科夫辐射。
其中，所述基底与所述介质层均为非色散介质。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的产生色散切伦科夫辐射的装置以及方法中，采用非色散介质的基底以及介质层，使得带电粒子平行入射所述介质层的表面，使得所述初速度的方向平行于所述介质层的表面，且使得所述带电粒子与所述介质层的表面具有小于预设高度的间隙；所述带电粒子激励起沿所述介质层表面平行传输的表面电磁波；所述表面电磁波在所述介质层内产生色散切伦科夫辐射。无需使用色散介质即可实现色散切伦科夫辐射，实现方式简单，解决了现有技术中只能采用色散介质材料实现色散切伦科夫辐射的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种产生色散切伦科夫辐射的装置；
图2为图1所示装置产生色散切伦科夫辐射时的侧视图；
图3为图1所示装置产生色散切伦科夫辐射时的俯视图；
图4为本发明实施例提供的一种理论和计算机模拟得到的切伦科夫辐射的方向随夹角θ变化关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本发明实施例提供的技术方案更加清楚，下面结合附图对上述方案进行详细描述。
参考图1-图3，图1为本发明实施例提供的一种产生色散切伦科夫辐射的装置，图2为图1所示装置产生色散切伦科夫辐射时的侧视图，图3为图1所示装置产生色散切伦科夫辐射时的俯视图。
该装置包括：基底2；位于基底2表面的介质层1，所述介质层1的相对介电常数大于所述基底1的相对介电常数；带电粒子发射器5，所述带电粒子发射器5用于产生预设初速度的带电粒子3。其中，
所述基底2与所述介质层1均为非色散介质。电磁波在介质中传播时，如果该介质的相对介电常数与频率无关，电磁波的传播速度也与频率无关，这种介质称为非色散介质；与此相反，如果介质的或传播速度与频率有关，则称为色散介质。
当所述装置用于产生色散切伦科夫辐射时，所述带电粒子发射器5用于使得带电粒子3平行入射所述介质层1的表面，使得所述初速度的方向平行于所述介质层1的表面，且使得所述带电粒子3与所述介质层1的表面具有小于预设高度的间隙；所述带电粒子3激励起沿所述介质层1表面平行传输的表面电磁波；所述表面电磁波在所述介质层1内产生色散切伦科夫辐射。
带电粒子3平行掠过介质层1的表面。预设高度H小于1μm。可选的，所述基底2为绝缘材料，所述基底的相对介电常数范围为2-5，包括端点值。具体的，所述基底为玻璃基底、或是陶瓷基底。
本发明实施例所述装置中，通过一层具有高相对介电常数(折射率)的介质层覆盖在另一种具有低相对介电常数(折射率)的基底表面，匀速的带电粒子3平行地掠过高折射率的介质层表面，介质层和基底都是非色散介质，可以产生色散切伦科夫辐射。
所述介质层1的相对介电常数大于20。所述介质层1的厚度范围是30nm-50nm，包括端点值。所述基底2的厚度大于10倍的所述介质层厚度。所述带电粒子的出射能量范围是40KeV-100KeV，包括端点值。所述介质层为非色散的人工超材料薄膜。
带电粒子3在介质层1表面激励起沿介质层1表面平行传输的电磁波，也就是表面电磁波，当表面电磁波随介质层1传输的相速度低于电子注的运动速度时，表面电磁波将离开带电粒子3运动方向而向其他方向传播，传播方向与带电粒子3的初速度方向之间具有夹角θ方向，形成切伦科夫辐射。
并且，该表面电磁波的辐射方向随频率改变而改变，形成了色散切伦科夫辐射。该色散切伦科夫辐射在原理上可以作如下解释：电子注在介质层1中可以激发起很宽频域的电磁波，介质层1中传播的电磁波本质上是色散的，不同频率电磁波的传播相速度是不一样的，当这些不同频率的电磁波的相速度小于带电粒子3的速度时，它们将形成切伦科夫辐射。由于它们的相速度不一样，根据切伦科夫辐射角公式(1)可知，它们的传播速度也将不一样。
本发明实施例中，介质层1为非色散介质薄膜。通过在低相对介电常数的基底2表面设置高相对介电常数的介质层1，使得非色散介质的介质层1具有了色散特性是本发明实施例所述装置可以产生色散切伦科夫辐射的根本原因。通过求解满足介质层1边界条件的无源麦克斯韦方程组，可以得到基底2上介质层1的色散方程如下所示：
公式中k1,k2,k3分别为光在真空、介质层1、基底2中的传播常数，εm和ε3分别为介质层1和基底2的相对介电常数，d为介质层1的厚度。该方程(2)反应了频率与传播速度的关系。
结合公式(1)和公式(2)即可得到色散切伦科夫辐射的频率随夹角θ的变化表达式：
ω为电磁波角频率。f(ω)为关于ω的已知函数关系。根据该表达式(3)即可理论计算出不同频率电磁波的辐射方向。
相比于采用色散介质实现色散切伦科夫辐射的传统技术，本发明实施例所述装置结构简单，容易实现。通过调节带电粒子3的初速度、介质层1的相对介电常数(折射率)以及介质层1的厚度中的至少一项，可以实现对辐射频率、辐射方向的精确调节。
下面结合具体的实验例说明本发明实施例所述装置可以实现色散切伦科夫辐射。
介质层1的厚度为40nm，介质层1的相对介电常数为30；基底2的厚度远远大于薄膜厚度(至少大于10倍的介质层1的厚度)，基底2的相对介电常数为2.25；带电粒子的能量分别为40千电子伏特(keV)，60千电子伏特(keV)，80千电子伏特(keV)，100千电子伏特(keV)。
带电粒子的能量不同对应不同的初速度。此时，理论和计算机模拟得到的切伦科夫辐射的方向随夹角θ变化关系如图4所示。由图4可知，辐射频率随夹角θ增大而提高，即实现了色散的切伦科夫辐射。
通过上述描述可知，本发明实施例所述装置，通过非色散介质可以实现色散切伦科夫辐射，易于实现，装置结构简单。
基于上述实施例，本发明实施例还提供了一种产生色散切伦科夫辐射的方法，采用上述装置，该方法包括：
使得带电粒子以预设的初速度经过表面设置有介质层的基底上方，所述带电粒子发射器用于使得带电粒子平行入射所述介质层的表面，使得所述初速度的方向平行于所述介质层的表面，且使得所述带电粒子与所述介质层的表面具有小于预设高度的间隙；所述带电粒子激励起沿所述介质层表面平行传输的表面电磁波；所述表面电磁波在所述介质层内产生色散切伦科夫辐射。其中，所述基底与所述介质层均为非色散介质。
本发明实施例所述方法采用上述装置实现色散切伦科夫辐射，操作简单，便于实现，且无需色散介质实现色散切伦科夫辐射。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种产生色散切伦科夫辐射的装置，其特征在于，包括：
基底；
位于基底表面的介质层，所述介质层的相对介电常数大于所述基底的相对介电常数；
带电粒子发射器，所述带电粒子发射器用于产生预设初速度的带电粒子；
所述基底与所述介质层均为非色散介质；
当所述装置用于产生色散切伦科夫辐射时，所述带电粒子发射器用于使得带电粒子平行入射所述介质层的表面，使得所述初速度的方向平行于所述介质层的表面，且使得所述带电粒子与所述介质层的表面具有小于预设高度的间隙；所述带电粒子激励起沿所述介质层表面平行传输的表面电磁波；所述表面电磁波在所述介质层内产生色散切伦科夫辐射。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基底的相对介电常数范围是2-5，包括端点值。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述介质层的相对介电常数大于20。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述介质层的厚度范围是30nm-50nm，包括端点值。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预设高度小于1μm。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基底的厚度大于10倍的所述介质层厚度。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述带电粒子的出射能量范围是40KeV-100KeV，包括端点值。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基底为玻璃基底、或是陶瓷基底。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述介质层为非色散的人工超材料薄膜。
10.一种产生色散切伦科夫辐射的方法，采用如权利要求1-9任一项所述的装置，其特征在于，所述方法包括：
使得带电粒子以预设的初速度经过表面设置有介质层的基底上方，所述带电粒子发射器用于使得带电粒子平行入射所述介质层的表面，使得所述初速度的方向平行于所述介质层的表面，且使得所述带电粒子与所述介质层的表面具有小于预设高度的间隙；所述带电粒子激励起沿所述介质层表面平行传输的表面电磁波；所述表面电磁波在所述介质层内产生色散切伦科夫辐射；
其中，所述基底与所述介质层均为非色散介质。
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