Tscherenkow-Strahlung

Tscherenkow-Strahlung im Kühlwasser eines Versuchsreaktors des Idaho National Laboratory ⓘ

Tscherenkow-Strahlung (auch Čerenkov- oder – in englischer Transkription – Cherenkov-Strahlung geschrieben) entsteht durch den Tscherenkow-Effekt und ist elektromagnetische Strahlung, die beim Durchgang geladener Teilchen (z. B. Elektronen) durch ein lichtdurchlässiges Medium entsteht, wenn diese schneller sind als das sich im Medium ausbreitende Licht. Der Effekt zeigt sich als blaues Leuchten. Die Lichterscheinung war bereits von Marie und Pierre Curie beobachtet worden, konnte jedoch nicht erklärt werden. ⓘ

Tscherenkow-Strahlung kann zum Beispiel typischerweise in Abklingbecken von Kernkraftwerken rund um die dort in das Kühlwasser getauchten radioaktiven Brennelemente beobachtet werden. Die auslösenden schnellen Elektronen sind teils Bestandteil der Betastrahlung der Brennelemente, teils entstehen sie durch die Compton-Streuung der von diesen ausgesandten Gammaquanten an Atomhüllen. ⓘ

In der Hochatmosphäre entstehende Tscherenkow-Blitze werden zur Analyse der Kosmischen Strahlung verwendet. Kosmonauten berichten von solchen Blitzen, die sie bei geschlossenen Augen wahrnehmen, die mit gleicher Ursache in deren Glaskörper entstehen. ⓘ

Die Tscherenkow-Strahlung ist nach ihrem Entdecker Pawel Alexejewitsch Tscherenkow benannt. 1958 erhielten er, Igor Jewgenjewitsch Tamm und Ilja Michailowitsch Frank den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung und Deutung des Tscherenkow-Effekts. ⓘ

In Russland wird die Strahlung nach ihrem Mitentdecker Sergei Iwanowitsch Wawilow auch Wawilow-Tscherenkow-Effekt bzw. Wawilow-Tscherenkow-Leuchten genannt. ⓘ

Tscherenkow-Strahlung, die im Kern des fortgeschrittenen Testreaktors leuchtet. ⓘ

Geschichte

Die Strahlung ist nach dem sowjetischen Wissenschaftler Pawel Tscherenkow benannt, dem Nobelpreisträger von 1958, der sie 1934 unter der Leitung von Sergej Wawilow am Lebedew-Institut als Erster experimentell nachwies. Daher ist sie auch als Vavilov-Tscherenkov-Strahlung bekannt. Cherenkov sah bei Experimenten ein schwaches bläuliches Licht um ein radioaktives Präparat in Wasser. In seiner Doktorarbeit befasste er sich mit der Lumineszenz von Uransalzlösungen, die durch Gammastrahlen angeregt wurden, anstatt wie üblich durch weniger energiereiches sichtbares Licht. Er entdeckte die Anisotropie der Strahlung und kam zu dem Schluss, dass es sich bei dem bläulichen Leuchten nicht um eine Fluoreszenzerscheinung handelt. ⓘ

Eine Theorie dieses Effekts wurde später im Jahr 1937 im Rahmen von Einsteins spezieller Relativitätstheorie von Tscherenkow-Kollegen Igor Tamm und Ilja Frank entwickelt, die 1958 auch den Nobelpreis erhielten. ⓘ

Die Tscherenkow-Strahlung als kegelförmige Wellenfront war von dem englischen Universalgelehrten Oliver Heaviside in Abhandlungen zwischen 1888 und 1889 und von Arnold Sommerfeld 1904 theoretisch vorhergesagt worden, aber beide wurden nach der Einschränkung der Relativitätstheorie auf superluminale Teilchen bis in die 1970er Jahre schnell wieder verworfen. Marie Curie beobachtete 1910 ein blassblaues Licht in einer hochkonzentrierten Radiumlösung, untersuchte aber nicht dessen Quelle. 1926 beschrieb der französische Strahlentherapeut Lucien Mallet die leuchtende Strahlung von Radium, das Wasser mit einem kontinuierlichen Spektrum bestrahlt. ⓘ

2019 entdeckte ein Forscherteam des Norris Cotton Cancer Center von Dartmouth und Dartmouth-Hitchcock Cherenkov-Licht, das im Glaskörper von Patienten erzeugt wird, die sich einer Strahlentherapie unterziehen. Das Licht wurde mit einem Kamera-Bildgebungssystem namens CDose beobachtet, das speziell für die Betrachtung von Lichtemissionen aus biologischen Systemen entwickelt wurde. Jahrzehntelang hatten Patienten über Phänomene wie "helle oder blaue Lichtblitze" berichtet, wenn sie sich einer Strahlentherapie gegen Hirnkrebs unterzogen, aber diese Effekte waren nie experimentell beobachtet worden. ⓘ

Physikalischer Ursprung

Grundlagen

Während die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine universelle Konstante ist (c = 299.792.458 m/s), kann die Geschwindigkeit in einem Material deutlich geringer sein, da sie durch das Medium verlangsamt wahrgenommen wird. In Wasser beträgt sie zum Beispiel nur 0,75c. Bei Kernreaktionen und in Teilchenbeschleunigern kann Materie über diese Geschwindigkeit hinaus beschleunigt werden (obwohl sie immer noch unter c, der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, liegt). Tscherenkow-Strahlung entsteht, wenn ein geladenes Teilchen, meist ein Elektron, ein dielektrisches (elektrisch polarisierbares) Medium mit einer Geschwindigkeit durchquert, die größer ist als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium. ⓘ

Der Effekt lässt sich intuitiv wie folgt beschreiben. Aus der klassischen Physik ist bekannt, dass beschleunigte geladene Teilchen EM-Wellen aussenden und diese Wellen nach dem Huygens'schen Prinzip kugelförmige Wellenfronten bilden, die sich mit der Phasengeschwindigkeit des Mediums ausbreiten (d. h. der Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium, die durch $c/n$für $n$, dem Brechungsindex). Wenn ein geladenes Teilchen ein Medium durchquert, polarisieren sich die Teilchen des Mediums als Reaktion darauf um das Teilchen. Das geladene Teilchen regt die Moleküle in dem polarisierbaren Medium an, und bei der Rückkehr in den Grundzustand geben die Moleküle die Energie, die ihnen zur Erreichung der Anregung gegeben wurde, als Photonen wieder ab. Diese Photonen bilden die kugelförmigen Wellenfronten, die von dem sich bewegenden Teilchen ausgehend zu sehen sind. Wenn $v_{p}<c/n$ist, d. h. die Geschwindigkeit des geladenen Teilchens kleiner als die Lichtgeschwindigkeit im Medium, dann ist das Polarisationsfeld, das sich um das bewegte Teilchen bildet, normalerweise symmetrisch. Die entsprechenden emittierten Wellenfronten können gebündelt sein, aber sie fallen nicht zusammen oder kreuzen sich, und es sind keine Interferenzeffekte zu befürchten. In der umgekehrten Situation, d. h. $v_{p}>c/n$In diesem Fall ist das Polarisationsfeld entlang der Bewegungsrichtung des Teilchens asymmetrisch, da die Teilchen des Mediums nicht genügend Zeit haben, in ihren "normalen", zufälligen Zustand zurückzukehren. Dies führt zu überlappenden Wellenformen (wie in der Animation), und die konstruktive Interferenz führt zu einem kegelförmigen Lichtsignal unter einem charakteristischen Winkel: Cherenkov-Licht. ⓘ

Animation der Cherenkov-Strahlung ⓘ

Eine gängige Analogie ist der Überschallknall eines Überschallflugzeugs. Die vom Flugzeug erzeugten Schallwellen bewegen sich mit der Schallgeschwindigkeit, die langsamer ist als die des Flugzeugs, und können sich nicht vom Flugzeug ausbreiten, sondern bilden eine kegelförmige Schockfront. In ähnlicher Weise kann ein geladenes Teilchen eine "Schockwelle" aus sichtbarem Licht erzeugen, wenn es sich durch einen Isolator bewegt. ⓘ

Die Geschwindigkeit, die überschritten werden muss, ist die Phasengeschwindigkeit des Lichts und nicht die Gruppengeschwindigkeit des Lichts. Die Phasengeschwindigkeit kann durch die Verwendung eines periodischen Mediums drastisch verändert werden, und in diesem Fall kann man sogar Cherenkov-Strahlung ohne Mindestteilchengeschwindigkeit erreichen, ein Phänomen, das als Smith-Purcell-Effekt bekannt ist. In einem komplexeren periodischen Medium, wie z. B. einem photonischen Kristall, kann man auch eine Reihe anderer anomaler Cherenkov-Effekte erzielen, wie z. B. Strahlung in Rückwärtsrichtung (siehe unten), während die normale Cherenkov-Strahlung einen spitzen Winkel mit der Teilchengeschwindigkeit bildet. ⓘ

Cherenkov-Strahlung im Strahlungslabor der University of Massachusetts Lowell ⓘ

In ihrer ursprünglichen Arbeit über die theoretischen Grundlagen der Cherenkov-Strahlung schrieben Tamm und Frank: "Diese eigentümliche Strahlung lässt sich offensichtlich durch keinen gängigen Mechanismus wie die Wechselwirkung des schnellen Elektrons mit einem einzelnen Atom oder die Strahlungsstreuung von Elektronen an Atomkernen erklären. Andererseits lässt sich das Phänomen sowohl qualitativ als auch quantitativ erklären, wenn man die Tatsache berücksichtigt, dass ein Elektron, das sich in einem Medium bewegt, auch dann Licht abstrahlt, wenn es sich gleichförmig bewegt, sofern seine Geschwindigkeit größer ist als die Lichtgeschwindigkeit im Medium." ⓘ

Abstrahlwinkel

Die Geometrie der Cherenkov-Strahlung ist für den Idealfall ohne Dispersion dargestellt. ⓘ

In der Abbildung zur Geometrie bewegt sich das Teilchen (roter Pfeil) in einem Medium mit der Geschwindigkeit $v_{\text{p}}$ so dass

$${\frac {c}{n}}<v_{\text{p}}<c,$$

wobei $c$ die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist und $n$ der Brechungsindex des Mediums ist. Handelt es sich bei dem Medium um Wasser, ist die Bedingung $0.75c<v_{\text{p}}<c$, da $n\approx 1.33$ für Wasser bei 20 °C. ⓘ

Wir definieren das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit des Teilchens und der Lichtgeschwindigkeit als

$$\beta ={\frac {v_{\text{p}}}{c}}.$$

Die emittierten Lichtwellen (durch blaue Pfeile gekennzeichnet) bewegen sich mit der Geschwindigkeit

$$v_{\text{em}}={\frac {c}{n}}.$$

ⓘ

Die linke Ecke des Dreiecks stellt den Ort des superluminalen Teilchens zu einem Anfangszeitpunkt (t = 0) dar. Die rechte Ecke des Dreiecks ist der Ort des Teilchens zu einem späteren Zeitpunkt t. In der gegebenen Zeit t legt das Teilchen die Strecke

$$x_{\text{p}}=v_{\text{p}}t=\beta \,ct$$

zurück, während die emittierten elektromagnetischen Wellen auf die Entfernung

$$x_{\text{em}}=v_{\text{em}}t={\frac {c}{n}}t.$$

ⓘ

Der Abstrahlwinkel ergibt sich also zu

$$\cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}$$

ⓘ

Beliebiger Abstrahlwinkel

Cherenkov-Strahlung kann auch in eine beliebige Richtung abgestrahlt werden, wenn man eindimensionale Metamaterialien verwendet, die entsprechend konstruiert sind. Letztere sind so konzipiert, dass sie einen Gradienten der Phasenverzögerung entlang der Flugbahn des sich schnell bewegenden Teilchens einführen ($d\phi /dx$), wodurch die Cherenkov-Emission in beliebigen Winkeln, die durch die verallgemeinerte Beziehung gegeben sind, umgekehrt oder gelenkt wird:

$$\cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}+{\frac {n}{k_{0}}}\cdot {\frac {d\phi }{dx}}$$

ⓘ

Da dieses Verhältnis unabhängig von der Zeit ist, kann man beliebige Zeiten nehmen und erhält ähnliche Dreiecke. Der Winkel bleibt gleich, was bedeutet, dass die nachfolgenden Wellen, die zwischen dem Anfangszeitpunkt t = 0 und dem Endzeitpunkt t erzeugt werden, ähnliche Dreiecke mit übereinstimmenden rechten Endpunkten wie das abgebildete bilden. ⓘ

Umgekehrter Cherenkov-Effekt

Ein umgekehrter Cherenkov-Effekt lässt sich mit sogenannten Metamaterialien mit negativem Index beobachten (Materialien mit einer Mikrostruktur unterhalb der Wellenlänge, die ihnen eine effektive "durchschnittliche" Eigenschaft verleiht, die sich stark von derjenigen der Materialien unterscheidet, aus denen sie bestehen, in diesem Fall eine negative Permittivität und eine negative Permeabilität). Das bedeutet, dass ein geladenes Teilchen (in der Regel Elektronen), das ein Medium mit einer Geschwindigkeit durchquert, die größer ist als die Phasengeschwindigkeit des Lichts in diesem Medium, auf seinem Weg durch das Medium eine Nachlaufstrahlung aussendet und nicht eine Vorlaufstrahlung (wie dies bei normalen Materialien mit positiver Permittivität und Permeabilität der Fall ist). Eine solche Kegelumkehr-Tscherenkov-Strahlung kann auch in nicht-metamateriellen periodischen Medien auftreten, wenn die periodische Struktur auf der gleichen Skala wie die Wellenlänge liegt, so dass sie nicht als effektiv homogenes Metamaterial behandelt werden kann. ⓘ

In einem Vakuum

Der Cherenkov-Effekt kann im Vakuum auftreten. In einer Langsamwellenstruktur, wie in einer Wanderfeldröhre (TWT), nimmt die Phasengeschwindigkeit ab, und die Geschwindigkeit geladener Teilchen kann die Phasengeschwindigkeit überschreiten, während sie niedriger bleibt als $c$. In einem solchen System kann dieser Effekt aus der Energie- und Impulserhaltung abgeleitet werden, wobei der Impuls eines Photons $p=\hbar \beta$ ($\beta$ ist eine Phasenkonstante) und nicht aus der de Broglie-Beziehung $p=\hbar k$. Diese Art von Strahlung (VCR) wird zur Erzeugung von Hochleistungsmikrowellen verwendet. ⓘ

Eigenschaften

Das Frequenzspektrum der Cherenkov-Strahlung eines Teilchens ist durch die Frank-Tamm-Formel gegeben:

$${\frac {d^{2}E}{dx\,d\omega }}={\frac {q^{2}}{4\pi }}\mu (\omega )\omega {\left(1-{\frac {c^{2}}{v^{2}n^{2}(\omega )}}\right)}$$

ⓘ

Die Frank-Tamm-Formel beschreibt die Menge an Energie $E$ die von der Cherenkov-Strahlung pro zurückgelegter Längeneinheit emittiert wird $x$ und pro Frequenz $\omega$. $\mu (\omega )$ ist die Permeabilität und $n(\omega )$ ist der Brechungsindex des Materials, durch das sich das geladene Teilchen bewegt. $q$ ist die elektrische Ladung des Teilchens, $v$ ist die Geschwindigkeit des Teilchens, und $c$ ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. ⓘ

Im Gegensatz zu Fluoreszenz- oder Emissionsspektren, die charakteristische Spektralspitzen aufweisen, ist die Cherenkov-Strahlung kontinuierlich. Im Bereich des sichtbaren Spektrums ist die relative Intensität pro Frequenzeinheit ungefähr proportional zur Frequenz. Das heißt, höhere Frequenzen (kürzere Wellenlängen) sind bei der Cherenkov-Strahlung intensiver. Aus diesem Grund ist die sichtbare Cherenkov-Strahlung leuchtend blau. Tatsächlich liegt der größte Teil der Cherenkov-Strahlung im ultravioletten Spektrum - nur bei ausreichend beschleunigten Ladungen wird sie überhaupt sichtbar; die Empfindlichkeit des menschlichen Auges erreicht ihren Höhepunkt bei Grün und ist im violetten Teil des Spektrums sehr gering. ⓘ

Es gibt eine Grenzfrequenz, oberhalb derer die Gleichung $\cos \theta =1/(n\beta )$ nicht mehr erfüllt werden kann. Der Brechungsindex $n$ variiert mit der Frequenz (und damit mit der Wellenlänge) in einer Weise, dass die Intensität bei immer kürzeren Wellenlängen nicht weiter zunehmen kann, selbst bei sehr relativistischen Teilchen (wo v/c nahe bei 1 liegt). Bei Röntgenfrequenzen wird der Brechungsindex kleiner als 1 (man beachte, dass in Medien die Phasengeschwindigkeit c überschreiten kann, ohne die Relativitätstheorie zu verletzen), so dass keine Röntgenemission (oder Emissionen kürzerer Wellenlängen wie Gammastrahlen) zu beobachten wäre. Röntgenstrahlung kann jedoch bei speziellen Frequenzen erzeugt werden, die knapp unterhalb der Frequenzen liegen, die den elektronischen Kernübergängen in einem Material entsprechen, da der Brechungsindex knapp unterhalb einer Resonanzfrequenz oft größer als 1 ist (siehe Kramers-Kronig-Beziehung und anomale Dispersion). ⓘ

Wie bei Überschallknall und Bugschocks steht der Winkel des Schockkegels in direktem Zusammenhang mit der Geschwindigkeit der Störung. Der Cherenkov-Winkel ist bei der Schwellengeschwindigkeit für die Emission von Cherenkov-Strahlung null. Der Winkel nimmt ein Maximum an, wenn sich die Teilchengeschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit nähert. Aus den beobachteten Einfallswinkeln lassen sich daher die Richtung und die Geschwindigkeit einer Cherenkov-Strahlung erzeugenden Ladung berechnen. ⓘ

Cherenkov-Strahlung kann im Auge durch geladene Teilchen erzeugt werden, die auf den Glaskörper treffen und den Eindruck von Blitzen erwecken, wie bei visuellen Phänomenen der kosmischen Strahlung und möglicherweise bei einigen Beobachtungen von Kritikalitätsunfällen. ⓘ

Verwendungszwecke

Nachweis von markierten Biomolekülen

Die Cherenkov-Strahlung wird häufig eingesetzt, um den Nachweis kleiner Mengen und geringer Konzentrationen von Biomolekülen zu erleichtern. Radioaktive Atome wie Phosphor-32 lassen sich leicht durch enzymatische und synthetische Verfahren in Biomoleküle einbringen und können anschließend in kleinen Mengen leicht nachgewiesen werden, um biologische Wege zu erhellen und die Wechselwirkung biologischer Moleküle zu charakterisieren, z. B. Affinitätskonstanten und Dissoziationsraten. ⓘ

Medizinische Bildgebung von Radioisotopen und externe Strahlentherapie

Cherenkov-Lichtemission an der Brustwand einer Patientin, die sich einer Ganzbrustbestrahlung unterzieht, wobei 6 MeV-Strahlen aus einem Linearbeschleuniger in der Strahlentherapie verwendet werden. ⓘ

In jüngerer Zeit wurde das Cherenkov-Licht auch zur Darstellung von Substanzen im Körper verwendet. Diese Entdeckungen haben zu einem starken Interesse an der Idee geführt, dieses Lichtsignal zur Quantifizierung und/oder zum Nachweis von Strahlung im Körper zu nutzen, sei es aus internen Quellen wie injizierten Radiopharmaka oder aus der externen Strahlentherapie in der Onkologie. Radioisotope wie die Positronenstrahler ¹⁸F und ¹³N oder die Betastrahler ³²P oder ⁹⁰Y haben eine messbare Cherenkov-Emission, und die Isotope ¹⁸F und ¹³¹I wurden beim Menschen zum Nachweis ihres diagnostischen Werts abgebildet. Es hat sich gezeigt, dass die externe Strahlentherapie eine beträchtliche Menge an Cherenkov-Licht in das behandelte Gewebe einbringt, was auf die verwendeten Photonenstrahl-Energien im Bereich von 6 bis 18 MeV zurückzuführen ist. Die von diesen hochenergetischen Röntgenstrahlen induzierten Sekundärelektronen führen zur Emission von Cherenkov-Licht, wobei das erfasste Signal an den Eintritts- und Austrittsflächen des Gewebes abgebildet werden kann. ⓘ

Kernreaktoren

Cherenkov-Strahlung in einem TRIGA-Reaktorbecken. ⓘ

Die Cherenkov-Strahlung wird zum Nachweis hochenergetischer geladener Teilchen verwendet. In offenen Poolreaktoren werden beim Zerfall der Spaltprodukte Betateilchen (hochenergetische Elektronen) freigesetzt. Das Glühen setzt sich nach dem Ende der Kettenreaktion fort und wird schwächer, wenn die kurzlebigeren Produkte zerfallen. In ähnlicher Weise kann die Cherenkov-Strahlung die verbleibende Radioaktivität von abgebrannten Brennstäben charakterisieren. Dieses Phänomen wird genutzt, um das Vorhandensein von abgebrannten Brennelementen in den Becken für abgebrannte Brennelemente im Rahmen der nuklearen Sicherheitsüberwachung zu überprüfen. ⓘ

Astrophysikalische Experimente

Wenn ein hochenergetisches (TeV) Gammaphoton oder eine kosmische Strahlung mit der Erdatmosphäre in Wechselwirkung tritt, kann es ein Elektron-Positron-Paar mit enormen Geschwindigkeiten erzeugen. Die von diesen geladenen Teilchen in der Atmosphäre emittierte Cherenkov-Strahlung wird zur Bestimmung der Richtung und Energie der kosmischen Strahlung oder der Gammastrahlung verwendet, was beispielsweise bei der Imaging Atmospheric Cherenkov Technique (IACT) und bei Experimenten wie VERITAS, H.E.S.S. und MAGIC genutzt wird. Die Cherenkov-Strahlung, die von den geladenen Teilchen, die die Erde erreichen, in mit Wasser gefüllten Tanks ausgesandt wird, wird für das gleiche Ziel vom Extensive Air Shower Experiment HAWC, dem Pierre Auger Observatorium und anderen Projekten genutzt. Ähnliche Methoden werden in sehr großen Neutrinodetektoren wie der Super-Kamiokande, dem Sudbury Neutrino Observatory (SNO) und IceCube eingesetzt. Andere Projekte haben in der Vergangenheit ähnliche Techniken angewandt, wie z. B. STACEE, ein ehemaliger Solarturm in New Mexico, der zu einem nicht-bildgebenden Cherenkov-Observatorium umgebaut wurde. ⓘ

Astrophysik-Observatorien, die die Cherenkov-Technik zur Messung von Luftschauern einsetzen, sind der Schlüssel zur Bestimmung der Eigenschaften von astronomischen Objekten, die Gammastrahlen mit sehr hoher Energie aussenden, wie Supernova-Überreste und Blazare. ⓘ

Experimente in der Teilchenphysik

Cherenkov-Strahlung wird in der experimentellen Teilchenphysik häufig zur Identifizierung von Teilchen verwendet. Man kann die Geschwindigkeit eines elektrisch geladenen Elementarteilchens anhand der Eigenschaften des Cherenkov-Lichts, das es in einem bestimmten Medium aussendet, messen (oder begrenzen). Wenn man den Impuls des Teilchens unabhängig davon misst, kann man die Masse des Teilchens anhand seines Impulses und seiner Geschwindigkeit berechnen (siehe Viermoment) und so das Teilchen identifizieren. ⓘ

Die einfachste Art der Teilchenidentifizierung, die auf der Technik der Cherenkov-Strahlung basiert, ist der Schwellenwertzähler, der die Frage beantwortet, ob die Geschwindigkeit eines geladenen Teilchens kleiner oder größer als ein bestimmter Wert ist ($v_{0}=c/n$, wobei $c$ die Lichtgeschwindigkeit ist und $n$ der Brechungsindex des Mediums ist), indem er untersucht, ob dieses Teilchen in einem bestimmten Medium Cherenkov-Licht aussendet. Wenn man den Impuls der Teilchen kennt, kann man Teilchen, die leichter als ein bestimmter Schwellenwert sind, von solchen, die schwerer als dieser Schwellenwert sind, unterscheiden. ⓘ

Der fortschrittlichste Detektortyp ist der in den 1980er Jahren entwickelte RICH-Detektor (ring-imaging Cherenkov detector). In einem RICH-Detektor wird ein Kegel aus Tscherenkow-Licht erzeugt, wenn ein geladenes Teilchen mit hoher Geschwindigkeit ein geeignetes Medium, oft einen Strahler, durchquert. Dieser Lichtkegel wird von einem positionsempfindlichen planaren Photonendetektor erfasst, der die Rekonstruktion eines Rings oder einer Scheibe ermöglicht, deren Radius ein Maß für den Cherenkov-Emissionswinkel ist. Es werden sowohl fokussierende als auch nahfokussierende Detektoren verwendet. Bei einem fokussierenden RICH-Detektor werden die Photonen von einem sphärischen Spiegel aufgefangen und auf den Photonendetektor in der Brennebene fokussiert. Das Ergebnis ist ein Kreis mit einem Radius, der unabhängig vom Emissionspunkt entlang der Teilchenspur ist. Dieses Verfahren eignet sich für Strahler mit niedrigem Brechungsindex - z. B. Gase -, da eine größere Strahlerlänge erforderlich ist, um genügend Photonen zu erzeugen. Bei der kompakteren Proximity-Fokussierung emittiert ein dünnes Strahlervolumen einen Kegel aus Cherenkov-Licht, der eine kleine Strecke - den Proximity-Spalt - durchläuft und auf der Photonendetektorebene erfasst wird. Das Bild ist ein Lichtring, dessen Radius durch den Cherenkov-Emissionswinkel und den Proximity-Spalt definiert ist. Die Dicke des Rings wird durch die Dicke des Strahlers bestimmt. Ein Beispiel für einen RICH-Detektor mit Proximity Gap ist der High Momentum Particle Identification Detector (HMPID), ein Detektor, der derzeit für ALICE (A Large Ion Collider Experiment) gebaut wird, eines der sechs Experimente am LHC (Large Hadron Collider) am CERN. ⓘ