ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2023, том 86, № 1, с. 192-203

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ GAGG

В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ КАЛОРИМЕТРИИ

Поступила в редакцию 21.09.2022 г.; после доработки 21.09.2022 г.; принята к публикации 30.09.2022 г.

Сцинтилляционные кристаллы Gd₃Al₂Ga₃O₁₂ (GAGG) рассматриваются в качестве материала для

применения в детекторах ионизирующих излучений в связи с их высокой радиационной стойкостью,

плотностью и световыходом. Эти кристаллы могут быть использованы в дополнение к кристаллам

вольфрамата свинца (PbWO₄ или PWO) для создания электромагнитного калориметра нового по-

коления с хорошим пространственным и энергетическим разрешением в широком диапазоне энергий.

Кристаллы PWO позволяют точно измерять энергию фотонов высокой энергии, а добавление перед

ними кристаллов GAGG позволяет расширить диапазон измеряемой энергии фотонов вплоть до

нескольких МэВ. Нами рассмотреныразличные варианты составного электромагнитного калориметра

на основе кристаллов PWO и GAGG для оптимизации его пространственного и энергетического

разрешения в широком диапазоне энергии (от 1 МэВ до 100 ГэВ). Оптимизация основана на

моделировании в Geant4 с учетом светосбора, а также с использованием различных фотодетекторов и

шума электроники. Результаты моделированияпроверялисьс использованиемизмерений световыхода

образцов GAGG, проведенных с помощью радиоактивных источников, и измерений на тестовом пучке

состоящего из кристаллов PWO фотонного спектрометра PHOS эксперимента ALICE в ЦЕРН.

DOI: 10.31857/S0044002723010051, EDN: QZGKZI

1. ВВЕДЕНИЕ

наблюдаемые величины, как, например, спектры

Гомогенные калориметры на основе сцинтилля-

[6], потоки [7] и Бозе-Эйнштейновские корреляции

ционных монокристаллов широко используются в

[8, 9] прямых фотонов, а также отношение спектров

физике высоких энергий и смежных областях бла-

фотонов и адронов для проверки теоремы Лоу

годаря их хорошему энергетическому, простран-

[10-12].

ственному и временному разрешениям. Примером

Для точного измерения энергии мягких фотонов

использования таких кристаллов, а именно кри-

можно использовать кристаллы с высоким сцин-

сталлов вольфрамата свинца, PbWO₄ (PWO), яв-

тилляционным световыходом, например, новый

ляется высокогранулярный фотонный спектрометр

многообещающий материал Gd₃Al₂Ga₃O₁₂ : Ce

PHOS [1], который используется в эксперименте

(GAGG). Исследуемые кристаллы GAGG разной

ALICE [2] на Большом адронном коллайдере. Кро-

длины — 0.5, 1.5 и 3 см (рис. 1) — произвела фирма

ме того, эти кристаллы применяются в эксперимен-

Fomos Materials [13].

те CMS [3], а также в ряде других экспериментов в

По сравнению с другими сцинтилляционными

области физики высоких энергий и смежных обла-

монокристаллами кристаллы GAGG обладают до-

стях, например, на МКС (эксперимент CALET [4]).

статочно высокой радиационной стойкостью, плот-

Как было показано в [5], такой калориметр позво-

ностью и световыходом ([14-16], см. табл. 1).

ляет получить разрешение пика π⁰-мезона σπ0m =

= 4.56 ± 0.03 МэВ/c для p_T > 1.7 ГэВ/c. При этом

2. ИЗМЕРЕНИЯ НА РАДИОАКТИВНЫХ

из-за относительно низкого световыхода PWO-

ИСТОЧНИКАХ

кристаллов в таких калориметрах невозможно де-

тально исследовать в области низких p_T такие

Энергетические спектры, измеренные в кри-

сталлах GAGG разной длины, были получены с

¹⁾НИЦ “Курчатовский институт”, Москва, Россия.

помощью радиоактивных источников:²²Na имеет

²⁾Московский физико-технический институт (националь-

полосы 511, 1275 кэВ (а также 1786 кэВ при од-

ный исследовательский университет), Долгопрудный,

Россия.

новременном поглощении обоих γ-квантов),¹³⁷Cs

³⁾НИЯУ “МИФИ”, Москва, Россия.

- 662 кэВ. Измерения проводились с использо-

^*E-mail: daver99@yandex.ru

ванием фотоэлектронного умножителя ФЭУ-143

192

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ

193

Таблица 1. Свойства неорганических сцинтилляционных кристаллов

Gd₃Al₂Ga₃O₁₂ : Ce

PbWO₄

Lu₃Al₅O₁₂ : Ce

Lu₂SiO₅ : Ce

Свойство

NaI : Tl CsI : Tl

(GAGG)

(PWO)

(LuAG)

(LSO)

Плотность, г/см³

6.68

8.28

6.73

7.40

3.67

4.53

Длина волны излучения, нм

530

520

535

420

415

550

X₀, см

1.59

0.89

1.30

1.10

2.60

1.86

Световыход, фотонов/МэВ

50000

100-300

25000

30000

40000

54000

Время высвечивания, нс

230

680

Гигроскопичность

Нет

Сильная Слабая

Таблица 2. Результаты аппроксимации пиков функцией (1)

Положение пика

Величина

GAGG 0.5 см

GAGG 1.5 см

GAGG 3.0 см

511 кэВ

Положение, кэВ

511.9 ± 0.2

509.2 ± 0.3

511.2 ± 0.2

Ширина, кэВ

34.6 ± 0.3

40.3 ± 0.6

37.0 ± 0.3

662 кэВ

Положение, кэВ

660.7 ± 1.5

661.8 ± 0.6

665.5 ± 1.9

Ширина, кэВ

40.4 ± 3.1

45.3 ± 1.5

49.5 ± 3.9

1275 кэВ

Положение, кэВ

1293.2 ± 0.4

1292.6 ± 1.6

1299.2 ± 0.7

Ширина, кэВ

93.0 ± 1.4

61.9 ± 3.7

70.8 ± 1.5

1786 кэВ

Положение, кэВ

1801.2 ± 5.7

1786.0 ± 3.3

1808.0 ± 3.1

Ширина, кэВ

67.8 ± 8.5

88.2 ± 6.1

63.2 ± 4.2

Таблица 3. Параметры энергетического разрешения при аппроксимации функцией (2)

√

Длина кристалла

Световыход,

a, кэВ

кэВ

c, 10-2

GAGG

ф.э./МэВ

5 мм

3.52 ± 0.02

1.22 ± 0.06

4.1 ± 0.3

670 ± 60

15 мм

4.45 ± 0.02

1.64 ± 0.08

2.4 ± 0.8

370 ± 30

30 мм

4.73 ± 0.01

1.55 ± 0.04

1.8 ± 0.5

415 ± 20

с квантовой эффективностью 17.6% [17]. Блок-

пика при пересчете от каналов к кэВ выставляется

схема эксперимента изображена на рис. 2.

на 511 кэВ, сдвиг в положении других пиков может

Спектральные пики аппроксимировались сле-

указывать на наличие поглощения света в кристал-

дующей функцией:

лах GAGG.

Путем деления ширины пика на его положение

f =Ne-(E-

σ²

+p₁x² + p₂x + p₃,

(1)

можно получить энергетическое разрешение, кото-

рое чаще всего аппроксимируется трехпараметри-

которая является суммой функции Гаусса и поли-

ческой функцией

нома второй степени. Выбор такой функции обу-

(

)₂

словлен наличием спадающего фона. Результаты

σ_E

√( a

измерений и аппроксимации изображены на рис. 3

√

+c²,

(2)

на примере кристалла длиной 3 см.

Из гауссовой части аппроксимирующей функ-

в которой шумовой член a фиксируется в соответ-

ции можно получить информацию о положении

ствии с шириной пьедестала (шумом электроники).

пика и его ширине (см. табл. 2). Положение первого

При этом стохастический член b и постоянный член

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№1

2023

194

АВЕРЬЯНОВ и др.

Рис. 1. a — Кристаллы GAGG разной длины, б — кристалл PWO с прикрепленным к нему фотодетектором и

предусилителем.

Рис. 2. Схема эксперимента по измерению спектров на радиоактивных источниках. 1 — ФЭУ-143 с источником

ОСГИ²²Na или¹³⁷Cs, 2 — Линейный разветвитель, 3 — Формирователь — генератор ворот с изменяемым порогом

(дискриминатор), 4 — Линия задержки (×2), 5 — Аттенюатор, 6 — ЗЦП, LeCroy 2249 ADC, 7 — Компьютер.

c можно получить из результатов аппроксимации.

калориметров была разработана программа для

Энергетическое разрешение и аппроксимирующая

ЭВМ на основе пакета Geant4 [18]. Программа

его функция изображены для кристаллов GAGG

позволяет производить расчет как в случае кало-

различных длин на рис. 4.

риметра с одним типом кристаллов, так и в слу-

чае составного калориметра из последовательно

Величина шумового члена a (погрешность ука-

зана при определении данного параметра из пьеде-

расположенных кристаллов GAGG и PWO. В мо-

стала), полученные значения стохастического чле-

делировании используется сборка калориметра из

11 × 11 кристаллов в стальной сотовой структуре

на b и постоянного члена c приведены в табл. 3.

с толщиной стенки 0.01 см. В случае комбиниро-

Из параметра b можно оценить световыход N в

ванного калориметра рассматривались кристаллы

предположении, что:

GAGG следующей длины: 0.5, 1.5, 3, 5 и 10 см

√

∼

√ .

(3)

(см. рис. 5); длина PWO-секции — 18 см (такие

кристаллы используются в калориметре PHOS).

Поперечное сечение кристаллов в обоих случаях —

Полученные значения световыхода для кри-

22 × 22 мм². Вычислялась выделенная энергия в

сталлов GAGG различной длины также приведены

в табл. 3. Снижение световыхода для более длин-

каждой секции, затем она пересчитывалась в сиг-

ных кристаллов можно объяснить наличием погло-

нал фотодетектора в соответствии со световыхо-

щения света. Вычисленное средневзвешенное зна-

дом. Предполагалось наличие отдельных фотоде-

текторов для каждой секции. Точка вхождения пер-

чение световыхода составляет 420 ± 16 ф.э./МэВ.

вичной частицы была равномерно распределена по

Это значение применялось далее в моделированиях

поверхности центрального кристалла калориметра.

для описания световыхода кристалла GAGG про-

извольной длины.

Рассматривались фотоны с энергиями от 100 кэВ

до 100 ГэВ.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ В Geant4

В некоторых случаях значение выделенной

энергии в каждом из кристаллов изменялось из-за:

Для определения энергетического разрешения и

других характеристик моделей электромагнитных

1) моделирования световыхода — использо-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№1

2023

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ

195

Отсчеты

10⁴

10³

10²

10¹

0.5

1.0

1.5

2.0

Энергия, МэВ

Отсчеты

10³

10²

10¹

10⁰

0.5

1.0

1.5

2.0

Энергия, МэВ

Рис. 3. Результаты измерений кристаллов GAGG на источниках²²Na (a) и¹³⁷Cs (б). Длина кристалла 3 см.

вались значения 420 ф.э./МэВ для кристаллов

порога (10 МэВ в случае высокого шума, 2 МэВ в

GAGG и 6 ф.э./МэВ для кристаллов PWO в

случае низкого шума);

случае APD

5×5

мм²

при T = -25^◦C (для

4) кластеризации: как и в пакете анализа и мо-

удобства сравнения с измерениями на пучке с

делирования эксперимента ALICE, AliROOT [20],

помощью PHOS [19]). При этом число фотонов

ячейка отбрасывалась, если у нее не было хотя бы

на фотодетекторе изменялось в соответствии с

одной общей вершины со всем остальным класте-

распределением Пуассона, после чего обратно

ром.

пересчитывалось в энергию;

Было показано, что моделирование отклика од-

ного кристалла воспроизводит экспериментальные

2) поправки на шум электроники, который моде-

энергетические спектры кристаллов GAGG, полу-

лировался в виде случайного гауссового распреде-

ченные с помощью радиоактивных источников (см.

ления с параметрами μ = 0 и σ = 5 МэВ (высокий

рис. 6, длина кристалла 3 см). Небольшое откло-

шум) или σ = 1 МэВ (низкий шум) и затем добав-

нение в положении второго и третьего пика может

лялся к энерговыделению в ячейке;

быть объяснено поглощением света в кристаллах.

3) ограничения на минимальную энергию в

Для более точной проверки модели проводилось

ячейке: учитывались только те ячейки, энерговыде-

сравнение получаемого с ее помощью простран-

ление в которых выше некоторого установленного

ственного и энергетического разрешения сборки,

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№1

2023

196

АВЕРЬЯНОВ и др.

σ_E/E

0.10

(a)

(

)

0.09

3.52 (фикс.)

0.08

1.22 ± 0.06

0.041 ± 0.003

0.07

0.06

0.05

0.04

0.03

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

E, кэВ

σ_E/E

0.10

(a)

(

)

0.09

4.45 (фикс.)

0.08

1.64 ± 0.08

0.024 ± 0.008

0.07

0.06

0.05

0.04

0.03

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

E, кэВ

σ_E/E

0.10

(a)

(

)

0.09

4.73 (фикс.)

0.08

1.55 ± 0.04

0.018 ± 0.005

0.07

0.06

0.05

0.04

0.03

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

E, кэВ

Рис. 4. Энергетическое разрешение кристаллов GAGG разной длины. a — 0.5 см, б — 1.5 см, в — 3 см.

состоящей только из кристаллов PWO, с экспе-

тяжести кластера, вычисленного с логарифмиче-

риментальными данными, полученными с помощью

ским весом [1] (рис. 7a). Затем строилась проекция

детектора PHOS эксперимента ALICE.

такого распределения на ось x (рис. 7б), после чего

определялось среднеквадратичное отклонение, ко-

Для получения пространственного разрешения

торое и является пространственным разрешением.

было построено двумерное распределение рассто-

яния от точки входа фотона в сборку до центра

Зависимость пространственного разрешения

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№1

2023

198

АВЕРЬЯНОВ и др.

σ_x, см

10¹

Светосбор

FEE шум 1 МэВ, Е_мин = 2 МэВ

FEE шум 5 МэВ, Е_мин = 10 МэВ

E + B, A = 0.287 см,

= A/

B = 0.0257 см (α = 0°)

PHOS TDR

ALICE PPR2

10⁰

10^-1

-2

10^-4

10^-3

10^-2

10^-1

10⁰

10¹

10²

Энергия, ГэВ

Рис. 8. Зависимость пространственного разрешения кристаллов PWO от энергии в модели в сравнении с результатами

экспериментов.

σ_E/E, %

Светосбор

FEE шум 1 МэВ, Е_мин = 2 МэВ

FEE шум 5 МэВ, Е_мин = 10 МэВ

PHOS 2003

10¹

10⁰

10^-3

10^-2

10^-1

10⁰

10¹

10²

Энергия, ГэВ

Рис. 9. Энергетическое разрешение кристаллов PWO без и с учетом добавления шума.

сборки, состоящей из кристаллов PWO, от энергии

выделенной энергии аппроксимировались функци-

с учетом шума и без его учета показана на рис. 8.

ей Гаусса и определялись ее параметры σ и E_mean:

В качестве референса использовались результаты

f =Ne-(E-

σ²

(4)

детектора PHOS эксперимента ALICE [1, 2].

Видно, что пространственное разрешение, по-

Полученная зависимость энергетического раз-

лученное при моделировании, воспроизводит ре-

решения от энергии первичных фотонов изобра-

зультаты измерений достаточно хорошо, особенно

жена на рис. 9. Экспериментальная кривая, полу-

при добавлении шума 5 МэВ и ограничения на

ченная в пучковых испытаниях прототипа PHOS,

минимальную энергию ячейки в 10 МэВ.

приведена в качестве референса [19]. Видно, что в

случае высокого шума разрешение, полученное в

Для получения энергетического разрешения

моделировании, и экспериментальное разрешение

PWO-калориметра полученные распределения близки, однако моделирование в целом дает более

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№1

2023

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ

199

E_{выделенная}, МэВ

L = 10 см

L = 5 см

10⁴

L = 3 см

L = 1.5 см

10³

L = 0.5 см

10²

10¹

10⁰

10^-1

10^-2

10^-4

10^-3

10^-2

10^-1

10⁰

10¹

10²

Энергия, ГэВ

E_{выделенная}, МэВ

10⁵

10⁴

10³

10²

10¹

10⁰

10^-1

L = 10 см

10^-2

L = 5 см

10^-3

L = 3 см

-4

L = 1.5 см

L = 0.5 см

10^-5

L = 0 см

10^-6

10^-7

10^-4

10^-3

10^-2

10^-1

10⁰

10¹

10²

Энергия, ГэВ

Рис. 10. Выделенная в сборке энергия: a — в GAGG-секции, б — в PWO-секции.

хорошее разрешение. Это может быть объяснено

комбинированного калориметра (рис. 10). Случай

более высоким шумом электроники в эксперимен-

L = 0 см—калориметр, состоящий только из кри-

те. При уменьшении шума разрешение улучшается

сталлов PWO. Видно, что в обеих секциях характер

во всем диапазоне энергий.

зависимости существенно нелинейный, особенно

Таким образом, моделирование достаточно хо-

при небольшой длине GAGG-секции, что связано

рошо воспроизводит пространственное и энерге-

с утечкой ливня. При увеличении длины GAGG-

тическое разрешения кристаллов PWO. Поэтому

секции в ней выделяется больше энергии, в то вре-

можно рассматривать модель комбинированного

мя как количество выделяемой энергии в кристал-

калориметра из последовательно расположенных

лах PWO значительно падает при низких энергиях

кристаллов GAGG и PWO и предсказывать энер-

фотонов.

гетическое и пространственное разрешение кало-

Разделив выделенную во всем калориметре

риметра, исходя из модели, с достаточной степенью

энергию на энергию первичного фотона, можно

достоверности.

получить представление о потерях энергии в такой

Для определения линейности предлагаемого ка-

сборке за счет вторичных частиц, покидающих

лориметра была построена зависимость выделен-

сборку с боковых и заднего торцов (рис. 11a).

ной в сборке калориметра энергии от энергии

Из-за геометрических ограничений (не весь ливень

налетающего фотона в GAGG- и PWO-секциях

от фотона помещается в сборке) потери наиболее

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№1

2023

200

АВЕРЬЯНОВ и др.

E_{выделенная}/E_{генерированная}

1.00

0.99

0.98

0.97

0.96

0.95

L = 10 см

0.94

L = 5 см

L = 3 см

0.93

L = 1.5 см

L = 0.5 см

0.92

L = 0 см

0.91

0.90

10^-4

10^-3

10^-2

10^-1

10⁰

10¹

10²

Энергия, ГэВ

E_{выделенная}/E_{генерированная}

1.0

L = 10 см

0.9

L = 5 см

L = 3 см

0.8

L = 1.5 см

L = 0.5 см

0.7

L = 0 см

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

10^-4

10^-3

10^-2

10^-1

10⁰

10¹

10²

Энергия, ГэВ

Рис. 11. Потери энергии: a — во всей сборке GAGG + PWO, б — в GAGG-секции.

существенны в области высоких энергий — от

проведена процедура, описанная выше для PWO-

2.5% для составного калориметра с L_GAGG =

калориметра. На рис. 12 показано сравнение про-

= 10 см до 7.5% в случае PWO-калориметра,

странственного разрешения в PWO-, GAGG- и

т.е. при увеличении длины GAGG-секции потери

GAGG + PWO-калориметрах без учета шумов.

снижаются. Кроме того, можно определить рас-

В качестве референса взяты те же данные, что

пределение энергии между секциями — на рис. 11б

и выше при рассмотрении разных опций PWO-

калориметра.

изображена доля энергии, выделенной в GAGG-

секции. С увеличением длины кристаллов GAGG

Видно, что пространственное разрешение ком-

доля энергии в GAGG-секции увеличивается: для

бинированного калориметра несколько хуже, чем

для калориметра, состоящего только из кристал-

калориметра с кристаллами GAGG длиной 5 см

лов PWO, но не значительно. Разрешение чистого

в ней выделяется более 50% от всей энергии для

GAGG-калориметра заметно хуже в области энер-

энергий фотонов <70 МэВ, в случае кристаллов

гий 1-100 МэВ и более 5 ГэВ.

GAGG длиной 0.5 см такая же доля энерговыделе-

Для определения энергетического разрешения

ния достигается при 300 кэВ.

анализировались распределения энергии, в осо-

Для определения пространственного разреше-

бенности их форма. Примеры распределений вы-

ния GAGG- и GAGG + PWO-калориметров была деленной в сборке энергии с учетом светосбора,

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№1

2023

202

АВЕРЬЯНОВ и др.

σ_E/E, %

10²

GAGG (10 см) + PWO

GAGG (10 см)

PWO

PHOS 2003

10¹

10⁰

-1

10^-4

10^-3

10^-2

10^-1

10⁰

10¹

10²

Энергия, ГэВ

Рис. 14. Cравнение энергетического разрешения в PWO-, GAGG- и GAGG + PWO-калориметрах без учета шумов.

отсутствием шума и ограничения на минимальную

Видно, что разрешение GAGG-калориметра на по-

энергию ячейки после применения алгоритма кла-

рядок лучше разрешения PWO-калориметра при

стеризации изображены на рис. 13a — для фотонов

E < 150 МэВ: ∼2% вместо ∼45% при E = 1 МэВ.

с энергией 200 МэВ, 13б — для фотонов с энергий

Однако при E > 150 МэВ разрешение кристаллов

2 ГэВ. Видны отличия в распределении энергии в

GAGG начинает быстро ухудшаться из-за утечек

GAGG-, PWO- и GAGG + PWO-калориметрах.

ливня и становится на порядок хуже, чем для

В случае GAGG-калориметра или комбиниро-

кристаллов PWO: ∼25% вместо ∼0.7% при E =

ванного GAGG + PWO-калориметра распределе-

= 10 ГэВ.

ния энергии принимают существенно негауссов ха-

В случае составного калориметра (GAGG +

рактер, из-за чего представляется более правиль-

+ PWO) энергетическое разрешение лучше, чем в

ным их аппроксимация с помощью функции Crystal

PWO-калориметре, во всем диапазоне энергий (от

Ball [21] (лучше описывает спадающие “хвосты” в

100 кэВ до 100 ГэВ).

распределениях):

⎧

⎪

⎪e-(E-

σ²

+ C,

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

⎪

E-E_mean

Нами проведено моделирование электромаг-

⎨при

> -α,

(

)_-n

нитного калориметра на основе сцинтилляционных

f =N

(5)

E-E_mean

кристаллов PWO, GAGG и составного варианта

⎪

A B-

+ C,

⎪

GAGG + PWO. Показано, что составной калори-

⎪

−E_mean

метр имеет приблизительно такое же энергетиче-

⎩при^E

≤ -α,

ское разрешение, как GAGG при малых энергиях,

и несколько лучшее, чем PWO в больших энер-

где

(

)_n

гиях. Пространственное разрешение калориметра

−|α²|

GAGG + PWO приблизительно такое же, как для

|α|

случая PWO-калориметра. Такой комбинирован-

ный калориметр позволит измерять энергии фото-

- |α| .

нов в беспрецедентно широком диапазоне энергий.

|α|

Авторы выражают благодарность сотрудникам

Отсюда, получая параметры σ и E_mean, можно

Лаборатории кварковой материи НИЦ “Курчатов-

также построить энергетическое разрешение. На

ский институт” Д.Ю. Пересунько, М.С. Ипполи-

рис. 14 показано такое разрешение для случая с

тову и Ю.В. Харлову, а также сотрудникам НИЦ

учетом светосбора и отсутствием шума в PWO-

“Курчатовский институт” — ИРЕА М.В. Коржику,

калориметре, а также в GAGG- и GAGG + PWO-

Г.А. Досовицкому и П.В. Карпюку за помощь в по-

калориметрах с кристаллами GAGG длиной 10 см.

лучении экспериментальных данных, обсуждение

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№1

2023

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ

203

результатов и замечания к тексту. Исследование

8. R. H. Brown and R. Q. Twiss, Nature 177, 27 (1956).

выполнено за счет гранта Российского научного

9. M. M. Aggarwal et al. (WA98 Collab.), Phys. Rev.

фонда № 22-42-04405. Программа моделирования

Lett. 93, 022301 (2004).

10. F. Low, Phys. Rev. 110, 974 (1958).

электромагнитного калориметра разработана при

11. P. Abreu et al. (The DELPHI Collab.), Eur. Phys. J.

поддержке НИЦ “Курчатовский институт”.

C 47, 273 (2006).

12. J. Antos et al., Z. Phys. C 59, 547 (1993).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

13. https://en.newpiezo.com/products/scintillation_ele-

ments/

1. G. Dellacasa et al. (ALICE Collab.), CERN-LHCC-

14. T. Furuno et al., JINST 16, P10012 (2021).

99-04.

15. K. Kamada, T. Yanagida, et al., IEEE Trans. Nucl.

2. ALICE Collab., J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 32, 1295

Sci. 59(5), 2112 (2015).

(2006).

3. CMS Collab., J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 34, 995

16. https://www.crytur.cz/materials/

(2007).

17. В. Н. Евдокимов и др., Препринт 86-34, ИФВЭ

4. CALET Collab., Nucl. Phys. B Proc. Suppl. 256-

(Серпухов, 1986).

257, 225 (2014).

18. S. Agostinelli et al. (Geant4 Collab.), Nucl. Instrum.

5. S. Acharya et al. (ALICE Collab.), JINST 14,

Methods Phys. Res. A 506, 250 (2003).

P05025 (2019).

19. D. V. Aleksandrov et al., Nucl. Instrum. Methods

Phys. Res. A 550, 169 (2005).

6. M. M. Aggarwal et al. (ALICE Collab.), Phys. Lett.

20. C. W. Fabjan et al. (ALICE Collab.), J. Phys. G 32,

B 754, 235 (2016).

1295 (2006).

7. A. Adare et al. (PHENIX Collab.), Phys. Rev. C 94,

064901 (2016).

21. J. E. Gaiser, SLAC-R-255 (1982).

PERSPECTIVES OF INORGANIC SCINTILLATOR GAGG APPLICATION

FOR PRECISION ELECTROMAGNETIC CALORIMETRY

D. A. Averyanov^1),2), D. S. Blau^1),2), E. A. Tsyvkunova³⁾

¹⁾ NRC “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia

²⁾ Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University),

Dolgoprudny, Russia

³⁾ National Research Nuclear University MEPhI, Moscow, Russia

Scintillation crystals made of a new promising material Gd₃Al₂Ga₃O₁₂ (GAGG)are consideredas material

for possible usage in ionizing radiation detectors because of their high radiation resistance, density and light

yield. These crystals can be used in addition to lead tungstate (PbWO₄) crystals for development of a new

generation electromagnetic calorimeter with good spatial and energy resolutions in a wide energy range.

PbWO₄ crystals enable accurate detection of high energy photons, while the addition of GAGG crystals

makes it possible to precisely measure photon energies down to a few MeV. Different options of composite

electromagnetic calorimeter based on PWO and GAGG crystals are considered to optimize spatial and

energy resolutions in a wide energy range (from 1 MeV to 100 GeV). Optimization is based on Geant4

simulations with accounting of light collection using different photodetectors and electronics noice. The

simulations are verified using measurements of GAGG samples obtained with radioactive sources and test

beam measurements of PbWO₄ based Photon Spectrometer of the ALICE experiment at CERN.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№1

2023