В этом году Школа стала еще масштабнее — ребята погружались в кейсы лабораторий уже по 6 направлениям. Итоговое решение своего кейса было представлено как в формате устной защиты, так и в виде статьи в Вестнике ПШНТ*. Кроме того, каждая лаборатория создала постерный доклад для Фестиваля проектов в Музее «АТОМ» на ВДНХ!
Тема: Выбор сцинтилляционного детектора для экспериментальной установки по исследованию позитрония
Павильон «АТОМ» на ВДНХ
Материалы проекта<aside> <img src="attachment:7b7ec7bb-993e-4c41-86b7-edfc5e785c21:Property_1sociology.svg" alt="attachment:7b7ec7bb-993e-4c41-86b7-edfc5e785c21:Property_1sociology.svg" width="40px" />
Асонкова М. А., Горшенина Ю. Д., Догадин Я. Р., Мухаметшина Д. Р., Попов А. Д. Руководитель: Малахова Д. А
</aside>
Метод $PALS$ (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy) применяется для исследования дефектной структуры материалов. Он заключается в измерении времени жизни позитрония в различных средах. Метод требует высокого временного разрешения и эффективной регистрации γ-квантов детектирующей системы. Целью работы является исследовать характеристики различных сцинтилляторов, отобрать необходимые параметры и на основе их сопоставления обосновать выбор оптимального вещества для метода $PALS$.
<aside> <img src="attachment:84f6f8ed-d795-4cff-bb24-393c31560240:Property_1math.svg" alt="attachment:84f6f8ed-d795-4cff-bb24-393c31560240:Property_1math.svg" width="40px" />
Кинетическая энергии рассеянного электрона при эффекте Комптона
$E_e = \frac{E_\gamma}{1 + \frac{m_e c^2}{{2E_\gamma}\sin^2\left(\theta/{2}\right)}}$
</aside>
Экспериментальная установка состоит из источника ионизирующего излучения $^{137}Cs$, он испускает γ-квант, далее в сцинтилляторе в результате взаимодействия с материалом этот квант преобразуется в рассеянный электрон, который далее попадает в кремниевый фотоумножитель ($SiPM$) и фиксируется детектором. В работе использовались два типа сцинтилляционных детекторов — органический ($C_8H_8$) и неорганический кристалл $GAGG$ ($Gd_3Al_2Gа_3O_{12}$). В рождение детектор рождения аннигиляция фотоумножителя кремниевый $SiPM$.
В спектре органического пластикового сцинтиллятора $C_8H_8$ регистрируется только краевой эффект Комптона, положение которого составило 479,4 кэВ. Пик фотоэффекта при энергии первичных γ-квантов не наблюдается: низкая плотность материала делают вероятность фотоэффекта пренебрежимо малой, взаимодействие сводится поэтому к эффекту Комптона. При этом раздельная регистрация «стартового» и «стопового» γ-кванта более качественна, чем у неорганического
кристалла, посредством малых временных характеристик материала. Спектр неорганического кристалла Gd3Al2Gа3O12 имеет качественно иную структуру: помимо наличия эффекта Комптона при 474,5 кэВ в нем отчетливо выделяется пик фотоэффекта с максимумом при 665,3 кэВ. Появление фотопика обусловлено высокой тормозной способностью кристалла, массой и размерами атома.
| Параметр | $С_8H_8$ | $GAGG$ |
|---|---|---|
| Время сцинтилляции, нс | ≈ 1–3 | ≈ 50–150 |
| Длительность высвечивания, нс | 0,8 | 80 |
| Плотность, г/см3 | 1,04 | 6,63 |
| Полная ширина (FWHM), кэВ | 119,2 | 56,6 |
| Положение максимума, кэВ | 479,4 | 665,3 |
| Энергетическое разрешение, % | 24,86 | 8,51 |
С этими характеристиками неразрывно связаны и другие — временные: при рождении позитроний излучает γ-квант с энергией 1,27 МэВ, в момент аннигиляции — 511 кэВ. Минимальное энергетическое разрешение для раздельной фиксации этих двух событий ≈40,24 % — у обоих сцинтилляторов характерная величина меньше максимально допустимой, поэтому разрешение не является ключевым параметром выбора. Несмотря на преимущество в плотности и эффективности регистрации γ-квантов, столь значительное отставание по быстродействию делает GAGG менее пригодным для метода PALS, где определяющим фактором является именно временное разрешение, поэтому предпочтение отдаётся органике $C_8H_8$.
*Ожидается пополнение материалов проекта статьей настоящего научного исследования.
[1] Аверьянов, Д. А. Перспективы применения неорганических сцинтилляционных кристаллов GAGG в электромагнитной калориметрии / Д. А. Аверьянов, Д. С. Блау, Е. А. Цывкунова // Ядерная физика. – 2023. – Т. 86, № 1. – С. 192–203. – DOI 10.31857/S0044002723010051. – EDN QZGKZI. [2] Александров, И. С. Установка для изучения сцинтилляционных детекторов / И. С. Александров, А. В. Лукьяшин, А. В. Хромов, А. В. Шакиров // Приборы и техника эксперимента. – 2024. – № 6. – С. 146 151. – DOI 10.31857/S0032816224060183. – EDN EKBZAB. [3] Богомолов, В. В. Временные и спектральные характеристики детекторов на основе неорганического сцинтиллятора Ce:GAGG при использовании вакуумных и кремниевых фотоприемников / В. В. Богомолов, Г. А. Досовицкий, А. Ф. Июдин [и др.] // Приборы и техника эксперимента. – 2020. – № 5. – С. 23–31. – DOI 10.31857/S0032816220050092. – EDN AVQLXC. [4] Ишханова, Б. С. Взаимодействие γ-квантов с веществом [Электронный ресурс]. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/partmat/pm03.htm (дата обращения: 21.08.2026). [5] Arora, D. Chromatic Calorimetry: A Novel Approach to Validate Energy Resolution and Particle Discrimination [Электронный ресурс]. – 2025. – arXiv:2509.09511. – URL: https://ar5iv.labs.arxiv.org/html/2509.09511 (дата обращения: 21.08.2026).