Position sensitive plastic scintillator detector with sub-millimeter resolution

W pracy przedstawiono opis przeprowadzonego doświadczenia mającego na celu sprawdzenie, czy możliwe jest zbudowanie detektora scyntylacyjnego, który będzie również dostarczał współrzędnych (z dokładnością około 1 mm) x i y miejsca, gdzie rejestrowana cząstka wytworzyła scyntylacje.W tym celu zbudowano dwa niezależne układy cienkich plastikowych płytek scyntylacyjnych (w pewnej odległości od siebie) podłączonych do dwóch fotopowielaczy. Następnie układy te złączono tak, ze scyntylatory jednego układu zajmowały wolne miejsca miedzy scyntylatorami drugiego układu, tworząc swoisty przekładaniec. Grubość scyntylatorów dobrano tak, że rejestrowane cząstki wtórne (elektrony) wywoływały scyntylacje (w idealnej sytuacji) w dwóch sąsiadujących ze sobą płytkach. Zatem rejestrowanie impulsów z obu fotopowielaczy będących ze sobą w koincydencji pozwoliło na stwierdzenie, że zaobserwowano promieniowanie badanego źródła.Aby uzyskać lepszą wydajność, między każdą parą scyntylatorów umieszczono folię ołowianą (radiator). Jej grubość dobrano tak, aby możliwie najwięcej powstających w niej elektronów wtórnych przedostało się do scyntylatora oraz aby miały one wystarczającą energię do wyhamowania w co najmniej dwóch sąsiednich warstwach scyntylacyjnych. Przekładki pomalowano czarną farbą akrylową, aby nie przepuszczały światła pomiędzy scyntylatorami.Celem pracy nie było zbudowanie ostatecznego detektora scyntylacyjnego, który rejestruje informacje o położeniu cząstki, a jedynie sprawdzenie czy jest to możliwe. Wykonanie takiego detektora jest planowane w przyszłości jako oddzielny projekt.Zmierzona względna wydajność tak otrzymanego detektora w stosunku do detektora NaI(Tl) wynosi 46%. Jest to bardzo dobry wynik, zważywszy niedoskonałości pierwszego prototypu. Natomiast wydajność otrzymana, gdy wiązką gamma oświetlano detektor poza jego nominalnym obszarem czynnym wynosiła 2.5%. Oznacza to, że górna granica tzw. przesłuchów (fałszywych rejestracji) nie przekracza 2.5%.

In the presented thesis, an experiment is described aiming at a demonstration of the feasibility of an efficient plastic scintillator gamma detector with sub-milimeter position resolution. Such a detector would provide coordinates x and y (accurate to better than 1 mm) of the location where the registered particle created scintillations.In order to do that, two independent sets of thin plastic scintillating plates connected to two photomultipliers were built. The scintillator plates were staggered such that every second one was readout by the same photomultiplier. The appropriate thickness of the scintillators was chosen to make sure that the secondary electrons would evoke scintillation (ideally) in two neighbouring plates. Therefore, the coincidences between two photomultiplier pulses signal the registration of the gamma radiation.So as to get better performance of the detector , lead radiator foil was placed between each two neighbouring scintillators. Its thickness was selected in order to make sure that most of electrons ejected from it would have enough energy to slow down in at least two neighbouring scintillators. The distance pieces were painted black to prevent them from transmitting light between scintillators.The aim of the thesis wasn't actually to build of a final detector which is position sensitive, but only to demonstrate whether it is possible. Constructing of such a detector is planned in future as a separate project.The calculated relative efficiency of the first prototype detector against the NaI(Tl) detector amounts to 46%. This is a surprisingly good result, given drawbacks and imperfections of this prototype. When illuminating with gamma beam a nominally inactive part of the detector structure, its efficiency drops to about 2.5%. Therefore, an upper limit for the crosstalk effect is at very promising low level.