Pozycyjny, nieczuły na elektrony detektor protonów z rozpadu neutronów

Tematem pracy jest charakteryzacja i analiza systemu odczytu światła scyntylacji do detektora protonów. Detektor protonów jest częścią projektu BRAND, którego celem jest badanie słabych oddziaływań poprzez pomiar korelacji kierunkowych w rozpadzie beta neutronu. Rolą detektora protonów jest wyznaczenie miejsca trafienia oraz czasu przelotu protonów pochodzących z rozpadu neutronów. Do testów systemu odczytu światła scyntylacji wykorzystano cząstki alfa z izotopu Am-241, wzbudzające sygnały świetlne w 25-mikrometrowej warstwie scyntylatora. Sygnały te są podobne do sygnałów generowanych przez protony konwertowane na pęki elektronów w cienkiej warstwie kryształu LiF. Światło scyntylacji było rejestrowane przez zestaw fotopowielaczy krzemowych (SiPM), rozmieszczonych w konfiguracji centrowanej heksagonalnej na płaszczyźnie, przymocowanych do płytki światłowodu ze szkła akrylowego (PMMA). Pozycja trafienia cząstki w takim układzie eksperymentalnym była wyznaczana z wielkości sygnałów, zarejestrowanych przez fotopowielacze krzemowe. Wykonano pomiary dla różnych pozycji źródła cząstek umieszczonego nad powierzchnią detektora i wyznaczono funkcję odpowiedzi systemu odczytu światła scyntylacji. Następnie przeanalizowano i porównano dwie metody rekonstrukcji pozycji trafienia, w sześciu wariantach każda. Jakość rekonstrukcji była oceniana na podstawie odchyleń standardowych wyznaczonych pozycji. Dla optymalnej metody uzyskano wartości odchyleń standardowych 1.87 mm wzdłuż osi x detektora oraz 3.07 mm wzdłuż osi y.

In this thesis, the characterization and analysis of the scintillation light readout system for a proton detector is presented. The proton detector is a part of the BRAND project, which is devoted to investigate weak interactions by measuring angular correlations in neutron beta decay. The role of the proton detector is to determine hit postion of an incident proton originating from neutron decay and its time of flight from the decay origin. For testing purposes, we used alpha particles from Am-241 isotope which generated light signals in the 25 micrometers thick plastic scintillator similar to those of protons converted to electron bunches in a thin layer of LiF crystal. The scintillation light was detected by a set of silicon photomultipliers (SiPMs), arranged hexagonally on a plane attached to one face of the PMMA lightguide plate. The hit position (corresponding to hit position in the BRAND experiment) in such setup was determined from a set of signals registered by the SiPMs. We performed measurements for different source positions over the whole detector plane and determined the light response function of the system. Finally, two different methods of the hit position reconstruction with six variants each were studied and compared. We assessed performance of the corresponding algorithms basing on standard deviations of the estimated positions. The optimal method revealed standard deviation of 1.87 mm along the x axis of the detector and 3.07 mm along the y axis.