Progetto e realizzazione di una scheda per il raffreddamento e l'alimentazione di un sistema TCSPC 32x32 ad alte prestazioni

The Time Correlated Single Photon Counting technique (TCSPC) is widely used in many fields including medicine, chemistry and biology, for studying the waveforms of fluorescence signals. Using this technique it is possible to obtain time resolutions that cannot be reached by means of analog techniques, but requires longer measurement time. The multi-channel systems reduce this time, but those available both on the market and in literature suffer from a trade-off between number of channels and performances. For these reasons a 1024 channels TCSPC system that can overcome this compromise is being developed in the research group I’ve been working for this thesis. A 32x32 matrix of Single Photon Avalance Diode (SPAD) designed on custom technology within the research group is employed as a detection system. The aim of this thesis is to provide the above TCSPC system a module that is dedicated to the cooling of the chip of detection and to provide the necessary power supplies. To improve the Dark Count Rate performances, SPAD detectors must operate at a temperature of about -10 °C. To cool down the detection chip, a liquid cooling system based on an external chiller and a Peltier cell was designed. The selection of the Peltier cell has required particular attention because it represents the larger amount of power that must be handled by the system. The value of the supply voltage of the cell is set by an on-board microcontroller, which carries out a PID control on the temperature of the chip. Considering the number of SPAD detectors and the high switching frequency required for the applications of interest, a high power supply is required by the chip of detection (in the order of tens of watts). Therefore it has been necessary to design high efficiency dc/dc regulators to reduce losses and the excessive over-heating of the module. The analog power supplies for the chip of detection must have also a very low voltage ripple, to prevent the deterioration of the time resolution of the system.

La tecnica Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) viene largamente utilizzata in molti campi, tra cui la medicina, la chimica e la biologia, nello studio delle forme d’onda di segnali di fluorescenza. Con questa tecnica è possibile ottenere risoluzioni temporali non raggiungibili attraverso le tecniche analogiche, ma necessita di un tempo di misura maggiore. I sistemi multicanale riducono questa durata, ma quelli presentati sia in commercio che in letteratura presentano un trade-off tra numero di canali e prestazioni. Per questo motivo, all’interno del gruppo di ricerca nel quale è stato sviluppato questo lavoro di tesi è in fase di progettazione un sistema completo di acquisizione TCSPC a 1024 canali che possa superare questo compromesso. Il sistema utilizza per la rivelazione una matrice 32x32 di Single Photon Avalance Diode (SPAD) progettati in tecnologia custom all’interno del gruppo di ricerca. L’obbiettivo del lavoro di tesi presentato è quello di fornire al suddetto sistema TCSPC una scheda che si occupi del raffreddamento del chip di rivelazione e di fornire le alimentazioni necessarie. Per migliorare le prestazioni di Dark Count Rate, i rivelatori SPAD devono essere mantenuti ad una temperatura di circa -10°C. È stato quindi progettato un sistema di raffreddamento liquido basato su un chiller esterno e una cella Peltier. La scelta di quest’ultima ha richiesto particolare attenzione, poiché determina la potenza maggiore che dovrà essere gestita dal sistema. Il valore di tensione alla quale viene alimentata la cella viene impostata da un microcontrollore on-board, che effettua un controllo PID sulla temperatura del chip. Considerando il numero di rivelatori SPAD e l’elevata frequenza di commutazione necessaria per le applicazioni d’interesse, viene richiesta dal chip di rivelazione una potenza elevata (decine di Watt). È stato dunque necessario progettare dei regolatori dc/dc ad alta efficienza per limitare le perdite e l’eccessivo surriscaldamento della scheda. Le alimentazioni analogiche fornite al chip di rivelazione dovranno inoltre avere un ripple di tensione molto ridotto, per non peggiorare la risoluzione temporale del sistema.