Progetto e realizzazione di un sistema portatile a due canali per conteggio, correlazione e registrazione del tempo di arrivo di impulsi

In recent years optical systems based on Single Photon Avalanche Diode (SPAD) for experimental measurements were developed. These optical systems are particularly used in the biomedical and chemical fields where low intensity and fast transient light signals have to be detected. The aim of this thesis work is to develop a portable module to be used in the preliminary steps of experimental measurements, e.g. alignment of the optical setup, characterization of the device, etc. The designed hardware is divided as follows: front-end, digital computing, power management. Taking into account the state of art of single SPAD module, front-end has been designed to trigger NIM or TTL logic signals with a maximum frequency of 100MHz, including the possibility to attach a 50 Ohm termination resistance. Employing an FPGA for digital elaboration means that a time-stamping firmware was included as well as a firmware able to perform the correlation function that could be used for characterization of afterpulsing in SPADs. In order to make the system portable a battery was used, giving also the possibility to connect it to the electricity grid for long measurements and battery charging. Finally a display and a membrane keyboard were included for user interface that allow the standalone mode. All of the processed data could be downloaded to the PC via a USB 2.0 connection.

Negli ultimi anni si sono sviluppati sistemi ottici che sfruttano fotorivelatori Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) per misure sperimentali in campo chimico e biomedico in cui occorre rivelare segnali luminosi veloci e a bassa intensità. Questo lavoro di tesi nasce dalla necessità di sviluppare un modulo portatile da laboratorio utilizzabile nelle fasi preliminari di queste misure sperimentali, ad esempio, caratterizzazione del dispositivo, allineamento del setup ottico, ecc. L’hardware relativo al sistema portatile progettato e realizzato in questo lavoro è suddiviso in tre parti: front-end, parte di elaborazione digitale e gestione dell’alimentazione. Considerando i moduli a singolo rivelatore dell’attuale stato dell’arte, il front-end è stato progettato per ricevere segnali in logica NIM o TTL con una frequenza massima pari a 100MHz. Inoltre, per ogni ingresso è possibile collegare una resistenza di terminazione da 50 Ohm o da 1 MOhm. Dato che per la parte di elaborazione digitale viene utilizzata una FPGA, è stato realizzato il firmware in modo da effettuare anche time stamping e calcolo della funzione di correlazione, la quale potrebbe essere impiegata, ad esempio, per caratterizzare il fenomeno dell’afterpulsing negli SPAD. Al fine di rendere il sistema portatile, questo deve essere alimentato da una batteria, mantenendo comunque la possibilità di poter essere collegato alla rete elettrica per effettuare misure di lunga durata, o per ricaricare la batteria stessa. Per rendere questo modulo gestibile in modo stand alone sono stati previsti un display ed un tastierino, realizzando il firwmare con un’opportuna interfaccia grafica. Inoltre, il modulo dispone di una connessione USB 2.0 per consentire lo scaricamento dei dati verso un computer.