Read-out electronics for a multi-channel time-resolved spectroscopy module

This thesis work concerns the design and characterization of a time-measurement unit and other sub-components for a time-resolved spectroscopy instrument, based on eight compact pulsed laser sources, emitting in the near infrared range (from 635 to 1050 nm) and two single photon detectors, based on wide area Silicon Photomultipliers. The instrument has been developed within the LUCA project (Laser and Ultrasound Co-Analyzer for thyroid nodules), funded by the European Commission under the Horizon 2020 research framework. The main building blocks of the time-measurement units and sub-components (like the power board for power supplying all the instrument) are described in terms of circuit schematics, components choice and sizing. The time-measurement units are based on integrated time to digital converters and provide 10 ps timing resolution, single-shot precision better than 40 ps (Full Width at Half Maximum), maximum conversion rate equal to 3 Mconv/s and differential non-linearity lower than 1.2% (RMS) of least significant bit. The instrument has been fully characterized and the obtained results match all the project target specifications. The instrument response function results narrower than 200 ps (FWHM) for all the eight pulsed laser sources and optimal measurement stability over time is achieved, with variations lower than ±1% for several hours of operation, after an initial warm-up time.

Questo lavoro di tesi riguarda il progetto e la caratterizzazione di uno strumento di misura del tempo e di alcuni componenti ausiliari per lo sviluppo di uno strumento per spettroscopia ottica risolta nel tempo, costituito da otto laser impulsati con lunghezze d'onda nel vicino infrarosso (da 635 a 1050 nm) e due rivelatori di singolo fotone, basati su Silicon Photomultipliers ad ampia area. Lo strumento è stato sviluppato all'interno del progetto LUCA (Laser and Ultrasound Co-Analyzer for thyroid nodules), finanziato dalla Commissione Europea nell'ambito del programma di ricerca Horizon 2020. I principali blocchi dello strumento di misura del tempo e dei componenti ausiliari (come la scheda di alimentazione che fornisce le tensioni a tutto lo strumento) sono descritti in termini di schematico, scelta e dimensionamento dei componenti. I due strumenti di misura del tempo hanno una risoluzione nel tempo di 10 ps, una precisione migliore di 40 ps (larghezza a metà ampiezza), massimo tasso di conversione uguale a 3 Mconv/s e non-linearità differenziale migliore dell' a 1.2% (RMS) del bit meno significativo. Lo strumento è stato completamente caratterizzato ed i risultati ottenuti sono in linea con i requisiti richiesti dal progetto. La risposta temporale dello strumento risulta minore di 200 ps (FWHM) per le otto sorgenti laser impulsate, con stabilità della misura migliore del ±1% per diverse ore, dopo un iniziale transitorio di accensione.