Analisi e simulazione di filtri per timing a singolo fotone con silicon photomultiplier

ABSTRACT The Silicon Photomultiplier (SiPM) is a photodetector implemented by a matrix of Single Photon Avalanche Diode (SPAD) connected in parallel. Thanks to this exclusive structure this device is able to give at the output a current signal whose amplitude is proportional to the number of absorbed photons, similarly to the Photomultiplier Tube (PMT). Moreover, thanks to the higher robustness and to the lower production cost, SiPMs have substituted PMTs in a broad range of fields starting from the high energy physics to the biomedical. Unfortunately, the temporal resolution of this device, in presence of very low light flux, is still a characteristic that has to be improved. The objective of this thesis is to study and analyse the SiPM’s current signal both in time and in frequency, while varying the incidence’s photons rate in order to spot the best filtering technique to improve the temporal resolution and partially solve the ‘pile-up’ issue. The entire structure has been divided in two main parts. In the first part a model of the SiPM has been realized using MATLAB and Simulink. Thanks to this model the current signal, varying the photon rate, has been stored. Then, through a transimpedance front end, this signal has been amplified and filtered with constant parameter filters and non-constant parameter filters. Once the best filtering technique has been identified (Pole-Zero compensation), a discrete component, low input impedance, high bandwidth front end has been realized. In this way the ‘pile up’ problem has been reduced, reaching a higher operation rate for the SiPM.

Il Silicon Photomultiplier (SiPM) è un sensore realizzato da una matrice di Single Photon Avalnche Diode (SPAD) connessi in parallelo. Grazie a questa particolare struttura, il SiPM è in grado di erogare un segnale di corrente proporzionale al numero di fotoni assorbiti analogamente ai Photomultiplier Tube (PMT). Inoltre, grazie alla maggiore robustezza e basso costo di produzione, il SiPM ha sostituito i PMT in un ampio campo di applicazioni: da quello della fisica ad alta energia a quello biomedico. Tuttavia, uno dei problemi di questo dispositivo è la risoluzione temporale quando si è in presenza di ridotte quantità di luce. L’obiettivo di questa tesi è quello di studiare ed analizzare l’andamento temporale del segnale di corrente di un SiPM al variare del rate di incidenza di fotoni al fine di individuare il filtraggio più adatto per ottenere la miglior risoluzione temporale e risolvere parzialmente il problema del ‘pile-up’. In particolare, il lavoro è stato suddiviso in due parti. Nella prima parte è stato realizzato un modello del SiPM utilizzando MATLAB e Simulink che consentisse di memorizzare il segnale di corrente per rate di incidenza di fotoni variabili. Questo segnale è stato poi amplificato tramite un front end a transimpendenza e filtrato con diverse tipologie di filtri a parametri costanti e parametri non costanti. Una volta individuato il filtraggio migliore, che si è rivelato essere la compensazione Polo-Zero, è stato realizzato un front-end a componenti discreti, a bassa impedenza di ingresso, ampia banda che implementasse il tipo di filtraggio precedentemente scelto. In questo modo viene ridotto il problema del ‘pile-up’ consentendo così una maggiore frequenza di operazione del SiPM.