Progetto e sviluppo di un modulo a 64 canali, compatto e ad alte prestazioni, per counting e timing di singoli fotoni

a 64 channel tcspc module

Recentemete, le tecniche di misura ottica basate sul principio del Time Correlated Single Photon Counting hanno acquisito crescente popolarità in diversi settori, da quello industriale a quello biomedico, rispondendo alla necessità di acquisire segnali luminosi estremamente deboli e veloci. La tecnica TCSPC si basa sull’emissione periodica di un evento luminoso del quale si vuole ottenere la forma d'onda, e sulla misura del tempo di arrivo dei singoli fotoni all'interno del periodo attraverso particolari sensori ad elevatissimo guadagno interno, gli SPAD (Single-Photon Avalanche Diode). Poiché la probabilità di rilevare un fotone è direttamente proporzionale all'intensità luminosa in quell'istante, l'istogramma costituito dal numero di fotoni acquisiti in funzione del tempo di arrivo è equivalente alla curva d'intensità luminosa emessa. Nel corso di questo lavoro di tesi è stato sviluppato un sistema elettronico multicanale per misure TCSPC compatibile con matrici fino a 64 rilevatori, che permetta di misurare il numero e il tempo di arrivo dei fotoni dato un segnale di Stop esterno, tipicamente generati dal laser con cui si emette il fascio luminoso. L’architettura del sistema prevede: una scheda che monti i rilevatori e i circuiti integrati dedicati per il corretto funzionamento di questi ultimi; due schede, identiche, adibite all’acquisizione dei segnali dai sensori, alla conversione dell’informazione temporale e all’elaborazione digitale tramite FPGA; una scheda di alimentazione predisposta alla generazione e al controllo di tutte le tensioni necessarie alla misura e della temperatura del sistema; una scheda responsabile del trasporto di segnali differenziali veloci e di segnali di controllo da una scheda all’altra. Il presente lavoro è stato condotto partendo dall’analisi delle prestazioni e delle criticità dei modelli precedenti, estendo le prime al sopracitato numero di canali di acquisizione e cercando di migliorare gli aspetti più problematici quali: l’acquisizione parallela dai rilevatori, l’integrità dei segnali lungo tutti gli stadi del sistema, la precisione temporale della misura nell’ordine dei 10ps, la gestione della potenza elettrica e termica e, in ultimo, le dimensioni fisiche del nostro modulo, riconducibili ad un parallelepipedo di sezione quadrata di lato 6cm e altezza 16cm.