Fully FPGA-based time-to-digital converter for 3D (X, Y, t) cross delay-line detection systems

Time-resolved experiments often need detection devices able to provide information about position and arrival time of each detected event. Time resolution is a fundamental requirement for these devices, along with the high versatility and fast real-time computing of the acquisition system. Therefore, it is often fundamental to have detectors able to provide all at once the XY position and the arrival time of each detected event. In this scenario, Cross Delay-Lines detectors (CDL), which use arrival time information also for position detection, are the most suited instruments for this task. Typical architectures, based on Time-to-Digital Converters (TDC) followed by a Field Programmable Gate Array (FPGA), combine very fast parallel computing with a time precision better than hundreds of picoseconds, allowing to perform state-of-the-art time-resolved experiments. Nevertheless, time resolution is still a limiting factor, in particular for imaging applications. In this thesis, starting from the “Development of fully FPGA-based 3D (X, Y, t) detection systems using multi-channel Tapped Delay-Line Time-to-Digital Converter with Cross Delay-Line detectors” article, in which it was presented a new approach combining FPGA-based multi-channel TDC and an efficient multipurpose readout logic in order to greatly improve the overall performance and versatility of CDL detector systems, it has been completely redesigned the hardware and, thanks to the reconfigurability offered by the FPGA, it has been improved the firmware of the TDC reducing the Integral Non-Linearity error (INL) from 80 ps over 50 ns of full scale-range to 16 ps over 2.6 μs, maintaining resolution up to 1 ps and single-shot channel precision lower then 12 ps r.m.s. This has greatly improved the overall performance of the detected image of CDL detector systems allowing a spatial precision up to 30 μm with local aberrations due to the INL lower than 40 μm. The increasing in accuracy makes negligible these artefacts.

Gli esperimenti risolti nel tempo richiedono spesso dispositivi di rivelazione in grado di fornire informazioni sulla posizione e il tempo di arrivo di ciascun evento rivelato. La risoluzione temporale è un requisito fondamentale per questi dispositivi, insieme all'elevata versatilità ed alla rapidità di calcolo in tempo reale del sistema di acquisizione. Pertanto, è spesso fondamentale disporre di rivelatori in grado di fornire contemporaneamente la posizione XY e il tempo di arrivo di ciascun evento rivelato. In questo scenario, i rivelatori Cross Delay-Lines (CDL), che utilizzano le informazioni sul tempo di arrivo anche per la determinazione della posizione, sono gli strumenti più adatti per questo compito. Le architetture tipiche, basate sui convertitori Time-to-Digital (TDC) seguite da un Field Programmable Gate Array (FPGA), combinano elaborazione parallela molto veloce con una precisione temporale migliore di centinaia di picosecondi, consentendo di eseguire gli esperimenti risolti nel tempo allo stato dell'arte. Tuttavia, la risoluzione temporale è ancora un fattore limitante, in particolare per le applicazioni di imaging. In questa tesi, a partire dall'articolo "Development of fully FPGA-based 3D (X, Y, t) detection systems using multi-channel Tapped Delay-Line Time-to-Digital Converter with Cross Delay-Line detectors", in cui è stato presentato un nuovo approccio che combina un TDC multicanale basato su FPGA e un'efficiente logica di readout multiuso al fine di migliorare notevolmente le prestazioni complessive e la versatilità dei sistemi di rivelatori CDL, è stato completamente riprogettato l'hardware e, grazie alla riconfigurabilità offerta dal FPGA, è stato migliorato il firmware del TDC riducendo l'errore di non linearità integrale (INL) da 80 ps su 50 ns di fondo scala a 16 ps su 2,6 μs, mantenendo una risoluzione fino a 1 ps e precisione single-shot del canale inferiore a 12 ps r.m.s. Ciò ha notevolmente migliorato le prestazioni complessive dell'immagine rivelata dei sistemi di rivelatori CDL consentendo una precisione spaziale fino a 30 μm con aberrazioni locali dovute all'INL inferiore a 40 μm. L'aumento della precisione rende trascurabili questi artefatti.