Oltre i limiti del pile-up : realizzazione e test di un sistema per TCSPC ad elevati rate e bassa distorsione

Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) is a widely diffused technique used in scientific experiments requiring the analysis of optical pulses with high timing precision, as Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM). In a TCSPC measurement, a sample is excited by means of a periodic laser source and reemitted photons are detected and recorded in a histogram depending on their arrival time within the laser period. After many periods, the histogram has the same shape of the luminous signal. To avoid the so-called pile-up distortion, TCSPC experiments have been historically carried out limiting the average number of detected photons in a period below 5% of the excitation rate. Actually, it has been recently demonstrated that the dead time of a single photon detector can play a key role to avoid pile-up distortion at high rates: if the dead time is matched to an integer number of excitation periods, the distortion is kept well below 1%, thus paving the way to unprecedented speedup of TCSPC measurements. The goal of this work was the realization and experimental characterization of a compact single-channel TCSPC system for high speed measurement with low distortion exploiting the proposed methodology. The acquisition chain consists of two blocks: the Detection module and the Timing Conversion module. Concerning the Detection module, the device of choice for this design is a custom technology Single-Photon Avalanche Diode (SPAD), driven by an external Active Quenching Circuit (AQC) that senses the avalanche current and provides a prompt quenching and reset of the detector. The AQC features a finely tunable dead time, that we were able to match with the excitation period. The detector electric signal is read out by a high-performance pick-up circuit able to extract the timing information with picosecond precision. The output of the pick-up circuit has to be fed to a converter that should be always ready to perform a timing measurement in order to achieve high rates. To this aim, we exploited an already existing Timing Conversion module featuring a structure called Fast-TAC and we developed a FPGA firmware for it. The firmware is based on a versatile and hierarchical structure, providing data elaboration and transmission towards a PC interface and allowing real-time histograms display.

La tecnica di Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) è utilizzata negli esperimenti che richiedono l’analisi di impulsi ottici ad alta precisione temporale, come la microscopia a fluorescenza (FLIM). In una misura TCSPC, un campione viene stimolato periodicamente da un laser e il tempo di arrivo dei fotoni riemessi viene registrato in un istogramma. Dopo un numero statisticamente significativo di eventi, l’istogramma riproduce la forma del segnale luminoso. Per evitare di introdurre distorsione da pile-up, gli esperimenti TCSPC vengono tradizionalmente eseguiti limitando il numero medio di fotoni in un periodo al di sotto del 5% della frequenza di eccitazione. Questo vincolo introduce una significativa limitazione alla velocità del singolo canale di acquisizione. Tuttavia, è stato recentemente dimostrato che il tempo morto del rivelatore ha un ruolo fondamentale nell'analisi della distorsione ad elevati rate: un tempo morto con durata pari ad un multiplo intero del periodo di eccitazione garantisce una distorsione inferiore all'1%, con miglioramenti senza precedenti nella velocità delle misure. L’obiettivo di questo lavoro di tesi consiste nella realizzazione e nella caratterizzazione sperimentale di un sistema TCSPC compatto a singolo canale che sfrutti la metodologia proposta per misure ad elevati rate e bassa distorsione. La catena di acquisizione è composta da un modulo di Rivelazione e un modulo di Conversione Temporale. Per quanto concerne il modulo di Rivelazione, il sensore scelto è uno SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) realizzato in tecnologia custom e pilotato esternamente da un Active Quenching Circuit (AQC) che effettua le operazioni di quenching e reset del rivelatore. L’AQC è caratterizzato da un tempo morto finemente regolabile che abbiamo posto pari al periodo di eccitazione del laser. Il segnale elettrico dello SPAD viene letto da un circuito di prelievo con precisione nell’ordine di poche decine di picosecondi. Il segnale di timing generato viene poi elaborato da un modulo di conversione temporale. Per poter raggiungere elevati rate, quest’ultimo dovrebbe idealmente essere sempre in grado di effettuare una misura temporale. A questo scopo abbiamo sfruttato un modulo preesistente, caratterizzato dalla struttura Fast-TAC, e sviluppato il suo firmware FPGA. Il firmware è basato su una struttura versatile e gerarchica, che elabora i dati e li trasmette verso il PC, permettendo una visualizzazione real-time degli istogrammi.