Silicon photomultiplier for cutting-edge diffuse optics instruments

The study of photon propagation is a powerful tool to non-invasively probe highly scattering biological media. Using a time-domain method, the optical properties of the probed medium can be reconstructed by analyzing the time-of-flight distribution. Two main bottlenecks prevent time-domain diffuse optics instruments from reaching their maximum performances: i) the limited light harvesting capacity of the detection chain and ii) the limited data throughput of the timing electronics. To improve the performance of new systems, both of these issues must be addressed. In this work, the first step towards a new device, based on 32 Silicon Photomultipliers placed in an array to form a spectrometer or used separately for tomography, has been developed. This device will be coupled with a multi-channel high-throughput timing electronics in order to outperform the state-of-the-art systems. The best single-photon timing resolution obtained with the board comprising a fast silicon photomultiplier and the associated front-end electronics is 59-ps full-width at half maximum, which allows optimism for the performance of the full array. In addition, a prototype array containing 3 boards was evaluated. The array is stable over 30 minutes and no crosstalk from one board to the other is observable. Instead of increasing the number of detectors, the light gathering capacity could be improved by increasing the detector area. However, large active area comes at the cost of high noise and deteriorated timing resolution. The last part of this work is dedicated to the deep probing capacity of an extra-large (1 cm × 1 cm) silicon photomultiplier detector. The instrumentation containing the detector is currently reaching a depth probing of 5 cm.

Lo studio della propagazione dei fotoni è un potente strumento per sondare in modo non-invasivo mezzi biologici ad alta dispersione. Utilizzando un metodo di dominio del tempo, le proprietà ottiche del mezzo sondato possono essere ricostruite analizzando la distribuzione del tempo di volo. Due principali colli di bottiglia impediscono agli strumenti di ottica diffusa nel dominio del tempo di raggiungere le loro massime prestazioni: i) la limitata capacità di raccolta della luce della catena di rilevamento e ii) il throughput di dati limitato dell'elettronica di temporizzazione. Per migliorare le prestazioni dei nuovi sistemi, entrambi questi problemi devono essere affrontati. In questo lavoro, è stato sviluppato il primo passo verso un nuovo dispositivo, basato su 32 fotomoltiplicatori al silicio posti in un array per formare uno spettrometro o utilizzati separatamente per la tomografia. Questo dispositivo sarà accoppiato con un'elettronica di temporizzazione multicanale ad alto rendimento, al ne di superare le prestazioni dei sistemi all'avanguardia. La migliore risoluzione di temporizzazione a singolo fotone ottenuta con la scheda che comprende un fotomoltiplicatore veloce al silicio e l'elettronica front-end associata è di 59-ps full-width at half maximum, il che permette un ottimismo per le prestazioni dell'intero array. Inoltre, è stato valutato un prototipo di array contenente 3 schede. L'array è stabile per 30 minuti e non è osservabile alcuna diafonia da una scheda all'altra. Invece di aumentare il numero di rivelatori, la capacità di raccolta della luce potrebbe essere migliorata aumentando l'area del rivelatore. Tuttavia, una grande area attiva ha il costo di un rumore elevato e di una risoluzione temporale deteriorata. L'ultima parte di questo lavoro è dedicata alla capacità di sondaggio profondo di un rivelatore fotomoltiplicatore al silicio extra-large (1 cm per 1 cm). La strumentazione che contiene il rivelatore sta attualmente raggiungendo una profondità di sondaggio di 5 cm.