Progettazione e test di un sistema TCSPC multicanale a basso jitter ed elevata linearità

Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) is a technique used to record low-intensity light signals with high timing resolution and precision. It is employed in a wide variety of different applications, such as Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM), LiDAR (Light Detection And Ranging), and others. A TCSPC measurement consists in the detection of single fluorescence photons re-emitted by a sample, excited by means of a periodic laser source. Measuring the time interval between the detection of one photon and the excitation pulse it is possible to build a histogram depending on the arrival time of photons within the period. After many cycles, the histogram represents the intensity decay of the luminous signal. The main limitation of TCSPC is the need for long measurement time, since a high number of photons has to be collected. 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. It has been recently proposed and proved an architecture overcoming the limitation from the photo-detector's dead-time: by matching it to an integer multiple of the laser period it is possible to achieve a distortion below 1%, allowing unprecedented speedup of TCSPC measurements. In this context, the limiting factor is the conversion electronics' dead-time, that has to be reduced in order to be less than that of the sensor. A possible solution is an architecture called Fast-TAC (FTAC), based on the parallelization of N different Time-to-Amplitude Converters (TAC) - a device converting the measured time interval in a voltage. FTAC architecture allows a dead-time reduction by a factor of N through the application of a time interleaving technique. In this work we designed a compact 8-channels module implementing the FTAC architecture. Besides, a preliminary single-channel module was designed and tested, with the aim of identifying and optimizing any critical issues in the system. The last one has been proved to reach a maximum precision of 4.2ps Full-Width at Half Maximum (FWHM), differential non-linearity (DNL) <1%, a maximum resolution of 0.78ps and a maximum conversion frequency of 12MHz. The multichannel system, currently under production, is expected to allow a maximum conversion frequency of 96MHz, keeping the same performance in terms of precision, linearity, and resolution.

La tecnica di Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) è utilizzata per misurare segnali veloci e a bassa intensità, con alta risoluzione e precisione temporale. Essa interessa una vasta gamma di applicazioni, come la microscopia a fluorescenza (FLIM), il LiDAR (Light Detection And Ranging) e altre. Una misura TCSPC consiste nella rivelazione di singoli fotoni riemessi per fluorescenza da un campione, stimolato periodicamente da un laser. Misurando l'intervallo temporale tra la rivelazione di un fotone e la stimolazione del campione è possibile costruire un istogramma sulla base del tempo di arrivo dei fotoni all'interno del periodo. Accumulando un numero statisticamente rilevante di conteggi l'istogramma ricostruisce la curva di fluorescenza. La principale limitazione della TCSPC è data dai lunghi tempi di misura, richiedendo un elevato numero di fotoni. Per evitare di introdurre distorsione da pile-up, gli esperimenti TCSPC sono tradizionalmente eseguiti limitando il numero medio di fotoni incidenti in un periodo sotto al 5% della frequenza di eccitazione. È stata recentemente proposta e verificata un'architettura che risolve il problema del tempo morto del fotorivelatore: se questo ha durata pari ad un multiplo intero del periodo di eccitazione, è possibile ottenere una distorsione inferiore all’1%, con miglioramenti senza precedenti nella velocità delle misure. Resta comunque il fattore limitante legato al tempo morto dell'elettronica di conversione, che dev'essere reso trascurabile rispetto a quello del sensore. Una possibile soluzione è un'architettura detta Fast-TAC (FTAC), basata sulla parallelizzazione di N differenti Time-to-Amplitude Converter (TAC) - che convertono l'intervallo temporale acquisito in tensione. Essa permette di ridurre il tempo morto di un fattore N, per mezzo di una tecnica di time interleaving. In questo elaborato è stato progettato e realizzato un modulo compatto a 8 canali per l'implementazione di questa tecnica. È stato inoltre progettato e testato un primo modulo a singolo canale, al fine di identificare e ottimizzare eventuali criticità riscontrate. Quest'ultimo raggiunge una massima precisione di 4.2ps Full-Width at Half-Maximum (FWHM), non linearità differenziale (DNL) <1%, risoluzione massima di 0.78ps e massima frequenza di conversione di 12MHz. Il sistema multicanale, attualmente in fase di produzione, permetterà di raggiungere una massima frequenza di conversione di 96MHz, mantenendo le stesse prestazioni in termini di precisione, linearità e risoluzione.