Progetto e realizzazione di una scheda di comunicazione per applicazione TCSPC basata su Ethernet 10Gbit/s e Zynq 7030

The Time Correlated Single Photon counting (TCSPC) technique is used to reconstruct the waveform of a light signal emitted by a biological sample hit by a pulsed laser. With this technique it’s possible to obtain a higher time resolution with respect to an analog acquisition of the light signal, but for it to be applied the system should always be able to discriminate individual photons, which is unrealistic due to the dead time of the detector and of the readout electronics. Due to this limitation, to avoid distortion in the reconstruction of the light signal waveform, it is necessary to reduce the probability of a photon impinging on the detector, leading to a drastic increase of the experiment time duration. In the lab where my thesis work took place, a new technique named Fluorescence Analysis Speedup to extremely High rates (FLASH) was developed, which proposes a way to overcome this limitation and significantly speed up the TCSPC, based on the matching between the dead time of the detector and the laser period. This technique has been tested and verified in a single channel system and to further increase its performance it’s possible to extend this technique to more channels, in a new ultra-compact system. My thesis work consists in the design of a fraction of this new multichannel system to apply the FLASH technique and in particular I designed the communication board, whose main purpose is to send the experiment data towards a PC using fast interfaces such as 10Gbit/s Ethernet and USB3. To aid the design, I particularly used the simulation software Keysight Advanced Design System (ADS).

La tecnica Time Correlated Single Photon counting (TCSPC) permette di ricostruire la forma di un segnale luminoso emesso da un campione biologico sottoposto a un laser pulsato. Questa permette di ottenere una risoluzione temporale superiore rispetto a un’acquisizione analogica del segnale luminoso, ma richiede che il sistema sia sempre in grado di discriminare i singoli fotoni, il che non è realistico a causa di tempi morti presenti nel rivelatore stesso e nell’elettronica di readout. A causa di questa limitazione, per evitare distorsioni nella ricostruzione del segnale luminoso è necessario ridurre la probabilità che un fotone incida sul rivelatore, portando ad un drastico aumento della durata dell’esperimento. Nel laboratorio in cui si è svolta la mia tesi è stata sviluppata la tecnica Fluorescence Analysis Speedup to extremely High rates (FLASH), che propone un metodo per superare questo limite e velocizzare notevolmente la TCSPC, basato sul matching fra il tempo morto del rivelatore e il periodo del laser. Tale tecnica è stata verificata in un sistema a singolo canale e per incrementare ulteriormente le prestazioni si è pensato di estendere la tecnica a più canali, in un nuovo sistema ultra-compatto. Il mio lavoro di tesi consiste nella progettazione di una parte del nuovo sistema multicanale per implementare la tecnica FLASH e in particolare mi sono occupato della scheda di comunicazione, il cui scopo principale è di inviare i dati dell’esperimento verso il PC utilizzando interfacce veloci come Ethernet 10Gbit/s e USB3. A supporto del design mi sono servito particolarmente del software di simulazione Keysight Advanced Design System (ADS).