Characterization of a SiPM readout ASIC for PET and TOF-PET applications

One of the main applications of gamma rays is nuclear medicine, where this high energy radiation is used, for example, in medical imaging and hadrontherapy. Nowadays these techniques are becoming more and more diffused, so there is an ever-increasing demand for γ-ray detection and readout systems. To obtain high-quality images of the human body, like in PET and TOF-PET applications, the requirements in terms of energy and timing resolution, high rate operations and low power dissipation for the front-end elec- tronics are usually pretty stringent. Therefore, to match all the specifications, custom ASICs are definitely the best solution. ASICs play a central role in γ-ray detection and research is continuously working to try to advance the state-of-the-art. In this framework, the MAGIC ASIC has been conceived for the readout of electrical currents generated by SiPMs coupled with monolithic scintillators in TOF-PET applications. It provides energy and timing information related to the detected event, that are fundamental parameters in TOF-PET applications. Moreover, this ASIC performs on-chip validation of the de- tected event. Therefore, energy and timing information are provided to the following acquisition system (e.g. an FPGA) only in case of a valid gamma interaction. This work presents the initial phase of the experimental characterization of the MAGIC ASIC, in which the correct behaviour of the main blocks has been validated and the linearity in energy measurement and the jitter affecting timing performance have been characterized. The experimental characterization gave a non-linearity error in energy measurement of about 0.8% and a jitter of about 17 ps; the power consumption per channel is about 5.06 mW/channel, obtained from a full-chip simulation.

Una delle principali applicazioni dei raggi gamma è la medicina nucleare, dove questo tipo di radiazione ad alta energia viene usata nella diagnostica per immagini e nell’adroterapia contro i tumori. Queste tecniche stanno diventando sempre più diffuse, perciò la do- manda per sistemi di lettura per rivelatori di raggi gamma è in continua crescita. Per ottenere immagini ad alta qualità, per esempio nella PET e nella TOF-PET, i requisiti che l’elettronica di front-end deve soddisfare in termini di risoluzione in energia e timing, operazioni ad alto tasso di arrivo dei fotoni e basso consumo di potenza, sono sempre più stringenti. La soluzione che meglio si adatta a questo problema sono gli ASIC custom. Questi circuiti integrati hanno un ruolo fondamentale nella rivelazione di raggi gamma e la ricerca lavora continuamente per cercare nuove soluzioni all’avanguardia. In questo contesto si inserisce la progettazione di MAGIC, un ASIC ideato per la lettura di cor- renti provenienti da SiPM accoppiati con cristalli scintillatori monolitici. L’ASIC fornisce informazioni su energia e tempo di arrivo del fotone rivelato, parametri fondamentali in applicazioni come la TOF-PET. In più, la validazione dell’evento basata sulla somma delle correnti in ingresso, viene svolta direttamente all’interno del chip. Perciò, solo se l’evento corrisponde ad una interazione di raggi gamma, l’informazione relativa ad ener- gia e tempo di arrivo viene fornita al successivo sistema di acquisizione (tipicamente un FPGA). Questa tesi presenta la prima fase di validazione e caratterizzazione sperimentale di MAGIC, in cui è stato testato il corretto funzionamento dei blocchi principali del cir- cuito e sono state effettuate misure relative alla linearità nella misura di energia e al jitter che influenza le prestazioni di timing. I risultati ottenuti sono un errore di non linearità nelle misura dell’energia di circa 0.8% e un jitter temporale di circa 17 ps; attraverso simulazioni full-chip al PC, è stato inoltre possibile stimare il consumo di potenza per ogni canale, equivalente a circa 5.06 mW/canale.