Sviluppo di un modulo a 64 canali per applicazioni di photon counting

Il gruppo di ricerca in cui é stato svolto questo lavoro di tesi si occupa della progettazione di sistemi elettronici impiegati per la rilevazione e l’elaborazione di segnali ottici, a partire dal sensore fino al sistema completo. In particolare, il progetto di cui mi sono occupata riguarda lo sviluppo di un modulo per misurazioni di photon counting a singolo fotone in grado di effettuare fino a 64 acquisizioni parallele completamente indipendenti. Nelle misurazioni photon counting i segnali elettrici generati in uscita dai fotorivelatori sono serie di impulsi, ognuno dei quali identifica il rilevamento di un fotone. Tra le tecniche di photon counting, negli ultimi anni si é assistito a una rapida espansione della spettroscopia a livello molecolare, in quanto la possibilitá di osservare una molecola alla volta permette di ottenere informazioni uniche sulle funzioni di distribuzione di biomolecole. Il modulo di rilevazione oggetto di questa tesi si rivolge in particolare a tecniche smFRET (trasferimento di energia per risonanza a livello di singola molecola), un potente strumento per analizzare interazioni di legame e conformazioni intra e inter-molecolari in campo biochimico. Nel sistema di acquisione sono stati impiegati dei fotorivelatori Single Photon Avalanche Diode (SPAD); in particolare, gli array di SPAD realizzati dal Politecnico di Milano, che comprendono anche una struttura red enhanced con efficienza di rilevazione migliorata nell’infrarosso. Il pixel completo comprende inoltre un chip di Active Quenching Circuit (AQC), connesso esternamente all’array di SPAD. Il modulo realizzato consente di esportare i segnali di counting verso un sistema di analisi esterno o alternativamente é in grado di effettuare misure di photon counting a singolo fotone utilizzando le risorse del sistema stesso, grazie alla FPGA on-board. Il sistema comprende anche una scheda di alimentazione, progettata al fine di polarizzare corretamente tutti i dispositivi presenti all’interno del modulo, che, attraverso un sistema di raffreddamento Thermo Electric Cooler controllato dal microcontrollore, si occupa inoltre del controllo in temperatura dell’array di SPAD, volto a diminuire i conteggi di buio dei rilevatori.