Анализ результатов проектирования считывающей электроники кремниевых умножителей на основе базового матричного кристалла МН2ХА030

The aim of the work is analyzing the results of an experimental research of a charge-sensitive amplifier with an adjustable conversion coefficient and a base level recovery circuit fabricated on the master slice array MN2XA030 for silicon photomultiplier tubes. The amplifier is called ADPreampl3. The parameters were measured on a small batch of chips in the amount of 20 samples. In the process of measuring the main parameters of the amplifier, the signal from the SiPM Photonique equivalent circuit was fed to the amplifier input. In the course of measuring the parameters, it was revealed that the spread of the baseline level for the FOut output ranged from -24 to 276 mV with an average value of 85.6 mV. In this case, a voltage changing in the FOoutShift node from -3 to 3 V is sufficient to establish a base level value of FOut output close to zero. When the recovery scheme is disabled, the spread of the basic level for OutA output is from 300 to 800 mV. When the OutAShift output is connected to the zero-voltage bus the average base level for OutA output is 3.72 mV and for OutAinv output it is minus 2.42 mV. The base level at the outputs OutA and OutAinv smoothly changes in the range of ± 0.9 V. At maximum gain, the dynamic range of ADPreampl3 exceeds 20 dB, however, at the same time, the conversion coefficient depends on the value of the input charge. To register large input charges, it is recommended to reduce the output pulse by reducing the voltage at the Gain pin or process the signal from the FOut pin. The output parameters of the experimental samples are compared with the results of computer simulation. The discrepancy between the results of modeling and measurements, peak time and propagation delays of the amplifier signal was revealed. Based on this, a decision to adjust the SPICE parameters of the elements used in the simulation was made. Целью работы является анализ результатов экспериментального исследования зарядочувствительного усилителя с регулируемым коэффициентом преобразования и схемой восстановления базового уровня, изготовленного на базовом матричном кристалле МН2ХА030 для кремниевых фотоэлектронных умножителей. Усилитель получил название ADPreampl3. Измерение параметров проводилось на партии чипов в количестве 20 штук. В процессе измерения основных параметров усилителя на его вход подавался сигнал с эквивалентной схемы SiPM Photonique. В ходе измерения параметров выявлено, что разброс базового уровня по выходу FOut составил от -24 до 276 мВ при среднем значении 85,6 мВ. При этом изменение напряжения в узле FOoutShift от -3 до 3 В достаточно для установления близкого к нулю значения базового уровня по выходу FOut. При отключенной схеме восстановления разброс базового уровня по выходу OutA составил от 300 до 800 мВ. При соединении вывода OutAShift с шиной нулевого напряжения среднее значение базового уровня по выходу OutA составило 3,72 мВ, а по выходу OutAinv - минус 2,42 мВ. Базовый уровень на выходах OutA и OutAinv плавно изменяется в диапазоне ±0,9 В. При максимальном усилении динамический диапазон ADPreampl3 превышает 20 дБ, однако при этом наблюдается зависимость коэффициента преобразования от величины входного заряда. Для регистрации больших входных зарядов рекомендуется уменьшить величину выходного импульса уменьшением напряжения на выводе Gain либо обрабатывать сигнал с вывода FOut. Проведено сравнение выходных параметров экспериментальных образцов с результатами компьютерного моделирования. Выявлено несовпадение результатов моделирования и измерений, времени пика и задержек распространения сигнала усилителя. Исходя из этого, принято решение о корректировке SPICE-параметров элементов, использованных при моделировании

Design considerations for a new generation of SiPMs with unprecedented timing resolution

The potential of photon detectors to achieve precise timing information is of increasing importance in many domains, PET and CT scanners in medical imaging and particle physics detectors, amongst others. The goal to increase by an order of magnitude the sensitivity of PET scanners and to deliver, via time-of-flight (TOF), true space points for each event, as well as the constraints set by future particle accelerators require a further leap in time resolution of scintillator-based ionizing radiation detectors, reaching eventually a few picoseconds resolution for sub MeV energy deposits. In spite of the impressive progress made in the last decade by several manufacturers, the Single Photon Time Resolution (SPTR) of SiPMs is still in the range of 70-120ps FWHM, whereas a value of 10ps or even less would be desirable. Such a step requires a break with traditional methods and the development of novel technologies. The possibility of combining the extraordinary potential of nanophotonics with new approaches offered by modern microelectronics and 3D electronic integration opens novel perspectives for the development of a new generation of metamaterial-based SiPMs with unprecedented photodetection efficiency and timing resolution.Comment: 16 pages, 6 figures, submitted to JINS

Radiation damage of FBK Silicon Photomultipliers for HEP applications

Silicon Photomultipliers (SiPMs) are photo-detectors currently experiencing a significant development in several fields: from medical applications to LiDAR, homeland security, analytical instrumentation, High Energy Physics (HEP). In particular, this work deals with SiPMs in HEP with a focus on their tolerance to the radiation. In fact, in HEP sensors are usually exposed to a large amount of radiation and they are expected to survive in such an environment. After a detailed introduction on the main SiPM characteristics, the main mechanisms of damage in SiPMs are addressed. They mainly consist into the generation of defects into the bulk, resulting in an increase of the noise, and in the surface layer, resulting in the generation of fixed charge in the oxide and defects at interface between the oxide and the silicon and, as a consequence, in an increase of the leakage current. This work aims to verify these theoretical assumptions through three irradiation test campaigns, where FBK SiPMs are exposed to the effects of both ionizing and non-ionizing radiation at medium-high doses. The first irradiation test took place at the Laboratori Nazionali del Sud (LNS) in 2019, where SiPMs were exposed to increasing 62 MeV proton fluences up to about 10^14 n_eq/cm^2. The main SiPMs parameters were assessed after irradiation and some information about the damage into the bulk of the sensors were derived. In fact, the noise was observed to increase significantly with respect to the non-irradiated SiPM, as expected from theory. Information were then extracted about activation energy, and a preferred spatial localization of the defects inside the single microcell was also observed. During the second irradiation test, FBK SiPMs were irradiated at the Trento Protontherapy Center with 74 MeV protons at increasing fluences, up to 6.4x10^11 n_eq/cm^2, using a custom setup which allowed direct reverse current-voltage measurement shortly after each irradiation step, reducing the impact of the annealing on the results. SiPMs were characterized extracting DCR, breakdown voltage and other key parameters from reverse current measurements. Then, the several technologies under test were compared using figures of merit such as Signal-to-Noise Ratio (SNR) and energy resolution, in X-rays or gamma-rays spectroscopy, assumed as possible applications. The NUV-HD technologies with smaller cell sizes showed the best best performances, in terms of energy resolution, SNR and noise level after annealing. The third irradiation campaign aimed to test the tolerance of FBK SiPMs to ionizing radiation through an X-rays irradiation at the TIFPA facility in Trento up to a dose of 100 kGy. SiPMs were irradiated using the same custom setup used in the second irradiation test, performing reverse current measurement after each irradiation step. After a 30-day annealing, samples irradiated at 100 kGy were fully characterized and compared to the non-irradiated ones. RGB-HD was the only technology to show a decrease of the PDE due to border effects in the electric field inside the microcells of the SiPM, while the NUV-HD-cryo was the only technology not showing variations neither in the noise nor in the PDE

Development of ASIC for SiPM sensor readout

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Online learning of physics during a pandemic: A report from an academic experience in Italy

The arrival of the Sars-Cov II has opened a new window on teaching physics in academia. Frontal lectures have left space for online teaching, teachers have been faced with a new way of spreading knowledge, adapting contents and modalities of their courses. Students have faced up with a new way of learning physics, which relies on free access to materials and their informatics knowledge. We decided to investigate how online didactics has influenced students’ assessments, motivation, and satisfaction in learning physics during the pandemic in 2020. The research has involved bachelor (n = 53) and master (n = 27) students of the Physics Department at the University of Cagliari (N = 80, 47 male; 33 female). The MANOVA supported significant mean differences about gender and university level with higher values for girls and master students in almost all variables investigated. The path analysis showed that student-student, student-teacher interaction, and the organization of the courses significantly influenced satisfaction and motivation in learning physics. The results of this study can be used to improve the standards of teaching in physics at the University of Cagliar

Électronique d’un convertisseur photon-numérique 3D pour une résolution temporelle de 10 ps FWHM

Les technologies utilisant la détection monophotonique sont de plus en plus présentes dans nos vies. De nombreuses applications nécessitent un photodétecteur possédant une haute efficacité de détection ainsi que d’excellentes performances temporelles, de l’ordre de 10 ps LMH. L’un des exemples qui aura un impact dans nos vies à court terme est l’intégration de système de télémétrie laser sur les véhicules afin de les rendre autonomes. Le domaine de l’imagerie médicale peut également profiter du développement de nouveaux photodétecteurs possédant une très haute précision temporelle. Par exemple, la tomographie d’émission par positrons permet d’imager le métabolisme des cellules, une technique très utilisée dans la détection de tumeurs cancéreuses. Une résolution temporelle en coïncidence de 10 ps LMH permet d’augmenter drastiquement le contraste des images des scanners TEP en localisant l’endroit sur la ligne de réponse où s’est produite l’annihilation du positron et de l’électron. L’atteinte d’une résolution de 10 ps LMH représenterait un changement de paradigme puisqu’il serait possible de produire directement une image sans utiliser un processus de reconstruction. Présentement, les cristaux scintillateurs et les photodétecteurs sont les deux facteurs limitant l’atteinte d’une résolution de 10 ps LMH. Au niveau du photodétecteur, une gigue temporelle de détection de photon unique de 10 ps LMH est requise pour atteindre une résolution en coïncidence de 10 ps LMH. Le Groupe de recherche en appareillage médicale travaille à atteindre cette performance depuis de nombreuses années. Le projet phare du groupe au niveau du développement de photodétecteur est le convertisseur photon-numérique 3D. Pour ce détecteur, une intégration verticale 3D de deux puces de silicium est requise. Sur la première couche, une matrice de photodiode à avalanche monophotonique est conçue dans une technologie sur mesure de Teledyne Dalsa Semiconductor Inc est intégrée en 3D sur une seconde couche de technologie standard CMOS 65 nm de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company ltd. Ce projet de doctorat vise à concevoir un circuit en technologie CMOS qui attribue à chaque photodiode à avalanche monophotonique un circuit d’étouffement et un convertisseur temps-numérique possédant une gigue sous les 10 ps LMH. Cette thèse présente le développement d’une matrice de 256 circuits de lecture de photodiodes à avalanche monophotonique optimisés pour obtenir la meilleure résolution temporelle tout en intégrant un circuit de traitement numérique. Pour atteindre une résolution de 10 ps LMH, un système de correction des non-uniformités et des variations de délai de propagation de chaque pixel a été implémenté. Pour finir, cette recherche conclut sur l’implémentation d’un circuit d’asservissement pour stabiliser les performances du convertisseur temps-numérique pour les variations de tension d’alimentations et de température

Dark matter search and neutrino physics in Liquid Argon

Several astrophysical observations, both on a galactic and cosmological scales, showing that there’s a “missing mass” in the observable Universe, can be explained assuming a non-luminous kind of matter, hence called “dark matter”. One of the most promising candidates is the Weakly Interacting Massive Particle (WIMP), a non-relativistic massive particle, gravitationally and weakly interacting with baryonic matter. The present work is specifically focused on the physics potential besides WIMP search of dark matter detectors filled with Liquid argon, like DarkSide and DEAP-3600. Liquid argon is an optimal target thanks to its high scintillation and ionization yields. DEAP-3600 is a single-phase detector, exploiting the scintillation channel only, while DarkSide-20k and Argo, future tonne scale experiments from the DarkSide program, are dual-phase Time Projection Chambers (TPCs), looking at both scintillation and ionization signals. The large mass (3.3 tons) of the DEAP-3600 target has allowed me to perform an analysis to search for Multi Interacting Massive Particles (MIMPs), a dark matter candidate alternative to WIMPs, at masses above 10^{ 16} GeV and with argon-dark matter spin-independent cross-section of about 10^{ −22 }cm^{ 2} , fully setting up the upcoming unblinding of three years of data taking. Going from the present to the future dark matter detectors, DarkSide-20k and Argo will be characterized by an extraordinary sensitivity at low energy recoils. This is mainly consequence of the high energy resolution of the chosen photodetectors, Silicon Photomultipliers (SiPMs). Custom SiPMs have been designed for the dark matter search in DarkSide-20k; hence, SiPMs have been here characterized, with a focus on their correlated noises, namely afterpulses and optical crosstalks. The same sensitivity at low energy brings also to a strong potential in detecting supernova neutrinos via coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS) in argon by exploiting the ionization signal. The related sensitivity study is here performed showing that the neutrino emission will be detected for any galactic supernova, with a good accuracy in reconstructing the main parameters of the burst, namely the total energy of neutrinos and their average energy

Simulation and Characterization of Single Photon Detectors for Fluorescence Lifetime Spectroscopy and Gamma-ray Applications

Gamma-ray and Fluorescence Lifetime Spectroscopies are driving the development of non-imaging silicon photon sensors and, in this context, Silicon Photo-Multipliers (SiPM)s are leading the starring role. They are 2D array of optical diodes called Single Photon Avalanche Diodes (SPAD)s, and are normally fabricated with a dedicated silicon process. SPADs amplify the charge produced by the single absorbed photon in a way that recalls the avalanche amplification exploited in Photo-Multiplier Tubes (PMT)s. Recently 2D arrays of SPADs have been realized also in standard CMOS technology, paving the way to the realization of completely custom sensors that can host ancillary electronic and digital logic on-chip. The designs of scientific apparatus have been influenced for years by the bulky PMT-based detectors. An overwhelming interest in both SiPMs and CMOS SPADs lies in the possibility of displacing these small sensors realizing new detectors geometries. This thesis examines the potential deployment of SiPM-based detector in an apparatus built for the study of the Time-Of-Flight (TOF) of Positronium (Ps) and the displacement of 2D array of CMOS SPADs in a lab-on-chip apparatus for Fluorescence Lifetime Spectroscopy. The two design procedures are performed using Monte-Carlo simulations. Characterizations of the two sensor have been carried out, allowing for a performance evaluation and a validation of the two design procedures

Conception et réalisation de l'électronique frontale numérique 3D pour une matrice de détecteurs monophotoniques destinée à la tomographie d'émission par positrons

La recherche en médecine et en biologie s'appuie sur des appareils de mesure divers qui facilitent le diagnostic et le suivi du traitement. Parmi ces appareils, ceux visant l'imagerie moléculaire, par exemple la tomographie d'émission par positrons (TEP), se démarquent par leur capacité à apercevoir les signes distinctifs des maladies comme le cancer dès les premiers stades, et ce grâce à des traceurs métaboliques et/ou fonctionnels spécifiques. En plus du diagnostic, ces appareils permettent de mieux comprendre et étudier ces maladies en vue de développer de nouveaux ou meilleurs traitements. Pour appuyer les biologistes et médecins dans leur travail, les développeurs cherchent toujours à améliorer la qualité des images TEP, notamment grâce à la mesure du temps de vol (TDV) des rayons ionisant issus du positron. Le Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke propose un concept de détecteur novateur destiné aux scanners TEP avec TDV, suivant la chaîne de détection connue d'un cristal scintillateur, un photodétecteur et l'électronique de lecture. L'architecture proposée exploite une matrice de photodiodes à avalanche monophotonique (PAMP) à numérisation directe plutôt que par somme en courant. Cette méthode permet de distinguer et compter individuellement chaque photon lumineux sortant du scintillateur, à condition que l'électronique frontale soit assez rapide dans les conditions d'utilisation normale. Afin de maximiser ce potentiel, toute l'électronique doit être intégrée à même le photodétecteur. Puisque l'électronique de détection et de traitement partage a priori la même surface de semi-conducteur, les concepteurs doivent choisir un équilibre entre la surface sensible et le niveau d'intelligence intégrée. Or, la densité croissante des canaux de détection TEP exige de plus en plus de traitement en temps réel pour avoir un appareil d'intérêt pour les biologistes. L'intégration verticale apparaît comme la solution naturelle pour ce problème en permettant de placer les circuits intelligents sous la matrice de photodétection. Ce projet de doctorat vise la conception de l'architecture d'acquisition et l'intégration des sous-systèmes électroniques de ce microsystème. Ces travaux ont mené au développement d'un discriminateur de bruit numérique sans dégradation de la mesure temporelle, à la fabrication et la caractérisation d'un prototype d'architecture à intégration verticale avec un circuit de conversion temps numérique (CTN) par canal, et enfin à une étude qui guidera les développements futurs pour la conception de détecteurs à plusieurs CTN. Ces contributions sont détaillées en trois articles distincts intégrés à la thèse. La recherche conclu que pour le cristal LYSO, d'avoir un ou quelques CTN précis et à faible gigue est plus importante que d'en avoir en grand nombre. Par contre, pour les matériaux à venir, ce nombre de CTN aura aussi un impact significatif sur le résultat final, changeant ainsi le paradigme initial de conception du microsystème