High Timing Resolution Front-end Circuit for Silicon Photomultiplier Detectors

Over the last few decades, the technological advancement in planar processes for the production of CMOS integrated circuits has also enabled the development of new high performance solid-state detectors, among which it is worth mentioning silicon photomultipliers. The distinctive feature of such sensors, also known with the acronym SiPMs, is the intrinsic amplification that they exhibit when operating in Geiger mode; in this condition these devices are able to generate a fast current signal with an adequate amplitude even in response to the detection of a single impinging photon. Moreover, given their low cost, robustness and insensitivity to magnetic fields, SiPMs represent a valid alternative to the most established Photomultiplier Tubes (PMTs). Therefore, the application of these detectors is taking hold in a number of fields, especially where low light levels and fine time resolutions are concerned. This is the case of the Positron Emission Tomography (PET), a medical imaging technique aimed at diagnosing specific diseases, where photomultipliers are employed to detect the gamma-ray photons emitted by the radiotracer injected into the patient’s body. During this doctoral program, a new front-end circuit for silicon photomultipliers has been designed in a standard 130 nm CMOS technology. This project has been carried out in collaboration with the IC group of SLAC National Accelerator Laboratory based in Menlo Park, California, with the aim of developing an analog channel for PET systems with groundbreaking performances in terms of temporal resolution. Indeed, this electronic circuit is able to provide not only the energy of the detected event, but also the occurrence time of the photon absorption with a time resolution of just few tens of picoseconds, compliant with the design specifications. Subsequently, a multichannel Application Specific Integrated Circuit (ASIC) has been developed with the purpose of testing the analog front-end, by implementing all the circuit blocks useful for the conversion, parsing and transmission of the digital data.

Negli ultimi decenni, i miglioramenti tecnologici nei processi planari per la produzione di circuiti integrati CMOS hanno contribuito allo sviluppo di nuovi dispositivi allo stato solido ad elevate prestazioni, tra i quali vale la pena menzionare i fotomoltiplicatori al silicio. La peculiarità di questi sensori, meglio conosciuti con l’acronimo SiPM, riguarda l’amplificazione intrinseca che essi presentano quando vengono fatti funzionare in modalità Geiger; infatti, quando la tensione di polarizzazione è superiore alla tensione di breakdown del dispositivo, i SiPM sono in grado di generare un segnale in corrente con un fronte di salita molto ripido, anche in corrispondenza dell'incidenza di un singolo fotone sulla regione attiva del dispositivo. Inoltre, dati i loro costi contenuti, la loro solidità e l’insensibilità ai campi magnetici, i SiPM rappresentano una valida alternativa ai più affermati tubi fotomoltiplicatori (PMT). Per questo motivo, l’utilizzo di questi dispositivi sta prendendo piede in numerosi campi di applicazione, specialmente in quelli in cui è importante rilevare bassi livelli di luce con alte risoluzioni temporali. Questo è il caso della Tomografia ad Emissione di Positroni (PET), una tecnica adoperata in medicina nucleare per la diagnosi di alcune patologie, dove i fotomoltiplicatori sono impiegati per rilevare i fotoni gamma emessi da sostanze radiomarcate iniettate nel corpo del paziente. Durante questo corso di dottorato, è stato sviluppato un nuovo circuito di front-end per fotomoltiplicatori al silicio in tecnologia CMOS 130nm. Questo progetto è stato condotto in collaborazione con il gruppo di circuiti integrati di SLAC National Accelerator Laboratory, con sede a Menlo Park, California, con lo scopo di realizzare un canale analogico per sistemi PET risoluzione temporale allo stato dell’arte. Difatti, questo circuito di lettura è in grado di misurare non solo l’energia dell’evento, ma anche l’istante di tempo in cui il fotone viene assorbito dal sensore con una risoluzione temporale di poche decine di picosecondi, conforme con le specifiche di progetto. Conseguentemente è stato sviluppato un circuito integrato multicanale allo scopo di testare il canale di lettura analogico, implementando tutti i blocchi necessari per la conversione, l’analisi e la trasmissione dei dati.