MIARI, LUCA
Development of high performance multichannel systems for Time-Correlated Single-Photon Counting applications [Tesi di dottorato]
Politecnico di Milano, 2015-01-29

Negli ultimi anni, le analisi non-invasive dei campioni hanno catturato l’interesse di molteplici campi di ricerca scientifica. In particolare, studi chimici e biologici hanno trovato immenso beneficio dallo sviluppo di sistemi in grado di compiere misure a singolo fotone, poiché questi sono in grado di rivelare bassissime intensità luminose e consentono l’analisi di segnali con evoluzioni temporali ultra-brevi. Queste performance sono garantite appunto dall’impiego di rivelatori a singolo fotone e da catene di acquisizione temporale. La tecnica Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) è una di quelle più diffuse ed è quella su cui molte altre si basano: citando la Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM), la Förster Resonance Energy Transfer (FRET) e la Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) si ha solo un elenco non esaustivo del raggio di azione della TCSPC. In questa tecnica, un laser stimola periodicamente un campione e un rivelatore a singolo fotone rivela il quanto di luce emesso in risposta allo stimolo. Ad ogni ripetizione, il ritardo tra l’impulso laser e quello del fotone acquisito è misurato e salvato, e dopo svariate ripetizioni è possibile ricostruire un istogramma che rappresenta il segnale originario. Difatti, la distribuzione di probabilità del ritardo di arrivo dei fotoni corrisponde esattamente all’intensità del segnale luminoso. Poiché la tecnica è intrinsecamente ripetitiva, uno strumento di misura con un’alta frequenza di lavoro riduce il tempo necessario all’acquisizione del segnale. Altre caratteristiche importanti del sistema riguardano la linearità, fondamentale per una ricostruzione senza distorsioni, e la risoluzione temporale, che caratterizza la bontà del sistema nel discriminare segnali veloci. Ciononostante, una richiesta sempre più forte da parte delle applicazioni è la multidimensionalità dei sistemi TCSPC, ovvero un incremento del numero di canali di acquisizione. Questo porta ad una ulteriore riduzione dei tempi di misura, aprendo al contempo la strada a nuovi tipi di analisi, come le immagini 2-D risolte in tempo o lo studio della risposta del campione a diverse lunghezze d’onda simultanee. Purtroppo, realizzare sistemi multicanali ad alte prestazioni sottosta attualmente a forti compromessi: le tecniche che applicano la TCSPC sono costrette a scegliere tra strumenti con un elevato numero di canali ma basse performance o sistemi allo stato dell’arte ma con uno o pochi canali. La ricerca sta quindi cercando soluzioni per oltrepassare questo compromesso e questo lavoro di tesi ne è un esempio. In particolare lo studio è stato concentrato sui problemi e sulle soluzioni di tipo sistemico: la gestione dei dati, il loro salvataggio on-board e il loro trasferimento verso il computer. All’inizio (Capitolo 2), il lavoro si è focalizzato sull’utilizzo di un Sistema di Rivelazione a 48 Canali in un setup dedicato a misure FRET su singola molecola. Il sistema, già realizzato, impiega una matrice 12×4 di Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs) e monta una Field Programmable Gate Array (FPGA) come unità di elaborazione. Il firmware di questa FPGA è stato disegnato in questo progetto e si occupa di acquisire i fotoni in modalità time-stamping e di spedirli al computer affinché si possa calcolare l’efficienza della FRET partendo dai dati grezzi. La FPGA utilizza un clock a 100MHz per campionare i dati in ingresso e li salva in quarantotto memorie First-In First-Out (FIFO). Un successiva FIFO raccoglie tutti i dati campionati e ottimizza il processo di download, permettendo di raggiungere un tasso di trasferimento di 20MBps su USB 2.0 hi-speed, che significa un tasso medio di conteggio di 100kcps a rivelatore, in linea con le specifiche richieste. Questo lavoro ha dimostrato quanto siano necessari i sistemi multicanali, pertanto è stato ideato un Sistema ad Alte Prestazioni a 1024 Canali. Questo aumento del numero di canali, però, non è privo problemi: la matrice di rivelazione e la logica di acquisizione sono solo i più evidenti, ma troviamo anche le dimensioni del sistema e la sua potenza dissipata. Comunque, il limite tecnologico odierno si trova anche nel tasso di dati gestibile on-board e nel loro massimo tasso di trasferimento verso il computer. I protocolli più veloci disponibili sul mercato per un sistema compatto non hanno una banda molto più grande di 10Gbps, il che implica che il numero di canali di acquisizione che possono essere gestiti correttamente è solo di qualche decina: sessantaquattro è il numero scelto dopo un’attenta valutazione. Per adattare una matrice più grande su questo sistema di acquisizione, è stato inserito un router intelligente tra i rivelatori e i blocchi di acquisizione temporale. Poiché la complessità del sistema rimane comunque elevata, sono state progettate due schede gemelle da trentadue canali (Capitolo 3). Ciò riduce anche le dimensioni del sistema finale e divide la potenza necessaria, consentendone una migliore dissipazione. La struttura utilizzata è quella che impiega come cronometro la coppia TAC-ADC (acronimi di Time-to-Amplitude Converter e Analog-to-Digital Converter) poiché è quella che fornisce le prestazioni migliori, specialmente in termini di linearità. Una FPGA riceve poi i dati in uscita dall’ADC e ricostruisce gli istogrammi, salvandoli in una memoria on-board. Vista la sua complessità e le novità mai sperimentate nel gruppo di ricerca, il primo passo per la realizzazione del sistema è stato lo sviluppo di una Demoboard. I dati in uscita dalle due schede gemelle sono infine raccolti da un’apposita scheda, che li fonde e li trasferisce al computer. Dopo lo studio dei vari protocolli di comunicazione in circolazione (Capitolo 4), è stato deciso di implementarne due, in particolare l’USB 3.0 SuperSpeed e l’Ethernet a 10-Gigabit su fibra ottica. Dopo essere stati testati con successo su apposite schede di valutazione, la Data Management Board è stata realizzata. Il suo centro è ancora una FPGA che si occupa di tutte le operazioni logiche necessarie. Per valutare le performance di questo e di tutti i nuovi sistemi TCSPC multicanali, anche gli strumenti di misura devono rinnovarsi. Un impulsatore multicanale, infatti, è necessario per fornire i segnali di ingresso ai sistemi in via di sviluppo, ma quelli presenti sul mercato non soddisfano tutte le specifiche richieste dai sistemi TCSPC. Pertanto, un Impulsatore ad 8 Canali è stato sviluppato in questo progetto (Capitolo 5) per poter caratterizzare i sistemi TCSPC presenti e futuri. Un Modulo a 2 Canali è il blocco base dello strumento: esso consente di scegliere il segnale di riferimento tra un clock on-board e un trigger esterno, dopodiché un blocco logico ritarda il fronte di interesse e infine uno stadio differenziale veloce a transistor genera l’impulso di uscita. Questa struttura raggiunge una risoluzione temporale di 6ps, quando il ritardo aggiunto è zero, che peggiora a 20ps quando il ritardo raggiunge il microsecondo. Entrabi i risultati rimangono estremamente buoni e convalidano l’impulsatore nel suo scopo ultimo di strumento di caratterizzazione di sistemi TCSPC. Infine, c’è da notare come ogni sezione debba ancora evolversi in futuro per poter veramente realizzare il Sistema TCSPC a 1024-canali ad Alte Prestazioni: una discussione su queste prospettive è riportata nel Capitolo 6.

diritti: info:eu-repo/semantics/closedAccess
GERACI, ANGELO
RECH, IVAN
ING-INF/01 - ELETTRONICA


Tesi di dottorato. | Lingua: en. | Paese: | BID: TD16090369