Chaînes analogiques

L'interfaçage des CTN avec les matrices de PAMP dépend fortement du mode de lecture des matrices. Les SiPM (lecture analogique) utilisent généralement un circuit de détection de seuil en électronique frontale, qui à son tour pilote le CTN [Powolny et al., 2011]. Le CTN calcule alors la diérence de temps avec une référence, habituellement une horloge à faible gigue, ce qui permet d'enregistrer l'étiquette de temps et transférer le travail de recherche des coïncidences à un système en aval [Goldschmidt et al., 2013; Tetrault et al., 2010b]. La gure 4.6 résume les éléments électroniques des architectures basées sur les SiPM, où les détails sur les sources d'imprécision temporelle sont décrits dans les paragraphes suivants.

Figure 4.6 Éléments aectant la mesure temporelle dans l'architecture d'ac- quisition d'un système à base de SiPM.

Dans un premier temps, la structure de l'interconnexion interne des PAMP dans le SiPM introduit une variance dans le délai de propagation du signal selon la position de la PAMP ayant fait feu. Cette distribution introduit une forme de gigue en fonction du point d'im- pact du photon visible. Les chercheurs de la compagnie Fondazione Bruno Kessler (FBK) ont obtenu des résultats expérimentaux sur cette question en variant le type du réseau de connexions internes et le nombre de micro câbles vers l'électronique frontale [Acerbi et al.,

48 CHAPITRE 4. INCERTITUDES DES MESURES TEMPORELLES 2015b]. Ces tests démontrent qu'il s'agit d'une question de distance à parcourir, mieux corrigée avec une structure de connexion en peigne reliée par trois micro câbles. Ils sont passés d'une distribution de 120 ps crête à crête (un micro câble, motif en peigne, [Acerbi et al., 2015b] gures 3), à une de 40 ps crête à crête pour une matrice de 3×3 mm ([Acerbi et al., 2015b], gures 7). Dans un autre test, ils ont comparé cette solution à un réseau interne en quasi-pont en H, et encore ici le peigne à trois points de connexion obtient de meilleurs résultats. Les matrices avec des circuits d'étouement à composants actifs génèrent le même type de distribution, avec une variation de 70 ps crête à crête dans une conguration en peigne [Nolet et al., 2016]. Ceci renforce l'argument que la variation des délais provient des diérences de distance à parcourir par le signal.

La deuxième partie inuençant la mesure temporelle provient de l'électronique frontale. Elle doit considérer la capacité de sortie de la matrice SiPM ainsi que les capacités parasites des traces sur le circuit imprimé, où l'ensemble détermine la bande passante maximale. Les circuits intégrés d'électronique frontale pour SiPM exploitent généralement des architec- tures avec un étage d'entrée en transimpédance [Anghinol et al., 2004; De Medeiros Silva et Oliveira, 2014; Huizenga et al., 2012; Marzocca et al., 2011] ou avec un étage d'entrée en courant [Dey et al., 2012]. Ces circuits fournissent séparément les informations temporelles et d'énergie, avec un signal très abrupt dans le premier cas et un autre signal plus lent pour le second cas mais adapté pour la mesure de la charge électrique (et donc de l'énergie de l'événement) [Ahmad et al., 2015; Gundacker et al., 2013; Huizenga et al., 2012; Mar- zocca et al., 2011]. Une stratégie alternative exploite la relation non linéaire entre la durée au-dessus du seuil de déclenchement et la charge pour retrouver la mesure de l'énergie [Deng et Xie, 2015], ce qui permet de réduire le nombre de canaux électroniques si désiré [Powolny et al., 2011].

À la suite de l'électronique frontale, les montages utilisent soit la numérisation conti- nue du signal ou la numérisation ponctuelle (CTN) pour encoder l'information tempo- relle (gure4.6). Certains montages expérimentaux performants utilisent des oscilloscopes commerciaux à échantillonnage très rapide (plusieurs giga échantillons par seconde) pour numériser le signal temporel et appliquent soit un simple seuil [Gundacker et al., 2013] ou un traitement de signal numérique comme le spline cubique [Vinke et al., 2009]. Par contre, ces oscilloscopes sont encombrants et coûteux et se prêtent mal à l'assemblage d'un sys- tème complet à plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de scintillateurs. Les systèmes complets à numérisation continue exploiteront plutôt des circuits de conversion analogique à numérique (CAN) précédés d'un circuit intégrant des stratégies de multiplexage de canal. Cependant, une version d'un tel circuit réalisé avec des composants discrets obtient des

4.3. ACQUISITION ET TRAITEMENT DU SIGNAL 49 résultats temporels à performance mitigée [Shih et al., 2009]. Les auteurs espèrent que sa réalisation en circuit intégré [Dey et al., 2012] améliorera le résultat, mais il faut noter que la mesure temporelle n'est pas ici le critère de conception principal de cette architecture. Il est dicile de prédire si ce système pourra exploiter les mesures en temps de vol, mais le grand nombre de canaux à regrouper porte à croire que cela sera un grand dé. De plus, le partage de l'électronique de lecture détériore la résolution spatiale, détérioration qu'il faut compenser par l'utilisation de plus petits scintillateurs (section2.3.1). La majorité des systèmes visant la mesure du temps de vol misent plutôt sur la numérisation ponctuelle du signal rapide de chaque canal, soit à l'aide d'un CTN instancié directement dans le circuit intégré de l'électronique frontale [Ahmad et al., 2015; Rolo et al., 2012] ou encore placé dans un dispositif externe [Powolny et al., 2011]. En plus de sa grande précision, ce type d'agencement génère des données seulement lorsqu'il y a un événement à la sortie du SiPM.

Le troisième élément venant inuencer la mesure temporelle provient des faux signaux insérés par les déclenchements intempestifs des cellules PAMP (section 3.1). Puisque la meilleure information temporelle d'un signal de scintillateur provient des premiers photons observés, le seuil de l'électronique frontale déclenche normalement le signal temporel avec un seul ou quelques photons. Les déclenchements intempestifs peuvent signicativement fausser la lecture du temps s'ils surviennent juste avant la pluie de photons du scintilla- teur [Gola et al., 2013]. Puisqu'ils sont indistinguables des photons valides, les systèmes ne peuvent appliquer de traitement de signal direct pour les corriger. Du côté de l'uti- lisateur, il est possible de placer le seuil au-dessus du bruit, mais ceci éloigne la mesure des premiers photons observés en plus d'ouvrir la porte à une déviation temporelle causée par l'empilement des comptes intempestifs. Le concepteur de la matrice peut prévenir le problème en ajoutant une capacité dans chaque cellule PAMP pour réduire la durée des signaux individuels, améliorant signicativement la robustesse du système vis-à-vis des comptes intempestifs [Gola et al., 2013]. Par contre, cela change la forme du signal utile à la mesure de l'énergie. Les auteurs ne mentionnent pas l'impact sur la résolution d'éner- gie, seulement que le temps d'intégration optimal correspond au temps de décroissance du scintillateur utilisé. Il y aurait donc possiblement un compromis à faire entre les deux catégories de mesures.

En somme, les chaînes d'acquisition pour matrice à somme analogique atteignent dié- rentes performances intrinsèques, aectant parfois signicativement, parfois peu, le résul- tat expérimental connu. Par exemple, l'électronique frontale du circuit de [Marzocca et al., 2011] introduit 275 ps LMH (118 ps rms) de gigue temporelle par canal, ce qui est déjà

50 CHAPITRE 4. INCERTITUDES DES MESURES TEMPORELLES deux fois plus élevé que les meilleures mesures en coïncidence (deux canaux, facteur √2 de plus) sur montage expérimental, soit une RTC d'environ 73 ps LMH réalisée avec des scintillateurs LYSO de 2×2×3 mm3 _{[Gundacker et al., 2016a]. Dans ce cas, l'électronique}

frontale NINO introduit moins de 20 ps LMH de gigue temporelle par canal [Gundacker et al., 2016a; Powolny et al., 2011]. Le lecteur comprendra que dans ce second cas, la contribution du scintillateur domine la mesure. La conception de l'électronique frontale et des composants l'accompagnant reste donc un élément critique, où idéalement la contribu- tion des composants à l'erreur de mesure devient négligeable par rapport à celle du cristal scintillateur.