Digital Time Resolution Limitations of the Domino Ring Sampler as Readout Electronics for Positron Emission Tomography (PET)

Abstract

Diese Doktorarbeit diskutiert in erster Linie die Verwendung eines Switched Capacitor Array (SCA) als alternative Ausleseelekronik elektrischer Signale, wie sie beispielsweise für Positronen Emissions Tomographie (PET) oder in der Hochenergiephysik benötigt wird. Um einen SCA optimal zu nutzen, sind einige Kalibrierungen nötig, welche in dieser Arbeit im Detail beleuchtet werden. Dabei wird insbesonder auf den Domino Ring Sampler der vierten Generation (DRS4) eingegangen. Der DRS4 ist ein SCA und wurde 2007 in der Schweiz am Paul Scherrer Institut (PSI) entwickelt. Ein SCA ist im Wesentlichen ein Ringspeicher, in dem analoge Signale sehr schnell hintereinander gespeichert werden können, um sie zu einem beliebigen Zeitpunkt auszulesen beziehungsweise zu digitalisieren. Folglich kann man durch Verwendung eines SCA, der vor einen Analog zu Digital Wandler (ADC) im Megahertz Bereich geschaltet wird, einen schnell abtastenden ADC im Gigahertz Bereich machen. Ein SCA zeichnet sich außerdem durch seinen günstigen Preis pro Kanal, den geringen Energieverbrauch und die daraus resultierende geringe Wärmeentwicklung aus. Großes Interesse wurde im Rahmen dieser Arbeit in die Entwicklung einer neuen Zeitkalibrierung(TC) für SCA Chips investiert. Die neue TC führte zu einer erheblichen Verbesserung der Zeitauflösung des DRS4. Die Zeitauflösung steht für die Genauigkeit, mit der der zeitliche Abstand zwischen zwei elektrischen Signalen gemessen wird. Verglichen zu der zuvor besten TC, welche von der Firma CAEN aus Italien angeboten wurde, wurde die Zeitauflösung mindestens um den Faktor 8 verbessert. Eine Zeitauflösung von unter einer Pikosekunde wurde erreicht und verdeutlicht eindrucksvoll die Messgenauigkeit von SCAs. Für die Erlangung dieser sehr guten Zeitauflösung wurde ein spezielles Analyseverfahren benutzt und weiterentwickelt, die Kreuzkorrelation. Dank der verbesserten Messgenauigkeit des DRS4 wurden Vergleichsmessungen mit anderen Ausleseelekroniklösungen ermöglicht. Zusätzlich werden neue und alte Techniken für die Analyse von PET Signalen diskutiert. Im Schwerpunkt steht dabei eine verbesserte Zeitauflösung und die Einfachheit des Analyseverfahrens für PET.

Primarily, this doctoral thesis discusses the use of a Switched-Capacitor Array (SCA) as an alternative readout electronics for electric signals. Readout electronics is required for example in Positron-Emission Tomography (PET) or high-energy physics. To achieve best results from an SCA, some calibrations are mandatory, which are extensively evaluated in this work. In this respect, the Domino Ring Sampler of the Fourth generation (DRS4) is investigated in detail. The DRS4 is an SCA and was developed 2007 in Switzerland at the Paul Scherrer Institute (PSI). An SCA is basically a ring buffer that stores analog signals very fast in a row. These can be read out at any time in order to digitize the stored signals. Consequently an Analog-to-Digital Converter (ADC) sampling in the Megahertz range can be converted into a digitizing system sampling in the Gigahertz range by utilizing an SCA in front of the ADC. Moreover, an SCA distinguishes itself by its favorable cost per channel, the low power consumption and thus the low heat development.

In the course of this work developing a new Time Calibration (TC) for SCAs was of of great interest. The new TC-method led to considerable improvement in the time resolution of the DRS4. The time resolution describes the accuracy to determine the temporal distance between two electric signals. Prior to my research, the best TC was offered by the company CAEN from Italy. As a result of this work, the time resolution of the DRS4 improved at least by the factor of 8. Additionally, a time resolution of less than 1 picosecond was reached, which impressively shows the measurement precision of an SCA. The achievement of this excellent time resolution is the result of a special analysis procedure, the cross correlation.

Caused by the improved measurement precision of the DRS4, comparative measurements with other readout electronics solutions became accessible. In addition, new and old technologies are discussed for the analysis of PET signals. At the same time, the main focus was to improve time resolution and simplifying the analysis procedure for PET.