Doktoraty Wydziału IET

mgr inż. Mateusz Baszczyk

Promotor: Prof. dr hab. inż. Wojciech Kucewicz
Promotor pomocniczy: Dr Witold Reczyński
Dyscyplina: Elektronika

Streszczenie

W pracy udowodniono możliwość pomiaru zjawiska chemiluminescencji w systemach stacjonarnych i mikroprzepływowych na poziomie pojedynczych fotonów za pomocą krzemowych fotopowielaczy (SiPM). Zaproponowano i porównano różne metody detekcji.

Praca doktorska składa się z trzech głównych części. Pierwsza Przedstawia problemy w pomiarach chemiluminescencji, opisuje proponowane metody pomiarowe i prezentuje prototypowy układ odczytowy. Druga część opisuje zaprojektowany układ scalony Application Specific Integrated Circuit (ASIC). Trzecia prezentuje wyniki i analizę pomiarów zjawiska chemiluminescencji w systemach stacjonarnych i mikroprzepływowych.

Prototypowy układ elektroniczny składa się z przedwzmacniacza, układu kształtującego z komparatorem i konwertera ładunku na czas (QTC). System odczytowy pozwala na pomiar amplitudy, ładunku, długości trwania impulsu oraz pozwala na zliczanie zdarzeń.

Sposób działania metod pomiarowych został zweryfikowany za pomocą pomiarów chemiluminescencji luminolu. Badania udowodniły skuteczność zaproponowanych metod. Układ elektroniczny jest wystarczająco szybki, generuje niewiele nakładających się sygnałów i jest dokładny. Zależność między natężeniem światła generowanego przez luminol a jego stężeniem jest liniowa dla każdej metody i ma wysoki współczynnik determinacji.

Krzemowy fotopowielacz może zostać użyty w budowie przenośnych urządzeń o mały poborze mocy, gdzie jest wymagana detekcja natężenia światła na poziomie pojedynczych fotonów. SiPM może być integrowany w urządzeniach Lab-on-a-chip lub Micro Total Analysis Systems.

Abstract

The author proved that the Silicon Photomultiplier (SiPM) can be used in the detection of the chemiluminescence on the level of single photons in the stationary and microfluidic system.

The thesis consists of three essential sections. The first one describes difficulties in the chemiluminescence detection, proposes the detection methods and presents the front-end prototype circuit. The second one describes the Application Specific Integrated Circuit (ASIC) design. The third one discusses the results of the chemiluminescence detection in the stationary and microfluidic system.

The designed front-end prototype circuit consists of a preamplifier, a fast shaper with the comparator and a charge to time converter (QTC). The readout system allows to measure the amplitude, integral, the width of the pulse and to count the events.

The performance of the detection methods was verified in the measurements of the chemiluminescence of the luminol. The research proves that the electronic circuit is able to measure the chemiluminescence. It generates low number of overlapping pulses and is accurate. The relationships between the light intensity and the concentration of the luminol are linear for all methods and have high r-squared parameters.

The SiPM can be effectively used in small, portable devices with low power consumption in applications where the detection on the level of single photons is required. It can be integrated with the microfluidic systems to build Lab-on-a-chip or Micro Total Analysis Systems.

Recenzje rozprawy

• Prof. Massimo Caccia
  
• Prof. dr hab. inż. Ryszard Romaniuk
  

Ważniejsze publikacje doktoranta:

1. Chemiluminescence Detection Method Using SiPM with Dedicated Readout Circuit; BASZCZYK, P. DOROSZ, W. KUCEWICZ, Ł. MIK, M. SAPOR; W: 2017 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC): Oct. 21–Oct. 28 2017, [Atlanta, Georgia].
2. Method of signal detection from silicon photomultipliers using fully differential Charge to Time Converter and fast shaper; M. BASZCZYK, P. DOROSZ, S. GŁĄB, W. KUCEWICZ, Ł. MIK, M. SAPOR; Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. Section A, Accelerators, spectrometers, detectors and associated equipment; ISSN 0168-9002. — 2016 vol. 824, s. 248–250.
3. Gain compensation technique by bias correction in arrays of Silicon Photomultipliers using fully differential fast shaper; M. BASZCZYK, P. DOROSZ, S. GŁĄB, W. KUCEWICZ, Ł. MIK, M. SAPOR; Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. Section A, Accelerators, spectrometers, detectors and associated equipment; ISSN 0168-9002. — 2016 vol. 824, s. 85–86.
4. Reduction of silicon photomultipliers thermal generation in self-coincidence system applied in low level light measurements; M. BASZCZYK, P. DOROSZ, S. GŁĄB, W. KUCEWICZ, Ł. MIK; Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences; ISSN 0239-7528. — 2014 vol. 62 no. 3, s. 505–510.
5. Silicon photomultiplier gain compensation algorithm in multidetector measurements; Mateusz BASZCZYK, Piotr DOROSZ, Sebastian GŁĄB, Wojciech KUCEWICZ, Łukasz MIK, Maria SAPOR; Metrology and Measurement Systems : quarterly of Polish Academy of Sciences ; ISSN 2080-9050. —2013 vol. 20 no. 4, s. 655–666.
6. Fully differential Charge to Time Converter and fast shaper readout circuit with gain compensation for SiPM; M. BASZCZYK, P. DOROSZ, S. GŁĄB, W. KUCEWICZ, Ł. MIK, M. SAPOR; W: 2015 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC): Oct. 31–Nov. 7 2015, [San Diego, California]. e-ISBN: 978-1-4673-9862-6.
7. Silicon photomultiplier's gain stabilization by bias correction for compensation of the temperature fluctuations; P. DOROSZ, M. BASZCZYK, S. GŁĄB, W. KUCEWICZ, L. MIK, M. SAPOR; Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. Section A, Accelerators, spectrometers, detectors and associated equipment; ISSN 0168-9002. — 2013 vol. 718, s. 202–204.
8. Low intensity fluorescence light measurements using silicon photomultiplier with dedicated front-end ASIC; M. BASZCZYK, P. DOROSZ, S. GŁĄB, Ł. MIK, W. KUCEWICZ, D. G. Pijanowska, R. Szczypiński; W: 2013 IEEE NSS/MIC: Nuclear Science Symposium & Medical Imaging Conference : October 27 – November 2 2013, Seoul, Korea. ISBN: 978-1-4799-0533-1.
9. Test of the photon detection system for the LHCb RICH upgrade in a charged particle beam; M K. BASZCZYK, P. A. DOROSZ, W. KUCEWICZ, [et al.]; Journal of Instrumentation ISSN 1748-0221. — 2017 vol. 12, art. no. P01012
10. CLARO: an ASIC for high rate single photon counting with multi-anode photomultipliers; M. BASZCZYK, P. Carniti, L. Cassina, A. Cotta Ramusino, P. DOROSZ, M. Fiorini, C. Gotti, W. KUCEWICZ, R. Malaguti, G. Pessina; Journal of Instrumentation ISSN 1748-0221. — 2017 vol. 12 art. no. P08019