Design of Mixed-Signal Electronic Instrumentation for Proton Sound Detectors

Acoustic proton range experimental verification technique (iono-acoustics) is based on sensing the weak thermoacoustic signal emitted by the fast energy deposition (and/or the heating process) at the end of the beam range (Bragg Peak). In this context, this thesis presents the main characteristics of the micro-electronics instrumentation used for proton sound detectors introducing specific design techniques strongly oriented to both maximization of the acoustic Signal-to-Noise-Ratio (at the Acoustic Sensor level) and Noise-Figure minimization (at analog amplifier level). The first part of this thesis addresses all the instrumentation challenges related to iono-acoustic experiments providing specific technical details regarding both acoustic sensor design (i.e. how to build the sensor while maximizing the SNR) and the LNA design. The experimental results of a first experiment carried out at Maier-Leibniz Laboratory in Garching, Munich, with a proton beam at 20 MeV (sub-clinical energy) will be presented and it will be shown how a dedicated mixed-signal electronics design allows to significantly improve the signal-to-noise ratio and the accuracy of the BP localization by 6 dB. In this context, this first detector development achieves two important objectives: the improvement of the acoustic SNR and a strong simplification of the detector instrumentation w.r.t. state-of-the-art, enabling increasing accuracy of the acoustic pulse measurement, and at the same time the portability and compactness of the device. In clinical hadron-therapy applications, variable beam energy (from 65 MeV up to 200 MeV) and variable doses are used as a function of the selected medical treatment. This induces different acoustic pulses amplitude and bandwidth, forcing advanced technological solutions capable of handling a wide spectrum of signals in terms of bandwidth, amplitude, and noise. For this reason, the second part of this thesis proposes an efficient and innovative Matlab Model of the ionoacoustic physical phenomenon, based on englobing in a single mathematical Linear-Time-Invariant-System all energy conversion processes involved in iono-acoustics. The proposed ionoacoustics model replaces classical and complex simulation tools (used to characterize the proton induced acoustic signal) and facilitates the development of dedicated detectors. Finally, the design of a second version of the Proton Sound Detector will be presented that introduces the concept of space-domain averaging (instead of time-domain averaging based on multiple beam shot processing for noise attenuation and thus extra-doses). This detector uses a multi-channel sensor to perform a spatial average of the acquired signals and increase the SNR by 18 dB at the same dose compared to the classic single channel approach. This approach however requires the development of highly miniaturized electronics that cannot be implemented with off-the-shelf components on Printed Circuit Boards. The design and characterization of a multichannel analog front-end implemented on a CMOS 28 nm Application-Specified-Integrated-Circuit (ASIC) which allows to process the 64 channels of the acoustic sensor in parallel is then presented. This High-Resolution Proton Sound Detector (HR-ProSD) is completed by digital circuits implemented on Field Programmable Gate Array (FPGA) that allow to locate in real time the deposition of energy in space.

La tecnica acustica di verifica sperimentale del range di protoni (ionoacustica) si basa sul rilevamento del debole segnale termoacustico emesso dalla rapida deposizione di energia che avviene alla fine range del fascio, in corrispondenza del picco di Bragg. In questo contesto, questa tesi presenta le principali caratteristiche della strumentazione microelettronica utilizzata per i Proton Sound Detector introducendo specifiche tecniche di progettazione fortemente orientate sia alla massimizzazione del Rapporto Segnale Rumore SNR (a livello di sensore acustico) che minimizzazione della figura di rumore (a livello di amplificatore analogico). La prima parte di questa tesi tratta delle sfide strumentali relative agli esperimenti ionoacustici fornendo dettagli tecnici specifici riguardanti sia la progettazione del sensore acustico (ovvero come costruire il sensore massimizzando l'SNR) sia il design dell'amplificatore a basso rumore (LNA). Verranno presentati i risultati sperimentali di un primo esperimento effettuato presso il Laboratorio Maier-Leibniz di Garching, Monaco, con un fascio di protoni a 20 MeV (scenario preclinico) e verrà mostrato come una progettazione elettronica dedicata a segnali misti permetta di migliorare significativamente il rapporto segnale-rumore e l'accuratezza della localizzazione del picco di Bragg di 6 dB. In questo contesto, questo primo sviluppo del rivelatore raggiunge due importanti obiettivi: il miglioramento dell'SNR a parità di dose e una forte semplificazione della strumentazione del rivelatore rispetto allo stato dell'arte, consentendo una maggiore precisione della misurazione dell'impulso acustico, e allo stesso tempo incrementando la portabilità e la compattezza del dispositivo. Nelle applicazioni cliniche di adroterapia, l'energia del fascio (da 65 MeV fino a 200 MeV) e la dose vengono scelte in funzione dello specifico scenario clinico. Ciò comporta segnali acustici di ampiezza e larghezza di banda diverse, costringendo l’adozione di soluzioni tecnologiche avanzate in grado di gestire un ampio spettro di segnali in termini di larghezza di banda, ampiezza e rumore. Per questo motivo, la seconda parte di questa tesi propone un modello Matlab efficiente e innovativo del fenomeno fisico ionoacustico, che condensa in un unico sistema lineare tempo invariante tutti i processi di conversione dell'energia coinvolti. Il modello ionoacustico proposto sostituisce i complessi strumenti di simulazione classici (usati per caratterizzare il segnale acustico indotto dal fascio di protoni) e facilita lo sviluppo di rivelatori dedicati fornendo una descrizione precisa del segnale acustico nei diversi scenari. Infine, verrà presentato il progetto di una seconda versione del Proton Sound Detector che introduce il concetto di media nel dominio dello spazio (invece della media nel dominio del tempo, basata sull’elaborazione di più shot del fascio che comporta una significativa extra-dose). Questo rilevatore utilizza un sensore multicanale per eseguire una media spaziale dei segnali acquisiti e aumentare l'SNR di 18 dB a parità di dose rispetto al classico approccio monocanale. Questo approccio tuttavia richiede lo sviluppo di elettronica altamente miniaturizzata che non può essere implementata con componenti standard su circuiti stampati. Viene quindi presentato il progetto e la caratterizzazione di un front-end analogico multicanale implementato su un Application-Specified-Integrated-Circuit (ASIC) in tecnologia CMOS 28 nm che permette di elaborare in parallelo tutti i 64 canali del sensore acustico. Questo High-Resolution Proton Sound Detector (HR-ProSD) è completato da un circuito digitale dedicato implementato su FPGA (Field Programmable Gate Array) che consente di mappare in tempo reale e 2D la deposizione di dose nello spazio.