Název: Hyperkapnie a difuse plynů ve sněhové lavině - (Změny funkčních parametrů jedinců v krizové situaci) Cíle práce: Cílem studie bylo kontinuální sledování kompenzačních mechanismů, zejména změn ventilačně-respiračních ukazatelů, v simulované sněhové lavině. Metoda: K získání dat byl použit experiment a nestandardizovaný dotazník. Výběr souboru byl vzhledem ke sledované problematice přísně selektivní. Výzkumu se účastnilo 22 probandů, ale po analýze dat bylo pro nesplnění požadovaných kritérií 11 osob vyřazeno. Soubor tedy tvořilo 11 zdravých mužů průměrného věku 25,3 let. Před vlastním experimentem byla pomocí osobního spirometru testována senzitivita na hyperkapnii a hypoxii (výdrž v apnoi) a dechová zdatnost (vitální kapacita plic s usilovným výdechem). Experimentální situaci představovalo jak dýchání do uzavřeného objemu (8 l), tak do vytvořené vzduchové kapsy ve sněhu (400 ml). Kontinuální záznamy oběhových funkcí (srdeční frekvence, krevní tlak) a ventilačně-respiračních parametrů (dechová frekvence, dechový objem, minutová ventilace, obsah O2 a CO2 ve vdechovaném a vydechovaném vzduchu, odpor při výdechu a saturace krve kyslíkem) byly snímány pacientským monitorem DATEX Ohmeda. Vzhledem k charakteru dat byla využita analýza rozptylu při opakovaném měření se dvěma faktory (dvoucestná...

This dissertation presents an innovative solid-state current amplifier based on impact-ionization. Unlike avalanche photodetectors which use the same amplification principle, this device can be integrated with any external current source. A discrete amplifier was built on a silicon surface using standard CMOS fabrication processes including lithography, oxidation, ion implantation, diffusion, chemical wet etching, metal deposition, annealing, and rapid thermal processing. Testing was performed by connecting the device to a silicon photodiode, indium-gallium-arsenide photodiodes, and a function generator to demonstrate its compatibility with arbitrary current sources. Current gains above 100 along with pre-amplified leakage currents of less than 10 nA were measured. This amplifier can also be cascaded to achieve very high gains similar to the photomultiplier tube but with much smaller size and no vacuum environment required. Testing was done by amplifying the output signal from an external silicon photodiode. Current gains over 600 were measured when two amplifying devices were cascaded. Additionally, the gain saturation phenomenon of the amplifier due to the space-charge effect is investigated. The measured gain saturation is observed to match very well with the theoretical based predictions. We also present a design rule for obtaining high current gain from the cascaded structure without experiencing gain saturation. Initial bandwidth of the SIM when connected to a silicon photodiode was measured to be about 300 kHz. As we replace the photodiode by a function generator, the bandwidth improved to 450 kHz which is the frequency limit of the system. These results were made on the first generation of SIM devices. We discovered that the space-charge resistance Rsc plays a significant role in determining frequency response. In future generations of the device, we can begin with optimizing the device geometry to reduce this resistance. Also, we can reduce the size of the metal pad and increase the oxide layer thickness to further minimize the device capacitance for faster response. Because of the low-noise gain mechanism employed, this device is of potential interest to a variety of fields requiring high-sensitivity optical or electronic detection.

Par le passé, la collaboration entre le Centre d'Imagerie Médicale de Sherbrooke (CIMS) et le Groupe de Recherche en Appareillage Médicale de Sherbrooke (GRAMS) a permis de développer le scanner LabPET. Celui-ci fut le premier scanner de Tomographie d'Émission par Positrons (TEP) commercial utilisant des photodiodes à effet avalanche (PDA) comme détecteur. Depuis, cette collaboration a permis de faire évoluer le scanner afin d'améliorer cette modalité d'imagerie et d'y ajouter la tomodensitométrie (TDM). Les attentes pour la prochaine génération du scanner sont donc grandes. Cette nouvelle génération du scanner, le LabPET II, verra les deux modalités nativement intégrées et elles utiliseront la même chaine de détection. Ce scanner se verra doté de nouveaux détecteurs organisés en matrices de 64 cristaux de 1,1 par 1,1 mm². Cette nouvelle matrice, associée à ses deux matrices de 32 PDA, a prouvé sa capacité à fournir une résolution spatiale inférieure au millimètre. L'utilisation de ce nouveau module de détection pourra donc permettre au LabPET II d'être le premier scanner bimodal (TEP/TDM) commercial atteignant une résolution submillimétrique. Ce scanner permettra de s'approcher un peu plus de la résolution spatiale ultime en TEP tout en permettant une bonne localisation anatomique grâce à l'ajout d'une imagerie TDM rudimentaire. Pour atteindre ces objectifs, une intégration complète de l'électronique frontale a été nécessaire. Dans les versions précédentes, seuls les préamplificateurs de charge et les filtres de mise en forme étaient intégrés; dans cette nouvelle version, toute l'électronique analogique ainsi que la numérisation et les liens de communications devront être intégrés. Pour ce faire, la technique de temps de survol au-dessus d'un seuil (ou ToT pour «Time-over-Threshold») a été préférée à la solution utilisée par le LabPET I qui nécessitait un convertisseur analogique-numérique par canal. La contrepartie de cette solution est l'obligation de maintenir la tension de base à une valeur fixe et commune à tous les canaux. Le circuit de polarisation des PDA a aussi dû être intégré dans l'ASIC, car il occupait énormément de place sur la carte d'électronique frontale du LabPET 1. Dans ce mémoire seront décrits la conception, l'intégration et les tests de ces deux circuits du système. Ils ont démontré leur efficacité tout en n'occupant que très peu de place dans le circuit intégré spécialisé (ASIC) du «module de détection». Au vu des sources bibliographiques recensées, le module de détection du LabPET II devrait être l'un de ceux ayant la plus forte densité de canaux (environ 45 par centimètre carré) et le seul combinant électronique analogique faible bruit, numérique et haute tension (~450 V). La réalisation de cette nouvelle génération devrait permettre au partenariat CIMS/GRAMS de réaffirmer leur position de leader dans le domaine en améliorant les outils d'imagerie à la disposition des chercheurs en médecine préclinique.

In order to improve the sensitivity of an optical receiver, the gain and the collection area of the photo-detectors within the receiver should be increased. Detectors with internal gain such as avalanche photodiodes (APD) are usually used to increase the sensitivity of the receiver. One problem with APDs is the sensitivity of their gain to their bias voltage, which makes them challenging to be fabricated in a standard CMOS process due to variations in their gain. However, when an APD is biased over its breakdown voltage, it is sensitive to a single photon, hence, referred to as a single photon avalanche diodes (SPAD). The SPADs are photon-counting detectors, which are less sensitive to their bias voltage, and can be integrated with rest of the electronic circuitry that form an optical receiver. An avalanche diode requires dedicated circuits to be operated in the SPAD mode. These circuits make the diode insensitive to an incident photon for a duration that is known as deadtime. Unfortunately, The collection area of the PD, APD, and SPADs are limited to their capacitance. Hence, a large photo-detector leads to a larger capacitance, which reduces the bandwidth of the receiver. In this thesis, a photon counting optical receiver based on an array of SPADs is proposed which increases the collection area with a low output capacitance. The avalanche diode and peripheral circuits which operate and readout-out the SPAD array are fabricated in the commercially available UMC 0.18 μm CMOS process. Initially, the avalanche diode is tested and characterised. A high performance circuit is then designed and tested which is able to achieve short deadtimes up to 4 ns. Once the photon counting operation of the SPAD is verified, a numerical model is developed to investigate the influence of several factors, including the deadtime, on the performance of the photon-counting detector in a communication link. Based on the simulation results, which show the advantages of an array over a single detector, a prototype detector array of 64 asynchronous SPADs is designed and tested. This array uses a high-speed readout mechanism which is inspired by the current steering digital-to-analogue converters. Bit error ratio tests (BERT) verify the photon counting capability of the proposed detector, and a bit error rate of 1E-3 has been achieved at data rate of 100 Mbps. In addition, the array of SPAD is compatible with a front-end of conventional optical receiver which uses a photodiode as a photo detector.

Résumé : Les photodiodes à avalanche monophotonique (SPAD) sont d'intérêts pour les applications requérant la détection de photons uniques avec une grande résolution temporelle, comme en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. En fait, les matrices de SPAD, souvent appelés photomultiplicateurs sur silicium (SiPM), remplacent graduellement les tubes photomultiplicateurs (PMT) et les photodiodes à avalanche (APD). De plus, il y a une tendance à utiliser les matrices de SPAD en technologie CMOS afin d'obtenir des pixels intelligents optimisés pour la résolution temporelle. La fabrication de SPAD en technologie CMOS commerciale apporte plusieurs avantages par rapport aux procédés optoélectroniques comme le faible coût, la capacité de production, l'intégration d'électronique et la miniaturisation des systèmes. Cependant, le défaut principal du CMOS est le manque de flexibilité de conception au niveau de l'architecture du SPAD, causé par le caractère fixe et standardisé des étapes de fabrication en technologie CMOS. Un autre inconvénient des matrices de SPAD CMOS est la perte de surface photosensible amenée par la présence de circuits CMOS. Ce document présente la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués dans une technologie CMOS commerciale (Teledyne DALSA 0.8µm HV CMOS - TDSI CMOSP8G). Des modifications de procédé sur mesure ont été introduites en collaboration avec l'entreprise CMOS pour optimiser les SPAD tout en gardant la compatibilité CMOS. Les matrices de SPAD produites sont dédiées à être intégrées en 3D avec de l'électronique CMOS économique (TDSI) ou avec de l'électronique CMOS submicronique avancée, produisant ainsi un SiPM 3D numérique. Ce SiPM 3D innovateur vise à remplacer les PMT, les APD et les SiPM commerciaux dans les applications à haute résolution temporelle. L'objectif principal du groupe de recherche est de développer un SiPM 3D avec une résolution temporelle de 10 ps pour usage en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. Ces applications demandent des procédés fiables avec une capacité de production certifiée, ce qui justifie la volonté de produire le SiPM 3D avec des technologies CMOS commerciales. Ce mémoire étudie la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués en technologie TDSI-CMOSP8G. / Abstract : Single Photon Avalanche Diodes (SPAD) generate much interest in applications which require single photon detection and excellent timing resolution, such as high energy physics and medical imaging. In fact, SPAD arrays such as Silicon PhotoMultipliers (SiPM) are gradually replacing PhotoMultiplier Tubes (PMT) and Avalanche PhotoDiodes (APD). There is now a trend moving towards SPAD arrays in CMOS technologies with smart pixels control for high timing demanding applications. Making SPAD in commercial CMOS technologies provides several advantages over optoelectronic processes such as lower costs, higher production capabilities, easier electronics integration and system miniaturization. However, the major drawback is the lack of flexibility when designing the SPAD architecture because all fabrication steps are fixed by the CMOS technology used. Another drawback of CMOS SPAD arrays is the loss of photosensitive areas caused by the CMOS circuits integration. This document presents SPAD design, characterization and optimization made in a commercial CMOS technology (Teledyne DALSA 0.8 µm HV CMOS - TDSI CMOSP8G). Custom process variations have been performed in partnership with the CMOS foundry to optimize the SPAD while keeping the CMOS line compatibility. The realized SPAD and SPAD arrays are dedicated to 3D integration with either low-cost TDSI CMOS electronics or advanced deep sub-micron CMOS electronics to perform a 3D digital SiPM (3D-SiPM). The novel 3D-SiPM is intended to replace PMT, APD and commercially available SiPM in timing demanding applications. The group main objective is to develop a 10 ps timing resolution 3D-SiPM for use in high energy physics and medical imaging applications. Those applications require reliable technologies with a certified production capability, which justifies the actual effort to use commercial CMOS line to develop our 3D-SiPM. This dissertation focuses on SPAD design, characterization and optimization made in the TDSI-CMOSP8G technology.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire, portent sur la conception et l'étude de MOSFETs de puissance faible tension pour des applications automobiles micro-hybrides de type alterno-démarreur. Pour certaines de ces applications, en plus des modes de fonctionnement standards passant et bloqué, les composants développés doivent être capables de fonctionner en mode d'avalanche à fort courant et à des températures élevées. Pour reproduire en laboratoire ces conditions de fonctionnement, les MOSFETs sont soumis à un test UIS répétitif spécifique. Afin d'évaluer la température du silicium pendant ce test, plusieurs méthodes de mesure de température ont été développées et comparées. En parallèle, un suivi des paramètres électriques standards (BVDSS, IDSS, RDSon&) tout au long du test est effectué, dans le but de déterminer l'impact de l'avalanche répétitive sur le transistor. Seule la RDSon des MOSFETs semble évoluer avec le nombre d'impulsions d'avalanche. Ce phénomène est expliqué par la méthode de mesure de RDSon et par la variation de la résistance du métal source pendant le cyclage. En effet, différentes observations ont permis de constater un vieillissement de la métallisation de source du composant, accompagné d'une modification de sa résistivité. Divers types de métaux et de techniques d'assemblage ont alors été expérimentés pour tenter de limiter cet effet. Aussi des structures de test ont été conçues pour étudier l'évolution du métal et pour pouvoir comparer rapidement le comportement de différentes métallisations.

This thesis explores the use of single-photon avalanche diodes (SPADs) for visible light communications (VLC). The high sensitivity of SPADs can potentially enhance the performance of VLC receivers. However, a SPAD-based system has challenges that need to be addressed before it can be considered as a viable option for VLC. The first challenge is the susceptibility of SPAD-based receivers to variations in ambient light. The high sensitivity of SPADs is advantageous for signal detection, but also makes SPADs vulnerable to variations in ambient light. In this thesis, the performance of a SPAD-based receiver is investigated under changing lighting conditions. Analytical expressions to quantify performance are derived, and an experiment is conducted to gain further understanding of system performance. It is shown that a SPAD-based receiver is highly sensitive to illumination changes when on-off keying (OOK) is employed, and that pulse-position modulation (PPM) is a preferred modulation scheme as it is more robust. The second challenge is broadcasting to SPAD-based receivers with different capabilities. A traditional broadcasting scheme is time-sharing, whereby a transmitter sends data to receivers in an alternating manner. Broadcasting to SPAD-based receivers is challenging as receivers may have diverse capabilities. In this thesis, a new multiresolution modulation scheme is proposed, which can potentially improve system performance over the traditional timesharing approach. The performance of the proposed scheme is analyzed, and a proof-of-concept experiment is performed to demonstrate its viability.

Avalanche forecasters need precise knowledge about avalanche activity in large remote areas. Manual methods for gathering this data have scalability issues. Synthetic aperture radar satellites may provide much needed complementary data. This report describes Avanor, a system presenting change detection images of such satellite data in a web map client. Field validation suggests that the data in Avanor show at least 75 percent of the largest avalanches in Scandinavia with some small avalanches visible as well. / Lavinprognosmakare är i stort behov av detaljerad data gällande lavinaktivitet i stora och avlägsna områden. Manuella metoder för observation är svåra att skala upp, och rymdbaserad syntetisk aperturradar kan tillhandahålla ett välbehövt komplement till existerande datainsamling. Den här rapporten beskriver Avanor, en mjukvaruplattform som visualiserar förändringsbilder av sådan radardata i en webbkarta. Fältvalidering visar att datan som presenteras i Avanor kan synliggöra minst 75 procent av de största lavinerna i Skandinavien och även vissa mindre laviner.

A fully functional proof of concept radio receiver for detecting avalanche beacons atthe frequency 457 kHz was constructed in the work of this master thesis. The radioreceiver is intended to be mounted on an unmanned aerial vehicle (UAV or drone)and used to aid the mountain rescue teams by reducing the rescue time in findingavalanche victims carrying a transmitting beacon. The main parts of this master thesisinvolved hardware requirement analysis, software development, digital signalprocessing and wireless communications. The radio receiver was customized to receive low power signal levels becausemagnetic antennas are used and the avalanche beacon will operate in the reactive nearfield of the radio receiver. Noise from external sources has a significant impact on theperformance of the radio receiver. This master thesis allows for straightforward further development and refining of theradio receiver due to the flexibility of the used open-source software development kitGNU Radio where the digital signal processing was performed.

DETECTION OF SNOW AVALANCHE DEBRIS FROM SATELLITE SYNTHETIC APERTURE RADAR (SAR) DATA Abstract This thesis engages with detection of snow avalanche debris at radar images taken with synthetic aperture radar on Sentinel-1 satellite. The aim is to find method for recognizing places at image where is the snow avalanche debris. A method is based on neural net principle, specifically on using pre-trained model of neural net VGG-19. According to results of neural net, training images are splitted into two cathegories: there is an avalanche and there is not. It is called binary classification. The result is statistical evaluation of success rate compared with other traditional methods. keywords: snow avalanche, Sentinel-1, neural net, VGG-19