Superconducting nanowire single-photon detectors are the most promising technology in quantum photon information. They offer high speed, high detection efficiency, low dark count rate as well as low timing jitter compared to other single photon detection solutions. Since the recent advances in photonic quantum computing, the drive for improvement of the implementation complexity, performance and scalability of quantum photon detection has increased. This presents challenges with the current device readout schemes and alternative solutions are required. One of the key parameters to improve the scalability of superconducting nanowire single-photon detectors, is reducing the power dissipation per pixel. This is especially important in cryogenic readouts, where the performance of electronic components changes compared to room temperature. Moreover, the performance of a cryogenic superconducting nanowire single-photon detector readout is dependent both on the device and readout electronics level characteristics, and both must be fine-tuned for desired performance. A solution to the scalability of superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) is the development of a readout scheme with minimized power dissipation. We propose a fully digital readout scheme interfaced with a superconducting nanowire single-photon detector (SNSPD), that allows photon detection and reset. For this purpose, a digital single-pixel SiGe Bi-CMOS readout is designed, simulated, and characterised. An improved readout scheme is proposed with an addition of a die resistor to allow a full reset of the detector. / Supraledande nanotrådsdetektorer baserade på enstaka fotoner är ett av de mest avancerade koncepten inom kvantfotoninformationsteknik. Syftet med att utveckla denna teknik är att förbättra egenskaper så som komplexiteten, prestandan och skalbarheten. En av de viktigaste parametrarna för att förbättra skalbarheten hos supraledande nanotrådsdetektorer med enstaka fotoner är att minska energiförbrukningen per pixel. Detta är särskilt viktigt i kryogena avläsningar, där prestandan hos elektroniska komponenter förändras jämfört med rumstemperatur. Dessutom, beror prestandan hos en kryogen supraledande nanotrådsdetektor både på komponenten och på avläsningselektroniken,och båda måste finjusteras för att uppnå önskad prestanda. En lösning på kalbarheten för supraledande nanotrådsdetektorer med enstaka fotoner (SNSPDs) är att realisera avläsning med minimerad effektförlust. Vi föreslår en helt digital avläsning som är kopplad till en supraledande enfoton nanotrådsdetektor (SNSPD), som gör det möjligt att detektera fotoner och att återställa detektorn efter avläsning. För detta ändamål, designades, simuleras och karakteriserades en digital avläsningkrets med en enda pixel. Ett förbättrat avläsningssystem föreslås genom att lägga till ett diskret motstånd för att möjliggöra en fullständig återställning av detektorn.

No description available.

The BRIght Target Explorer (BRITE) constellation is revolutionary in the sense that the same scientific objectives can be achieved smaller (cm3 versus m3 ) and lighter (< 10kg versus 1, 000kg). It is a space astronomy mission, observing the variations in the apparent brightness of stars. The work presented herein focuses on the assembly, integration and test of the instrument used on-board six nanosatellites that form the constellation. The instrument is composed of an optical telescope equipped with a Charge Coupled Device (CCD) imager and a dedicated computer. This thesis provides a particular in-depth look into the inner workings of CCD. Methods used to characterize the instrument CCD in terms of its bias level stability, gain factor determination, saturation, dark current and readout noise level evaluation are provided. These methodologies are not limited to CCDs and they provide the basis for anyone who wishes to characterize any type of imager for scientic applications.

The BRIght Target Explorer (BRITE) constellation is revolutionary in the sense that the same scientific objectives can be achieved smaller (cm3 versus m3 ) and lighter (< 10kg versus 1, 000kg). It is a space astronomy mission, observing the variations in the apparent brightness of stars. The work presented herein focuses on the assembly, integration and test of the instrument used on-board six nanosatellites that form the constellation. The instrument is composed of an optical telescope equipped with a Charge Coupled Device (CCD) imager and a dedicated computer. This thesis provides a particular in-depth look into the inner workings of CCD. Methods used to characterize the instrument CCD in terms of its bias level stability, gain factor determination, saturation, dark current and readout noise level evaluation are provided. These methodologies are not limited to CCDs and they provide the basis for anyone who wishes to characterize any type of imager for scientic applications.

El Laboratori d'Altes Energies de La Salle és un membre d'un grup acreditat per la Generalitat. Aquest grup està format per part del Departament d'Estructura i Constituents de la Matèria de la Facultat de Física de la Universitat de Barcelona, part del departament d'Electrònica de la mateixa Facultat i pel grup de La Salle. Tots ells estan involucrats en el disseny d'un subdetector en l'experiment de LHCb del CERN: el SPD (Scintillator Pad Detector). El SPD és part del Calorímetre de LHCb. Aquest sistema proporciona possibles hadrons d'alta energia, electrons i fotons pel primer nivell de trigger. El SPD està format per una làmina centellejeadora de plàstic, dividida en 600 cel.les de diferent tamany per obtenir una millor granularitat aprop del feix. Les partícules carregades que travessin el centellejador generaran una ionització del mateix, a diferència dels fotons que no la ionitzaran. Aquesta ionització, generarà un pols de llum que serà recollit per una WLS que està enrotllada dins de les cel.les centellejadores. La llum serà transmesa al sistema de lectura mitjançant fibres clares. Per reducció de costos, aquestes 6000 cel.les estan dividides en grups, usant MAPMT (fotomultiplicadors multiànode) de 64 canals per rebre la informació en el sistema de lectura. El senyal de sortida dels fotomultilplicadors és irregular degut al baix nivell de fotoestadística, uns 20-30 fotoelectrons per MIP, i degut també a la resposta de la fibra WLS, que té un temps de baixada lent. Degut a tot això, el processat del senyal, es realitza primer durant la integració de la càrrega total i finalment per la correcció de la cua que conté el senyal provinent del PMT. Aquesta Tesi està enfocada en el sistema de lectura de l'electrònica del VFE del SPD. Aquest, està format per un ASIC (dissenyat pel grup de la UB) encarregat d'integrar el senyal, compensar el senyal restant i comparar el nivell d'energia obtingut amb un llindar programable (fa la distinció entre electrons i fotons), una FPGA que programa aquests llindars i compensacions de cada ASIC i fa el mapeig de cada canal rebut en el detector i finalment usa serialitzadors LVDS per enviar la informació de sortida al trigger de primer nivell. En el disseny d'aquest tipus d'electrònica s'haurà de tenir en compte, per un costat, restriccions de tipus mecànic: l'espai disponible per l'electrònica és limitat i escàs, i per un altre costat, el nivell de radiació que deurà suportar és considerable i s'haurà de comprobar que tots els components superin un cert test de radiació, i finalment, també s'haurà de tenir en compte la distància que separa els VFE dels racks on la informació és enviada i el tipus de senyal amb el que es treballa en aquest tipus d'experiments: mixta i de poc rang. / El Laboratorio de Altas Energías de la Salle es un miembro de un grupo acreditado por La Generalitat. Este grupo está formado por parte del departamento de Estructura i Constituents de la Matèria de la Facultad de Física de la Universidad de Barcelona, parte del departamento de Electrónica de la misma Facultad y el grupo de La Salle. Todos ellos están involucrados en el diseño de un subdetector en el experimento de LHCb del CERN: El SPD (Scintillator Pad Detector). El SPD es parte del Calorímetro de LHCb. Este sistema proporciona posibles hadrones de alta energía, electrones y fotones para el primer nivel de trigger.El SPD está diseñado para distinguir entre electrones y fotones para el trigger de primer nivel. Este detector está formado por una lámina centelleadora de plástico, dividida en 6000 celdas de diferente tamaño para obtener una mejor granularidad cerca del haz. Las partículas cargadas que atraviesen el centelleador generarán una ionización del mismo, a diferencia de los fotones que no la generarán. Esta ionización generará, a su vez, un pulso de luz que será recogido por una WLS que está enrollada dentro de las celdas centelleadoras. La luz será transmitida al sistema de lectura mediante fibras claras. Para reducción de costes, estas 6000 celdas están divididas en grupos, utilizando un MAPMT (fotomultiplicadores multiánodo) de 64 canales para recibir la información en el sistema de lectura. La señal de salida de los fotomultiplicadores es irregular debido al bajo nivel de fotoestadística, unos 20-30 fotoelectrones por MIP, y debido también a la respuesta de la fibra WLS, que tiene un tiempo de bajada lento. Debido a todo esto, el procesado de la señal, se realiza primero mediante la integración de la carga total y finalmente por la substracción de la señal restante fuera del período de integración. Esta Tesis está enfocada en el sistema de lectura de la electrónica del VFE del SPD. Éste, está formado por un ASIC (diseñado por el grupo de la UB) encargado de integrar la señal, compensar la señal restante y comparar el nivel de energía obtenido con un umbral programable (que distingue entre electrones y fotones), y una FPGA que programa estos umbrales y compensaciones de cada ASIC, y mapea cada uno de los canales recibidos en el detector y finalmente usa serializadores LVDS para enviar la información de salida al trigger de primer nivel. En el diseño de este tipo de electrónica se deberá tener en cuenta, por un lado, restricciones del tipo mecánico: el espacio disponible para la electrónica en sí, es limitado y escaso, por otro lado, el nivel de radiación que deberá soportar es considerable y se tendrá que comprobar que todos los componentes usado superen un cierto test de radiación, y finalmente, también se deberá tener en cuenta la distancia que separa los VFE de los racks dónde la información es enviada y el tipo de señal con el que se trabaja en este tipo de experimentos: mixta y de poco rango. / Laboratory in La Salle is a member of a Credited Research Group by La Generatitat. This group is formed by a part of the ECM department, a part of the Electronics department at UB (University of Barcelona) and La Salle's group. Together, they are involved in the design of a subdetector at LHCb Experiment at CERN: the SPD (Scintillator Pad Detector). The SPD is a part of LHCb Calorimeter. That system provides high energy hadrons, electron and photons candidates for the first level trigger. The SPD is designed to distinguish electrons and photons for this first level trigger. This detector is a plastic scintillator layer, divided in about 6000 cells of different size to obtain better granularity near the beam. Charged particles will produce, and photons will not, ionisation on the scintillator. This ionisation generates a light pulse that is collected by a Wavelength Shifting (WLS) fibre that is twisted inside the scintillator cell. The light is transmitted through a clear fibre to the readout system. For cost reduction, these 6000 cells are divided in groups using a MAPMT of 64 channels for receiving information in the readout system. The signal outing the SPD PMTs is rather unpredictable as a result of the low number of photostatistics, 20-30 photoelectrons per MIP, and the due to the response of the WLS fibre, which has low decay time. Then, the signal processing must be performed by first integrating the total charge and later subtracting to avoid pile-up. This PhD is focused on the VFE (Very Front End) of SPD Readout system. It is performed by a specific ASIC (designed by the UB group) which integrates the signal, makes the pile-up compensation, and compares the level obtained to a programmable threshold (distinguishing electrons and photons), an FPGA which programs the ASIC thresholds, pile-up subtraction and mapping the channels in the detector and finally LVDS serializers, in order to send information to the first level trigger system. Not only mechanical constraints had to be taken into account in the design of the card as a result of the little space for the readout electronics but also, on one hand, the radiation quote expected in the environment and on the other hand, the distance between the VFE electronics and the racks were information is sent and the signal range that this kind of experiments usually have.

The Liquid Argon calorimeter of the ATLAS detector at CERN near Geneva is equipped with improved readout and trigger electronics for the operation at higher luminosity LHC in the frame of several upgrades (Phase-0, I, and II). Special attention is given to an early digitisation of detector raw data and their following digital data transmission and processing via FPGAs already for the Level-1 trigger. The upgrades additionally foresee to provide higher spatial granularity information for the Level-1 trigger in order to improve its performance for low momentum single particles at increased collision rates. The first part of this dissertation contains the development and implementation of a modular detector simulation framework, AREUS, which allows to analyse different filter algorithms for the energy reconstruction as well as their performance with respect to the expected digitised detector raw data. In this detector simulation framework the detailed algorithmic functionality of the FPGAs has been taken into account. Various filter algorithms, especially the Optimal Filter and a Wiener Filter with Forward Correction, are discussed with regard to their performance in energy reconstruction of the future Liquid Argon calorimeter trigger system. In the second part of this thesis, the high-speed data transfer for the acquisition of the trigger data is being developed. For this purpose, a generic 10 Gigabit Ethernet UDP stack is designed in VHDL, that is currently applied in an ALTERA® Stratix-IV FPGA as part of the readout electronics of a demonstrator setup in the context of the Phase-0 Upgrade. After implementation in a prototype electronics board, data transfer from the detector front-end is realised. A successful test in the demonstrator setup installed in the ATLAS detector verifying the correct transmission of the Liquid Argon calorimeter trigger signals concludes this work. / Das Flüssig-Argon-Kalorimeter des ATLAS-Detektors am CERN bei Genf wird für den Betrieb am LHC mit erhöhter Luminosität im Rahmen mehrerer Upgrades (Phase-0, I und II) mit verbesserter Auslese- und Triggerelektronik ausgestattet. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der frühzeitigen Digitalisierung der Detektorrohdaten und deren folgende digitale Übertragung sowie Verarbeitung mittels FPGAs bereits für den Level-1 Trigger. Die Upgrades sehen zusätzlich vor, dem Level-1 Trigger eine höhere Ortsauflösung bereitzustellen um seine Leistungsfähigkeit der Energierekonstruktion von niedrigenergetischen Teilchen bei erhöhter Kollisionsrate zu verbessern. Der erste Teil dieser Dissertation beinhaltet die Entwicklung und Umsetzung einer modularen Detektorsimulationsumgebung, AREUS, mit der verschiedene Filteralgorithmen zur Energierekonstruktion sowie deren Performanz in Abhängigkeit der erwarteten digitalisierten Detektorrohdaten analysiert werden können. Dabei wurde in der Simulationsumgebung die Funktionalität der Rechenarithmetik der später verwendeten FPGAs berücksichtigt. Verschiedener Filteralgorithmen, im Besonderen der Optimal Filter und ein Wiener Filter mit Korrekturglied, werden im Hinblick auf ihre Performanz der Energierekonstruktion für das zukünftige Triggersystem des Flüssig-Argon-Kalorimeters diskutiert. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung zur Erfassung von Triggerdaten. Zu diesem Zweck wird ein generischer 10 Gigabit Ethernet UDP Stack in VHDL entworfen, der als Teil der Ausleseelektronik eines Demonstrator-Testaufbaus im Rahmen des Phase-0 Upgrades in einem ALTERA® Stratix-IV FPGA aktuell zum Einsatz kommt. Nach Implementierung in einem Prototypen einer Auslesekarte konnte ein Transfer von Detektordaten realisiert werden. Eine Überprüfung am Demonstrator-Testaufbau, welcher im ATLAS Detektor installiert ist, schließt diese Dissertation ab. Sie hat eine korrekte Übertragung von Triggersignalen des Flüssig-Argon-Kalorimeters erfolgreich bestätitgt.

Current positron emission mammography (PEM) depth of interaction (DOI) enabling detectors have low scintillator to photodetector encoding ratios, RE causing high system complexity and cost. The modularized dual-ended readout block (DERB) detector combines the Anger logic block detector with dual-ended readout to increase RE while measuring DOI. To investigate the trade-off between RE and spatial resolution, scalable DERB detectors with varying RE and light guide thickness were modelled with Monte- Carlo. Simulation showed RE can increase up to six-fold compared to the dual-ended readout design without significantly degrading spatial resolution. Experimental characterization of a RE = 9 : 8 DERB detector was found to achieve super-resolution <0.5 mm for resolving crystal indices, DOI resolution of ~5 mm FWHM, and mean energy resolution of 20% without recovering photons lost to neighbouring detector modules. The model was validated by agreement of simulation results adjusted for detector quantum efficiency with experimental results.

Current positron emission mammography (PEM) depth of interaction (DOI) enabling detectors have low scintillator to photodetector encoding ratios, RE causing high system complexity and cost. The modularized dual-ended readout block (DERB) detector combines the Anger logic block detector with dual-ended readout to increase RE while measuring DOI. To investigate the trade-off between RE and spatial resolution, scalable DERB detectors with varying RE and light guide thickness were modelled with Monte- Carlo. Simulation showed RE can increase up to six-fold compared to the dual-ended readout design without significantly degrading spatial resolution. Experimental characterization of a RE = 9 : 8 DERB detector was found to achieve super-resolution <0.5 mm for resolving crystal indices, DOI resolution of ~5 mm FWHM, and mean energy resolution of 20% without recovering photons lost to neighbouring detector modules. The model was validated by agreement of simulation results adjusted for detector quantum efficiency with experimental results.

Magnetické vortexy jsou charakterizovány směrem stáčení magnetizace a polarizací vortexového jádra, přičemž každá z těchto veličin nabývá dvojice stavů. Ve výsledku jsou tak k dispozici čtyři možné stabilní konfigurace, čehož může být využito v multibitových paměťových zařízeních. Tato dizertační práce se zabývá selektivním zápisem stavů magnetického vortexu v magnetickém disku pulzem elektrického proudu stejně jako jejich následným elektrickým čtením. Před samotnou realizací elektrických měření byla provedena statická měření přepínání stavů vortexu pomocí různých proudových pulzů v kombinaci s technikami MFM a následně MTXM. Následně byl realizován dynamický odečet stavu vortexu kompletně založený na elektrických měřeních. Ovládání cirkulace vortexu je založeno na geometrické asymetrii vytvořené oříznutím magnetického disku a vytvořením fazety. Plochý okraj disku definuje preferenční smysl stáčení cirkulace během procesu nukleace vortexu. Řízení polarity se obvykle provádí ve dvou krocích. V prvním kroku, homogenně magnetizovaná vrstva s kolmou magnetickou anizotropií umístěná na dně disku definuje výchozí polaritu vortexu v době nukleace. V druhém kroku, je-li to nutné, je polarita vortexu přepnuta pomocí rychlého proudového pulzu. Proto je možné nastavit požadovaný stav cirkulace vysláním nanosekundového pulsu s nízkou amplitudou, následované nastavením polarity pikosekundovým pulsem s vysokou amplitudou. Stavy vortexů jsou pak detekovány elektrickou spektroskopií prostřednictvím anizotropní magnetorezistence. Vzorky pro všechna statická a dynamická měření byly připraveny pomocí elektronové litografie v kombinaci s lift-off procesem.

No description available.