Large area detectors for time correlated single photon counting (TCSPC) are nowadays being implemented in CMOS technology to benefit a large variety of applications including positron emission tomography (PET) and 3D laser ranging (LiDAR), exploiting the advanced timing and counting capabilities inside single chips. Single photon avalanche diodes (SPADs) and silicon photomultipliers (SiPMs) represent a great option to realise such detectors thanks to their exceptional timing resolution and the ability to be arranged into arrays. Recently, digital SiPMs (dSiPMs) have been introduced to improve the integration with CMOS technology overcoming limitations on the readout of analogue SiPMs and thus improving the photon resolution of the detector. This work presents a 14GSamples=s time-to-digital converter (TDC) to improve the throughput of dSiPM sensors commonly limited by the sampling rate of the timing/counting readout circuitry. The converter has been demonstrated on a test chip in 130nm CMOS imaging technology paired with a novel XOR-based 32 32 SPAD array single-channel detector. The overall achieved throughput equals 1GEvents=s demonstrated in a direct time-of-flight LiDAR experiment. By acquiring a number of photons significantly higher than one per laser pulse, this approach represents the first example in TCSPC of an input rate and conversion rate both higher than the excitation rate. The following part of the work presents a modelling analysis on how to match the achieved high sampling rate / throughput of the single-channel TDC to the performance of a SPAD array. The impact of a selection of dSiPM design parameters, such as photon detection efficiency, dead time and size of the SPAD cell, number of cells per single-channel, digital N-to-1 combining network and channel bandwidth, on the overall sensor throughput and the dynamic range has been characterised thanks to a computational Monte-Carlo simulator and useful equations describing each of the processes in the sensing chain. The pile-up effect, i.e. the event-loss causing non-linear distortions on the output signal, has been characterised on each element of the dSiPM and optimisations have been proposed. Event losses in the SPAD cells due to dead time, in the digital combining network due to network dead time and single-channel bandwidth have all been identified, simulated and described by analytical equations. All the results coming from the theoretical analysis have been reproduced in real dSiPM design thanks to a reconfigurable test chip realised in the same 130nm CMOS imaging technology specifically to validate the proposed theory. The manufactured test chip provides the very first direct comparison between OR-based and XOR-based single-channel dSiPM sensors highlighting the promising timing and counting performance of the newly introduced XOR-based dSiPM. Direct evidence of pile-up distortions and subsequent reduction through design optimisations are demonstrated. A recommended design flow for next generation dSiPMs is proposed at the end of the publication.

Les tumeurs solides relèvent pour un très grand nombre de cas d’un traitement chirurgical. La réussite thérapeutique dépend de la qualité, de la précision de l’exérèse et de la capacité à « visualiser » les résidus tumoraux. Pour ce faire, différents marqueurs sont disponibles sur le marché, notamment radioactifs. Depuis peu, des émetteurs de positrons spécifiques sont disponibles, relançant l’intérêt des techniques de chirurgies radioguidées. Les objectifs de ces travaux ont été la conception, le développement et l’optimisation d’un détecteur de positons pour la localisation de la tumeur avant exérèse et des amas tumoraux résiduels après exérèse. L’avantage de la détection des positons est leur parcours dans les tissus mous, de quelques millimètres. Leur détection est donc plus précise et de meilleure sensibilité (1 à 3 ordres de grandeurs) que la détection de rayonnements gamma. Elle consiste en une technique d’imagerie de contact sur une profondeur de quelques millimètres. Nous avons donc développé 2 prototypes d’imageurs beta+ composés de photomultiplicateurs en silicone (SiPM). Le SiPM sont des photomultiplicateurs présentant les mêmes caractéristiques que les tubes photomultiplicateurs (PMT), tout en étant sensibles à une faible luminosité et de très petite dimension, ce qui est parfaitement adapté à la problématique. La tête de détection du premier prototype est l’association d’un scintillateur organique sur une matrice de SiPM. Cette configuration permet de réduire le bruit dû à la contamination du signal par des rayonnements gamma. La seconde configuration inclus une méthode de soustraction permettant d’améliorer la discrimination du bruit Gamma, sans l’éliminer totalement. Pour ce faire, un assemblage de deux scintillateurs séparés par un guide de lumière est utilisé. Le signal issu des extrémités du scintillateur sont discriminés par l’analyse des différentes distributions de lumière sur la matrice SiPM. Dans les deux cas, le détecteur a été conceptualisé de façon à positionner la tête de détection dans un boitier mécanique comprenant une électronique de lecture miniaturisée. Différents designs de la sonde Beta+, prenant en compte le matériau et l’épaisseur du scintillateur, la fenêtre de propagation lumineuse et le réflecteur optique ont été simulés avec MonteCarlo et mesurés expérimentalement. Ces paramètres ont été optimisés de façon à ce que la sonde offre les meilleures performances en termes de sensibilité de détection des positons, discrimination du bruit Gamma, résolution et distorsion spatiale et uniformité de réponse. L’influence des différents algorithmes de reconstruction sur les performances spatiales ont été étudiées et une première étude préclinique du détecteur sur fantôme a pu être réalisée avec la première configuration de détecteur. / Extent and accuracy of surgical resection is a crucial step in the therapy of operable solid tumors. The recent availability of specific tumor-seeking agents, positron labeled, renewed the interest for radioguided surgery. The detection of beta particles, due to their short range, allows a more sensitive and accurate tumor localization. Since no mechanical collimation is necessary, it is possible to design probes with a sensitivity increased by one to three orders of magnitude compared to gamma detectors. The beta particle short range also reduces the contamination from distal non-specific radiotracers uptake region, which results in a increased signal-to-noise-ratio. Conversely, beta detection requires sensors to be extremely compact in order to operate in contact with the surveyed tissues in narrow surgical cavities. This thesis takes place in that context. Its aim was to develop an intraoperative positron imaging probe based on the silicon photomultiplier technology (SiPM) and to evaluate its ability to perform in real time tumor localization and post-operative control of the surgical cavity. During this work, two prototypes of intraoperative positron imaging probe were developed. The first detector design is based on the use of a single organic scintillator coupled to an array of SiPMs. This configuration uses a small sensitive volume to reduce the contamination noise coming from the annihilation gamma rays. The second version of the probe implements a subtraction method allowing to improve gamma rejection efficiency. This configuration uses a stack of two scintillators separated by a light guide. The events interacting in the top and the bottom scintillator are discriminated by the analysis of the different light distributions on the SiPM array. Different designs of the positron imaging probes, including scintillator material and thickness, light spreading window and optical reflector, were investigated with Montecarlo simulations and measurements. Their impact on the probes performances were optimized in terms of positron sensitivity, gamma ray rejection efficiency, spatial resolution and bias and uniformity of response. The effect of different reconstruction algorithm on spatial performances was also studied. Finally, the objective of developing an intraoperative probe fully operational in the operating room has been achieved by the design of dedicated miniaturized electronic readouts and mechanical housing. In the last part of my thesis, the evaluation of the single scintillator configuration in a realistic clinical environment was performed with 18F-FDG phantoms. We showed that the low intrinsic sensitivity of this probe to gamma radiations allows to detect tumor volumes as small as 14 mg for uptake properties corresponding to currently available radiotracers and acquisition times compatible with the surgery duration.

Les Photomultiplicateurs Silicium (SiPM) sont devenus aujourd’hui des détecteurs de lumière visible, applicables dans de nombreux domaines comme la Physique des Hautes Énergies, les expériences Neutrinos, la détection de fluorescence, pour des applications de biophotonique ou d’imagerie médicale. La première partie de ma thèse concerne l’étude des divers paramètres physiques des SiPM en fonction de température T. En particulier, des composants récents (2015) de KETEK ayant diverses caractéristiques technologiques comme des jonctions p/n ou n/p, avec ou sans « trench » entre cellules, différentes épaisseurs de couches épitaxiales, etc… ont été étudiés dans la gamme de T de 308.15 K (+35°C) à 238.15 K (-35°C). En plus, des composants Hamamatsu de production 2011, ainsi que de production 2015 avec des caractéristiques technologiques améliorées (faible bruit), ont été testés dans la gamme 318.15 K (+45°C) à 98.15 K (-175°C). Pour ces études, j’ai participé à la conception, l’installation, la mise en service et la calibration d’un banc cryogénique destiné aux caractérisations électriques, optiques, et en température, des SiPM. J’ai développé une procédure d’analyse automatisée, capable de traiter en un temps très court une énorme quantité de données expérimentales (i.e. dizaines de Gb/détecteur), et de fournir une information rapide et précise sur les principaux paramètres et leur dépendance en T. J’ai développé un modèle physique décrivant les courbes IV en DC pour différentes T. Ce modèle proposé reproduit bien la forme de la courbe IV dans une large gamme de courants allant de 10⁻¹² à 10⁻⁵ A sur toute la zone de fonctionnement des divers détecteurs. Ainsi, le modèle IV peut être utilisé comme un outil simple et rapide pour déterminer les paramètres du SiPM comme le VBD, la forme de la courbe PGeiger en fonction de Vbias, ainsi que la plage des tensions de fonctionnement. La comparaison de ces paramètres avec ceux obtenus en mesure AC, et analysés par la procédure automatisée, sont en bonne concordance. La seconde partie de ma thèse a porté sur l’étude de composants SiPM spécialement adaptés à une application biomédicale. Il s’agit d’une sonde intracérébrale, sensible à l’émission β (Nβ) de molécules marquées par un traceur radioactif, injectées dans le cerveau d’un animal vivant. Le but étant de construire un nouveau "modèle animal" de maladies humaines telles que les maladies neuro-dégénératives ou neuropsychiatriques et la croissance de tumeurs. Cette sonde se compose d’un SiPM de très petite taille, bas bruit, couplé à une fibre scintillante, suivie d’une électronique de lecture spécifique, miniaturisée, à faible consommation. Ces SiPM ont été choisis comme les plus adaptés à notre application : deux SiPM de KETEK de 0.5x0.5 mm² (spécialement développés par cette compagnie pour nos besoins), et un SiPM standard de 1.3x1.3 mm² de Hamamatsu, tous ayant des μ-cellules de 50 × 50 μm². Pour chaque composant, les paramètres G, DCR et la sensibilité β ont été mesurés en fonction de Vbias et T. Les résultats obtenus montrent que le faible champ de vue des nouvelles structures KETEK permet une bonne amélioration du DCR. Cependant ce faible champ de vue entraîne une perte de collection de lumière due à l’épaisseur de la couche de résine époxy de protection, et à l’angle d’acceptante de la fibre. Comme la sensibilité β est un compromis entre le PDE et le DCR, les SiPM de KETEK montrent au final des performances voisines de celles de Hamamatsu. Les résultats préliminaires démontrent que la sensibilité β de KETEK peut être améliorée significativement en utilisant une lentille de focalisation entre la fibre scintillante et le SiPM, ou en diminuant l’épaisseur de la couche de résine époxy de protection. / Silicon PhotoMultiplier (SiPM) detector has become a suitable visible light/photon detector for many applications like high energy physics and neutrino experiments, fluorescence detection, bio-photonics and medical imaging. The first part of my thesis was oriented to the studies of SiPM physics parameters as a function of temperature. Particularly, recent KETEK devices (year 2015) with different technological characteristics like p/n and n/p junctions, with and without trench technology, and different widths of epitaxial layer were studied in the temperature range from 308.15 K (+35°C) down to 238.15 K (-35°C). In addition, the Hamamatsu devices from 2011 production run as well as new devices from 2015 year, with improved technological characteristics inducing a reduced noise, were investigated in a wider temperature range from 318.15 K (+45°C) down to 98.15 K (-175°C). For these purposes, I participated to the design, installation, commissioning and calibration of a cryogenic experimental setup dedicated to electrical, optical and temperature studies of SiPM devices. Also, I have developed an automatic analysis procedure able to handle in a short time an impressive quantity of experimental data (i.e. tens of Gb/device) and to give a precise and fast information on main SiPM parameters and their temperature dependence. I have also developed a physical modeldescribing the DC I-V curves of SiPM detectors at different temperatures. The proposed model fits well the shape of IV curve in a very large currents range from 10⁻¹² A up to 10⁻⁵ A over the full working range of various devices. Consequently, the IV model can be used as a simple and fast method for determination of SiPM parameters like breakdown voltage VBD, the shape of Geiger triggering probability PGeiger as a function of Vbias as well as the Vbias working range. The comparison of these parameters with those calculated from AC measurements and analyzed by the automatic procedure showed a good agreement. The second part of my thesis was oriented to the study of SiPM devices and their physical parameters required to build a prototype of betasensitive intracerebral probe. Such probe is dedicated to measure the local concentration of radiolabeled molecules on awake and freely moving animal and to study new animal models of human disorders (neurodegenerative diseases, tumor growth, and neuropsychiatric disorders). It is composed of small size, low-noise SiPM device coupled to a scintillating fiber and readout by a dedicated miniaturized low-power consumption electronics. Three SiPM devices have been chosen as the most adapted for our application: two small KETEK devices of 0.5×0.5 mm² size (with and without optical trenches, specially developed by KETEK to fulfill our requirements) and a standard Hamamatsu device of 1.3×1.3 mm² size, all devices having 50 × 50 μm² μcell size. For each SiPM the gain G, dark count rate DCR and beta sensitivity were measured as a function of Vbias and temperature. The obtained results showed that the small field of view and newly developed structure of the KETEK devices allow a large decrease of the dark count rate DCR. However, this small field of view also leads to a reduced light collection due to the thickness of the epoxy protection resin on top of the SiPM and the acceptance angle of the fiber. Since the beta sensitivity represents a tradeoff between photon detection efficiency PDE and dark count rate DCR, KETEK SiPMs exhibit similar performances in comparison with the Hamamatsu device. Preliminary results demonstrate that the beta sensitivity of KETEK devices can be significantly improved by using focusing lens between the scintillating fiber and the SiPM or by reducing the thickness of its epoxy protection resin.

L'imagerie médicale remonte à la fin du XIXe siècle avec la découverte des rayons X par Röntgen. Depuis, de nombreuses modalités d'imagerie ont été développées, et sont aujourd'hui utilisées dans une large gamme d'indications cliniques. L'imagerie TEP (Tomographie par Émission de Positron) est une modalité fonctionnelle, quantitative et ayant une haute sensibilité, ce qui en fait une modalité de choix, notamment en cancérologie. Hélas, sa diffusion est freinée en comparaison avec le scanner ou l'imagerie par résonance magnétique, en raison de son coût notamment. C'est dans ce contexte que s'insère cette thèse, qui a pour objectif de montrer la faisabilité d'un imageur TEP ambulatoire dédié au suivi thérapeutique en cancérologie. À partir de développements instrumentaux originaux (localisation des gammas par division de lumière dans des barreaux scintillateurs, lecture à l'aide de Silicon PhotoMultiplier, géométrie compacte), ces travaux s'efforcent de baisser les coûts tout en restant compétitif en terme de performances. Dans un premier temps, une étude extensive de la division de lumière à travers toute une série de paramètres (longueur des barreaux scintillateurs, revêtement optique, matériau scintillateur, traitement des données) a été menée. Une résolution spatiale inférieure à 5 mm pour un barreau de 75 mm de LYSO emballé dans du teflon a notamment été obtenue. À partir de cette configuration, une première image a été reconstruite, à partir de deux modules en coïncidence, offrant une résolution spatiale de 5 mm pour un tel imageur. Enfin, toute une série de simulations a été menée, à partir des données expérimentales et avec une géométrie originale. En particulier, les performances ont été mesurées à partir du protocole NEMA, un standard permettant de comparer les performances à travers la littérature. Une résolution spatiale intrinsèque de l'ordre de 4 mm a été obtenue, soit meilleure que le marché actuel. La sensibilité de l'ordre de 2.5 cps/kBq est revanche relativement basse par rapport à l'existant, mais s'explique par un champ de vue axial restreint. Enfin, le potentiel en terme de quantification a été adressé, et est comparable au marché actuel. / Medical imaging first began at the end of the XIXth century with the discover of X-rays by Röntgen. Then, numerous imaging modalities have been developed and are used now for a wide range of cases. Positron Emission Tomography (PET) has a high sensitivity, is functional and quantitative, thus being of high interest in cancer monitoring. Nevertheless, PET is not as much spread in hospitals as magnetic resonance imaging and scanner. In this context, this work aims to prove the faisability of PET dedicated for cancer monitoring. Thanks to instrumental developments such as light sharing in scintillating crystals, use of Silicon Photomultipliers, and an original geometry, cost is expected to be reduced while having same performances as commercial devices. An extensive study of light sharing within scintillating barrels has been made, through many parameters (crystal length, coating, data analysis...). An intrinsic spatial resolution of 4 mm has been measured over a 75 mm long crystal of LYSO, coated with teflon. From such a configuration, a first image has been reconstructed using two modules in coincidence. A spatial resolution of 5 mm has been measured in the image. Finally, Monte Carlo simulations has been made with experimental data as input, in order to measure the performances of the final PET device. Thanks to NEMA standard protocol, performances has been measured and compared to other systems. A spatial resolution of 4 mm has been reached, for a sensitivity of 2.5 cps/kBq. Quantification problem has been assessed, providing results similar to existing devices.

The correlation between concrete rheological parameters and its pumping behavior under consideration of the so-called lubricating layer has been investigated for decades. In this thesis, flow-induced particle migration (FIPM) was studied in-depth, as the main underlying mechanism for the formation of the lubricating layer. Conventionally vibrated and self-compacting concretes were chosen as the target mixtures. Furthermore, cementitious model concretes, containing colored glass beads, were proposed to obtain further insights into the FIPM and its impact on pumping. The mixtures were differentiating with regard to particle volume fractions, mortars composition, maximum particle size and particle size distributions. In the experiments, various established methods were used to characterize the rheological properties and the pumping behavior of the concretes. New methodologies for estimating the thickness of the lubricating layer and the particle distribution in pumped cross-sections were proposed as well. The rheological properties and pumping behavior of real and model concretes were in agreement with the state-of-the-art literature. Based on the radial particle distributions, it was illustrated that the particle migration intensifies by increasing the particle size and decreasing the total volume fraction of solid particles. Furthermore, in highly-concentrated poly-dispersed model concretes, the particle concentration curves consist of a sudden jump close to the pipe wall and a relatively uniform distribution in the inner zone of the pipe. In these cases, the influence of FIPM on overall flow behavior cannot be neglected. Moreover, it was shown that the lubricating layer thickness is not constant for all concrete mixtures. For poly-dispersed suspensions, the shear-induced particle migration (SIPM) has a stronger impact than the wall for forming the lubricating layer. Finally, it was concluded that a solid-liquid threshold of 1 to 2 mm is a reliable choice when investigating concrete pipe flow. The faster the concrete is pumped or the lower the yield stress of the constitutive mortar is, the smaller is the solid-liquid threshold. Based on the experimental findings, a first-order physical correlation between pumping parameters (pressure and discharge rate), particle properties (volume fraction and packing properties) and lubricating layer properties (thickness and viscosity) was proposed. Accordingly, for a simple flow topology with a shearing lubricating layer and an extruding yield stress concrete, the lubricating layer thickness was computed from the competition between shear-induced fluxes of particles. In agreement with the driving equations of SIPM, it was assumed that the first flux correlates with the internal stress gradient in the plug concrete whereas the counteracting particle flux correlates with the shear rate in the lubricating layer. The model was validated for two flow types, pipe flow in the Sliper and Couette flow in a co-axial tribometer. The proposed model can capture the observed main features and their evolutions despite the absence of any fitting parameters.

La genèse des travaux présentés dans ce mémoire se situe dans le domaine de l'astrophysique des très hautes énergies. Il y a un siècle les scientifiques de la planète ont identifié un nouveau type de messagers venant de l'espace : les rayons cosmiques. Ce rayonnement est constitué de particules (photons et autres) de très haute énergie qui bombardent la terre en permanence. Le passage de rayonnements cosmiques dans l'atmosphère terrestre se traduit par la génération de brefs éclairs lumineux (5ns) d'une intensité très faible (1pW) : le flash Tcherenkov, devenant alors visible du sol.<br /><br />Dans l'état de l'art le meilleur détecteur de lumière est aujourd'hui le Photomultiplicateur (PMT), grâce à ses caractéristiques de sensibilité et de vitesse. Mais il présente quelques inconvénients : faible efficacité quantique, coût, poids etc. Nous présentons dans cette thèse une nouvelle technologie alternative : les compteurs de photons sur semi-conducteur, constitués de photodiodes polarisées en mode Geiger.<br />Ce mode de fonctionnement permet d'obtenir un effet de multiplication au moins identique à celui des PMT. Un modèle physique et électrique a été développé pour reproduire le comportement de ce détecteur.<br />Nous présentons ensuite dans ce travail de thèse un procédé technologique original permettant la réalisation de ces dispositifs dans la centrale de technologie du LAAS-CNRS, avec la simulation de chaque opération du processus.<br />Nous avons mis au point une fiche pour la caractérisation électrique des dispositifs, du mode statique au mode dynamique, et vérifié la conformité aux simulations SILVACO, et au modèle initial. Les résultats obtenus sont déjà excellents, compte tenu qu'il s'agit d'une première étape de prototypage, et comparables avec les résultats publiés dans la littérature.<br />Ces composants sur silicium peuvent intervenir dans toutes les applications où il y a un photomultiplicateur, et le remplacer. Les applications sont donc très vastes et la croissance du marché très rapide. Nous présentons une première expérience d'astrophysique installée au Pic du Midi qui a détecté des flashs Tcherenkov de rayons cosmiques avec cette nouvelle technologie à semi-conducteur.

The GlueX experiment aims to study meson photoproduction while utilizing the coherent bremsstrahlung technique to produce a 9 GeV linearly polarized photon beam incident on a liquid $\mathrm{H_{2}}$ target. A Start Counter detector was fabricated to properly identify the accelerator electron beam buckets and to provide accurate timing information. The Start Counter detector was designed to operate at photon intensities of up to $\mathrm{10^{8}\gamma/s}$ in the coherent peak and provides a timing resolution $\mathrm{\sim 300\ ps}$ so as to provide successful identification of the electron beam buckets to within 99\% accuracy. Furthermore, the Start Counter detector provides excellent solid angle coverage, $\sim 90 \%\ \mathrm{of}\ 4 \pi\ \mathrm{hermeticity}$, and a high degree of segmentation for background rejection. It consists of a cylindrical array of 30 scintillators with pointed ends that bend towards the beam at the downstream end. Magnetic field insensitive silicon photomultiplier detectors were selected as the readout system. An initial measurement of the beam asymmetry $\Sigma$ in the exclusive reaction $\vec{\gamma}p \rightarrow \pi^{0}p$, where $\pi^{0} \rightarrow \gamma \gamma$ has been carried out utilizing the GlueX spectrometer during the Spring 2015 commissioning run. The tagged photon energies ranged from $2.5 \leq E_{\gamma} \leq 3.0\ \mathrm{GeV}$ in the coherent peak. These measurements were then compared to the world data set and show remarkable agreement with only two hours of physics production running.

LiDAR is a remote sensing technology that uses a laser to map the surrounding environment. With its many applications, for example in autonomous vehicles, LiDAR is a growing field within technology and research. The silicon photomultiplier (SiPM) is a solid state device commonly used in the receiving system of a LiDAR. However, ambient light from sun or other light sources is also seen by the photodetector which creates noise in the receiving system. The purpose of this work is to examine how the performance of a 1D LiDAR with a SiPM receiver can be predicted, given a certain level of ambient light, target reflectance and measuring distance. This was carried through by working with mathematical models and comparing the outcomes to lab measurements of a certain LiDAR model. The outcome showed that describing the performance of the particular LiDAR by a model based on incident photon rate was difficult mainly due to the unknown relation between how the voltage signal threshold in the receiving electric circuit for when the LiDAR stops the time measurement relates to the number of microcells activated in the SiPM during a time span. However, the results obtained suggest a threshold value of between around 20 and 60 microcells activated within a 1 ns time interval, but further tests are needed in order to confirm or reject this. Of the two other approaches tried, the signal voltage model gave reasonable results for the values tested but in a rather indirect way. The other approach, describing the connection between DC noise and AC RMS noise in the receiving system gave results deviating between 40% and 320% from the lab results, i.e. not so good match. / LiDAR är en fjärranalysteknik som använder laser för att kartlägga ett geografiskt område. Med flertalet användningsområden, bland annat inom industrin för självstyrande fordon, är LiDAR ett växande teknik- och forskningsområde. Kisel-fotomultiplikatorn är en halvledarapparat som ofta används i LiDAR-mottagarsystemet. Bakgrundsljus från omgivningen detekteras dock också av fotodetektorn vilket orsakar  brus i mottagarsystemet. Detta arbete syftar till att testa metoder för hur prestandan hos en 1D LiDAR med en kisel-fotomultiplikator i mottagaren kan estimeras, i en viss nivå av bakgrundsljus, med en viss målreflektans på ett visst mätavstånd. Detta utfördes genom att arbeta med matematiska modeller och jämföra dess resultat med resultat från laborativa tester på en viss LiDAR-modell. Det visade sig vara svårt att beskriva prestandan för denna LiDAR enligt en modell baserad på fotonflöde, huvudsakligen på grund av den okända kopplingen mellan tröskelnivån i termer av voltsignal i mottagarkretsen då tidmätningen stoppas och antalet aktiverade mikroceller i kisel-fotomultiplikatorn under ett visst tidsintervall. De resultat som erhölls visar dock på en träskelnivå någonstans mellan 20 och 60 mikroceller inom ett 1 ns tidsintervall, men ytterligare tester bör genomföras för att konfirmera eller förkasta detta. Av de övriga två angreppssätten prövade, gav modellen baserad på voltsignal rimliga resultat för värdena testade men på ett relativt indirekt sätt. Försök till beskrivning av sambandet mellan DC brus och AC RMS brus i mottagarsystemet gav resultat med mellan 40% och 320% avvikelse från de laborativa mätningarna, relativt dåligt alltså.

Silicon photon multipliers, or SiPMs, are single photon detectors that have grown increasing interest in the last decade as an alternative to photomultiplier tubes in many field of physics, engineering and medicine. Compared to PMTs, SiPMs are more compact, rugged and operate at much lower bias voltage, in the order of tens of volts. Moreover they are insensitive to magnetic field and can achieve a very high radiopurity SiPM detectors work on the principle of a diode operated above the breakdown voltage, in Geiger mode. In this condition, the electric field in the depletion region is high enough that the electron-hole pairs, generated by a single photon absorption through photoelectric effect, create secondary charges by impact ionization in a potentially diverging avalanche effect that can be exploited to generate a macroscopical current at the output of the diode. Thanks to this effect, the SiPM is capable of counting the number of impinging photons down to single photon level. Noise sources in the SiPM include dark counts and correlated noise. Dark counts are counts happening when an electron-hole pair is generated in the active volume of the device in absence of photon absorptions. These events are caused either by thermal generation, diffusion from the neutral region or by tunnel effect. Correlated noise events, or counts, on the other hand, are generated when a primary firing cell retriggers after a certain time or cause the triggering of another cell. All these noise sources introduce errors in the photon count by adding fake events to the output signal of the detector.Traditional SiPM application is 511 keV gamma-ray detection in PET machines, using scintillator LYSO crystals to convert a single gamma ray into a flash of visible photons. An application based on the same principle was studied in this thesis by coupling FBK RGB-HD SiPMs with CsI:Tl crystals in order to detect lower energy X and gamma-rays. This setup has proven to be effective in the detection of radiation with energy as low as 5.9 keV with a resolution of 38.3%, which is the minimum value of energy resolution measured with SiPMs coupled to scintillator crystals at such low energy. At the same time it was observed that large area detectors provided a dynamic range wide enough to simultaneously detect radiation ranging from 6.4 keV to 122 keV with minimal saturation. In another activity of this thesis it was developed a simulation software that reproduces the behaviour of a SiPM under different light conditions by taking into account the detector efficiency, the dead time and the recharge behaviour of its cells and theoretical modelizations of the noise parameters that affect the measurement. From a given light profile the simulation generates a waveform that reproduces the one measured during the operation of real SiPMs. This waveform was then analysed using FBK software developed for SiPM characterization and the results showed an excellent agreement between the simulated detector and a reference SiPM. This software will become a useful tool for the design of SiPMs for future experiments because it will allow to tune the properties of the detectors to specific applications and it will reduce the need of layout and process split to find the optimal configuration of the detector parameters.Among all FBK technologies, this work was focused on the position-sensitive LG-SiPM. Unlike standard SiPMs, which have a single output, the LG-SiPM employs a more complex structure that splits the current signal into four output channels with ratios depending on the position of the impinging light on its surface. Center of mass calculations are used to reconstruct the position of the firing cell with precision down to some tens of microns while maintaining the fast time response of SiPMs. An application of the LG-SiPM was studied in the framework of the ARIADNE experiment in collaboration with the university of Liverpool. In this work the LG-SiPM was used to detect scintillation light coming from ionization tracks generated by alpha particles inside a CF4 TPC chamber. The ionized electrons where drifted through the action of a high electric field in the TPC towards a THGEM where they created light with timing depending on the distance of each track segment from the scintillator. The LG detector was able to reconstruct the 3D track particle inside the chamber with an error below 8 mm RMS inside the 40 l chamber and, at the same time, to reconstruct the energy released by the particle as function of time and calculate the total energy of the interacting particle and its linear energy transfer. These results open a novel approach for the TPC position reconstruction that combines the low number of readout channels needed for the LG detector to its time-continuous response which allows to reconstruct the tree-dimensional track of a particle inside the chamber.During the experiment it emerged the presence of an artifact that drifted all the reconstructed tracks towards the centre of the detection area, at the end of the signal. This effect was studied by creating a second simulation software that recreates the electrical behaviour of the LG-SiPM equivalent circuit when one or more cells trigger. It was simulated the output of the circuit with different light conditions and different values of the circuit elements and it was observed that the presence of the artifact was related to low intensity currents flowing through the net of the LG-SiPM metal tracks and quenching resistors. Several simulations were run in order to identify the optimal configuration of parameters for the reduction of this unwanted effect and to implement improvements in future LG-SiPM productions.Another application of the LG-SiPM in the field of radiation detection is the position reconstruction of the scintillation light emitted by gamma-rays in a monolithic crystal. Using a thin CsI:Tl crystal and lowering the detector temperature it was possible to distinguish different positions of interaction on the surface of the detector with an error below 1 mm FWHM. This technology can be effective for the creation of monolithic, position sensitive X and gamma-ray detector with good energy resolution for low energy spectroscopy or medical imaging devices.

L'utilisation optimale, dans des applications spécifiques, des Détecteurs Silicium nécessite une connaissance approfondie des phénomènes physiques sous-jacents. Dans ce mémoire, cette idée conductrice est appliquée à deux types de détecteurs : (1) les SiPM et leurs applications en imagerie médicale (2) les détecteurs à pixels planaires (PPS) et leurs applications dans la mise-à-jour du détecteur interne d'ATLAS pour le LHC à haute luminosité. Mon travail personnel sur les SiPM a débuté il y a environ 10 ans. Ainsi la partie (A) de mon HDR rappelle tout d'abord le principe physique de la photodiode à avalanche en mode Geiger (GM-APD), qui constitue la cellule élémentaire d'un SiPM. Puis le fonctionnement du SiPM est développé, avec ses principales caractéristiques physiques, ainsi que les montages expérimentaux mis en œuvre et les mesures de ces paramètres sur les productions des principaux fabricants. La dépendance en température des paramètres des SiPM constitue un inconvénient majeur dans certaines applications, aussi mon travail personnel montre comment on peut en grande partie s'affranchir de cette dépendance, en contrôlant certains paramètres de fonctionnement. Les détecteurs à SiPM présentent des avantages très intéressants au plan électrique, optique, mécanique, etc ..., permettant des applications multiples dans des domaines où une grande surface de détection est requise. Ainsi, les matrices de SiPM sont des composants très attractifs pour des applications d'imagerie médicale. Mon travail dans deux applications de ce type est détaillé : PET à haute résolution pour des petits animaux, et détecteur de radiation portatif pour l'aide à la localisation in situ de tumeurs solides. En parallèle à l'activité SiPM, j'ai été impliquée ces dernières années dans la conception et la caractérisation de nouveaux détecteurs à pixel planaires pour "l'upgrade" de l'expérience ATLAS. La partie (B) de mon HDR expose ainsi les méthodes expérimentales, comme "Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)" et "Spreading Resistance Profiling" (SRP), utilisées pour la mesure de profils de dopage pour le détecteurs PPS. Je démontre ainsi l'importance de ces mesures pour le contrôle du process de fabrication, et la calibration des simulations TCAD (Technology-Computed Aided Design). Les résultats des simulations prévoyant le comportement des nouveaux détecteurs planaires proposés, avec des caractéristiques géométriques et une résistance aux radiations améliorées, sont présentés.