Développé par le Centre d'imagerie moléculaire de Sherbrooke (CIMS) et le Groupe de recherche en appareillage médical de Sherbrooke (GRAMS), le LabPET[indice supérieur TM] est un scanner TEP numérique dédié à des applications précliniques sur les petits animaux. C'est le premier scanner TEP commercial à utiliser des photodiodes à avalanche dans son module de détection. Aujourd'hui plusieurs travaux de recherche sont menés afin de réaliser la prochaine génération de ce scanner qui permettra de fusionner efficacement les deux modalités TEP et TDM dans une même chaîne matérielle électronique et aussi d'offrir une résolution spatiale submillimétrique en mode TEP. Pour ce faire, un nouveau module de détection, le module LabPET[indice supérieur TM] II, a été développé en partenariat avec PerkinElmer inc. afin d'atteindre ces performances. Il est constitué d'une matrice de 64 pixels de photodiodes à avalanche de 1,2 x 1,2 mm[indice supérieur 2] ayant une surface active de 1,1 x 1,1 mm[indice supérieur 2]. Les travaux de ce mémoire s'insèrent dans cet objectif ambitieux et s'attardent plus spécifiquement au nouveau préamplificateur de charge conçu pour optimiser le rapport signal sur bruit de la chaîne électronique, en accord avec les caractéristiques du nouveau module de détection LabPET[indice supérieur TM] II. L'optimisation du premier étage de la chaîne électronique de détection est directement liée aux caractéristiques du détecteur et également à la capacité équivalente rapportée à l'entrée. Le dimensionnement et les simulations du préamplificateur à l'aide des outils Cadence et Mathcad envisagent un gain de 1,73 mV/fC, un temps de montée intrinsèque de 6,5 ns et une charge équivalente de bruit en entrée de 370 é-rms + 25 é-rms/pF pour un filtre semi-Gaussien d'ordre 3 avec un temps de mise en forme optimal de 50 ns. Le temps de mise en forme se définit ici comme le temps que met le signal pour atteindre sa valeur maximale. Le circuit conçu a été fabriqué avec la technologie CMOSP18 de la compagnie Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) puis testé pour valider les performances simulées. Le préamplificateur de charge bien que fonctionnel présente quelques déviations par rapport aux résultats simulés, notamment au niveau des figures de bruit et du minimum de bruit ENC qui s'élève à 494 é-rms + 32 é-rms/pF. Malgré tout, ces résultats préliminaires laissent entrevoir de belles perspectives pour la prochaine chaîne électronique frontale de ce qui sera demain, le premier scanner à bimodalité TEP/TDM totalement intégrée dans une même chaîne électronique.

Ce travail de thèse s'inscrit dans une collaboration entre le groupe Application et Valorisation des Interactions Rayonnement-Matière et l'entreprise Hamamatsu pour l'étude d'une électronique dédiée et fortement intégrée destinée à équiper un photomultiplicateur multianodes de type H8500. De par leur faible zone morte et leur configuration multianodes, ces photomultiplicateurs permettent d'améliorer les performances des gamma-caméras utilisées en particulier pour le dépistage du cancer du sein (scintimammographie). Après avoir élaboré un cahier des charges à partir des tests effectués sur ces tubes photomultiplicateurs, une électronique d'acquisition spécifique est proposée. Elle est composée d'un préamplificateur de courant multigain, d'un intégrateur commuté et d'un convertisseur analogique-numérique à rampe. L'ensemble est autodéclenché sur le signal. Cette électronique à fait l'objet de plusieurs prototypes multivoies dont la conception et les résultats de tests sont présentés.

Le futur accélérateur linéraire à électrons est un nouveau défi technologique pour la communauté scientifique de la physique des particules. Le cahier des charges de l'électronique de lecture du calorimètre électromagnétique comporte plusieurs points critiques. En effet, les contraintes liées au coût, 34 millions de diodes silicium de $1cm^2$, à l'encombrement, $0,2cm^3$ par puce de 128 voies, à la consommation, <5mW par voie, et à la dynamique, rapport de 32.000 entre le plus grand signal et le bruit, impliquent la mise en oeuvre d'une électronique intégrée. Nous proposons une solution de traitement de l'information qui associera sur la même surface de silicium la partie traitement analogique et la conversion analogique numérique. Plusieurs prototypes de circuits réalisés dans une technologie CMOS 0,35microns nous ont permis de valider des éléments de l'architecture globale du système. Cette électronique se composera d'un préamplificateur de charge suivi d'un système multi-gain avec suppression en ligne des évènements non significatifs et d'un convertisseur analogique numérique sur 10bits. La mise en forme composant le système multi-gain sera réalisée avec un intégrateur à remise à zéro. Les résultats obtenus, qui répondent aux spécifications en temps et en dynamique du cahier des charges, confirment, à présent, la nécessité de mettre en place un système d'alimentation pulsé

Pour développer un hodoscope de faisceau en hadronthérapie, capable de localiser les ions dans le plan transverse et de les étiqueter en temps avec une précision de 1 nc et un taux de comptage de 100 000 000 HZ, nous avons mené des études de conception d'ASICs (Aplication Specific Integrated Circuits) de lecture à associer à des photomultiplicateurs multi-anode. Un front-end ASIC 16 voies en technologieAMS BiCMOS 0,35 µm a été conçu, fabriqué et testé. Il intégre, sur chaque voie, un convoyeur de courant avec deux sorties en étage d'entrée, et deux étages de sortie séparés qui sont respectivement un comparateur en courant et un préamplificateur de charge. Il réalise à la fois la détection d'évènements et la quantification de signal détecté. L'étude de conception a apporté des performances optimisées sur la dynamique d'entrée, la consommation d'énergie, la rapidité, le bruit. Le fonctionnement du circuit de lecture incorporé dans un système de test a aussi été vérifié par une expérimentation en faisceau. D'autre part, nous avons conçu un ASIC d'étiquetage en temps utilisant la technologie AMS CMOS 0,35 µm. Il est à base d'une boucle à verrouillage de délai analogique avec la mise en oeuvre de la méthode de mesure du "temps de vol", et dispose d'un mode d'entrée d'horloge LVDS (Low Voltage Differential Singaling) et d'une sortie de 5 bits en code Gray. Il fonctionne avec une résolution temporelle de 200 ps selon les résultats de tests. Ces études nous ont permis de lancer un nouveau projet de conception : intégrer sur une puce les fonctions électroniques que nous avons réalisées et validées.

Pour développer un hodoscope de faisceau en hadronthérapie, capable de localiser les ions dans le plan transverse et de les étiqueter en temps avec une précision de 1 nc et un taux de comptage de 100 000 000 HZ, nous avons mené des études de conception d'ASICs (Aplication Specific Integrated Circuits) de lecture à associer à des photomultiplicateurs multi-anode. Un front-end ASIC 16 voies en technologieAMS BiCMOS 0,35 µm a été conçu, fabriqué et testé. Il intégre, sur chaque voie, un convoyeur de courant avec deux sorties en étage d'entrée, et deux étages de sortie séparés qui sont respectivement un comparateur en courant et un préamplificateur de charge. Il réalise à la fois la détection d'évènements et la quantification de signal détecté. L'étude de conception a apporté des performances optimisées sur la dynamique d'entrée, la consommation d'énergie, la rapidité, le bruit. Le fonctionnement du circuit de lecture incorporé dans un système de test a aussi été vérifié par une expérimentation en faisceau. D'autre part, nous avons conçu un ASIC d'étiquetage en temps utilisant la technologie AMS CMOS 0,35 µm. Il est à base d'une boucle à verrouillage de délai analogique avec la mise en oeuvre de la méthode de mesure du "temps de vol", et dispose d'un mode d'entrée d'horloge LVDS (Low Voltage Differential Singaling) et d'une sortie de 5 bits en code Gray. Il fonctionne avec une résolution temporelle de 200 ps selon les résultats de tests. Ces études nous ont permis de lancer un nouveau projet de conception : intégrer sur une puce les fonctions électroniques que nous avons réalisées et validées. / To develop a beam hodoscope in hadrontherapy, able to localize the beam position and to get a time tagging with a accuracy of ~ 1ns at a count rate of 100 000 000 HZ, we have studied and designed read-out ASICs' (Application Specific Intergrated Circuits) to be associated with multi-anode photomultiplier. One of 16-channel front-end ASIC in 0,35 µm AMS BICMOS process ahs been designed, fabraicated and tested. Each channel consists to a current coveyor (with two current outputs) as an input stage, and two separat output stages wich are a current comparator and a charge-sensitive amplifier (CSA) respectively. It performs both signal-event detection and signal charge quantification. The design work includes optimization of circuit performances such as input dynamic range, power dissipation; speed and noise. The circuit has also ben incorporated in a test system and its opration has been verified by beam experimentation. On the other hand, we have also designed another ASIC in a 0.35 µm AMS CMOS process. Itn is based on an analog DLL (Delay Locked Loop) with implementation of the TOF (Time Of Flight) measuring method. It has a LVDS (Low Voltage Differential Signaling) clock input mode and a 5-bit Gray-code output. It operates with 200-ps timing rsolution according to test results. These studies have led us to launch a new design project: integrating the studied and validated electronic functions on a single chip.

Cette thèse est la R&D de l’électronique de front-end destinée à la camera de deuxième génération du télescope de grande taille LST de projet CTA, étant basée sur les détecteurs de type SiPM. Cette étude rassemble des équipes du LAPP, de l’université de Padoue, de l’INFN et du MPI de Munich. La première partie de cette thèse porte sur les tests de caractérisations d’une matrice de 16 SiPMs fabriquée par Hamamatsu. Les résultats de ces tests ont souligné les avantages qui pourraient être apportés par l’utilisation de tels détecteurs. Un cahier des charges pour l’électronique a été défini à l’issue de ces tests. Notamment, une nécessité de corriger la dispersion en gain entre les 16 pixels qui a été trouvée d’environ 10%. La seconde partie est la conception d’un circuit intégré (ASIC) qui pourrait lire les signaux des pixels -SiPM avec la moindre perturbation possible de fonctionnement du détecteur. Cet ASIC inclut des fonctions de contrôle (slow control) qui permettent l’ajustement de gain des pixels, l’amélioration de l’uniformité de gain et la possibilité de supprimer les canaux bruyants ou encore même le contournement du processus de contrôle de gain. Ces fonctionnalités peuvent unifier le gain de 16 canaux. Les sorties des 16 canaux seront sommées pour en faire deux signaux seulement à la sortie de l’ASIC. Ces deux signaux, un sur le haut gain et l’autre sur le bas gain seront fournis au système d’acquisition qui suivra l’ASIC. Une fonction de déclenchement génèrera un signal de trigger qui sera ainsi transmis au système d’acquisition. Cet ASIC a été réalisée avec la technologie AMS 0.35um BiCMOS. Les simulations ont montré une gamme dynamique linéairement couverte jusqu’à 2000 photoélectrons et la possibilité de mesurer le photoélectron unique grâce au bon rapport signal sur bruit électronique. Les tests au laboratoire confirment une grande partie de ces résultats. / This thesis is the R&D on front-end electronics for a second generation camera based on the SiPM detectors for the Large Size Telescope (LST) of the CTA project. It is a part of the SiPM collaboration involving the LAPP, the University of Padua, the INFN and the MPI in Munich. The first part of the thesis is the characterization of an array of 16 SiPMs from Hamamatsu. The study proves the advantages of using such detectors in the LST. It defines the specifications of the readout electronics that are the aim of this work. Especially that it should ameliorate the gain dispersion of the 16 pixels that was found of about 10%. The second part is the design of the readout ASIC. The scheme tends to measure the SiPMs’ signals with minimum disturbance of the detector. It integrates slow control facilities that adjust the detector’s gain, minimize the dispersion in gain and provide the possibility of deleting noisy channels or even completely jumping over the control process. These facilities could perfectly get rid of the gain dispersion. Outputs of the 16 pixels will be summed on both high gain and low gain so that only two signals are delivered to the acquisition system that follows. A trigger function will also generate a trigger signal to the acquisition system. The choice was made to realize this ASIC according to the rules of the AMS 0.35um BiCMOS technology. Simulation shows a linearly-covered dynamic range up to 2000 photoelectrons with good signal to noise ratio that allows the measurement of the single photoelectron. Laboratory tests confirm a great part of these results.

L’objectif de la présente thèse est d’évaluer les performances des micro-antennes, en cas d’emploi en spectroscopie in vivo et de prévoir les éventuelles améliorations, tout en respectant les contraintes en termes d’encombrement et de biocompatibilité imposées par des applications cérébrales sur modèle animal. Par conséquent, dans ce travail, il fallait également évaluer la sensibilité tout en comprenant le fonctionnement particulier de ces micro-capteurs, points qui n’avaient pas encore été explorés. Ce document est organisé en cinq chapitres, le Premier est un aperçu sur la situation du sujet par rapport à l’existant et un rappel technique sur les travaux déjà effectués en matière de réalisation et en rapport avec les différents métabolites «cibles». Le Chapitre II présente les développements instrumentaux entrepris en vue de l’amélioration des conditions de détection: optimisation de l’adaptation en puissance et de l’adaptation en bruit à l’entrée du spectromètre prise aussi en considération. La difficulté du maintien du modèle dans un espace restreint est solutionnée en proposant différents montages de réglages déportés. L’introduction d’un préamplificateur à faible bruit est également étudiée et réalisée sur la micro-antenne et une antenne de surface fait maison. La question importante de la limite de détection est abordée sous un angle théorique et expérimental dans le Chapitre III. L’intérêt de cette analyse est l’évaluation des performances de la micro-antenne, on verra que cette nouvelle notion permet également de qualifier une installation de spectroscopie (capteur associé à un spectromètre pour une expérience donnée). Une étude d’amélioration apportée sur la limite de détection (LOD) par la technique de pondération sera traitée et validée sur des acquisitions spectroscopiques. Le Chapitre IV est destinée dans un première partie, à travers les modélisations, à discuter les variations de la limite de détection pour certains changements structurels (la dimension et le positionnement de la micro-bobine). Dans la deuxième partie, une mise en application de la limite de détection, à travers les expériences spectroscopiques sera présentée dans le but de comparer les performances de capteurs existants: principalement une antenne commerciale, la micro-antenne et une antenne fait maison. La question de la biocompatibilité de ces microantennes implantables est traitée dans le Chapitre V. La réalisation de cette étude a été effectuée en amont des travaux théoriques et instrumentaux et a permis leurs développements avec une démarche plus pragmatique / The objective of this thesis is to evaluate the micro-coil performance, in spectroscopy in vivo and provide any improvements, while respecting the constraints in terms of obstruction and biocompatibility imposed by applications on brain of animal models. Therefore, this work had also to assess the sensitivity understanding of these particular micro-sensors, a notion that has not yet been explored. This document is organized into five chapters: the first one is an "overview" of state of art techniques and a reminder of the work already done in terms of production and in relation to different metabolite "targets". Chapter II presents the instrumental developments undertaken to improve the detection: optimization of adaptation in power and noise matching at the spectrometer input, were also taken into account. The difficulty of maintaining the animal model in a reduced space is solved by providing different configurations of remote settings. The introduction of a low-noise preamplifier is also studied and implemented. The important question of the limit of detection is approached from a theoretical point of view in Chapter III. The interest of this analysis is to assess the performance of micro-coil, we will point out that this new concept enables to describe a spectroscopy facility (sensor associated with a spectrometer for a given experiment). A study of enhancement of the limit of detection by the apodization technique will be addressed and validated on spectroscopy acquisitions. Chapter IV is an implementation in the first part, through modelling, to discuss changes in the limit of detection for some structural changes (size and positioning of the micro-coil). In the second part, an implementation of the limit of detection through spectroscopic experiments will be presented in order to compare the performance of existing coils: a commercial coil and a micro-coil. The biocompatibility of implantable micro-coil treated in Chapter V. The completion of this study was carried out upstream of the theoretical and instrumental aspects in chapter III and IV and that helped their development with a more pragmatic approach