# name
Development of a fast-timing detector for Time-of-Flight Applications: enabling new opportunities in Positron Emission Tomography and Velocity Map Imaging Mass Spectrometry

# metadata.dc.contributor.other[].value
Universitat de Barcelona. Facultat de Física

# metadata.dc.description.abstract[].value
[eng] Silicon photomultipliers (SiPMs) have driven recent advances in time-of-flight radiation detectors owing to their single-photon sensitivity, excellent time resolution, and compact form factor. To support the development of fast and scalable detection systems, new front-end electronics are required that can process the fast signals from SiPMs while maintaining low power consumption and minimal size. Application-specific integrated circuits (ASICs) represent the most promising solution, offering a high degree of customization that enables the design of power-efficient, compact, and cost-effective electronic systems.
This thesis presents the design and testing of a novel SiPM-based radiation detector that employs the FastIC ASIC. FastIC is an analog front-end that extracts the arrival time and peak amplitude from eight SiPM channels, with a power consumption of approximately 12 mW per channel. This allows for the development of compact and scalable detector systems. The performance of the proposed detector is evaluated in two applications: time-of-flight positron emission tomography (TOF-PET) and time-of-flight mass spectrometry, with a particular focus on velocity map imaging mass spectrometry (VMImMS).
In time-of-flight positron emission tomography (TOF-PET), the com-bination of SiPMs and fast scintillators has enabled the achievement of coincidence time resolutions (CTR) below 200 ps FWHM in commercial scanners and below 100 ps FWHM in laboratory settings. However, sub-100 ps performance typically requires bulky, high-power electronics, limiting the scalability of these results for clinical systems. In this context, FastIC emerges as a promising candidate for achieving high timing performance with low power consumption.
To evaluate FastIC capabilities, I measured the CTR of single-channel detectors using modern SiPMs and scintillators. Using a 3 mm-thick LSO crystal coupled to an FBK SiPM, CTR values of approximately 76 ps FWHM were obtained. When using LYSO crystals with dimensions comparable to those in commercial scanners, CTR values around 127 ps FWHM were achieved. Measurements with pure Cherenkov radiators demonstrated that FastIC, in combination with SiPMs, can process prompt light with CTR performance comparable to that of high-power electronics reported in the literature.
 
In time-of-flight mass spectrometry (TOF-MS), SiPM-based detec-tors offer a promising alternative to conventional microchannel plate (MCP)-based detectors by addressing key limitations such as restricted ion rates, aging effects, the need for high vacuum conditions and low sensitivity for high mass-to-charge ratio (m/z) ions. Furthermore, due to limitations in MCP readout systems, current detectors are unable to achieve simultaneous sub-nanosecond time and sub-millimeter spa-tial resolution. This constraint prevents the measurement of full three-dimensional velocity distributions of molecular fragments in velocity-map imaging mass spectrometry (VMImMS).
The proposed ion detector consists of a fast scintillator, an array of SiPMs, and FastIC-based readout electronics. Two configurations are considered: direct ion detection using the scintillator, or enhanced signal amplification by employing first a single-stage MCP to convert the ions to thousand of electrons. A small prototype was developed, comprising a 16-channel SiPM array, a fast organic scintillator, and FastIC readout electronics. This prototype was tested in a custom-built velocity-map imaging TOF-MS instrument and used to acquire TOF-MS spectra of C3H6 and CF3I molecules. The detector successfully measured ions with m/z of 196 and 18, achieving time resolutions of approximately 3.3 ns and 2.5 ns FWHM, respectively, thus demonstrating its ability to reconstruct TOF-MS spectra with high precision. A key feature of the detector is its potential to operate at ion fluxes up to 109 cm−2 s−1, exceeding the performance of conventional MCP-based detectors.
The single-stage MCP configuration enhances sensitivity to ions with high m/z ratios while maintaining a high maximum ion processing rate. Two critical effects were investigated to assess the feasibility of using SiPMs for MCP readout: the impact of SiPM dark count rates (DCRs) on detector sensitivity, and the influence of time walk introduced by fluctuations in the MCP electron yield on time resolution. The first effect was mitigated by adjusting the FastIC discriminator threshold to achieve DCRs comparable to those of MCPs. An optimal threshold was identified at the 8 photoelectron (phe) level for an SiPM bias voltage of 55 V using a Hamamatsu device. To address the second effect, time walk was corrected by measuring signals of varying intensities from a picosecond laser, yielding a corrected time resolution of approximately 120 ps FWHM.
To achieve the sub-millimeter spatial resolution required for full 3D velocity imaging, a novel camera design was proposed. This design employs an MCP for signal amplification and an optical window to distribute scintillation light across multiple SiPMs. Monte Carlo simulations indicated that spatial resolutions below 200 µm can be attained, demonstrating the system capability to achieve sub-millimeter precision. Additional VMImMS simulations confirmed that, with the achieved time and spatial resolution, the detector can successfully measure the three-dimensional velocity distributions of molecular fragments.
The detector technologies developed in this thesis present significant opportunities across a broad range of applications. In medical imaging, improved time-of-flight resolution in PET detectors enhances image quality and sensitivity, enabling faster scans and supporting the development of more accessible and cost-effective systems. In mass spectrometry, a SiPM-based ion-to-photon detector facilitates the de-sign of compact and portable instruments suitable for high-throughput screening in fields such as drug discovery and toxicology. When combined with a MCP, the detector can achieve enhanced sensitivity to ions with high m/z ratios, expanding the potential of TOF-MS for pesonalized medicine. In velocity-map imaging, the capability to record three-dimensional molecular movies broadens its applicability to the study of more complex molecular systems.

# metadata.dc.description.abstract[].value
[cat] Els fotomultiplicadors de silici (SiPMs) han impulsat avenços en detectors de radiació amb temps de vol gràcies a la seva sensibilitat per a un sol fotó, excel·lent resolució temporal i format compacte. Per afavorir el desenvolupament de sistemes de detecció ràpids i escalables, és necessari dissenyar nova electrònica de front-end capaç de processar els senyals ràpids dels SiPMs mantenint un consum d’energia reduït i una mida compacta. Els circuits integrats per a una aplicació específica (ASICs) representen la solució més prometedora, ja que permeten un alt grau de personalització que possibilita el disseny de sistemes eficients energèticament, compactes i rendibles. Aquesta tesi presenta el disseny i la validació d’un nou detector de radiació basat en SiPMs que empra l’ASIC FastIC. El FastIC és un front-end analògic que extreu el temps d’arribada i l’amplitud màxima de vuit canals d’entrada connectats cadascun a un SiPM, amb un consum aproximat de 12 mW per canal. Això permet el desenvolupament de sistemes de detecció compactes i escalables. El rendiment del detector proposat s’ha avaluat en dues aplicacions: tomografia per emissió de positrons amb temps de vol (TOF-PET) i espectrometria de masses amb temps de vol, amb especial atenció a l’espectrometria de masses per imatge de mapa de velocitats (VMImMS). En TOF-PET, la combinació de SiPMs i centellejadors ràpids ha permès assolir resolucions de temps de coincidència (CTR) per sota dels 200 ps anchura a media altura (FWHM) en escàners comercials i per sota dels 100 ps FWHM en condicions de laboratori. No obstant això, aquest rendiment per sota dels 100 ps sovint requereix electrònica d’alt consum, fet que en dificulta l’escalabilitat per a sistemes clínics. En aquest context, el FastIC emergeix com un candidat prometedor per assolir alta precisió temporal amb baix consum d’energia. Per avaluar les capacitats del FastIC, es va mesurar el CTR de detectors d’un SiPM en combinació amb centellejadors moderns, connectat a una entrada de l’ASIC. Amb un cristall LSO de 3 mm de gruix acoblat a un SiPM de FBK, es van obtenir valors de CTR d’aproximadament 76 ps FWHM. Amb cristalls LYSO de dimensions comparables a les dels escàners comercials, es va obtenir un CTR de 127 ps FWHM. Les mesures amb radiadors Čerenkov purs van demostrar que el FastIC, combinat amb SiPMs, pot processar llum ultraràpida amb un rendiment temporal comparable al de l’electrònica d’alt consum reportada a la literatura. En espectrometria de masses amb temps de vol (TOF-MS), els detectors basats en SiPM ofereixen una alternativa prometedora als detectors convencionals basats en plaques de microcanals (MCP), ja que superen limitacions com la taxa d’ions restringida, l’envelliment, la necessitat de condicions de buit altes i la baixa sensibilitat per ions amb alta relació massa-càrrega (m/z). A més, les limitacions dels sistemes de lectura dels MCP impedeixen assolir simultàniament resolució temporal per sota del nanosegon i espacial per sota del mil·límetre, fet que dificulta mesurar les distribucions tridimensionals de velocitat dels fragments moleculars en VMImMS. El detector proposat consta d’un centellejador ràpid, una matriu de SiPMs i electrònica de lectura basada en FastIC. Es consideren dues configuracions: detecció directa d’ions amb el centellejador, o una amplificació de senyal mitjançant un MCP d’etapa única que converteix els ions en milers d’electrons. Es va desenvolupar un petit prototip format per una matriu de 16 SiPMs, un centellejador orgànic ràpid i electrònica de lectura FastIC. Aquest prototip es va provar en un instrument TOF-MS amb VMImMS dissenyat a mida, i es van adquirir espectres TOF-MS de molècules C₃H₆ i CF₃I. El detector va mesurar ions amb m/z de 196 i 18 amb resolucions temporals d’aproximadament 3.3 ns i 2.5 ns FWHM, respectivament, demostrant la seva capacitat per reconstruir espectres TOF-MS amb alta precisió. Una característica clau del detector és el seu potencial per operar amb fluxos d’ions de fins a 109cm−2s−1, superant el rendiment dels MCPs convencionals. La configuració amb MCP d’etapa única millora la sensibilitat per ions amb alta m/z mantenint una alta taxa màxima de processament d’ions. Es van investigar dos efectes clau per avaluar la viabilitat d’utilitzar SiPMs com a sistema de lectura dels MCPs: l’efecte del soroll fosc (DCR) dels SiPMs sobre la sensibilitat del detector i la influència del time walk causat per les variacions en el guany electrònic del MCP sobre la resolució temporal. El primer efecte es va mitigar ajustant el llindar del discriminador del FastIC per assolir DCRs comparables als dels MCPs. Es va identificar un llindar òptim de 8 fotoelectrons (phe) amb una tensió d’operació de 55 V en un SiPM de Hamamatsu. Per corregir el time walk, es van mesurar senyals d’intensitats diverses amb un làserde picosegons, obtenint una resolució temporal corregida d’aproximadament 120 ps FWHM. Per assolir la resolució espacial per sota del mil·límetre requerida per a la imatge completa de velocitat tridimensional, es proposa un nou disseny de càmera. Aquest disseny fa servir un MCP per amplificar el senyal i una finestra òptica que distribueix la llum de centelleig entre diversos SiPMs. Simulacions de Monte Carlo indiquen que es poden aconseguir resolucions espacials per sota dels 300 micròmetres, demostrant la capacitat del sistema per assolir precisions per sota del mil·límetre. Simulacions addicionals de VMImMS van confirmar que, amb les resolucions temporals i espacials assolides, el detector pot mesurar correctament les distribucions de velocitat tridimensionals dels fragments moleculars. Les tecnologies de detecció desenvolupades en aquesta tesi obren oportunitats significatives en una gran varietat d’aplicacions. En imatge mèdica, la millora de la resolució temporal en detectors TOF-PET incrementa la qualitat i sensibilitat de la imatge, permetent exploracions més ràpides i facilitant el desenvolupament de sistemes més assequibles i eficients. En espectrometria de masses, un detector basat en SiPMs que converteix ions en fotons possibilita instruments compactes i portàtils adequats per a cribratges massius en camps com el descobriment de fàrmacs i la toxicologia. Combinant-lo amb un MCP, es pot assolir una sensibilitat millorada per ions amb alta m/z, expandint el potencial de la TOF-MS en medicina personalitzada. En imatge de mapa de velocitats, la capacitat de registrar pel·lícules moleculars tridimensionals amplia l’abast cap a sistemes moleculars més complexos.

# metadata.dc.rights[].value
cc by-nc-nd (c) Mariscal Castilla, Antonio, 2025

# metadata.dc.subject.classification[].value
Espectrometria de masses de temps de vol

# metadata.dc.title[].value
Development of a fast-timing detector for Time-of-Flight Applications: enabling new opportunities in Positron Emission Tomography and Velocity Map Imaging Mass Spectrometry