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Solid State Div.HAMAMATSU
Photon is our Business
Multi-Pixel Photon Counter(MPPC)の開発
浜松ホトニクス株式会社
固体事業部 里健一
第2回次世代光センサーに関するワークショップ2006/12/7~8, 浜松
Solid State Div.HAMAMATSU
Photon is our Business
■ Multi-Pixel Photon Counter (MPPC)の開発
MPPCとは?• 多数のガイガーモードAPDとクエンチング抵抗からなる固体のフォトンカウンティング素子
• 特徴– 室温での動作が可能– 低バイアス電圧で動作(<100V)– 高ゲイン (10E+5~10E+6)– 磁場の影響を受けない– 高時間分解能
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■ ガイガーモードAPDとクエンチング抵抗
photon
ILiner-mode
Geiger-mode
VVbiasVbd
ON
OFF
charge
discharge
Vbias ( > Vbd )
quenching resistor
Geiger-mode APD
quenching
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■ MPPCの動作原理
MPPCの出力は各ピクセル出力の和となる
各ピクセルは光検出のOn-Off判定のみ行う
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■ピクセル数と応用分野
ダイナミックレンジ wide narrowMPPCピクセル数の60%位までの入射フォトン数に対して出力はリニアである。それ以上のフォトン数では一つのピクセルに対し複数個の入射が起こり始めるため、リニアリティは失われる。
開口率 low(10~40%) high(~90%)
25um pitch1600pixel
50um pitch400pixel
100um pitch100pixel
PETHEP calorimeter
Fluorescence meas.Neutrino detection
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■ News Release (10/26)
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■ MPPCのラインナップ
• Active-area : 1mm□– 1600 pixel-type (S10362-11-025U, C)
• 25um pixel pitch, 40 x 40 pixel
– 400 pixel-type (S10362-11-050U, C)• 50um pixel pitch, 20 x 20 pixel
– 100 pixel-type (S10362-11-100U, C)• 100um pixel pitch, 10 x 10 pixel
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■ MPPC仕様(1mm□)
1600 400 100
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■ MPPCの出力
MPPCの出力パルス高さからフォトン数をカウント
(リニアアンプを使用)
MPPCの出力電荷からフォトン数をカウント
(チャージアンプを使用)
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optical fiber photon
lightpulser attenuator MPPC charge amp. PC
trigger from a lightpulser
■ ゲイン測定
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1
137
273
409
545
681
817
953
1089
1225
1361
1497
1633
1769
1905
2041
2177
1p.e. 2p.e.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1
137
273
409
545
681
817
953
1089
1225
1361
1497
1633
1769
1905
2041
2177
1p.e. 2p.e.
PC view of MPPC output
MPPCの出力はAD変換されチャンネルに分けられます。AD変換量(クーロン/ch.)が既知であれば、1p.e.と2p.e.のピーク間チャンネルからゲインを求める事ができます。
ゲイン
=(ピーク間チャンネル数×AD変換量 )/ (1.6 × 10-19 )ADC channel
Freq
uenc
y
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0.0E+00
5.0E+05
1.0E+06
1.5E+06
2.0E+06
2.5E+06
3.0E+06
3.5E+06
69.5
69.6
69.7
69.8
69.9
70.0
70.1
70.2
70.3
70.4
70.5
70.6
Bias Voltage [V]
Gai
n
0.0E+00
2.0E+05
4.0E+05
6.0E+05
8.0E+05
1.0E+06
1.2E+06
1.4E+06
69.7
69.8
69.9
70.0
70.1
70.2
70.3
70.4
70.5
70.6
70.7
70.8
70.9
71.0
71.1
Bias Voltage [V]
Gai
n
0.0E+005.0E+041.0E+051.5E+052.0E+052.5E+053.0E+053.5E+054.0E+054.5E+055.0E+05
76.6
76.7
76.8
76.9
77.0
77.1
77.2
77.3
77.4
77.5
77.6
77.7
77.8
77.9
78.0
Bias Voltage [V]
Gai
n■ ゲインのバイアス依存性
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■ ゲインの温度依存性
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■ ダークカウント測定
1p.e., 2p.e.のパルス高さから、0.5p.e.と1.5p.e.のパルス高さに閾値を設定します。MPPCに光が入らない状態で、これらの閾値を超えたパルス数をカウントすることで、0.5p.e.と1.5p.e.それぞれでのダークカウント数を測定することができます。
optical fiber photon MPPC output
lightpulser attenuator MPPC liner amp. oscilloscope frequency counter
trigger from a lightpulser
104233281
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■ ダークカウントのバイアス依存性
0.1
1
10
100
1000
76.0
76.2
76.4
76.6
76.8
77.0
77.2
77.4
77.6
Bias Voltage [V]
dark count [Kcps] 0.1
1
10
100
1000
69.4
69.6
69.8
70.0
70.2
70.4
70.6
70.8
71.0
Bias Voltage [V]
dark count [Kcps]
0.1
1
10
100
1000
10000
69.6
69.8
70.0
70.2
70.4
70.6
70.8
71.0
Bias Voltage [V]
dark count [Kcps]
● : 0.5p.e. thr.
▲ : 1.5p.e. thr.
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■ ダークカウントの温度依存性
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■ Photon Detection Efficiency(PDE)
PDE は次式から導かれます
PDE = Q.E. x Fgeo x アバランシェ確率
Q.E. : Quantum Efficiency (量子効率)
Fgeo : 開口率
= S (active area) / S(total)
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■ PDE測定
1) PDの光電流から入射フォトン数を算出2) MPPCをPDと入れ替え測定
MPPCのゲインと出力電流から検出フォトン数を算出1) と 2)の比からPDEを求める
ammeter
Photon PD or MPPC
light source
Black-box PS for MPPC
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■ PDE
100 pixel type
400 pixel type
1600 pixel type
※λ=400nm, including the cross-talk and after pulse
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■ Time Transition Spread (T.T.S.)測定~MPPCの時間分解能測定~
photon Stop signal
lightpulser MPPC amp. LED TAC MCA
Start signal LED : Leading Edge DiscriminatorTAC : Time-to-Amplitude ConverterMCA : Multichannel Analyzer
MPPCに光が入ってからパルスが出力されるまでのジッターは、TACで時間に比例した高さを持つパルスに変換されます。この時間分布を統計的に処理する事で、MPPCの時間分解能を求めています。
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■ Time Transition Spread (T.T.S.)測定~MPPCの時間分解能測定~
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• クロストークの低減• 大面積化
– 3mm□ active area• 50um pitch, 3600 pixel type• 100um pitch, 900 pixel type
• 検査データの充実– エネルギー分解能
■MPPCの将来計画
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■MPPCの将来計画
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■MPPC module• 特徴
– ガイガーモード動作マルチピクセルAPD(MPPC)を使用– MPPCに最適な信号読み出し回路内蔵– 高圧回路および温度補償回路搭載– 3種類の出力形体(アナログ出力・コンパレータ出力・パルス計数値)– USBインターフェース搭載で、取り扱いが容易
(バスパワーによる駆動が可能)
– 小型、軽量• 応用
– 蛍光発光測定– 環境分析– 微弱光検出– 分析装置
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■MPPC モジュールの仕様
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■MPPC モジュールブロックダイアグラム
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• ペルチェ冷却タイプ
• ファイバー直結タイプ
■MPPC モジュールの将来計画