Transcript Solid State Div. HAMAMATSU Photon is our Business

Photon is our Business
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
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
HAMAMATSU
Solid State Div.
Photon is our Business
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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
Vbias ( ＞ Vbd )
photon
I
quenching resistor
Liner Geiger
-mode -mode
quenching
ON
discharge
Geiger-mode APD
OFF
Vbd
HAMAMATSU
charge
Vbias
V
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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
PET
HEP calorimeter
25um pitch
1600pixel
Fluorescence meas.
Neutrino detection
50um pitch 100um pitch
400pixel
100pixel
ダイナミックレンジ wide
narrow
MPPC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%）
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high（～90%)
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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
HAMAMATSU
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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ゲイン測定
optical fiber
photon
1p.e.
1600
2p.e.
1400
1200
1000
800
600
400
200
MPPC
charge amp.
2177
2041
953
1905
1769
1633
1497
1361
1225
1089
817
681
545
409
PC
trigger from a lightpulser
PC view of MPPC output
1p.e.
1600
2p.e.
1400
Frequency
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。
273
1
attenuator
ゲイン
1200
1000
800
600
400
200
=（ピーク間チャンネル数×AD変換量 ）/ （1.6 × 10-19 ）
HAMAMATSU
2177
2041
1905
1769
1633
1497
1361
1225
1089
953
817
681
545
409
273
1
0
137
lightpulser　137
0
ADC channel
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■
ゲインのバイアス依存性
1.4E+06
1.2E+06
Gain
1.0E+06
8.0E+05
6.0E+05
5.0E+05
4.5E+05
4.0E+05
3.5E+05
3.0E+05
2.5E+05
2.0E+05
1.5E+05
1.0E+05
5.0E+04
0.0E+00
2.0E+05
71.1
71.0
70.9
70.8
70.7
70.6
70.5
70.4
70.3
70.2
70.1
70.0
69.9
69.8
69.7
0.0E+00
Bias Voltage [V]
3.5E+06
3.0E+06
Gain
78.0
77.9
77.8
77.7
2.0E+06
1.5E+06
1.0E+06
5.0E+05
70.6
70.5
70.4
70.3
70.2
70.1
70.0
69.9
69.8
69.7
69.6
0.0E+00
69.5
Bias Voltage [V]
77.6
77.5
77.4
77.3
77.2
77.1
77.0
76.9
76.8
76.7
2.5E+06
76.6
Gain
4.0E+05
Bias Voltage [V]
HAMAMATSU
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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
optical fiber
photon
MPPC output
１０４２３
3281
８
lightpulser
attenuator
MPPC
liner amp.
oscilloscope　frequency counter
trigger from a lightpulser
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。
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ダークカウントのバイアス依存性
dark count [Kcps]
1000
10
1
71.0
70.8
70.6
70.4
70.2
70.0
69.8
69.4
69.6
0.1
100
Bias Voltage [V]
10
10000
10
1
HAMAMATSU
71.0
70.8
70.6
70.4
70.2
0.1
70.0
▲ : 1.5p.e. thr.
100
69.8
● : 0.5p.e. thr.
1000
69.6
Bias Voltage [V]
77.6
77.4
77.2
77.0
76.8
76.6
76.4
76.2
0.1
dark count [Kcps]
1
76.0
dark count [Kcps]
1000
100
Bias Voltage [V]
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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
ammeter
Photon
PD or MPPC
light source
Black-box
PS for MPPC
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
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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
lightpulser
MPPC
Stop signal
amp.
Start signal
LED
TAC
MCA
LED : Leading Edge Discriminator
TAC : Time-to-Amplitude Converter
MCA : 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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■
MPPCの将来計画
• 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
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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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MPPC モジュールの将来計画
• ペルチェ冷却タイプ
• ファイバー直結タイプ
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