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 ■ 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 HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ 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 Solid State Div. Photon is our Business ■ 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 HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ 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%） HAMAMATSU high（～90%) Solid State Div. Photon is our Business ■ News Release （10/26） HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ 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 HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ MPPC仕様（1mm□） 1600 HAMAMATSU 400 100 Solid State Div. Photon is our Business ■ 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） HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ 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 Solid State Div. Photon is our Business ■ 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 Solid State Div. Photon is our Business ■ ゲインの温度依存性 HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ 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。 HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ 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] Solid State Div. Photon is our Business ■ ダークカウントの温度依存性 HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ 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) HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ 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 HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ PDE 100 pixel type 400 pixel type 1600 pixel type ※λ=400nm, including the cross-talk and after pulse HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ 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。 HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ Time Transition Spread （T.T.S.）測定 ～MPPCの時間分解能測定～ HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ 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 HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ MPPCの将来計画 HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ 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 HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ MPPC モジュールの仕様 HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ MPPC モジュールブロックダイアグラム HAMAMATSU Solid State Div. Photon is our Business ■ 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 HAMAMATSU Solid State Div.
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