Multi-Pixel Photon Counter （ MPPC ）の開発

　 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



■ 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



■ 　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



■ 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



■ ピクセル数と応用分野

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% ）　　 high （～ 90%)

25um pitch1600pixel

50um pitch400pixel

100um pitch100pixel

PETHEP calorimeter

Fluorescence meas.Neutrino detection



■ News Release （ 10/26 ）



■ 　 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



■ MPPC 仕様（ 1mm□ ）1600 400 100



■ 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）



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

Fre

quen

cy



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



■ ゲインの温度依存性



■ 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

１０４２３８

3281



■ 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

cou

nt [

Kcp

s] 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

cou

nt [

Kcp

s]

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

cou

nt [

Kcp

s]

● : 0.5p.e. thr.

▲ : 1.5p.e. thr.



■ ダークカウントの温度依存性



■ 　 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)



■ 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



■ PDE

100 pixel type

400 pixel type

1600 pixel type

※λ=400nm, including the cross-talk and after pulse


Photon is our Business■ 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。


Photon is our Business■ Time Transition Spread （ T.T.S. ）測定

～ MPPC の時間分解能測定～



• 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



■ MPPC の将来計画



■ 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



■ MPPC モジュールの仕様



■ MPPC モジュールブロックダイアグラム



• 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

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