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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



■ 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 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



■ 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

Freq

uenc

y



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

１０４２３3281



■ 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.



■ 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



■ 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。



■ 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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