シリコンフォトマルチプライヤ(SiPM、MPPC)ディテクター


  • Ideal for Low Light Applications and Single Photon Detection
  • Reflective Pulse Compression (RPC) Circuit Produces Fast Signals and Improved Dynamic Range
  • Integrated Thermoelectric Cooler (TEC) Reduces Dark Counts and Provides Consistent Gain
  • Undamaged by Overexposure to Incident Light

PDA45

SiPM Amplified Detector
3 mm x 3 mm Active Area

The PDA45 SiPM Amplified Detector as Part of the Prelude™ Functional Imaging Microscope

Related Items


Please Wait
SiPM Selection Guide
Item #Wavelength
Range
Active AreaPixel
Pitch
Dark Counts
(Typ. / Max)
Photon Detection
Efficiency (PDE)
Sample
Data
PDA44320 - 900 nm1.3 x 1.3 mm50 µm5 kcps / 13 kcps40%
PDA453 x 3 mm25 kcps / 72 kcps
PDA40350 - 1000 nmØ1.5 mm25 µm35 kcps /
90 kcps
30%
PDA4150 µm40%
PDA42Ø3.0 mm25 µm140 kcps /
350 kcps
30%
PDA4350 µm40%
SiPM PDE Comparison
Click to Enlarge

PDAシリーズSiPMディテクタの光子検出効率(PDE)の比較

特長

  • 単一光子の検出が可能
  • 一貫した単一光子のパルスエネルギーにより、複数の光子の同時計数が可能
  • 可視(VIS)と近赤外(NIR)の光に応答
  • 低い最大ダークカウント(暗計数)
  • 反射パルス圧縮(RPC)回路(特許出願中)により、SiPMの再充電に伴うテール信号を除去し、よりクリーンな信号取得が可能
  • 内蔵のTECによりダークカウントを低減し、一貫した利得を実現
  • 電源が付属

シリコンフォトマルチプライヤ(SiPM、シリコン光電子増倍素子)は、マルチピクセルフォトンカウンタ(MPPC)とも呼ばれている光ディテクタです。このディテクタはガイガーモードで動作するAPDをマルチピクセル化したもので、光子の計数用にお使いいただけます。SiPMディテクタ内の各ピクセルには降伏電圧以上のバイアス電圧がかけられるため、非常に低光量の検出に適しています。このディテクタは可視域および近赤外域で動作するように設計されており、受光面積や感度の異なる様々な製品をご用意しております。

SiPMディテクタはピクセルの配列で構成されており、ピクセルごとにアバランシェフォトダイオードとクエンチング抵抗が直列に接続されています。これらのピクセルを並列に接続し、受光面積として4種類(1.3 mm x 1.3 mm、Ø1.5 mm、Ø3.0 mmまたは3 mm x 3 mm)、ピクセルピッチとして2種類(25 µmまたは50 µm)のディテクタをご用意しています。SiPMディテクタには、APDピクセルが降伏電圧以上で動作するように外部バイアスをかけるため、強い電界が生じます。単一光子が吸収されて電子-正孔対が生じると、電界が電子を加速し、それに伴って衝突電離による2次電子が発生します。このアバランシェ効果による利得はSiPMディテクタの倍増率「M」とも呼ばれ、その値はバイアス電圧によって変化します。この動作原理の詳細は「チュートリアル」タブでご覧いただけます。

SiPMディテクタの温度は内蔵の熱電冷却器(TEC)により安定化されているため、モデルや設定に依存しますが、最大ダークカウントが13 kcps~350 kcpsと低く抑えられています。これらのSiPMディテクタのバイアスレベルは変えることができるため、利得や光子検出効率(PDE)を増加させることも可能です。しかし、バイアスレベルを上げると、クロストークや暗電流も増大し、ダークカウントの大きさも増大します。バイアスレベルを上げると走行時間による信号の広がり(TTS)も改善され、光が入射してからピクセルが信号を出力するまでの時間の変動が小さくなります。一般に、利得またはPDEを高くしたい場合はバイアスレベルを高く設定し、低ノイズにしたい場合は低く設定することができます。 バイアスレベルはディテクタ側面のノブで調整できます。1~10のラベルに従って10ステップで調整できます。各ステップにおける電圧レベルについては「仕様」タブのBias Levelsの表をご覧ください。

photo detector power supply
Click to Enlarge

PDA40と付属電源LDS12B。交換用の電源については下記をご参照ください。

SiPMディテクタの各モデルは、ピクセルサイズ、受光面積、および感度の組み合わせが異なります。一般に、ピクセルサイズが大きいと利得とPDEが高くなり、ピクセルサイズが小さいと応答が速く、ダイナミックレンジが広くなります。受光面積が大きいディテクタは、広いダイナミックレンジが必要な用途に適しており、受光面積が小さいディテクタは、早い応答速度と低いダークカウントが必要な用途に適しています。 すべてのモデルの詳細な仕様は「仕様」タブでご覧いただけます。SiPMディテクタのPDEは、光電子倍増管(PMT)の量子効率(QE)と同等です。しかしダイナミックレンジはSiPMディテクタの方がより広くなっています(「比較」タブ参照)。SiPMディテクタには、反射パルス圧縮(RPC:Reflective Pulse Compression)回路(特許出願中)も内蔵されており、それにより単一電子の応答信号からセルの再充電に伴うテール信号を効率的に除去することができ、個々のパルスをより明確に分離しやすい信号が得られます。RPC回路の詳細およびPMTとの比較については、「信号特性」タブをご覧ください。

すべてのSiPMディテクタにはSM1外ネジが付いています。また取外し可能なSM1内ネジ付きアダプタSM1T1と固定リングSM1RRが付属しており、Ø25 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)レンズチューブに取付けられます。当社のD4Tアリ溝アダプタを用いると、ディテクタのシステムへの取付け/取外しを素早く行うことができ、また適切にアライメントするために回転させることも可能になります。各ユニットの筐体には、M4および#8-32の両方のネジに対応するタップ穴が2つ付いており、Ø12 mmまたはØ12.7 mmポストを用いてディテクタを水平方向または垂直方向に取付けられます。

電源
各SiPM増幅ディテクタには、±12 Vリニア電源LDS12Bと国内用の電源コードが付属します。この電源は100、120、230VACのAC入力電圧に対応しています。 交換用の電源も別途ご用意しています(下記をご覧ください)。電源のACプラグをコンセントに差し込む前に、電源のAC入力電圧選択スイッチが適切なAC電圧に設定されていることを確認してください。電源へのAC電源投入は、電源本体のパワースイッチで行ってください。本体のスイッチを入れたままAC電源に接続することはお勧めしません。

以下の表の仕様値は、周囲温度Taが25 °C、ディテクタの温度が -10 °Cのときに測定された典型値です。バイアスレベルは、特記のない限り、Vbr + 5 V に設定しています。

Item #PDA44PDA45PDA40PDA41PDA42PDA43
Wavelength Range320 nm - 900 nm350 nm - 1000 nm
Peak Sensitivity450 nm600 nm
Active Area1.3 mm x 1.3 mm3 mm x 3 mmØ1.5 mmØ1.5 mmØ3.0 mmØ3.0 mm
Photon Detection Efficiency (PDE)a40%30%40%30%40%
Pixel Pitch50 µm25 µm50 µm25 µm50 µm
Number of Pixels66736002876724113442836
Fill Factor74% 63%81%63%81%
Dark Counts (Typ. / Max.)5 / 13 kcps25 / 72 kcps35 / 90 kcps140 / 350 kcps
Breakdown Voltage (Vbr)51.1 ± 5 V40.5 ± 5 V
Recommended Bias (V)Vbr + 3 VVbr + 5 V
Photon Pulse Height~100 mV
Photon Pulse Widthb4 ns
Crosstalk Probability3%1.5%5%1.5%5%
Gain1.7 x 1060.9 x 1063.6 x 1060.9 x 1063.6 x 106
Sample Data (Click to Enlarge)
Window MaterialBorosilicate Glass
Window Refractive Index1.52
CoolingTwo-Stage TE-Cooled
Cooling Set Point-10 °C
Power Consumptionc11 W
Output Voltage±2 V (Into 50 Ohm Load)
Operating Voltage100 / 120 / 230 VAC ± 10% 50 - 60 Hz
Operating Temperature (Non-Condensing)10 - 35 °C
Storage Temperature0 - 55 °C
  • %で表示されている値は、ピーク感度波長におけるPDEです。
  • FWHMの典型値
  • 電源LDS12B使用時のAC電源の最大消費電力

この表は各設定における典型的なバイアスレベルを表しています。各SiPMディテクタには、推奨するバイアス設定を記載したデバイス固有のデータシートが付属します。

Bias Levels (± 1.5 VDC)
SettingPDA44PDA45PDA40PDA41PDA42PDA43
150.039.5
252.041.2
354.042.8
456.044.5
557.846.3
659.848.0
761.749.7
863.751.5
965.553.0
1067.554.8

シングルフォトンディテクタの動作原理

ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオード(APD)は、単一光子を検出できる性能を有します。この単一光子を検出する感度は、APDのバイアス電圧を降伏電圧より高い電圧(図1のA点)に設定することで得られます。APDはA点で準安定状態を保ちますが、光子が到着するとアバランシェ(なだれ)が発生します(B点)。このアバランシェはAPD内のクエンチング抵抗によって抑制され(C点)、このときのバイアス電圧は降伏電圧(図1のVBR)よりも下がります。

Current Voltage Characteristics
Thorlabs Single Photon Counter SPCM in Geiger Mode
図1: ガイガーモードで動作させたアバランシェフォトダイオードの電流・電圧特性

その後、過剰バイアス電圧が復元されます(A点)。ダイオードのパルスデッドタイム(不感時間)と呼ばれるこの間は、APDは如何なる入射光子も検知しません。ダイオードは、準安定状態にあるときに、自発的にアバランシェを発生させることがあります。自発的なアバランシェがランダムに発生する場合、それらはダークカウントと呼ばれます。自発的なアバランシェが光子によって生じたパルスと時間的に相関している場合、それらはアフターパルスと呼ばれます。このような測定中のアフターパルスをブロックするために、計数モジュール用のソフトウェアを用いて追加のパルスデッドタイムを設定することができます。そうすることで、単一光子ディテクタの内部カウンタは、このパルスデッドタイムの間に生じるすべてのパルスを無視します。

各シリコンフォトマルチプライヤ(SiPM)ディテクタはピクセルのアレイで構成されており、各ピクセルは直列接続されたアバランシェフォトダイオードとクエンチング抵抗の組み合わせで構成されています。光がSiPMの1つのピクセルに入射すると、アバランシェ過程で生成された二次光子が隣接するピクセルによって検出され、そのピクセルが独自のパルスを生成する場合があります。この現象はクロストークと呼ばれます。

定義

ガイガーモード: このモードでは、ダイオードを降伏電圧よりわずかに高い電圧で動作させます。そうすることで、光子の吸収や熱ゆらぎによって生じる一対の電子・正孔ペアがトリガとなり、強いアバランシェ(なだれ)が発生します。

ダークカウントレート(暗計数率): 入射光が無い状態での計数率の平均値で、これにより実際の光子を計数するときの最小計数率が決定されます。誤検出のほとんどは熱に起因するため、ディテクタを冷却することで大きく抑制することができます。

デッドタイム(不感時間): ディテクタが測定可能な状態に戻るまでの時間を指します。この間、ディテクタは入射光子を検知しません。デッドタイムはアクティブクエンチング回路の避けられない特性ですが、その比率は入射した光子に対して検出されなかった光子の比率として定義することも可能です。SiPMディテクタ内の複数のピクセルが同時にデッド(不感)となる時間は、ディテクタのダイナミックレンジに影響します。

アフターパルス: アバランシェ過程にあるとき、一部の電荷がピクセルの高い電界領域にトラップされる場合があります。これらの電荷が放出されると、次のアバランシェを誘発します。これらのスプリアスな事象はアフターパルスと呼ばれます。トラップされた電荷の寿命は1マイクロ秒の数分の1程度です。従って、アフターパルスは信号パルスの直後に発生する可能性が高くなります。

クロストーク: 1つのピクセルで発生したアバランシェが、隣接するピクセルで二次的なアバランシェを誘起することを指します。クロストークが発生する可能性(クロストーク率)は、ディテクタの動作温度範囲内では温度依存性がほとんどありません。

SiPMの信号特性

SiPMディテクタの典型的な出力波形には、留意すべき特徴がいくつかあります(左下の図参照)。出力パルスは、ディテクタに入射する光子の数に比例します。ディテクタの受光面に複数の光子が入射すると、単一の光電子(1 p.e)の複数倍のパルスが生成されます。この 1 p.e.の振幅は、バイアスレベルを変化させることで増減させることができます。この信号は単一電子応答(SER)とも呼ばれ、降伏電圧(Vbr)よりも3 V~5 V高いバイアスレベルで、SERの公称値は約100 mV になります。

SiPMディテクタのSERの一般的な出力パルスは、非常に速い立ち上がりエッジの後に、比較的ゆっくりと減衰するテールが続きます。当社のPDAシリーズSiPMディテクタは、独自の反射パルス圧縮(RPC)回路を組み込むことで、SERパルスからセルの再充電に伴うテールを効果的に除去しています。これにより、以下に示すように、より鮮明でパルス同士を分離しやすい信号が得られます。

出力パルスは、入射光が無くても生成される暗電流の電子によって生成される場合があります。これらのパルスの振幅は通常1 p.e.で、光子によって生成されるパルスと区別できません。ダークカウントはほとんどが熱に起因するため、SiPMディテクタに組み込まれているTECによって大きく抑制されます。

アバランシェ過程にあるとき、1マイクロ秒の数分の1程度の間、一部の電荷が高い電界領域内にトラップされる場合があります。これらの電荷が解放されるとアバランシェを誘発する場合があり、このスプリアスな事象はアフターパルスと呼ばれます。アバランシェを誘発するまでの遅延時間を考慮すると、これらのアフターパルスは光子カウントまたはダークカウントのパルスの後に発生し、その振幅は一般に1 p.e.よりも小さくなります。

SiPMディテクタはマルチピクセルのデバイスであるため、1つのピクセルから放出された光子が隣接するピクセルに到達する可能性があり、そのときは2つ目のピクセルでもほぼ同時にパルスが発生します。これはクロスークとして知られており、そのときの2 p.e.の出力パルスは2光子による信号と区別できません。

バイアスレベルは、SERの振幅に影響するだけでなく、SiPMディテクタの暗電流とクロストークにも影響します。バイアス レベルを上げるとクロストーク率と利得が増大し、暗電流の増大につながります。そのため、低ノイズを求められる用途ではバイアス レベルを低くすることをお勧めします。バイアス レベルの設定が高すぎると、SiPMディテクタが露光過剰となってシステムが飽和し、また熱的な理由でディテクタがシャットダウンする可能性があります。温度が基準値に戻ると(通常は数秒かかります)、SiPMディテクタは再び自動的に信号の収集を開始します。光電子増倍管(PMT)とは異なり、露光過剰による損傷リスクは無く、また追加の入力操作やパワーサイクル(電源再投入)などは必要ありません。このダウンタイムを回避するには、バイアス レベルを下げる、NDフィルタを取り付けて入射光を制限する、あるいはその両方を行うといった方法をとることができます。

SiPM RPC
Click to Enlarge

補償回路無しのときの単一電子応答(SER)パルスのシミュレーション結果と、当社の反射パルス圧縮(RPC)回路を使用したときのSERパルスの比較
SiPM Signal
Click to Enlarge

SiPMディテクタの出力信号の重ね描き
PMTと SiPMを用いたイメージングの比較

光電子増倍管(PMT)との比較

シリコンフォトマルチプライヤ(SiPM)と光電子増倍管 (PMT)は、動作と特性が類似しているためよく比較されます。どちらのディテクタも非常に弱い信号を増幅することができ、同レベルの利得が得られます。一般に PMTは受光面積が大きく、一方のSiPMはサイズがコンパクトです。ディテクタの光検出効率は同等ですが、SiPMは必要とする動作電圧がはるかに低く、磁場の影響を受けず、さらにより広いダイナミック レンジを有します。

PMTとSiPMを使用して取得した画像を直接比較した様子を、右の動画でご覧いただけます。多光子イメージング顕微鏡のBergamo®を使用してGFP標識された脳組織を観察していますが、多光子励起は920 nmのレーザで行い、525 nmのバンドパスフィルタを用いています。また、50:50ビームスプリッタを使用して、光電子増倍管PMT2101とシリコンフォトマルチプライヤPDA45に同時に同じ強度の光が入射するようにしています。レーザーパワーが増大すると、PMTは信号が飽和してシャットダウンしますが、SiPMはイメージングを続けることができ、ダイナミックレンジが広いことを示しています。この比較は、SiPMによる画質とPMTによる画質が同等であることも示しています。


Posted Comments:
公憲 前田  (posted 2023-10-13 20:20:02.24)
この新しいDetectorPDA45に興味があります.蛍光顕微鏡の発光の定量測定を考えていますが,さしあたってはフォトンカウンティングではなくDCでの測定,ピコアンメータへの接続による発光量の定量測定や低周波数ロックインアンプでの利用を考えています.子のディテクタはフォトンカウンティングが強調されていますが,ガイガーモードでの使用しかできないのでしょうか?それとも一般のPMT同様のCWでの利用も可能でしょうか?よろしくお願いします.
ksosnowski  (posted 2023-10-18 03:05:18.0)
Thanks for reaching out to Thorlabs. You asked about using these detectors with CW sources. As these PDA series Avalanche Detectors operate in the Geiger mode, the dead time after an incoming pulse may make this unsuitable for CW applications. We do have APDs operating in a standard DC bias mode like our APD130A which may be more suitable for this application. My colleagues from your local Tech Support team have reached out directly to discuss your application in further detail. 

シリコンフォトマルチプライヤ(SiPM)ディテクタ

  • 波長範囲: 320 nm~900 nmまたは350 nm~1000 nm
  • 受光面積(4種類): 1.3 mm x 1.3 mm、3 mm x 3 mm、Ø1.5 mm、Ø3.0 mm
    • ピクセルピッチ(2種類):25 µm、50 µm
  • 低い最大ダークカウント
  • 高い光子検出効率(PDE):30%または40%
  • 調整可能なバイアスレベル

シリコンフォトマルチプライヤ(SiPM)ディテクタは、可視(VIS)~近赤外(NIR)の波長域で高い光子検出効率(PDE)を有します。バイアスレベルは調整することができます。高いバイアスに設定して高いPDEと利得が得られるようすることも、低いバイアスに設定してダークカウントとクロストーク率を低減することも可能です。光電子倍増管(PMT)とは異なり、これらのSiPMディテクタは磁場の影響を受けず、また不要な周囲光によって損傷を受けることもありません。SiPMディテクタは、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオード(APD)とクエンチング抵抗を直列に接続し、それらをさらに並列に接続して大きなアレイ構造にしています。そうすることで、大きな受光面積と広いダイナミックレンジを実現しています。

光学系に組み込むときのために、SiPMディテクタにはSM1外ネジが付いており、Ø25 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)光学素子用レンズチューブにも取付け可能です。ディテクタには、脱着可能なカプラSM1T1(SM1外ネジを内ネジに変換可能)、固定リングSM1RR、およびダストキャップSM1EC2Bが付属しています。当社のD4Tアリ溝アダプタを用いると、ディテクタのシステムへの取付け/取外しを素早く行うことができ、また適切にアライメントするために回転させることも可能になります。ユニットの筐体には、M4および#8-32の両方のネジに対応するタップ穴が2つ付いており、Ø12 mmまたはØ12.7 mmポストを用いてディテクタを水平方向または垂直方向に取付けられます。各ディテクタには100 VACに対応する±12 Vリニア電源と国内用電源コードが付属します。

+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
PDA44 Support Documentation
PDA44SiPMディテクタ、320~900 nm、受光面積1.3 mm x 1.3 mm、ピクセルピッチ50 µm
¥223,584
Lead Time
PDA45 Support Documentation
PDA45SiPMディテクタ、320~900 nm、受光面積3 mm x 3 mm、ピクセルピッチ50 µm
¥237,558
7-10 Days
PDA40 Support Documentation
PDA40SiPMディテクタ、350~1000 nm、受光面積Ø1.5 mm、ピクセルピッチ25 µm
¥241,052
7-10 Days
PDA41 Support Documentation
PDA41SiPMディテクタ、350~ 1000 nm、受光面積Ø1.5 mm、ピクセルピッチ50 µm
¥223,584
Lead Time
PDA42 Support Documentation
PDA42SiPMディテクタ、350~ 1000 nm、受光面積Ø3.0 mm、ピクセルピッチ25 µm
¥237,558
Lead Time
PDA43 Support Documentation
PDA43SiPMディテクタ、350~1000 nm、受光面積Ø3.0 mm、ピクセルピッチ50 µm
¥237,558
7-10 Days

±12 VDC安定化リニア電源

  • シリコンフォトマルチプライヤ(SiPM)ディテクタ用電源、交換用
  • 出力電圧:±12 VDC
  • 短絡とオーバーロードに対して保護するための電流リミット機能
  • LED表示付きのOn/Offスイッチ
  • AC入力電圧はスイッチ切り替え可能(100/120/230 VAC)
  • 長さ2 mのケーブル、LUMBERG製オス型コネクタRSMV3付き

±12 VDCの安定化リニア電源LDS12Bは、上記のSiPMフォトディテクタに付属する電源の交換用製品です。ケーブルに付いているコネクタは3ピンで、それぞれグランド用、+12 V用、-12 V用です(上図参照)。電源には日本国内用の電源コードが付属します。また、この電源は当社のPDAシリーズ増幅ディテクタPDBシリーズバランスディテクタAPDシリーズアバランシェフォトディテクタPMMシリーズ光電子増倍管モジュールおよびフェムト秒レーザ用オートコリレータFSACにも対応しています。

+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
LDS12B Support Documentation
LDS12B±12 VDC出力ACアダプタ、6W、100/120/230 VAC
¥12,816
Today