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Core Expertise
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(Fleming)
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Braun)
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PhotomultiplierTube (RCA)
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SPM• High Performance• Low Operational Voltage <100 V• Room Temperature Operation• Insensitive to Magnetic Fields• Minimum Electronics• Rugged & Compact
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Geiger mode operation
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SPM Concept
Geiger mode PCFixed magnitude output, regardless of photon fluxbinary counting device
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Silicon Photomultiplier (SPM)Array of Geiger mode Diodes Signal is proportional to photon flux
Analog Detector
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Roadmap• Optimise Green
Device for Green• Optimise Green
Device for Blue• Develop PonN for
Blue and Deep UV• Arrays – 4 side
Buttable• Fast Electronics • Readout
architecture
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Application AreasAnalytical Instruments
- Flow Cytometry- Confocal Microscopy- Microarray Scanning/HTS- FLIM (Fluor. Lifetime Measurement)- TRF, FRET, FCS - Raman Spectrometry- Spectrometer- Mass Spectrometry- Retina Scanning- HPLC (Liquid Chromatography)- Microfluidic Based Imaging- Atomic Emission- Food Sorting- Particle Sizing
POC/POU Biodiagnostics- Protein Sequencing- DNA Sequencing- Gene Sequencing- CE (Capillary Electrophoresis)- Chemiluminescence- Nitric Oxide Detection- Breath Monitoring- Environment Monitoring- Water Monitoring- Fluorescence- Luminescence
Inspection- Semiconductor Inspection- Pharmaceutical Inspection- LED Inspection
Nuclear Medicine- PET- SPECT- Gamma Camera
Radiation Detection / HEP- Radiation Monitoring- High Energy Physics- Oil & Gas Exploration (Gamma Rays)- X Ray Detection
Telecoms- Quantum Cryptography- Quantum Systems- Point to Point Communications
Night Vision / Imaging- Collision Avoidance (automobile)- Adaptive Optics (astronomy)- Geo Survey Systems- Sub-terrain Survey Systems- LIDAR- Laser Radar- Range Finding- 3D Camera- Face Profiling- Robot Guidance
- Night/Security Imaging- Geo Survey Systems- Sub-terrain Survey Systems- OCT/OCT (Optical Tomography)- Astronomy
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- Adaptive Optics (astronomy)- Geo Survey Systems
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- DNA Sequencing- Gene Sequencing
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- Gene Sequencing- CE (Capillary Electrophoresis)
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- CE (Capillary Electrophoresis)- Chemiluminescence
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Large Area Low Light Sensing
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• Large area ~2m2
• High magnetic field 2.5Tesla
• Detectors must have high uniformity
• 10-100 green photons per event
• Final detector will be 25 tons with– 5000 km of fibre– 2500 SPMArrays
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先Detectors must have high 锋
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Detectors must have high 锋科技股份有限公司
Detectors must have high uniformity
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uniformity10-100 green photons per
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– 5000 km of fibre
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5000 km of fibre2500 SPMArrays
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Large Area Solution
• Provide array of SPM detectors
• Each detector summed to provide large detection area ~1.3cmx1.3cm
• Detectors array matched to light guide
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锋科技股份有限公司Provide array of SPM
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先锋科技股份有限公司Large Area Solution
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large detection area ~1.3cmx1.3cm
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Conclusions
• SensL has developed novel low light detection technology
• Significant performance advantages over existing vacuum tube PMT solution
• Technology being applied to real world applications– Next generation PET – Nuclear Medicine– High energy physics– Biomedical markets, Laser ranging, timing
• Flexible architectures with High Volume capabilities
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detection technologySignificant performance advantages over
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Next generation PET – Nuclear Medicine
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applicationsNext generation PET – Nuclear Medicine
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Next generation PET – Nuclear MedicineHigh energy physics
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Flexible architectures with High Volume
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Flexible architectures with High Volume
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Backup Material
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SensL Silicon Photomultiplier
• Utilises SensL's core photon counting diode
• Large area and high uniformity
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Analog – Silicon Photomultiplier
SPMMini High Performance High Gain APD
SPMPlus – Summed Output Large Area High Gain APD
Large Area PMT
SPMMicro Low Cost High Gain APD
SPMArray – PixelatedLarge Area Array of SPM
Multi-Anode or Position Sensitive PMT
SPMScint Low Cost High Gain APD in Epoxy package for Scintillator applications
SPMMicro
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SPM Key parameters
• 1mm-3mm diameter sensitive area
• Fixed resistor value across all cells
• Scale size through novel packaging
74
216
400
848
No. Cells
6850um
5935um
Fill Factor (%)
Cell size
81100um
4320um• High Gain
• Dark Rate improvements
• Cross-talk reduction
• High PDE
• Scalable Active Area
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Fixed resistor value across all cells
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Fixed resistor value across all cells
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No. Cells
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Gain
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Gain
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Current-Voltage Plot
• Dark count (IR30)
• Breakdown voltage (Vbr)
• Leakage current (IR26)
• A simple IV plot contains a lot of information…
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Gain
20um microcell, 2V over
35um microcell, 2V over• The pulse from a microcell
breakdown is well quantised• Flashing a fast, low light level
LED, the levels can be resolved• Acquiring a charge histogram
allows a direct measurement of the gain
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The pulse from a microcell breakdown is well quantised
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Gain• Gain is simply the charge generated in one cell breakdown
» Q = C*∆ V
• Gain scales with area• Breakdown voltage can be extrapolated• Gains 5x105 – 8x106
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Gain is simply the charge generated in one cell breakdownQ = C*
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∆
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20um
35um
50um
Dark count rate with bias
• Dark count rate is linear with bias up to 4.5V over• Increases linearly with fill factor (active area)
• < 1 MHz @ 4V over, for all 1mm SPM
• < 500 kHz @ 2V over, for all 1mm SPM
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< 1 MHz @ 4V over, for all 1mm SPM
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< 500 kHz @ 2V over,
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Dark Count Improvements
• Two order of magnitude improvement over 18 months• ~200 Hz @2V over for a circular 20um microcell
PROCESS IMPROVEMENTS - DARK COUNTCR-2V over / RT (Hz)
10
100
1,000
10,000
100,000
Jun 06 Jul 06 Aug 06 Sep 06 Nov 06 Apr 07 Oct 07
DARK COUNT IMPROVEMENT TIMELINE
DA
RK
CO
UN
T ( H
Z )
LOG
SC
ALE
30 kHz
200 Hz
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T ( H
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DARK COUNT IMPROVEMENT TIMELINE 锋科技股份有限公司
Two order of magnitude improvement over 18 months
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Two order of magnitude improvement over 18 months~200 Hz @2V over for a circular 20um microcell
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Timing
• Recovery time is RC of the microcell
• R is fixed but C varies as the microcell area
• Parasitics should also be considered
• Avalanche onset time is equal (~3ns)• Determined by interaction of
SPM+readout • Improved timing now major focus
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• Parasitics should also be 锋科技股份有限公司
Parasitics should also be considered
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Avalanche onset time is equal (~3ns)Determined by interaction of
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Crosstalk
*J. C. Jackson, et al Optical Engineering, January, 2003
Single photoelectron pulses
Double pulse
• Produces excess noise effect
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*J. C. Jackson, et al Optical Engineering, January, 2003
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Crosstalk II• Devices with trenches have been tested• Characteristics (incl. FF) are identical to non-trench• Compare ratio of count rates at the 0.5 p.e. and 1.5 p.e. threshold level• Crosstalk reduction to <2%
FF= 43%
20um
50um
FF= 70%
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Devices with trenches have been testedwww.detectorteo.com
Devices with trenches have been testedCharacteristics (incl. FF) are identical to non-trench
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Characteristics (incl. FF) are identical to non-trenchCompare ratio of count rates at the 0.5 p.e. and 1.5 p.e. threshold level
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Compare ratio of count rates at the 0.5 p.e. and 1.5 p.e. threshold level
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FF= 43%
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Photon Detection Efficiency
PDE = QE * AIP * FF
Peak of 42% at 500nm
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PDE = QE * AIP * FF
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PDE = QE * AIP * FFPDE = QE * AIP * FF
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PDE II• Fill factors vary between 43 - 81%, depending on cell size• Dead area accounts for quench resistor, metal tracks,
trenches
Valeri Saveliev, NDIP, Beaune, 2005
18 - 35% at 500nm
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Fill factors vary between 43 - 81%, depending on cell size
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Fill factors vary between 43 - 81%, depending on cell sizewww.detectorteo.com
Fill factors vary between 43 - 81%, depending on cell sizeDead area accounts for quench resistor, metal tracks,
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Dead area accounts for quench resistor, metal tracks,
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8th May, 2008 Proprietary and Confidential 42
3 x 3mm2 SPM
594001 x 1
3640
No. Cells
592.85 x 2.85
Fill Factor (%)
Size (mm2)
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Fill Factor
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2.85 x 2.85
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May, 2008
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8th May, 2008 Proprietary and Confidential 43
3mm SPM
● Active area X9
● Dark rate X9
● Dynamic range X9
● Timing the same
● Gain the same
● PDE the same
● Building block for arrays
Fast pulsed low light level LED on a 3mm, 35um microcell SPM
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先锋科技股份有限公司3mm SPM
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●
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● Dark rate X9
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Dark rate X9
Dynamic range X9
先锋科技股份有限公司Dynamic range X9 Timing the same
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Timing the same
Gain the same
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Gain the same
Building block for arrays
www.detectorteo.com Building block for arrays
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Fast pulsed low light level LED on a 3mm, 35um microcell SPM
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Fast pulsed low light level LED on a 3mm, 35um microcell SPM
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8th May, 2008 Proprietary and Confidential 44
LSO Energy Resolution
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先锋科技股份有限公司LSO Energy Resolution
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8th May, 2008 Proprietary and Confidential 45
Linearity of LSO Spectra
Bias = 31.5V
662keV, 11.6%
511keV, 14.1%
Linearity = 4.4%
Bias = 32V
662keV, 10.9%
511keV, 13.2%
Linearity = 9.4%
4x4x20mm3, LSO on 3mm 35um microcell SPM
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先锋科技股份有限公司Linearity of LSO Spectra
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, LSO on 3mm 35um microcell SPMwww.detectorteo.com
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, LSO on 3mm 35um microcell SPM
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511keV, 14.1%锋科技股份有限公司
511keV, 14.1%
Linearity = 4.4%
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8th May, 2008 Proprietary and Confidential 46
Effect of Shaping Time
4512.9%1us
13.1%
12.8%
12.7%
Energy Resolution @ 662keV
Threshold (keV)
Shaping Time
22250ns
553us
30500ns
• Effect of increased noise without changing other factors• Energy resolution is not greatly affected• The low energy threshold needs to be increased
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Effect of increased noise without changing other factorsEnergy resolution is not greatly affected
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Energy resolution is not greatly affectedThe low energy threshold needs to be increased
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Shaping
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12.8%
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12.8%
12.7%www.detectorteo.com
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8th May, 2008 Proprietary and Confidential 47
Coincidence Resolving Time
500ps FWHM
5ns delay
• The set up consisted of a 4x4x20mm LSO crystal coupled to a 3mm SPM, in coincidence with a fast PMT coupled to a 25mm right cylinder of LaBr3.• The contribution from the PMT is known to be 160ps.• Therefore we can assume that the CRT between two SPMs + LSO would be ~700ps
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The set up consisted of a 4x4x20mm LSO crystal coupled to a 3mm SPM, in
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The set up consisted of a 4x4x20mm LSO crystal coupled to a 3mm SPM, in
Therefore we can assume that the CRT between two SPMs + LSO would be ~700ps
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The set up consisted of a 4x4x20mm LSO crystal coupled to a 3mm SPM, in coincidence with a fast PMT coupled to a 25mm right cylinder of LaBr
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coincidence with a fast PMT coupled to a 25mm right cylinder of LaBrThe contribution from the PMT is known to be 160ps.
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The contribution from the PMT is known to be 160ps.Therefore we can assume that the CRT between two SPMs + LSO would be ~700ps
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Therefore we can assume that the CRT between two SPMs + LSO would be ~700ps
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