DE3884490T2

DE3884490T2 - Einrichtung zum Abtasten, Analysieren und Anzeigen eines elektrischen Signals.

Info

Publication number: DE3884490T2
Application number: DE88111265T
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Takiguchi
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1987-07-14
Filing date: 1988-07-13
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2008-07-14
Also published as: US4891581A; EP0299465B1; EP0299465A3; EP0299465A2; DE3884490D1

Description

Photoelektronenmeßvorrichtung in Übereinstimmung mit Anspruch 1.
Es sind Verfahren zur Beobachtung von Hochgeschwindigkeits-Erscheinungen bekannt, bei denen ein sich wiederholendes Hochgeschwindigkeitssignal in vorbestimmten Intervallen abgetastet wird, um auf eine vorbestimmte Frequenz herabgesetzt zu werden. Bei einem Verfahren wird z.B. eine Abtastpentode bereitgestellt, die eine thermische Elekronenquelle zum Analysieren elektrischer Signale verwendet, wo das Gitter der Pentode normalerweise mit einer Sperrspannung vorgespannt ist und ein Strom fließt, wenn ein negativer Abtastimpuls an die Kathode angelegt wird. Bei einem anderen Verfahren sind Dioden zu einer Mischerschaltung angeordnet, und wenn ein Abtastimpuls an die Mischerschaltung angelegt wird, fließt infolge der Diodeneigenschaften ein Signalstrom. Bei einem weiteren Verfahren wird ein elektrooptischer Kristall verwendet, und die Abtastung erfolgt auf der Basis der Ein/Aus-Charakteristik des Kristalls.
Alle vorangehenden Verfahren haben jedoch leistungshemmende Nachteile. Besonders das Abtastpentodenverfahren, das die thermische Elektronenquelle benutzt, zeigt angesichts der thermischen Elektronenquelle ein schlechtes Frequenzverhalten gegenüber dem Abtastsignal. Das Verfahren mit der Diodenmischerschaltung spricht wegen der Beschränkungen der Diodenansprecheigenschaften auf Abtastsignale von nur etwa 20 ps an und zeigt auch ein erhebliches Zittern. Ferner mangelt es dem Verfahren, das den elektrooptischen Kristall verwendet, an Zuverlässigkeit, da der Kristall gegenüber Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen empfindlich ist. Außerdem ist keines der herkömmlichen Verfahren in der Lage, die Wellenform eines elektrischen Signals in zwei Dimensionen auszulesen.
Eine elektrische Hochgeschwindigkeits-Abtastvorrichtung ist auch aus dem Dokument 'APPLIED PHYSICS LETTERS' Vol. 49, Nr. 6, 8.86, Seiten 357-359, bekannt, das eine Methode zur kontaktlosen Abtastung elektrischer Hochgeschwindigkeitssignale beschreibt, wobei ein Laser Femtosekunden-(fs)-Impulse bereitstellt. Ein erster Strahl wird in eine Vakuumkammer geleitet und durch eine Linse auf einer Goldprobe fokussiert. Ein zu messendes Signal wird ebenfalls der Probe zugeführt. Eine über der Probenoberfläche angebrachte planare Kupferanode arbeitet als ein Detektor, und ein DC-vorgespannter Drahtschirm unter der Anode bildet ein Extraktionsfeld.
Bei Zeitauflösungsversuchen werden elektrische Impulse durch Fokussieren eines zweiten Lichtstrahls von dem Laser auf einen Hochgeschwindigkeits-Photodetektor erzeugt, der mit der Probe verbunden ist und sich außerhalb der Vakuumkammer befindet.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Photoelektronen-Abtastvorrichtung, die die vorangehenden Probleme und Nachteile früherer Abtasteinrichtungen überwindet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Photoelektronen-Abtastvorrichtung mit einem guten S/N-Verhältnis.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Photoelektronen-Abtastvorrichtung zum Analysieren und Darstellen eines elektrischen Signals mit hoher Auflösung.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfüllt.
Bei einer erfindungsgemäßen Photoelektronen-Abtastvorrichtung werden Photoelektronenpulse im Bereich von Femtosekunden bis Picosekunden, die erzeugt werden, wenn ein Lichtpuls ähnlicher Dauer auf eine Photokathode einfällt, durch ein zu messendes elektrisches Signal, das an eine Signalelektrode angelegt wird, moduliert. Dieses modulierte Signal wird verwendet, um die abgetastete Wellenform des zu messenden elektrischen Signals bereitzustellen. Ferner wird eine zweidimensionale Bildinformation für jede Verschiebung durch Ablenken der abgetasteten Wellenform in Übereinstimmung mit der Zeitdifferenz zwischen dem Abtastsignal und dem zu messenden Signal erhalten. Die Wellenform des elektrischen Signals wird zum Analysieren und Verarbeiten in eine zweidimensionale Bilddarstellung umgewandelt.
Die Art und Weise, in der die obigen Aufgaben und andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile erzielt werden, wird aus der folgenden, detaillierten Beschreibung voll ersichtlich, wenn sie angesichts der Zeichnungen in Betracht gezogen wird.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Photoelektronen-Abtastvorrichtung.
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer anderen Ausführung einer erfindungsgemäßen Photoelektronen-Abtastvorrichtung.
Fig. 3 ist eine Zeichnung eines Aufbaus einer in der vorliegenden Erfindung verwendeten Photoelektronen-Abtaströhre.
Fig. 4 ist eine Zeichnung, die ein Beispiel der an die in Fig. 3 gezeigte Photoelektronen-Abtaströhre angelegten Spannungen zeigt.
Fig. 5 zeigt eine Photoelektronen-Abtaströhre ähnlicher Art, die keine Fokuselektroden benötigt.
Fig. 6 ist ein Blockschaltbild einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren und Darstellen eines elektrischen Signals.
Fig. 7 ist ein Blockschaltbild einer anderen Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren und Darstellen eines elektrischen Signals.
Fig. 8 ist eine Zeichnung eines Aufbaus einer elektrischen Signaldarstellungseinheit.
Fig. 9 ist eine Zeichnung einer anderen Ausführung einer elektrischen Signaldarstellungseinheit, bei der eine Bildinformation durch eine Halbleiter-Bildeinrichtung ausgelesen wird.
Fig. 10 ist ein Diagramm, das ein Ausgangsbild zeigt, wenn die Wellenform nur in einer Richtung durch die der Verzögerungszeit proportionale Spannung abgelenkt wird.
Fig. 11 ist ein Diagramm, das ein Ausgangsbild zeigt, wenn die Verzögerungszeit als eine logarithmische Funktion gegeben ist.
Fig. 12 ist ein Diagramm, das Zeittakt-Wellenformen in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren und Darstellen eines elektrischen Signals zeigt.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Anodnung einer erfindungsgemäßen Photoelektrcnen-Abtastvorrichtung. In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Signalquelle, die ein zu messendes Signal erzeugt, 2 eine Lichtpulsquelle, 3 einen Lichtübertragungsweg, 4 eine Photoelektronen-Abtaströhre, 5 eine Treiberschaltung, 6 einen Integrator, 7 einen Verstärker, 8 eine Anzeigeverarbeitungseinheit, 9 eine Taktsignalquelle und 10 eine Verzögerungsschaltung.
In Fig. 1 ist die Lichtpulsquelle 2 z.B. ein Laser, der mit der Signalquelle 1 mit Hilfe eines Taktsignals von der Signalquelle 1 synchronisiert wird. Der Takt der Erzeugung des Lichtpulses und des zu messenden Signals wird optisch oder elektrisch durch eine Verzögerungsschaltung 10 verzögert, die nach Belieben verändert werden kann.
Der Lichtpuls von der Lichtpulsquelle 2 fällt über den Lichtübertragungsweg 3 auf die Photoelektronen-Abtaströhre 4 ein, um einen Photoelektronenpuls zu erzeugen. Dieser wird in der Intensität durch das zu messende Signal moduliert. Dieser modulierte Photoelektronenpuls wird dann in der Abtaströhre vervielfacht, durch den Integrator 6 integriert und durch den Verstärker 7 verstärkt. Bei der obigen Ausführung wird die Zeitdifferenz zwischen dem Photoelektronenpuls und dem zu messenden Signal oder der Phase, in der der Photoelektronenpuls durch das zu messende Signal intensitätsmoduliert wird (Abtastphase) verändert, um bei der Anzeigeverarbeitungseinheit 8 die Wellenform des zu messenden Signals als Funktion dieser Zeitdifferenz zu erzeugen.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer anderen Ausführung einer erfindungsgemäßen Photoelektronen-Abtastvorrichtung. In Fig. 2 ist Bezugszeichen 11 eine Treiberschaltung, 31 ist ein Halbspiegel und 32 und 33 sind Reflektoren. Die übrigen gleichen Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten in Fig. 1. Bei dieser Ausführung erzeugt die Lichtpulsquelle 2 einen Lichtpuls bei Empfang eines Triggersignals von der Anzeigeverarbeitungseinheit 8, und der Lichtpuls triggert die Quelle 1 des zu messenden Signals, um das Erscheinen des Lichtpulses, des zu messenden Signals und die Anzeigeverarbeitungseinrichtung zu synchronisieren. Ferner wird der auf die Photoelektronen-Abtaströhre 4 einfallende Lichtpuls durch die optischen Verzögerungselemente verzögert, die durch den Halbspiegel 31 und die Reflektoren 32 und 33 gebildet werden. Der Betrag der Verzögerung kann durch Verändern der Lichtübertragungslänge verändert werden, was durch Verschieben des Reflektors 32 mit Hilfe der Treiberschaltung 11 bewirkt wird. Das Signal von der Treiberschaltung 11 wird gleichzeitig an die Anzeigeverarbeitungseinheit 8 angelegt, um die Erscheinungszeit des zu messenden Signals und des Photoelektronenpulses als eine Funktion auszudrücken, um dadurch die Wellenform des zu messenden Signals zu reproduzieren. Einzelheiten dieses Vorgangs werden mit Bezug auf die z.B. in Fig. 6-12 gezeigte Ausführung der vorliegenden Erfindung erklärt.
Fig. 3 zeigt einen Aufbau einer in der vorliegenden Erfindung verwendeten Photoelektronen-Abtaströhre, Fig. 4 zeigt ein Beispiel von daran angelegten Spannungen, und Fig. 5 zeigt einen Aufbau einer Photoelektronen-Abtaströhre, die keine Fokuselektroden benötigt. In In Fig. 3, 4 und 5 bezeichnet Bezugszeichen 41 eine Photokathode, 42 einen Photoelektronenstrahl, 43 eine erste Beschleunigungselektrode, 44 eine Signalelektrode, 45 eine Vorspannungselektrode, 46 eine Fokuselektrode, 47 eine zweite Beschleunigungselektrode, 48 eine Mikrokanalplatte, 49 eine Anode, 50 eine Hochfrequenz-Steckverbindung, 51 und 55 Kondensatoren und 52, 53 und 54 Stromversorgungen. Die Elektroden 43, 44 und 45 können eine Stripline-Ausführung haben.
Wenn bei der in Fig. 3, 4 und 5 gezeigten Photoelektronen-Abtaströhre ein kurzer Lichtpuls im Bereich von Femtosekunden bis Picosekunden von einer Laserquelle (nicht gezeigt) auf die Photokathode 41 fällt, und eine Spannung zwischen die Photokathode 41 und die erste Beschleunigungselektrode 43 angelegt ist, werden Photoelektronenpulse mit einer Dauer im Bereich von Femtosekunden bis Picosekunden von der Photokathode 41 herausgezogen. In diesem Fall kann eine Verminderung der Oberfläche der Photokathode 41 eine Verschlechterung des S/N-Verhältnisses infolge thermischen Rauschens mit sich bringen. Da die Pulsdauer der extrahierten Photoelektronen durch das elektrische Feld über der Photokathode und der ersten Beschleunigungselektrode bestimmt wird, sollte ferner das elektrische Feld erhöht werden, um die kurzen Photoelektronenpulse zu erhalten. Dazu kann das Potential der ersten Beschleunigungselektrode 43 im Bezug zu dem Potential der Photokathode 41 ausreichend hoch gesetzt werden, und/oder der Abstand zwischen der Photokathode 41 und der ersten Beschleunigungselektrode 43 kann verkürzt werden. Wenn das Potential der ersten Beschleunigungselektrode 43 hochzusetzen ist, kann die Stromversorgung 52 so angeschlossen werden, daß, wie Fig. 4 zeigt, die erste Beschleunigungselektrode 43 auf Masse gelegt und die Photokathode 41 negativ ist, um eine Rückkehr von Photoelektronen zu der Photokathode 41 zu verhindern, um eine wirksame Funktion zu gewährleisten.
Der so beschleunigte Photoelektronenpuls 42 wird durch die Spannung über der Signalelektrode 44 und der Vorspannungslektrode 45 moduliert. Die Signalelektrode 44 muß angemessene Hochfrequenzeigenschaften haben. Daher ist es erforderlich, die Signalelektrode 44 als Stripline zu bilden, während gleichzeitig der Abstand zwischen der Quelle des zu messenden Signals (nicht gezeigt) und der Signalelektrode 44 so kurz wie möglich sein sollte, um eine Verzerrung des zu messenden Signals zu verhindern. Der Photoelektronenpuls 42 wird somit von dem zu messenden Signal moduliert und wird dann durch die Fokuselektrode 46 und die zweite Beschleunigungselektrode 47 beschleunigt, was durch Verändern der daran angelegten Spannungen eingestellt werden kann, um die Flugbahn des Photoelektronenpulses 42 zu steuern. Der Photoelektronenpuls 42 wird dann durch die Mikrokanalplatte 48 vervielfacht, um einen Ausgang von der Anode 49 zu erhalten. In diesem Fall wird durch die erste Beschleunigungselektrode 43, die Signalelektrode 44, die Vorspannungselektrode 45, die Mikrokanalplatte 48 und die Anode 49 eine Pentode gebildet, und die Modulation durch die Spannung der Signalelektrode 44 wird direkt von der Anode 49 erhalten. Das so erhaltene Signal kann dann zur weiteren Analyse auf einer Anzeigeeinheit, z.B. einer Kathodenstrahlröhre, dargestellt werden.
Aus der vorangehenden Beschreibung sollte ersichtlich sein, daß eine Dynode zur Vervielfachung des Photoelektronenpulses anstelle der Mikrokanalplatte 48 verwendet werden kann. Ferner wird bei Verwendung eines Kurzimpuls-YAG-Lasers, Farbstoff-Lasers oder Halbleiter-Lasers als Laserlichtquelle bevorzugt ein infrarotes Licht verwendet, um die Anfangsgeschwindigkeits-Energieverteilung der Photoelektronen zu minimieren. Ferner kann ein Lichtleiter (nicht gezeigt) zwischen der Laserlichtquelle 2 und der Photokathodenoberfläche 41 vorgesehen werden, um den optischen Verlust bei der Übertragung des Lichtpulses zu vermindern.
Der ermittelte Photoelektronenstrom kann von der ersten Beschleunigungslektrode 43 zu der Laserlichtquelle 2 zurückgeführt werden, um die Erzeugung eines konstanten Photoelektronenstrahls zu fördern. Außerdem kann eine CPU verwendet werden, um die Photokathode, die Spannung der Beschleunigungselektroden, die Spannung des Elektronenvervielfachungsabschnitts, die Anodenspannung, die Zeitdifferenz zwischen dem Photoelektronenpuls und dem zu messenden Signal, die Integrationszeit des modulierten elektrischen Signals von der Anodenelektrode und den Verstärkungsfaktor des integrierten Signals zu steuern, um eine automatisierte Messung zu liefern.
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren und Darstellen eines elektrischen Signals. In Fig. 6 bezeichnet Bezugszeichen 101 eine Signalquelle, die ein zu messendes Signal erzeugt, 102 eine Laserlichtquelle, 131 und 132 Halbspiegel, 133, 134 und 135 Reflektoren, 104 eine elektrische Signalanzeigeeinheit, 105 ein elektronisches Gatter, 106 eine Treibereinheit, 107 eine Ablenkschaltung, 108 eine zweidimensionale Bildeinheit und 109 eine Bildinformations-Verarbeitungseinheit.
In Fig. 6 erzeugt die Laserlichtquelle 102 einen Laserlichtpuls, der über die Halbspiegel 131 und 132 die Signalquelle 101 anstößt, um synchron mit dem Lichtpuls das zu messende Signal zu erzeugen, während er ebenfalls über den Halbspiegel 131 das elektronische Gatter 105 anstößt, um die elektrische Signalanzeigeeinheit 104 einzuschalten. Der Lichtpuls wird optisch verzögert, indem er über die Reflektoren 133, 134 und 135 geführt wird, und fällt dann auf die elektrische Signalanzeigeeinheit 104. Der Betrag der Verzögerung kann durch Verschieben des Reflektors 134 mit Hilfe der Treibereinheit 106 verändert werden, und die Ablenkspannung wird in Übereinstimmung mit dem Betrag der Verzögerung mit Hilfe der Ablenkschaltung 107 an die elektrische Signalanzeigeeinheit 104 angelegt. Obwohl, wie oben beschrieben, der Eingangslichtpuls zu der elektrischen Signalanzeigeeinheit 104 im Bezug auf das zu messende Signal verzögert ist, kann stattdessen das zu messende Signal im Bezug auf den Lichtpuls verzögert werden, um das gleiche Ergebnis zu erhalten.
Bei dieser Ausführung wird der Lichtpuls von der Laserlichtquelle 102 optisch verzögert unf fällt dann auf die elektrische Signalanzeigeeinheit 104, um einen Photoelektronenpuls zu erzeugen, während er ebenfalls die Signalquelle 101 aktiviert, um einen synchronen Betrieb der beiden bereitzustellen. Der Photoelektronenpuls wird bei Einfallen des Lichtpulses in der elektrischen Signalanzeigeeinheit 104 mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit zwischen dem zu messenden Signal erzeugt und durch das zu messende Signal intensitätsmoduliert. Der modulierte Photoelektronenpuls wird dann durch eine Ablenkspannung (unten beschrieben) in Übereinstimmung mit der Zeitdifferenz oder Verzögerungszeit zwischen dem zu messenden Signal und dem Photoelektronenpuls abgelenkt, um einen Anzeigeausgang bereitzustellen. Auf diese Weise wird der Photoelektronenpuls durch ein elektrisches Signal moduliert, um das elektrische Signal in ein zweidimensionales Bild zur Anzeige umzuwandeln. Das somit in ein zweidimensionales Bild umgewandelte elektrische Signal wird an die zweidimensionale Bildeinheit 108 ausgegeben und weiter als zweidimensionale Bildinformation in der Bildinformations-Verarbeitungseinheit 109 verarbeitet. Das elektronische Gatter 105 ist ferner vorgesehen, um das Rauschen von der Photokathode zu vermindern.
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild einer anderen Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren und Darstellen eines elektrischen Signals. Gleiche Bezugszeichen betreffen gleiche Komponenten in Fig. 6, und Bezugszeichen 110 bezeichnet eine Taktsignal-Erzeugungseinheit und 111 eine Verzögerungsschaltung.
Bei dieser Ausführung wird das Taktsignal von der Taktsignal-Erzeugungseinheit 110 über die Verzögerungsschaltung 111 an die Laserlichtquelle 102 und die Signalquelle 101 angelegt, um beide anzustoßen. Außerdem werden das elektronische Gatter 105 und die Ablenkschaltung 107 direkt durch das Taktsignal aktiviert. Die übrige Anordnung und die Funktion entsprechen denen in Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine Anordnung einer Ausführung einer elektrischen Signalanzeigeeinheit 104, die den in Fig. 3-5 gezeigten Photoelektronen-Abtaströhren in einigen Punkten ähnlich ist. In Fig. 8 ist Bezugszeichen 141 eine Photokathode, 142 eine erste Beschleunigungselektrode, 143 eine Signalelektrode, 144 eine Vorspannungselektrode, 145 eine Fokuselektrode, 146 eine zweite Beschleunigungselektrode, 147 und 148 Ablenkelektroden, 149 einen zweidimensionalen Elektronenvervielfacher und 150 einen Phosphorschirm. Der Photoelektronenpuls wird von der Photokathode 141 infolge des darauf einfallenden Lichtpulses extrahiert und durch die erste Beschleunigungselektrode 142 beschleunigt, bevor er an der Signalelektrode 143 durch das zu messende Signal moduliert wird. Die Modulation kann bewirkt werden, indem z.B. eine Triodenfunktion zwischen der Vorspannungselektrode 144 ausgeführt wird. Das in Fig. 6 gezeigte elektronische Gatter wird durch Verändern der Vorspannung zur Steuerung des Leitens der Triode implementiert. Nachdem der Photoelektronenpuls moduliert ist, wird er durch die Fokuselektrode 145 und die zweite Beschleunigungselektrode 146 zu dem Phosphorschirn 150 hin beschleunigt. Ferner können die Ablenkelektroden 147 und/oder 148 angesteuert werden, um den Photoelektronenpuls wenn nötig abzulenken. Nach der Ablenkung wird der Photoelektronenpuls durch den zweidimensionalen Elektronenvervielfacher, z.B. eine Mikrokanalplatte, vervielfacht und dann an dem Phosphorschirm 150 in ein Lichtbild umgewandelt.
Wie bei den in Fig. 1-7 gezeigten Ausführungen erlaubt die Verwendung eines Laserlichtpulses im Bereich von Femtosekunden bis Picosekunden die Analyse der Wellenform eines elektrischen Signals im Bereich von THz bis GHz. In diesem Fall kann es erforderlich sein, den Abstand zwischen der ersten Beschleunigungselektrode 142 und der Photokathode 141 schmaler zu machen, da, wie oben beschrieben, ein Photoelektronenpuls mit einer kurzen Dauer durch Erhöhen des elektrischen Felds zwischen der Photokathode 141 und der ersten Beschleunigungselektrode 142 erzeugt wird.
Fig. 9 zeigt eine andere Ausführung der elektrischen Signalanzeigeeinheit 104, bei der die durch den zweidimensionalen Elektronenvervielfacher 149 vervielfachte Bildinformation durch eine Halbleiter- Bildeinrichtung 151 als dargestelltes Bild ausgelesen wird.
Fig. 10 zeigt ein Beispiel eines Ausgangs von einer wie in Fig. 8 und 9 gezeigten elektrischen Signalanzeigeeinheit 104 zum Analysieren und Darstellen des elektrischen Signals. Insbesondere zeigt Fig. 10 ein Beispiel einer Ausgangswellenform, wenn der Ausgang in nur einer Richtung durch die sich proportional mit der Verzögerungszeit ändernde Spannung abgelenkt wird. Die Ordinate zeigt die Differenz der Verzögerungszeit zwischen dem zu messenden Signal und dem Photoelektronenpuls (der Abtastungsphase), und die Abszisse zeigt die Position im Raum. Die Intensitätsverteilung an jeder Stelle ist durch die gestrichelte Linie dargestellt, und das Profil der gestrichelten Linie entspricht direkt der Wellenform des elektrischen Signals.
Ferner erlaubt die Ablenkung in zwei Richtungen eine Darstellung eines Mehrfach-Abtastungsbi lds bei jeweils räumlich verschiedenen Stellen.
Fig. 11 zeigt einen Ausgang, wenn die Verzögerungszeit als eine logarithmische Funktion gegeben ist, bei dem der exponentiell abfallende Teil als eine gerade Linie erscheint. Es ist während dieses geraden Linienteils, daß die Zeitkonstante und andere direkt erhalten werden.
Fig. 12 zeigt die Taktsignalwellenformen in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren und Darstellen eines elektrischen Signals, bei der der bei Fig. 12(B) gezeigte Photoelektronenpuls synchron mit dem bei Fig. 12(A) gezeigten Eingangslichtpuls erzeugt wird. Wenn in diesem Fall der Breite Delta t des Photoelektronenpulses eine minimale Dauer gegeben wird, wird jedoch die Bilddarstellung viel besser, wenn der Spitzenwert des Photoelektronenpulses ermittelt wird. Die Verzögerungszeit τ zwischen dem Photoelektronenpuls und dem Puls zum Triggern des zu messenden Signals wird im Bezug zur Zeit durch eine variable Verzögerungsschaltung (Fig. 12(C)) abgetastet. Dieser Triggerpuls veranlaßt das zu messende Signal zu erscheinen (Fig. 12(D)), und der Photoelektronenpuls wird auf der Basis des zu messenden Signals intensitätsmoduliert. Da die Phasenbeziehung zwischen dem zu messenden Signal und dem Photoelektronenpuls in Übereinstimmung mit der Verzögerungszeit τ variiert, kann zu dieser Zeit die Abtastphase im Bezug auf das zu messende Signal verändert werden. Die Wellenform des zu messenden Signals kann in jeder gewünschten Form durch Beeinflussen der Ablenkung mit einer der in Fig. 12(E) bis (G) gezeigten Ablenkspannungen entsprechend der veränderten Verzögerungszeit reproduziert werden. Es wird zu erkennen sein, daß die Ablenkspannungen verschiedene andere Formen, wie z.B. eine Sinusspannung oder eine exponentielle Spannung, haben können.
Die Verzögerungszeit τ sollte sich in einem Bereich ändern dürfen, der es der Wellenform des zu messenden Pulses erlaubt, ausreichend gemessen und analysiert zu werden. Dieser Anderungsbereich kann z.B. 1/100 oder 1% der Breite des zu messenden Signals betragen.
Obwohl die obige Ausführung so aufgebaut ist, daß ein Abtastelektron von dem auf die Photokathode auftreffenden Photoelektronenpuls erhalten wird, werden die Fachleute erkennen, daß eine thermische Elektronenquelle, die elektrisch erzeugt wird, ebenfalls angewandt werden kann, um das elektrische Signal in ein zweidimensionales Bild umzuwandeln.
Da das zu messende elektrische Signal erfindungsgemäß durch einen zweidimensionalen Photoelektronenpuls abgetastet wird, wird demnach die Ausgabe des elektrischen Signals als ein zweidimensionales Bild ermöglicht. Ferner ermöglicht die Erzeugung des Photoelektronenpulses mit einem Laserlichtpuls die Analyse elektrischer Signalwellenformen im Frequenzbereich von THz bis GHz, wobei die Auflösung der Analyse von der Pulsbreite des Photoelektronenpulses oder der Pulsbreite des einfallenden Lichts abhängt. Da die elektrische Signalwellenform einer so hohen Frequenz in einem Bereich von Picosekunden bis Femtosekunden in der Form eines Bilds ausgegeben werden kann, kann die Verzerrung gegenüber der Verzerrung bei herkömmlichen Abtastverfahren stark verringert werden. Aufgrund der Tatsache, daß die Ablenkspannung direkt in einer beliebigen Form angelegt werden kann, kann die Wellenform direkt analysiert werden, was die den nachfolgenden Verarbeitungssystemen auferlegten Belastungen vermindert, während ebenfalls ein hoher Elektronen-Vervielfachungsgewinn (10³ bis 10&sup5;) bereitgestellt wird, um dadurch die den lesenden Schaltungen auferlegten Belastungen zu vermimdern.

Claims

1. Photoelektronenmeßvorrichtung, die umfaßt:

eine Lichtpulsquelle (2, 102), eine Photokathode (41, 141) zum Empfang eines von der Lichtquelle (2, 102) emittierten Lichtpulses, eine Vorspannungselektrode (45) und eine Detektionseinrichtung (49, 150, 151),um den Photoelektronenpuls aufzufangen,gekennzeichnet durch eine Signalelektrode (44, 143) zum Empfangen eines zu messenden Signals und zur Modulation des beschleunigten Photoelektronenpulses unter Verwendung des zu messenden Signals, und eine Beschleunigungselektrode (43, 142, 146, 47) um einen Photoelektronenpuls, der von der Photokathode (41, 141) nach Empfang des Lichtpulses emittiert wurde, zu beschleunigen.

2. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Detektionseinrichtung (49, 150, 151) zum Auffangen des Photoelektronenpulses eine Elektrode ist.

3. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Lichtpulsquelle (2, 102) eine Laserlichtquelle ist, um einen Laserlichtpuls auszugeben.

4. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei ein Abstand zwischen der Photokathode (41, 141) und der Beschleunigungselektrode kurzgehalten wird.

5. Photoelektronenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Potential der Beschleunigungselektrode in Bezug auf ein Potential der Photokathode ausreichend hoch gesetzt wird, um einen Photoelektronenpuls bereitzustellen, der eine Periode aufweist, die im Bereich von Femtosekunden bis Pikosekunden liegt.

6. Photoelektronenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, die weiter eine Mikrokanalplatte (48) umfaßt, die den modulierten Photoelektronenpuls verstärkt, bevor er von der Detektionseinrichtung (49) aufgefangen wird.

7. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiter eine Dynodenplatte umfaßt, um den modulierten Photoelektronenpuls zu verstärken, bevor er von der Detektionseinrichtung aufgefangen wird.

8. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Signalelektrode (44, 143) eine Streifenleitungselektrode ist.

9. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 3, die weiter eine Einrichtung umfaßt, um ein detektiertes Signal eines Photoelektronenstroms, der zwischen der elektrooptischen Oberfläche und der Beschleunigungselektrode (43, 142, 146, 47) existiert, zurück zu der Laserlichtquelle zu führen, um so die Laserlichtquelle (2, 102) zu steuern.

10. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 3, weiter umfassend eine Einrichtung zum Triggern der Signalquelle (1, 101), um das zu messende Signal zu erzeugen und zum Triggern der Laserlichtquelle (2, 102) um den Laserlichtpuls auszugeben.

11. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 3, die weiter eine Einrichtung umfaßt, die auf den Laserlichtpuls anspricht, um die Signalquelle (1, 101) zu triggern, um das zu messende Signal zu erzeugen.

12. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 3, die weiter eine Verzögerungsschaltung (10, 11, 32, 130) sowohl für die Lichtquelle (202) als auch für die Signalquelle (1, 101) umfaßt, um die Ausgabe des Laserlichtpulses und des zu messenden Signals je nach Wunsch zu verzögern.

13. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiter umfaßt:

eine Verzögerungseinrichtung (10, 111, 32, 124), um eine Verzögerungszeitdifferenz zwischen dem Photoelektronenpuls und dem zu messenden Signal herzustellen,

eine Ablenkeinrichtung (147, 148), um den Photoelektronenpuls entsprechend der Verzögerungszeitdifferenz abzulenken, eine Detektionseinrichtung (49, 150, 151), um eine zweidimensionale Bildinformation darzustellen, die für jede Versetzung des Photoelektronenpulses, bedingt durch die Ablenkung von der Ablenkvorrichtung, erhalten wird, und

eine Bildinformationsverarbeitungseinrichtung, um die zweidimensionale Bildinformation zu verarbeiten und zu analysieren.

14. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 13, die weiter eine thermische Elektronenquelle umfaßt, um den Photoelektronenpuls mit Hilfe einer elektrisch erzeugten Spannung herzustellen.

15. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das zu messende Signal durch Modulieren der Intensität des Photoelektrodenpulses, auf der Basis einer Spannung des zu messenden Signales erfaßt wird.

16. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei die Detektionseinrichtung (4, 104) einen Leuchtschirm (150) einschließt, uni die zweidimensionale Bildinformation in ein optisches Bild umzuwandeln.

17. Photoe1ektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei die Detektionseinrichtung (4, 104, 151) eine Halbleiterbildvorrichtung einschließt, um die zweidimensionale Elektronenbildinformation in ein elektrisches Bild umzuwandeln.

18. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 13, die weiter eine erste Ablenkelektrode (148) umfaßt, um den Photoelektronenpuls in eine horizontale Richtung abzulenken und eine zweite Ablenkelektrode (147), um den Photoelektronenpuls in eine vertikale Richtung abzulenken.

19. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 13, die weiter eine erste Ablenkelektrode (147) umfaßt, um den Photoelektronenpuls in eine vertikale Richtung abzulenken und eine zweite Ablenkelektrode (148), um den Photoelektronenpuls in eine horizontale Richtung abzulenken.

20. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 13, die weiter ein elektronisches Tor (105) umfaßt, um Rauschen von der Photokathode zu reduzieren.

21. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 18, wobei die Ablenkspannung, die zumindest an eine, entweder an die horizontale oder die vertikale Ablenkelektrode (147, 148) angelegt wird, entweder einen sinusförmigen, rampenförmigen stufenförmigen, logarithmusförmigen oder exponentialförmigen Spannungswellenverlauf hat.

22. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 15, die weiter eine Einrichtung (149) zur Verstärkung des Photoelektronenpulses in zwei Richtungen, nachdem der Photoelektronenpuls moduliert und abgelenkt worden ist, umfaßt.

23. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiter eine Anzeigenvorrichtung umfaßt, um die Zeitdifferenz zwischen dem Photoelektronenpuls und dem zu messenden Signal als Funktion darzustellen.

24. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen einer Quelle des zu messenden Signals (1, 101) und der Signalelektrode (143, 44) kurzgehalten wird.

25. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei eine optische Faser, mit geringem optischem Verlust und hoher Zeitauf lösung verwendet wird, um Licht zwischen der Laserlichtquelle und der Photokathode zu transmittieren.

26. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Fläche der Photokathode (141, 41) kleingehalten ist.

27. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei eine Infrarotlichtquelle als Lichtpulsquelle verwendet wird, um so die Anfangsgeschwindigkeitsenergieverteilung des Photoelektronenpulses schmäler zu machen.

28. Photoelektronenmeßvorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei das optische Bild ausgelesen wird um in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden, wobei das elektrische Signal in einer Bildverarbeitungseinrichtung bearbeitet wird.

29. Vorrichtung zum Analysieren und Darstellen eines gemessenen elektrischen Signals gemäß Anspruch 17, wobei das elektrische Signal ausgelesen wird, um in einer Bildverarbeitungseinrichtung verarbeitet zu werden.