DE69204892T2

DE69204892T2 - Femtosekunden-Streakkamera.

Info

Publication number: DE69204892T2
Application number: DE69204892T
Authority: DE
Inventors: Robert R Alfano; Katsuyuki Kinoshita; Yoshihiro Takiguchi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-04-29
Filing date: 1992-04-28
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2012-04-29
Also published as: DE69204892D1; EP0511823B1; US5278403A; EP0511823A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Streakkameras und insbesondere eine neue Streakkamera mit einer verbesserten Zeitauflösung im Femtosekunden-Zeitbereich.
Streakkameras, die ungefähr seit 15 Jahren bekannt sind, werden primär zur direkten Messung der Zeitdynamik von Lichtereignissen, beispielsweise zum direkten Zeitempfang eines Lichtsignals, verwendet. Eine typische Streakkamera hat einen rechteckigen Eingangsschlitz, eine Eingangsrelaisoptik, ein Streakkamerarohr mit einem Gehäuse, in welchem eine Fotokathode, ein Beschleunigungsgitter, ein Paar Ablenkelektroden, eine Mikrokanalplatte und ein Leuchtschirm und eine Ausgangsrelaisoptik zum Abbilden des Streakbildes, welches auf dem Leuchtschirm ausgebildet ist, auf eine externe Brennebene. Das Bild an der externen Brennebene wird dann entweder durch eine herkömmliche Stehbildkamera oder durch eine Videokamera fotografiert.
Im Betrieb passieren Photonen eines auftreffenden Lichtimpulses den Eingangsschlitz und werden von der Eingangsrelaisoptik auf der Fotokathode des Streakrohres gesammelt und fokussiert, um Elektronenemissionen proportional zur Intensität des auftreffenden Lichtimpulses zu erzeugen. Die Elektronen werden dann im Streakrohr über das Beschleunigungsgitter beschleunigt und werden mit einer bekannten Geschwindigkeit über einen bekannten Abstand elektronisch abgetastet, wobei die Zeitinformation in Rauminformation umgewandelt wird. Diese Elektronen treffen dann auf die Mikrokanalplatte, die durch Sekundäremission eine Elektronen- Vervielfältigung Multiplikation erzeugt. Die Sekundärelektronen treffen dann auf den Leuchtschirm, um ein Streakbild zu bilden. Das Streakbild dient somit als ein lumineszierender "Fingerabdruck" der zeitaufgelösten Eigenschaften des auftreffenden Lichtimpulses.
Ein erläuterndes Beispiel einer Streakkamera ist in der US- PS-4467189 offenbart, wobei hier ein "Rahmen"-Rohr (das heißt ein Streakkamerarohr) offenbart ist, das ein zylindrisches, luftdichtes Vakuumrohr, eine Verschlußplatte und einen Sägezahngenerator aufweist. Das Gehäuse hat an seinem einen Ende eine Fotokathode und an seinem anderen Ende, gegenüber der Fotokathode, einen Leuchtstoffschirm. Die Verschlußplatte ist zwischen der Oberfläche der Fotokathode und dem Leuchtstoffschirm und parallel zu diesem angeordnet, und hat eine Vielzahl von Durchgangslöchern, mit denen die Platte rechtwinklig zu ihren Oberflächen perforiert ist. Die Verschlußplatte trägt auch wenigstens drei Elektroden, die rechtwinklig zur Achse der Durchgangslöcher und parallel zueinander angeordnet sind. Die Elektroden unterteilen die Oberfläche der Verschlußplatte in eine Anzahl von Abschnitten. Der Sägezahngenerator ist an die Elektroden angeschlossen. Die erzeugte Sägezahnspannung ändert sich dergestalt, als daß sie ihre Polarität umkehrt, wobei zwischen der einzelnen Elektrode eine Zeitverschiebung erzeugt wird. Durch die Entwicklung des elektrischen Feldes quer zur Achse der Durchgangslöcher im Verschlußschirm steuert die Sägezahnspannung den Durchlaß der Elektronenstrahlen von der Fotokathode durch die Durchgangslöcher. Eine "Rahmen-Kamera" enthält das vorstehend beschriebene "Rahmen-Rohr" und ein optisches System. Das optische System umfaßt einen halbdurchlässigen Spiegel, der das Licht vom unter Beobachtung stehenden Objekt in eine Anzahl von Lichtkomponenten bricht, und Fokussierlinsen, die im Strahlengang, den jede der Lichtkomponenten durchläuft, angeordnet sind. Jede der Lichtkomponenten entspricht jedem der Abschnitte der Verschlußplatte. Die Bilder eines sich schnell ändernden Objekts werden in extrem kurzen Zeitintervallen auf unterschiedliche Teile des Leuchtschirms reproduziert.
Andere US-Patente, die sich auf Streakkameras beziehen, sind die US-PS-4714825, US-PS-4682020, US-PS-4661694, US- PS-4659921, US-PS-465918, US-PS-4630925, US-PS-4435727, US- PS-4413178, US-PS-4327285 und US-PS-4323811.
Zusätzlich sind als Artikel, die sich auf Streakkameras beziehen, zu nennen: N.H. Schiller u.a. "An Ultrafast Streakkamera System: Temporaldisperser and Analyzer". Optical Spectra (Juni 1980; N.H. Schiller u.a. "Picosecond Charakteristics of a Spectrograph Measured by a Streak Camera/Video Readout-System", Optical Communications, Vol. 35, Nr. 3, Seite 451-454 (Dezember 1980); und C.W.Robinson u. a. "Coupling an Ultraviolet Spectograph to a Schloma for Three Dimensional Picosecond Fluorescent Measurements", Multichannel Image Detectors, Seite 199-213, ACS Symposium Series 102, American Chemical Society.
Viele der vorstehend beschriebenen Streakkameras haben Zeitauflösungen im Picosekundenbereich, wobei einige so kurz wie 500 Femtosekunden (fs) sind. Bei der nun üblichen Erzeugung von Laserimpulsen mit einer Kürze von 30 fs ist jedoch das Detektieren von Lichtereignissen im 30 fs-Bereich wichtig. Demgemäß besteht eine Notwendigkeit für eine Streakkamera, deren Zeitauflösung besser als die der bestehenden Streakkameras ist, und die vorzugsweise im 30 fs-Bereich liegt.
In einem Artikel von Kinoshita u.a. "Revue of Scientific Instruments 58 (6) (1987) Seite 932-938, und in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, und in einem Artikel von S.J. Gitoner u.a. (Nudear Instruments and Methods, Vol. 159, Nr. 2/3, 1979, Amsterdam&sub1; Seite 331- 335) ist jeweils ein Streakkamera-Rohr zur Verwendung bei der Zeitauflösung von Lichtimpulsen offenbart, bestehend aus:
a) einem Gehäuse mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende;
b) einer Fotokathode, die innerhalb des Gehäuses am Eingangsende angeordnet ist, um darauf auftreffendes Licht in Fotoelektronen umzuwandeln, die an dieser emittiert werden, wobei die emittierten Fotoelektronen eine Energieverteilung haben;
c) ein Paar Abtastelektroden zur Verwendung beim Abtasten der Fotoelektronen über einen definierten Winkelabstand mit einer definierten Geschwindigkeit; und
d) einem Leuchtschirm, der an dem Ausgangsende des Gehäuses angeordnet ist, um die abgetasteten Fotoelektronen zu empfangen und zum Erzeugen eines Lichtbildes in Abhängigkeit von diesen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eines Streakkamera zu schaffen, die eine verbesserte Zeitauflösung, vorzugsweise im 30 fs-Bereich, hat.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung und wie im Anspruch 1 beansprucht, ist ein Streakkamerarohr zur Verwendung bei der Zeitauflösung eines Lichtimpulses geschaffen, mit:
a) einem Gehäuse mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende;
b) einer Fotokathode, die innerhalb des Gehäuses am Eingangsende angeordnet ist, um dort auftreffendes Licht in Fotoelektronen umzuwandeln, die von dieser emittiert werden, wobei die emittierten Fotoelektronen eine Energieverteilung aufweisen;
c) einem Paar Ablenkelektroden, die zum Ablenken der Fotoelektronen über einen definierten Winkelabstand und mit definierter Geschwindigkeit dienen; und
d) einem Leuchtschirm, der an dem Ausgangsende des Gehäuses angeordnet ist, um die abgelenkten Fotoelektronen zu empfangen und um ein Lichtbild in Abhängigkeit von diesen zu erzeugen; gekennzeichnet durch
e) Mittel, die zwischen der Fotokathode und dem Paar Ablenkelektroden angeordnet sind, um aus den von der Fotokathode emittierten Fotoelektronen einen Teil auszuwählen, dessen Energie in einen Energiebereich fällt, der enger als die Energieverteilung ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Streakkamera zur Zeitauflösung eines Lichtimpulses geschaffen, die das Streakkamerarohr wie vorstehend beschrieben aufweist; wobei vor der Fotokathode ein Eingangsschlitz angeordnet ist; eine Optik zum Abbilden des Eingangsschlitzes auf der Fotokathode; eine Ablenkantriebsschaltung zum Antreiben der Ablenkelektroden; und eine Triggerschaltung zum Triggern der Ablenkantriebsschaltung, vorgesehen sind.
Ein Parameter, der die Zeitauflösung der Streakkameras beeinflußt, ist die Zeitstreuung, die durch die Ausgangsgeschwindigkeit (Energie)-Verteilung der an der Fotokathode zum selben Zeitpunkt emittierten Fotoelektronen verursacht wird. Typischerweise ist die Ausgangsgeschwindigkeitsverteilung eine Gauß'sche. Wie leicht zu ersehen ist, wird die Zeitauflösung einer Streakkamera durch die vorstehend genannte Geschwindigkeitverteilung beeinflußt, da Fotoelektronen, die an der Fotokathode gleichzeitig, jedoch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten emittiert werden, durch die Ablenkelektroden zu unterschiedlichen Zeitpunkten abgelenkt werden und daraus folgend auf den Leuchtschirm an unterschiedlichen Stellen auftreffen.
Darausfolgend ist gemäß der vorliegenden Erfindung das Streakkamerarohr so konstruiert, daß nur jene Fotoelektronen, die eine Geschwindigkeit (eine Energie) haben, welche innerhalb einen engen Geschwindigkeits-Energie-Bereich fallen, die Ablenkelektroden erreichen dürfen. Dies wird beispielsweise dadurch erzielt, daß alle Fotoelektronen, die an der Fotokathode emittiert werden, einer Zentrifugalkraft ausgesetzt werden, die bewirkt, daß die Flugbahnen der jeweiligen Fotoelektronen in Übereinstimmung mit ihren Relativgeschwindigkeiten (Energien) gebogen werden, und dann eine Apertur verwendet wird, um nur jene Fotoelektronen durch die Ablenkelektroden durchzulassen, die entlang einem engen Band von Bahnen verlaufen.
Ein anderer Parameter, der die Zeitauflösung der Streakkameras beeinflußt, ist die Verteilung der Winkelausrichtung der Fotoelektronen, die an der Fotokathode zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt emittiert werden. Typischerweise ist die Winkelverteilung der Fotoelektronen eine Cosinusquadratverteilung. Wie leicht zu ersehen ist, führt eine derartige Winkelverteilung der Fotoelektronen dazu, daß der Leuchtschirm an verschiedenen Stellen entlang seiner Vertikalachse beleuchtet ist. Konsequenterweise und in Übereinstimmung mit einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung, ist das Streakrohr so konstruiert, daß nur jene Fotoelektronen, die an der Fotokathode im wesentlichen entlang der Achse des Streakrohres emittiert werden, durch die Ablenkelektroden abgelenkt werden können und auf den Leuchtschirm auftreffen können. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß innerhalb des Streakrohres in einem kurzen Abstand zur Fotokathode ein horizontal sich erstreckender Schlitz plaziert ist, wobei der Schlitz zweckmäßigerweise so dimensioniert ist, daß er nur ein Durchgehen der Fotoelektronen erlaubt, die entlang der Streakrohrachse emittiert werden.
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der Figuren beschrieben, in welchen zeigt:
Fig. 1 eine graphische Darstellung einer typischen Ausgangsenergieverteilung für eine Gruppe von Fotoelektronen, die gleichzeitig an einer Fotokathode emittiert werden;
Fig. 2 eine graphische Darstellung einer typischen Ausgangswinkelverteilung für eine Gruppe von Fotoelektronen, die gleichzeitig an einer Fotokathode emittiert werden;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Streakkamera zur Zeitauflösung eines Lichtimpulses, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Streakkamera zur Zeitauflösung eines Lichtimpulses, die gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist; und
Fig. 5a und Sb schematische Darstellungen eines alternativen Streakkamera-Eingangsabschnittes, jeweils geeignet zur Verwendung bei der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Streakkamera.
Bezugnehmend auf die Figuren und insbesondere auf die Fig. 1 zeigt diese eine graphische Darstellung einer typischen Ausgangsenergieverteilung für eine Gruppe von Fotoelektronen, die gleichzeitig von einer herkömmlichen Fotokathode in Abhängigkeit von dem Auftreffen von Licht emittiert worden sind, wobei die Verteilung im allgemeinen die Form einer Gauß'schen Verteilungskurve hat. Typischerweise deckt die Energieverteilung eine Streuung in der Größenordnung von 1 eV, (Elektronenvolt) ab. Da die Menge der Energie, die ein Fotoelektron hat, und seine Geschwindigkeit einander zugeordnet sind, haben jene Fotoelektronen, die in Richtung des hohen Endes der Energieverteilung liegen, beispielsweise die Fotoelektronen 11, eine relativ hohe Geschwindigkeit, während jene Fotoelektronen, die am tiefen Ende der Energieverteilung liegen, beispielsweise die Fotoelektronen 13, eine relativ niedrige Geschwindigkeit haben. Wie leicht zu ersehen ist, ist eine Konsequenz aus diesem Geschwindigkeitsunterschied, daß die Fotoelektronen, die gleichzeitig von einer Fotokathode in ein Streakkamerarohr emittiert werden, an den Ablenkelektroden zu unterschiedlichen Zeitpunkten ankommen und daher auf den Leuchtschirm an unterschiedlichen Stellen entlang dessen Vertikalachse auftreffen. Dieses Phänomen wird allgemein als Zeitverbreiterung bezeichnet und ist die Hauptkomponente bei der Zeitauflösungskapazitat einer Streakkamera. Die Beziehung zwischen der Ausgangsenergieverteilung und der Zeitverbreiterung kann mathematisch ausgedrückt werden:
wobei Δt die Zeitverbreiterung, Δ&epsi; gleich die volle Breite eines halben Maximums der Energieverteilung der gleichzeitig von der Fotokathode emittierten Fotoelektronen ist, und E gleich die elektrische Feldstärke des Beschleunigungsgitters ist. Wie leicht aus der Gleichung (1) zu ersehen ist, bewirkt eine Verringerung von Δ&epsi; von ungefährt 1 eV bis ungefährt 10&supmin;&sup4; eV eine Reduktion von 10&supmin;² bei Δt. Aus der Gleichung (1) ist auch zu bestimmen, daß die Energiestreuung Δ&epsi;, die für 100 fs und 50 fs Zeitauflösung Δt erforderlich wäre, wenn E = 6 x 10&sup6; V/m, 0,067 eV bzw. 0,016 eV wäre.
Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, in der eine graphische Darstellung einer typischen Ausgangswinkelverteilung für eine Gruppe Fotoelektronen gezeigt ist, die gleichzeitig an einer herkömmlichen Streakrohr-Elektrode in Abhängigkeit von dem Auftreffen von Licht emittiert worden sind, wobei die Verteilung im allgemeinen eine Cosinusquadratform hat. Die Fotoelektronen, die im Winkel gleich Null liegen, beispielsweise Fotoelektronen 15, sind entlang der Achse des Streakrohres emittiert, während die Fotoelektronen, die in einem anderen Winkel als Null liegen, beispielsweise Fotoelektronen 17, nicht entlang der Achse des Streakrohres emittiert werden. Angesichts der vorstehenden Diskussion anhand der Figur 1 ist leicht zu ersehen, daß die Zeitauflösungskapazität einer Streakkamera dadurch vermindert wird, wenn sie einige Fotoelektronen hat, die entlang Wegen laufen, welche von der Streakrohrachse abweichen, da die achsfernen Fotoelektronen letztlich auf den Leuchtschirm an Stellen auftreffen, die sich von jenen unterscheiden, an welchen die in der Achse verlaufenden Fotoelektronen auftreffen.
Es wird nun auf die Figur 3 Bezug genommen, die eine Ausführungsform einer Streakkamera zeigt, die die verbesserte Zeitauflösungskapazität hat, wobei die Streakkamera gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und im allgemeinen durch die Bezugsziffer 21 bezeichnet ist.
Die Kamera 21 hat einen Eingangsabschnitt 23 und ein Streakrohr 25, wobei das Rohr 25 wie später im einzelnen beschrieben, grundsätzlich ein modifiziertes Streakkamerarohr ist. Der Eingangsabschnitt 23 bildet an ihm auftreffendes Licht auf dem Eingangsende des Rohres 25 ab, welches ein analoges elektrisches Signal erzeugt, dessen Intensität proportional zur Intensität des auftreffenden Lichtes ist, und zwar über ein Ultrakurz-Zeitfenster, wie dies später erläutert wird.
Der Eingangsabschnitt 23 hat einen Eingangsschlitz 27, durch welchen der zeitaufzulösende Lichtimpuls eintritt. Der Eingangsschlitz 27 hat vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt, kann aber auch die Form eines feinen Loches oder irgendeine andere Form haben, die das Äquivalent einer Punktlichtquelle erzeugt.
Der Eingangsabschnitt 23 hat auch eine Optik, um ein Bild des Schlitzes 27 auf einer Fotokathode zu fokussieren, die an der Stirnseite des Rohres 25 vorgesehen ist. Wie in der Fig. 3 gezeigt, besteht die Optik aus einem Linsensystem 29. Das Linsensystem 29 besteht aus einer ersten Linse 29- 1, die mit Brennweiteabstand zum Eingangsschlitz 27 angeordnet ist, und einer zweiten Linse 29-2, die mit Brennweiteabstand zur Fotokathode im Rohr 25 angeordnet ist.
Das Rohr 25 hat ein rohrförmiges Gehäuse 31, das aus später erläuterten Gründen gebogen ist, wobei das Gehäuse 31 ein Eingangsende 31-1 und ein Ausgangsende 31-2 aufweist. Eine herkömmliche Fotokathode 33, wie beispielsweise S-1, S-20- Fotokathoden, eine GaAs-Fotokathode od. dgl. ist am Eingangsende 31-1 angeordnet, um darauf auftreffendes Licht in Fotoelektronen umzuwandeln, die dann in Richtung des Ausgangsendes emittiert werden. Eine Apertur 35, die vorzugsweise in der Größenordnung von ungefähr 1-10 um Durchmesser und insbesondere ungefähr 5 um Durchmesser liegt, ist an der Ausgangsseite der Fotokathode 33 angeordnet, um das selektive Durchlassen von im wesentlichen den in Achse verlaufenden Fotoelektronen, aus den vorstehend anhand der Figur 2 erläuterten Gründen, zu erlauben. Die durch die Blende oder Apertur 35 passierenden Fotoelektronen werden dann durch ein herkömmliches Beschleunigungsgitter 37 beschleunigt und durch ein herkömmliches Paar Fokussierelektroden 39-1 und 39-2 (oder eine Zylinderelektrode) fokussiert. Ein Paar Isolierplatten 41-1 und 41-2 (oder ein Isolierzylinder) sind innerhalb des Rohres 35 vorgesehen, um zu verhindern, daß elektrische und/oder magnetische Felder, die von Quellen außerhalb des Rohres 25 herrühren, den Fotoelektronenstrahl, welcher durch das Rohr 25 läuft, stören.
Das Rohr 25 hat auch Mittel zum Beaufschlagen des Fotoelektronenstroms auf seinem Lauf zum Ausgangsende 31-2 hin mit einer Zentrifugalkraft. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Zentrifugalkraft vorzugsweise magnetischer oder elektrostatischer Natur und kann durch einen oder mehrere Permanentmagnete (wie in der Fig. 3 mit den Magneten 43-1 und 43-2 gezeigt) oder eine oder mehrere stromführende Spulen, oder ein Paar elektrostatischer Ablenkplatten gebildet sein. Wenn die Fotoelektronen der Zentrifugalkraft unterzogen werden, werden ihre Bahnen in Übereinstimmung mit ihren jeweiligen Geschwindigkeiten gekrümmt, die Bahnen der schnelleren Fotoelektronen werden weniger gekrümmt als jene der langsameren Fotoelektronen (siehe die gestrichelten Linien in Fig. 3), die Fotoelektronen mit drei unterschiedlichen Geschwindigkeiten von v&sub1;, v&sub2; und v&sub3; mit v&sub1; > v&sub2; > v&sub3; reprasentleren. Die Beziehung zwischen den jeweiligen Geschwindigkeiten der Fotoelektronen und der Krümmung ihrer Bahnen kann mathematisch ausgedrückt werden:
(2) F = (mv²)/r = eVB
mit m gleich der Masse eines Fotoelektrons, v gleich der Geschwindigkeit des Fotoelektrons bei der Ankunft im Bereich der Zentrifugalkraft, r gleich dem Bewegungsradius, e gleich der Ladung des Fotoelektrons, und B gleich der magnetischen Felddichte. Die Gleichung (2) kann vereinfacht werden auf:
(3) eB = (mv)/r
Oder wenn nach r aufgelöst in
(4) r = (mv)/(eB)
Das Rohr 25 hat auch eine Apertur 45, die innerhalb des Gehäuses 31 nach den Magneten 43 angeordnet ist. Die Apertur 45 dient durch ihre Größe und ihre Plazierung dazu, nur jene Fotoelektronen auszufiltern, deren Geschwindigkeiten in einen vorgewählten Geschwindigkeitsbereich fallen. Die Beziehung zwischen der Größe der Apertur 45 und dem Geschwindigkeitsbereich der Fotoelektronen, die passieren können, kann ausgedrückt werden durch:
(5) dr = (mdv&sub0;)/(eB)
mit dr gleich der Größe der Apertur, m gleich der Masse eines Fotoelektrons, dv&sub0; gleich der Differenz der Geschwindigkeiten, wie durch die weiter unten stehende Gleichung (7) ausgedrückt, e gleich der Ladung eines Fotoelektrons und B gleich der Magnetfelddichte.
Die Ausgangsgeschwindigkeit eines Fotoelektrons wird durch die folgende Gleichung auf seine Ausgangsenergie bezogen:
(6) m(v&sub0;)²/2 = E&sub0;
mit m gleich der Masse des Fotoelektrons, v&sub0; gleich der Ausgangsgeschwindigkeit und E&sub0; der Ausgangsenergie. Daher wird die Differenzänderung der Geschwindigkeit (dv&sub0;) ausgedrückt durch:
(7) dv&sub0; = dE&sub0;/(mv)
mit dE&sub0; gleich der Differenzänderung der Energie der Fotoelektronen (die gleich (Δ&epsi;) gesetzt werden kann), m gleich der Masse eines Fotoelektrons und v gleich der Geschwindigkeit des Fotoelektrons nachdem es durch das Beschleunigungsgitter beschleunigt worden ist, v gleich:
(8) v = ((v&sub0;)² + ((2eEx)/m))&sup5;
mit e gleich der Ladung des Fotoelektrons, E gleich der Beschleunigungsfeldstärke, m gleich der Masse des Fotoelektrons und x gleich dem Abstand zwischen der Fotokathode und dem Beschleunigungsgitter.
Unter Verwendung der vorstehenden Gleichungen wurde bestimmt, daß es möglich ist, die gewünschte Zeitauflösung durch Auswählen der Zentrifugalkraft und der Aperturgröße zu erzielen.
Das Rohr 25 hat auch ein Paar herkömmlicher Ablenkelektroden 47-1 und 47-2, die auf die typische Art und Weise agieren, um jene Fotoelektronen abzulenken, die durch die Apertur 45 durchgegangen sind. Die Elektroden 47 werden durch eine herkömmliche Ablenkantriebsschaltung 49 angetrieben. Die Ablenkantriebsschaltung 49, die vorzugsweise spannungseinstellbar ist, wird durch ein elektrisches Signal, das durch eine Triggerschaltung 50 erzeugt worden ist, getriggert. Bei der gezeigten Ausführungsform hat die Triggerschaltung 50 eine herkömmliche PIN-Fotodiode 51 und eine herkömmliche, einstellbare Verzögerungseinheit 53. Die Fotodiode 51 wandelt den optischen Impuls, der zeitaufgelöst ist, in ein elektrisches Signal um, welches dann zur Verzögerungseinrichtung 53 übertragen wird. Die Verzögerungseinrichtung 53 ihrerseits verzögert die Ankunft des elektrischen Signals an der Ablenkschaltung 49 so, daß sie zu einer Synchronisierung der Aktivierung der Ablenkschaltung 49 mit der Ankunft der Fotoelektronen an den Ablenkelektroden 47 beiträgt.
Anstatt der Verwendung der Triggerschaltung 50 zum Triggern der Aktivierung des Ablenkantriebs 49 kann eine Triggerschaltung, wie die in der US-PS-5003168 beschriebene, verwendet werden. Eine derartige Triggerschaltung hat eine Niederspannungs-Gleichstromnetzversorgung, einen Widerstand, eine Ladungsleitung und einen Fotodetektorschalter, die alle in Reihe geschaltet sind. Der Fotodetektorschalter hat ein Plättchen aus einem halbleitenden Halbleitermaterial, welches fotoleitfähig wird, wenn es durch optische Strahlung betätigt wird. Bei Abwesenheit der optischen Strahlung ist der Schalter nicht leitend und eine Spannung von der Gleichstromnetzversorgung baut sich in der Ladungsleitung auf. Wenn der Schalter durch optische Strahlung betätigt wird, wird er geschlossen,was bewirkt, daß die Spannung auf eine Verzögerungseinheit und die Ablenkantriebsschaltung entladen wird. Der Schalter kehrt nach ungefähr 1,5 Nanosekunden in einen nichtleitenden Zustand (d.h. einen offenen Zustand) zurück. Ein Vorteil der Verwendung einer Triggerschaltung gemäß der vorstehend beschriebenen Konstruktion ist die wesentliche Eliminierung von Triggerflackern.
Das von den Elektroden 47 erzeugte Ablenkfeld bewirkt ein schnelles Ablenken der Fotoelektronen quer zu einer herkömmlichen Mikrokanalplatte 55, die das Fotoelektronensignal um einen Faktor 1000 oder mehr multipliziert. Der intensivierte Strahl trifft dann auf einen Leuchtschirm 57, wobei die auftreffenden Elektronen in sichtbares Licht umgewandelt werden, um so ein Streak-Bild zu erzeugen.
Das auf dem Leuchtschirm 57 gebildete, resultierende Bild wird dann durch ein Linsensystem 59 auf der Eingangsfläche eines siliziumintensivierten Ziels (SIT) einer Video-TV- CCD-Kamera 61, abgebildet, wobei das Linsensystem 59 eine erste Linse 59-1 aufweist, die im Abstand der Brennweite zum Schirm 57 angeordnet ist, und eine zweite Linse 59-2, die im Abstand der Brennweite zur Kamera 61 angeordnet ist. Die Kamera 61 ist an einen Computer 63 gekoppelt, der dazu verwendet werden kann, den Ausgang der Kamera 61 zu speichern und/oder zu verarbeiten und/oder den Ausgang an einem Monitor 65 anzuzeigen.
Es wird nun auf die Figur 4 Bezug genommen, die eine zweite Ausführungsform einer Streak-Kamera mit verbessertem Zeitauflösungsvermögen zeigt, wobei die Streak-Kamera in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und im allgemeinen durch die Bezugsziffer 101 bezeichnet ist.
Die Streak-Kamera 101 ist bezüglich ihrer Konstruktion identisch mit der Streak-Kamera 21, mit Ausnahme der Konstruktion ihres Streak-Kamerarohres 103, das im folgenden beschrieben wird.
Das Streak-Kamerarohr 103 umfaßt ein Gehäuse 105, das im allgemeinen eine zylindrische Form hat, und ein Eingangsende 107-1 und ein Ausgangsende 107-2 aufweist. Eine herkömmliche Fotokathode 109, wie beispielsweise eine Fotokathode vom Typ S1, S20, eine GaAs-Fotokathode oder dgl. ist am Eingangsende 107-1 angeordnet, um darauf auftreffendes Licht in Fotoelektronen umzuwandeln, die von dieser in Richtung des Ausgangsendes 107-2 emittiert werden. Eine Blende oder Apertur 111, die vorzugsweise einen Durchmesser von 1-10 um und insbesondere 5 um hat, ist an der Ausgangsseite der Fotokathode 109 angeordnet, um ein selektives Durchlassen nur der in der Achsrichtung verlaufenden Fotoelektronen zu erlauben, das aus den vorstehend anhand der Fig. 2 beschriebenen Gründen erfolgt. Die Fotoelektronen, welche die Apertur 111 passieren, werden dann durch ein herkömmliches Beschleunigungsgitter 113 beschleunigt und durch ein herkömmliches Paar Fokussierelektroden 115-1 und 115-2 (oder eine zylindrische Fokussierelektrode) fokussiert. Ein Paar Isolierplatten 117-1 und 117-2 (oder ein Isolierzylinder) sind innerhalb des Rohres 103 angeordnet, um den Lauf der Fotoelektronen im Rohr gegenüber elektrischen und/oder Feldern, welche von außerhalb des Rohres 103 herrührenden Quellen kommen, zu isolieren.
Das Rohr 103 hat auch eine Anzahl von Permanentmagneten 119-1 und 119-2 bis 122-1 und 122-2, die magnetische Felder der gleichen Polarität und Stärke wie vorstehend in Verbindung mit den Magneten 91 bis 94 diskutiert, erzeugen (es ist zu ersehen, daß Elektromagnete, elektrostatische Platten und dgl. anstatt der Permanentmagnete verwendet werden können). Eine Anzahl von Aperturen 123-1 bis 123-4 sind im Rohr 103 angeordnet, wobei eine Apertur nach jedem Satz Magnete angeordnet ist. Die Aperturen 123 dienen einer Vielzahl von Zwecken. Beispielsweise wirken sie als Teilwände zwischen den einzelnen Magnetfeldern, um die Auswirkung von Überschneidungen zwischen den Feldern zu reduzieren. Eine oder mehrere Aperturen (vorzugsweise 123-1 und/oder 123-2) werden als Energiewählmittel (auf die gleiche Art und Weise wie die Apertur 45 des Rohres 15) verwendet, um jene Fotoelektronen innerhalb eines engen Energiebandes auszufiltern. Eine derartige Selektion sollte die nachfolgende Kompression verbessern und zu einem noch größeren Zeitauflösungsvermögen führen.
Das Rohr 103 hat auch ein Paar herkömmlicher Ablenkelektroden 125-1 und 125-2, die auf die typische Art und Weise wirken, um ein schnelles Ablenken des gefilterten und komprimierten Fotoelektronenstrahls, der an der Apertur 123-4 austritt, quer zu einer herkömmlichen Mikrokanalplatte 127 abzulenken, die das Fotoelektronensignal um den Faktor 1000 oder mehr multipliziert. Der intensivierte Strahl trifft dann auf einen Leuchtschirm 129, wobei die auftreffenden Elektronen in sichtbares Licht umgewandelt werden, um so ein Streak-Bild zu erzeugen.
Es wird nun auf die Figuren 5a und 5b Bezug genommen, die alternative Streakkamera-Eingangsabschnitte zeigen, die anstatt des Eingangsabschnittes 23 der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Streakkameras verwendet werden können, wobei die Eingangsabschnitte in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert sind und im allgemeinen durch die Bezugsziffern 141 bzw. 151 bezeichnet sind.
Die Eingangsabschnitte 141 und 151 sind insofern dem Eingangsabschnitt 23 ähnlich, als sie Eingangsschlitze 143 bzw. 153 aufweisen, durch welche der Lichtimpuls, der zeitaufgelöst werden soll, eintritt. Die Eingangsschlitze 143 und 153 sind vorzugsweise mit rechteckigem Querschnitt, können aber die Form eines feinen Loches oder irgendeine andere Form aufweisen, die ein Äquivalent zu einer Punktlichtquelle erzeugt.
Die Eingangsabschnitte 141 und 151 unterscheiden sich jedoch vom Eingangsabschnitt 23 dadurch, daß anstatt des Linsensystems zur Abbildung des jeweiligen Eingangsschlitzes auf einer Fotokathode Spiegelanordnungen 145 bzw. 155 verwendet werden. Die Spiegelanordnungen 145 hat einen großen, runden, konkaven Spiegel 147 mit einem in der Mitte angeordneten Loch 148 und einen kleineren, runden, konvexen Spiegel 149. Die Spiegelanordnung 155 hat einen kleinen, runden, konkaven (oder konvexen) Spiegel 157 und einen größeren, runden, konkaven Spiegel 159 mit einem in der Mitte angeordneten Loch 160. Ein Grund für die Verwendung der Fokussierspiegel anstatt der Linsen besteht darin, daß wenn ein Ultrakurz-Lichtimpuls durch eine Linse geht, dieser gestreut wird (siehe US-PS-4973160). Diese Verbreiterungswirkung ist insbesondere akut, wenn die Impulsdauer weniger als 100 Femtosekunden ist. Im Gegensatz hierzu hat ein Spiegelfokussiersystem kaum irgendeine Verbreiterungswirkung auf die Impulsdauer des Pulses, wenn dieser eine Kürze von 10 Femtosekunden hat.

Claims

1. Streakkamerarohr zur Verwendung bei der Zeitauflösung eines Lichtimpulses, mit

a) einem Gehäuse (31, 107) mit einem Eingangs-Ende und einem Ausgangs-Ende (31-1, 31-2, 107-1, 107-2);

b) einer Fotokathode (33, 109), die innerhalb des Gehäuses (31, 107) am Eingangsende (31-1, 107-1) angeordnet ist, um dort auftreffendes Licht in Fotoelektronen umzuwandeln, die von dieser emittiert werden, wobei die emittierten Fotoelektronen eine Energieverteilung aufweisen;

c) einem Paar Ablenkelektroden (47-1, 47-2, 125-1, 125-2), die zum Ablenken der Fotoelektronen über einen definierten Winkelabstand und mit definierter Geschwindigkeit dienen; und

d) einem Leuchtschirm (57-129), der an dem Ausgangsende (31-2, 107-2), des Gehäuses (31-107) angeordnet ist, um die abgelenkten Fotoelektronen zu empfangen und um ein Lichtbild in Abhängigkeit von diesen zu erzeugen; gekennzeichnet durch

e) Mittel (43-1, 43-2, 119-1, 119-2, 120-1, 120-2, 121-1, 121-2, 45, 123-1, 123-2, 123-3, 123-4), die zwischen der Fotokathode (33, 109) und dem Paar Ablenkelektroden (47-1, 47-2; 125-1, 125-2) angeordnet sind, um aus den von der Fotokathode (33, 109) emittierten Fotoelektronen einen Teil auszuwählen, dessen Energie in einen Energiebereich fällt, der enger als die Energieverteilung ist.

2. Streakkamerarohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswählmittel (43-1, 43-2, 119-1, 119-2, 120-1, 120-2, 121-1, 121-2, 122-1, 122-2, 45, 123-1, 123-2, 123-3, 124-4) Mittel (43-1, 43-2) aufweisen, um ein elektrisches und/oder magnetisches Feld innerhalb des Gehäuses (31, 107) zu errichten, wobei die das elektrische und/oder magnetische Feld passierenden Fotoelektronen entlang einer Vielzahl von gekrümmten Bahnen in Übereinstimmung mit ihrer jeweiligen Energie gestreut werden, und eine erste Apertur (45) entlang einer oder mehreren, jedoch weniger als allen gekrümmten Bahnen, angeordnet ist.

3. Streakkamerarohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Errichten (43-1, 43-2) einen oder mehrere Magnete aufweisen, der oder die innerhalb des Gehäuses (31, 107) angeordnet ist oder sind.

4. Streakkamerarohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Fotokathode (33, 109) emittierten Fotoelektronen ebenfalls um einen Winkel (a&sub1;) relativ zur Achse des Gehäuses (31, 107) verteilt sind, wobei das Streakkamerarohr weiterhin Mittel (35, 111) aufweist, die nach der Fotokathode (33, 109) und vor den Energiewählmitteln (43-1, 43-2, 119-1, 119-2, 120- 1, 120-2, 121-1, 121-2, 122-1, 122-2, 45, 123-1, 123-2, 123-3, 123-4) angeordnet sind, um jene Fotoelektronen zu wählen, die innerhalb eines Winkels (a&sub2;) relativ zur Achse des Gehäuses (31, 107) emittiert werden, wobei der Winkel (a&sub2;) kleiner als der Winkel (a&sub1;) ist.

5. Streakkamerarohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel-Wählmittel (43-1, 43-2, 119-1, 119-2, 120-1, 120-2, 121-1, 121- 2, 122-1, 122-2, 45, 123-1, 123-2, 123-3, 123-4) eine zweite Apertur aufweisen.

6. Streakkamerarohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Apertur (45) einen Durchmesser von ungefähr 1-10um hat.

7. Streakkamerarohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wählmittel (43-1, 43-2, 119-1, 119-2, 120-1, 120-2, 121-1, 121-2, 122- 1, 122-2, 45, 123-1, 123-2, 123-3, 123-4) Mittel (119-1, 119-2, 120-1, 120-2, 121-1, 121-2, 122-1, 122-2) aufweisen, um eine Vielzahl von elektrischen und/oder magnetischen Feldern zu errichten, wobei die elektrischen und/oder magnetischen Felder so geformt sind, daß die passierenden Fotoelektronen entlang einer Vielzahl von gekrümmten Bahnen in Übereinstimmung mit ihrer jeweiligen Energie abgelenkt werden.

8. Streakkamerarohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Errichtungsmittel (119-1, 119-2, 120-1, 120-2, 121-1, 121-2, 122-1, 122-2) vier Sätze Magnete aufweisen, um vier Magnetfelder zu errichten.

9. Streakkamerarohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Apertur (123-1, 123-2, 123-3, 123-4) nach einem der vier Sätze Magnete (119-1, 119-2, 120-1, 120-2, 121-1, 121-2, 122-1, 122-2) angeordnet ist, wobei die Apertur (123-1, 123-2, 123-3, 123-4) so dimensioniert ist, daß aus dem Paket Fotoelektronen jene Fotoelektronen ausgewählt werden, die eine Energie aufweisen, welche in einen Bereich fällt, der enger als die anfängliche Energieverteilung ist.

10. Streakkamerarohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Apertur (123-1) zwischen dem ersten und zweiten Satz (119-1, 119-2, 120-1, 120-2) der vier Sätze Magnete; eine zweite Apertur (123-2) zwischen dem zweiten und dritten Satz (120- 1, 120-2, 121-1, 121-2) der vier Sätze Magnete, eine dritte Apertur (123-3) zwischen dem dritten und vierten Satz (121- 1, 121-2, 122-1, 122-2) der vier Sätze Magnete und eine vierte Apertur (123-4) nach dem vierten Satz (122-1, 122-2) der vier Sätze Magnete angeordnet ist, wobei die vier Aperturen (123-1, 123-2, 123-3, 123-4) zwischen den vier Magnetfeldern eine Kreuzkopplung verhindern.

11. Streakkamerarohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß entweder eine oder beide der ersten Apertur (123-1) oder zweiten Apertur (123-2) so dimensioniert sind, daß aus dem Paket der Fotoelektronen jene Fotoelektronen gewählt werden, die eine Energie haben, welche in einen Bereich fällt, der enger als der Bereich der anfänglichen Energieverteilung ist.

12. Streakkamera zur Zeitauflösung eines Lichtimpulses mit

a) einem Streakkamerarohr (103) nach einem der vorstehenden Ansprüche;

b) einem Eingangsschlitz (27, 143, 153) der vor der Fotokathode (33, 109) angeordnet ist.

c) optischen Instrumenten (29, 145, 155) zum Abbilden des Eingangsschlitzes (27) auf der Fotokathode (33, 109);

d) einer Ablenk-Treiberschaltung (49) zum Treiben der Ablenkelektroden (47-1, 47-2); und

e) einer Triggerschaltung (50) zum Triggern der Ablenk- Treiberschaltung (49).

13. Streakkamera nach Anspruch 12, wobei die optischen Instrumente (29) im wesentlichen streuungsfrei sind.

14. Streakkamera nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Instrumente (145) einen ersten Konvexspiegel (149) zum Empfangen eines Lichtimpulses vom Eingangsschlitz (143) und einen zweiten Konkavspiegel (147) zum Empfangen von Licht, das vom ersten Spiegel (149) reflektiert wird, und Fokussieren dieses Lichtes auf die Fotokathode (33, 109) aufweisen, wobei der erste Spiegel (149) kleiner als der zweite Spiegel (147) ist.

15. Streakkamera nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Instrumente (154) einen ersten Konkavspiegel (159) zum Empfangen eines Lichtimpulses vom Eingangsschlitz (153) und einen zweiten Konkavspiegel (157) zum Empfangen von Licht, das vom ersten Spiegel (159) reflektiert worden ist, und zum Fokussieren dieses Lichts auf die Fotokathode (33, 109) aufweisen, wobei der zweite Spiegel (157) kleiner als der erste Spiegel (159) ist.