JP2572388B2

JP2572388B2 - ストリ−ク管

Info

Publication number: JP2572388B2
Application number: JP62108575A
Authority: JP
Inventors: 勝之木下
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1987-05-01
Filing date: 1987-05-01
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2012-01-16
Also published as: JPS63274046A; GB2205681A; US4902927A; GB8810054D0; GB2205681B

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は発光現象等の経時的な強度分布の測定等に好
適に利用できるストリーク装置に関するものである。

〔従来の技術〕

ストリーク装置は、ストリーク管を用いて被測定光の
時間的な強度分布を出力面上の空間的な強度分布に変換
して測定するもので、ピコ秒オーダーまでの時間分解能
が得られるので、特に超高速光現象の解析に用いられて
いる。

まず、従来のストリーク管の構成および動作について
説明する。

第５図（イ）は従来のストリーク管を光電面側から見
た図、同図（ロ）は管軸を含み偏向電極に平行な平面で
切断した断面図、第６図（イ）は従来のストリーク管を
光電面側から見た図、同図（ロ）は管軸を含み偏向電極
に垂直な平面で切断した断面図、第７図は偏向電極印加
電圧を示す図である。図中、１は真空気密容器、２は入
射窓、３は光電面、４はメッシュ電極、５は集束電極、
６は陽極板、７は偏向電極、８は出射窓、９は螢光面、
10は光学像、11は主軌道、12はβ軌道を示している。

図において、ストリーク管の真空気密容器１の一端面
は解析しようとする光学像が入射される入射窓２、他端
面は処理された光学像を出射する出射窓８が設けられて
いる。入射窓２の容器内壁面側には光電面３、出射窓８
の容器内壁面側には螢光面９がそれぞれ設けられてい
る。この真空気密容器１の管軸に沿って光電面３と螢光
面９の間に順次メッシュ電極４、集束電極５、陽極６、
偏向電極７が配置されている。

そして、光電面３に対して集束電極５、メッシュ電極
４、中央開口を有する陽極６に、この順でより高い電圧
を加え、さらに螢光面９に陽極６と同一の電位を与えて
おく。この状態で図示されない装置により、入射窓２を
経て光電面３にその中心を通る線状の光学像10が投影さ
れたとする。光電面３は前記光学像に対応して電子像を
放出し、放出された電子はメッシュ電極４により加速さ
れ、集束電極５により集束され、陽極６の中央開口を通
過し、偏向電極７の間隙を経て螢光面９の方向へ走行す
る。

この線状の電子像が偏向電極７の間隙を通過する期
間、前記偏向電極７に第７図に示すように時間的に変化
する偏向電圧を加えておく。この電圧によって生ずる電
界の方向は管軸および線状の電子像に垂直（第５図の断
面図において紙面に垂直）であり、その強さは偏向電圧
に比例する。この偏向電圧により螢光面９上には線状の
電子ビームがその線状の方向と垂直に走査され（第５図
矢印Ｓに示す方向）、最終的に螢光面９上に光電面３に
投影された線状の光学像に対応した出力線状光像をその
線状の長手方向と垂直に時間的に順次配列した光学像、
いわゆるストリーク像が形成される。したがって、スト
リーク像の配列方向、すなわち掃引方向の輝度変化を定
量的に測定することによって光電面３に入射した光学像
の強度の時間的変化が得られ、この場合、出射面におけ
る輝度の幅Ｗが小さい程時間分解能が高くなる。

光電面３の一点から同一時点に放出される複数の光電
子は、色々な角度とエネルギーを持っており、例えば第
６図（イ）における線状の光像のＰ点に対応する光電面
３から放出された複数の光電子の初期エネルギーは０〜
数eVの間である分布を持っている。また、放出方向も光
電面３に垂直なものからＰ点における光電面の法線とθ
（０゜＜θ≦90゜）の角度をなすものまで種々ある。し
たがって、このままではこれらの光電子は拡がってボケ
たものになってしまう。これを再び出力面上に結像する
ために集束電界によって形成される電子レンズが用いら
れている。

まず、偏向電極７を形成する１対の偏向板7aと7b間に
偏向電圧が印加されていない場合についての光電子の軌
道を説明する。

光電面３から放出された初期エネルギーが０のものの
軌道11を主軌道と呼び、それ以外の光電子の軌道12をβ
軌道と言う。β軌道12は無制限に存在し、光電面から放
出された時点での光電面に対する法線となす放出角θが
大きい程、また、その初期エネルギーが大きい程β軌道
12が主軌道11より離れる距離は大きくなる。

以下説明を容易にするため、法線となす角が60゜であ
り、1eVのエネルギをもって主軌道11に対称に放出され
た光電子の軌道12によりβ軌道を代表させることにす
る。

主軌道を通る光電子の螢光面９に到達する位置をＰと
すれば、集束電極５に印加する電圧を調整することによ
って任意のβ軌道の出力面上に到達する位置を実質的に
Ｐ点に一致させることができる。

一般に、β軌道12を通る光電子は第６図で示されるよ
うに、当初主軌道11から離れていき、その後集束電極５
によって形成された電子レンズにより主軌道11の方向に
力を受ける。そのため、β軌道12を通る光電子は集束電
極５のアパーチャ電極６の側の端部付近で主軌道11との
距離が最大となり、そこから主軌道方向の速度成分が加
わり、アパーチャ電極６と偏向電極７の中間あたりで集
束電子レンズ効果はなくなるので、以後光電子ビームは
ほぼ光電面３とアパーチャ電極６の間に印加された電圧
に対応する速度で直線運動をし、主軌道に近づきＰ′点
に到達する。従って光電面から種々の角度、エネルギー
で放出された光電子をほぼ一点Ｐ′に集束でき、螢光面
上のビームの拡がり幅Ｗを小さくすることができる。

しかしながら、偏向電極に掃引電圧を印加すると、螢
光面上での掃引方向のビームの拡がり幅Ｗは大きくなっ
てしまう。

まず偏向電圧の変化が緩やかで、ビームの偏向空間通
過時間中には変化しないと考えてもよい場合（静的な場
合）について説明する。

第８図は先に説明したストリーク管の偏向電極と螢光
面を取り出して示した図で、図中、ビームＡは偏向板7a
に＋VD（正電圧）、偏向板7bに−VD（負電圧）の偏向電
圧を印加した場合の電子ビームを主軌道とβ軌道とで示
しており、ビームＣは偏向板7aに−VD（負電圧）、偏向
板7bに＋VD（正電圧）の偏向電圧を印加した場合の電子
ビームを主軌道とβ軌道とで示している。

いずれも、偏向電圧が加わっていない時、出力螢光面
９上の１点に結像されているビームＢが偏向されたもの
である。ビームＡとＣではいずれも、出力螢光面９上で
拡がりが生じている。この拡がりは、図中に示されたβ
軌道のａ電子とｂ電子の偏向量の差に起因するものであ
る。

第９図はVDを500Vとした時の偏向電極７の周囲の等電
位面を示す図である。

電子ビームＡの場合、偏向電極７の入力付近でａ電子
（β軌道上の電子）は＋500Vの印加されている偏向板7a
に近いので、これによって図のFaに示すような力を受け
て管軸方向に加速される。ｂ電子（他のβ軌道上の電
子）は−500Vの印加されている偏向板7bに近いので、こ
れによって図のFbのような力を受けて減速される。この
結果、ｂ電子はａ電子よりゆっくり偏向電界の中を通過
することになるので偏向電界の作用をより大きく受け、
ａ電子より大きく偏向されることになる。電子ビームＣ
の場合は、ａ電子とｂ電子の関係が逆になる。こうし
て、出力螢光面９の端部では、電子ビームが螢光面９の
前方で集束されて拡がりWsが生じる。この量は中心から
大きく偏向された場所程大きくなる。この拡がりWsがス
トリーク管の時間分解能の劣化の一因となっている。

ここで螢光面９上でのビーム掃引速度をVsとすれば、
この拡がりWsにより規定されるストリーク管の時間分解
能Δｔは次式で定義される。

Δｔ＝Ws/Vs しかし、このように偏向角が大きい所でビーム拡がり
が生じるだけであれば、有効に使用できる出力面中心部
分と偏向角の小さい範囲を使用していれば問題はない。

次に、偏向電圧の変化が速く、電子が偏向空間を通過
中に変化する場合（動的な場合）の軌道について説明す
る。

第10図は偏向電極に加えられる偏向電圧波形を示す図
である。

図示するように偏向板7aにVd₁（ｔ）、他の偏向板7b
にVd₂（ｔ）で表される直線的に変化する傾斜状電圧を
印加した場合、時刻ｔにおける偏向板間の電圧は、 Vd₁（ｔ）−Vd₂（ｔ）となる。光電子が偏向電極部を通過する時間中に傾斜電
圧の変化量が光電子ビームの光電面とアパーチャ電極の
間の加速電圧に比較して無視できる程度であれば、前述
した直流偏向電圧を印加したときと同じ取り扱いをする
ことができる。

光電面とアパーチャ電極の間で光電子が10KeV位に加
速されたとすると、光電子の偏向電極部での管軸方向の
速さは約６×10⁷m/sとなる。偏向電極の長さを例えば12
mmとすれば通過に要する時間は200ps程度となる。した
がって、例えば第10図に示す傾斜状電圧が１μｓの間に
3KV変化する程度ならば偏向電極を通過する間に、偏向
電圧の変化は0.3V程度で、前記10KeVに比べて非常に小
さく直流電圧が印加されたと同一にみなしてもよい。し
かし、例えば200psの通過時間の管に3KVも変化してしま
うような場合には、出力面上のビームの拡がりの様子は
異なったものになる。

第11図はこのような偏向電圧の変化が大きい場合のビ
ームの拡がりの様子を示す図である。

この場合も、管軸方向の速度の遅い電子が偏向電界に
よって作用を受けやすいという点は、直流偏向電圧が印
加された場合と同じである。偏向電圧の変化が高速の場
合は、各電子ビームＡ、Ｂ、Ｃにおけるａ電子とｂ電子
（β軌道上の電子）の間の管軸方向の速度の関係は直流
偏向電圧の場合と異なり、螢光面９の中心に到達するビ
ームＢについても非常に速く変化する傾斜状電圧が印加
されている。

第11図の例では、ビームＢは偏向電極に入射する時点
では、偏向板7aに＋,7bに−の電圧を印加されていて、
偏向電極に入って当初の期間は7a側に曲げられ走行す
る。そのうち偏向板7aと7bの電圧が逆転して7b側に曲げ
られ、最終的には出力面の中心に到達する。

このように、電子ビームが通過する間に偏向電界は大
きく変わるため、電子軌道に対する偏向電界の効果は直
流偏向電圧の場合と異なっており、直流偏向電圧の場合
のように簡単に拡がりの様子は求まらないが、電子計算
機を用いた電子軌道解析により求めることが可能であ
る。それによると、その拡がりWdは出力面中心で一番大
きく、また偏向の大きい所でも、出力面上の拡がりの生
ずる様子が直流偏向電圧を印加した場合と異なることが
わかっている。

また、この拡がりは、直流偏向電圧を印加し、光電子
ビームの集束点を集束電極の電圧を調整することによっ
て、第11図に点線で示すように出力面より後の面にずら
した場合に出力面上で生ずる拡がりとほとんど同じであ
ることもわかっている。したがって、第12図に示すよう
に予め出力面中心においてビームを静的な状態で出力面
より適当なだけ前方で結像（図の静的焦点Ｆ）しておく
ことにより、掃引状態ではビームを丁度出力面に結像さ
せることができ、偏向電界によるビームの拡がりを打ち
消すことができ、従来はこのことを利用してビームの拡
がりを打ち消すようにしている。

このような結像面の調節は集束電極への印加電圧を変
化させることにより可能であり、集束電極電圧を負の方
向にずらせば結像面が出力面より前方（光電面側）へず
れ、この電圧を調節すれば結像面の位置を調節すること
ができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、掃引によりビームの結像点がどの程度
出力面の後方へずれるかは掃引速度により異なり、その
ためどの程度集束電極電圧を負の方向にずらせばよいか
は、掃引速度によって変える必要がある。したがって、
掃引速度を変えた場合には、集束電極電圧も切換えなけ
ればならないことになる。また、被測定光に非常に強い
光強度のパルスが存在する時は、光電子ビームの密度が
高くなり、空間電荷効果により電子同士が反発しあって
偏向電極に入射する時のビームの掃引方向の太さ（第８
図、第９図のａ電子、ｂ電子の間隔）が大きくなり、こ
の場合は光電面から放出された時のエネルギーや角度に
よる太さの変化と異なり、光電面から偏向電極に入射す
るまで光電子同士が反発しあって大きくなったものなの
で、また別の値の集束電圧で補正しなければならず、実
際には被測定光の強度の変化に合わせて集束電極の電圧
を調整するのは困難である。

本発明は上記問題点を解消するためになされたもの
で、光電子ビームを掃引した時生じる螢光面上での光電
子ビームの拡がりを除去し、良好な時間分解能を得るこ
とのできるストリーク管を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明のストリーク管は、入射窓内面に形
成された光電面から放出された光電子ビームによるスト
リーク像を螢光面上に形成し、出射窓からストリーク像
を得るストリーク管において、光電面から放出された光
電子ビームを加速する加速電極と、加速電極により加速
された光電子ビームを偏向する偏向手段と、偏向された
光電子ビームを集束する集束手段とがこの順に配置さ
れ、光電面から放出された光電子ビームを前記加速電極
により加速した直後に前記偏向手段により偏向し、偏向
後、光電子ビームを螢光面上に集束するようにしたこと
を特徴とする。

〔作用〕

本発明のストリーク管は、光電面から放出された光電
子ビームを加速した直後に偏向し、偏向した光電子ビー
ムを螢光面上に集束することにより、光電子ビームの掃
引による螢光面上における拡がりを除去し、良好な時間
分解能を得ることができる。

〔実施例〕

以下、実施例を図面に基づき説明する。

先ず、第１図により本発明のストリーク管の原理につ
いて説明する。図中、21は集束レンズ、Ｓは掃引方向を
示している。

偏向電極で掃引した時の螢光面上での光電子ビームの
拡がりは、前述したように偏向電極に入射する時、掃引
される方向にビームの太さを持つために生じる。そこ
で、そのビームの太さを実質上零とすれば（第８図、第
９図のａ電子,b電子の偏向場に入る時の掃引方向の間隔
を実質上零とすること）、掃引動作で発生する出力螢光
面上での光電子ビームの拡がりはなくなる。そこで第１
図に示されるように、光電子ビームが光電面３から放出
され、メッシュ電極４を通り抜けてしばらくはまだその
太さが小さな値に保たれていることに注目し、メッシュ
電極の出力面側のすぐそばに偏向電極７を配置し、光電
面から放出された光電子ビームがその個々の光電子が持
つ初速によって拡がる前に、掃引動作を行ってしまい光
電子ビームを集束する電極はその後に配置するのが本発
明の原理である。

従来の電極配列は、光電面−メッシュ電極−集束電極
−アパーチャ電極−偏向電極−螢光面の順であるが、本
発明は光電面−メッシュ電極−偏向電極−集束電極−陽
極−螢光面の順となる。

先に偏向を行った時、光電面上に結像された線状光像
に対応する線状光電子像は図示するように出力螢光面９
上に結像されることとなる。

第２図は本発明によるストリーク管の実施例を示す図
で、管軸を含み偏向電極に垂直な平面で切断して示した
断面図であり、第５図、第６図と同一番号は同一内容を
示している。なお、22はメッシュ支持部、23は陽極、24
は穴である。

図において、ストリーク管の管内は真空であり、入射
窓２、光電面３、メッシュ電極４、偏向電極７、円筒状
集束電極５、円筒状陽極23、螢光面９、出射窓８を備え
ている。図示しない高圧電源より光電面３には、例えば
−10KV、メッシュ電極４には−8.5KV、集束電極５には
電子レンズの強さを調整し、光電面上の線状光像に対応
する線状光電子像を出力面上に最適に結像するため、可
変抵抗を通してほぼ−8.7KVを印加する。陽極23、螢光
面９は0Vである。偏向電極７はメッシュ電極４の直後に
置かれ、その間隔は、例えば約2mmであり、また、偏向
電極７の管軸方向の長さは20mm程である。また、偏向電
極７は集束電極５のような軸対称の形状でないので、偏
向電極の形状が集束電極の形成する集束電子レンズに歪
を与える。そこでメッシュ電極４を支持しているメッシ
ュ電極支持部22をそのまま管軸方向にのばした円筒部お
よび管軸を中心にしたアパーチャのついた蓋で偏向電極
を囲ってシールドし、集束電極の作る集束電子レンズに
与える影響を小さくする。円筒部の側面に穴24をあけて
偏向リードを通してある。

次に動作を説明すると、まず、光電面に線状光線がそ
の長手方向が紙面に垂直な方向で結像される。光電面上
でその線状光像の掃引方向の幅は約20μｍである。光電
面から線状光像に対応する光電子ビームが放出され、メ
ッシュ電極４により加速される。偏向電極７がメッシュ
電極の直後に置かれているので、光電子ビームはメッシ
ュ電極を通過するとすぐ傾斜電圧により偏向される。こ
の場合、光電面の法線となす角が60゜、エネルギleVで
主軌道に対称に光電面から放出された光電子の軌道Ａ、
Ｂで光電子ビームの掃引方向の幅をみると、偏向電極入
口で0.18mmであり、従来の先に集束電極、アパーチャ電
極のある管の偏向電極入口での光電子ビームの掃引方向
の幅2mm（第６図参照）に比べれば非常に小さい。従っ
て偏向電極での掃引による光電子ビームの拡がりは非常
に小さいものに抑えられる。光電子ビームは偏向電極７
を通過した後、集束電極５により出力螢光面９上に集束
され、ストリーク像を形成する。この方式では掃引によ
り生ずる出力螢光面上での拡がりは無視できるので面倒
な補正動作が不要となり、非常に強い光強度のパルスの
時でも偏向電極通過時にはまだ空間電荷効果による光電
子ビームの幅は小さく、掃引により生ずる時間分解能の
劣化を抑えることができる。

第３図は本発明によるストリーク管の他の実施例を示
す図で、25は分離アパーチャ電極である。

本実施例においては、図示するように偏向電極７と集
束電極５との間に分離アパーチャ電極25を挿入し、偏向
電極の非対称形状が円筒状集束電極の形成する集束電子
レンズに歪を与えないようにしている。

第４図（イ）は本発明による電磁集束型ストリーク管
の実施例を示す図であり、26は集束コイルである。

本実施例においても偏向電極はメッシュ電極の直後に
置かれ、偏向電極と出力螢光面の間に集束コイル26が配
置される。光電面には−10KVが印加され、メッシュ電
極、螢光面は0V、偏向電極には第１図に示すような傾斜
電圧が印加される。

なお上記実施例においては光電面に近接してメッシュ
電極を配置するようにしたが、必ずしもメッシュでなく
ても線状光像の長手方向がスリット方向に一致するよう
な真中にスリットを有するスリット電極でもよく、偏向
手段としては電磁偏向のものを使用してもよい。第４図
（ロ）は、第４図（イ）で説明したストリーク管により
得られたデータを示すグラフで、入射光はリング・ダイ
・レーザで約100fs（0.1ps）（ただしfsはfemtosecond
で10^-15を、psはpicosecondで10^-12を意味している）の
半値幅（FWHM）のパルス光を発生させ、このパルス光が
線状の光像として管の光電面上に結像されるようにして
いる。第４図（ロ）のグラフの横軸はこの線状の光像に
含まれる光子数（フォトン数）であり、縦軸はこの光を
入射した時、出力面上に得られるストリーク像の半値幅
である。破線で示したものは従来管のもの、実線で示し
たデータは本発明を適用した管によるものである。光量
の少ないときは従来管、本発明を適用した管ともに管の
限界時間分解能で決まる約0.6psの半値幅が得られてい
る。しかし、光量が増すとともに、従来管ではその半値
幅が急激に増加し、時間分解能が劣化する。しかし、本
発明を適用した管では、それはほとんど増加せず、良好
な時間分解能に保たれている。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、光電子ビームの偏向動
作を、まだ光電子ビームの掃引方向の幅が小さいメッシ
ュ電極通過直後に行い、その後光電子ビームの集束を行
うようにしているので、掃引による時間分解能の劣化が
ほとんどなく、面倒な補正の必要もなく非常に有益であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のストリーク管の原理を説明するための
図、第２図は本発明によるストリーク管の実施例を示す
図、第３図は本発明によるストリーク管の他の実施例を
示す図、第４図は本発明による電磁集束型ストリーク管
の実施例を示す図、第５図（イ）は従来のストリーク管
を光電面側から見た図、同図（ロ）は管軸を含み偏向電
極に平行な平面で切断した断面図、第６図（イ）は従来
のストリーク管を光電面側から見た図、同図（ロ）は管
軸を含み偏向電極に垂直な平面で切断した断面図、第７
図は偏向電極印加電圧を示す図、第８図はストリーク管
の偏向電極と螢光面を取り出して示した図、第９図は偏
向電極の周囲の等電位面を示す図、第10図は偏向電圧波
形を示す図、第11図は偏向電圧の変化が大きい場合のビ
ームの拡がりの様子を示す図、第12図は静的焦点を螢光
面の前方に形成した場合の掃引電子ビームを示す図であ
る。１……真空気密容器、２……入射窓、３……光電面、４
……メッシュ電極、５……集束電極、６……陽極板、７
……偏向電極、８……出射窓、９……螢光面、10……入
射線状光学像、11……主軌道、12……β軌道、21……集
束レンズ、Ｓ……掃引方向、22……メッシュ支持部、23
……陽極、24……穴、25……分離アパーチャ電極、26は
集束コイル。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入射窓内面に形成された光電面から放出さ
れた光電子ビームによるストリーク像を螢光面上に形成
し、出射窓からストリーク像を得るストリーク管におい
て、光電面から放出された光電子ビームを加速する加速
電極と、加速電極により加速された光電子ビームを偏向
する偏向手段と、偏向された光電子ビームを集束する集
束手段とがこの順に配置され、光電面から放出された光
電子ビームを前記加速電極により加速した直後に前記偏
向手段により偏向し、偏向後、光電子ビームを螢光面上
に集束するようにしたことを特徴とするストリーク管。
【請求項２】前記偏向手段が偏向電極からなり、偏向電
極の周囲に円筒状シールドを設けた特許請求の範囲第１
項記載のストリーク管。
【請求項３】前記偏向手段と集束手段の間に分離アパー
チャ電極を設けた特許請求の範囲第１項記載のストリー
ク管。
【請求項４】前記加速電極がメッシュ電極からなる特許
請求の範囲第１項記載のストリーク管。
【請求項５】前記加速電極がスリット電極からなる特許
請求の範囲第１項記載のストリーク管。