JP3071809B2 - ストリーク管 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は、高速度で変化する光の時間的な明るさの
変化を、数百フェムト秒以内のオーダーで計測できるス
トリーク管に関する。

【従来の技術】

ストリーク管は、被測定光の時間的な強度分布を出力
面上に空間的な強度分布に変換する装置であり、ピコ秒
台の時間分解能が得られるので超高速光現象の解析に用
いられている。 従来の一般的なストリーク管の構成は、第11図及び第
12図に示されるようになっている。 第11図（Ａ）は偏向電極に平行な平面で切断した断面
図、第11図（Ｂ）は、光電面と光学像の関係を示す平面
図であり、又第12図（Ａ）は、ストリーク管の管軸を含
み、偏向電極に垂直な平面で切断した断面図、第12図
（Ｂ）は第12図（Ａ）における光電面と光学像との関係
を示す平面図である。 図に示されるように、ストリーク管１は真空気密容器
２が一端面に設けられた、解析しようとする光学像が結
像させられる入射窓３と、この入射窓３の反対側の端面
に形成され、処理された光学像を出射する出射窓４と、
を備えている。 真空気密容器２内の、前記入射窓３と出射窓４との間
には、管軸に沿って、順次、光電面５、加速用メッシュ
電極６、集束電極７、偏向電極９、蛍光面10が配置され
ている。 前記光電面５に対して集束電極７、メッシュ電極６、
アパーチャ電極８に、この順でより高い電圧を加え、更
に蛍光面10にアパーチャ電極８と同一の電位を与えるよ
うにされている。 図示されていない装置で、入射窓３を経て光電面５
に、その中心を通る線上に光学像11が投影されると、光
電面５は、光学像11に対応した電子像を放出し、放出さ
れた電子はメッシュ電極６によって加速され、更に集束
電極７により集束され、アパーチャ電極８を通過し、偏
向電極９の間隙に入射する。 この線状の電子像が、前記偏向電極９の間隙を通過す
る期間、偏向電極９に傾斜状の偏向電圧を加えると、該
偏向電極９に生ずる偏向電界により偏向され、蛍光面10
に入射する。 このとき偏向電圧によって生じる電界の方向は管軸及
び線上の電子像に垂直（第11図（Ａ）において紙面に垂
直、第12図（Ａ）では紙面に平行）であり、その強さは
偏向電圧に比例する。 蛍光面10上には、線状の電子ビームがその線状の方向
と垂直に走査されることにより、最終的に蛍光面10上
に、光電面５に投影された線状の光学像をその線の方向
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。 従って、ストリーク像の配列方向即ち掃引方向の輝度
変化は光電面５に入射した光学像11の強度の時間的変化
を表わすことになる。 上記のようなストリーク管において、光電面から放出
された光電子は種々のエネルギーを持つ。 このため、同時に光電面５から放出された光電子群が
時間分解動作を行う偏向電極９に到達する時刻にばらつ
きが生じ、走行時間拡がりが発生する。 この走行時間拡がりがストリーク管１の時間分解能の
限界の１つの要因となっている。 一般に、光電面の種類と、被計測光の波長とにより光
電面より放出される光電子群のエネルギー分布が定ま
り、且つ、ストリーク管の光電面から偏向電極に至る管
軸上の電位分布がこれらの光電子群の加速状況を決定す
る。 従って、走行時間拡がりは光電面の種類と被計測光の
波長及び管の軸上電位分布によって決定される。 従来、この走行時間拡がりを低減するために、光電面
近傍での光電子の低速領域を少なくすべく、光電面に近
接して加速用メッシュ電極を設け、光電子を急加速する
ようにしている。 このようにすると、光電面とメッシュ電極の間の走行
時間拡がりは、用いる光電面と被計測光の波長が定まれ
ば、この間の電界のみで定まることになる。 例えば、Ｓ−20（米国電子機械工業団体の規格）と言
われる光電面で光波長が500nmのときの、電界と走行時
間拡がりの関係は第13図に示されるようになる。 この図からは、電界を大きくすれば、走行時間拡がり
は理論的にいくらでも小さくできることとなる。 しかしながら、実際には、光電面表面が例えば6kV/mm
以上になると、電界効果により、入射光が無い暗時にも
暗電子流が放出され、出力蛍光面上に雑音による発光
（バックグラウンド）の増加が生じ、SN比が悪くなる。 又、光電面上に微小な突起があるときは、その表面に
非常に強い電界が生じ、トンネル効果により、非常に大
きな暗電子流が発生して、これが出力蛍光面に白スポッ
トとなって表われる。 これに対しては、光電面とメッシュ電極との間に印加
する電圧を非常に短い時間だけ印加するようにして、暗
電流の発生時間を低減させて、出力蛍光面上に生じるバ
ックグラウンドを小さくすることが考えられる。

【発明が解決しようとする課題】

このためには、例えば第14図に示されるような短パル
ス電圧を、ストリーク管の光電面が形成された入射窓を
支持するフランジ電極から、光電面に印加することにな
る。 しかしながら、インピーダンスの整合がとれていない
ので印加したパルス電圧波の一部が反射されたり、又、
フランジ電極間の静電容量も多いため、実際には、第15
図に示されるように、波形が鈍り、且つ低下した電圧が
光電面に印加されることになる。 このため、必要とする大きさのパルス電圧を印加でき
ないと共に、電源で発生したパルス電圧のパルス幅より
も長い時間、光電面と加速電極間に加速電圧が印加され
てしまい、短い時間だけ電圧を印加して暗電流の発生時
間を低減させるという初期の目的が達成できないことに
なる。 更に、従来のストリーク管においては、組立精度等の
点から、光電面と加速電極との間隔を0.5mm以下とする
ことができなかった。 このため、例えば光電面と加速電極間での走行時間拡
がりを50fS以内にしようとすれば、光電面近傍の電界は
36kV/mm、即ち、18kV（/0.5mm）のパルス電圧が必要と
なるが、このような高電圧を、例えば1nSの非常に短い
パルス幅で形成するのは容易でないという問題点があ
る。 この発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたもので
あって、光電面と加速電極間に、大きく波形が鈍ったり
電圧低下を生じることなく、非常に短いパルス幅のパル
ス電圧を印加できるようにしたストリーク管を提供する
ことを目的とする。 又、光電面と加速電極との間の間隔を、従来より大幅
に狭くして、高電圧のパルス電圧を加えることなく所要
の電界を得ることができるようにしたストリーク管を提
供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

この発明は、光電面と、該光電面に対向して配置さ
れ、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、を有してなるストリーク管において、前記光電
面及び加速電極の少なくとも一方を、伝送線路とインピ
ーダンス整合され、該伝送線路と接続される帯状電極に
設けることにより、上記目的を達成するものである。 又、前記光電面が形成されている入射窓を、ベローズ
により前記加速電極に対する距離を微調整可能に支持す
ると共に、微調整後に、前記光電面及び加速電極の距離
を固定したことにより上記目的を達成するものである。 又、前記伝送線路に接続される帯状電極を、前記光電
面に対向する部分を該光電面方向に突出して形成し、こ
の突出部分に前記加速電極を設けることにより上記目的
を達成するものである。

【作用及び効果】

この発明においては、光電面及び加速電極の少なくと
も一方が、パルス電圧印加可能な帯状電極とされている
ので、比較的低いパルス電圧により、光電面と加速電極
間に超短且つ非常に強いパルス電界を発生することがで
き、これによって出力蛍光面上にバックグラウンド上昇
を生じさせることなく、非常に高い時間分解能でストリ
ーク像を得ることができる。 特に、光電面をベローズにより加速電極に接近可能と
し、又は加速電極の所要部分のみを光電面方向に突出、
接近して形成したので、両者間の間隔を更に小さくする
ことにより、形成が容易な比較的低いパルス電圧によっ
て、所要のパルス強電界を発生することができる。

【実施例】

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。 この実施例は、第１図及び第２図に示されるように、
ストリーク管20における光電面22を、ストリップ伝送線
路24上に形成したものである。 ストリーク管20の入射窓26は管の内側に凸状のガラス
面板からなり、その突出した内側端面27に、前記光電面
22が設けられている。 前記ストリップ伝送線路24は、入射窓26の内側表面に
幅5mmで形成された金蒸着膜から構成されている。 この金蒸着膜からなるストリップ伝送線路24の、前記
入射窓26の中心に該当する部分には、0.5mm×0.5mmの非
蒸着部25が形成されている。 この非蒸着部25には、周囲の金蒸着膜と重なるように
して、0.5mm×0.5mmよりも大きい正方形に、半透明のタ
ングステン下地28が蒸着されている。 前記光電面22はこのタングステン下地28の上に形成さ
れている。 前記ストリップ伝送線路24は、第２図において、入射
窓26の内側端面27を、縦断する範囲で形成され、その両
端には、一対の封入リード30A、30Bが接続されている。
この封入リード30A、30Bの、ガラスバルブ32からの突出
端部には、50Ωの特性インピーダンスを持つ同軸線路34
の芯線34Aにそれぞれ接続されている。前記同軸線路34
の一方にはパルス電圧発生器36の出力側が接続され、
又、他方の同軸線路34は、50Ωの抵抗に接続されて終端
されている。 又前記同軸線路34における外側のシールド線34Bは加
速電極38に接続されている。 第１図の符号40はガラスバルブ32における、入射窓26
と反対側に設けられた出射窓を示す。 前記加速電極38と出射窓40との間には集束電極42、陽
極44、偏向電極46、マイクロチャンネルプレート48が配
置されている。 前記出射窓40の内側面には、蛍光面50が形成されてい
る。 第１図において、符号52は陽極44とマイクロチャンネ
ルプレート48の間で、ガラスバルブ32内側面に形成され
たウォール電極、54はマイクロチャンネルプレート48の
ためのMCP入力電極、56はMCP出力電極をそれぞれ示す。 ここで、前記入射窓26は、支持筒58により支持され、
この支持筒58は、周囲のフランジ部58Aでベローズ60を
介してガラスバルブ32の端部に支持されている。ガラス
バルブ32の端部とフランジ部58Aの間の距離は、間隔保
持材62によって設定されるようになっている。 次に、前記ベローズ60、間隔保持材62によって、支持
筒58の位置即ち入射窓26及びこれと一体の光電面22と、
加速電極38との位置決め並びに光電面22の形成過程につ
いて説明する。 まず、第１図におけるベローズ60が伸びた状態で、入
射窓26の内側端面27と加速電極38の間を10〜20mm空けて
おく。 この状態で、光電面製作用チップ64から光電面の材料
であるアンチモン蒸着源を導入して、タングステン下地
28上にアンチモンを蒸着し、更にアルカリ金属蒸気を送
り込むことにより、該タングステン下地28上にＳ−20光
電面22を作成する。 光電面作成後、ベローズ60を縮め、光電面22と加速電
極38との間を、例えば0.2mmとなるように微調整する。
この距離の設定後、前記間隔保持材62をフランジ部58A
とベローズ60のフランジ部60Aの間に入れて接着剤で固
定し、光電面22と加速電極38との間の距離を0.2mmに固
定する。 ここで、前記加速電極38は、光電面22側に伸びた円錘
台形状であって、その内側は空洞とされ、又円錘台先端
には円状に1000メッシュ／インチの細かさの同メッシュ
を貼ることによって形成されている。 ここで、各電極に印加される電圧は、例えば、集束電
極42は＋15kV、加速電極38、ウォール電極52及びMCP入
力電極54はそれぞれ0V、MCP出力電極56は＋800V、蛍光
面50は＋3.8kVとする。 又前記偏向電極46には、第１図中に示されるように、
偏向電極46を光電子流が通過するタイミングに合せて、
400pSで＋1.5kVから−1.5kVに変化する傾斜電圧が印加
されるようになっている。 又光電面22には、ストリーク動作を行う期間のみパル
ス電圧発生器36からパルス電圧が印加され、ストリーク
動作を行わない期間には0Vが印加されるようになってい
る（第３図参照）。次に上記実施例のストリーク管20で
計測を行う過程について説明する。 被計測光が、入射窓26から、半透明のタングステン下
地28を通って光電面22に入射したとき、その計測したい
時間帯、即ち蛍光面50上に、被計測光をストリーク像と
して捕えたい時間帯が、光電面22へのパルス印加時間の
中に含まれるような電界を、光電面22と加速電極38間に
発生させる。 即ち、パルス電圧発生器36により、第３図に示される
ような、パルス電圧を発生し、これを、同軸線路34、封
入リード30A及びストリップ伝送線路24を介して、光電
面22に印加する。 このときのパルス電圧は、−3kV且つパルス時間は1nS
である。 この電圧パルスは、他方の封入リード30Bから抜け
て、50Ωの抵抗で終端される。 前記光電面22に供給されるパルス電圧は、インピーダ
ンス整合されたストリップ伝送線路24上を伝播するの
で、波形のなまりや反射による減衰もなく、パルス電圧
発生器36で発生された電圧に対応した、高速のパルス電
界を、光電面22と加速電極38との間に発生させる。 ここで、光電面22と加速電極の間隔は、前述の如く0.
2mmに設定されている。 従って、−3kVのパルス電圧による電界の強さは、15k
V/mmと非常に大きな値となり、光電面22から出射する光
電子を強く加速することになる。 このため、光電子の光電面22から出射するときの初速
度分布に起因する、該光電子の走行時間広がりを、小さ
く抑えることができる。 又、前述の如く、パルス電圧は1nSと非常に短い時間
だけ印加されるので、このパルス電圧に基づく高電界に
伴う暗電流もほどんど無視できる程度となる。 光電面22から出射し、加速電極38によって加速された
光電子は、15kVの電圧が印加された集束電極42により、
MCP48の入力面上に集束される。 ここで、プラス極性の高い電圧を集束電極42に加える
ことにより集束レンズを形成しているので、集束電極44
部分での走行時間広がりが小さい。 集束電極42を通過後、光電子ビームが偏向電極46によ
り掃引され、マイクロチャンネルプレート48によって増
倍され、出力蛍光面50上にストリーク像が形成される。 この実施例では、100fSオーダーの時間分解能が得ら
れる。 又、この実施例では、ベローズ60を利用して、光電面
22と加速電極38間の距離を製作誤差よりも更に小さい距
離に設定できるので、大きな電圧をかけることなく、高
電界及びそれに伴う急速な光電子の加速を得ることがで
きる。 又、光電面22が、インピーダンス整合したストリップ
伝送線路24上に形成されているので、パルス電圧波の一
部が反射したりすることがなく、所望の、超短、且つ、
非常に強いパルス強電界を発生することができる。 上記実施例は、ベローズ60を利用して、光電面22と加
速電極38との間の距離を、光電面22形成後に微調整して
両者間の距離を製作誤差よりも更に小さくするようにし
ているが、本発明はこれに限定されるものでなく、他の
手段により、あるいは製作精度を向上させることによっ
て、両者の距離を最小限とするようにしてもよい。 例えば、第４図に示される本発明の第２実施例のよう
に、インジュームを利用してもよい。 第４図の第２実施例は、この実施例におけるストリー
ク管66の、入射窓26を、インジューム68を介して封着す
るようにしたものである。 ここで、ストリーク管66のガラスバルブ32の端面に
は、入射窓接着フランジ70が取付けられ、該入射窓接着
フランジ70の内側且つ図において左側の端面凹部72にイ
ンジューム68を配置し、ここに、入射窓26における大径
部内側面26Aを密着させ、このとき、光電面22と加速電
極38との間が、例えば0.15mmになるようにしておく。 インジューム68は柔かいので容易に変形し、前記のよ
うな設定が可能となり、光電面22と加速電極38間の間隔
を狭くすることができる。 次に、第５図に示される本発明の第３実施例について
説明する。 この第３実施例のストリーク管73は、加速電極74をス
トリップ伝送線路76に設け、光電面22側に、同軸線路34
のシールド線34Bを接続したものである。 前記加速電極74は、第５図（Ｂ）に拡大して示される
ように、主要部分のみを光電面22方向に断面略台形に突
出した形状のストリップ伝送線路76の中央部に、光電面
22と対向して、例えば0.5×0.5mmの孔の部分にメッシュ
を配置することによって形成されている。 この実施例の場合、光電面22側には−3kVの直流電圧
が印加され、パルス電圧発生器36は−3kVバイアスされ
ていて、第６図に示されるように、プラス極性の、3k
V、1nSのパルス電圧を発生するようにされている。 この実施例の作用は前記第１実施例の場合と同様であ
るので説明を省略する。 次に、第７図に示される本発明の第４実施例について
説明する。 この第４実施例のストリーク管77は、第１図の第１実
施例と同一の構成に対して、第２加速電極78を追加して
設けたものである。 ここでは、加速電極38に対して第２加速電極78は例え
ば5mm離れて配置されたメッシュからなり、プラス20kV
の直流電圧が印加されている。 他の構成は前記第１実施例と同一であるので、同一部
分に同一符号を付することにより説明を省略するものと
する。 この実施例において光電面22と加速電極38の間でパル
ス電界により加速された光電子は、更に、第２加速電極
78に印加されたる＋20kVの直流電圧により、第１図の実
施例と比較して、短い距離で該高電圧に相当する速度に
加速されるので、加速電極以降での走行時間広がりが小
さくなる。 ここで、第２加速電極78に印加される＋20kVは高圧で
はあるが、直流電圧であるのでその形成は容易であり、
且つ第２加速電極78と加速電極38間の距離も大きいの
で、両者間の電界は4kV/mmと比較的小さく、電界効果等
によるバックグラウンドの増大がない。 なお上記いずれの実施例においても加速電極はメッシ
ュ状電極とされているが、例えば、第８図に示されるよ
うに、偏向電極46に平行な、例えば、長さ1mm、略30μ
ｍのスリット80を持つようにしてもよい。又、0.5mm径
のアパーチャを形成したものであってもよい。 このような、スリットあるいはアパーチャを有する加
速電極の場合、多少の暗電流が発生しても、光電子が通
過する開口部（スリット、アパーチャ）以外は暗電流を
阻止してしまうので、バックグラウンド上昇を防止でき
る。 又、前記第７図に示されるような第２加速電極78につ
いても、前述のようなスリット又はアパーチャを備えた
ものとしてもよい。 この場合、スリットあるいはアパーチャのような開口
のみでは電位が乱れることがあるので、その場合は、こ
れらスリット又はアパーチャに細いメッシュを重ねて、
加速電極を構成するようにしてもよい。 次に、第９図に示される本発明の第５実施例について
説明する。 この第５実施例は、第７図に示される実施例のよう
に、第２加速電極78を備えたストリーク管82において、
偏向電極84を第２加速電極に接近して設けたものであ
る。 この実施例においては、集束コイル86が偏向電極84の
後側に配置されている。 ここで、光電面22と加速電極38との間隔は0.08mm、加
速電極38と第２加速電極78の間は4mm、第２加速電極78
と偏向電極84の間は3mmとする。 又、加速電極38はメッシュタイプ、第２加速電極78は
アパーチャを備えた電極を用いている。 又、加速電極38には−7kV、第２加速電極78、ウォー
ル電極52、蛍光面50を0Vとする。 他の構成は、前記第１実施例と同一部分に同一符号を
付することにより説明を省略するものとする。 この実施例においては、例えば、第１図及び第７図に
おけるストリーク管では、偏向電極まで数十mm以上離れ
ているので、この間での初速度分布あるいは空間電荷効
果に起因する走行時間広がりを無視することができな
い。 この実施例では、光電面と加速電極間に非常に強いパ
ルス電界を発生させて、初期における走行時間広がりを
抑え、更に、その効果を高めるために、偏向電極84を第
２加速電極78の直後に設けている。 光電面22にパルス電圧発生器36からパルス電圧が供給
されると、1nSの間、光電面22と加速電極38の間には37.
5kV/mmの非常に強いパルス電界が発生する。 このパルス電界によって加速された光電子は、更に第
２加速電極78により加速され、その後直ちに偏向電極84
によって偏向される。この偏向電極84には、図に示され
るように、一方の偏向板には＋1.5kV〜−1.5kV、他方の
偏向板には−1.5kV〜＋1.5kVに200pSの間変化する斜状
電圧が印加される。光電子はこの偏向電極84間で偏向さ
れた後、集束コイル86により蛍光面50に結像されてスト
リーク像が発生する。 この実施例においては、加速電極38及び第２加速電極
78で加速された後直ちに、偏向電極84により時間分解す
ることによって、50fSの時間分解能を達成することがで
きた。 なお、上記実施例において、光電面と加速電極の間隔
は、ベローズやインジュームを利用して所望の狭い間隔
に調整しているが、本発明はこれに限定されるものでな
く、製作精度を向上させることによって、両者間の距離
を、更に小さくすることもできる。 前記各実施例において、光電面又は加速電極はストリ
ップ伝送線路に形成されているが、これは、要すればイ
ンピーダンスの整合がとれていて、比較的低いパルス電
圧により光電面と加速電極間に、超短且つ、非常に強い
パルス電界を発生させ得る帯状の電極であればよい。 又、ストリップ伝送路あるいは帯状電極は、対向する
加速電極あるいは光電面との関係において、インピーダ
ンスを一定にするため等の理由で、ある程度の幅の変化
を含むものである。 更に、上記各実施例は、光電面と加速電極の一方をス
トリップ伝送線路又は帯状電極としたものであるが、光
電面と加速電極の両方を帯状電極あるいはストリップ伝
送線路とするようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るストリーク管の第１実施例を示す
断面図、第２図は同実施例におけるストリップ伝送線路
及び光電面部分を拡大して示す断面図、第３図は同実施
例において、ストリップ伝送線路に印加されるパルス電
圧を示す線図、第４図は、光電面と加速電極間の他の設
定手段を用いた第２実施例の要部を示す断面図、第５図
（Ａ）は本発明に係るストリーク管の第３実施例を示す
断面図、第５図（Ｂ）は同実施例の加速電極部分を拡大
して示す斜視図、第６図は同実施例において加速電極に
印加されるパルス電圧を示す線図、第７図は本発明の第
４実施例に係るストリーク管の要部を示す一部回路図を
含む断面図、第８図は加速電極の他の例を示す断面図及
び正面図、第９図は本発明の第５実施例に係るストリー
ク管を示す一部回路図を含む断面図、第10図は、同実施
例において光電面に印加されるパルス電圧を示す線図、
第11図（Ａ）は従来のストリーク管の概要を示す断面
図、第11図（Ｂ）は同従来のストリーク管における光電
面と入力光像との関係を示す平面図、第12図（Ａ）は同
従来のストリーク管を示す、第11図（Ａ）と直交する方
向の断面図、第12図（Ｂ）は第12図（Ａ）における光電
面と入力光像との関係を示す平面図、第13図は光電面と
加速電極間の電界と、両者間で光電子の走行時間広がり
との関係を示す線図、第14図は光電面又は加速電極に印
加しようとするパルス電圧を示す線図、第15図は第14図
のパルス電圧が実際に光電面又は加速電極に印加される
状態での波形を示す線図である。 20、66、73、77、82……ストリーク管、 22……光電面、 24、76……ストリップ伝送線路、 26……入射窓、 34……同軸線路、 36……パルス電圧発生器、 38、74……加速電極、 40……出射窓、 42……集束電極、 46、84……偏向電極、 50……蛍光面、 60……ベローズ、 62……間隔保持材、 66……ストリーク管、 68……インジューム、 78……第２加速電極。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光電面と、該光電面に対向して配置され、
   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、を有してなるストリーク管において、前記光電面及
   び加速電極の少なくとも一方を、伝送線路とインピーダ
   ンス整合され、該伝送線路と接続される帯状電極に設
   け、前記伝送線路をパルス電圧発生器と接続したことを
   特徴とするストリーク管。
2. 【請求項２】請求項１において、前記光電面が形成され
   ている入射窓を、ベローズにより前記加速電極に対する
   距離を微調整可能に支持すると共に、微調整後に、前記
   光電面及び加速電極の距離を固定したことを特徴とする
   ストリーク管。
3. 【請求項３】請求項１において、前記伝送線路に接続さ
   れる帯状電極を、前記光電面に対向する部分を該光電面
   方向に突出して形成し、この突出部分に前記加速電極を
   設けたことを特徴とするストリーク管。