JP4268463B2 - 時間分解測定装置および位置検出型電子増倍管 - Google Patents
時間分解測定装置および位置検出型電子増倍管 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、位置検出型電子増倍管（Position-Sensitive Electron Multiplier Tube: ＰＳ−ＥＭＴ）、および位置検出型電子増倍管を利用する時間分解測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光現象の時間分解測定を行って、その二次元位置および時間を取得するための二次元時間分解測定装置が知られている（例えば、特許文献１および２ならびに非特許文献１）。
【０００３】
非特許文献１に開示される装置では、試料から発した光子が複数のマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）によって増倍される。光子の検出タイミングを示すパルス信号は、光電子増倍管においてアノードに最も近いＭＣＰから取り出される。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６１−２６６９４２号公報
【特許文献２】
特開平１０−１５００８６号公報
【０００５】
【非特許文献１】
エス・シャーボンノー（S. Charbonneau）、ほか４名、「レジスティブアノード光電子増倍管を用いた１００ｐｓ分解能での二次元時間分解撮像（Two-dimensional time-resolved imaging with 100-ps resolution using a resistive anode photomultiplier tube）」、Rev. Sci. Instrum. ６３（１１）, （米国）、アメリカン・インスティチュート・オブ・フィジックス（American Institute of Physics）、１９９２年１１月、５３１５−５３１９頁
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、時間分解測定における時間精度を高めることを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の時間分解測定装置は、試料の励起によって発する量子線の位置情報およびタイミング情報を取得する。この装置は、試料の励起に同期して基準時間パルスを生成する信号発生器と、光を検出し検出位置に応じた位置信号および検出タイミングに同期した検出タイミングパルスを生成する検出装置と、位置信号を用いて検出位置を算出する位置演算器と、基準時間パルスと検出タイミングパルスとの時間差を計測する時間差測定器と、位置演算器によって算出された検出位置と時間差測定器によって計測された時間差とを対応付けて記憶するデータ処理装置とを備えている。検出装置は、位置検出型電子増倍管を有している。電子増倍管は、量子線が入射する入射窓、アノード、ならびに入射窓とアノードの間に挟まれた第１および第２のマイクロチャンネルプレートを有している。第１マイクロチャンネルプレートは、カソードと離れて対向する入力面と、第２マイクロチャンネルプレートと離れて対向する出力面とを有している。第２マイクロチャンネルプレートは、第１マイクロチャンネルプレートの出力面と離れて対向する入力面と、アノードと離れて対向する出力面とを有している。検出タイミングパルスは、マイクロチャンネルプレートによって増倍された電子が第１マイクロチャネルプレートの出力面から放出されるときの電位変化に応答して発生し、時間差測定器へ送られる。
【０００８】
量子線には、電子、イオン、α線、β線などの荷電粒子や、紫外線、Ｘ線、γ線などの光子、さらには中性子などが含まれる。試料の励起に伴う量子線の発生は、原子、分子などがエネルギーの低い状態から、熱、光、放射線などの外部刺激によって、より高いエネルギーの状態に移り、その状態が元に戻る際に、２つの状態のエネルギーの差を光等の量子線として放出する現象である（上記特許文献１および非特許文献１を参照のこと）。半導体デバイスが自発的に、あるいは外部トリガ（信号パルス、動作開始パルス等）に応答して作動すると、デバイス中のトランジスタのスイッチング動作に伴ってトランジェント発光が起きることも知られている（上記特許文献２を参照のこと）。本発明において試料の励起に伴う量子線の発生には、原子または分子が２つの状態のエネルギーの差を光等の量子線として放出する現象に加えて、半導体デバイスの動作時に観察されるトランジェント発光も含まれる。
【０００９】
マイクロチャンネルプレートから取り出される検出タイミングパルスには、マイクロチャンネルプレートからの増倍電子の放出に起因するプラス極性の成分のほかに、マイクロチャンネルプレートへの量子線の入射に起因するマイナス極性の成分が含まれる。本発明と異なり第２マイクロチャンネルプレートから検出タイミングパルスを取り出す場合、そのプラス成分は第１および第２マイクロチャンネルプレートによって増倍された電子の量に応じた大きさを有し、そのマイナス成分は第１マイクロチャンネルプレートによって増倍された電子の量に応じた大きさを有する。第１および第２マイクロチャンネルプレートは互いに相関のない増倍揺らぎを有している。このため、検出タイミングパルスのプラス成分とマイナス成分は検出のたびに異なる比率を有することになる。したがって、検出タイミングパルスがグランドレベルを横切るタイミング、すなわちゼロクロスタイミングも検出のたびに異なる。この結果、基準時間パルスと検出タイミングパルスとの時間差に揺らぎが生じ、時間分解測定の時間精度が低下してしまう。
【００１０】
これに対し、本発明では、第２マイクロチャンネルプレートの前方に配置された第１マイクロチャンネルプレートから検出タイミングパルスが取り出される。この検出タイミングパルスのマイナス成分は、第１マイクロチャンネルプレートへの量子線の入射に応答して発生する。このため、マイナス成分の大きさは、第１および第２マイクロチャンネルプレートによる電子増倍の影響を受けない。したがって、検出タイミングパルス中のマイナス成分は小さい。この結果、検出タイミングパルスのゼロクロスタイミングの変動が抑えられ、時間分解測定の時間精度が高まる。
【００１１】
本発明の時間分解測定装置は、第１マイクロチャンネルプレート、および第１マイクロチャンネルプレートの入力面に重ね合わされた一枚以上のマイクロチャンネルプレートを有する第１のスタックと、第２マルチチャネルプレート、および第２マイクロチャンネルプレートの入力面に重ね合わされ、第１マイクロチャンネルプレートと離れて対向する一枚以上のマイクロチャンネルプレートを有する第２のスタックとをさらに備えていてもよい。検出タイミングパルスのプラス成分は、第１スタック中の複数のマイクロチャンネルプレートによって増倍された電子によって形成される。一方、マイナス成分は、第１スタックへの量子線の入射によって生成され、第１スタック中のマイクロチャンネルプレートによる電子増倍の影響を受けない。このため、マイナス成分はプラス成分よりも極めて小さくなる。したがって、検出タイミングパルスのゼロクロスタイミングの変動がさらに抑えられ、時間分解測定の時間精度が高まる。
【００１２】
第１スタックは、入射窓と第１スタックとの間に別のマイクロチャンネルプレートを挟むことなく入射窓と対向していることが好ましい。この場合、検出タイミングパルスのマイナス成分は、第１スタック中のマイクロチャンネルプレートによる電子増倍だけでなく、別のマイクロチャンネルプレートによる電子増倍の影響も受けない。このため、検出タイミングパルスのマイナス成分は極めて小さくなる。これにより、時間分解測定の時間精度が高まる。
【００１３】
第１スタックは第２スタックより高い光電子増倍率を有していてもよい。これは電子増倍の飽和を防ぐうえで有利である。これにより、光電子が効率良く増倍され、Ｓ／Ｎの高い位置信号を得ることができる。検出タイミングパルスのマイナス成分の大きさは第１スタックによる電子増倍に影響されないので、第１スタックの増倍率にかかわらずマイナス成分は小さい。したがって、高い位置検出精度と高い時間精度の双方を達成することができる。
【００１４】
位置検出型電子増倍管は、量子線を光電効果によって光電子に変換するフォトカソードを、入射窓と第１マイクロチャンネルプレートの入力面との間にさらに備えていてもよい。第１マイクロチャンネルプレートは、フォトカソードに対向させて配置され、フォトカソードから光電子を受け取って二次電子を生成し増倍する。この場合、光電子が第１マイクロチャンネルプレートに入射する。検出タイミングパルスのマイナス成分は、光電子の入射量に応じた大きさを有する。一方、検出タイミングパルスのプラス成分は、第１マイクロチャンネルプレートによって増倍された二次電子の量に応じた大きさを有する。このため、マイナス成分はプラス成分よりも極めて小さくなる。したがって、検出タイミングパルスのゼロクロスタイミングの変動が抑えられ、時間分解測定の時間精度が高まる。
【００１５】
この発明の位置検出型電子増倍管は、量子線を透過させる入射窓と、量子線の入射窓への入射位置に応じた位置に電子を生成し、その位置を維持しながら電子を増倍する第１および第２のマイクロチャンネルプレートと、第２マイクロチャンネルプレートと対向するアノードと、第１マイクロチャンネルプレートに接続され、第１マイクロチャンネルプレートによって増倍された電子が第１マイクロチャンネルプレートから放出されるときの電位変化に応じたパルス信号を第１マイクロチャンネルプレートから取得するパルス読み出し回路とを備えている。第１マイクロチャンネルプレートは、入射窓と離れて対向する入力面と、第２マイクロチャンネルプレートと離れて対向する出力面を有している。第２マイクロチャンネルプレートは、第１マイクロチャンネルプレートの出力面と離れて対向する入力面と、アノードと離れて対向する出力面とを有している。パルス読み出し回路は、第１マイクロチャンネルプレートの出力面に接続されている。
【００１６】
パルス読み出し回路は、第２マイクロチャンネルプレートではなく、第１マイクロチャンネルプレートに接続されている。パルス読み出し回路によって取得されるパルス信号のマイナス成分は、第１マイクロチャンネルプレートへの量子線の入射に応答して発生する。このため、マイナス成分の大きさは、第１および第２マイクロチャンネルプレートによる電子増倍の影響を受けない。この結果、パルス信号中のマイナス成分は小さく、これにより検出タイミングパルスのゼロクロスタイミングの変動が抑えられる。したがって、このパルス信号を、量子線の検出タイミングを示す信号として使用すれば、時間精度の高い時間分解測定が可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、実施形態に係る時間分解測定装置１００の構成を示すブロック図である。装置１００は、試料１０から発する光子１５を検出し、発光の二次元位置およびタイミングを測定する。装置１００は、半導体テスタ１２、位置検出型光電子増倍管（Position Sensitive Photomultiplier Tube：ＰＳ−ＰＭＴ）１４、位置演算器１６、時間電圧変換器（Time-to-Amplitude Converter：ＴＡＣ）１７およびデータ処理装置１８を有している。
【００１９】
本実施形態では、試料１０の一例として、半導体集積回路（ＩＣ）を搭載するチップを用意する。半導体テスタ１２は、試料１０に動作開始パルスを与えて発光を生じさせるための励起装置である。テスタ１２は、試料１０上のＩＣに駆動電圧を供給してＩＣを駆動する。ＩＣに含まれるトランジスタは、そのスイッチング動作時に低い確率で発光する。したがって、装置１００を用いて発光の二次元位置とタイミングを測定することにより、トランジスタの動作タイミングを解析することができる。テスタ１２は、試料１０に与える動作開始パルスに同期して基準時間パルスＲＴを生成する信号発生器を含んでいる。このパルスＲＴは時間電圧変換器１７へ送られる。
【００２０】
図２は、位置検出型光電子増倍管１４の構造を示す概略図である。光電子増倍管１４は、試料１０から発した光子１５を電子に変換し、その電子をその二次元位置を保持しながら増幅する。光電子増倍管１４は、外囲器２０および外囲器２０に接続された電圧分割回路８０を備えている。外囲器２０内には、フォトカソード２２、マイクロチャンネルプレート（Micro Channel Plate：ＭＣＰ）２３〜２７およびレジスティブアノード２８が収容されている。外囲器２０の前面には、透明の入射窓２９が設置されている。フォトカソード２２は入射窓２９の内面に形成されている。フォトカソード２２とレジスティブアノード２８は互いに離れて対向するように配置されている。ＭＣＰ２３〜２７は、フォトカソード２２とレジスティブアノード２８の間に配置されている。
【００２１】
フォトカソード２２は、入射窓２９を透過した光子１５を受け取り、光電効果によって光電子に変換する。フォトカソード２２は「光電面」と呼ばれることがある。
【００２２】
ＭＣＰ２３〜２７は、フォトカソード２２から光電子を受け取って二次電子を生成および増倍する板状の電子増倍器である。ＭＣＰの平面形状は円形であってもよいし、矩形であってもよい。各ＭＣＰの前面および後面には、電極として導電性材料が蒸着されている。各ＭＣＰの前面は光電子または二次電子を受け取る入力面であり、後面は二次電子を放出する出力面である。光電子は、まず、最前方のＭＣＰ２３に入射する。光電子の入射位置は、光１５のフォトカソード２２への入射位置に対応している。ＭＣＰ２３は、光電子の入射位置に二次電子を生成し、その二次電子をその二次元位置を保持しながら増倍する。後続のＭＣＰ２４〜２７も二次元位置を保持しながら二次電子を増倍する。
【００２３】
ＭＣＰ２３〜２７は、二次電子を通すための多数のチャンネルを有しており、二次電子はチャンネル内を移動する間に増倍される。具体的には、ＭＣＰは内壁を抵抗体とした非常に細いガラスパイプを多数束ねた二次元構造を有している。このガラスパイプがチャンネルである。それぞれのチャンネルは独立した二次電子増倍器を形成している。ＭＣＰの入力面への量子の入射に応じてチャンネルの壁から放出される二次電子は、ＭＣＰの両端に印加された電圧により生成された電界により加速され、放物線軌道を描きつつ壁の反対側の部分に衝突する。この衝突により再び二次電子が壁から放出される。このような過程がチャンネルに沿って多数回繰り返される結果、ＭＣＰの出力面から多数の電子が放出される。
【００２４】
ＭＣＰ２３〜２７は、第１および第２のＭＣＰスタック３０および３２を構成している。第１スタック３０は、互いに重ね合わされた２枚のＭＣＰ２３および２４からなる（ＭＣＰ：２段）。第１スタック３０は、フォトカソード２２との間に他のＭＣＰを挟むことなくフォトカソード２２と直接対向している。ＭＣＰ２３および２４は、それぞれフォトカソード２２と離れて対向する入力面を有している。ＭＣＰ２３の出力面は、ＭＣＰ２４の入力面に重ね合わされている。ＭＣＰ２４の出力面は、ＭＣＰ２５の入力面と離れて対向する。第２スタック３２は、互いに重ね合わされた３枚のＭＣＰ２５〜２７からなる（ＭＣＰ：３段）。ＭＣＰ２５の出力面はＭＣＰ２６の入力面に重ね合わされ、ＭＣＰ２６の出力面はＭＣＰ２７の入力面に重ね合わされている。ＭＣＰ２７の出力面は、レジスティブアノード２８の入力面と離れて対向する。
【００２５】
ＭＣＰ２３〜２７を二つのスタック３０および３２に分けるのは、光電子の効率の良い増倍のためである。すべてのＭＣＰを近接させて重ね合わせると、光電子が少数のチャンネルに集中するため、増倍作用が飽和しやすい。これに対し、ＭＣＰ２３〜２７を二つのスタック３０および３２に分けると、前側のスタック３０によって増倍された電子群は、スタック３０から放出され、拡散しながら後側のスタック３２に向かう。この拡散により、後側のスタック３２では、より多数のチャンネルで光電子が増倍されることになる。このため、増倍作用の飽和を防ぎ、効率良く光電子を増倍できる。
【００２６】
スタック３０および３２のように、ＭＣＰを多段に重ねて使用する場合、チャンネルの軸がＭＣＰの垂直軸に対し適当なバイアス角を有するようにＭＣＰを配置することが好ましい。このような配置を採用することによって、ゲインの増大と共に生じるイオンフィードバックによるノイズを低減し、かつ、高い利得を得ることができる。
【００２７】
第１スタック３０で光電子を非常に高い倍率で増倍できるので、第２スタック３２の増倍率は第１スタック３０よりも低い。本実施形態では、第１スタック３０の増倍率は約１０6であり、第２スタック３２の増倍率は約１０2である。これらの増倍率は完全に一定ではなく、ある程度の揺らぎを持っている。したがって、スタック３０および３２は、増倍のたびに異なる増倍率を示す。
【００２８】
レジスティブアノード２８は位置検出型アノードの一種である。レジスティブアノード２８は、片面に均一な抵抗層が設けられた導体板である。レジスティブアノード２８の四隅には、信号読み出し用の電極２８ａが設けられている。これらの電極２８ａは、図１に示されるように、プリアンプ４０を介して位置演算器１６に電気的に接続されている。レジスティブアノード２８に二次電子が入射すると、これらの読み出し電極２８ａは電荷パルスを出力する。レジスティブアノード２８に入射した二次電子の二次元位置は、これらの電荷パルスが有する電荷量に基づいて求められる。このようにレジスティブアノード２８は、光子１５の検出位置に応じた信号ＤＰを生成し、位置演算器１６に送る。
【００２９】
フォトカソード２２、第１および第２ＭＣＰスタック３０および３２、ならびにレジスティブアノード２８は、電圧分割回路８０に接続されている。回路８０は、カソード２２およびアノード２８間に電圧を印可するとともに、その電圧を分割して第１および第２ＭＣＰスタック３０および３２に印可する。また、回路８０は、レジスティブアノード２８から光子１５の検出位置に応じた信号ＤＰを受け取り、増幅して位置演算器１６に送る。さらに、回路８０は、光子１５の検出タイミングを示すパルス信号を取得するパルス読み出し回路としても機能する。
【００３０】
図２に示されるように、第１スタック３０においてＭＣＰ２３の入力面およびＭＣＰ２４の出力面には、それぞれ円環状の電極３３および３４が取り付けられ、これらの電極がリード線によって高圧電源４２に接続されている。同様に、第２スタック３２においてＭＣＰ２５の入力面およびＭＣＰ２７の出力面には、それぞれ円環状の電極３５および３７が取り付けられ、これらの電極がリード線によって高圧電源４２に接続されている。高圧電源４２は、フォトカソード２２およびレジスティブアノード２８にも接続されている。
【００３１】
高圧電源４２は、フォトカソード２２、第１スタック３０、第２スタック３２およびレジスティブアノード２８に電圧を印可し、これらの間に電位勾配を形成する。この電位勾配により、レジスティブアノード２８、第２スタック３２、第１スタック３０、およびフォトカソード２２の順に高い電位が与えられる。各ＭＣＰスタック内にも電位勾配が形成される。第１スタック３０では、ＭＣＰ２４の出力面に近い位置ほど高い電位が与えられる。第２スタック３２では、ＭＣＰ２７の出力面に近い位置ほど高い電位が与えられる。
【００３２】
より具体的に説明すると、フォトカソード２２と高圧電源４２との間には抵抗器８１〜８５が直列に接続されている。抵抗器８１の両端にはフォトカソード２２および電極３３が接続されており、これにより両者の間に電位勾配が形成される。抵抗器８２の両端には電極３３および３４が接続されており、これにより第１ＭＣＰスタック３０の入力面および出力面間に電位勾配が形成される。抵抗器８３の両端には電極３４および３５が接続されており、これにより第１ＭＣＰスタック３０と第２ＭＣＰスタック３２との間に電位勾配が形成される。抵抗器８４の両端には電極３５および３７が接続されており、これにより第２ＭＣＰスタック３２の入力面および出力面間に電位勾配が形成される。抵抗器８５の両端には電極３７およびレジスティブアノード２８が接続されており、これにより第２ＭＣＰスタック３２とレジスティブアノード２８との間に電位勾配が形成される。
【００３３】
後で詳細に説明するように、ＭＣＰ２４の出力面では、光子の検出タイミングに同期してパルス信号ＤＴが生成される。以下では、このパルス信号ＤＴを「検出タイミングパルス」と呼ぶ。図２に示されるように、ＭＣＰ２４の出力面に設けられた電極３４は、電圧分割回路８０を介して時間電圧変換器１７に接続されている。検出タイミングパルスＤＴは電極３４および回路８０を通じて時間電圧変換器１７に送られる。
【００３４】
回路８０は、検出タイミングパルスＤＴを取得するために、互いに直列に接続された抵抗器８６および高圧遮断用コンデンサ８７を有している。電極３４は抵抗器８６とコンデンサ８７の間に接続されている。コンデンサ８７は、後述するプリアンプ４１、アンプ４３および４４、ＣＦＤ４５ならびにＴＡＣ１７を高圧電源４２から分離し、高圧電源４２によって生成される高い電圧からＣＦＤ４５およびＴＡＣ１７を保護する。
【００３５】
位置演算器１６は、光電子増倍管１４のレジスティブアノード２８に電気的に接続されている。位置演算器１６は、レジスティブアノード２８から送られる位置信号ＤＰを用いて光子１５の検出位置を算出する。位置演算器１６の出力端子はラッチ回路４９に接続されている。算出された検出位置はディジタルデータとしてラッチ回路に送られる。
【００３６】
時間電圧変換器（ＴＡＣ）１７は、二つの入力信号の時間差を計測する時間差測定器である。ＴＡＣ１７は、テスタ１２および光電子増倍管１４の双方に電気的に接続されている。ＴＡＣ１７のスタート端子は、プリアンプ４１、アンプ４３および４４、ならびにコンスタントフラクション弁別器（ＣＦＤ）４５を介してＭＣＰ２４上の電極３４に接続されている。ＴＡＣ１７は、光電子増倍管１４からの検出タイミングパルスＤＴをスタート端子にて受け取る。一方、ＴＡＣ１７のストップ端子は、アンプ４６および遅延回路４７を介してテスタ１２に接続されている。ＴＡＣ１７は、テスタ１２からの基準時間パルスＲＴをストップ端子にて受け取る。ＴＡＣ１７は、基準時間パルスＲＴと検出タイミングパルスＤＴとの時間差に応じた波高を有するアナログ電圧信号を生成する。この時間差は、基準時間パルスを基準とした光子１５の検出時刻を示す。ＴＡＣ１７の出力端子は、Ａ／Ｄ変換器４８を介してラッチ回路４９に接続されている。検出時刻を示すアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器４８に送られ、そこでディジタルデータに変換される。検出時刻を示すこのデータは、ラッチ回路４９に送られる。
【００３７】
ラッチ回路４９は、位置演算器１６からの検出位置データおよびＴＡＣ１７からの検出時刻データを受け取り、一組のデータとしてデータ処理装置１８に転送する。データ処理装置１８は、ラッチ回路４９からデータを受け取り、記憶する。処理装置１８は、例えばパーソナルコンピュータである。処理装置１８は、ＣＰＵ、記憶装置、ハードディスク、キーボードおよびマウス、ならびにディスプレイを有している。記憶装置には、データ処理に必要なプログラムおよびデータが格納されている。ラッチ回路４９から送られた検出位置および検出時刻は、互いに対応付けてこの記憶装置に格納される。
【００３８】
本実施形態では、データ処理装置１８は、時間分解測定装置１００の制御装置としても機能する。位置演算器１６は、レジスティブアノード２８からの位置信号ＤＰを、プリアンプ４０を経由して受け取り、光子１５の検出位置を演算し、それをデジタル変換してラッチ回路４９へ送る。また、装置１８は、位置演算器１６に高圧制御信号を送る。位置演算器１６は高圧電源４２に接続されており、高圧制御信号に応答して高圧電源４２の出力電圧を投入または遮断する。装置１８は、ＴＡＣ１７に時定数制御信号を送る。ＴＡＣ１７は、この信号に応答して時間−振幅変換の時定数を設定する。装置１８は、遅延回路４７にディレイ制御信号を送る。遅延回路４７は、この信号に応答してディレイを設定する。
【００３９】
以下では、時間分解測定装置１００の動作を説明する。テスタ１２が試料１０上のＩＣを駆動すると、ある確率で光子１５が発する。光電子増倍管１４は光子１５をフォトカソード２２にて受け取る。フォトカソード２２は、光電効果によって光子１５を光電子に変換する。この光電子は、フォトカソード２２および第１スタック３０間の電位勾配によってＭＣＰ２３の入力面に入射する。スタック３０中のＭＣＰ２３および２４は、光電子を約１０6倍に増倍する。増倍された電子はスタック３０内の電位勾配によってＭＣＰ２４の出力面に到達する。その後、電子は、第１および第２スタック３０および３２間の電位勾配によってＭＣＰ２４の出力面から放出され、ＭＣＰ２５の入力面に入射する。スタック３２中のＭＣＰ２５〜２７は、電子を約１０2倍に増倍する。電子はスタック３２内の電位勾配によってＭＣＰ２７の出力面に到達する。その後、電子は、第２スタック３２およびレジスティブアノード２８間の電位勾配によってＭＣＰ２７の出力面から放出され、レジスティブアノード２８に収集される。
【００４０】
レジスティブアノード２８は、電子の二次元位置に応じた電荷パルスＤＰを四隅の電極２８ａから位置演算器１６へ送る。位置演算器１６は、これらの電荷パルスＤＰを受け取り、重心検出によって電子の二次元位置を算出する。この二次元位置は、光子１５の検出位置であり、試料１０上での発光位置と対応している。算出された検出位置はデータ処理装置１８に送られる。
【００４１】
さらに、光電子増倍管１４は、光子１５の検出タイミングに同期してパルスを生成する。この検出タイミングパルスＤＴは電圧分割回路８０によってＭＣＰ２４から取り出される。ＭＣＰ２４の出力面からＭＣＰ２５に向けて電子が放出されると、ＭＣＰ２４の出力面において電位が瞬間的に上昇する。続いて、高圧電源４２からＭＣＰ２４に電子が流入し、出力面の電位は所定の定常電位に戻される。この電子の流れはチャージ電流と呼ばれる。チャージ電流は、高圧電源４２から抵抗器８３〜８５を通ってＭＣＰ２４の電極３４に向かう。電極３４と抵抗器８３との間には、抵抗器８６が配置されている。これにより、インピーダンスが増加するので、高圧電源４２から電極３４への単位時間あたりの電子流入量が低減される。高周波領域では、コンデンサ８７を含む経路のほうが抵抗器８３〜８６を含む経路よりもインピーダンスが低い。このため、瞬間的には、コンデンサ８７の一端から電極３４に電子が流入することになる。コンデンサ８７の他端はアンプを介してＣＦＤ４５に接続されているので、電極３４への電子の流れは電流パルスとしてＣＦＤ４５へ流入する。この電流パルスが検出タイミングパルスＤＴである。このようにして、回路８０は、ＭＣＰ２４の出力面の瞬間的な電位上昇に同期して検出タイミングパルスＤＴを取り出すことができる。この検出タイミングパルスＤＴはＣＦＤ４５を通じてＴＡＣ１７へ送られる。
【００４２】
ＴＡＣ１７は、試料１０上のＩＣの駆動に同期した基準時間パルスＲＴをテスタ１２から受け取るとともに、ＣＦＤ４５から検出タイミングパルスＤＴを受け取る。ＴＡＣ１７は、基準時間パルスＲＴと検出タイミングパルスＤＴの時間差を計測する。上述のように、この時間差は基準時間パルスＲＴを基準とする光子１５の検出時刻を示す。この検出時刻はデータ処理装置１８に送られる。
【００４３】
データ処理装置１８は、検出位置および検出時刻を受け取り、互いに対応付けて記憶装置に格納する。試料１０上のトランジスタがスイッチングの際に発光する確率は非常に小さいので、試料１０は繰り返し励起され、検出位置および検出時刻がデータ処理装置１８に蓄積される。蓄積されたデータはさまざまに利用することができる。たとえば、データ処理装置１８は、特定の時間にわたって検出位置ごとに発光回数を計数し、得られたカウント数に応じた輝度を検出位置に対応する画素に割り当てた二次元画像を生成することができる。また、データ処理装置１８は、蓄積された検出時刻を用いて、特定の検出位置における検出時刻のヒストグラムを作成することができる。このヒストグラムでは、横軸が検出時刻であり、縦軸が発光回数である。ヒストグラムのピークは、特定の検出位置において発光が高い頻度で検出された時刻を示している。したがって、ピークに対応する検出時刻は、その検出位置に対応するトランジスタがスイッチングを行うタイミングとみなすことができる。トランジスタのスイッチングタイミングを取得することにより、試料１０上のＩＣの動作解析が可能となる。
【００４４】
本実施形態の特徴は、前側スタック３０の最後方に位置するＭＣＰ２４から検出タイミングパルスＤＴを読み出すことである。以下では、従来技術との比較を交えながらこの点を詳細に説明する。
【００４５】
時間分解測定装置において光電子増倍管から検出タイミングパルスを取得する場合、どこから検出タイミングパルスを読み出すかを決める必要がある。アノードからタイミングパルスを読み出す場合、アノードが位置検出型であると、アノード周辺の信号読み出し経路に付随する抵抗や静電容量のため、タイミングパルスの読み出し速度が遅い。また、信号読み出し経路が高インピーダンス回路となるため、タイミングパルスが外来ノイズの影響を受けやすい。したがって、外部回路を最適化しても十分な時間精度を得ることが難しい。さらに、タイミングパルスを取得するための付加回路によって信号のＳ／Ｎが低下する。このため、時間精度のみならず位置分解能までもが劣化してしまう。
【００４６】
これに対し、従来技術では、アノードと直接対向するＭＣＰの出力面から検出タイミングパルスを取得している。つまり、最も後方に配置された最終ＭＣＰの出力面からアノードに向かって電子が放出されたときに発生する電位上昇パルスが検出タイミングパルスとして読み出される。電位上昇量は放出される電荷量に比例し、その電荷量は最終ＭＣＰにおいて最大となる。したがって、最終ＭＣＰからはＳ／Ｎの高い検出タイミングパルスを読み出すことができる。
【００４７】
しかし、このような利点の反面、最終ＭＣＰからの検出タイミングパルスの読み出しには不利益が伴うことに本発明者は気づいた。以下では、図３および図４を参照しながらこの不利益を説明する。図３は、最終ＭＣＰ２７上の電極３７から検出タイミングパルスＤＴが読み出される光電子増倍管１４ａの構造を示す概略図である。電極３７は、本実施形態における電極３４と同様に、アンプおよびコンスタントフラクション弁別器を介してＴＡＣ１７に接続されている。図４（ａ）は電極３７における電位の経時変化を示し、図４（ｂ）は電極３７から取り出されるタイミングパルスＤＴを示している。
【００４８】
ＭＣＰ２３〜２７によって増倍された電子がＭＣＰ２７の出力面から放出されると、図４（ａ）に示されるように、電極３７上に電位上昇パルス６０が現れる。電位上昇パルス６０は、光子が検出されるたびに発生する。試料から３個の光子が順次に発すると、図４（ａ）に示されるように、３個の電位上昇パルス６０ａ〜６０ｃが発生する。上述のように、第１および第２ＭＣＰスタック３０および３２の増倍率は、ある程度の揺らぎを持っている。このような増倍揺らぎに応じて、電位上昇パルス６０ａ〜６０ｃはさまざまな波高を有する。
【００４９】
本発明者は、電位上昇パルス６０ａ〜６０ｃの直前に別のパルス６２ａ〜６２ｃが電極３７上に現れることを見いだした。このパルス６２は、光電子増倍管１４が互いに離間した二つのＭＣＰスタック３０および３２を有することに起因する。第１スタック３０によって増倍された電子は、ＭＣＰ２４の出力面から放出されて、第２スタック３２の入力面、すなわち第２スタック３２において最前方に位置するＭＣＰ２５の入力面に入射する。このとき、第２スタック３２の入力面上の電極３５および出力面上の電極３７間の容量結合が、電極３７上にパルス６２を生成する。以下では、このパルス６２を「電子入力パルス」と呼ぶ。電子入力パルス６２の波高は、第１スタック３０の増倍率に依存する。第１スタック３０の増倍揺らぎに応じて、電子入力パルス６２ａ〜６２ｃはさまざまな波高を有する。
【００５０】
電位上昇パルス６０はプラスの極性を有し、電子入力パルス６２はマイナスの極性を有する。第１スタック３０から第２スタック３２への電子の入射によって電子入力パルス６２が生成され、第２スタック３２による電子の増倍の後、電位上昇パルス６０が発生する。このため、電位上昇パルス６０は、電子入力パルス６２から約３００ｐｓｅｃ遅れて電極３７上に現れる。パルス６０および６２は部分的に重なり合い、図４（ｂ）に示されるように一つのパルス７０として電極３７から読み出される。このパルス７０が上述した検出タイミングパルスＤＴである。
【００５１】
第２スタック３２が１０2程度の増倍率を有することから、電位上昇パルス６０は電子入力パルス６２の１０〜１００倍程度の波高を有する。しかし、電位上昇パルス６０の波高は、スタック３０および３２の双方の増倍揺らぎから影響を受けるのに対し、電子入力パルス６２の波高は、スタック３０の増倍揺らぎからしか影響を受けない。このため、これらのパルス６０および６２の波高は、互いに相関のない揺らぎを有する。したがって、プラスの電位上昇パルス６０とマイナスの電子入力パルス６２とが、光子の検出のたびに異なる波高比率で合成され、検出タイミングパルスを形成することになる。
【００５２】
ＣＦＤ４５は、パルス７０がグランドレベルを横切るタイミング７１を判定する。これは、ゼロクロスタイミングと呼ばれる。ＴＡＣ１７は、このゼロクロスタイミングをパルス７０の受信タイミングとして扱う。パルス７０は電子入力パルス６２に対応するマイナス成分を有するため、ゼロクロスタイミング７１は、第２スタック３２に光電子が入射するタイミング７２に比べて遅れる。電位上昇パルス６０と電子入力パルス６２とが光子の検出のたびに異なる波高比率を有するため、ゼロクロスタイミング７１の電子入射タイミング７２からの遅延時間は一定でない。これは、複数の光子検出における検出タイミングパルスを重ね合わせて示す図５を参照するといっそう明らかになる。このようなゼロクロスタイミング７１の遅延の不均一のため、検出時刻に２００ｐｓｅｃ以上の揺らぎ（ジッタ）が生じ、時間精度が低下してしまう。
【００５３】
これに対し、本実施形態の時間分解測定装置１００では、第１スタック３０の最後方のＭＣＰ２４から検出タイミングパルスが読み出される。第１スタック３０に入射するのは１個の光子から変換された光電子であり、まったく増倍されていない。このため、ＭＣＰ２４の電極３４に発生する電子入力パルスは非常に小さい。図６（ａ）に示されるように、ＭＣＰ２４上の電極３４には、事実上、電位上昇パルス６４のみが現れる。したがって、複数の光子検出における検出タイミングパルスを重ね合わせて示す図６（ｂ）を参照すると明らかなように、ゼロクロスタイミングの揺らぎを抑えることができる。光電子は、第１スタック３０によって１０6倍に増倍された後、ＭＣＰ２４から放出される。これらの光電子の電荷量は、最終ＭＣＰ２７から放出される電荷量の約１／１００であるが、それでも十分な波高の電位上昇パルス６４を生成することができる。したがって、検出タイミングパルスのＳ／Ｎおよび時間精度の低下が防止される。この結果、６０ｐｓｅｃ程度の良好な時間精度を得ることが可能である。
【００５４】
なお、検出タイミングパルスを取得するために電極３４に電気的に接続される出力端子の数は１本に限定されず、複数本設置してもよい。その際、複数の出力端子は同じ長さを有することが好ましい。
【００５５】
（第２実施形態）
本実施形態の時間分解測定装置は、第１実施形態の装置１００において光電子増倍管１４の代わりに他の光電子増倍管を設置した構成を有する。図７は、本実施形態で使用する位置検出型光電子増倍管９０の構造を示す概略図である。光電子増倍管９０は、第１実施形態の光電子増倍管１４と異なる電圧分割回路９２を有する。
【００５６】
回路９２は、ＭＣＰ２４から検出タイミングパルスＤＴを取得するための構成が第１実施形態の電圧分割回路８０と異なる。すなわち、回路９２は、ＭＣＰ２４の電極３４に接続された抵抗器８６およびコンデンサ８７に加えて、高圧遮断用コンデンサ８８および同軸ケーブル９４を有している。同軸ケーブル９４は、コンデンサ８７を介して抵抗器８６の一端に接続された内部導体（芯線）と、コンデンサ８８を介して抵抗器８６の他端に接続された外部導体を有している。
【００５７】
すでに述べたように、ＭＣＰ２４の出力面からＭＣＰ２５に向けて電子が放出されると、ＭＣＰ２４の出力面において電位が瞬間的に上昇する。これに応じて、高圧電源４２からＭＣＰ２４にチャージ電流が供給される。しかし、高圧電源４２およびＭＣＰ２４間の経路は、抵抗器８６によってインピーダンスが高められている。このため、高周波領域では、コンデンサ８７および８８ならびに同軸ケーブル９４を含む経路のほうが抵抗器８６を含む経路よりもインピーダンスが低い。したがって、瞬間的には、同軸ケーブル９４を含む経路から電極３４に電子が流入することになる。同軸ケーブル９４のうちコンデンサ８７に接続される端部と反対側の端部には、ＣＦＤ４５が接続されている。このため、電極３４への電子の流れは電流パルスとしてＣＦＤ４５へ流入する。この電流パルスが検出タイミングパルスＤＴである。このようにして、回路９２は、ＭＣＰ２４の出力面の瞬間的な電位上昇に同期して検出タイミングパルスＤＴを取り出すことができる。
【００５８】
本実施形態は、第１実施形態と同じ利点を有する。さらに、検出タイミングパルスＤＴを同軸ケーブル９４によって伝送するので、パルスＤＴの波形の劣化が少ない。したがって、時間分解測定の時間精度をさらに高めることができる。
【００５９】
（第３実施形態）
本実施形態の時間分解測定装置も、第１実施形態の装置１００において光電子増倍管１４の代わりに他の光電子増倍管を設置した構成を有する。図８は、本実施形態で使用する位置検出型光電子増倍管９５の構造を示す概略図である。光電子増倍管９５は、第１実施形態の光電子増倍管１４と異なる電圧分割回路９６を有する。
【００６０】
回路９６は、ＭＣＰ２４から検出タイミングパルスＤＴを取得するための構成が第１および第２実施形態の電圧分割回路８０および９２と異なる。すなわち、回路９６は、抵抗器８６ならびにコンデンサ８７および８８に代えて、高周波トランス９８を有している。トランス９８は、ＭＣＰ２４の電極３４と同軸ケーブル９４との間に接続されている。トランス９８は、ＣＦＤ４５およびＴＡＣ１７を高圧電源４２から分離し、高圧電源４２によって生成される高い電圧からＣＦＤ４５およびＴＡＣ１７を保護する。電極３４はトランスの一次側に接続され、同軸ケーブル９４はトランスの二次側に接続されている。
【００６１】
ＭＣＰ２４の出力面からＭＣＰ２５に向けて電子が放出されると、ＭＣＰ２４の出力面において電位が瞬間的に上昇する。これに応じて、高圧電源４２からＭＣＰ２４にチャージ電流が瞬間的に供給される。チャージ電流の経路には高周波トランス９８の一次側が接続されている。このため、チャージ電流のＡＣ成分に対応する起電力がトランス９８の二次側に発生する。この起電力によりパルス電流が発生し、トランス９８の二次側に接続された同軸ケーブル９４によって伝送される。この電流パルスが検出タイミングパルスＤＴである。同軸ケーブル９４のうちトランス９８に接続される端部と反対側の端部には、ＣＦＤ４５が接続されている。このため、検出タイミングパルスＤＴはＣＦＤ４５へ流入する。このようにして、回路９６は、ＭＣＰ２４の出力面の瞬間的な電位上昇に同期して検出タイミングパルスＤＴを取り出すことができる。
【００６２】
本実施形態は、第１実施形態と同じ利点を有する。さらに、検出タイミングパルスＤＴを同軸ケーブル９４によって伝送するので、パルスＤＴの波形の劣化が少ない。したがって、時間分解測定の時間精度をさらに高めることができる。
【００６３】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００６４】
上記実施形態は、位置検出型光電子増倍管（ＰＳ−ＰＭＴ）を使用する。しかし、本発明では、試料から発する量子線の種類に応じて他の任意の位置検出型電子増倍管（ＰＳ−ＥＭＴ）を使用することができる。マイクロチャンネルプレートが電子線のみならず、紫外線（ＵＶおよびＶＵＶ）、Ｘ線、α線、荷電粒子、中性子などに直接感度を示すことはよく知られている。ＰＳ−ＰＭＴを用いるかＰＳ−ＥＭＴを用いるかは、検出対象物からの量子線の種類に応じて適宜選択される。
【００６５】
上記実施形態では、位置検出型のアノードとしてレジスティブアノード２８が使用されている。このほかに、他の任意の位置検出型アノード、たとえばマルチアノード、ＣＲチェーンアノード、クロスワイヤアノード、または半導体位置検出素子（ＰＳＤ）を使用してもよい。また、光電子を光学像に変換する蛍光板をアノードとして使用し、その光学像をイメージセンサを用いて撮像することにより光電子の位置を測定してもよい。また、蛍光板とイメージセンサとをファイバープレートを介してファイバーカップリングしてもよい。これらの位置検出は、一次元であっても二次元であってもよい。
【００６６】
上記実施形態では、半導体集積回路の動作解析を取り上げている。しかし、本発明に係る時間分解型検出を利用可能なアプリケーションは幅広く、Time Of Flight（ＴＯＦ）応用をはじめとした様々な計測手法、例えば、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）、イオン散乱分光（ＩＳＳ）や、アトムプローブなどになどに本発明を適用することができる。
【００６７】
第２および第３実施形態では、同軸ケーブル９４を用いて検出タイミングパルスＤＴを伝送する。しかし、検出タイミングパルスＤＴの伝送距離が短い場合は、同軸ケーブル９４に代えて、同軸ケーブル９４の芯線および外部導体に相当する平行な２本の信号線を使用することができる。
【００６８】
【発明の効果】
この発明の時間分解測定装置は、アノードと直接対向する最後方のマイクロチャンネルプレートではなく、より前方に配置されたマイクロチャンネルプレートから検出タイミングパルスを読み出す。これにより、検出タイミングパルスに含まれるマイナス成分を低減して、時間分解測定の時間精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る時間分解測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態に係る光電子増倍管の構造を示す概略図である。
【図３】比較例の光電子増倍管の構造を示す概略図である。
【図４】（ａ）は、第２スタックの最後方ＭＣＰの電極における電位の経時変化を示し、（ｂ）は、その電極から取り出される検出タイミングパルスを示している。
【図５】複数の検出で得られた検出タイミングパルスを重ね合わせて示す図である。
【図６】（ａ）は、第１スタックの最後方ＭＣＰの電極における電位の経時変化を示し、（ｂ）は、複数の検出で得られた検出タイミングパルスを重ね合わせて示す図である。
【図７】第２実施形態に係る光電子増倍管の構造を示す概略図である。
【図８】第３実施形態に係る光電子増倍管の構造を示す概略図である。
【符号の説明】
１０…試料、１２…テスタ、１４…位置検出型光電子増倍管、１５…光子、１６…位置演算器、１７…時間電圧変換器、１８…データ処理装置、２２…フォトカソード、２３〜２７…マイクロチャンネルプレート、２８…レジスティブアノード、３３、３４、３５および３７…電極、６０ａ〜６０ｃ…電位上昇パルス、６２ａ〜６２ｃ…電子入力パルス、７０…検出タイミングパルス、７１…ゼロクロスタイミング、８０…パルス読み出し回路としての電圧分割回路、１００…時間分解測定装置。
【発明の属する技術分野】
この発明は、位置検出型電子増倍管（Position-Sensitive Electron Multiplier Tube: ＰＳ−ＥＭＴ）、および位置検出型電子増倍管を利用する時間分解測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光現象の時間分解測定を行って、その二次元位置および時間を取得するための二次元時間分解測定装置が知られている（例えば、特許文献１および２ならびに非特許文献１）。
【０００３】
非特許文献１に開示される装置では、試料から発した光子が複数のマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）によって増倍される。光子の検出タイミングを示すパルス信号は、光電子増倍管においてアノードに最も近いＭＣＰから取り出される。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６１−２６６９４２号公報
【特許文献２】
特開平１０−１５００８６号公報
【０００５】
【非特許文献１】
エス・シャーボンノー（S. Charbonneau）、ほか４名、「レジスティブアノード光電子増倍管を用いた１００ｐｓ分解能での二次元時間分解撮像（Two-dimensional time-resolved imaging with 100-ps resolution using a resistive anode photomultiplier tube）」、Rev. Sci. Instrum. ６３（１１）, （米国）、アメリカン・インスティチュート・オブ・フィジックス（American Institute of Physics）、１９９２年１１月、５３１５−５３１９頁
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、時間分解測定における時間精度を高めることを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の時間分解測定装置は、試料の励起によって発する量子線の位置情報およびタイミング情報を取得する。この装置は、試料の励起に同期して基準時間パルスを生成する信号発生器と、光を検出し検出位置に応じた位置信号および検出タイミングに同期した検出タイミングパルスを生成する検出装置と、位置信号を用いて検出位置を算出する位置演算器と、基準時間パルスと検出タイミングパルスとの時間差を計測する時間差測定器と、位置演算器によって算出された検出位置と時間差測定器によって計測された時間差とを対応付けて記憶するデータ処理装置とを備えている。検出装置は、位置検出型電子増倍管を有している。電子増倍管は、量子線が入射する入射窓、アノード、ならびに入射窓とアノードの間に挟まれた第１および第２のマイクロチャンネルプレートを有している。第１マイクロチャンネルプレートは、カソードと離れて対向する入力面と、第２マイクロチャンネルプレートと離れて対向する出力面とを有している。第２マイクロチャンネルプレートは、第１マイクロチャンネルプレートの出力面と離れて対向する入力面と、アノードと離れて対向する出力面とを有している。検出タイミングパルスは、マイクロチャンネルプレートによって増倍された電子が第１マイクロチャネルプレートの出力面から放出されるときの電位変化に応答して発生し、時間差測定器へ送られる。
【０００８】
量子線には、電子、イオン、α線、β線などの荷電粒子や、紫外線、Ｘ線、γ線などの光子、さらには中性子などが含まれる。試料の励起に伴う量子線の発生は、原子、分子などがエネルギーの低い状態から、熱、光、放射線などの外部刺激によって、より高いエネルギーの状態に移り、その状態が元に戻る際に、２つの状態のエネルギーの差を光等の量子線として放出する現象である（上記特許文献１および非特許文献１を参照のこと）。半導体デバイスが自発的に、あるいは外部トリガ（信号パルス、動作開始パルス等）に応答して作動すると、デバイス中のトランジスタのスイッチング動作に伴ってトランジェント発光が起きることも知られている（上記特許文献２を参照のこと）。本発明において試料の励起に伴う量子線の発生には、原子または分子が２つの状態のエネルギーの差を光等の量子線として放出する現象に加えて、半導体デバイスの動作時に観察されるトランジェント発光も含まれる。
【０００９】
マイクロチャンネルプレートから取り出される検出タイミングパルスには、マイクロチャンネルプレートからの増倍電子の放出に起因するプラス極性の成分のほかに、マイクロチャンネルプレートへの量子線の入射に起因するマイナス極性の成分が含まれる。本発明と異なり第２マイクロチャンネルプレートから検出タイミングパルスを取り出す場合、そのプラス成分は第１および第２マイクロチャンネルプレートによって増倍された電子の量に応じた大きさを有し、そのマイナス成分は第１マイクロチャンネルプレートによって増倍された電子の量に応じた大きさを有する。第１および第２マイクロチャンネルプレートは互いに相関のない増倍揺らぎを有している。このため、検出タイミングパルスのプラス成分とマイナス成分は検出のたびに異なる比率を有することになる。したがって、検出タイミングパルスがグランドレベルを横切るタイミング、すなわちゼロクロスタイミングも検出のたびに異なる。この結果、基準時間パルスと検出タイミングパルスとの時間差に揺らぎが生じ、時間分解測定の時間精度が低下してしまう。
【００１０】
これに対し、本発明では、第２マイクロチャンネルプレートの前方に配置された第１マイクロチャンネルプレートから検出タイミングパルスが取り出される。この検出タイミングパルスのマイナス成分は、第１マイクロチャンネルプレートへの量子線の入射に応答して発生する。このため、マイナス成分の大きさは、第１および第２マイクロチャンネルプレートによる電子増倍の影響を受けない。したがって、検出タイミングパルス中のマイナス成分は小さい。この結果、検出タイミングパルスのゼロクロスタイミングの変動が抑えられ、時間分解測定の時間精度が高まる。
【００１１】
本発明の時間分解測定装置は、第１マイクロチャンネルプレート、および第１マイクロチャンネルプレートの入力面に重ね合わされた一枚以上のマイクロチャンネルプレートを有する第１のスタックと、第２マルチチャネルプレート、および第２マイクロチャンネルプレートの入力面に重ね合わされ、第１マイクロチャンネルプレートと離れて対向する一枚以上のマイクロチャンネルプレートを有する第２のスタックとをさらに備えていてもよい。検出タイミングパルスのプラス成分は、第１スタック中の複数のマイクロチャンネルプレートによって増倍された電子によって形成される。一方、マイナス成分は、第１スタックへの量子線の入射によって生成され、第１スタック中のマイクロチャンネルプレートによる電子増倍の影響を受けない。このため、マイナス成分はプラス成分よりも極めて小さくなる。したがって、検出タイミングパルスのゼロクロスタイミングの変動がさらに抑えられ、時間分解測定の時間精度が高まる。
【００１２】
第１スタックは、入射窓と第１スタックとの間に別のマイクロチャンネルプレートを挟むことなく入射窓と対向していることが好ましい。この場合、検出タイミングパルスのマイナス成分は、第１スタック中のマイクロチャンネルプレートによる電子増倍だけでなく、別のマイクロチャンネルプレートによる電子増倍の影響も受けない。このため、検出タイミングパルスのマイナス成分は極めて小さくなる。これにより、時間分解測定の時間精度が高まる。
【００１３】
第１スタックは第２スタックより高い光電子増倍率を有していてもよい。これは電子増倍の飽和を防ぐうえで有利である。これにより、光電子が効率良く増倍され、Ｓ／Ｎの高い位置信号を得ることができる。検出タイミングパルスのマイナス成分の大きさは第１スタックによる電子増倍に影響されないので、第１スタックの増倍率にかかわらずマイナス成分は小さい。したがって、高い位置検出精度と高い時間精度の双方を達成することができる。
【００１４】
位置検出型電子増倍管は、量子線を光電効果によって光電子に変換するフォトカソードを、入射窓と第１マイクロチャンネルプレートの入力面との間にさらに備えていてもよい。第１マイクロチャンネルプレートは、フォトカソードに対向させて配置され、フォトカソードから光電子を受け取って二次電子を生成し増倍する。この場合、光電子が第１マイクロチャンネルプレートに入射する。検出タイミングパルスのマイナス成分は、光電子の入射量に応じた大きさを有する。一方、検出タイミングパルスのプラス成分は、第１マイクロチャンネルプレートによって増倍された二次電子の量に応じた大きさを有する。このため、マイナス成分はプラス成分よりも極めて小さくなる。したがって、検出タイミングパルスのゼロクロスタイミングの変動が抑えられ、時間分解測定の時間精度が高まる。
【００１５】
この発明の位置検出型電子増倍管は、量子線を透過させる入射窓と、量子線の入射窓への入射位置に応じた位置に電子を生成し、その位置を維持しながら電子を増倍する第１および第２のマイクロチャンネルプレートと、第２マイクロチャンネルプレートと対向するアノードと、第１マイクロチャンネルプレートに接続され、第１マイクロチャンネルプレートによって増倍された電子が第１マイクロチャンネルプレートから放出されるときの電位変化に応じたパルス信号を第１マイクロチャンネルプレートから取得するパルス読み出し回路とを備えている。第１マイクロチャンネルプレートは、入射窓と離れて対向する入力面と、第２マイクロチャンネルプレートと離れて対向する出力面を有している。第２マイクロチャンネルプレートは、第１マイクロチャンネルプレートの出力面と離れて対向する入力面と、アノードと離れて対向する出力面とを有している。パルス読み出し回路は、第１マイクロチャンネルプレートの出力面に接続されている。
【００１６】
パルス読み出し回路は、第２マイクロチャンネルプレートではなく、第１マイクロチャンネルプレートに接続されている。パルス読み出し回路によって取得されるパルス信号のマイナス成分は、第１マイクロチャンネルプレートへの量子線の入射に応答して発生する。このため、マイナス成分の大きさは、第１および第２マイクロチャンネルプレートによる電子増倍の影響を受けない。この結果、パルス信号中のマイナス成分は小さく、これにより検出タイミングパルスのゼロクロスタイミングの変動が抑えられる。したがって、このパルス信号を、量子線の検出タイミングを示す信号として使用すれば、時間精度の高い時間分解測定が可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、実施形態に係る時間分解測定装置１００の構成を示すブロック図である。装置１００は、試料１０から発する光子１５を検出し、発光の二次元位置およびタイミングを測定する。装置１００は、半導体テスタ１２、位置検出型光電子増倍管（Position Sensitive Photomultiplier Tube：ＰＳ−ＰＭＴ）１４、位置演算器１６、時間電圧変換器（Time-to-Amplitude Converter：ＴＡＣ）１７およびデータ処理装置１８を有している。
【００１９】
本実施形態では、試料１０の一例として、半導体集積回路（ＩＣ）を搭載するチップを用意する。半導体テスタ１２は、試料１０に動作開始パルスを与えて発光を生じさせるための励起装置である。テスタ１２は、試料１０上のＩＣに駆動電圧を供給してＩＣを駆動する。ＩＣに含まれるトランジスタは、そのスイッチング動作時に低い確率で発光する。したがって、装置１００を用いて発光の二次元位置とタイミングを測定することにより、トランジスタの動作タイミングを解析することができる。テスタ１２は、試料１０に与える動作開始パルスに同期して基準時間パルスＲＴを生成する信号発生器を含んでいる。このパルスＲＴは時間電圧変換器１７へ送られる。
【００２０】
図２は、位置検出型光電子増倍管１４の構造を示す概略図である。光電子増倍管１４は、試料１０から発した光子１５を電子に変換し、その電子をその二次元位置を保持しながら増幅する。光電子増倍管１４は、外囲器２０および外囲器２０に接続された電圧分割回路８０を備えている。外囲器２０内には、フォトカソード２２、マイクロチャンネルプレート（Micro Channel Plate：ＭＣＰ）２３〜２７およびレジスティブアノード２８が収容されている。外囲器２０の前面には、透明の入射窓２９が設置されている。フォトカソード２２は入射窓２９の内面に形成されている。フォトカソード２２とレジスティブアノード２８は互いに離れて対向するように配置されている。ＭＣＰ２３〜２７は、フォトカソード２２とレジスティブアノード２８の間に配置されている。
【００２１】
フォトカソード２２は、入射窓２９を透過した光子１５を受け取り、光電効果によって光電子に変換する。フォトカソード２２は「光電面」と呼ばれることがある。
【００２２】
ＭＣＰ２３〜２７は、フォトカソード２２から光電子を受け取って二次電子を生成および増倍する板状の電子増倍器である。ＭＣＰの平面形状は円形であってもよいし、矩形であってもよい。各ＭＣＰの前面および後面には、電極として導電性材料が蒸着されている。各ＭＣＰの前面は光電子または二次電子を受け取る入力面であり、後面は二次電子を放出する出力面である。光電子は、まず、最前方のＭＣＰ２３に入射する。光電子の入射位置は、光１５のフォトカソード２２への入射位置に対応している。ＭＣＰ２３は、光電子の入射位置に二次電子を生成し、その二次電子をその二次元位置を保持しながら増倍する。後続のＭＣＰ２４〜２７も二次元位置を保持しながら二次電子を増倍する。
【００２３】
ＭＣＰ２３〜２７は、二次電子を通すための多数のチャンネルを有しており、二次電子はチャンネル内を移動する間に増倍される。具体的には、ＭＣＰは内壁を抵抗体とした非常に細いガラスパイプを多数束ねた二次元構造を有している。このガラスパイプがチャンネルである。それぞれのチャンネルは独立した二次電子増倍器を形成している。ＭＣＰの入力面への量子の入射に応じてチャンネルの壁から放出される二次電子は、ＭＣＰの両端に印加された電圧により生成された電界により加速され、放物線軌道を描きつつ壁の反対側の部分に衝突する。この衝突により再び二次電子が壁から放出される。このような過程がチャンネルに沿って多数回繰り返される結果、ＭＣＰの出力面から多数の電子が放出される。
【００２４】
ＭＣＰ２３〜２７は、第１および第２のＭＣＰスタック３０および３２を構成している。第１スタック３０は、互いに重ね合わされた２枚のＭＣＰ２３および２４からなる（ＭＣＰ：２段）。第１スタック３０は、フォトカソード２２との間に他のＭＣＰを挟むことなくフォトカソード２２と直接対向している。ＭＣＰ２３および２４は、それぞれフォトカソード２２と離れて対向する入力面を有している。ＭＣＰ２３の出力面は、ＭＣＰ２４の入力面に重ね合わされている。ＭＣＰ２４の出力面は、ＭＣＰ２５の入力面と離れて対向する。第２スタック３２は、互いに重ね合わされた３枚のＭＣＰ２５〜２７からなる（ＭＣＰ：３段）。ＭＣＰ２５の出力面はＭＣＰ２６の入力面に重ね合わされ、ＭＣＰ２６の出力面はＭＣＰ２７の入力面に重ね合わされている。ＭＣＰ２７の出力面は、レジスティブアノード２８の入力面と離れて対向する。
【００２５】
ＭＣＰ２３〜２７を二つのスタック３０および３２に分けるのは、光電子の効率の良い増倍のためである。すべてのＭＣＰを近接させて重ね合わせると、光電子が少数のチャンネルに集中するため、増倍作用が飽和しやすい。これに対し、ＭＣＰ２３〜２７を二つのスタック３０および３２に分けると、前側のスタック３０によって増倍された電子群は、スタック３０から放出され、拡散しながら後側のスタック３２に向かう。この拡散により、後側のスタック３２では、より多数のチャンネルで光電子が増倍されることになる。このため、増倍作用の飽和を防ぎ、効率良く光電子を増倍できる。
【００２６】
スタック３０および３２のように、ＭＣＰを多段に重ねて使用する場合、チャンネルの軸がＭＣＰの垂直軸に対し適当なバイアス角を有するようにＭＣＰを配置することが好ましい。このような配置を採用することによって、ゲインの増大と共に生じるイオンフィードバックによるノイズを低減し、かつ、高い利得を得ることができる。
【００２７】
第１スタック３０で光電子を非常に高い倍率で増倍できるので、第２スタック３２の増倍率は第１スタック３０よりも低い。本実施形態では、第１スタック３０の増倍率は約１０6であり、第２スタック３２の増倍率は約１０2である。これらの増倍率は完全に一定ではなく、ある程度の揺らぎを持っている。したがって、スタック３０および３２は、増倍のたびに異なる増倍率を示す。
【００２８】
レジスティブアノード２８は位置検出型アノードの一種である。レジスティブアノード２８は、片面に均一な抵抗層が設けられた導体板である。レジスティブアノード２８の四隅には、信号読み出し用の電極２８ａが設けられている。これらの電極２８ａは、図１に示されるように、プリアンプ４０を介して位置演算器１６に電気的に接続されている。レジスティブアノード２８に二次電子が入射すると、これらの読み出し電極２８ａは電荷パルスを出力する。レジスティブアノード２８に入射した二次電子の二次元位置は、これらの電荷パルスが有する電荷量に基づいて求められる。このようにレジスティブアノード２８は、光子１５の検出位置に応じた信号ＤＰを生成し、位置演算器１６に送る。
【００２９】
フォトカソード２２、第１および第２ＭＣＰスタック３０および３２、ならびにレジスティブアノード２８は、電圧分割回路８０に接続されている。回路８０は、カソード２２およびアノード２８間に電圧を印可するとともに、その電圧を分割して第１および第２ＭＣＰスタック３０および３２に印可する。また、回路８０は、レジスティブアノード２８から光子１５の検出位置に応じた信号ＤＰを受け取り、増幅して位置演算器１６に送る。さらに、回路８０は、光子１５の検出タイミングを示すパルス信号を取得するパルス読み出し回路としても機能する。
【００３０】
図２に示されるように、第１スタック３０においてＭＣＰ２３の入力面およびＭＣＰ２４の出力面には、それぞれ円環状の電極３３および３４が取り付けられ、これらの電極がリード線によって高圧電源４２に接続されている。同様に、第２スタック３２においてＭＣＰ２５の入力面およびＭＣＰ２７の出力面には、それぞれ円環状の電極３５および３７が取り付けられ、これらの電極がリード線によって高圧電源４２に接続されている。高圧電源４２は、フォトカソード２２およびレジスティブアノード２８にも接続されている。
【００３１】
高圧電源４２は、フォトカソード２２、第１スタック３０、第２スタック３２およびレジスティブアノード２８に電圧を印可し、これらの間に電位勾配を形成する。この電位勾配により、レジスティブアノード２８、第２スタック３２、第１スタック３０、およびフォトカソード２２の順に高い電位が与えられる。各ＭＣＰスタック内にも電位勾配が形成される。第１スタック３０では、ＭＣＰ２４の出力面に近い位置ほど高い電位が与えられる。第２スタック３２では、ＭＣＰ２７の出力面に近い位置ほど高い電位が与えられる。
【００３２】
より具体的に説明すると、フォトカソード２２と高圧電源４２との間には抵抗器８１〜８５が直列に接続されている。抵抗器８１の両端にはフォトカソード２２および電極３３が接続されており、これにより両者の間に電位勾配が形成される。抵抗器８２の両端には電極３３および３４が接続されており、これにより第１ＭＣＰスタック３０の入力面および出力面間に電位勾配が形成される。抵抗器８３の両端には電極３４および３５が接続されており、これにより第１ＭＣＰスタック３０と第２ＭＣＰスタック３２との間に電位勾配が形成される。抵抗器８４の両端には電極３５および３７が接続されており、これにより第２ＭＣＰスタック３２の入力面および出力面間に電位勾配が形成される。抵抗器８５の両端には電極３７およびレジスティブアノード２８が接続されており、これにより第２ＭＣＰスタック３２とレジスティブアノード２８との間に電位勾配が形成される。
【００３３】
後で詳細に説明するように、ＭＣＰ２４の出力面では、光子の検出タイミングに同期してパルス信号ＤＴが生成される。以下では、このパルス信号ＤＴを「検出タイミングパルス」と呼ぶ。図２に示されるように、ＭＣＰ２４の出力面に設けられた電極３４は、電圧分割回路８０を介して時間電圧変換器１７に接続されている。検出タイミングパルスＤＴは電極３４および回路８０を通じて時間電圧変換器１７に送られる。
【００３４】
回路８０は、検出タイミングパルスＤＴを取得するために、互いに直列に接続された抵抗器８６および高圧遮断用コンデンサ８７を有している。電極３４は抵抗器８６とコンデンサ８７の間に接続されている。コンデンサ８７は、後述するプリアンプ４１、アンプ４３および４４、ＣＦＤ４５ならびにＴＡＣ１７を高圧電源４２から分離し、高圧電源４２によって生成される高い電圧からＣＦＤ４５およびＴＡＣ１７を保護する。
【００３５】
位置演算器１６は、光電子増倍管１４のレジスティブアノード２８に電気的に接続されている。位置演算器１６は、レジスティブアノード２８から送られる位置信号ＤＰを用いて光子１５の検出位置を算出する。位置演算器１６の出力端子はラッチ回路４９に接続されている。算出された検出位置はディジタルデータとしてラッチ回路に送られる。
【００３６】
時間電圧変換器（ＴＡＣ）１７は、二つの入力信号の時間差を計測する時間差測定器である。ＴＡＣ１７は、テスタ１２および光電子増倍管１４の双方に電気的に接続されている。ＴＡＣ１７のスタート端子は、プリアンプ４１、アンプ４３および４４、ならびにコンスタントフラクション弁別器（ＣＦＤ）４５を介してＭＣＰ２４上の電極３４に接続されている。ＴＡＣ１７は、光電子増倍管１４からの検出タイミングパルスＤＴをスタート端子にて受け取る。一方、ＴＡＣ１７のストップ端子は、アンプ４６および遅延回路４７を介してテスタ１２に接続されている。ＴＡＣ１７は、テスタ１２からの基準時間パルスＲＴをストップ端子にて受け取る。ＴＡＣ１７は、基準時間パルスＲＴと検出タイミングパルスＤＴとの時間差に応じた波高を有するアナログ電圧信号を生成する。この時間差は、基準時間パルスを基準とした光子１５の検出時刻を示す。ＴＡＣ１７の出力端子は、Ａ／Ｄ変換器４８を介してラッチ回路４９に接続されている。検出時刻を示すアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器４８に送られ、そこでディジタルデータに変換される。検出時刻を示すこのデータは、ラッチ回路４９に送られる。
【００３７】
ラッチ回路４９は、位置演算器１６からの検出位置データおよびＴＡＣ１７からの検出時刻データを受け取り、一組のデータとしてデータ処理装置１８に転送する。データ処理装置１８は、ラッチ回路４９からデータを受け取り、記憶する。処理装置１８は、例えばパーソナルコンピュータである。処理装置１８は、ＣＰＵ、記憶装置、ハードディスク、キーボードおよびマウス、ならびにディスプレイを有している。記憶装置には、データ処理に必要なプログラムおよびデータが格納されている。ラッチ回路４９から送られた検出位置および検出時刻は、互いに対応付けてこの記憶装置に格納される。
【００３８】
本実施形態では、データ処理装置１８は、時間分解測定装置１００の制御装置としても機能する。位置演算器１６は、レジスティブアノード２８からの位置信号ＤＰを、プリアンプ４０を経由して受け取り、光子１５の検出位置を演算し、それをデジタル変換してラッチ回路４９へ送る。また、装置１８は、位置演算器１６に高圧制御信号を送る。位置演算器１６は高圧電源４２に接続されており、高圧制御信号に応答して高圧電源４２の出力電圧を投入または遮断する。装置１８は、ＴＡＣ１７に時定数制御信号を送る。ＴＡＣ１７は、この信号に応答して時間−振幅変換の時定数を設定する。装置１８は、遅延回路４７にディレイ制御信号を送る。遅延回路４７は、この信号に応答してディレイを設定する。
【００３９】
以下では、時間分解測定装置１００の動作を説明する。テスタ１２が試料１０上のＩＣを駆動すると、ある確率で光子１５が発する。光電子増倍管１４は光子１５をフォトカソード２２にて受け取る。フォトカソード２２は、光電効果によって光子１５を光電子に変換する。この光電子は、フォトカソード２２および第１スタック３０間の電位勾配によってＭＣＰ２３の入力面に入射する。スタック３０中のＭＣＰ２３および２４は、光電子を約１０6倍に増倍する。増倍された電子はスタック３０内の電位勾配によってＭＣＰ２４の出力面に到達する。その後、電子は、第１および第２スタック３０および３２間の電位勾配によってＭＣＰ２４の出力面から放出され、ＭＣＰ２５の入力面に入射する。スタック３２中のＭＣＰ２５〜２７は、電子を約１０2倍に増倍する。電子はスタック３２内の電位勾配によってＭＣＰ２７の出力面に到達する。その後、電子は、第２スタック３２およびレジスティブアノード２８間の電位勾配によってＭＣＰ２７の出力面から放出され、レジスティブアノード２８に収集される。
【００４０】
レジスティブアノード２８は、電子の二次元位置に応じた電荷パルスＤＰを四隅の電極２８ａから位置演算器１６へ送る。位置演算器１６は、これらの電荷パルスＤＰを受け取り、重心検出によって電子の二次元位置を算出する。この二次元位置は、光子１５の検出位置であり、試料１０上での発光位置と対応している。算出された検出位置はデータ処理装置１８に送られる。
【００４１】
さらに、光電子増倍管１４は、光子１５の検出タイミングに同期してパルスを生成する。この検出タイミングパルスＤＴは電圧分割回路８０によってＭＣＰ２４から取り出される。ＭＣＰ２４の出力面からＭＣＰ２５に向けて電子が放出されると、ＭＣＰ２４の出力面において電位が瞬間的に上昇する。続いて、高圧電源４２からＭＣＰ２４に電子が流入し、出力面の電位は所定の定常電位に戻される。この電子の流れはチャージ電流と呼ばれる。チャージ電流は、高圧電源４２から抵抗器８３〜８５を通ってＭＣＰ２４の電極３４に向かう。電極３４と抵抗器８３との間には、抵抗器８６が配置されている。これにより、インピーダンスが増加するので、高圧電源４２から電極３４への単位時間あたりの電子流入量が低減される。高周波領域では、コンデンサ８７を含む経路のほうが抵抗器８３〜８６を含む経路よりもインピーダンスが低い。このため、瞬間的には、コンデンサ８７の一端から電極３４に電子が流入することになる。コンデンサ８７の他端はアンプを介してＣＦＤ４５に接続されているので、電極３４への電子の流れは電流パルスとしてＣＦＤ４５へ流入する。この電流パルスが検出タイミングパルスＤＴである。このようにして、回路８０は、ＭＣＰ２４の出力面の瞬間的な電位上昇に同期して検出タイミングパルスＤＴを取り出すことができる。この検出タイミングパルスＤＴはＣＦＤ４５を通じてＴＡＣ１７へ送られる。
【００４２】
ＴＡＣ１７は、試料１０上のＩＣの駆動に同期した基準時間パルスＲＴをテスタ１２から受け取るとともに、ＣＦＤ４５から検出タイミングパルスＤＴを受け取る。ＴＡＣ１７は、基準時間パルスＲＴと検出タイミングパルスＤＴの時間差を計測する。上述のように、この時間差は基準時間パルスＲＴを基準とする光子１５の検出時刻を示す。この検出時刻はデータ処理装置１８に送られる。
【００４３】
データ処理装置１８は、検出位置および検出時刻を受け取り、互いに対応付けて記憶装置に格納する。試料１０上のトランジスタがスイッチングの際に発光する確率は非常に小さいので、試料１０は繰り返し励起され、検出位置および検出時刻がデータ処理装置１８に蓄積される。蓄積されたデータはさまざまに利用することができる。たとえば、データ処理装置１８は、特定の時間にわたって検出位置ごとに発光回数を計数し、得られたカウント数に応じた輝度を検出位置に対応する画素に割り当てた二次元画像を生成することができる。また、データ処理装置１８は、蓄積された検出時刻を用いて、特定の検出位置における検出時刻のヒストグラムを作成することができる。このヒストグラムでは、横軸が検出時刻であり、縦軸が発光回数である。ヒストグラムのピークは、特定の検出位置において発光が高い頻度で検出された時刻を示している。したがって、ピークに対応する検出時刻は、その検出位置に対応するトランジスタがスイッチングを行うタイミングとみなすことができる。トランジスタのスイッチングタイミングを取得することにより、試料１０上のＩＣの動作解析が可能となる。
【００４４】
本実施形態の特徴は、前側スタック３０の最後方に位置するＭＣＰ２４から検出タイミングパルスＤＴを読み出すことである。以下では、従来技術との比較を交えながらこの点を詳細に説明する。
【００４５】
時間分解測定装置において光電子増倍管から検出タイミングパルスを取得する場合、どこから検出タイミングパルスを読み出すかを決める必要がある。アノードからタイミングパルスを読み出す場合、アノードが位置検出型であると、アノード周辺の信号読み出し経路に付随する抵抗や静電容量のため、タイミングパルスの読み出し速度が遅い。また、信号読み出し経路が高インピーダンス回路となるため、タイミングパルスが外来ノイズの影響を受けやすい。したがって、外部回路を最適化しても十分な時間精度を得ることが難しい。さらに、タイミングパルスを取得するための付加回路によって信号のＳ／Ｎが低下する。このため、時間精度のみならず位置分解能までもが劣化してしまう。
【００４６】
これに対し、従来技術では、アノードと直接対向するＭＣＰの出力面から検出タイミングパルスを取得している。つまり、最も後方に配置された最終ＭＣＰの出力面からアノードに向かって電子が放出されたときに発生する電位上昇パルスが検出タイミングパルスとして読み出される。電位上昇量は放出される電荷量に比例し、その電荷量は最終ＭＣＰにおいて最大となる。したがって、最終ＭＣＰからはＳ／Ｎの高い検出タイミングパルスを読み出すことができる。
【００４７】
しかし、このような利点の反面、最終ＭＣＰからの検出タイミングパルスの読み出しには不利益が伴うことに本発明者は気づいた。以下では、図３および図４を参照しながらこの不利益を説明する。図３は、最終ＭＣＰ２７上の電極３７から検出タイミングパルスＤＴが読み出される光電子増倍管１４ａの構造を示す概略図である。電極３７は、本実施形態における電極３４と同様に、アンプおよびコンスタントフラクション弁別器を介してＴＡＣ１７に接続されている。図４（ａ）は電極３７における電位の経時変化を示し、図４（ｂ）は電極３７から取り出されるタイミングパルスＤＴを示している。
【００４８】
ＭＣＰ２３〜２７によって増倍された電子がＭＣＰ２７の出力面から放出されると、図４（ａ）に示されるように、電極３７上に電位上昇パルス６０が現れる。電位上昇パルス６０は、光子が検出されるたびに発生する。試料から３個の光子が順次に発すると、図４（ａ）に示されるように、３個の電位上昇パルス６０ａ〜６０ｃが発生する。上述のように、第１および第２ＭＣＰスタック３０および３２の増倍率は、ある程度の揺らぎを持っている。このような増倍揺らぎに応じて、電位上昇パルス６０ａ〜６０ｃはさまざまな波高を有する。
【００４９】
本発明者は、電位上昇パルス６０ａ〜６０ｃの直前に別のパルス６２ａ〜６２ｃが電極３７上に現れることを見いだした。このパルス６２は、光電子増倍管１４が互いに離間した二つのＭＣＰスタック３０および３２を有することに起因する。第１スタック３０によって増倍された電子は、ＭＣＰ２４の出力面から放出されて、第２スタック３２の入力面、すなわち第２スタック３２において最前方に位置するＭＣＰ２５の入力面に入射する。このとき、第２スタック３２の入力面上の電極３５および出力面上の電極３７間の容量結合が、電極３７上にパルス６２を生成する。以下では、このパルス６２を「電子入力パルス」と呼ぶ。電子入力パルス６２の波高は、第１スタック３０の増倍率に依存する。第１スタック３０の増倍揺らぎに応じて、電子入力パルス６２ａ〜６２ｃはさまざまな波高を有する。
【００５０】
電位上昇パルス６０はプラスの極性を有し、電子入力パルス６２はマイナスの極性を有する。第１スタック３０から第２スタック３２への電子の入射によって電子入力パルス６２が生成され、第２スタック３２による電子の増倍の後、電位上昇パルス６０が発生する。このため、電位上昇パルス６０は、電子入力パルス６２から約３００ｐｓｅｃ遅れて電極３７上に現れる。パルス６０および６２は部分的に重なり合い、図４（ｂ）に示されるように一つのパルス７０として電極３７から読み出される。このパルス７０が上述した検出タイミングパルスＤＴである。
【００５１】
第２スタック３２が１０2程度の増倍率を有することから、電位上昇パルス６０は電子入力パルス６２の１０〜１００倍程度の波高を有する。しかし、電位上昇パルス６０の波高は、スタック３０および３２の双方の増倍揺らぎから影響を受けるのに対し、電子入力パルス６２の波高は、スタック３０の増倍揺らぎからしか影響を受けない。このため、これらのパルス６０および６２の波高は、互いに相関のない揺らぎを有する。したがって、プラスの電位上昇パルス６０とマイナスの電子入力パルス６２とが、光子の検出のたびに異なる波高比率で合成され、検出タイミングパルスを形成することになる。
【００５２】
ＣＦＤ４５は、パルス７０がグランドレベルを横切るタイミング７１を判定する。これは、ゼロクロスタイミングと呼ばれる。ＴＡＣ１７は、このゼロクロスタイミングをパルス７０の受信タイミングとして扱う。パルス７０は電子入力パルス６２に対応するマイナス成分を有するため、ゼロクロスタイミング７１は、第２スタック３２に光電子が入射するタイミング７２に比べて遅れる。電位上昇パルス６０と電子入力パルス６２とが光子の検出のたびに異なる波高比率を有するため、ゼロクロスタイミング７１の電子入射タイミング７２からの遅延時間は一定でない。これは、複数の光子検出における検出タイミングパルスを重ね合わせて示す図５を参照するといっそう明らかになる。このようなゼロクロスタイミング７１の遅延の不均一のため、検出時刻に２００ｐｓｅｃ以上の揺らぎ（ジッタ）が生じ、時間精度が低下してしまう。
【００５３】
これに対し、本実施形態の時間分解測定装置１００では、第１スタック３０の最後方のＭＣＰ２４から検出タイミングパルスが読み出される。第１スタック３０に入射するのは１個の光子から変換された光電子であり、まったく増倍されていない。このため、ＭＣＰ２４の電極３４に発生する電子入力パルスは非常に小さい。図６（ａ）に示されるように、ＭＣＰ２４上の電極３４には、事実上、電位上昇パルス６４のみが現れる。したがって、複数の光子検出における検出タイミングパルスを重ね合わせて示す図６（ｂ）を参照すると明らかなように、ゼロクロスタイミングの揺らぎを抑えることができる。光電子は、第１スタック３０によって１０6倍に増倍された後、ＭＣＰ２４から放出される。これらの光電子の電荷量は、最終ＭＣＰ２７から放出される電荷量の約１／１００であるが、それでも十分な波高の電位上昇パルス６４を生成することができる。したがって、検出タイミングパルスのＳ／Ｎおよび時間精度の低下が防止される。この結果、６０ｐｓｅｃ程度の良好な時間精度を得ることが可能である。
【００５４】
なお、検出タイミングパルスを取得するために電極３４に電気的に接続される出力端子の数は１本に限定されず、複数本設置してもよい。その際、複数の出力端子は同じ長さを有することが好ましい。
【００５５】
（第２実施形態）
本実施形態の時間分解測定装置は、第１実施形態の装置１００において光電子増倍管１４の代わりに他の光電子増倍管を設置した構成を有する。図７は、本実施形態で使用する位置検出型光電子増倍管９０の構造を示す概略図である。光電子増倍管９０は、第１実施形態の光電子増倍管１４と異なる電圧分割回路９２を有する。
【００５６】
回路９２は、ＭＣＰ２４から検出タイミングパルスＤＴを取得するための構成が第１実施形態の電圧分割回路８０と異なる。すなわち、回路９２は、ＭＣＰ２４の電極３４に接続された抵抗器８６およびコンデンサ８７に加えて、高圧遮断用コンデンサ８８および同軸ケーブル９４を有している。同軸ケーブル９４は、コンデンサ８７を介して抵抗器８６の一端に接続された内部導体（芯線）と、コンデンサ８８を介して抵抗器８６の他端に接続された外部導体を有している。
【００５７】
すでに述べたように、ＭＣＰ２４の出力面からＭＣＰ２５に向けて電子が放出されると、ＭＣＰ２４の出力面において電位が瞬間的に上昇する。これに応じて、高圧電源４２からＭＣＰ２４にチャージ電流が供給される。しかし、高圧電源４２およびＭＣＰ２４間の経路は、抵抗器８６によってインピーダンスが高められている。このため、高周波領域では、コンデンサ８７および８８ならびに同軸ケーブル９４を含む経路のほうが抵抗器８６を含む経路よりもインピーダンスが低い。したがって、瞬間的には、同軸ケーブル９４を含む経路から電極３４に電子が流入することになる。同軸ケーブル９４のうちコンデンサ８７に接続される端部と反対側の端部には、ＣＦＤ４５が接続されている。このため、電極３４への電子の流れは電流パルスとしてＣＦＤ４５へ流入する。この電流パルスが検出タイミングパルスＤＴである。このようにして、回路９２は、ＭＣＰ２４の出力面の瞬間的な電位上昇に同期して検出タイミングパルスＤＴを取り出すことができる。
【００５８】
本実施形態は、第１実施形態と同じ利点を有する。さらに、検出タイミングパルスＤＴを同軸ケーブル９４によって伝送するので、パルスＤＴの波形の劣化が少ない。したがって、時間分解測定の時間精度をさらに高めることができる。
【００５９】
（第３実施形態）
本実施形態の時間分解測定装置も、第１実施形態の装置１００において光電子増倍管１４の代わりに他の光電子増倍管を設置した構成を有する。図８は、本実施形態で使用する位置検出型光電子増倍管９５の構造を示す概略図である。光電子増倍管９５は、第１実施形態の光電子増倍管１４と異なる電圧分割回路９６を有する。
【００６０】
回路９６は、ＭＣＰ２４から検出タイミングパルスＤＴを取得するための構成が第１および第２実施形態の電圧分割回路８０および９２と異なる。すなわち、回路９６は、抵抗器８６ならびにコンデンサ８７および８８に代えて、高周波トランス９８を有している。トランス９８は、ＭＣＰ２４の電極３４と同軸ケーブル９４との間に接続されている。トランス９８は、ＣＦＤ４５およびＴＡＣ１７を高圧電源４２から分離し、高圧電源４２によって生成される高い電圧からＣＦＤ４５およびＴＡＣ１７を保護する。電極３４はトランスの一次側に接続され、同軸ケーブル９４はトランスの二次側に接続されている。
【００６１】
ＭＣＰ２４の出力面からＭＣＰ２５に向けて電子が放出されると、ＭＣＰ２４の出力面において電位が瞬間的に上昇する。これに応じて、高圧電源４２からＭＣＰ２４にチャージ電流が瞬間的に供給される。チャージ電流の経路には高周波トランス９８の一次側が接続されている。このため、チャージ電流のＡＣ成分に対応する起電力がトランス９８の二次側に発生する。この起電力によりパルス電流が発生し、トランス９８の二次側に接続された同軸ケーブル９４によって伝送される。この電流パルスが検出タイミングパルスＤＴである。同軸ケーブル９４のうちトランス９８に接続される端部と反対側の端部には、ＣＦＤ４５が接続されている。このため、検出タイミングパルスＤＴはＣＦＤ４５へ流入する。このようにして、回路９６は、ＭＣＰ２４の出力面の瞬間的な電位上昇に同期して検出タイミングパルスＤＴを取り出すことができる。
【００６２】
本実施形態は、第１実施形態と同じ利点を有する。さらに、検出タイミングパルスＤＴを同軸ケーブル９４によって伝送するので、パルスＤＴの波形の劣化が少ない。したがって、時間分解測定の時間精度をさらに高めることができる。
【００６３】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００６４】
上記実施形態は、位置検出型光電子増倍管（ＰＳ−ＰＭＴ）を使用する。しかし、本発明では、試料から発する量子線の種類に応じて他の任意の位置検出型電子増倍管（ＰＳ−ＥＭＴ）を使用することができる。マイクロチャンネルプレートが電子線のみならず、紫外線（ＵＶおよびＶＵＶ）、Ｘ線、α線、荷電粒子、中性子などに直接感度を示すことはよく知られている。ＰＳ−ＰＭＴを用いるかＰＳ−ＥＭＴを用いるかは、検出対象物からの量子線の種類に応じて適宜選択される。
【００６５】
上記実施形態では、位置検出型のアノードとしてレジスティブアノード２８が使用されている。このほかに、他の任意の位置検出型アノード、たとえばマルチアノード、ＣＲチェーンアノード、クロスワイヤアノード、または半導体位置検出素子（ＰＳＤ）を使用してもよい。また、光電子を光学像に変換する蛍光板をアノードとして使用し、その光学像をイメージセンサを用いて撮像することにより光電子の位置を測定してもよい。また、蛍光板とイメージセンサとをファイバープレートを介してファイバーカップリングしてもよい。これらの位置検出は、一次元であっても二次元であってもよい。
【００６６】
上記実施形態では、半導体集積回路の動作解析を取り上げている。しかし、本発明に係る時間分解型検出を利用可能なアプリケーションは幅広く、Time Of Flight（ＴＯＦ）応用をはじめとした様々な計測手法、例えば、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）、イオン散乱分光（ＩＳＳ）や、アトムプローブなどになどに本発明を適用することができる。
【００６７】
第２および第３実施形態では、同軸ケーブル９４を用いて検出タイミングパルスＤＴを伝送する。しかし、検出タイミングパルスＤＴの伝送距離が短い場合は、同軸ケーブル９４に代えて、同軸ケーブル９４の芯線および外部導体に相当する平行な２本の信号線を使用することができる。
【００６８】
【発明の効果】
この発明の時間分解測定装置は、アノードと直接対向する最後方のマイクロチャンネルプレートではなく、より前方に配置されたマイクロチャンネルプレートから検出タイミングパルスを読み出す。これにより、検出タイミングパルスに含まれるマイナス成分を低減して、時間分解測定の時間精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る時間分解測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態に係る光電子増倍管の構造を示す概略図である。
【図３】比較例の光電子増倍管の構造を示す概略図である。
【図４】（ａ）は、第２スタックの最後方ＭＣＰの電極における電位の経時変化を示し、（ｂ）は、その電極から取り出される検出タイミングパルスを示している。
【図５】複数の検出で得られた検出タイミングパルスを重ね合わせて示す図である。
【図６】（ａ）は、第１スタックの最後方ＭＣＰの電極における電位の経時変化を示し、（ｂ）は、複数の検出で得られた検出タイミングパルスを重ね合わせて示す図である。
【図７】第２実施形態に係る光電子増倍管の構造を示す概略図である。
【図８】第３実施形態に係る光電子増倍管の構造を示す概略図である。
【符号の説明】
１０…試料、１２…テスタ、１４…位置検出型光電子増倍管、１５…光子、１６…位置演算器、１７…時間電圧変換器、１８…データ処理装置、２２…フォトカソード、２３〜２７…マイクロチャンネルプレート、２８…レジスティブアノード、３３、３４、３５および３７…電極、６０ａ〜６０ｃ…電位上昇パルス、６２ａ〜６２ｃ…電子入力パルス、７０…検出タイミングパルス、７１…ゼロクロスタイミング、８０…パルス読み出し回路としての電圧分割回路、１００…時間分解測定装置。
Claims (10)
- 試料の励起によって発する量子線の位置情報およびタイミング情報を取得する時間分解測定装置であって、
前記試料の励起に同期して基準時間パルスを生成する信号発生器と、
前記量子線を検出し、検出位置に応じた位置信号および検出タイミングに同期した検出タイミングパルスを生成する検出装置と、
前記位置信号を用いて前記検出位置を算出する位置演算器と、
前記基準時間パルスと前記検出タイミングパルスとの時間差を計測する時間差測定器と、
前記位置演算器によって算出された前記検出位置と、前記時間差測定器によって計測された前記時間差とを対応付けて記憶するデータ処理装置と、
を備え、
前記検出装置は、位置検出型電子増倍管を有しており、
前記電子増倍管は、前記量子線を透過させる入射窓、前記量子線の前記入射窓への入射位置に応じた位置に電子を生成し、その位置を維持しながら前記電子を増倍する第１および第２のマイクロチャンネルプレート、ならびにアノードを有しており、
前記第１マイクロチャンネルプレートは、前記入射窓と離れて対向する入力面と、前記第２マイクロチャンネルプレートと離れて対向する出力面とを有しており、
前記第２マイクロチャンネルプレートは、前記第１マイクロチャンネルプレートの出力面と離れて対向する入力面と、前記アノードと離れて対向する出力面とを有しており、
前記検出タイミングパルスは、前記第１マイクロチャンネルプレートによって増倍された電子が前記第１マイクロチャネルプレートから放出されるときの電位変化に応答して発生し、前記時間差測定器へ送られる、
時間分解測定装置。 - 前記第１マイクロチャンネルプレート、および前記第１マイクロチャンネルプレートの入力面に重ね合わされた一枚以上のマイクロチャンネルプレートを有する第１のスタックと、
前記第２マイクロチャンネルプレート、および前記第２マイクロチャンネルプレートの入力面に重ね合わされ、前記第１マイクロチャンネルプレートと離れて対向する一枚以上のマイクロチャンネルプレートを有する第２のスタックと、
をさらに備える請求項１に記載の時間分解測定装置。 - 前記第１スタックは、前記入射窓と前記第１スタックとの間に別のマイクロチャンネルプレートを挟むことなく前記入射窓と対向している、請求項２に記載の時間分解測定装置。
- 前記第１スタックは前記第２スタックよりも高い電子増倍率を有している、請求項２または３に記載の時間分解測定装置。
- 前記位置検出型電子増倍管は、前記量子線を光電効果によって光電子に変換するフォトカソードを前記入射窓と前記第１マイクロチャンネルプレートの入力面との間にさらに備える位置検出型光電子増倍管であり、
前記第１マイクロチャンネルプレートは、前記フォトカソードに対向させて配置され、前記フォトカソードから前記光電子を受け取って二次電子を生成し増倍する、
請求項１〜４のいずれかに記載の時間分解測定装置。 - 量子線を透過させる入射窓と、
前記量子線の前記入射窓への入射位置に応じた位置に電子を生成し、その位置を維持しながら前記電子を増倍する第１および第２のマイクロチャンネルプレートと
前記第２マイクロチャンネルプレートと対向するアノードと、
前記第１マイクロチャンネルプレートによって増倍された電子が前記第１マイクロチャンネルプレートから放出されるときの電位変化に応答してパルス信号を取得するパルス読み出し回路と、
を備える位置検出型電子増倍管であって、
前記第１マイクロチャンネルプレートは、前記入射窓と離れて対向する入力面と、前記第２マイクロチャンネルプレートと離れて対向する出力面を有し、
第２マイクロチャンネルプレートは、前記第１マイクロチャンネルプレートの出力面と離れて対向する入力面と、前記アノードと離れて対向する出力面とを有し、
前記パルス読み出し回路は、前記第１マイクロチャンネルプレートの出力面に接続されている、
位置検出型電子増倍管。 - 前記第１マイクロチャンネルプレート、および前記第１マイクロチャンネルプレートの入力面に重ね合わされた一枚以上のマイクロチャンネルプレートを有する第１のスタックと、
前記第２マイクロチャンネルプレート、および前記第２マイクロチャンネルプレートの入力面に重ね合わされ、前記第１マイクロチャンネルプレートと離れて対向する一枚以上のマイクロチャンネルプレートを有する第２のスタックと、
をさらに備える請求項６に記載の位置検出型電子増倍管。 - 前記第１スタックは、前記入射窓と前記第１スタックとの間に別のマイクロチャンネルプレートを挟むことなく前記入射窓と対向している、請求項７に記載の位置検出型電子増倍管。
- 前記第１スタックは前記第２スタックよりも高い電子増倍率を有している、請求項７または８に記載の位置検出型電子増倍管。
- 前記入射窓と前記第１マイクロチャンネルプレートとの間に配置され、前記量子線を光電効果によって光電子に変換するフォトカソードをさらに備える請求項６〜９のいずれかに記載の位置検出型電子増倍管であって、
前記第１マイクロチャンネルプレートは、前記フォトカソードに対向させて配置され、前記フォトカソードから前記光電子を受け取って二次電子を生成し増倍する、
請求項６〜９のいずれかに記載の位置検出型電子増倍管。
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