JPH0623669B2

JPH0623669B2 - ストリ−ク装置

Info

Publication number: JPH0623669B2
Application number: JP15076186A
Authority: JP
Inventors: 勝之木下
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1994-03-30
Anticipated expiration: 2009-03-30
Also published as: JPS636424A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、高速度で変化する光の時間的な明るさの変化
をピコ秒または、数百フェムト秒のオーダで計測できる
ストリーク装置に関する。

（従来の技術）ストリーク装置は、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る。

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。

まず、従来のストリーク装置の構成および動作を簡単に
説明する。

第７図は従来のストリーク管の構成を示す管軸を含み、
偏向電極に平行な平面で切断して示した断面図、および
光電陰極と光学像の関係を示す略図である。

第８図は前記ストリーク管の管軸を含み、偏向電極に垂
直な平面で切断して示した断面図である。ストリーク管
の真空気密容器２０３の一端面は解析しようとする光学
像が結像させられる入射窓２０１、他端面は処理された
光学像を出射する出射窓２０２を形成している。

この真空気密容器２０３の管軸に沿って、入射窓２０１
と出射窓２０２との間に順次光電陰極２０４、メッシュ
電極２０５、集束電極２０６、アパーチャ電極２０７、
偏向電極２０８、螢光面２０９が配設されている。

そして光電陰極２０４に対して集束電極２０６、メッシ
ュ電極２０５、アパーチャ電極２０７にこの順序でより
高い電圧を加え、さらに螢光面２０９にアパーチャ電極
２０７と同一の電位を与えておく。

図示されていない装置で入射窓２０１を経て光電陰極２
０４に前記光電陰極２０４の中心を通る線上に光学像２
０４ａが投影されたとする。

光電陰極２０４は前記光学像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２０５により加速さ
れ、集束電型２０６により集束され、アパーチャ電極２
０７を通過し、偏向電極２０８の間隙に入射させられ
る。

この線状の電子像が偏向電極２０８の間隙を通過する期
間、前記偏向電極２０８に傾斜状の偏向電圧を加える。

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７図の断面図において紙面に垂直、第
８図では紙面に平行）であり、その強さは偏向電圧に比
例する。

そして偏向電極２０８の偏向電界により偏向され、螢光
面２０９に入射させられる。

第８図に偏向の方向を矢印２２０で示してある。螢光面
２０９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、最終的に螢光面２０９上に、
光電陰極２０４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。

したがって、ストリーク像の配列方向すなわち掃引方向
の輝度変化は光電陰極２０４に入射した光学像の強度の
時間的変化を表すことになる。

（発明が解決しようとする問題点）前述した従来のストリーク管において、光電陰極から放
出された光電子は種々のエネルギーを持つ。

そのため、同時に光電陰極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に到達する時刻が、バラバラ
となり走行時間広がりが発生する。この走行時間広がり
が、ストリーク管の時間分解を損ねるもっとも大きな要
因である。

一般に光電陰極の種類と、被計測光の波長により光電陰
極より放出される光電子群のエネルギー分布が定まり、
かつストリーク管の光電陰極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。

したがって、走行時間広がりは光電陰極の種類と、被計
測光の波長および管の軸上電位分布によって決定され
る。

この走行時間広がりを小さくするために、光電陰極近傍
での低速領域をできるだけ少なくするように、光電陰極
に近接してメッシュ電極を設け光電子を急加速する構成
が採用されている。

すなわち、一般にストリーク管では第７図および第８図
に示されているように、メッシュ電極２０５を光電陰極
２０４に近接して設け、光電子を急加速して、光電子が
低速で走行している間に生じる走行時間広がりを小さく
抑えている。

このような構造とした時、光電陰極とメッシュ電極の間
の走行時間広がりは、用いる光電陰極と被計測光の波長
が定まれば、この間の電界のみで定まる。

例えばＳ−２０（米国電子機械工業団体の規格）といわ
れる光電陰極で光波長が５００ｎｍの時は、第９図のよ
うに算出される。

第９図は加速電界と走行時間広がりの関係を示すグラフ
である。

これから、この間の電界を大きくすれば、この間の走行
時間広がりは、理論的にはいくらでも小さくできること
が理解できる。

しかし、実際には光電陰極表面が例えば６ＫＶ／ｍｍ以
上になると、電界効果により、入射光がない暗時にも、
暗電子流が放出され、出力螢光面上に雑音による発光
（バックグランド）の増加が生じ、ＳＮ比が悪くなる。

また光電陰極上に微少な突起がある時は、その表面に非
常に強い電界が生じ、トンネル効果により、やはり非常
に大きな暗電子流が生じ、出力螢光面に白スポットとな
って現れる。

これを改善する１つの方法として、この光電陰極と、メ
ッシュ電極の間に印加する電圧を非常に短かい時間だけ
印加するようにすれば、前記暗電流の発生時間を減少さ
せることができる。

しかし、一般に、光電子ビームが出力螢光面上で掃引さ
れる時間は数ｎｓ〜数１０ｎｓのオーダーであり、かな
り高圧の短形波のシャッタ電圧をこのような時間幅で作
るのは容易でない。

実際には、従来の２ｐｓの時間分解能を有する管では光
電陰極とメッシュ電極の間隔は、０．７５ｍｍであり、
その間の加速電圧は、０．５ＫＶで、その加速電界は２
ＫＶ／ｍｍとなる。

この場合、１００ｎｓ程度のパルス動作は可能となって
いる。

しかし、より大きな加速電界、例えば６ＫＶ／ｍｍとし
た時は、間隔を０．７５ｍｍに保ったままでは、４．５
ＫＶの電圧を光電陰極とメッシュ電極の間に印加する必
要があり、この場合は、１００ｎｓのパルス電圧の発生
は、困難である。

一方間隔を０．２５ｍｍにすれば、この間の印加電圧は
もとの１．５ＫＶで済み、１００ｎｓのパルス電圧は可
能となる。

しかし、１ｐｓより高い時間分解能を得ためには光電陰
極−メッシュ間の電界を高くするだけではだめで、メッ
シュ電極の光電陰極に対する加速電圧そのものも高くな
いといけないことがわかっている。

これは、メッシュ電極とその後の集束電極の間での走行
時間広がりも、数１００ｆｓ（フェムト秒）の時間分解
能を得ようとすると問題となってくるからである。

したがって、この場合、光電陰極とメッシュ電極の間の
加速電圧として１０ＫＶが要求される。

そして、これを１００ｎｓあるいはそれより短かいパル
ス電圧として供給するのは困難となる。

本発明の主たる目的は、前述した問題を解決することが
できるストリーク装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段）前記目的を達成するために、本発明によるストリーク装
置は、入射窓内面に形成された光電陰極、前記光電陰極
の発生した光電子群を加速する加速電極を持つストリー
ク管を用いたストリーク装置において、前記加速電極を
前記光電陰極に近接して配置されている第１加速電極お
よび前記第１加速電極からさらに一定距離離れて設けら
れている第２の加速電極により形成し、前記ストリーク
管にストリーク動作をさせるときに電源装置から前記光
電陰極と前記第１加速電極間に加速用の高電界をパルス
的に発生させる電圧と前記第２加速電極に高速の光電子
にするための電圧を印加するように構成されている。

前記ストリーク管の前記第１および第２の加速電極は、
メッシュ状、スリット状、アパーチャ状、スリットにメ
ッシュを重ねた形状またはアパーチャにメッシュを重ね
た形状の電極の１または２の組合せで構成できる。

前記電源装置により前記パルス的に発生させられる電圧
の期間は、希望するストリーク期間を含む期間であり、
この期間光電陰極から第１の加速電極の方向に光電子が
加速されるようにしてある。また前記電源装置は第１の
加速電極と第２の加速電極の間に、ストリーク動作を行
う時間以外にも、光電子群を第１の加速電極から、第２
の加速電極の方向に加速するための定常的な加速電圧を
印加するように構成できる。

光電陰極と第１の加速電極の間隔は、例えば０．２ｍｍ
というように非常に小さくし、一方この間の加速電圧は
１．５ＫＶというように、比較的低電圧に設定する。

この時、この間の加速電界は間隔が狭いため７．５ＫＶ
／ｍｍと大きな値となり、光電陰極のごく表面で急加速
するという目的はかなえられ、その間の印加電圧も１．
５ＫＶと比較的小さいので、パルス印加も可能となる。

次に、第１加速電極に対して、光電陰極と反対側に４ｍ
ｍ離して、第２加速電極を設け、これには例えば第１加
速電極に対して１０ＫＶ高い電圧を定常的に印加するよ
うにする。

こうすれば、第１加速電極と第２加速電極の間は、定常
的に電圧が印加されているが、電界は２．５ＫＶ／ｍｍ
と比較的低いため、高電界による電界放出暗電流は、第
１加速電極からは生じにくくなる。一方第２加速電極
は、計測時には光電陰極−第１加速電極間に、１．５Ｋ
Ｖのパルス電圧が印加されるので、光電面に対する第２
加速電極の位置での加速電圧は１１．５ＫＶとなりメッ
シュ電極と偏向電極の間に、低速走行部分がなくなるの
で、メッシュ電極以降での走行時間広がりも小さくで
き、結局光電陰極から偏向電極までの走行時間広がりの
非常に小さいストリーク装置を提供できることになる。

（実施例）以下図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明する。

第１は本発明によるストリーク装置の第１の実施例を示
す図であって、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る。

入射窓１０１の内側の表面にはＳ−２０の光電陰極１０
４が形成されている。

この光電陰極１０４に近接して第１加速電極１０５が配
置される。

この加速電極１０５は、例えば、１０００メッシュ／イ
ンチの細かさの平面メッシュで形成され、光電陰極１０
４と０．２ｍｍの間隔で配置される。さらに、第２加速
電極１０６が、第１加速電極１０５に対して光電陰極１
０４と反対側に、第１加速電極１０５から４ｍｍ離れた
位置に配置されている。

第２加速電極１０６も前記第１加速電極１０５と同様
に、１０００メッシュ／インチの細かさの平面メッシュ
から形成されている。

この第２加速電極１０６と、アノード１１０の間にはＧ
_１電極１０７，Ｇ_２電極１０８，Ｇ_３電極１０９が配置
されており、後述する電圧が印加されて集束電極として
動作させられる。

アノードの中央の開口を通過した電子は偏向電極１１１
により偏向され、螢光面１１３上にストリーク像を形成
する。１１２はウオール電極である。

前記各部の電極に印加される直流電圧の例を示す。

第１加速電極１０５・・−１０ＫＶ第２加速電極１０６・・・０Ｖ，Ｇ_１電極１０７・・・０ＶＧ_２電極１０８・・・＋８ＫＶＧ_３電極１０９・・・０Ｖアノード１１０・・・０Ｖ偏向電極１１′１には、そこを光電子流が通過するタイ
ミングに合わせて図示した、１．５ｎｓで＋１．５ＫＶ
から−１．５ＫＶに変化する傾斜状電圧が印加され、光
電子流は掃引される。

光電陰極１０４にはストリーク動作を行わない期間に−
１０ＫＶが印加されており、光電陰極近傍の電界は０で
ある。

さて、この状態で計測したい被計測光が、光電陰極１０
４に入射するとき、その計測したい時間帯つまり出力螢
光面１１３上にストリーク像としてとらえたい時間帯が
十分そのパルス印加時間の中に含まれるような電界を第
１加速電極１０５と光電陰極１０４間に発生させる。

その期間（１００ｎｓ）光電陰極１０４の電圧が第１加
速電極１０５の電圧−１０ＫＶよりも１．５ＫＶ低くな
る−１１．５ＫＶのパルス電圧を印加してその期間加速
電界を発生させる。

光電陰極１０４と第１加速電極１０５間の距離は０．２
ｍｍと小さいので、加速電界は７．５ＫＶ／ｍｍという
非常に強いものとなる。

しかも、このパルス幅は、１００ｎｓと非常に短かいの
でこのような高電界に伴って出てくる暗電流もほとんど
無視することができる。

一方第１加速電極１０５と、第２加速電極１０６の間は
常に１０ＫＶの加速電圧が印加されているが、この間の
間隔は光電陰極１０４と第１加速電極１０５の間ほど狭
くなく、例えばこの場合４ｍｍであるので、電界は２．
５ＫＶ／ｍｍ程度でこの程度の電界なら第１加速電極１
０５からの暗電子流は無視できる。

したがって、第１加速電極１０５を通り抜けた光電子群
は第２加速電極１０６によって、さらに光電陰極１０４
から見て１１．５ＫＶの加速電圧に相当する高速まで加
速される。

また、Ｇ_１〜Ｇ_３電極１０７〜１０９からなる集束電極
群は、折角このように高速に加速したものを再び低速の
領域を作らないようにＧ_１，Ｇ_３電極は第２加速電極１
０６やアノード１１０と同じ電圧の０Ｖ，またはＧ_２電
極はアノード１１０より非常に高い＋８ＫＶを印加して
いる。

以上のように第１加速電極１０５，第２加速電極１０６
を設け、動作させることにより、光電陰極１０４の極近
傍で光電子群を急加速させる強電界をパルス的に発生さ
せることができる。

この場合は強電界に伴うバックグランド上昇もない。さ
らに光電陰極からかなり短かい距離（この例では、４．
２ｍｍ）の第２加速電極１０６の位置で光電子群を非常
に高速として、第２加速電極１０６以降の走行時間広が
りも非常に小さくすることができる。

第２図（Ａ）は本発明によるストリーク装置の第２の実
施例の入射部の断面図、同図（Ｂ）は第１加速電極を取
り出して示した図である。

第１加速電極１０５Ａを長さＷ＝３ｍｍ，幅Ｓ＝３０μ
ｍのスリットを持った電極を用いた例である。

このスリットの長手方向は第２図（Ｂ）の破線ｄで示す
偏向電極板に平行に配置される。

第１加速電極１０５Ａの板厚は例えば０．１ｍｍであ
り、光電陰極１０４とのすきまは０．２ｍｍである。

光電陰極１０４への被計測光の投射は、正面からみて、
放出された光電子流が第１加速電極１０５Ａのスリット
を通り抜けるようスリットの中心を通ってかつスリット
に平行な、線状光となるように投射される。

この実施例において、第１加速電極１０５Ａによって不
要な部分（スリット以外に対応する部分）からの暗電流
がある場合でも、阻止できるという長所がある。

第３図は本発明によるストリーク装置の第３の実施例の
第１加速電極１０５Ｂの実施例を管軸の後方から見た図
である。

この実施例は、第２図で示したスリット電極からなる第
１加速電極のスリットの幅Ｓを１００μｍに広げて、光
電陰極１０４への線状光の入射の精度を落として、操作
性を良くしたものである。

この場合はスリット部に無視できない程の電子レンズが
できるので、スリット部にさらに例えば７５０メッシュ
／インチのメッシュを設けてある。

さらに、この変形として第１加速電極１０５にはメッシ
ュ電極を用い、第２加速電極１０６には第２図，第３図
に示したようなスリット電極を用いても良い。

また第１加速電極，第２加速電極ともにスリットをもつ
加速電極にしても良い。

第４図（Ａ）は本発明によるストリーク装置の第４の実
施例の入射部の断面図、同図（Ｂ）は入射窓を取り出し
て示した図である。

この実施例は入射窓１０１Ａの中心に円柱状の突起を設
けたものである。

光電陰極１０４はこの突起の表面に沿って形成されるか
らこの突起表面の光電陰極１０４の電界は光電陰極１０
４と第１加速電極１０５の間隔Ｌ、その間のパルス印加
電圧Ｖとした時Ｖ／Ｌで定まる電界より非常に大きくな
る。

したがって、光電陰極１０４の突出部と第１加速電極の
間隔を０．２ｍｍ程小さくしなくても、例えば２ｍｍ程
度で済むという長所がある。

ただしこの場合突起の高さは、２ｍｍに比較すれば、十
分小さなものでなくてはならない。

例えばこの高さを０．１ｍｍとして突起の太さが４０μ
ｍ、先端が半径２０μｍの半球状からなる時、この表面
の電界はＶ／Ｌの７倍となる。

したがって、光電陰極１０４と、第１加速電極１０５の
間に２ＫＶ印加すれば、この間の電界は１ＫＶ／ｍｍで
あるが、突起表面の電界は７ＫＶ／ｍｍとなる。

したがって、この場合は光電陰極１０４と第１加速電極
１０５の間隔を小さくする必要がないから組立が楽にな
る。

第５図は本発明によるストリーク装置の第５の実施例を
示す図であって、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る。この実施例は加速電極の
後に配置される集束電子レンズが、電磁集束コイル１１
４によって作られる、電磁集束タイプとしたものであ
る。

第２加速電極１０６から後はすべて第２加速電極１０６
と同電位となっている。

以上詳しく説明した各実施例について種々の変形を施す
ことができる。

光電陰極と第１加速電極の間に常に暗電流放出が問題と
ならないくらいの順方向直流高圧を印加しておいてさら
にこれに上乗せして、パルス状の電圧を印加することも
可能である。

この構成によれば、より大きなパルス電界を光電陰極表
面に得ることができる。

例えば、第６図に示すように光電陰極と第１加速電極の
間隔を０．２ｍｍ、その間に直流高圧を常に５００Ｖ印
加しておく。

そしてさらに、ストリーク動作時に光電陰極に１．５Ｋ
Ｖのパルス電圧を印加すると光電陰極表面には１０ＫＶ
／ｍｍのパルス電界を得ることができる。

またストリーク動作を行わない時は、この部分の電界は
２．５ＫＶ／ｍｍであるので暗電子流放出の心配はな
い。

さらに、他の変形例として上記では、パルス電圧は光電
陰極側に負のパルス電圧を印加させていたが、光電陰極
は常に直流電圧を印加して第１加速電極の方に正のパル
ス電圧を印加するのももちろん可能である。

（発明の効果）以上詳しく説明したように本発明によるストリーク装置
は、入射窓内面に形成された光電陰極、前記光電陰極の
発生した光電子群を加速する加速電極を持つストリーク
管を用いたストリーク装置において、前記加速電極を前
記光電陰極に近接して配置されている第１加速電極およ
び前記第１加速電極からさらに一定距離離れて設けられ
ている第２の加速電極により形成し、前記ストリーク管
にストリーク動作をさせるときに電源装置から前記光電
陰極と前記第１加速電極間に加速用の高電界をパルス的
に発生させる電圧と前記第２加速電極に高速の光電子に
するための電圧を印加するように構成されている。

したがって、本発明によれば光電陰極表面に非常に高い
パルス電界を生じさせ光電子群を急加速するとともに、
光電陰極から短かい距離で放出光電子群を非常に高速ま
で加速できるので、走行時間広がりの非常に小さいスト
リーク装置を実現できる。

すなわち本発明によれば、時間分解能の非常に良く（例
えば数１００ｆｓというような）、かつバックグランド
上昇のない（Ｓ／Ｎの良い）ストリーク装置を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるストリーク装置の第１の実施例
を示す図であって、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る。第２図（Ａ）は、本発
明によるストリーク装置の第２の実施例の入射部の断面
図、同図（Ｂ）は第１加速電極を取り出して示した図で
ある。第３図は、本発明によるストリーク装置の第３の実施例
の第１加速電極の実施例を管軸の後方から見た図であ
る。第４図（Ａ）は、本発明によるストリーク装置の第４の
実施例の入射部の断面図、同図（Ｂ）は入射窓を取り出
して示した図である。第５図は、本発明によるストリーク装置の第５の実施例
を示す図であって、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る。第６図は、電源装置による電圧印加の変形例を示すグラ
フである。第７図は、従来のストリーク管の構成を示す管軸を含
み、偏向電極に平行な平面で切断して示した断面図、お
よび光電陰極と光学像の関係を示す略図である。第８図は、前記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て示した断面図である。第９図は、
従来のストリークにおける加速電界と走行時間広がりの
関係を示すグラフである。１０１……入射窓１０４……光電陰極１０５，１０５Ａ，１０５Ｂ……第１加速電極１０６……第２加速電極１０７……Ｇ_１電極１０８……Ｇ_２電極１０９……Ｇ_３電極１１０……アノード１１１……偏向電極１１２……ウオール電極１１３……螢光面１１４……集束コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射窓内面に形成された光電陰極、前記光
電陰極の発生した光電子群を加速する加速電極を持つス
トリーク管を用いたストリーク装置において、前記加速
電極を前記光電陰極に近接して配置されている第１加速
電極および前記第１加速電極からさらに一定距離離れて
設けられている第２の加速電極により形成し、前記スト
リーク管にストリーク動作をさせるときに電源装置から
前記光電陰極と前記第１加速電極間に加速用の高電界を
パルス的に発生させる電圧と前記第２加速電極に高速の
光電子にするための電圧を印加するように構成したこと
を特徴とするストリーク装置。
【請求項２】前記第１および第２の加速電極は、メッシ
ュ状、スリット状、アパーチャ状、スリットにメッシュ
を重ねた形状またはアパーチャにメッシュを重ねた形状
の電極の１または２の組合せである特許請求の範囲第１
項記載のストリーク装置。
【請求項３】前記電源装置により前記パルス的に発生さ
せられる電圧の期間は、希望するストリーク期間を含む
期間であり、この期間、光電陰極から第１の加速電極の
方向に光電子が加速されるようにした特許請求の範囲第
１項記載のストリーク装置。
【請求項４】前記電源装置は第１の加速電極と第２の加
速電極の間に、ストリーク動作を行う時間以外にも、光
電子群を第１の加速電極から、第２の加速電極の方向に
加速するための定常的な加速電圧を印加するものである
特許請求の範囲第１項記載のストリーク装置。