JPH06241895A

JPH06241895A - ストリーク装置

Info

Publication number: JPH06241895A
Application number: JP20635793A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Kinoshita; 勝之木下
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1993-08-20
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、高い時間分解能が得られるストリ
ーク装置を提供することを目的とする。【構成】光電面（１０４）での電界効果等による暗電
流放出が問題にならない程度の十分に高い直流電圧と、
ストリーク掃引が行われる時間を含む短時間のパルス幅
を持つパルス電圧とを重畳した電圧が光電面（１０４）
と加速電極（１０５，１０６）の間に印加される。この
ような電圧が印加されれば、パルス電界は強くなり、走
行時間広がりは小さく、且つその時間幅は小さくできる
ので、暗電子流によるバックグランド上昇を無視するこ
とができる。よって、高い時間分解能が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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。

【０００２】

【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
現象の解析に適している。

【０００３】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。

【０００４】図８は従来のストリーク管の管軸を含み、
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。また、図９
は従来の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。

【０００５】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２０
４、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、蛍光面２０９が配設され
ている。

【０００６】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が印加され、さらに蛍光面２０
９にはアパーチャ電極２０７と同一の電位を与えてお
く。

【０００７】図示されていない装置で、入射窓２０１を
経て光電陰極２０４にこの光電陰極２０４の中心を通る
線上に光学像２０４ａが投影されたとする。光電陰極２
０４は光学像２０４ａ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
電極２０６により集束され、アパーチャ電極２０７を通
過して、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、
偏向電極２０８に傾斜状の偏向電圧が加えられる。

【０００８】この電圧によって生じる電界の方向は、管
軸および線状の電子像に垂直（図８の断面図においては
紙面に垂直、図９の断面図においては紙面に平行）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た電子像は、蛍光面２
０９に入射される。

【０００９】図９には、偏向の方向が矢印２２０で示し
てある。線状の電子ビームがその線状の方向と垂直に蛍
光面２０９上を走査することにより、最終的に、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
像が蛍光面２０９上に形成される。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。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来のストリ
ーク管において、光電陰極２０４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
２０４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２０８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。

【００１１】一般に、光電陰極２０４の種類と被計測光
の波長とから、光電陰極２０４から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陰
極２０４から偏向電極２０８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２０４の種類と、被計測光の
波長およびストリーク管の軸上電位分布によって決定さ
れる。

【００１２】この走行時間広がりを小さくするために、
光電陰極２０４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２０４に近接してメッシュ電極２０
５を設け、光電子を急加速する構造が採用されている。

【００１３】すなわち、一般にストリーク管では、図８
および図９に示されているように、メッシュ電極２０５
を光電陰極２０４に近接して設けて光電子を急加速し、
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。

【００１４】このような構造を採用した場合、光電陰極
２０４とメッシュ電極２０５の間の走行時間広がりは、
光電陰極２０４の種類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）の光電陰極で光波長が５００ｎｍ
の時は、図１０のように算出される。

【００１５】図１０は、光電陰極２０４とメッシュ電極
２０５間の加速電界と走行時間広がりの関係を示すグラ
フである。このグラフから、この間の電界を大きくすれ
ば、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。

【００１６】しかし、実際には光電陰極２０４表面の電
界が例えば６〜８ｋＶ／ｍｍ以上になると、入射光がな
い時にも、電界効果によって暗電子流が放出され、蛍光
面２０９上に雑音による発光（バックグランド）の増加
が生じ、ＳＮ比が悪化する。

【００１７】また、光電陰極２０４上に微小な突起があ
る時は、その表面に非常に強い電界が生じ、トンネル効
果によって、やはり非常に大きな暗電子流が生じ、蛍光
面２０９上に白スポットとなって現れる。

【００１８】これらの現象を改善する方法の１つに、こ
の光電陰極２０４とメッシュ電極２０５間の電圧を非常
に短い時間だけ印加させる方法がある。この方法を用い
れば、暗電流の発生時間を減少させることができる。

【００１９】しかし、一般に、光電子ビームが蛍光面２
０９上で掃引される時間は数ｎｓ〜数１０ｎｓのオーダ
ーであり、かなり高圧の矩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２
ｐｓの時間分解能を有するストリーク管では、光電陰極
２０４とメッシュ電極２０５の間隔は０．７５ｍｍであ
り、その間の加速電圧は１．５ｋＶで、その加速電界は
２ｋＶ／ｍｍとなる。この場合、１００ｎｓ程度のパル
ス動作は可能である。

【００２０】しかし、より大きな加速電界、例えば６ｋ
Ｖ／ｍｍの電界を得るためには、光電陰極２０４とメッ
シュ電極２０５の間隔を０．７５ｍｍに保ったままで
は、４．５ＫＶの電圧を光電陰極２０４とメッシュ電極
２０５の間に印加する必要があり、この場合は、１００
ｎｓのパルス電圧の発生は困難である。

【００２１】一方、光電陰極２０４とメッシュ電極２０
５の間隔を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。

【００２２】しかし、１ｐｓより高い時間分解能を得る
ためには、光電陰極２０４とメッシュ電極２０５間の電
界を高くするだけでは効果が十分でなく、メッシュ電極
２０５の光電陰極２０４に対する加速電圧そのものも高
くする必要がある。

【００２３】これは、数１００ｆｓ（フェムト秒）程度
の高い時間分解能を得るためには、メッシュ電極２０５
と集束電極２０６の間での走行時間広がりも問題となっ
てくるからである。

【００２４】したがって、この場合、光電陰極２０４と
メッシュ電極２０５の間の加速電圧として、１０ｋＶが
要求される。また、空間電荷効果による走行時間広がり
もあり、これを小さくするためにも、この間の加速電圧
は１０ｋＶ以上であることが望ましい。そして、これを
１００ｎｓあるいはそれより短いパルス電圧として供給
するのは困難となる。

【００２５】本発明は、このような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を目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のストリーク装置は、入射窓内面に形成され
た光電陰極と、この光電陰極で発生した光電子群を加速
する加速電極とを有するストリーク管を備えたストリー
ク装置において、光電陰極と加速電極間には、暗電流放
出が問題にならない程度の直流電圧が光電子を加速する
方向に印加されており、ストリーク管にストリーク動作
をさせる際に、直流電圧の電圧値を大きくする方向のパ
ルス電圧を直流電圧に重ねて光電陰極と加速電極間に印
加する。

【００２７】

【作用】本発明のストリーク装置によれば、光電陰極で
の電界効果等による暗電流放出が問題にならない程度の
直流電圧と、ストリーク掃引が行われる時間を含む短時
間のパルス幅を持つパルス電圧とを重畳した電圧が光電
陰極と加速電極の間に印加される。

【００２８】このような重畳電圧が印加されれば、光電
面表面に非常に高いパルス電界が生じ、光電面から放出
された光電子は急激に加速される。このため、加速され
た光電子の走行時間広がりは十分に小さくなる。また、
このパルス電界のパルス幅は十分に小さいので、暗電子
流によるバックグランド上昇が生じるのは非常に短時間
である。このため、バックグランド上昇をほとんど無視
することができる。

【００２９】さらに、加速電極への印加電圧は十分に高
いので、加速電極を通過した光電子の走行時間広がりを
小さくでき、且つ空間電荷効果を小さくすることができ
る。

【００３０】

【実施例】以下、添付図面等を参照して本発明をさらに
詳しく説明する。本発明は光電陰極とこれに近接する加
速電極との間に暗電流放出が問題とならない程度の順方
向直流高圧を常に印加しておき、さらにこれに上乗せし
て、パルス状の電圧を印加するものである（図６参照）
が、この内容の理解を容易にするため、本発明と基本原
理が共通するストリーク装置の例を以下に示す。

【００３１】図１は加速電極を２枚としたストリーク装
置の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１０４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１０
５が配置される。この加速電極１０５は、例えば、１０
００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１０４と０．２ｍｍの間隔で配置される。

【００３２】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１０４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。

【００３３】この第２加速電極１０６と、アノード１１
０の間にはＧ₁電極１０７、Ｇ₂電極１０８、Ｇ₃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。

【００３４】アノード１１０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
ストリーク像が形成される。ストリーク管内面にはウォ
ール電極１１２が備えられている。各部の電極に印加さ
れる直流電圧の例を示す。

【００３５】第１加速電極１０５…−１０ｋＶ第２加速電極１０６… ０ＶＧ₁電極１０７ … ０ＶＧ₂電極１０８ … ＋８ｋＶＧ₃電極１０９ … ０Ｖアノード１１０ … ０Ｖ偏向電極１１１には、そこを光電子流が通過するタイミ
ングに合わせて、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。

【００３６】さて、この状態で計測したい被計測光が、
光電陰極１０４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。

【００３７】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。

【００３８】光電陰極１０４と第１加速電極１０５間の
距離は０．２ｍｍ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。

【００３９】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、これらの間隔は光電陰極１０４と第１加速電極１
０５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１０５からの暗電子流は無視できる。

【００４０】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。

【００４１】また、Ｇ₁〜Ｇ₃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Ｇ₁，Ｇ₃電極は第
２加速電極１０６やアノード１１０と同じ電圧の０Ｖ、
またＧ₂電極はアノード１１０より非常に高い＋８ｋＶ
を印加している。

【００４２】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。

【００４３】図２（ａ）は本発明と基本原理が共通する
ストリーク装置の別の例の入射部の断面図、図２（ｂ）
は第１加速電極を取り出して示した図である。

【００４４】第１加速電極１０５Ａとして、長さＷ＝３
ｍｍ、幅Ｓ＝３０μｍ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図２（ｂ）の破線
ｄで示す偏向電極板に平行に配置されている。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。

【００４５】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１０５
Ａ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。

【００４６】この例は、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。

【００４７】図３は本発明と基本原理が共通するストリ
ーク装置の別の例の第１加速電極１０５Ｂを管軸の後方
から見た図である。この例は、図２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
シュ電極を設けてある。

【００４８】さらに、この変形として第１加速電極１０
５にはメッシュ電極を用い、第２加速電極１０６には図
２、図３に示したようなスリット電極を用いても良い。

【００４９】また第１加速電極と、第２加速電極の双方
をスリットを有する加速電極にしても良い。

【００５０】図４（ａ）は本発明と基本原理が共通する
ストリーク装置の別の例の入射部の断面図、図４（ｂ）
は入射窓を取り出して示した図である。この例は入射窓
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１
０４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２
ｍｍ程度で済むという長所がある。但し、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。

【００５１】例えば、この高さを０．１ｍｍとして突起
の太さが４０μｍ、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２ｋ
Ｖ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。さらに、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。

【００５２】図５は本発明と基本原理が共通するストリ
ーク装置の別の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
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１１４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。

【００５３】以上、本発明と基本原理が共通したストリ
ーク装置の種々の例を詳しく説明したが、本発明は、図
６に示すように、光電陰極１０４と第１加速電極１０５
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に特徴がある。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。

【００５４】例えば、図７に示すように光電陰極１０４
と第１加速電極１０５の間隔を０．２ｍｍ、その間に直
流電圧を常に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１．５ｋＶ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。

【００５５】

【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
と、この光電陰極の発生した光電子群を加速する加速電
極とを持つストリーク管を用いたストリーク装置におい
て、光電陰極での電界効果等による暗電流放出が問題に
ならない程度の十分に高い直流電圧と、ストリーク掃引
が行われる時間を含む短時間のパルス幅を持つパルス電
圧とを重畳した電圧が光電面と加速電極の間に印加され
るように構成されている。

【００５６】したがって、本発明によれば光電陰極表面
に非常に高く且つパルス幅の短いパルス電界が生じる。
このため、光電子の走行時間広がりは十分に小さくなる
と共に、ほとんど無視できる程度のバックグランド上昇
しか生じない。

【００５７】さらに、加速電極への印加電圧は十分に高
いので、加速電極を通過した光電子の走行時間広がりを
小さくでき、且つ空間電荷効果を小さくすることができ
る。

【００５８】よって、本発明のストリーク装置であれ
ば、高い時間分解能のストリーク像をほとんどバックグ
ランド上昇なしで得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明と基本原理が共通するストリーク装置の
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。

【図２】本発明と基本原理が共通するストリーク装置の
別の例の入射部の断面図、および第１加速電極を取り出
して示した図である。

【図３】本発明と基本原理が共通するストリーク装置の
別の例の第１加速電極の例を管軸の後方から見た図であ
る。

【図４】本発明と基本原理が共通するストリーク装置の
別の例の入射部の断面図、および入射窓を取り出して示
した図である。

【図５】本発明と基本原理が共通するストリーク装置の
別の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。

【図６】本発明の基本原理および動作を示す図である。

【図７】光電陰極と第１加速電極の間に印加する直流電
圧およびパルス電圧の電圧値の具体例を示す図である。

【図８】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。

【図９】従来のストリーク管の構成を示す管軸を含み、
偏向電極に垂直な平面で切断して示した断面図である。

【図１０】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。

【符号の説明】

１０１…入射窓、１０４…光電陰極、１０５，１０５
Ａ，１０５Ｂ…第１加速電極、１０６…第２加速電極、
１０７…Ｇ₁電極、１０８…Ｇ₂電極、１０９…Ｇ₃電
極、１１０…アノード、１１１…偏向電極、１１２…ウ
オール電極、１１３…蛍光面、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と、前
記光電陰極で発生した光電子群を加速する加速電極とを
有するストリーク管を備えたストリーク装置において、前記光電陰極と前記加速電極間には、暗電流放出が問題
にならない程度の直流電圧が光電子を加速する方向に印
加されており、前記ストリーク管にストリーク動作をさせる際に、前記
直流電圧の電圧値を大きくする方向のパルス電圧を前記
直流電圧に重ねて前記光電陰極と前記加速電極間に印加
することを特徴とするストリーク装置。