JPH10142049A - ビーム光空間パターン記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定したビーム光パターンが整然と並び、画
像処理装置での解析が容易なストリークカメラタイプの
ビーム光空間パターン記録装置を提供する。 【解決手段】 ２重掃引ストリークカメラの垂直偏向板
１３に入力ビーム光パルスに同期する鋸歯波の電圧を印
加し、水平偏向板１４にこれに同期する階段波の電圧を
印加して掃引した光電子を蛍光面１６で検出する。これ
により、ビーム光パルスの空間パターンの時間変化を整
然と並んだビーム光パターン画像として記録できる。し
たがって、画像処理装置での処理が容易になるほか、ビ
ームの中心位置からのずれや出力パターンの偏りなどを
正確に把握することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ビーム光の空間パ
ターンの時間的変化を測定できるビーム光空間パターン
記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シンクロトロンの放射光は高速で繰り返
し出力される超短パルス幅のビーム光である。この放射
光を解析するためには、ビームの光強度の時間的変化を
測定するだけでなく、各ビーム光パルスの空間パターン
を測定する必要がある。

【０００３】これまでは、このビーム光パルスの光強度
の時間的変化の測定にはストリークカメラが用いられ、
各ビーム光パルスの空間パターンの測定にはゲートイメ
ージ増倍管や高速度ビデオ、フレーミングカメラ等が用
いられてきた。

【０００４】しかし、これらの空間パターン測定装置に
は以下のような欠点があった。ゲートイメージ増倍管は
特定の瞬間のデータしか取得できず、連続してデータを
取得できない。一方、高速度ビデオは超短パルス幅のシ
ンクロトロン放射光を測定するにはデータ取得間隔が長
すぎる。また、フレーミングカメラはデータ取得間隔は
充分短くできるが、一度に３０枚程度の連続データしか
取得できない。さらに、これらの装置とストリークカメ
ラを組み合わせて使用する場合は、それぞれに合わせた
光学系が必要となり、光学系を分岐して２重に設ける
か、測定装置に係る光学系を交換して測定する必要があ
り、装置が複雑化したり、調整が困難になるなどの問題
点があった。

【０００５】これらの問題を解決する装置として、ビー
ム光パルスの空間パターンの時間変化も測定できるスト
リークカメラであり、十分なデータ取得量を有し、デー
タ取得間隔も短い特公平４−３８３０４号の発明が知ら
れている。これは、互いに直交する方向に光電子を偏向
する２対の偏向電極を備える２重掃引式のストリークカ
メラにおいて、２つの電極双方に鋸歯波の電圧を印加す
ることにより、両者を切り替えて測定することを可能と
するものである。

【０００６】このストリークカメラに使用されるストリ
ーク管は、光電変換部と光電子検出部の間に偏向電極を
配置した電子管である。以下、空間パターンの測定につ
いて説明する。

【０００７】ストリーク管の光電変換部にビーム光パル
スが入射すると、光電変換部は入射ビーム光パルスに対
応した光電子を放出し、光電子パルスが形成される。こ
の光電子パルスが光電子検出部に移動する進路上に偏向
電圧により電界を作用させると、光電子パルスの進行方
向が曲げられる。ここで、光電子パルスを第１の方向に
曲げる電極を垂直偏向電極、これに直交する他方の電極
を水平偏向電極と呼ぶ。２つの電極間に入力ビーム光パ
ルスに同期した鋸歯波の電圧を印加する。図８はこの印
加電圧と入力ビーム光パルスのタイミングチャートであ
る。入力ビーム光パルスのパルス繰り返し周期をｆ０と
するとき、垂直偏向電極に印加する電圧の周期ｆ１はｆ
０×ｎ１（ｎ１は整数）とし、水平偏向電極に印加する
電圧の周期ｆ２はｆ１×ｎ２である（ｎ２は整数）。こ
こではｎ１＝ｎ２＝１０の例を示しており、以下この例
により説明する。

【０００８】これにより、光電子パルスは周期ｆ１で垂
直方向に掃引され、周期ｆ２で水平方向に掃引される。
ｆ０がビーム光パルスのパルス幅より充分に長いときに
は、垂直掃引の速度に比べて、パルス幅が短いため、ビ
ーム光パルスの空間パターンをぶれることなく直接スト
リークカメラの出力像として得ることができる。その結
果、光電子検出部に蛍光面を設けると、蛍光面には図９
に示すように、ビーム光の空間パターンが垂直方向にｎ
１＝１０個、水平方向にｎ２＝１０個ずつそれぞれ並ん
で表示される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この装置によ
る出力画像は、図９より明らかなように、ビーム光の空
間パターンが斜めに並んで表示されるので、直交して整
然と並ぶ場合に比べて出力画面からはみ出すビームパタ
ーンが出てくるため、測定できるビームパターンの数が
少なくなるほか、測定結果を画像処理により解析するこ
とも困難であった。

【００１０】そこで、本発明は、測定したビーム光パタ
ーンが整然と並び、画像処理装置での解析が容易なスト
リークカメラタイプのビーム光空間パターン記録装置を
提供することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、超短パルスの
発振を高速パルス繰り返し周期で繰り返すビーム光の空
間パターンの時間変化を記録するビーム光空間パターン
記録装置において、筒状の真空容器の両端に入射ビーム
光の強度に応じて光電子を出力する光電変換部と光電子
の強度パターンを画像表示する蛍光面を有する光電子検
出部を備え、真空容器内部に互いに直交する方向に光電
子を偏向する２対の偏向電極板を設けて構成されたスト
リーク管と、このストリーク管に動作電圧を供給する高
圧電源部と、入射ビーム光のパルス繰り返し周期に同期
した同期トリガ信号を出力するタイミング制御回路と、
偏向電極板の１対に同期トリガ信号の周期の整数倍の周
期を有する正弦波又は鋸歯波の電圧を印加して偏向電界
を発生させる第１の偏向板駆動回路と、偏向電極板の他
方の１対に第１の偏向板駆動回路が印加する電圧の周期
と同じ短周期でこの短周期の整数倍の周期の長周期を有
する同期トリガ信号に同期した階段波の電圧を印加して
偏向電界を発生させる第２の偏向板駆動回路と、を備え
ることを特徴とする。

【００１２】これによれば、超短パルスビーム光の個々
のビーム光パターンの時間変化を十分なデータ取得量で
一枚の画面上に記録することができる。また、垂直方向
に光電子を偏向してビーム光パターンを記録する際に、
水平方向への偏向幅を一定間隔に保つことができ、記録
されるビーム光パターンを受光面上に整然と並べること
ができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を、図
面に基づいて説明する。図１は装置全体のブロック図、
図２はストリーク管部分の構成図である。

【００１４】まず、図１により装置全体の構成を説明す
る。本装置の基本的構成は２重掃引式ストリークカメラ
と同様の構成としている。記録装置１１０は、２対の互
いに直交する偏向電極を備えるストリーク管１と、スト
リーク管１に入力光を導く入力光学系２、ストリーク管
１の出力光を画像解析装置に導く出力光学系３が光学的
に接続されている。また、ストリーク管１には、動作電
圧を供給する高圧電源４と、ストリーク管１の２対の偏
向電極に偏向電圧を印加する垂直偏向板駆動回路５及び
水平偏向板駆動回路６が電気的に接続されている。垂直
偏向板駆動回路５と水平偏向板駆動回路６はタイミング
制御回路７から送られる同期信号によりストリーク管１
の偏向電極に印加する偏向電圧を制御する。

【００１５】次に、図２によりストリーク管１部分の構
成を説明する。ストリーク管１は筒状の真空容器１０内
に、入射面側から光電面１１、加速電極１２、垂直偏向
板１３、水平偏向板１４、マイクロチャネルプレート
（ＭＣＰ）１５、蛍光面１６が設けられている。ここ
で、光電面１１、加速電極１２、ＭＣＰ１５、蛍光面１
６は真空容器１０の横断面に平行して配置される。ま
た、垂直偏向板１３と水平偏向板１４は互いの掃引方向
が直交するよう配置されている。

【００１６】続いて、図３に示すシンクロトロン放射光
の測定を例に、本実施形態の動作を説明する。

【００１７】図３に示すように、線形加速器１０１で十
分に加速された電子は、シンクロトロン放射リング１０
２内を周回して加速される。出力ポート１０３から取り
出したシンクロトロン放射光は鏡１０４等により、記録
装置１１０に導かれる。シンクロトロン１００及び記録
装置１１０は共に中央制御室内のタイミング発生器１２
０から送出されるタイミング信号によって制御されてい
る。

【００１８】このシンクロトロン放射リング１０２は直
径約６０メートルであり、加速された電子は、放射リン
グ１０２内を６２５ｎｓで１周する。その結果、出力ポ
ート１０３から取り出される放射光はパルス繰り返し周
期６２５ｎｓ（周波数１．６ＭＨｚ）でパルス幅約１０
０ｐｓの超短パルスのビーム光となる。

【００１９】次に図４のタイミングチャートを用いて、
本装置の制御を説明する。本実施形態により測定を開始
するには、図３に示すタイミング発生器１２０から記録
装置１００のタイミング制御回路７へ、このビーム光と
同期した同期トリガ信号とデータ記録の開始終了を指示
する記録トリガ信号を送る。放射光はミラー等によりス
トリークカメラ１１０に導かれ、記録トリガ信号により
測定が開始される。タイミング制御回路７は、この同期
トリガ信号を基に、垂直同期信号と水平同期信号を発生
する。垂直偏向板駆動回路５と水平偏向板駆動回路６は
これらの信号を基に、水平偏向電圧と垂直偏向電圧を制
御する。

【００２０】ここで、入射ビーム光のパルス繰り返し周
期をｆ０とするとき、垂直偏向電圧の周期ｆ１はｆ０×
ｎ１（ｎ１は整数）の関係を満たす鋸歯波であり、水平
偏向電圧は短周期ｆ２１がｆ１と等しく、長周期ｆ２２
がｆ１×ｎ２（ｎ２は整数）の関係を満たす階段波であ
る。以下、ｎ１＝ｎ２＝１０の場合について説明する。
したがって、垂直偏向電圧の周期ｆ１及び水平偏向電圧
の短周期ｆ２１は６２５０ｎｓ＝６．２５μｓであり、
水平偏向電圧の長周期ｆ２２は６２．５μｓとなる。

【００２１】続いてストリーク管１内の動作を説明す
る。図２より光電面１１の入射面にビーム光パルスが入
射すると、光電面１１の入射面と反対の面から光電子パ
ルスが射出され、加速電極１２により蛍光面１６方向へ
導かれる。この光電子パルスは、上記の垂直偏向電圧が
印加された垂直偏向板１３が形成する電界により、蛍光
面１６側からみると図５に示すように、例えば、Ａ列の
１〜１０番の１０個のパルスごとに出力先が上から下に
順番に１列に並ぶように掃引され、垂直走査が行われ
る。続いて水平偏向電圧が印加された水平偏向板１４が
形成する電界により、走査位置はＢ列に移動し、順次垂
直走査を繰り返す。この結果、１０個のパルス出力が並
んだ各列が水平に１０列並ぶように掃引される。つま
り、図５に示すように鋸歯型に掃引が行われる。

【００２２】掃引された光電子パルスは、ＭＣＰ１５に
より増幅されて蛍光面１６に衝突し、図６に示すような
ビーム光パルスの空間パターンに相当する画像イメージ
を表示する。これは、ビーム光パルスのデューティ比、
即ちパルス幅とパルス繰り返し周期の比が１対６２５０
と大きな差があるため、垂直方向の掃引スピードに比べ
てパルス幅が極端に短く、パルス発振時の掃引による記
録位置の移動は無視できるほど小さいからである。した
がって、ぶれのない出力像を得ることができる。

【００２３】図６に示す画像イメージでは、縦方向のパ
ルスの間隔は６２５ｎｓで、横方向のパルスの間隔は６
２５０ｎｓ＝６．２５μｓである。全体で１００個、６
２．５μｓ分のパルス画像を取得できる。

【００２４】この出力像を画像解析装置に転送して、図
７に示すビーム光の空間パターンを輝度プロファイルと
して取得し、ビーム径、重心位置、輝度分布などの時間
変化を測定する。

【００２５】水平方向の偏向電圧として階段波を用いた
ため、垂直走査時に出力画像が水平方向にずれることが
なく、格子位置に整然と並んだ出力画像を得ることがで
きる。したがって、画像解析装置での解析が容易であ
る。また、図９に示すようにビーム光パターンが水平方
向にずれて並んだ従来例に比べて個々のビーム光パルス
画像を小さくすることなく、多くのデータを一時に取得
することができる。また、ビームの出力画像が整然と並
んでいるため、ビーム光の中心位置からのずれや出力パ
ターンの偏りなどを正確に把握することができる。

【００２６】本実施形態では、水平走査に先行して垂直
走査を行ったが、走査を逆にしても良い。また、垂直偏
向電圧として鋸歯波の代わりに、正弦波を用いてもよ
い。この場合は、隣接する列におけるビームの空間パタ
ーンの時系列が逆転するが、画像情報が整然と並ぶ点は
本実施形態と同じである。

【００２７】垂直掃引と水平掃引のスピードは本実施形
態に限定したものではなく、任意に設定することが可能
である。一度に取得できる記録ビーム光の数は、画像処
理装置の能力や必要とするビーム光サイズに応じて調整
可能である。

【００２８】また、本発明は既存のストリークカメラと
基本的な構成が同一であるため、既存のストリークカメ
ラの追加機能として提供することも可能であり、低コス
トでビーム光の空間パターンの時間変化を記録すること
ができる。

【００２９】本実施形態は、シンクロトロン放射光の測
定のみに限定する装置ではなく、図１０に示すＴｉＳａ
レーザのような極超短パルスの測定にも用いることが可
能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、２
重掃引ストリークカメラの一方の掃引電極に入力ビーム
光パルスに同期する鋸歯波又は正弦波の電圧を印加し、
他方の掃引電極に入力ビーム光パルスに同期する階段波
の電圧を印加し、光電子検出部に蛍光面を設けることに
より、ビーム光パルスの空間パターンの時間変化を整然
と並んだビーム光パターン画像として記録できる。これ
により、画像処理装置での処理が容易になるほか、ビー
ムの中心位置からのずれや出力パターンの偏りなどを正
確に把握することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施形態の全体ブロック図である。

【図２】図１に係るストリーク管の構成図である。

【図３】図１に係る装置の使用形態の１例である。

【図４】図４に係る動作のタイミングチャートである。

【図５】図４に係る走査動作を示す図である。

【図６】図４に係る出力画像を示す図である。

【図７】図４に係る出力画像の解析例を示す図である。

【図８】従来の実施形態の動作のタイミングチャートで
ある。

【図９】従来の実施形態による出力画像を示す図であ
る。

【図１０】本発明の他の実施形態の全体ブロック図であ
る。

【符号の説明】

１…ストリーク管、２…入力光学系、３…出力光学系、
４…高圧電源、５…垂直偏向板駆動回路、６…水平偏向
板駆動回路、７…タイミング制御回路、１０…真空容
器、１１…光電面、１２…加速電極、１３…垂直偏向
板、１４…水平偏向板、１５…マイクロチャネルプレー
ト、１６…蛍光面、１００…シンクロトロン、１０１…
線形加速器、１０２…放射リング、１０３…出力ポー
ト、１０４…ミラー、１１０…記録装置、１２０…タイ
ミング発生器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超短パルスの発振を高速パルス繰り返し
   周期で繰り返すビーム光の空間パターンの時間変化を記
   録するビーム光空間パターン記録装置において、 筒状の真空容器の両端に入射ビーム光の強度に応じて光
   電子を出力する光電変換部と前記光電子の強度パターン
   を画像表示する蛍光面を有する光電子検出部を備え、前
   記真空容器内部に互いに直交する方向に前記光電子を偏
   向する２対の偏向電極板を設けて構成されたストリーク
   管と、 前記ストリーク管に動作電圧を供給する高圧電源部と、 前記入射ビーム光のパルス繰り返し周期に同期した同期
   トリガ信号を出力するタイミング制御回路と、 前記偏向電極板の１対に前記同期トリガ信号周期の整数
   倍の周期を有する正弦波又は鋸歯波の電圧を印加して偏
   向電界を発生させる第１の偏向板駆動回路と、 前記偏向電極板の他方の１対に前記第１の偏向板駆動回
   路が印加する偏向電圧の周期と同じ短周期で前記短周期
   の整数倍の長周期を有する階段波の電圧を印加して偏向
   電界を発生させる第２の偏向板駆動回路と、 を備えるビーム光空間パターン記録装置。