JPWO2005073681A1 - ストリーク装置 - Google Patents

Abstract

ストリーク装置は、一端側に設けられ電子ビームＥを出力する電子ビーム源２０、及び、他端側に設けられ電子ビームを像に変換する出力部６０を有する真空容器１０と、真空容器内に設けられ電子ビームを加速する加速部３０と、加速部により加速された電子ビームに被計測光Ｒを集光して照射する照射光学系４０と、加速部と出力部との間に設けられ、被計測光と相互作用した電子ビームを、その相互作用により生じた電子ビームの変位方向に略直交する方向に掃引する掃引部５０とを備える。これにより、高時間分解能化が可能なストリーク装置が実現される。

Description

本発明は、ストリーク装置に関するものである。

ストリーク装置は、被計測光の時間的な強度分布を出力面上の空間的な強度分布に変換する装置である（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。ストリーク装置では、まず、ストリーク管の一端に設けられた光電面に被計測光を入射する。そして、被計測光の強度に応じて光電面から放出された光電子群を、加速電極で加速させてストリーク管の他端に設けられた蛍光面に向けて走行させる。

ストリーク管には、管軸を挟むように対向する一対の電極から構成された偏向電極が、光電面と蛍光面との間に設けられている。そして、光電面から放出された光電子群が偏向電極間を通過する際に、偏向電圧を印加する。これにより、光電子群は、管軸に略直交する方向に異なる角度で偏向されて蛍光面に入射し、いわゆるストリーク像を形成する。そのため、ストリーク像の掃引方向の輝度変化は、光電面に入射した被計測光の強度の時間的変化を示している。
特公平４−７９４６５号公報 特公平４−７３２５７号公報

近年、更なる高速現象を計測するために、被計測光を更に高時間分解することの要請が高まってきているが、上述したようなストリーク装置では、その要請に応えることが困難な状況になりつつある。

そこで、本発明の目的は、高時間分解能化が可能なストリーク装置を提供することである。

本願発明者は、ストリーク装置の時間分解能の更なる向上に関して鋭意検討を行った。そして、従来のストリーク装置では、被計測光の時間的な強度変化の情報を光電面内で光電子数の時間変化に変換させていることが、時間分解能を制限している主な要因であることを見出した。

そこで、上記課題を解決するために、本発明に係るストリーク装置は、一端側に設けられ電子ビームを出力する電子ビーム源、及び、他端側に設けられ電子ビーム源から出力された電子ビームを像に変換する出力部を有する真空容器と、真空容器内に設けられ、電子ビーム源から出力された電子ビームを加速する加速部と、加速部により加速された電子ビームに被計測光を集光して照射する照射光学系と、真空容器内において加速部と出力部との間に設けられ、被計測光と相互作用した電子ビームを、その相互作用により生じた電子ビームの変位方向に略直交する方向に掃引する掃引部とを備えることを特徴とする。

上記構成では、電子ビーム源から出力された電子ビームは、加速部により加速され、真空容器内を走行する。この電子ビームに、照射光学系により集光された被計測光が照射され、被計測光と電子ビームとが相互作用する。その際、集光された被計測光の強力な電磁界によって電子ビームに被計測光の強度に依存した変位が生じる。

被計測光と相互作用した電子ビームは、掃引部によって、その変位方向と略直交する方向に掃引される。そして、その電子ビームは、真空容器の他端側に設けられた出力部に入射されて像に変換される。この出力部で変換された像において、掃引部による電子ビームの掃引方向が時間軸に対応し、その時間軸に略直交する軸が電子ビームの変位、すなわち、被計測光の電磁界の強度に対応する。すなわち、上記ストリーク装置により、被計測光の強度の時間変化を示すいわゆるストリーク像を得ることができる。

このように、上記構成のストリーク装置により、被計測光の時間的な強度変化を捉えることが可能である。また、このストリーク装置では、被計測光と電子ビームとを相互作用させて、電子ビームに被計測光の強度情報を記録している。そのため、従来のように、被計測光の時間的な強度変化の情報を、光電面を介して光電子数に変換する場合に比べて、高時間分解能化を図ることができる。

本発明によるストリーク装置においては、被計測光を電子ビームと相互作用させて、被計測光の強度情報をその電子ビームに記録させる。そのため、本発明によれば、高時間分解能化が可能なストリーク装置を提供することができる。

図１は、本発明に係るストリーク装置の原理を説明するブロック図である。 図２は、ストリーク装置１で得られる像の模式図である。 図３は、被計測光Ｒと電子ビームＥとを相互作用させる方法の例を示す図である。 図４は、被計測光Ｒと電子ビームＥとを相互作用させる方法の他の例を示す図である。 図５は、第１の実施形態のストリーク装置１ａの構成を示す概略図である。 図６は、照射光学系４０の模式図である。 図７は、第２の実施形態のストリーク装置１ｂの構成を示す概略図である。 図８は、電子ビームＥの変位を拡大する方法を説明する図である。 図９は、照射光学系４０の変形形態を示す模式図である。 図１０は、掃引部５０の変形形態を示す模式図である。 図１１は、ストリーク装置１ｂの変形形態を示す模式図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ…ストリーク装置、１０…真空容器、２０…電子ビーム源、２０Ａ…光電面、３０…加速部、３１…ＲＦキャビティ、４０…照射光学系、５０…掃引部、５３…ＲＦキャビティ、６０…出力部、７０Ａ…第１電子レンズ（電子レンズ系）、７０Ｂ…第２電子レンズ（電子レンズ系）、７０Ｃ…第３電子レンズ（電子レンズ系）。

以下、図面とともに本発明に係るストリーク装置について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係るストリーク装置の原理を説明するブロック図である。図１に示すように、ストリーク装置１は、真空容器１０の一端側に設けられ電子ビームＥを出力する電子ビーム源２０と、その電子ビームＥを加速する加速部３０と、加速部３０により加速された電子ビームＥに被計測光Ｒを集光して照射する照射光学系４０と、被計測光Ｒが照射された電子ビームＥを掃引する掃引部５０と、真空容器１０の他端側に設けられ電子ビームＥを像に変換して出力する出力部６０とを有している。

上記構成のストリーク装置１において、電子ビーム源２０から出力された電子ビームＥは、加速部３０によって高速に（例えば、１０ＭｅＶ程度）加速される。この加速された電子ビームＥに、照射光学系４０により集光された被計測光Ｒが照射される。これにより、電子ビームＥと被計測光Ｒとが相互作用し、被計測光Ｒの電磁界により電子ビームＥに変位が生じる。以下では、電子ビームＥの軌道上において、被計測光Ｒと相互作用している領域を相互作用領域αと称す。

上記被計測光Ｒと相互作用した電子ビームＥは、掃引部５０によって、電子ビームＥに生じている変位の方向と略直交する方向に掃引され出力される。掃引部５０から出力された電子ビームＥは、出力部６０に入力されて像に変換される。

図２は、上記ストリーク装置１で得られる像の模式図である。横軸は、掃引部５０の掃引方向を示しており時間軸に相当する。縦軸は、被計測光Ｒとの相互作用により生じた電子ビームＥの変位の大きさを示している。電子ビームＥの変位の大きさは、被計測光Ｒの強度に依存する。したがって、縦軸は、被計測光Ｒの強度に相当する。すなわち、ストリーク装置１により、被計測光Ｒの時間的な強度分布を示すいわゆるストリーク像Ｓが得られる。

図３及び図４は、被計測光Ｒと電子ビームＥとを相互作用させる方法の例である。被計測光Ｒと電子ビームＥとは、図３に示すように、電子ビームＥの伝播方向に対して被計測光Ｒを略平行に入射させて被計測光Ｒと電子ビームＥとを相互作用させてもよいし、図４に示すように、電子ビームＥの伝播方向に対して被計測光Ｒを略垂直に入射させて相互作用させてもよい。図３の場合の方が、電子ビームＥと被計測光Ｒとが重なっている長さＤを長くすることができる。そのため、電子ビームＥにより大きな変位を生じさせやすい。

次に、上述した原理を適用したストリーク装置の具体的な実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図５は、上記ストリーク装置１の第１の実施形態であるストリーク装置１ａの構成を示す概略図である。以下の説明においては、特に断らない限り、電子ビーム源２０は、受けた光を光電子に変換して出力する光電面２０Ａとする。また、説明の便宜上、管軸方向をＸ方向とし、紙面に垂直な方向をＺ方向とし、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。

ストリーク装置１ａは、電子ビームＥを走行させるための真空容器１０と、加速部３０と、照射光学系４０と、掃引部５０と、を含んで構成されている。

真空容器１０は、円筒状であって、その一端には、光透過窓１１が設けられている。そして、光透過窓１１における真空容器１０の内部側の面に光電面２０Ａが形成されている。光電面２０Ａは、真空容器１０の中心軸（管軸）と光透過窓１１との交点の位置に形成されている。光電面２０Ａは、例えば、光透過窓１１に蒸着された厚さ数１０ｎｍの金薄膜である。

光電面２０Ａは、光透過窓１１を通して入射されたレーザ光を受け、レーザ光が入射された面と反対側の面から光電子（電子ビームＥ）を真空容器１０内に放出する。

また、Ｘ方向において光透過窓１１と反対の真空容器１０の端側には、出力部６０が設けられている。出力部６０は、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）６１と、蛍光面６２と、真空容器１０の他端に設けられた出力窓１２と、を含んで構成されている。ＭＣＰ６１は、ＭＣＰ入力面６１ａから入力された電子ビームＥを増倍して蛍光面６２に出力する。蛍光面６２は、ＭＣＰ６１からの電子ビームＥを可視光像に変換する。蛍光面６２で変換された可視光像は、出力窓１２を通して、その窓の外に配置された光学リレーレンズ及びＴＶカメラを用いて観察される。

加速部３０は、ＲＦキャビティ３１を含んで構成されており、光透過窓１１の隣に配置されている。ＲＦキャビティ３１の光透過窓１１側の一側壁３１ａは光電面２０Ａを含んでいる。また、ＲＦキャビティ３１の側壁３１ｂには、ＲＦキャビティ３１の内部にマイクロ波Ｍを導入する導入管３２が接続されている。光電面２０Ａから放出された光電子は、ＲＦキャビティ３１内に導入されたマイクロ波Ｍの電磁界によって１０ＭｅＶ程度（すなわち、光速近く）まで加速されて開口から出力される。なお、本実施形態では、電子ビームＥは、管軸に沿って伝播している。より具体的には、管軸に略直交する平面における電子ビーム断面の中心は、その平面と管軸との交点に略一致している。

掃引部５０は、真空容器１０内において、加速部３０と出力部６０との間に配置されている。掃引部５０は、管軸を挟み対向して配置された一対の偏向電極５１，５２を含んで構成されている。ストリーク装置１ａでは、偏向電極５１，５２は、Ｚ方向に並列されている。図中、偏向電極５１，５２を少しずらして記載しているのは、奥側に偏向電極５２が位置していることを示すためである。

加速部３０と掃引部５０との間の管軸上には、第１電子レンズ（電子レンズ系）７０Ａが形成されている。第１電子レンズ７０Ａは、真空容器１０の周りに設けられた第１集束コイル７１Ａにより形成される。第１集束コイル７１Ａは、管軸を中心軸とするように設けられており、コイル電源７２に接続されている。第１集束コイル７１Ａは、ＲＦキャビティ３１から、例えば、数１００ｍｍ程度出力部６０側に配置されている。

また、第１電子レンズ７０Ａ（又は、第１集束コイル７１Ａ）と掃引部５０との間の真空容器１０の周壁には、被計測光Ｒを真空容器１０内に導入する入射窓１３及び真空容器１０内から被計測光Ｒを外に出すための出射窓１４が設けられている。入射窓１３は、例えば、第１集束コイル７１Ａから５０ｍｍ程度出力部６０側に設けられている。

照射光学系４０は、一対の反射ミラー４１，４２と、レンズ４３とを含んで構成される。反射ミラー４１，４２は、入射窓１３から真空容器１０内に導入された被計測光Ｒを電子ビームＥと相互作用させる。反射ミラー４１，４２は、平面型のミラーであって、加速部３０と掃引部５０との間の管軸上においてＸ方向に並列されている。反射ミラー４１，４２の間隔は、例えば、数ｍｍ程度である。反射ミラー４１，４２には、電子ビームＥを通過させるための開口４１ａ，４２ａが形成されている。

反射ミラー４１は、管軸に対して傾斜し、入射窓１３から入射した被計測光Ｒを反射ミラー４２側に反射するように配置されている。また、反射ミラー４２は、管軸に対して傾斜し、反射ミラー４１からの被計測光Ｒを出射窓１４に向けて反射するように配置されている。

レンズ４３は、屈折型の結像レンズである。レンズ４３は、被計測光Ｒを、反射ミラー４１，４２間の電子ビームＥの軌道上（すなわち、管軸上）に、被計測光Ｒの径が、例えば数１０μｍ程度になるように集光する。レンズ４３は、真空容器１０の外に配置されており、被計測光Ｒは、レンズ４３を通った後に入射窓１３から真空容器１０内に入射される。

ストリーク装置１ａは、光電面２０Ａに入射させるレーザ光を発生する光源部８０、光源部８０からのレーザ光を光電面２０Ａに入射する入力光学系９０、被計測光Ｒを発生する被計測光発生部１００、及び、掃引部５０を制御する掃引制御部１１０を更に有する。

光源部８０は、レーザ発生装置８１と、高調波発生装置８２と、を含んで構成される。レーザ発生装置８１は、例えば、波長８００ｎｍ、パルス幅約１００ｆｓのレーザ光を発するＴｉサファイヤレーザである。なお、レーザ発生装置８１は、レーザ光を出力したタイミングに応じて出力信号を被計測光発生部１００に出力する。

高調波発生装置８２は、レーザ発生装置８１から出力されたレーザ光を、光電面２０Ａに光電子放出を生じせしめる波長の光に変換する。例えば、光電面２０Ａが金薄膜である場合、波長が約２７０ｎｍのレーザ光に変換する。

入力光学系９０は、反射ミラー９１と、アパーチャ９２と、レンズ９３と、を有する。高調波発生装置８２からのレーザ光は、反射ミラー９１で反射され、アパーチャ９２及びレンズ９３を通って光透過窓１１に蒸着された光電面２０Ａに入射される。

アパーチャ９２及びレンズ９３は、光電面２０Ａ上でのレーザ光の径の広がりを抑制するためのものである。アパーチャ９２とレンズ９３とにより、レーザ光は、例えば、光電面２０Ａ上における径が１０μｍ程度になるように集光される。これにより、光電面２０Ａから発せられる電子ビームＥと被計測光Ｒとの相互作用領域αでの電子ビームＥの径及びＭＣＰ６１上での電子ビームＥの径が数１０μｍ以内になる。

被計測光発生部１００は、遅延回路１０１と被計測光発生装置１０２とを含んでいる。遅延回路１０１は、レーザ発生装置８１及び被計測光発生装置１０２と電気的に接続されている。遅延回路１０１は、レーザ発生装置８１からの出力信号を、被計測光Ｒと電子ビームＥとのタイミングがあうように、すなわち、被計測光Ｒと電子ビームＥとが相互作用するように時間的に調整して被計測光発生装置１０２に入力する。なお、このような遅延手段については、電気的な遅延装置の他に、光学的な遅延装置を用いても良い。

被計測光発生装置１０２は、例えば、レーザ光源であって、遅延回路１０１から入力される信号をトリガとして被計測光Ｒを出力する。被計測光発生装置１０２から出力された被計測光Ｒは、ハーフミラー１２０で２つの光に分けられ、一方が真空容器１０内にレンズ４３及び入射窓１３を通って入射される。

ハーフミラー１２０で分けられた他方の被計測光Ｒは、掃引制御部１１０に入力される。掃引制御部１１０は、レンズ１１１と、検出器１１２と、遅延回路１１３と、掃引回路１１４と、を含んで構成される。

レンズ１１１は、ハーフミラー１２０を通った被計測光Ｒを、検出器１１２に集光して入射させる。検出器１１２は、例えば、ＰＩＮダイオードであり、被計測光を検出してその検出信号を遅延回路１１３に入力する。遅延回路１１３は、検出器１１２から入力された検出信号を、電子ビームＥが掃引部５０に入力された際に掃引部５０に偏向電圧が印加されるように時間的に調整して掃引回路１１４に入力する。

掃引回路１１４は偏向電極５１，５２に電気的に接続されており、遅延回路１１３からの信号をトリガとして、偏向電極５１，５２に偏向電圧を印加する。

上記構成における照射光学系４０についてより詳細に説明する。図６は、照射光学系４０の模式図である。

上述したように照射光学系４０は、反射ミラー４１，４２及びレンズ４３を含んで構成されている。反射ミラー４１は、レンズ４３を通った被計測光Ｒを反射ミラー４２側に反射させる。この際、反射ミラー４１は、開口４１ａよりもレンズ４３側（図中、上側）で被計測光Ｒを反射し、その反射光が、反射ミラー４２における開口４２ａよりも図中下側の領域に向かって伝播するように配置されている。

このような配置により、被計測光Ｒは、電子ビームＥの進行方向と略平行に伝播しつつ電子ビームＥと交差する。そのため、被計測光Ｒと電子ビームＥとが重なっている領域である相互作用領域αの幅Ｄがより長くなっている。

また、レンズ４３は、上述したように、被計測光Ｒと電子ビームＥとが交差する領域（相互作用領域α）で、被計測光Ｒの径が最小になるように（すなわち、被計測光Ｒが集束するように）配置されている。これにより、被計測光Ｒの相互作用領域αでの電磁界がより大きくなる。

上記構成のストリーク装置１ａの動作について図５を参照して説明する。以下の説明では、レーザ発生装置８１は、上記Ｔｉサファイヤレーザとする。また、高調波発生装置８２は、レーザ発生装置８１からのレーザ光を波長２７０ｎｍの光に変換するものとする。

先ず、レーザ発生装置８１により波長８００ｎｍ、パルス幅約１００ｆｓのレーザ光を発生させる。この際、レーザ発生装置８１からのレーザ光の出力に応じて出力信号が遅延回路１０１に入力される。

レーザ発生装置８１からのレーザ光は、高調波発生装置８２に入射され、波長２７０ｎｍのレーザ光に変換されて高調波発生装置８２から出力される。高調波発生装置８２から出力されたレーザ光は、反射ミラー９１によって真空容器１０に導かれる。反射ミラー９１からのレーザ光は、アパーチャ９２及びレンズ９３を通って、その径が光電面２０Ａ上で約１０μｍの径となるように集光されて光電面２０Ａに到達する。

このようにレーザ光が光電面２０Ａに入射されると、ＲＦキャビティ３１の内部に光電面２０Ａから光電子（電子ビームＥ）が放出される。この際、光電面２０Ａには、パルス幅１００ｆｓの光が入射されているため、これに対応して、光電面２０Ａは、パルス幅１００ｆｓの高密度パルス電子ビームＥを発する。

この電子ビームＥは、ＲＦキャビティ３１に導入されたマイクロ波Ｍの電磁界によって１０ＭｅＶ程度まで加速され、出力部６０に向けて出力される。ＲＦキャビティ３１から出てきた電子ビームＥは、第１電子レンズ７０Ａによって、ＭＣＰ入力面６１ａ上に集束される。第１電子レンズ７０Ａを通過した電子ビームＥはＭＣＰ６１に到達するまでに、一対の反射ミラー４１，４２間で被計測光Ｒと相互作用した後、掃引部５０によって紙面に略垂直な方向に掃引される。

ここで、（１）被計測光Ｒと電子ビームＥとを相互作用させる方法、及び、（２）相互作用した電子ビームＥの掃引方法について説明する。

先ず、（１）被計測光Ｒを電子ビームＥに相互作用させる方法について述べる。

レーザ発生装置８１からのレーザ光の出力に応じて、レーザ発生装置８１から出力信号が遅延回路１０１に入力される。その出力信号は、遅延回路１０１で一定時間調整された後に、被計測光発生装置１０２に入力される。被計測光発生装置１０２は、遅延回路１０１からの信号をトリガとして、被計測光Ｒを出力する。被計測光発生装置１０２から出力された被計測光Ｒは、ハーフミラー１２０により真空容器１０に入射する成分と、掃引制御部１１０に入射される成分とに分けられる。

ハーフミラー１２０で反射し真空容器１０側に曲げられた被計測光Ｒは、レンズ４３及び入射窓１３を通って真空容器１０内に導入される。そして、被計測光Ｒは、図５及び図６に示すように、反射ミラー４１における開口４１ａよりも上側の領域で反射し、反射ミラー４２における開口４２ａよりも下側の領域に向けて伝播する。

被計測光Ｒは、被計測光Ｒと電子ビームＥとが相互作用できるように時間的に調整されて発せられている。したがって、上記のように反射ミラー４１で反射された被計測光Ｒと電子ビームＥとは、反射ミラー４１，４２間で重なり相互作用する。電子ビームＥと相互作用してから、反射ミラー４２に達した被計測光Ｒは、反射ミラー４２で更に反射されて出射窓１４から真空容器１０の外に取り出される。

上記のように、電子ビームＥと被計測光Ｒとは反射ミラー４１，４２間において相互作用する。すなわち、反射ミラー４１，４２間に、電子ビームＥと被計測光Ｒとの相互作用領域αが位置する。この相互作用領域αにおいて、被計測光Ｒは、レンズ４３により、例えば、数１０μｍ程度の径に集光されている。そのため、被計測光Ｒの電磁界は、相互作用領域αで増強されており、その強力な電磁界により電子ビームＥに変位が生じる。

この変位方向は、被計測光Ｒの電磁界の振動方向に依存するが、本実施形態では、電子ビームＥは、被計測光Ｒとの相互作用により、Ｙ方向に変位するものとする。

次に、（２）上記被計測光Ｒと相互作用した電子ビームＥの掃引方法について説明する。

被計測光発生装置１０２から出力されハーフミラー１２０により分けられた被計測光Ｒのうち、ハーフミラー１２０を透過した被計測光Ｒは検出器１１２で検出される。この検出器１１２からの検出信号は、遅延回路１１３に入力される。そして、遅延回路１１３によって、掃引部５０によって電子ビームＥを掃引可能なように時間的に調整された信号が、掃引回路１１４に入力される。掃引回路１１４は、遅延回路１１３からの信号をトリガとして、偏向電極５１，５２に偏向電圧を印加する。この偏向電圧によって形成される電界によって電子ビームＥが掃引される。

上記のように、光電面２０Ａから出力された高密度パルス電子ビームＥが掃引部５０を通過するタイミングに合わせて偏向電極５１，５２に偏向電圧が印加される。そのため、被計測光Ｒと相互作用した電子ビームＥが偏向電圧の電界によって掃引される。偏向電極５１，５２は、Ｚ方向に並列されているため、掃引部５０によって電子ビームＥは、変位方向と略直交する方向（Ｚ方向又は−Ｚ方向）に掃引される。

上記掃引部５０により掃引された電子ビームＥは、ＭＣＰ入力面６１ａに入力される。この際、電子ビームＥは、第１電子レンズ７０Ａにより集束されており、ＭＣＰ入力面６１ａ上における電子ビームＥの径は数１０μｍ程度となっている。ＭＣＰ６１に入力された電子ビームＥは、ＭＣＰ６１によって増倍されて蛍光面６２に出力される。そして、蛍光面６２により可視光像に変換される。そして、出力窓１２の外に設けられたリレーレンズを介してＴＶカメラで撮像され、図２に示すストリーク像Ｓが得られる。

本実施形態に係るストリーク装置１ａでは、被計測光Ｒと電子ビームＥとを直接相互作用させ、被計測光Ｒの電磁界によって電子ビームＥに生じた変位の時間変化、すなわち、被計測光Ｒの強度の時間変化を計測している。従来のように光電面を介して被計測光の強度情報を光電子の電子密度に変換していないため、例えばアト秒領域の時間分解まで視野に入れた高時間分解能化を図ることができる。

ところで、光の電磁界の周波数は大きいため、通常、電子ビームと光とが相互作用しても電子ビームに生じた変位は、逆位相により打ち消しあう場合が生じる。

しかしながら、本実施形態のストリーク装置１ａでは、電子ビームＥを加速部３０で光速近くまで加速しているため、被計測光Ｒと電子ビームＥとの位相が揃いやすい。例えば、被計測光Ｒの波長を８００ｎｍとしたとき、光及び電子ビーム相互の位相が半波長分変化するまでは、約３００μｍの走行距離を確保できる。そのため、電子ビームＥに生じる変位を検出可能である。そして、このような、走行距離は、上記照射光学系４０により確保できるようになっている。

更に、被計測光Ｒを集光して電子ビームＥに照射しているため、被計測光Ｒと電子ビームＥとの相互作用領域αにおける被計測光Ｒの電磁界はより大きくなっている。そのため、集光させていない場合よりも電子ビームＥに大きな変位を生じさせることが可能であって、変位を計測し易くなっている。

また、被計測光Ｒは、電子ビームＥの進行方向に対して斜めに入射しているため、被計測光Ｒの電子ビームＥの進行方向の成分が光速より小さくなりやすい。そのため、電子ビームＥの速度が光速より小さくても被計測光Ｒの電磁界と同一位相の状態を保ちやすくなっている。

なお、アト秒〜フェムト秒の時間分解能を得るためには、レーザ照射光学系のレーリー長を短くする、電子ビーム速度を一定以上に大きくする、等の条件が必要となる。シミュレーションによれば、１０ｆｓ程度の時間分解能を得る場合、レーリー長が２μｍでは電子ビーム速度１ＭｅＶ以上、レーリー長が１３０μｍでは電子ビーム速度１０〜２０ＭｅＶが必要である。

また、電子ビームは、計測に用いる変位方向だけでなく、電子ビーム走行方向でも加速される。これは、電子ビームの電子ビーム走行方向での配列も変えるため、時間軸方向で誤差を生じる場合がある。このような誤差を小さくするためには、電子ビームは１ＭｅＶ以上の速度であることが好ましい。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態のストリーク装置の構成の概略図である。図７に示すストリーク装置１ｂは、レンズ４３が真空容器１０内に配置されている点、絞りアパーチャ電極１３０を有する点、第２電子レンズ７０Ｂ及び第３電子レンズ７０Ｃが形成されている点で第１の実施形態のストリーク装置１ａと相違する。ストリーク装置１ｂでは、第１電子レンズ７０Ａ、第２電子レンズ７０Ｂ、及び、第３電子レンズ７０Ｃが、光電面２０Ａから出力された電子ビームＥをＭＣＰ６１上に集束させる電子レンズ系７０を構成している。

レンズ４３は真空容器１０内に配置されており、レンズ４３の焦点距離は、第１の実施形態の場合よりも短い。これにより、相互作用領域αでの被計測光Ｒの径は、第１の実施形態の場合よりも１桁程度短い（例えば、数μｍ程度）。そのため、第１の実施形態と同じ強度の被計測光Ｒを用いた場合、相互作用領域αでの被計測光Ｒの電磁界がより大きくなっている。

絞りアパーチャ電極１３０は、ＲＦキャビティ３１の出口側の管軸上に配置されている。絞りアパーチャ電極１３０は、電子ビームＥを通過させるための開口１３０ａを有しており、ＲＦキャビティ３１から出力された電子ビームＥのうち開口１３０ａから外側の領域の電子ビームＥをカットする。開口１３０ａの径は、例えば、数１０μｍ程度である。これにより、電子ビームＥのＭＣＰ入力面６１ａへの集束特性がよくなる。

第２電子レンズ７０Ｂは、絞りアパーチャ電極１３０と第１電子レンズ７０Ａとの間に形成されている。第２電子レンズ７０Ｂは、加速部３０と第１集束コイル７１Ａとの間の真空容器１０の周りに設けられた第２集束コイル７１Ｂにより形成される。第２集束コイル７１Ｂは、管軸が中心軸となるように配置されており、コイル電源７２に接続されている。

第２電子レンズ７０Ｂは、電子ビームＥの広がりを抑制するコリメータ電子レンズとして機能する。また、第２電子レンズ７０Ｂは、第１電子レンズ７０Ａとともに電子ビームＥを反射ミラー４１，４２間に集束する。これにより、相互作用領域αにおける電子ビームＥの径は、ストリーク装置１ａの場合より小さく、例えば、数μｍ程度になっている。また、電子ビームＥの集束点Ｍ_１と、レンズ４３によって集光される被計測光Ｒの集光点とは、ほぼ一致するようになっている。

第３電子レンズ７０Ｃは、電子ビームＥにより生じた変位を拡大してＭＣＰ入力面６１ａ上に結像する。すなわち、第３電子レンズ７０Ｃは、拡大電子レンズとして機能する。第３電子レンズ７０Ｃは、相互作用領域αと掃引部５０との間、より具体的には、反射ミラー４２と掃引部５０との間に形成されている。第３電子レンズ７０Ｃは、入射窓１３と掃引部５０との間の真空容器１０の周りに設けられた第３集束コイル７１Ｃにより形成される。第３集束コイル７１Ｃは、管軸が中心軸となるように配置されており、コイル電源７２に接続されている。

なお、このような拡大電子レンズについては、掃引部５０の後段に設ける構成としても良い。一般には、電子レンズ系が有する拡大電子レンズは、被計測光と電子ビームとの相互作用領域の後段に配置されており、被計測光との相互作用により生じた電子ビームの変位を拡大して出力部に結像するものであれば良い。これにより、電子ビームに生じた変位を拡大して検出できるため、その変位が小さくても検出が容易になる。

図８は、電子ビームＥの変位を拡大する方法を説明する図である。第３電子レンズ７０Ｃは、集束点Ｍ_１よりもＭＣＰ６１側のＡ−Ａ線の位置（例えば、集束点Ｍ_１よりも１５ｍｍ程度ＭＣＰ６１側の位置）における電子ビーム断面を拡大してＭＣＰ入力面６１ａに結像させるように配置及び形成されている。これは、仮に、集束点Ｍ_１をＭＣＰ入力面６１ａに結像させると、集束点Ｍ_１自体はＭＣＰ入力面６１ａに拡大結像されるが、電子ビームＥに生じた変位は結像されないからである。

上記のように、Ａ−Ａ線に沿った電子ビーム断面を拡大することにより、Ａ−Ａ線の位置での変位ｄ_１がＭＣＰ入力面６１ａ上で変位ｄ_２に拡大される。この第３電子レンズ７０Ｃによる拡大率は、第３集束コイル７１Ｃの磁極の形状、コイル電流、第３電子レンズ７０Ｃの形成位置などにより決まり、数１０倍から数１００倍が可能である。

ところで、通常、Ａ−Ａ面の位置では、電子ビームＥ自体の径もより大きくなっている。そして、電子ビームＥが第３電子レンズ７０Ｃを通ると、その径もＭＣＰ入力面６１ａ上に拡大結像されるため、蛍光面６２での変位量の検出精度が悪化する。しかしながら、本実施形態のストリーク装置１ｂでは、絞りアパーチャ電極１３０や第２電子レンズ７０Ｂにより、焦点深度を深くすることが可能であり、上記検出精度の低下が抑制することができている。

本実施形態のストリーク装置１ｂの動作は、第１の実施形態のストリーク装置１ａの場合と同じである。

本実施形態では、レンズ４３が真空容器１０内に配置され、その焦点距離が短くなっているため、上述したように相互作用領域αでの被計測光Ｒの径が小さくなっている。これにより、相互作用領域αにおける被計測光Ｒの電磁界がより大きくなっている。そのため、電子ビームＥに変位を生じさせやすい。また、被計測光Ｒの径が小さいことに対応して、相互作用領域αでの電子ビームＥの径も小さい。そのため、被計測光Ｒの径を短くしていても電子ビームＥに変位が生じやすくなっている。更に、相互作用領域αで生じた変位は、第３電子レンズ７０Ｃにより拡大されてＭＣＰ６１に入力される。

以上のことから、ストリーク装置１ｂにおいては、被計測光Ｒの強度が小さい場合でも、その強度の時間変化を計測できるようになっている。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は第１及び第２の実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、照射光学系４０は、屈折型の結像レンズ４３と、一対の反射ミラー４１，４２とから構成しているが、図９に示すように、平面状の反射ミラー４４と反射型の凹面ミラー４５とから構成してもよい。この反射ミラー４４と凹面ミラー４５とは、電子ビームＥを通過させる開口４４ａ，４５ａを有している。

この場合には、入射窓１３（図５又は図７参照）から入射された被計測光Ｒは、反射ミラー４４によって凹面ミラー４５側に反射される。そして、凹面ミラー４５によって再び反射ミラー４４側に反射される。この際、被計測光Ｒは、管軸上に集光され、電子ビームＥと相互作用する。この場合、光学系の構成が簡単になるとともに、レンズ４３を用いていないためレンズ４３を通過した際の光分散による被計測光Ｒの時間広がりが生じないため、被計測光Ｒの時間的な強度分布をより正確に取得できる。

また、電子ビーム源２０としては、光電面２０Ａに限らず、Ｓｉやカーボンからなるマイクロエミッタ−を用いてもよい。更に、加速部３０は、レーザの電磁界で電子ビームＥを加速してもよい。また、その他にもレーザプラズマ加速を用いても良い。

更に、加速部３０と出力部６０との間に所定のエネルギー（例えば、１０ＭｅＶ）を有する電子ビームを通過させるエネルギーフィルタを設けることも好ましい。この場合、電子ビーム源２０から出力され加速部３０で加速された電子ビームＥをエネルギーフィルタを通過させることによって、狭いエネルギー範囲の電子ビームＥだけ利用できる。これにより、例えば、第２の実施形態において、反射ミラー４１，４２間において、電子ビームＥを結像した際のビーム径を小さくすることや、その結像部における焦点深度を深くすることが可能である。また、電子ビームＥの時間的な広がりを抑制できる。

電子レンズ系７０を集束コイルによる回転対称な磁界型電子レンズ方式を用いているが、４極電子レンズのような非対称な電磁型又は静電型電子レンズ方式を用いてもよい。

また、掃引部５０による電子ビームＥの掃引は、偏向電極５１，５２に印加した偏向電圧の電界によらなくてもよい。例えば、図１０に示すように、ＲＦキャビティ５３を設けて、そこにＲＦ又はマイクロ波Ｍを導入し，それらの電磁界により掃引してもよい。更に、レーザ光の電磁界により掃引することも可能である。

また、図１１に示すように、掃引部５０と出力部６０との間の真空容器１０周りに偏向コイル１４０を設けてもよい。この場合、被計測光Ｒと電子ビームＥとの相互作用により、相互作用領域αでγ線やＸ線が発生しても、その偏向コイル１４０の偏向磁界で電子ビームＥをシフトして電子ビームとγ線、Ｘ線とを分離することができる。そのため、γ線やＸ線がＭＣＰ６１に入射して生じるバックグラウンドノイズを低減することが可能である。

更に、出力部６０は、ＭＣＰ６１と蛍光面６２と出力窓１２とを有しているとしたが、電子打ち込みＣＣＤを用いてもよく、電子ビームＥを像に変換できればよい。

また、被計測光Rは、レーザ光に限らない。更に、電磁界の振動方向がランダムな被計測光を計測する際には、掃引部５０よりも光電面２０Ａ側（すなわち、反射ミラー４２と掃引部５０との間）にスリット電極を、そのスリットの長手方向を掃引方向と垂直な方向に略一致させて配置することが好ましい。これにより、被計測光と相互作用した電子ビームＥにおいて、スリット電極の長手方向の変位のみを計測できるからである。

本発明によるストリーク装置は、一般には、一端側に設けられ電子ビームを出力する電子ビーム源、及び、他端側に設けられ電子ビーム源から出力された電子ビームを像に変換する出力部を有する真空容器と、真空容器内に設けられ、電子ビーム源から出力された電子ビームを加速する加速部と、加速部により加速された電子ビームに被計測光を集光して照射する照射光学系と、真空容器内において加速部と出力部との間に設けられ、被計測光と相互作用した電子ビームを、その相互作用により生じた電子ビームの変位方向に略直交する方向に掃引する掃引部とを備えることが好ましい。

また、上記構成を有するストリーク装置においては、レーザ光を用いて又はＲＦキャビティ内に生成される電磁界を用いて電子ビームを加速させることが好ましい。これにより、電子ビームを、光速近くまで加速させやすい。電子ビームの速度が光速に近い場合、電子ビームと被計測光とが相互作用している間、それらの位相が揃う傾向にある。そのため、被計測光によって電子ビームに変位を生じさせやすい。

更に、ストリーク装置においては、真空容器において加速部の後段に配置され、加速部からの電子ビームを出力部に集束させる電子レンズ系を備えることが好適である。この場合、電子レンズ系により電子ビームが出力部に集束されるため、出力部での電子ビームの径が小さくなり時間分解能が向上する傾向にある。また、電子レンズ系は、加速部と掃引部との間に配置されていることが好ましい。

更にまた、ストリーク装置においては、被計測光と電子ビームとの相互作用領域の後段に配置されており、被計測光との相互作用により生じた電子ビームの変位を拡大して出力部に結像する拡大電子レンズを、電子レンズ系は有することが好ましい。この場合、上記拡大電子レンズにより、電子ビームに生じた変位を拡大して検出できるため、その変位が小さくても検出が容易になる。また、このような構成では、拡大電子レンズは、被計測光と電子ビームとの相互作用領域と、掃引部との間に配置されていることが好ましい。

更にまた、ストリーク装置においては、真空容器において加速部と出力部との間に配置され、所定のエネルギーを有する電子ビームを通過させるエネルギーフィルタを備えることが好ましい。この場合、エネルギーフィルタを通過した電子ビームのエネルギー分散を、エネルギーフィルタを通過する前よりも小さくすることができる。

また、ストリーク装置においては、電子ビーム源は、受けた光を光電子に変換する光電面であることが望ましい。この場合、光電面にレーザ光などを照射することによって光電子が放出されて電子ビームが生成される。パルスレーザ光を照射することにより、容易にパルス電子ビームを生成することも可能である。

更に、ストリーク装置においては、掃引部は、真空容器の管軸を挟むように対向した一対の偏向電極間に印加される偏向電圧の電界、レーザ光、又は、ＲＦキャビティ内に生成される電磁界を用いて電子ビームを掃引することが好ましい。

一対の偏向電極を用いる場合は、それらの偏向電極に偏向電圧を印加することによりその電極間に生じる電界によって電子ビームを掃引することができる。また、ＲＦキャビティを用いる場合は、ＲＦキャビティにＲＦやマイクロ波を導入しそれらの電磁界により電子ビームを掃引可能である。更に、レーザ掃引器を用いる場合は、レーザ光の電磁界により電子ビームを掃引することができる。

本発明に係るストリーク装置は、例えばアト秒領域の高速光現象を解明するための計測装置として利用することができる。

Claims (8)

1. 一端側に設けられ電子ビームを出力する電子ビーム源、及び、他端側に設けられ前記電子ビーム源から出力された電子ビームを像に変換する出力部を有する真空容器と、
   前記真空容器内に設けられ、前記電子ビーム源から出力された前記電子ビームを加速する加速部と、
   前記加速部により加速された電子ビームに被計測光を集光して照射する照射光学系と、
   前記真空容器内において前記加速部と前記出力部との間に設けられ、前記被計測光と相互作用した電子ビームを、その相互作用により生じた電子ビームの変位方向に略直交する方向に掃引する掃引部と
   を備えることを特徴とするストリーク装置。
2. 前記加速部は、レーザ光を用いて又はＲＦキャビティ内に生成される電磁界を用いて電子ビームを加速させることを特徴とする請求項１に記載のストリーク装置。
3. 前記真空容器において前記加速部の後段に配置され、前記加速部からの電子ビームを前記出力部に集束させる電子レンズ系を備えることを特徴とする請求項１に記載のストリーク装置。
4. 前記被計測光と前記電子ビームとの相互作用領域の後段に配置されており、前記被計測光との相互作用により生じた前記電子ビームの変位を拡大して前記出力部に結像する拡大電子レンズを、前記電子レンズ系は有することを特徴とする請求項３に記載のストリーク装置。
5. 前記拡大電子レンズは、前記被計測光と前記電子ビームとの相互作用領域と、前記掃引部との間に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のストリーク装置。
6. 前記真空容器において前記加速部と前記出力部との間に配置され、所定のエネルギーを有する電子ビームを通過させるエネルギーフィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載のストリーク装置。
7. 前記電子ビーム源は、受けた光を光電子に変換する光電面であることを特徴とする請求項１に記載のストリーク装置。
8. 前記掃引部は、前記真空容器の管軸を挟むように対向した一対の偏向電極間に印加される偏向電圧の電界、レーザ光、又は、ＲＦキャビティ内に生成される電磁界を用いて電子ビームを掃引することを特徴とする請求項１に記載のストリーク装置。

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