JPH04122882A - 荷電粒子測定装置および光強度波形測定装置 - Google Patents

荷電粒子測定装置および光強度波形測定装置

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JPH04122882A
JPH04122882A JP2245230A JP24523090A JPH04122882A JP H04122882 A JPH04122882 A JP H04122882A JP 2245230 A JP2245230 A JP 2245230A JP 24523090 A JP24523090 A JP 24523090A JP H04122882 A JPH04122882 A JP H04122882A
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    • H01J31/502—Image-conversion or image-amplification tubes, i.e. having optical, X-ray, or analogous input, and optical output with an electrostatic electron optic system with means to interrupt the beam, e.g. shutter for high speed photography

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  • Measurement Of Radiation (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電子やイオン等の荷電粒子の時間的な強度
情報、換言すれば時間的な数量情報を測定する荷電粒子
測定装置、並びに、この荷電粒子測定装置を用いて光の
時間的な強度波形を測定する光強度波形測定装置に関す
るものである。
〔従来の技術〕
真空中の荷電粒子の時間的な強度変化、すなわち粒子数
の時間的な変化を測定する装置として、エレクトロンマ
ルチプライヤを用いたものがある。
測定対象である荷電粒子をエレクトロンマルチプライヤ
に導き、荷電粒子の衝突によって発生する2次電子を効
率よく増倍してアノードから取り出し、これをオンロス
コープで測定するものである。
また、別の方法として、測定すべき荷電粒子をシンチレ
ータに衝突させて光に変換し、この光をフォトマルチプ
ライヤ(PMT)などを用いて電気信号として検出し、
これをオシロスコープで測定するものもある。
しかし、いずれの方法も、時間に関して特別な変換処理
を施さずに単に荷電粒子の強度変化を増幅して電流信号
として取り出し、オシロスコープで測定するに過ぎない
。したかって、測定可能な強度変化はオシロスコープの
応答速度で制限されてしまい、現在のところ30ps以
下の時間変化を測定することは困難である。また、30
p s程度の応答速度を維持するにも、信号線路の引き
回しや回路素子の選択等に配慮が必要であり、その測定
は容易でない。
これに対して、第4図に示すようなストリーク管の原理
を用いて応答速度を高めたものが考えられている。測定
すべき荷電粒子(電子)の通過経路]中に配置された偏
向板2.3間に、その電子の入射と同期した斜状電圧を
印加してその時間的強度変化をマイクロチャンネルプレ
ート4の入力面上での位置情報に変換するものである。
この位置情報は蛍光面5で光強度として視認することが
できる。この方法によれば、応答速度を上述の従来技術
に比べて大幅に向上させることができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、この方法でも応答速度は約500fsが限界で
あり、さらに高い応答速度を持つ装置が望まれている。
500fsが限界である理由は、非測定荷電粒子として
放出された電子の持つ初速変分布のために、同時に放出
された電子が偏向板2.3間に至るまでに広がりを生じ
てしまうからである。
本発明の課題は、このような問題点を解消することにあ
る。
〔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荷電粒子測定装置は
、被測定荷電粒子を放出する荷電粒子源に対向して配置
されていてこの荷電粒子源の電位を基準にして変化する
電圧が印加される加速電極と、この加速電極で加速され
た荷電粒子のエネルギを分析するエネルギ分析装置、た
とえば、加速された荷電粒子に対してその移動方向に直
交する成分を含むの電界または磁界を与えた後にその荷
電粒子の到達した位置を検出する装置とを備えたもので
ある。
〔作用〕
荷電粒子源と加速電極との間に与えられる加速電圧が変
化しているので、荷電粒子源から放出された時刻に応じ
て荷電粒子に与えられるエネルギか異なる。そのため、
加速電極を通過した荷電粒子のエネルギを分析すれば、
逆に、荷電粒子の時間情報を得ることができる。
エネルギ分析装置として、たとえば、加速された荷電粒
子に対してその移動方向に直交する成分を含む電界また
は磁界を与えた後にその荷電粒子の到達した位置を検出
する装置を用いたとすると、荷電粒子が偏向用の電界ま
たは磁界中に突入するときの速度が異なるためにそこで
の偏向量が異なり、結果として、荷電粒子はその放出時
刻に応じて位置検出手段における到達位置が異なる。し
たがって、逆に到達位置から荷電粒子の時間情報を得る
ことかできる。
なお、この荷電粒子測定装置の荷電粒子源として受光量
に応じた量の電子を放出する光電変換手段を用いること
により、高速で応答する光強度波形測定装置を得ること
ができる。
〔実施例〕
第1図(A)は本発明の一実施例を示す概略側面図であ
る。荷電粒子を放出する荷電粒子源11の前方にはメツ
シュ状の加速電極12およびエネルギ分析装置13が順
に配置されている。加速電極12と荷電粒子源11との
間には時間的に変化する電圧が電源14によって印加さ
れる。なお、実際には荷電粒子源11または加速電極1
2のいずれか一方の電位を固定し、他方の電位を変化さ
せる。エネルギ分析装置13は、2枚の偏向板15およ
び16と荷電粒子が衝突した部分が発光するたとえば蛍
光面のような出力面17を備えている。偏向板15およ
び16には一定の電圧か与えられ、両者の間の空間に静
電界が作られる。開口18から入射した荷電粒子はこの
静電界中を通過することにより偏向されて出力面17に
到達するようになっている。
つぎに本実施例の動作を説明する。
加速電圧か変化しているために、荷電粒子源11から放
出される荷電粒子の放出時刻か異なると荷電粒子かその
電界から与えられるエネルギに差か生じ、エネルギ分析
装置13に到達したときの速度か異なる。一方、荷電粒
子か偏向板ユ5および16の間の静電界中を通過したと
きに受ける偏向量は、その速度(エネルギ)に応して異
なる。
したがって、荷電粒子源11からの放出時刻が互いに異
なる荷電粒子は、出力面17において異なる位置に到達
する。このことはすなわち、荷電粒子の時間情報か出力
面17上での位置情報に変換されたことに他ならない。
荷電粒子源11と加速電極12の間における高速な電界
変化は、高速で変化する電圧を供給する電源14によっ
て作られるのだが、最近の技術では、3 k V / 
200 p sか達成されている。したがって、10f
sで0..15Vの電圧変化を得ることができる。一方
、エネルギ分析装置13の分解能は0.1eV以下が得
られている。したがって、本実施例装置によれば、10
f s以下の応答速度を得ることか可能である。
つぎに、本実施例の動作を式を用いてさらに詳細に且つ
具体的に説明する。荷電粒子源11と加速電極12との
間(区間1)の距離をdlとし、加速電極↓2とエネル
ギ分析装置13の開口18との間(区間2)の距離をd
2とする。いま、尚重粒子源11に=Voボルトの定電
圧を印加すると共に、加速電極12に第2図に示すよう
な斜状の加速電圧、すなわち、1−0で0ボルトがらt
−t、で−Voボルトまで直線的に変化する電圧を印加
したとする。
t−toで放出された荷電粒子の運動方程式は、区間1
において ・・・■ 区間2において ・・・■ で与えられる。
なお、 ここに、 M : 荷電粒子の質量 荷電粒子の電荷 t :荷電粒子が加速電極12に至った時間 である。
■式および■式を積分して、 荷電粒子の速度V および位置2を求めると、 区間1において、 ・・・■ ・・・■ また、 区間2において、 ・・・■ +Vd t+d1            ・・・■と
なる。ただし、vdはz−dlでの速度である。
いま、簡単のために、荷電粒子を電子とし、d、−2m
m d2−0・5止 o−3kV tr−200ps として、1 −1、t  −’)psSto=3psて
放出された電子かそれぞれエネルギ分析装置13に入射
するエネルギを求めると、 となる。
つぎに、これらの電子が長さl5間隔d3の偏向板15
.16の間に入射し、偏向板15.16の間に偏向電圧
V、が印加されていると、偏向板15.16から距離し
たけ離れた出力面17上での偏向量Yは、 となる。ここに、■は入射エネルギである。
いま、1 = 25 mm、d3−5+am、L−10
0m+s、Vd−1500ボルトとすると、上述した放
射時点の異なる3種類の電子の偏向量Yは、となり、出
力面17上で荷電粒子の時間情報が位置情報に変換され
たことになる。したがって、出力面17上の輝度分布を
読み出せば、荷電粒子の時間情報を知ることができる。
なお、本実施例では加速電極12とエネルギ分析装置1
3が別々に設けられているが、エネルギ分析装置13の
入射面を加速電極として兼用させてもよい。
また、本実施例では加速電極12と荷電粒子源11との
間に可変電圧印加手段としての電源14を介在させ、こ
れらによって本発明特有の加速手段すなわち時刻によっ
て加速エネルギの変化する加速手段を構成しているが、
荷電粒子源11をこの加速手段から切り離してもよい。
第1図(B)はこのような変形例を示すものであり、加
速エネルギの変化する加速手段は、加速電極21.22
および可変電圧電源14によって構成されている。
なお、加速電極23には、荷電粒子源11に対して一定
の電圧が印加されており、これによって、荷電粒子源1
1から放出された荷電粒子に対して常に一定の加速エネ
ルギが与えられる。
第3図は、本発明の荷電粒子測定装置を応用した光強度
波形測定装置の一実施例を示すものである。すなわち、
荷電粒子測定装置の荷電粒子源として光電子変換手段を
用いたものであり、光電子変換手段に入射した光の時間
的強度波形を測定する装置である。
入力窓31の開口32を通して光電子変換手段である光
電面33に測定すべき光34が入射すると、光電面33
は光34の強度に応じて電子を放出する。このとき、光
電面33と加速電極35との間に斜状電圧を印加すると
、光電面33で放出された電子は上記実施例で説明した
ように、速度変調を受けて加速電極35を通過する。電
子は続いてフォーカス電極部36を通過し、定電圧が印
加されている偏向板38および出力面39を備えたエネ
ルギ分析装置37によって電子の時間情報すなわち入射
光の時間的強度波形が位置情報に変換される。フォーカ
ス電極部36は電子を出力面39において集束させるた
めのものであり、これは印加電圧の調整により達成され
る。フォーカス電極部36の印加電圧は動作中は一定で
あり変化しないので、電子の速度はフォーカス電極部3
6の作る電界によって変調性を乱されることはない。
出力面39は、マイクロチャンネルプレート(MCP)
40と蛍光面41とで構成されている。蛍光面41はC
CDイメージセンサ43と光ファイバ42で光学結合さ
れており、蛍光面41ての発光状態は、CCDイメージ
センサ43によって画素ごとに強度情報を持つ画像情報
として電気的に読み出すことかできる。この画像情報は
入射光の時間的強度波形を表すものであり、たとえば、
コンピューター45にて処理されモニタ44上に表示す
ることができる。
エネルギ分析装置37として、たとえば05eV程度の
エネルギ分解能を持つものを用いれば、応答速度は25
fSとなる。現実にはこれより高い分解能を持つエネル
ギ分析装置も可能であるが、電子が光電面33から放出
するときの初速エネルギ分布か、入射波長500nmに
対して約0.5eVであるので、この光強度波形測定装
置の時間分解能は、この程度に制限される。
なお、この実施例では、加速エネルギの変化する加速手
段の一方の電極として光電面33を用いているが、第1
図の実施例の場合と同しく、新たな電極を加えることに
より、この加速手段から光電面33を分離することがで
きる。
なお、上述のすべての実施例において、加速電圧は減少
するように変化させているか増加させてもよい。
また、エネルギ分析装置として平行平板上の偏向板を用
いたものを示したが、これに代えてエネルギ分析に通常
よく使用される円筒型分析器や同心半球型分析器等を用
いてもよい。また、エネルギ分析装置の偏向手段として
、上記実施例のような電界を利用するものに代えて磁界
を利用するものを用いてもよい。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の荷電粒子測定装置によれ
ば、荷電粒子に対して電界を用いて速度変調をかけるこ
とにより、数十fsの応答速度で荷電粒子の時間情報を
得ることができる。また、この荷電粒子測定装置の荷電
粒子源に光電子変換手段を用いて光強度波形測定装置と
した場合には、同じく数十fsの極めて高い応答速度で
光強度の時間的な変化を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)は本発明の一実施例である荷電粒子測定装
置の概略構造を示す側断面図、第1図(B)はその変形
例を示す側断面図、第2図は荷電粒子源と加速電極との
間に印加される加速電圧を示す波形図、第3図は本発明
の一実施例である光強度波形測定装置の概略構造を示す
側断面図、第4図は従来の荷電粒子測定装置の概略構造
を示す側断面図である。 11・・・荷電粒子源、12.21.22.23.35
・・・加速電極、13・・・エネルギ分析装置、14・
加速電圧用電源、15.16.38・・・偏向板、17
.39・・・出力面、33・・・光電面、40・・・M
CP、41・・蛍光面、42・・光ファイバ、43・・
・CCDイメージセンサ、44・・・モニタ、45・・
・コンピューター

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、互いに対向した第1および第2の電極を備えその間
    に所定時間内で変化する電圧を印加することにより第1
    の電極側から取り込まれた非測定荷電粒子を加速して第
    2の電極から放出する加速手段と、 この加速手段で加速された荷電粒子のエネルギを分析す
    るエネルギ分析装置と を備えた荷電粒子測定装置。 2、被測定荷電粒子を放出する荷電粒子源が加速手段の
    第1の電極を兼ねていることを特徴とする請求項1に記
    載の荷電粒子測定装置。 3、エネルギ分析装置は、入射する荷電粒子に対してそ
    の移動方向に直交する成分を含む電界または磁界を与え
    た後にその荷電粒子の到達した位置を検出する装置であ
    ることを特徴とする請求項1または2に記載の荷電粒子
    測定装置。 4、受光量に応じた量の電子を放出する光電子変換手段
    と、 この光電子変換手段の電子放出面に対向して配置され、
    互いに対向した第1および第2の電極を備え、両電極間
    に所定時間内で変化する電圧を印加することにより前記
    電子放出面から放出された被測定荷電粒子を第1の電極
    側から取り込んで加速し第2の電極から放出する加速手
    段と、 この加速手段で加速された荷電粒子のエネルギを分析す
    るエネルギ分析装置と を備えた光強度波形測定装置。 5、光電子変換手段の電子放出面が加速手段の第1電極
    を兼ねていることを特徴とする請求項4に記載の光強度
    波形測定装置。 6、エネルギ分析装置は、入射する電子に対してその移
    動方向に直交する成分を含む電界または磁界を与えた後
    にその電子の到達した位置を検出する装置であることを
    特徴とする請求項4または5に記載の光強度波形測定装
    置。
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