JPH0479466B2 - - Google Patents

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
の変化をピコ秒のオーダで計測できるストリーク
管およびそのストリーク管を用いたストリーク装
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
布を出力面上の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
現像の解析に用いられる。

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、および光電面と光学像の関係を示す略図
である。

第８図は前記ストリーム管の管軸を含み、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１０３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１０１、他端面は処理された光学像を出射する
出射窓１０２を形成している。

この真空気密容器１０３の管軸に沿つて、入射
窓１０１の出射窓１０２との間に順次光電面１０
４、メツシユ電極１０５、集束電極１０６、アパ
ーチヤ電極１０７、偏向電極１０８、螢光面１０
９が配設されている。

そして光電面１０４に対して集束電極１０６、
メツシユ電極１０５、アパーチヤ電極１０７にこ
の順序でより高い電圧を加え、さらに螢光面１０
９にアパーチヤ電極１０７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１０１を経て光
電面１０４に前記光電面１０４の中心を通る線上
に光学像１０４ａが投影されてとする。

光電面１０４は前記光学像に対応した電子像を
放出し、放出された電子メツシユ電極１０５によ
り加速され、集束電極１０６により集束され、ア
パーチヤ電極１０７を通過し、偏向電極１０８の
間隙に入射させれらる。

この線状の電子像が偏向電極１０８の間隙を通
過する期間、前記偏向電極１０８に傾斜状の偏向
電圧を加える。

この電圧によつ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１０８の偏向電界により偏向さ
れ、螢光面１０９に入射させられる。

第８図に偏向の方向を矢印１２０で示してあ
る。螢光面１０９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１０９上に、光電面１０４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。

したがつて、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面１０４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、光電面
から放出された光電子は種々のエネルギーを持つ
ために、同時に光電面から放出された光電子群が
掃引面である螢光面に到達する時刻が、バラバラ
となり時間的広がりを持つ。

この時間的拡がりが、ストリーク管の時間分解
を損ねるもつとも大きな要因である。

この時間的拡がりを少なくするために、光電面
から放出された電子を一様に急加速する。

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、メツシユ電極１０５を光電
面１０４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。

一般にこの付近で生じる走行時間広がりΔtは、
次式で示される。

Δt≒2.34×10^-6×（Δε）^1/2／Ｅ（Ｓ） ここでＥは光電面とメツシユ間の電界（Ｖ／
ｍ）でΔεは光電面から放出された光電子のエネ
ルギー分布の半値幅〔eV〕である。

例えば光電面とメツシユ間に1000V印加し、そ
の間隔が１mmとれば、Ｅは１×10⁶（Ｖ／ｍ）とな
る。

一方Δεは、一般に被計測光の波長と用いられ
る光電面の種類で定まり、例えば波長が0.53μｍ
で光電面をマルチアルカリ光電面とすれば、Δε
は、約0.5eVである。

これらの値を上式に代入すれば、この時の光電
面近傍での光電子の走行時間広がりは約1.7psで
あることがわかる。

より走行時間広がりを小さくするには、光電面
とメツシユ間の電界を大きくすればよい。

さらに、本件発明者等は、従来より知られてい
ることではあるが、前記電界を大きくすること光
電面の長波長領域の感度を増すことができること
にも着目した。

第９図は光電面とメツシユ電極間の電界と、光
電面の波長感度の関係を示すグラフである。

このグラフは光電面としてＳ−20（米国電子機
械工業会の規格）を用い、波長0.6μｍ、0.8μｍ、
0.85μｍの入射光の電界依存性を測定したもので
ある。このグラフは電界が大きくなるにつれて、
感度が増し、特に、長波長側の感度が増大するこ
とを示している。

良く知られているように、光電面表面の電界を
大きくするためには、光電面とメツシユ間の間隔
を狭くし、かつその間に印加される電圧を大きく
すれば良い。

ところが、従来のストリーク管において、光電
面とメツシユ電極間の電界を大きくすると暗電流
が増加するという問題がある。

第１０図は従来のストリーク管における加速電
界と暗電流の関係を示すグラフである。

第１０図に示されているように、加速電界を大
きくすると光電面から放出されるように暗電流も
次第に増加する。

このような暗電流の発生は、ストリーク像の
Ｓ／Ｎを小さくする。

さらに光電面表面の微細なキズがあると、電界
放出により電子が放出される。この電子により出
力面に現れる雑音像を本件発明者等は白傷（また
は白スポツト）といつている。

また、ストリーク管で得られるストリーク像の
Ｓ／Ｎを改善するために、出力面を掃引する短時
間だけ、光電面から光電子を放出させ、その他の
時はメツシユ電極の電圧を低くして、光電面から
光電子を発生させないように方法が考えられる。

光電面とメツシユ電極間の電界を大きくするた
めには順方向（加速方向）での動作時の印加パル
ス電圧の振幅を大きくすれば良いのだが、大きい
振幅の短い持続時間の電圧パルスの発生は容易で
はない。

前述したように、光電面と加速電極であるメツ
シユ電極間の間隔を狭くすることにより、低い電
圧で、大きい加速電圧が得られる筈である。

しかし、間隔を例えば１mm以下に狭くするに
は、機械的な精度が出し難いと言う問題がある。

またメツシユ電極を介して光電面材料を入射窓
に供給するという光電面製造方法を採用するとき
は、メツシユ電極の影になる部分に光電面が形成
されないという問題がある。

このような理由からストリーク管では光電面と
メツシユ電極間の間隔を極端に狭くすることはで
きない。

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管およびそのストリーク
管を用いたストリーク装置を提供することにあ
る。

（問題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
リーク管は、 入射窓内面に形成された光電面と前記光電面の
発生した光電子を加速し偏向する電極をもつスト
リーク管において、 前記入射窓の内面の一部に突出部を形成し、 前記突出部の突出端の表面に外部回路に接続さ
れる電極薄膜を介して光電面を形成し、 前記光電面が前記入射窓内面に対面して配置さ
れている加速電極に最も近接して配設され、光電
子を加速電極で加速し、偏向電極で偏向するよう
に構成されている。

また本発明によるストリーク装置は、 入射窓を有する気密容器と、 前記入射窓の内面の一部に形成された突出部
と、 前記突出部の突出端の表面に外部回路に接続さ
れる電極薄膜を介して形成された光電面と、 この光電面から放出された光電子ビームを、出
力スクリーンの方向に急加速するための加速電極
と、 前記光電面から放出された光電子像を出力スク
リーン上に再結像させるための集束電極およびア
パーチヤを有するアノード電極と、 この光電子ビームを出力スクリーン上で掃引す
るための偏向電極と、 出力像を形成するための蛍光面と、 前記蛍光面を内面に設けた出力窓と、 からなるストリーク管 および前記加速電極に前記光電子ビームの掃引時
のみスクリーンに光電子が到達するように加速方
向にパルス状の加速電圧を印加する手段とから構
成されている。

（実施例） 以下図面等を参照して本発明さらに詳しく説明
する。

第１図および第２図は、本発明によるストリー
ク管の第１の実施例を示す図であつて、第１図は
偏向電極に平行な平面で切断して示した断面図、
第２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３図は、前記第１の実施例の入射窓の中心部と
加速電極の関係を拡大して示した断面図である。
この実施例は前記入射窓と加速電極の相対位置関
係を除き、先きに第７図および第８図を参照して
説明したストリーク管の構成と異ならない。

入射窓１０１の中心に直径40μｍのガラスフア
イバ１３１を入射窓表面まで延出するように固定
してある。

このガラスフアイバ１３１は入射窓に小さい孔
を開けてガラスフアイバ１３１を挿入して加熱し
て固定するか、後述するように入射窓を分割して
対応する凹溝を設け、ガラスフアイバ１３１を挟
み付けて加熱して固定するようにしても良い。

ガラスフアイバ１３１は入射窓の内面から加速
電極であるメツシユ電極方向に200μｍ延びでお
り、表面の曲率半径は20μｍである。

前記ガラスフアイバ１３１の突出端の側面およ
び入射窓の内面には外部回路に接続される電極薄
膜１３２が形成されている。

そして前記ガラスフアイバ１３１の側面に被着
された前記電極薄膜１３２を介して、ガラスフア
インダ１３１の表面に光電面１３４が形成されて
いる。

光電面１３４とメツシユ電極１０５との間隔
は、約２mmである。

なお光電面１３４は前記突出端に形成されてい
れば十分であるが入射窓の内面に被着されても動
作上支障はない。

基板より突き出した構造から生じる電界増強効
果は以前より良く知られている。

第４図は電界増強効果を説明するための略図で
ある。

一般に距離ｄ〔ｍ〕離れた平行平板の間にＶ
〔Ｖ〕の電圧を印加すると、この間に形成される
平均電界ＥはＥ＝Ｖ／ｄ〔Ｖ／ｍ〕で与えられる。
このとき第４図に示すように一方の板上に、距離
ｄに比較して十分その高さｈが小さいと見なし得
る突起があつたとする。

そして、その突起の頂きが半径ｒの半球で、そ
の下の柱の部分が例えば円柱状とすれば、この半
径ｒの頂きの付近の表面の電界はβEとβ倍に増
強される。

βは次式で示される。

β＝ｈ／ｒ＋２ ………(1) 例えばｒが10μｍ、高さｈが100μｍとすればβ
は10で約10倍に電界が増強されることになる。

一般には、突起において、ｈ＜＜ｄでなかつた
り、形状が円柱でない時は(1)式にあてはまらない
が、電界増強が発生し、突起の高さが大きいもの
ほど、また、とがつているほど増強される。

本発明はこの現象を利用し、ストリーク管で
は、時間分解を行わせるために、入射光を光電面
に点状または線状に入射させ、この部分だけを光
電面として利用するので、ストリーク管の被計測
光の入射する部分の形状を、点状または線状に突
き出させ、この部分を光電面を形成し、加速電極
との間に電圧を印加する。

こうすれば、この部分だけの表面付近を他の所
に比較して、強電界とすることが可能になり、時
間分解能と光電面の赤感度の点で有利になる。

一方この強電界となる所は点状または線状光の
入射する部分だけに限定されるので、暗電流の増
加によるバツクグランド上昇や、白スポツトの発
生の確率は、従来のものに比較してその面積比だ
け減少する。

一方光電面基板とメツシユ電極間の印加電圧
は、電界増強効果のため、この突出部の表面に形
成される電界と同じ強さのものを単なる平行平板
で生じさせるのに比較して、１／βですみ、ゲー
ト動作も容易となる。

第３図に示した実施例の先端部表面（光電面１
３４の表面）の電界は、(1)式を適用すると、入射
窓内面の電極薄膜表面の電界の12倍となる。

電極薄膜１３２とメツシユ電極１０５間に
500Vの電圧を印加すると、光電面１３４の部分
の電界は3KV／mmとなる。

次に前記ストリーク管の動作を説明する。

図示されていない装置で被測定光を入射窓１０
１の前記光電面の形成されている突出部に相当す
る所に入射する。

入射窓１０１の表面の前記光電面に相当する部
分以外の所を遮蔽しても良い。

被測定光はガラスフアイバ１３１により光電面
１３４に導かれて、光電子を放出させる。

前述のように光電面１３４の近くの電界は極め
て大きいので、放出された電子はメツシユ電極１
０５により急加速され、集束電極１０６により集
束され、アパーチヤ電極１０７を通過し、偏向電
極１０８の間隙に入射させられる。

この線状の電子像が偏向電極１０８の間隙を通
過する期間、前記偏向電極１０８に傾斜状の偏向
電圧を加える。

この電圧によつ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１図の断面図において
紙面に垂直、第２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１０８の偏向電界により偏向さ
れ、螢光面１０９に入射させられる。

第２図に偏向の方向を矢印１２０で示してあ
る。螢光面１０９上には点状の電子ビームによる
ストリーク像が形成される。

第５図は、入射窓のさらに他の実施例を示す斜
視図である。

この実施例も前述と同様に先に説明したストリ
ーク管に適用される。

第３図に示したガラスフアイバ１３１と同じ形
状のガラスフアイバ１５１をストリーク管の掃引
方向に直角方向に0.5mmの間隔を保つて、10本配
列したものである。

ガラスフアイバ１５１は入射窓１０４を分割し
て分割端面にガラスフアイバ１５１に対応する溝
を形成して挟み付けて溶着する。

第３図の場合と同様に電極薄膜と光電面を形成
する。

光電面とメツシユ電極の間隔は同様に約２mmで
ある。

前述した第１の実施例と同様に、光電面表面の
電界を容易に大きくすることができる。

螢光面１０９には10本の電子ビームにより10個
のストリーク像が得られる。

第６図は、入射窓のさらに他の実施例を示す斜
視図である。この実施例も前述と同様に先に説明
したストリーク管に適用される。

入射窓１０１の前面をピツチが5μｍのフアイ
バプレートから形成し、入射窓の内面の中心部の
10mm×500μｍの部分を、高さ200μｍだけメツシ
ユ電極方向に突出させており、突端の表面は10mm
×200μｍとしたものである。

第３図の場合と同様に電極薄膜と光電面を形成
する。

光電面とメツシユ電極の間隔は同様に約２mmで
ある。

前記光電面の長手方向はストリーク管の掃引方
向に直角方向である。前述した第１および第２の
実施例と同様に、光電面表面の電界を容易に大き
くすることができる。

螢光面１０９は線状の電子ビームが上から下に
掃引されてストリーク像が形成される。

前記各実施例に示すように光電面の部分を突出
させると光電面の表面の電界を大きくすることが
できるので、ストリーク管の時間分解能や、赤感
度を向上させることができる。

光電面の面積は従来の光電管に比較して、少な
くてすむが暗電流が大きくなる可能性がある。

この問題は次の使用法により解決できる。

光電面とメツシユの間に、螢光面上で掃引され
る期間、例えば5nsの間だけ例えば500Vをメツシ
ユ側が正極性で印加し、その他の時は0Vとする。

こうすれば暗電流のバツクグランドへの寄与
は、掃引時のみとなるので、暗電流の影響を極端
に少なくすることができる。

従来のストリーク管（光電面が突出していない
もの）において、前記のような3KV／mmという
高電界を発生させるには、光電面−メツシユ間に
6KVの電圧を印加する必要があるが、このよう
な大振幅の電圧を短時間（例えば5ns）印加する
ことは困難である。

（発明の効果） 以上詳しく述べたように、本発明によるストリ
ーク管は、入射窓の内面の一部に突出部を形成
し、前記突出部の突出端の表面に外部回路に接続
される電極薄膜を介して光電面を形成し、前記光
電面が前記入射窓内面に対面して配置されている
加速電極に最も近接して配置されるように構成し
てあるから、前述したように、光電面の部分の電
界を容易に大きくすることができる。

また比較的低い電圧の印加により大きい電界を
発生させることができるので、必要な極端時間だ
け鋭い電界の変化を与えるように駆動して使用す
ることができる。

これにより、高い時間分解能と、高い赤感度を
有し、かつバツクグランド上昇や、白スポツトの
発生のないストリーク管を得ることができる。

前述したように、ゲート動作を行う時のパルス
電圧の振幅を小さくすることができるから、ゲー
ト電圧発生回路を簡単にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるストリーク管の第１の実
施例を管軸を含み、偏向電極に平行な平面で切断
して示した断面図である。第２図は前記ストリー
ク管を、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３図は、前記第１の実施例の入
射窓の中心部と加速電極の関係を拡大して示した
断面図である。第４図は電界増強効果を説明する
ための略図である。第５図は、入射窓のさらに他
の実施例を示す斜視図である。第６図は、入射窓
のさらに他の実施例を示す斜視図である。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で
ある。第８図は前記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。第９図は光電面とメツシユ電極間の
電界と、光電面の波長感度の関係を示すグラフで
ある。第１０図は従来のストリーク管における加
速電界と暗電流の関係を示すグラフである。 １０１……入射窓、１０２……出射窓、１０３
……真空気密容器、１０４……光電面、１０５…
…メツシユ電極、１０６……集束電極、１０７…
…アパーチヤ電極、１０８……偏向電極、１０９
……螢光面、１３１……ガラスフアイバ、１３２
……電極薄膜、１３４……光電面、１５１……ガ
ラスフアイバの突出列、１６１……ガラスフアイ
バの線状突出部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入射窓内面に形成された光電面と前記光電面
   の発生した光電子を加速し偏向する電極を持つス
   トリーク管において、 前記入射窓の内面の一部に突出部を形成し 前記突出部の突出端の表面に外部回路に接続さ
   れる電極薄膜を介して光電面を形成し 前記光電面が前記入射窓内面に対面して配置さ
   れている加速電極に最も近接して配設されるよう
   に構成したことを特徴とする光電子を加速電極で
   加速し、 偏向電極で偏向するストリーク管。 ２ 前記突出部は入射窓の中心に設けられ入射窓
   表面まで延出されているガラスフアイバである特
   許請求の範囲第１項記載の光電子を加速電極で加
   速し、偏向電極で偏向するストリーク管。 ３ 前記突出部は入射窓に前記掃引方向に直角方
   向に間隔を保つて配置され、それぞれ入射窓表面
   まで延出されているガラスフアイバである特許請
   求の範囲第１項記載の光電子を加速電極で加速
   し、偏向電極で偏向するストリーク管。 ４ 前記突出部は入射窓に前記掃引方向に直角方
   向に帯状に配置され、それぞれ入射窓表面まで延
   出されているガラスフアイバである特許請求の範
   囲第１項記載の光電子を加速電極で加速し、偏向
   電極で偏向するストリーク管。 ５ 入射窓を有する気密容器と、 前記入射窓の内面の一部に形成された突出部
   と、 前記突出部の突出端の表面に外部回路に接続さ
   れる電極薄膜を介して形成された光電面と、 この光電面から放出された光電子ビームを、出
   力スクリーンの方向に急加速するための加速電極
   と、 前記光電面から放出された光電子像を出力スク
   リーン上に再結像させるための集束電極およびア
   パーチヤを有するアノード電極と、 この光電子ビームを出力スクリーン上で掃引す
   るための偏向電極と、 出力像を形成するための蛍光面と、 前記蛍光面を内面に設けた出力窓と、 からなるストリーク管 および前記加速電極に前記光電子ビームの掃引時
   のみスクリーンに光電子が到達するように加速方
   向にパルス状の加速電圧を印加する手段とから構
   成した光電子を加速電極で印加し、偏向電極で偏
   向するストリーク装置。