[論文レビュー] An RF Timer of Electrons and Photons with the Potential to reach Picosecond Precision

A. Margaryan, V. Kakoyan+18 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2022

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 49被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、ヘリカルデフォルトを用いた新規な電波周波数（RF）タイミング装置を提案する。この装置は、電子の到着時間の違いを円形または楕円形の経路上の空間的位置に変換し、マイクロチャネルプレートと遅延ラインアノード検出を用いて約10 psのタイミング分解能を達成する。この技術により、最小限のデッドタイムで準ピコ秒レベルの精度が実現可能であり、超高速科学および高速応用分野における単一光子タイミングの可能性を示している。

ABSTRACT

This paper describes a new radio frequency timer of keV energy electrons. It is based on a helical deflector, which performs circular or elliptical sweeps of keV electrons, by means of 500 MHz radio frequency field. By converting a time distribution of incident electrons to a hit position distribution on a circle or ellipse, this device achieves extremely precise timing. Streak Cameras, based on similar principles, routinely operate in the ps and sub-ps time domain, but have substantial dead time associated with the readout system. Here, we report a new type of RF timing technique, where the position sensor, consisting of microchannel plates and a delay-line anode, produces ~ns duration pulses with small dead time. Measurements made with sub-ps duration laser pulses, synchronized to the radio frequency power, produced a timing resolution of ~10 ps. This ultra-high precision technique has potential applications in a large variety of scientific devices, and in all cases, electrons are timed and detected simultaneously in the same device.

研究の動機と目的

• 電子および光子の高精度タイミングシステムを、準ピコ秒分解能で開発すること。
• 従来のストリークカメラと比較して、超高速タイミングシステムにおけるデッドタイムを短縮すること。
• ピコ秒レベルの精度で単一光子の時間相関測定を可能にすること。
• RF周波数および幾何形状の最適化により、1 ps未満の分解能を達成できるかの可能性を検討すること。

提案手法

• 500 MHzのRF電場をヘリカルデフォルトに印加し、電子を円形または楕円形にスイープする。
• 加熱されたタングステンカソード（仕事関数4.1 eV）から電子が発生し、約2.5 keVに加速される。
• 永久磁石が電子を90°偏折させた後、コリメートされ、検出器に向けて静電的焦点が合せる。
• 電子の位置は、デュアル・チェルノンマイクロチャネルプレート（MCP）と遅延ラインアノード（DL）を用いて測定され、信号の立ち上がり時間は約nsである。
• RFスイープにより到着時間と空間位置をマッピングし、時間分解能は空間分散と検出器の分解能から導出される。
• モードロックされたフェムト秒レーザー光ビームとの同期により、時間相関単一光子計数が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RFベースのタイミングシステムは、最小限のデッドタイムで準ピコ秒分解能を達成できるか？
• RQ2 500 MHzのRF電場と遅延ラインアノードシステムを用いた場合の到達可能なタイミング分解能はどの程度か？
• RQ3 内在的な時間分解能は、RF周波数、偏光半径、および検出器の空間分解能にどのように依存するか？
• RQ4 1 ps程度の間隔で分離された単一光子イベントを同定できるか？
• RQ5 連続稼働下でのRFタイミングシステムの長期的時間安定性はどの程度か？

主な発見

• RFタイミングシステムは、実測で約10 psのタイミング分解能を達成した。これは主にプロトタイプのハードウェアおよびRFパラメータの制限による。
• 内部時間分散の合計は10.3 psと計算され、実測分解能と良好に一致した。
• 1時間の時間安定性は±0.5 ps FWHMの範囲内にあり、優れた長期的安定性を示した。
• 内在的なデッドタイムは約20 nsであり、ストリークカメラと比較して顕著に短く、より高速なピクセル化検出器を用いればピコ秒レベルにまで短縮可能である。
• 理論的解析により、10 GHzのRF周波数と最適化された幾何形状を用いれば、100 fs未満の分解能が達成可能であることが示された。
• ビート周波数動作（例：495 MHzと505 MHz）を用いたデュアルコイル系により、1スキャンサイクルあたり100 nsの時間範囲を拡張可能である。