[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种基于螺旋偏转器的新型射频（RF）定时装置，该装置将电子的到达时间转换为圆形或椭圆形路径上的空间位置，利用微通道板和延迟线阳极探测技术实现了约10 ps的定时分辨率。该技术可实现亚皮秒级精度且死时间极短，展示了在超快科学和高速应用中实现单光子定时的潜力。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于电子和光子的高精度定时系统，实现亚皮秒级分辨率。
• 与传统条纹相机相比，降低超快定时系统中的死时间。
• 实现单光子事件的时间相关测量，精度达到皮秒量级。
• 探索通过优化射频频率和几何结构实现<1 ps分辨率的可行性。

提出的方法

• 该装置使用500 MHz的射频场施加于螺旋偏转器，实现电子在圆形或椭圆形路径上的扫掠。
• 电子从加热的钽阴极（功函数4.1 eV）发射，并加速至约2.5 keV。
• 永久磁铁使电子偏转90°，随后进行准直和静电聚焦，使其朝向探测器。
• 电子位置通过双-chevron微通道板（MCP）和延迟线阳极（DL）测量，其信号上升时间约为ns量级。
• 通过射频扫频将到达时间映射为空间位置，时间分辨率由空间色散和探测器分辨率推导得出。
• 与锁模飞秒激光束同步，实现时间相关单光子计数。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于射频的定时系统是否能在极短死时间下实现亚皮秒级分辨率？
• RQ2 当使用500 MHz射频场和延迟线阳极系统时，可实现的定时分辨率是多少？
• RQ3 固有时间分辨率如何依赖于射频频率、偏转半径和探测器空间分辨率？
• RQ4 该系统是否能够分辨间距约为1 ps的单光子事件？
• RQ5 在连续运行条件下，该射频定时系统的长期时间稳定性如何？

主要发现

• 射频定时系统实测时间分辨率达到约10 ps，主要受限于原型硬件和射频参数。
• 内部总时间色散计算值为10.3 ps，与实测分辨率高度一致。
• 一小时内时间稳定性在±0.5 ps FWHM以内，表明具有优异的长期稳定性。
• 固有死时间约为20 ns，显著低于条纹相机，若采用更快的像素化探测器，可进一步降低至皮秒量级。
• 理论分析表明，若使用10 GHz射频频率并优化几何结构，可实现亚100 fs分辨率。
• 采用双线圈拍频工作模式（例如495 MHz和505 MHz）可将时间测量范围扩展至每扫描周期100 ns。