超短パルス電子回折実験用電子源の開発
川西淳介

0512036

米田研究室状況である[1]．本研究では，WarmDense Matter

１．はじめにの測定データを，表面の原子の動きを直接観本研究では，固体とプラズマの中間の領域であ測できる方法として，超短パルス電子回折にる，Warm Dense Matter の物性データを計測すよる測定を提案する．超短パルス電子回折とるための超短パルス電子回折をテーマとして扱

は，原子レベルの分解能並びにフェムト秒(fs)っている．

レベルの時間分解能で物質の表面を測定できWarm Dense Matter とは固体とプラズマの中間の領域であり，その密度は固体と同程度から十分の一程度，温度は数千から数万Ｋ程度である．

る方法であり，現在，X線回折にかわる方法として，注目されている．
超短パルス電子回折とは，原子レベルの分解能並びにフェムト秒(fs)レベルの時間分解能で物質の表面を測定できる方法である．現在，内殻の励起が可能であり，Thomson散乱などで電子温度・電子密度などの計測が可能なＸ線やVUVによる測定が行われている．これとは異なるアプローチとして，電子回折が原子を直接観測する方法として注目されてきている．この電子源に長短パルスレーザーを用いた光電効果を用いることにより，fsオーダーでの時間分解能を得ることも可能である．
本研究では，超短パルス電子回折システムの開発を行うことを目的とする

Fig.1 物質の様々な状態の分類

[1]

２．原理
固体の物性については固体物理学（SolidState Physics）が，プラズマの物性については・電子数の測定

プラズマ物理学（Plasma Physics）が高い完成度で存在し，積み上げられた研究成果から物性超短パルス電子回折を用いれば，fs オーダーと計算を行うことができる． しかし，Warm Dense

いう短い時間分解能でターゲットを測定する

Matter はどちらの物理モデルを用いても完全ことができる．この方法において，短い時間分に説明することはできない． また，WarmDense解能を維持するためには，電子数を少なくしな

Matter の実験データはまだ十分に出揃っていくてはならない．仮に，電子数を多くしてしまるとは言えず，今後の実験に期待するしかない

うと，電子間にクーロン力が働き，電子線パルス幅が広がってしまう．しかしながら，電子数した超短パルスレーザーよりも短くなると期を少なくすると，今度はシャープな回折像が得待できる．

られなくなってしまうという問題が出てくる．
こららの問題を解決するには，1 パルス当たりの３．実験方法

電子数を 6000 個にすれば良いことが分かっている[2]．

・電子源の作成

電子源の供給する電子数は，その膜圧と，レーザーの強度及び波長に依存する．その際，電子本研究では，合成石英基盤の上に，蒸着器数の測定には MCP 等の電子を視覚的に測定するで金を蒸着したものを作りそれを電子源とし方法が一般的である．それに対し，本研究では，た．

膜厚及び波長を一定にし，レーザーの強度のみ

この際，均一な厚みの蒸着膜を得るため，を変化させ，その上で電子源から電子を受け取基盤は 150℃に温めながら蒸着を行った．

る電極とアース間の電流値を数 pA 程度までの微小電流として測定することにより電子数を求めるシステムを作製した．
電子１つの持つ電荷 q は，1.602 × 10-19 [C]である[3]．これを電流に直すと，１A で 1 秒間にある面を１C の電荷が通過するので，電子１つでは，1.602 × 10-19[A]となる．

本研究では，このことを利用し，電子源から出てきた電子を電流としてとらえ，それを計測することで，電子源を評価することにした．
・多光子吸収Fig.2 蒸着器
本研究では，電子源として酸化しにくい物質である金を用いた．

また，蒸着膜の厚みの均一さをエリプソメ

電子は電子源にレーザーを照射し，光電効果にーターで測定した．以下に示す Fig.3 はその結より出てきた電子を用いるのだが，その際，金果である．

が光電効果を起こすためには，266nm 以下の波長を持つレーザーを照射しなくてはならない．
しかし本研究では，これよりも長い波長のレーザーを照射し，多光子吸収により光電効果を起こして電子を得ることにした．
多光子吸収は，レーザーの強度が高いときに起こるため，得られる電子線のパルス幅が，照射のである．
2.5

この装置は，ノイズを極力排除し，数 pA の電流まで計測できるようになっている．

2

屈折率

1.5
屈折率ｎの値
屈折率ｋの値

４．結果

1

均一な膜厚の金を蒸着した電子源を作製し，0.5

膜厚 10 nm において，波長 800 nm および 2 倍

005101520波結晶を通した波長 400 nm という 2 種類の波移動距離[μm]長の超短パルスレーザーを集光して電子源に
Fig.3 エリプソメーターによる測定結果照射することで得られた電子数のグラフをFig.5 に示す．

上図より，均一な厚みの蒸着膜が得られたことがわかった．
・電子数の測定上で作製した電子源を，以下の Fig.4 に示す実
験装置にセットした．

中心波長：800 nm
2倍波結晶

出力：6 nJ/pulse
繰り返し周波数：75 MHz

チョッパー
中心波長：400 nm
電子源

ロックイン
アンプ

出力：3 nJ/pulse

出力電流値測定結果

繰り返し周波数：75 MHz

高電圧源(~5kV)

Fig.5 レーザー出力に対する金の吸収波長は仕事関数が 4.7 eV なので，アルミ板電極+260 nm 程度であるため，電子の励起には波長800nm では 3 光子吸収が，波長 400 nm では 2Fig.4 実験装置

チェンバー内の圧力を 5.0×10光子吸収が起こることが必要となる．図１に-6[Pa]まで下げ，示した結果から，電子源において，レーザー電子源としては，蒸着器で作製した 10nm の金の波長を 2 倍波結晶で半分の波長 400 nm にす薄膜試料を用いた．この装置は，電子源―アルると，強度も半分程度になるが，2 光子吸収をミ板間に 1.7 kV の電圧をかけて電子を加速し，起こし，パルス幅 50fs，周波数 75MHz，強度アルミ板が受け取った電子がアースにおちる間

3 nJ/pulse の超短パルスレーザー照射に対し，の電流を測定することにより，電子数を測るも10nm の金の蒸着膜からは，強度 0.6 nJ/pulse

で 2 光子吸収が起こり始め，3 nJ/pulse で 0.9 pA

６．今後の予定の電流値が得られ，波長 800 nm では出なかった電子が出ることが確認できた．

まず，均一な厚みの蒸着膜であるが，今の段階では，十分なものが出来ていると考えら

４．評価れる．しかし，もともと合成石英と金はくっつきにくく，今回つくったものは，基盤であ電子線パルス幅が 200 fs の電子線パルスにおいる合成石英の板の上に，金の蒸着膜が乗ってて，電子数が 6000 個以下ならば，パルス幅を広いるだけという状態である．今後さらに，こげずに 150 µm のスポットまでフォーカスするの点を改良すべく，基盤と金の間に，接着剤ことができる[2]．となるタングステン等の物質を挟んだものをこれを，繰り返し周波数 75 MHz のレーザーで作製，及び評価すれば，より長持ちする電子得た場合，電流値に直すと，72 nA になる．

源が作製できる[9]．

これに対し，今回得られた電子の電流値は，レまた，電子数の評価だが，今回， 6000 個のーザー強度 3 nJ/pulse，0.9 pA であり，スポッ電子を得るには 28mm 程度のスポットが必要

ト径は 100 μm を仮定した．

であるが，これは少々大きいので，もっと小すなわち，ビーム径 28.3 mm，240 µJ/pulseの超短パルスレーザーを用意し，10 nm の金がさいスポットでも十分な電子が得られる方法を模索する．

蒸着された電子源にそのまま照射すれば，超短パルス電子回折に必要な電子線パルスを得ることができる．
５．まとめ
以上の結果及び評価より，金薄膜を用いた超短パルス電子回折実験用電子源を開発した．この電子源に 3 nJ/pulse，波長 400 nm，パルス幅50 fs の超短パルスレーザーを集光することにより，0.9 pA の電流を観測し，２光子吸収の発生が確認できた．
また，240 µJ/pulse の強度を持つ超短パルスレーザーを 28.3mm のスポットに照射することで，必要な電子数 6000 個をもつ電子線パルスを得ることができることがわかった．

参考文献[1] http://www.ils.uec.ac.jp/~yoneda/[2] J. Cao, Z. Hao, H. Park, C. Tao, D. Kau,and L. Blaszczyk

APPLIED PHYSICSLETTERS VOLUME 83, NUMBER 5(2003)[3] 電子デバイス工学郎/浅野種正

共著古川静二郎/荻田陽一

森北出版株式会社