Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

Measurement of femtosecond electron bunch using ultrafast carrier phenomena
K. Kan1, J. Yang, T. Kondoh, K. Norizawa, Y. Yoshida
The Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka University, 8-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka, 567-0047
Abstract
A measurement of femtosecond electron bunch using ultrafast carrier phenomena in semiconductors, such as GaAsand AlGaAs, was proposed. In this paper, the ultrafast phenomena induced by an electron beam in GaAs wereinvestigated. Excited carriers in GaAs induced by an electron beam were observed by a luminescence and transmission
spectrum. Furthermore, reflection change by the excited carriers was measured at the wavelength corresponding to theband gap in GaAs.

超高速キャリア現象によるフェムト秒電子線パルス測定の可能性
GaAsへ照射した。電子ビームのエネルギーは22MeV、パルス幅は30ps、電荷量は12.5nCであった。Xeラン
阪大産研では、レーザーフォトカソードRF電子銃、 プはGaAs上で焦点を結び、偏光板を通り、分光器とS-バンド加速管、磁気パルス圧縮器を導入し、フェSiフォトダイオード(PD)により検出される。GaAsに
ムト秒電子線パルスの発生とフェムト秒パルスラジよる発光はXeランプの光量よりも非常に大きく、測オリシスの開発を行っている。現在、100 fsの電子定ノイズとなるので偏光板により、電子ビームによ線パルスを発生しているが、パルスラジオリシスのる発光が検出されにくいように調整を行った。
時間分解能を向上するためには、100 fs以下の電子反射率が電子ビーム励起により変化するとすれば、線パルス幅測定技術が必要である。しかし、100 fs
反射率変化(⊿R/R)は次式により定義できる。
以下のパルス幅には、ストリークカメラによる測定
IΔRは適用できないため、新しい測定手法が不可欠であ(1)= −1る。そこで、本研究では、半導体（GaAs、AlGaAsRI0等）の超高速キャリア現象を用いた電子線パルス幅
ここで、Iは電子ビーム照射時の光量、I0 は電子計測を提案し、その可能性について研究を行った。
ビーム照射がないときの光量である。
半導体における、超高速キャリア現象はフェムト表1に反射率変化を測定するための、測定項目を秒レーザーを用いた光励起によるポンプ・プローブ示す。パルスラジオリシスを行う場合と同様な測定、実験で研究されてきた[1]。フェムト秒レーザーをつまり、電子ビームの照射とXeランプの照射の有無半導体表面に照射すると、電子が荷電子帯から伝導を組み合わせ、PDによる測定を行えばよい。さらに、体へ励起される。励起された電子は荷電子帯からの反射率変化は表1に示すような、4種類の測定項目遷移を防ぎ、その結果半導体でのバンド間遷移によ(LB、B、L、Back)を用いて、(1)式を次のような式
る光吸収が減少し、反射率の増加がレーザー照射とであらわすことができる。
同時に起こる。さらに、励起された電子は、伝導帯
I = LB - B
内か荷電子帯へ遷移し、バンド間遷移による光吸収(2)が増加し、その結果反射率が減少する。電子線誘起
I 0 = L - Back
で同様な現象を観測することができれば、反射率かΔRI
LB - B
透過率の増加の立ち上がり時間により、パルス幅測=−1 =−1定を行うことができると考えられる。
I0L - Back
R
そこで、本研究では、阪大産研L-バンドライナッ
この式によると、Xeランプと電子ビームを照射したクからの電子線パルスを用いて、GaAsの反射率変化ときの光量(Xeランプ＋電子ビームによる発光＋反について研究を行った。
射率変化)から、電子ビームのみを照射したときの１．はじめに２．電子ビーム励起による反射率変化測定と計算式

光量(電子ビームによる発光)を引いた時の差が変動すれば、反射率変化がおこることを意味している。

図1に電子ビーム励起による反射率変化測定システムの光学系を示す。L-バンドライナックからの電子ビームと同期したXeランプの分析光を空気中で
1

E-mail: koichi81@sanken.osaka-u.ac.jp-925-Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

10.50.80.40.60.30.40.20.20.10850

Beam(B)

Light
(L)

1000

105001100

図2．電子ビーム励起によるGaAsの発光スペクト
ル(赤)と分光光度計による透過率スペクトル(青)表1．それぞれの測定項目と電子ビーム照射およびXeランプの照射の有無
Light+Beam(LB)

950

Wavelength [nm]図1．反射率変化測定システム

測定項目

900

T [%]

Luminessence intensity [a.u.]

それによる発光が確認された。

Background(Back)

3.2 反射率変化の測定結果

発光スペクトルの測定結果から、励起キャリアは熱化した後に、伝導帯端に分布することが得られ、
電子ビーム
○○××
荷電子帯-伝導帯のバンドギャップ間遷移に相当する近辺の波長(880nm)で、反射率変化の測定を行っ
Xeランプ
○×○×
た。
ただし、○は照射あり、×は照射無しとする。
880nmにおける発光は大きくノイズとなる可能性があるので、分光器前の偏光板を調整することにより、PDで測定される発光を小さくした。その結果、
３．測定結果GaAsによる発光は偏光特性が観測され、Xeランプの観測される光量が最大となる偏光板の角度と、発光の観測される光量が最低となる偏光板の角度は、3.1 発光スペクトルの測定結果30°のずれがあった。そこで、偏光板は発光の光量
図2に、GaAsの電子ビームによる発光スペクトルが最低となる角度で測定を行った。これは、GaAsのと分光光度計により得られた透過率スペクトルを示サンプルの角度や、検出器に対する面方位などに依す。電子ビームの電荷量は12.5nC、パルス幅は30ps存するためであると考えられる。
であった。発光スペクトルの強度は、PDで測定され図3に、880nmにおける、30回積算の電子ビームとXeランプの測定結果を示す。それぞれの曲線は表1たオシロスコープのピークの値を用いた。バンドに示すような4種類の測定をPDにより測定した結果
ギャップ間エネルギーは1.4eVであり、波長に換算である。図3において、Lは電子ビームと同期されてすると870nmとなる。発光スペクトルは890nmにピーいるXeランプのみの測定であり、20nsの時間領域でクが観測された。透過率スペクトルの測定では、は定常光源とみなすことができる。LBはXeランプに920nmにおいて大きな減少が見られた。よって、電電子ビームによる発光と反射率変化を足し合わせた子ビーム励起により伝導帯へ励起キャリアが生成さものである。Bは電子ビームのみの発光である。
れ、励起キャリアは熱化により伝導帯端に遷移する。
Backはいずれも照射しないときのである。LBとBでその結果、発光スペクトルでは、伝導帯-荷電子帯は、電子ビームによる発光が観測され、電子ビーム間のバンド間遷移により、バンドギャップに相当すはほぼ0nsに照射されていることがわかる。
る波長の近辺でピークが観測された。透過率スペク
図4に、図3の結果を(2)式により計算したIとI0のトルでは、920nmにおける長波長領域ではバンド計算結果を示す。Iは電子ビームの照射時(0ns)に変ギャップ間遷移の減少により透過率の増加、短波長化がみられることから、電子ビームの照射と同時に反射率が変化しているために、変動が観測された。
領域ではバンドギャップ間の遷移の増加により透過
また、I0はほぼ変化がない。
率の大きな減少が観測された。以上の結果から、電図5に、880nmにおける、12.5nCと15nCの電子ビー
子ビーム励起により、キャリアが生成することと、-926-

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ム励起による反射率変化の計算結果を示す。電荷量の高い方が、大きな反射率変化が観測された。この
結果、電子ビーム励起により、伝導帯に励起されたキャリアは熱化した後で伝導帯端に分布し、ほぼバンドギャップに相当する波長(880nm)における反射率変化が確認された。
0.05@ 880 nm

0.1dR/R

0.0400.03

12.5 nC-0.1

0.02
0.01-0.2-50-0.02

0510

Time [ns]-0.01

図5．電子ビーム励起によるGaAsの反射率変化-505４．まとめと今後の展望

10Time [ns]図3．880nmにおける電子ビームとXeランプの測定
データ
0.014

I0.012

PD voltage [V]

15 nC

0.2

L avg [V]LB avg [V]B avg [V]
Back avg [V]@ 880 nm
PD voltage [V]0.30.01I

00.008
0.006
0.004
0.002
0-505

Time [ns]図4．IとI0の計算結果

10

本研究では、超高速キャリア現象による電子線パルス幅測定の可能性について検討した。電子ビーム励起によりキャリアのバンド間遷移による発光が観測された。そのことから、電子ビーム励起においても、レーザー励起と同様に、励起キャリアが生成されることが示された。さらに、電子ビーム励起により熱化したキャリアが伝導帯のバンド端に存在し、そのキャリアによる反射率変化が観測された。
今後は、レーザーフォトカソードRF電子銃ライナックにおいて、フェムト秒レーザーを用いた測定を行い、電子ビーム励起によるキャリアの励起過程を研究する予定である。L-バンドライナックにおけるピーク電流は、電荷量が12.5nC、パルス幅が30psの時、0.42 kAであったが、フォトカソードRF電子銃ライナックにおいては、例えば、電荷量が0.1nC
パルス幅が100fsとすると、1 kAとなり、励起直後の密度は約2倍と見積もられる。また、本研究での時間分解能は、PDの時間分解能(>1ns)であるが、フェムト秒レーザーを用いたストロボスコピック法で行えば、時間分解能は向上し、S/Nが改善されると考えられる。

謝辞
本研究を行うにあたり、加速器の運転、調整を行って下さいました加速器量子ビーム実験室の方々、半導体サンプルの提供と物性等のアドバイスを下さいました大阪大学産業科学研究所-朝日研の方々に感謝いたします。

参考文献[1] F. Ganikhanov et al., Phys. Rev. B, 60, 8890 (1999)-927-