JPS5847823B2 - スリツトソウサシキゾウヘンカンカン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はスリット走査式像変換管に関するものである。

極めて短い露出時間で像を記録すると非常に短時間の光
現象の時間的変化の形をプロットすることができる。

従って、超高速度電子映画写真は、弾道学、爆発工学、
生きた細胞の研究、レーザー実験など各種の広い分野や
技術領域に応用される。

２つのタイプの電子カメラが用いられていることが知ら
れている。

即ち、調べるべき現象の２次元像を写真的に記録するた
めの全体像カメラと、調べるべき現象の１次元像の光レ
ベルの時間的変化を写真的に記録するためのスリット型
カメラである。

上記両タイプの走査ビーム式像変換カメラでは、光電陰
極、制御電極、加速電極、集束電極、１対の偏向器およ
び電子増倍装置に連接させてよいエレクトロルミネセン
トスクリーンよりなる通常の像変換管の光電陰極上に調
べるべき現象の像が形成される。

光電陰極の光電属の各点で放射される電子の数は部分的
照射光のレベルに比例する。

電子は加速されスクリーンの例えば螢光面に集束されて
この上に可視像が形或される。

管の休止時には電子は制御電極に印加された負電位によ
って光電陰極のレベルに捕捉させる。

正の矩形波形を有する電気信号を該負バイアス電位に重
量して管の開放を開始させる。

開放時間は該正の矩形信号の接続時間で定まる。

全体像カメラでは、光電陰極の入射窓を隠すことによっ
て小寸法の像を作ることができる。

光学的偏向系の偏向器に適当波形のフレーミング信号を
印加することＩこよって１つのスクリーン上に並行して
一連の像を記録することができる。

これらの像は開放信号の周波数６こ応じた時間々隔だけ
隔っている。

スリット型カメラでは、光電陰極上に形威された像は狭
い孔又はスリット（その像がスクリーン上に形威される
）によって限界づけられている。

光学偏向系の偏向器に走査信号を印加することによって
、スリット像は連続的に移動する。

調べるべき光現象の持続時間の函数としての輝度の漸進
的変化が走査軸に沿って管の出射窓内に観察される。

同じ現象の空間的変化は走査軸と直角な軸に沿って、即
ち、スリットの長手力向に沿って記録される。

通常の型の像変換管は光学的回転系を具えている。

２次元像を形戊するように設計されたこの光学系は電極
に印加された電位の所与の分布に対して最適の動作を与
える。

光学的回転系の主な欠点は、空間的分解能が求める時間
的分解能に関係するということである。

時間的分解能を増すには光電子の加速電界を増さねばな
らないことは知られている。

電極上の電位のホモセテイツク（ｈｏｍｏｔｈｅｔｉｃ
）な変化は冷陰極放射および管中の電圧維持による問題
の故に考えることができない。

従って、光学的回転系では、空間的分解能は時間的分解
能が高まるにつれて減少する。

光学的回転系を有する従来のスリットカメラにおける空
間的分解能の低下のもう１つの原因は、光電陰極像の偏
向方向における走査の結果として該像がスクリーン上に
集束外れ（ｄｅｆｏｃｕｓ ）となることから起る。

従来の光学系では、回転対称性がないこと、および従来
型のカメラでは光学系は電子の伝播軸の周りに回転する
ものであることによって、上記集束外れを動的に補償す
ることができない。

本発明は光学系が回転対称性を有する従来のスリット型
走査管に比して、２軸に沿って異る調節ができ従って空
間的分解能および時間的分解能と無関係に最適化ができ
るスリット型走査カメラを設備せんとする像変換管に関
するものである。

本発明によるスリット管ではスリットの２軸は区別され
る（空間軸はスリットの長さに並行、時間軸は空間軸に
垂直）。

よって本発明による変換管は各軸において独立に最適化
される電子光学系を具え、時間軸に沿った最適化は電子
ビーム偏向系を含んでいる。

更に本発明によればこの構戒において特に平らな光電陰
極を用いる。

この光学系の時間的分解能および空間的分解能は同時に
最適となる。

該分解能によってスリットカメラの性能を従来の像変換
管で現時得られている値よりも高めることができる。

更に精密に云うと、本発明によるスリット走査式像変換
管は、調べるべき光現象の発する（又は反射する）光を
集める光電陰極中のスリットの像をスクリーン上で走査
することにより、速い変化をする光現象を観察すること
を意図するものである。

従来型の像変換管の場合と同様に、該管は光電陰極、プ
ランキング電極、少くとも１つの加速電極、およびスク
リーンよりなる。

加速電極とスクリーンとの間に在ってビームを偏向し集
束するための光学系は、スクリーン上に該スリットの最
大寸法の像を形或するための第１の電子手段と、上記方
向と直角な方向即ち該スリットと直角な方向においてビ
ームをスクリーン上に集束し偏向させるための該第１と
は独立な第２の手段とにより構或される。

集束は従って、両方の面即ち偏向面と空間面において独
立である。

空間面はスリットの最大寸法に対し並行であり、管中の
電子の平均伝播軸を含む。

偏向面はスリットと直角であり同じ電子伝播軸０２を含
む。

本発明によれば、該電子光学手段は、光電陰極スリット
の像をスクリーン上に生ずるために空間面において収斂
するレンズと、偏向面において収斂するレンズとであり
、以て光電陰極の又は加速電極により作られるクロスオ
ーバ一点の順次の像をスクリーン上に偏向軸に沿って形
或するようビームを偏向させる。

本発明の実施例では、光電陰極の像をスクリーン上に空
間面において生せしめるために空間面において収斂し偏
向面において発散する四重極レンズと、偏向面において
収斂し且つ時間軸Ｃこ沿ってビームを集束し偏向させる
よう上記四重極レンズの発散の函数として計算された平
レンズと、を用いる。

スリットの高さに沿った集束を行うには、発散レンズ（
四重極レンズの発散面）と単方向作用を有する収斂レン
ズとの２つの組合レンズを用いる。

本発明の実施例では後者のレンズは偏向器と結合されて
いて偏向集束の外れの動的補正をするようにしてある。

スリット像の集束調節は該調節が各軸につき独立である
ため容易に行なえる。

単方向レンズに印加される電位の調節によってスリット
の高さの像又はこのスリットのクロスオーバ一点の像を
形成することができる。

本発明の１実施例では、管の出射段階は電子増倍装置、
例えばマイクロチャンネル・ウエーファ一、近接集束加
速空間、例えばグラスファイバー出射窓に付着させた螢
光スクリーンからなる。

この出射段階はＲＴＣ像変換管Ｐ５００Ｆ型として知ら
れているものに設けたものと同じ設計である。

写真記録はフイルムとグラスファイバーの出射面とを直
接連接することによって行われる。

偏向および集束レンズはなるべく静電レンズがよいが磁
気レンズでもよいことは明らかである。

本発明の他の性質、利点は下記実施例の説明から容易に
理解されるが、これら実施例は説明のためであって限定
する意のものではない。

以下図面によって説明する。

第１図は本発明の変換管の一実施例を示す。

光ビーム４は光学系（図示せず）により、電子放射スリ
ットをなす矩形６内で光電陰極２上６こ集束される。

変換管は更に制御電極８、加速電極１０、四重極レンズ
１２、収斂および偏向平レンズ１４およびスクリーン１
６を有する。

この実施例では、フレームと光電陰極は接地され、プラ
ンキング又は制御電極８は電源１８Ｉこ接続される。

この電源１８は管を始動させたいとき、矩形波電圧信号
を供給する。

加速電極１０は正電圧源２０に接続される。

四重極レンズ１２の２つの部分２２と２４は共通の正電
圧源２６に接続され、他の２つの対向部分２８と３０は
負電圧源３２に接続される。

収斂および偏向レンズ１４の３つのプレートは高電圧源
３６に接続される。

空間面、即ち平筒ＸＯＺにおいて、スｌ− ’Ｊット６
の像が、四重極レンズの部分２８と３０とで形威される
収斂レンズによって形成される。

この像はスクリーン１６上に（又は電子増倍器をなす出
力系中のマイクロチャンネル・ウエーファ−４０上に）
形威される。

偏向面、即ち平面ＹＯＺにおいて、レンズ１４は光電陰
極の像をＯＹ方向（時間軸）にスクリーン１６上に偏向
する。

第２ａ図は、光電陰極２およびスクリーン１６間での空
間面における電子ビームの形を示す。

この実施例では周知の配置により、電子ビームはスクリ
ーン１６に至る前にマイクロチャンネル・ウエーファ−
４０を通過する。

第１回の電源３２により電極２８と３０に印加される電
位は、光電陰極スリットの空間面ＸＯＺにおける像が実
質的にスクリーン１６上に作られるような電位である。

４１は電子ビームを示す。

第２ｂ図には、偏向面ＹＯＺにおける電子ビームの形を
示す。

この面６こおいて四重極レンズは発散レンズであるから
、電子ビーム４８は始めは発散的である。

この例では、該ビームは収斂および偏向レンズ１４に貫
入する前にスリット５０により止められ、スクリーン１
６の前にあるマイクロ・ウエーファ−４０上６こ集束さ
れる。

この実施例では、偏向レンズ１４は３対のプレー１−４
２，４４および４６からなり、対４４は偏向電極対であ
る。

第３ａ図は、光電陰極２および加速電極１０並に光電陰
極から出るビーム５２ ，５４の如きビームの図を示す
。

クロスオーバ一点は５６に在り、電極１０で作られる光
電陰極の像は破線５８で示される。

クロスオーバ一点５６、光電陰極像５８の位置およびク
ロスオーバ一点の中央高さは比ｅ ／ ｄの函数として
変化する。

ここにｅは加速電極１０のスリットの巾の半分、ｄは光
電陰極と加速電極との間の距離である。

第３ｂ図は空間面Ｏこおいて光電陰極を示しており、こ
れは６０，６２，６４の如き電子ビームを放射する。

この面内において電極１０で作られた光電陰極像６６は
Ｆ流側にある。

第４ ａ ，４ ｂ図は四重極レンズ１２を示す。

この実施例では、該レンズは直角双曲線の４つの弧で形
作られており、相対する弧２２，２４は電位＋Ｖに、ま
た弧２８ ，３０は電位−■とする。

第４ｂ図は長さｔを有する四重電極の平面ＹＯＺに沿っ
てとった側断面図である。

このタイプのレンズ内の電位は■＝Ａ（ｙ２一Ｘ２）の
形である。

このレンズは平面ＸＯＺにおいて収斂で２Ｖ／２ｘ二−
２ＡＸ、そしてＹＯＺ平面において発散で２ ｖ ／
２ ｙ ＝＋２ Ａ ｙ ｏ光電陰＠２のスリット６の
像をスクリーン上に又は第１図のマイクロチャンネル・
ウエーファ一４０の入口上Ｏこ形成させるために四重極
レンズ１４の収斂性を利用する。

空間面において、九電陰極２からの発散ビームは電極間
距離２ａに比し無視し得ない大きさを有する。

それ故に、四重極レンズの収差が像の質を害するのは空
間面においてである。

偏向面においては、スリットの高さは例えばｌ ｍｙｎ
であるので、ビームの高さは２ａに比して小、即ち１ｃ
ｒｒＬのオーダーであり従って収差は無視できる。

単なる収斂レンズに比して四重レンズの利点は、それが
第１次の収差を受けないので空間面において殆んど歪が
生じないこと６こある。

前述した如く、四重極電界を作る電極の形状は直角双曲
線の１部である。

この形状は加工しにくいので、本発明の他の実施例では
、これを同じ平均曲率半径を有する円弧で置き替えてあ
る。

第５図は、偏向面ＹＯＺにおいて収斂し且つ偏向プレー
トの機能も兼ねる平レンズ１４の例を示す。

このレンズ１４は３対のプレート４２，４４，４６から
なる。

上述の四重極レンズ１２と異り、平レンズ１４は偏向面
においてだけ作用し、スリットの像又はクロスオーバ一
点の像をマイクロチャンネル・ウエーファーの入口（又
はスクリーン）上に形威する。

電子ビームをターゲットの中心つまり軸ＯＺに向けたい
ときは２対の端プレート４２，４６は同電位Ｖｏに、ま
たは２つの中間プレート４４’，４４“は平均電位■に
する。

ビームを偏向させたいときは、プレート４４′を電位■
−＋−ＪＶに、またプレート４４“を電位Ｖ−ＪＶにす
ると、第５図に示すように、ビームは上に偏向する。

ビームは符号５１で示してある。電子ビームの偏向から
起きる主な問題の１つは集束外れ（ｄｅｆｏｃｕｓｓ
ｉｎｇ）である。

平均電位Ｇこ対して正又は負の電位６こプレートを持ち
来たすことによって電子ビームを偏向させると、そのト
レースは中心位置の各側で太さが増したように見える。

この太くなる事は偏向電圧をプレートＧこ印加すること
による収斂レンズの作用によって起る。

つまり正のプレートに近い電子は加速され、軸方向の電
子より速い速度をもつため偏向しにくＳなる。

逆に負のプレーＨこ近い電子は減速され、従って偏向す
る程度がより大きいので、その結果、偏向プレートの出
口に不所望に近い点で径路の交叉がおきる。

集束外れは比ε／Ｗで測られる。こＳにεはスクリーン
１６上のスポットの大きさであり、Ｗは偏向プレートの
入口におけるビームの太さである。

第５図に用いた３レンズ系は集束兼偏向系である。

該平レンズの内側電極４４’，４４“はビームを偏向さ
せるためのものである。

この解決手段は２つの利点をもたらす。

即ち、偏向プレートとスクリーン間の距離が増大し従っ
て歪が減ると共に動的補償によって収斂効果を補償する
ことができる。

このためには、レンズの収斂性をビームが偏向するに従
って漸進的に減らすのである。

本発明による管｛こおけるこの補償は空間面においては
伺ら効果を有せず、偏向面においてのみ作用するのであ
る。

第６図には、第５図示の装置の偏向集束外れを低減させ
るところの、例えば平プレート４４′の電位変化を示す
。

縦軸には例えばプレート４４′の１つに印加された電位
Ｖの商ｖ ／ ｖ ｏをプロットし、また横軸にはＯＹ
に平行な時間軸に沿って測った偏向距離Ｄをプロットし
てある。

符号５２は偏向集束外れを全く除去する理論カーブを示
す。

符号５４は、偏向集束外れを完全に補償するのに必要な
カーブ５２で示される電位の変化になるべく一致ししか
も技術的に作り易い線を示す。

本発明６こよれは、偏向面と空間面がはっきり区別され
ているのでこの動的補償が可能である。

従来のものでは回転対称性を有する光学系を用いたので
このような動的補償はできなかった。

この偏向補償の利点は像の空間的分解能を相当程度増大
させることである。

更Ｏこ、第５図のように偏向電゜極を設けるときには、
即ち、該電極を２つの集束プレーｈ４２ ，４６間０こ
置いたときには、偏向電極を収斂レンズ１４の下流だけ
に付設したときに比して、偏向集束外れの測度である比
ε／Ｗが低い値となることが示される。

本発明の１実施例の幾何学的および電気的特徴を下記に
示す。

一光電陰極とマイクロチャンネル・ウエーファーの入口
間の距離：２９０７ｎｍ， 一光電陰極スリットの寸法：ＩＸ２０７Ｘｑ一加速スリ
ットｄの大きさ＝２×２０７ｎＴＬ，一四重極レンズ：
ｔ＝９６．５朋，ａ＝１４，４朋，１−／ ａ ＝ ６
． ７ ， 一収斂兼偏向レンズ：長さ２９朋，最小電極間距離２０
ｍｒｎ， 一偏向空間の長さ二８８朋， 一スクリーンの有用寸法： ４０Ｘ４０間，一加速電位
：５０００Ｖ， 一四重極レンズの電位：±２１９Ｖ， 一制御電極のプロツキング電位：−５００Ｖ，一収斂兼
偏向平レンズの平均電位：２１６３Ｖ，一偏向感度：４
００ｖ一流， 一スリットの方向における空間的分解能：１０ｐ７／朋
， 一歪：３％以下， 一偏向面におけるトレースの太さ： １００μｍ，スリ
ットに沿った時間的分解能：１０ピコ秒より良。

結論として、このタイプの光学系のもたらす効果は下記
のように要約できる。

一平らな光電陰極および制御および加速電極で構威され
る入射空間において、本発明による管の構戒によって光
電陰極上の電界が一様になり、従って空間的分解能が高
まり、以て光電陰極上の電界を高め、時間的分解能を改
善し技術的構戊を容易にすることができる。

一像を形戊するための光学系において、光電陰極の長さ
の像が収差の少い且つ電界曲率の非常に小さい四重極レ
ンズによって生ぜしめられるので平らな光電陰極の像を
形戊することができる。

四重極レンズおよび平らな単方向収斂兼偏向レンズの共
同作用により生じたスリットの高さのクロスオーバ一点
の像の結果、光電陰極の有効表面積はより大きくなる。

また、像移転対物レンズ（ｉｍａｇｅｔａｎｓｆｅｒ
ｏｂｊｅｃｔｉｕｅｓ）を調節する要求を充すため光電
陰極の２次元像を形或することもできる。

平収斂レンズによって偏向を行うから管の長さを減らし
ながら同じ偏向角を保ち偏向集束外れを部分的に補償す
ることができるのであり、これは、該レンズの中間電極
に適当な電位を与えることＯこよってなされる。

また、出射段階をなすマイクロチャンネル・ウエーファ
ーおよび近接集束によって、 光学系の固有の特性を変えることなく高い可調節の光子
利得が得られ、 １０６以上のプランキング・ファクターが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による変換官の１実施例を示す透視図。 第２ａ図および第２ｂ図は空間面および偏向面における
電子ビームの形を示す。 第３ａ図および第３ｂ図は加速電極により生じた空間面
および偏向面における電子ビームの変形例を示す。 第４ａ図および第４ｂ図は、四重極レンズのそれぞれ断
面図および側面図である。 第５図は収斂兼偏向平レンズの１実施例を示す。 第６図は動的偏向補償を行うための平レンズの偏向プレ
ートに印加される電圧を示す図である。 図中、符号２・・・・・・光電陰極、８・・・・・・制
御電極、１０・・・・・・加速電極、１２・・・・・・
四重極レンズ、収斂および偏向平レンズ、１６・・・・
・・スクリーン、１８・・・・・・電源、２０，２６・
・・・・・正電圧源、３２・・・・・・負電圧源、３６
・・・・・・高電圧源、２８，３０・・・・・・電極、
４１，４Ｂ・・・・・・電子ビーム、５０・・・・・ス
リット、４２，４４，４６・・・・・・プレート、５２
，５４・・・・・・ビーム、５８・・・・・・光電陰極
の像、６０ ， ６２ ，６４・・・・・・電子ビーム
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 調べるべき光現象からの光を九電陰極上に集光して
   電子ビームを発する光電陰極中のスリットの像をスクリ
   ーン上で走査することにより変化の速い光現象を観察す
   るためのスリット走査式像変換管であって、該管は該光
   電陰極、制御電極、少くも１つの加速電極、該スクリー
   ン、該加速電極と該スクリーン間６こ位置し電子ビーム
   を偏向し集束するための電子光学系からなり、該光学系
   は該スリットの最長寸法の像を該スクリーン上に形戊す
   るための四重極レンズ手段と、該第１の手段とは独立で
   あり、前述の方向とは直角な方向、即ち該スリットの最
   長寸法と直角な方向、にスクリーンの面Ｏこおいてビー
   ムを集束し偏向させるための収斂及び偏光レンズ手段と
   からなる、スリット走査式像変換管。