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HINTERGRUND
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Die
Erfindung betrifft im Wesentlichen eine Vorrichtung zum Schalten
von elektrischem Strom und insbesondere einen Elektronenschalter,
der elektrischen Strom bei hohen Spannungen (einigen 10 Kilovolt)
mit Anstiegszeiten im Bereich von Subnanosekunden und mit Wiederholungsraten
von einigen 10 Megahertz schaltet.
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Die
Kathodenstrahlröhre
(CRT) wurde von dem deutschen Physiker Karl Ferdinand Braun 1897 erfunden.
Die CRT ist die Anzeigevorrichtung, welche zuerst für Computeranzeigevorrichtungen,
Videomonitore, Fernsehgeräte,
Radaranzeigevorrichtungen und Oszilloskope eingesetzt wurde. Die
aus der Arbeit von Philo Farnsworth entwickelte CRT wurde in allen
Fernsehgeräten
bis zu den 1990-zigern und der Entwicklung von praxisgerechten Plasmabildschirmen,
Flüssigkristallanzeige-(LCD)-Fernsehern, digitalen
Lichtverarbeitungs-(DLP)-, organischen lichtemittierenden Dioden-(OLD)-Anzeigevorrichtungen
und anderen Technologien eingesetzt. Als eine Folge der CRT-Technologie
hat sich Fernsehen den Spitznamen "die Röhre" selbst in Fällen erworben, wenn man sich
auf Nicht-CRT-Geräte
bezieht.
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Eine
Kathodenstrahlröhre
bezieht sich technisch auf jede elektronische Vakuumröhre, welche
einen fokussierten Strahl von Elektronen verwendet. Kathodenstrahlen
liegen in der Form von Strömen sehr
schneller Elektronen vor, die durch die Beheizung einer Kathode
im Inneren einer Vakuumröhre an
ihrem hinteren Ende emittiert werden. Die emittierten Elektronen
bilden in der Röhre
aufgrund der zwischen den zwei Elektroden angelegten Spannungsdifferenz
einen Strahl. Der Strahl wird dann entweder durch ein magnetisches
oder elektrisches Feld gestört
(abgelenkt), um ihn über
die Innenseitenoberfläche
des Schirms (Anode) zu führen
("Scannen"). Der Schirm ist
mit einer lumineszierenden Beschichtung (oft aus Übergangsmetallen
oder Seltenerdeelementen) bedeckt, welche sichtbares Licht emittiert,
wenn sie durch die Elektronen angeregt wird.
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In
Fernsehgeräten
und modernen Computermonitoren wird die gesamte Frontfläche der
Röhre automatisch
in einem als Raster bezeichneten festen Muster gescannt. Ein Bild
wird durch die Modulation der Intensität des Elektronenstrahls mit
einem empfangenen Videosignal (oder einem davon abgeleiteten Signal)
erzeugt. In allen modernen Fernsehgeräten wird der Strahl mit einem
Magnetfeld abgelenkt, das an den Hals der Röhre mit einem "magnetischen Joch", einem Satz von
Drahtspulen, die durch elektronische Schaltkreise gesteuert werden,
abgelenkt. Diese Nutzung von Elektromagneten zum Ändern der
ursprünglichen
Richtung des Elektronenstrahls ist als "magnetische Ablenkung" bekannt.
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Die
Quelle des Elektronenstrahls ist die Elektronenkanone, welche einen
Strom von Elektronen durch thermionische Emission (auch als Edisoneffekt bekannt)
erzeugt und die Elektronen in einen dünnen Strahl fokussiert. Die
Kanone befindet sich in dem schmalen zylindrischen Hals am äußersten
Ende der Kathodenstrahlröhre
(CRT) und besitzt elektrische Verbindungsstifte, die üblicherweise
in einer runden Konfiguration angeordnet sind, und sich aus deren Ende erstrecken.
Diese Stifte stellen externe Verbindungen zu der Kathode, zu verschiedenen
Gitterelementen in der Kanone, die zum Fokussieren und Modulieren
des Strahls verwendet werden und in CRTs mit elektrostatischen Ablenkung
zu Ablenkungsplatten bereit. Da die CRT eine Heißkathodenvorrichtung ist, stellen
diese Stifte auch Verbindungen zu einem oder mehreren Heizdrahtelementen
in der Elektronenkanone bereit. Der Elektronenstrahl wird typischerweise
mit Frequenzen von etwa 1 MHz moduliert. Der Elektronenstrahl kann
auch unter Anwendung von Kaltemission erzeugt werden. In diesem Falle
werden einer oder mehrere Leiter mit scharfen Radien mit ausreichend
hoher Spannung im Vakuum angeregt, um eine Elektronenemission im
Vakuum zu erzeugen. Die Elektronen werden dann ähnlich wie bei einer CRT beschleunigt.
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Die
für die
Beschleunigung der Elektronen genutzte hohe Spannung (EHT) wird
durch einen Transformator bereitgestellt. Für in Fernsehgeräten eingesetzte
CRTs ist es üblicherweise
ein Rücklaufstrom-
bzw. Zeilentransformator der die Zeilen-(Horizontal)-Ablenkungsversorgung
bis zu 32 kV für
eine Farbröhre
hochtransformiert (Monochromröhren
und Spezial-CRTs können
bei wesentlich niedrigeren Spannungen arbeiten). Das Ausgangssignal
des Transformators wird gleichgerichtet und die pulsierende Ausgangsspannung
mittels eines Kondensators, der durch die Röhre selbst gebildet wird (die
Beschleunigungsanode ist eine Platte, das Glas ist das Dielektrikum
und die geerdete Beschichtung auf der Außenseite der Röhre ist
die andere Platte) geglättet. In
den ersten Fernsehgeräten
wurde vor der Einführung
der Zeilentransformatorkonstruktion eine lineare Hochspannungsquelle
verwendet, da diese Versorgungsquelle in der Lage war, wesentlich
mehr Strom bei ihrer Hochspannung zu lie fern als Sperrwandlerhochspannungssysteme.
Im Falle eines Umfalls erweisen sie sich jedoch als extrem tödlich. Die
Sperrwandlerschaltung berücksichtigte
dieses; in dem Falle eines Fehlers liefert das Sperrwandlersystem
einen relativ geringen Strom, was die Chance für eine Person einen direkten
Schlag aus der Hochspannungsanodenleitung zu überleben hoffnungsvoller macht
(jedoch in keiner Weise garantiert).
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Zur
Anwendung in einem Oszilloskop ist die Konstruktion etwas anders.
Statt einem Raster zu folgen, wird der Elektronenstrahl direkt entlang
einem beliebigem Pfad geführt,
währenddessen
Intensität konstant
gehalten wird. In einem Zeitbereich, dem üblichen Betriebsmodus, ist
die horizontale Ablenkung proportional zur (durch einen "Ablenkspannungsoszillator" in dem Oszilloskop
bemessenen) Zeit, welche mit einer konstanten Geschwindigkeit sichtbar über den
Schirm fortschreitet), und die vertikale Ablenkung ist proportional
zu dem/den gemessenen Signal(en). In dem weniger üblichen
X-Y Modus sind sowohl die horizontalen als auch die vertikalen Ablenkungen
proportional zu gemessenen Signalen. Die Elektronenkanone ist immer
im Röhrenhals zentriert;
das Problem einer Innenproduktion wird entweder ignoriert oder durch
Anwendung eines aluminisierten Bildschirms vermindert.
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Für einen
Oszilloskopeinsatz ausgelegte Röhren
sind länger
und schmäler
als für
einen Rasterscaneinsatz ausgelegte Röhren, und reduzieren dadurch
deutlich den erforderlichen maximalen Auslenkungswinkel. Dieses
ermöglicht
den Einsatz einer elektrostatischen Ablenkung anstelle einer magnetischen
Ablenkung. In diesem Falle wird die Ablenkung durch Anlegen eines
elektrischen Feldes mittels in den Röhrenhals eingebauter Ablenkplatten
bewirkt. Diese Verfahren ermöglicht
eine wesentlich schnellere Steuerung des Elektronenstrahls als mit
einem Magnetfeld, bei dem die Induktivität der Elektromagneten relativ
harte Einschränkungen
auf die maximale Frequenz in dem Signal ausübt, die genau dargestellt werden
können.
Der verringerte Ablenkungswinkel erübrigt auch jede Notwendigkeit
einer dynamischen Fokussierung des Elektronenstrahls (welche bei
den erforderlichen hohen Ablenkgeschwindigkeiten schwierig zu erreichen
wäre. Schließlich macht
es der eingeschränkte
Winkel wesentlich leichter, sicherzustellen, dass die erzeugte Strahlablenkung
eine lineare Funktion des aufzuzeichnenden Signals ist.
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Derzeit
gibt es keine Vorrichtungen, die einen VielfachKilovolt-Impuls von
wenigstens 1 kV mit einer Wiederholungsrate, die 10 MHz überschreitet und
mit einer Anstiegszeit im Nanosekundenbereich bereitstellt. Daher
ist es erwünscht,
eine Schaltvorrichtung bereitzustellen, die Hochspannungsimpulse, Hochfrequenzwiederholungsraten
und Anstiegszeiten im Nanosekundenbereich bereitstellt.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
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Kurz
gesagt besteht ein Elektronenschalter aus einer Elektronenquelle
zum Emittieren eines Elektronenstrahls mit einer Strahlenergie von
1 keV bei einer Spannung Vbeam von wenigstens
etwa 1 kV und einem Strom von Ibeam von
wenigstens etwa 1 A. Ein Steuerungsmechanismus lenkt den Elektronenstrahl
mit einer Scanfrequenz von wenigstens etwa 10 MHz ab. Eine Maske
weist eine Öffnung
dergestalt auf, dass der abgelenkte Elektronenstrahl über die
Maske mit der Scanfrequenz abgelenkt wird. Der durch die Öffnung hindurch
tretende Elektronenstrahl trifft auf eine Auffangelektrode bzw.
ein Target auf und bewirkt einen Impuls-Hochspannungsstrom in dem
Target.
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In
einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Hochspannungs-, Hochfrequenzelektronenschalter
eine Elektronenkanone auf, die einen Elektronenstrahl mit einer
Spannung von wenigstens 1 kV erzeugt. Ein elektrostatisches Joch
lenkt den Elektronenstrahl mit einer Scanfrequenz von wenigstens
10 MHz ab. Eine Anodenplatte weist eine Öffnung dergestalt auf, dass
der Elektronenstrahl die Öffnung
mit der doppelten Scanfrequenz passiert. Der die Öffnung passierende
und auf ein Target treffende Elektronenstrahl erzeugt einen Impuls-Hochspannungsstrom
in dem Target mit einer Impulsamplitude, die von einer Impedanz
des Targets und dem Strom des Elektronenstrahls bestimmt wird, einer
Impulsbreite, die durch die Größe der Öffnung und
die Scanfrequenz bestimmt wird, und einer Anstiegszeit, die durch
eine Strahlgröße und die
Scanfrequenz bestimmt wird.
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In
noch einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zum
Erzeugen eines Elektronenschalters die Schritte auf:
Emittieren
eines Elektronenstrahls mit einer Strahlenergie von 1 keV bei einer
Spannung Vbeam von wenigstens etwa 1 kV
und einem Strom Ibeam von wenigstens 1 A;
und
Ablenken des Elektronenstrahls bei einer Scanfrequenz von
wenigstens etwa 10 MHz, wodurch der abgelenkte Elektronenstrahl über die
Maske mit einer Öffnung
bei der Scanfrequenz gescannt wird, und
wodurch der die Öffnung passierenden
Elektronenstrahl auf ein Target auftrifft und einen Impuls-Hochspannungsstrom
in dem Target bewirkt.
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ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verständlich,
wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen
gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch
die Teile bezeichnen, wobei:
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1 eine
schematische Ansicht eines Hochfrequenz-, Hochspannungs-Elektronenschalters
gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform ist;
und
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2 eine
graphische Darstellung einer Amplitude als eine Funktion der Zeit
für die
exemplarische Ausführungsform
ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In 1 ist
eine schematische Darstellung eines Hochfrequenz-, Hochspannungs-Elektronenschalters
insgesamt bei 10 gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Im Wesentlichen weist der Elektronenschalter 10 eine Elektronenquelle 12,
einen Steuerungsmechanismus 14, eine Maske 16 und
ein Target 18 auf.
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Die
Elektronenquelle 12 kann eine Elektronenkanone aufweisen,
die als eine Kathode wirkt und einen fokussierten Hochenergiestrahl
aus Elektronen 20 mit einer Strahl energie von 1 keV bei
einer Spannung Vbeam von wenigstens etwa
1 kV und einem Strahlstrom Ibeam von wenigstens
1 A erzeugt. Die Elektronenkanone 12 kann bis zu etwa 100
kV geladen werden, was bewirkt, dass die Elektronen die Maske 16 mit
Energien von etwa 100 keV treffen. Die Elektronenkanone 12 befindet
sich auf einer betragsmäßig höheren (negativen)
Spannung als die Anodenplatte 16 (und das Target 18)
damit der Elektronenstrahl 20 zu dem Target 18 hin
beschleunigt wird. In der exemplarischen Ausführungsform ist die Elektronenkanone 12 eine
2 kV Elektronenkanone, die den fokussierten Elektronenstrahl 20 mit
einem Durchmesser von etwa 2,5 cm (1 inch) und mit einer Strahlspannung
Vbeam von etwa 2 kV ± 100 V und einem Strahlstrom
Ibeam, der ausreicht um etwa 1 kV in der Übertragungsleitungslast
(10 A in eine Leitung mit 100 Ohm würde 1 kV ergeben) zu erzeugen,
und herkömmliche
Fokussierungs- und Strommodulationsgitter bei Spannungen innerhalb
ein paar hundert Volt der Kathodenspannung bereitstellt. Man wird
erkennen, dass die Erfindung nicht durch die Elektronenquelle beschränkt ist,
und dass die Erfindung mit jeder erwünschten Einrichtung zum Erzeugen
eines fokussierten Hochspannungsstrahls aus Elektronen wie zum Beispiel
mit einem Synchrotron und dergleichen praktiziert werden kann.
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Der
Steuerungsmechanismus 14 kann eine Ablenkspule oder ein
Joch aufweisen, das eine elektrostatische Ablenkung des Elektronenstrahls 20 bewirkt.
In der exemplarischen Ausführungsform
wird der Steuerungsmechanismus 14 mit einer Sinuswelle mit
einer Frequenz von etwa 12,5 MHz moduliert. Somit bewirkt der Steuerungsmechanismus 14 in
der exemplarischen Ausführungsform,
dass der Elektronenstrahl 20 die Maske 16 mit
einer Geschwindigkeit von etwa 25,0 MHz überstreicht. Man wird erkennen, dass
die Erfindung nicht durch die Frequenz des Steuerungsmechanismus
beschränkt
ist, und dass die Frequenz von etwa 12,5 MHz nur für Darstellungszwecke
dient. Beispielsweise kann der Steuerungsmechanismus 14 eine
Sinuswellenfrequenz von etwa 10,0 MHz oder höher aufweisen. Die Erfindung
ist nicht durch die Art der Steuerspannung beschränkt, und
die Erfindung kann mit jeder beliebigen gewünschten Steuerspannung wie
zum Beispiel einer Rechteckwelle, einer Dreieckwelle, einer Sägezahnwelle
und dergleichen ausgeführt
werden.
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Die
Maske 16 kann eine aktiv gekühlte Anodenplatte aufweisen,
die den Elektronenstrahl 20 beschleunigt. Die Anodenplatte 16 kann
mittels allgemein bekannter Mittel wie zum Beispiel Wasser oder dergleichen
gekühlt
werden. Die Anodenplatte 16 enthält ein Loch oder eine Öffnung 22,
um das Passieren des Elektronenstrahls 20 dadurch hindurch
zu ermöglichen.
Beispielsweise kann die Anodenplatte etwa 30,5 cm (1 ft) Durchmesser
haben, während das
Loch oder die Öffnung 22 etwa
25 bis 50 mm (1 bis 2 inches) Durchmesser hat. Die Anodenplatte 16 ist
zusammen mit der Elektronenkanonenanordnung 12 und dem
Steuerungsmechanismus 14 geerdet. Die Anodenplatte 16 kann
aus einem Material mit geeigneten Wärme-, Verschleiß- und Korrosionseigenschaften
bestehen. Eine derartige Gruppe von Materialien können schwer
schmelzende Metalle wie zum Beispiel Wolfram, Molybdän, Niob,
Tantal, Rhenium und dergleichen sein.
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Der
Elektronenstrahl 20, der durch die Öffnung oder das Loch 22 in
der Anodenplatte 16 hindurch tritt, trifft auf eine Oberfläche oder
eine Fläche 24 des
Targets 18. In der exemplarischen Ausführungsform besteht das Target 18 aus
einer Übertragungsleitung
mit einer Impedanz Z. Die Übertragungsleitung 18 kann
mit einer (nicht dargestellten) Vorrichtung in elektrischer Verbindung
stehen, um Impulsstrom mit hoher Spannung und hoher Wiederholungsrate
an die Vorrichtung zu liefern.
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Wie
vorstehend beschrieben, ist der Elektronenschalter 10 in
der Lage, eine Hochspannungsquelle mit einer sehr hohen Frequenz
oder Wiederholungsrate und sehr schnellen Anstiegzeiten ein und aus
zu schalten. Man wird erkennen, dass die Impulsamplitude, die Impulsbreite
und die Anstiegszeit des Elektronenschalters 10 selektiv
auf der Basis verschiedener Parameter bestimmt werden können. Insbesondere
kann die Impulsamplitude durch den Strahlstrom Ibeam und
die Leitungsimpedanz Z bestimmt werden. Die Breite des Impulses
wird durch die Größe des Loches
oder der Öffnung 22 und
die Scangeschwindigkeit des Elektronenstrahls 20 bestimmt.
Die Anstiegszeit wird durch die Größe und die Scangeschwindigkeit
des Elektronenstrahls 20 bestimmt. Ferner kann der Impuls
geformt werden, indem die Form des Loches oder der Öffnung 22 in der
Maske 16 zusammen mit dem Fokus des Elektronenstrahls 20 modifiziert
wird.
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Gemäß 2 hat
die 2 kV Elektronenkanone 12 eine Strahlenergie Vbeam von etwa 2 keV ± 100 V, einen Strahlstrom
Ibeam von etwa 20 A und e-Strahl-Steuerspannungen
innerhalb etwa 100 V der Elektronenkanone 12. Der Steuerungsmechanismus 14 wird
mit einer Sinuswellenfrequenz von beispielsweise etwa 12,5 MHz betrieben.
Das Target 18 hat eine Impedanz von etwa 50 Ohm, was zu
einer Spannung von etwa 1 kV unter Bedingungen des vollen Strahlstrom
Ibeam führt.
In diesem Beispiel erzeugt der Elektronenschalter 10 einen
elektrischen Strom in dem Target 18 mit einer Impulsamplitude
von etwa 1 kV, einer Impulsbreite von angenährt 10 ns, einer Frequenz oder
Wiederholungsrate von etwa 40 ms (etwa 25 MHz) und einer Anstiegszeit
von etwa 1 ns. Somit ist der Elektronenschalter 10 in der
Lage, elektrischen Strom bei einer hohen Spannung (wenigstens 1
kV) mit einer Anstiegszeit im Nanosekundenbereich (etwa 1 bis 3
Nanosekunden) und einer Widerholungsrate von einigen 10 MHz (größer als
etwa 10 MHz) zu schalten.
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Es
gibt viele Anwendungen, welche von der Hochspannungs-, Hochfrequenz-
oder Wiederholungsrate und der schnellen Anstiegszeit des Elektronenschalters 10 profitieren
könnten.
Beispielsweise kann der Elektronenschalter 10 effizient
Plasmen ansteuern. Weitere Anwendungen umfassen, sind jedoch nicht
darauf beschränkt,
Nahrungsmittelverarbeitung, Wasserbehandlung, medizinische Systeme/Bildgebung
und militärische
Anwendungen.
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Diese
Beschreibung nutzt Beispiele zum Offenbaren der Erfindung, welche
die beste Ausführungsart
beinhalten, und um auch jedem Fachmann auf diesem Gebiet zu ermöglichen,
die Erfindung auszuführen
und zu nutzen. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist
durch die Ansprüche
definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann
auf diesem Gebiet ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele
sollen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche liegen, wenn sie Strukturelemente
haben, die sich nicht von der buchstäblichen Beschreibung der Ansprüche unterscheiden,
oder wenn sie äquivalente
Strukturelemente mit unwesentlichen Änderungen von der wörtlichen
Beschreibung der Ansprüche
enthalten.
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Ein
Hochfrequenz-, Hochspannungs-Elektronenschalter 10 enthält eine
Elektronenkanone 12, einen Steuerungsmechanismus 14,
eine Maske oder eine Anodenplatte 16 und ein Target 18.
Die Elektronenquelle 12 erzeugt einen Elektronenstrahl 20 mit einer
Spannung von wenigstens etwa 1 kV, der auf die Anodenplatte 16 auftritt.
Der Steuerungsmechanismus 14 scannt den Elektronenstrahl 20 über die Anodenplatte 16 bei
einer Scanfrequenz von wenigstens etwa 10 MHz. Ein Loch oder eine Öffnung 22 ist in
der Anodenplatte 16 vorgesehen, welche es dem Elektronenstrahl 20 ermöglicht,
dadurch hindurch zu treten und einen Impuls-Hochspannungsstrom in dem
Target 18 mit einer sehr hochfrequenten Wiederholungsrate
und wirklich schnellen Anstiegszeit zu erzeugen. Der in dem Target 18 erzeugte
Impuls-Hochspannungsstrom kann dazu verwendet werden, eine Hochspannungsquelle
ein und aus zu schalten.
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- 10
- Elektronenschalter
- 12
- Elektronenquelle
(Elektronenkanone)
- 14
- Steuerungsmechanismus
- 16
- Maske
(Anodenplatte)
- 18
- Ziel
- 20
- Elektronenstrahl
- 22
- Öffnung oder
Loch
- 24
- Oberfläche oder
Fläche