DE1589825A1

DE1589825A1 - Elektronenoptisches System zum Buendeln und Ablenken eines Elektronenstrahls

Info

Publication number: DE1589825A1
Application number: DE1967G0050042
Authority: DE
Inventors: Kurt Schlesinger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-05-12
Filing date: 1967-05-09
Publication date: 1970-05-14
Also published as: NL160978B; NL160978C; DE1589825B2; GB1183061A; US3319110A; NL6705123A; SE347390B

Description

Beicbul

Eigenes Zeichen: 5081 - Fs/Ja

General Electric Company, Schenectady, Ii.Y./V.St.A.

Elektronenoptisciies System zum Bündeln und Ablenken

eines Elektronenstrahls

Die Erfindung bezieht sich auf verbesserte Systeme zum Bündeln und Ablenken von Elektronenstrahlen und insbesondere auf elektronenoptische Systeme zum Projizieren und Hin- und Herbewegen eines Brennpunktes. Dieses System wird auch als FPS-System bezeichnet.

Bei der modernen Anwendung der Elektronenstrahlröhren besteht häufig die Forderung nach einer sehr feinen Bildauflösung, hoher Stromdichte im Elektronenstrahl, einem geringen Energiebedarf , kleiner Größe und kleinen Gewichtes. Elektronenröhren mit diesen Eigenschaften sind sehr gut in automatischen ,elektronischen Leitsonden für Weltraumsysteme verwendbar. Bei

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einer Vidikonaufnahmeröhre kann bei optimalen Anforderungen eine Röhre hoher Arbeitsleistung einen Schirm von ungefähr 2,5 cm (1") Durchmesser oder weniger bei einer minimalen Röhrenlänge aufweisen. Die Forderung einer feinen Auflösung und einer hohen Stromdichte im Elektronenstrahl erfordern eine starke Konvergenz oder einen großen Halbwinkel am Schirm, was gleichzeitig eine kurze Elektronenstrahllänge bei Durchmessern leicht zu handhabender Größe bedeutet. Jedoch begrenzt eine ausreichende Abtastung des Bereiches des Schirms das Ausmaß, bis zu welchem die Röhre verkürzt werden kann, um den gewünschten kurzen Elektronenstrahl zu erreichen. Bei herkömmlichen optischen Systemen werden konzentrierte Felder benutzt, die eine Ablenkung verursachen, nachdem eine Bündelung nicht in der Lage ist, diesen Anforderungen wegen der benötigten physikalischen Länge des Aufbaus zu entsprechen. Bei derartigen Systemen ist ein langer eingeengter Strahl mit einem kleinen Halbwinkel am Schirm unumgänglich. Alle elektrostatische und elektromagnetische, elektronenoptische Systeme sind nicht in der Lage diesen Anforderungen zu entsprechen, da den ersteren ein langes Elektronenstrahlsystem anhaftet und letztere sperrig und schwer sind und außerdem einen großen Energiebedarf erfordern.

Es ist wünschenswert ein Elektronensystem zu schaffen, bei dem der Elektronenstrahl entlang einer gegebenen Achse verläuft und von dieser derart abgelenkt wird, daß er auf den Schirm

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rechtwinklig auftrifft. Bisher bekannte Ablenkungssysteme führen beim Ablenken des Elektronenstrahls radiale Geschwindigkeitskomponenten ein und daher trifft der Elektronenstrahl nicht senkrecht auf dem Schirm auf.

Ein elektronenoptisches System gemäß der Erfindung umfaßt einen Röhrenkolben mit einem im wesentlichen koaxial verlaufenden elektrostatischen Joch und einer Magnetspule, die sich im Bereich zwischen der Elektronenquelle und dem Schirm entlang dem Röhrenkolben erstrecken. Die Magnetspule erzeugt ein im wesentlichen gleichförmiges magnetisches Feld, welches sich innerhalb des Röhrenkolbens entlang dessen Achse erstreckt, während das elektrostatische Joch ein veränderliches elektrisches PeId erzeugt, das sich im wesentlichen gleichförmig innerhalb des Röhrenkolbens ausbreitet und rechtwinklig zum magnetischen Feld steht. Das elektrische Feld kann gleichzeitig eine Ablenkung des Elektronenstrahls in zwei Koordinatenrichtungen verursachen. Die sich überschneidenden elektrischen und magnetischen Felder bi]i^n einen sogenannten FPS-Hohlraum im mittleren Bereich des Röhrenkolbens, in welchem ein Brennpunkt abgebildet und zum Abtasten abgelenkt wird. Der Schirm, welcher in einer Ebene senkrecht zur Achse des Röhrenkolbens verlaufen kann, ist in einem gewissen Abstand von der einen Begrenzung des FPS-Hohlraumes angebracht. Die Elektronenstrahlquelle umfaßt eine Einschnürungsblende oder -öffnung, welche dea auf dem Schirm abzubildenden Gegenstand darstellt, und

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welcher vor dem IPS-Hohlraum angeordnet ist. Eine Linse zur Vorbündelung kann zwischen dieser öffnung und dem Eingang in demFPS-Hohlraum angeordnet sein. Der FPS-Hohlraum bildet ein projeziertes elektronisches Abbild des Gegenstandes auf dem Schirm ab, während gleichzeitig die Abbildung über dem Schirm entsprechend der an das elektrostatische Joch angelegten Signale abgelenkt wird. Bei Anwendungen, für welche rechtwinklige Auftreffbedingungen erforderlich sind, ist das System derart abgestimmt, daß die Übertragungszeit des Elektronenstrahls durch den Hohlraum eine Verweilphase für den Elektronenstrahl verursacht, so daß sich dieser in seinem dritten oder vierten Quadranten befindet.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt; es zeigen:

Fig.1 einen Längsschnitt durch eine Elektronenstrahlröhre, die ein System zur elektronischen Brennpunktprojektion und -ablenkung gemäß der Erfindung aufweist;

Fig.2 einen Querschnitt durch die Elektronenröhre längs der Linie 2-2 gemäß Fig.1;

Fig.3 einen teilweisen Schnitt, der eine Beschleunigungsoder Verzogerungselektrode in einer Elektronenstrahlröhre gemäß der Erfindung darstellt;

Fig.4 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Elektronenröhre, die ein System zur elektronischen Brennpunktprojektion und -ablenkung gemäß der Erfindung aufweist;

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Fig.5A und 5B graphische Darstellungen charakteristischer Kurven des Systems gemäß der Erfindung;

Fig.6 einen teilweisen Schnitt durch eine elektrostatische Kollimatoranordnung zur Verwendung in einer Elektronenstrahlröhre, die das System der elektronischen Brennpunktprojektion und -ablenkung gemäß der Erfindung umfaßt;

Fig.7 einen teilweisen Schnitt durch eine weitere elektrostatische Kollimatoranordnung;

Fig.8 einen Längsschnitt durch eine FPS-Elektronenstrahlröhre, "bei welcher der Elektronenstrahl zwischen der öffnung und dem Schirm völlig eingefaßt ist;

Fig.9A und 9B eine graphische Darstellung der Inderung des Verhältnisses der Ablenkspannung zur Anodenspannung für bestimmte Rasterdiagonalen in Abhängigkeit von der Länge des FPS-Hohlraumes;

Fig.10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der elektrostatischen Ablenkung und der rotierenden Abtastung eines Elektronenstrahls in Abhängigkeit von der Verweilphase des FPS-Hohlraumes;

Fig.11 eine bildliche Darstellung der Chrakteristiken des FPS-Systems;

Fig.12 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer FPS-Elektronenstrahlröhre mit einem teilweise beeinflußten Elektronenstrahl.

Fig.13A, 13B, 13C und 13D graphische Darstellungen der Charakteristiken der FPS-Elektronenstrahlröhre gemäß Fig.12;

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Fig.14A und 14B Längsschnitte zweier weiteren Ausführungsformen einer FPS-Elektronenstrahlröhre mit teilweise beeinflußtem Elektronenstrahl;

Fig.15 einen Längsschnitt durch die Längsachse einer elektrostatischen Ablenkung in einem FPS-System;

Fig.16A das Elektrodenmuster für ein FPS-Deflektron; Fig.16B eine andere Ausführungsform des Elektrodenmusters;

Fig.17 eine weitere Ausführungsform der Erfindung bei der das FPS-System eine nichtdrehende magnetische Linse umfaßt;

Fig.18 eine graphische Darstellung des Verlaufs des Elektronenstrahls in der x-y Ebene bei einer Ausführungsform gemäß Fig.17;

Gemäß Fig.1 umfaßt das elektronenoptische System gemäß der Erfindung eine Elektronenstrahlquelle 1, einen FPS-Hohlraum 2 zur Brennpunktpro j ektion und -ablenkung und einen Schirm 3i welcher in einem langgestreckten Röhrenkolben 7 angeordnet ist. Der Röhrenkolben umfaßt zwei Laufräume 4 und 5, welche die Elektronenstrahlquelle 1 und den Schirm 3 des FPS-Hohlraums 2 voneinander trennen. Eine vor dem Brennpunkt liegende Linse 6 ist innerhalb des Laufraumes 4 angeordnet.

Die Elektronenstrahlquelle 1 umfaßt eine großflächige Glühkathode 8 und eine Gitterelektrode 9, um die Elektronenemission der Kathode 8 zu steuern. Die emittierten Elektronen

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werden von einer Anodenelektrode 10 beschleunigt, welche auf einem geeigneten gegenüber der Kathode 8 positiven Poteri tial gehalten wird. Eine Elektrode 11 mit einer darin vorgesehenen bestimmten öffnung 12 ist in der Nahe der Anode 10 angeordnet. Diese Elektroden werden von einer geeigneten nicht dargestellten Potentialquelle aus mit Energie versorgt. An der öffnung 12 tritt für den Elektronenstrahl ein Bündelknoten auf, und diese bestimmte öffnung dient als der reelle Gegenstand des elektronenoptischen Systems gemäß der Erfindung. Der Durchmesser der öffnung 12 sollte der gewünschten Punktgröße entsprechen und beträgt z.B. 0,005 nun (0,2/1000") Durchmesser. Die öffnung 12 liegt generell in der Achse 13 des Röhrenkolbens 7· Der Elektrodenteil 11 ist in einer Hülse oder einem Zylinder 14 montiert, welcher den Laufraum zwischen der öffnung oder dem reellen Gegenstand 12 und dem FPS-Hohlraum 2 bildet. Die gestrichelten Linien 15 bezeichnen die P'orm des Elektronenstrahls innerhalb des Laufraumes 4. Die Anode 10 und die Hülse 14 werden auf demselben Potential V gehalten, welche die Elektronenstrahlenergie bestimrvfc.

Die innerhalb des Laufraumes 4 und vor dem Brennpunkt liegende Linse 6 kann zur Beeinflußung des Elektronenstrahl querschnitts innerhalb des Laufraumes 4_t d.h. zur Kontrolle des Weges der Elektronen während der Bewegung zum Schirm 3 benutzt werden. Die vor dem Brennpunkt liegende Linse 6 umfaßt eine elektrostatische Einzel-Linse 16, die von einer geeigneten,nicht dargestellten Potentialquelle aus erregt wird. Die Linse 16

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kann dazu benutzt werden, um den Elektronenstrahl im Punkt 20 innerhalb des FPS-Hohlraumes 2 zu bündeln, um dadurch eine reelle Abbildung der charakteristischen öffnung 12 innerhalb des Hohlraumes zu erzeugen. Durch die Beeinflußung des von der Linse 16 erzeugten elektrischen Feldes kann der bündelnde Effekt der Linse 16 und damit der Abstand des Brennpunktes 20 innerhalb des Hohlraumes 2 gesteuert werden. Die Linse 16 kann auch derart erregt werden, daß sie den Elektronenstrahl beim Eintreten in den FPS-Hohlraum 2 zerstreut. Diese Betriebsart wird später mit Bezug auf Fig.4 beschrieben. Dabei erzeugt die Linse 16 an Stelle eines Brennpunktes oder einer reellen Abbildung der charakteristischen öffnung 12 innerhalb des FPS-Hohlraumes ein ,virtuelles Bild der öffnung 12.

Der FPS-Hohlraum umfaßt den zentralen Teil des Röhrenkolbens 7 und wird von einer Magnetspule 25 und einem elektrostatischen Joch 26 gebildet. Die in der Beschreibung benutzte Bezeichnung "zentraler Teil" bedeutet, daß sich dieser langgestreckte Teil des Röhrenkolbens 7 zwischen den beiden Laufräumen 4- und 5 erstreckt. Die Magnetspule 25 ist über der äußeren Oberfläche des Röhrenkolbens 7 angeordnet. Sie umgibt den zentralen Teil des Röhrenkolbens und erstreckt sich über dessen axiale Länge. Die Magnetspule 25 wird von einer geeigneten, nicht dargestellten Stromversorgung aus erregt, welche an die Klemmen 27 und 27' angeschlossen ist. Die Magnetspule 25 erzeugt ein gleich-

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mäßiges Magnetfeld, das parallel zu der Achse 13 innerhalb des zentralen Teiles des Röhrenkolbens 7 verläuft. Es kann an Stelle der Magnetspule 25 auch ein Permanentmagnet benutzt werden, um ein ähnliches Magnetfeld zu erzeugen.

Das elektrostatische Joch 26 ist vorzugsweise von einer Art, welche gleichzeitig horizontale und vertikale Kräfte zur Ablenkung des Elektronenstrahls bietet, und besteht z.B. aus einem System paarweise ineinandergreifender horizontaler und vertikaler AbIenkungselektroden. Das elektrostatische Joch 26 ist auf der Innenseite des Röhrenkolbens 7 durch Aufstreichen oder Plattieren usw. angebracht und erstreckt sich über dieselbe Länge des Röhrenkolbens 7 wie die Magnetspule 25· In . Pig.2, welche einen Querschnitt längs der Linie 2-2 gemäß Fig.1 darstellt, ist die Anordnung der Magnetspule 25 und des elektrostatischen Joches 26 bezüglich der Lage zum Röhrenkolben 7 aufgezeigt. Das elektrostatische Joch 26 erzeugt in Abhängigkeit von einer geeigneten Erregung an den Anschlüssen 28, 28' ,' 29 und 29' ein sich drehendes biaxiales elektrisches Feld, welches senkrecht zu dem von der Magnetspule 25 erzeugten Magnetfeld steht und sich gleichmäßig über das Volumen des FPS-Hohlraumes 2 erstreckt. Das elektrische Feld muß im wesentlichen quergerichtet sein, d.h. es muß frei von irgendwelchen längs der Achse 13 gerichteten Komponenten sein, welche dazu tendieren, einen Defokussier- und Rotationseffekt zu erzeugen. Die Magnetspule 25 und das elektrostatische Joch 26 erzeugen

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somit sich, überschneidende elektrische und magnetische Felder, welche sich im wesentlichen über den gleichen Umfang innerhalb des zentralen Teils des Eöhrenkolbens 7 erstrecken -und damit den FPS-Hohlraum 2 bilden. Das magnetische Feld ist statisch, wogegen das elektrische Feld dynamisch, ist und in Abhängigkeit von den an die Anschlüsse 28, 28', 29 und 29' angelegten Ablenksignalen verändert wird.

Die Zielelektrode oder der Schirm 3 ist am Ende des Röhrenkolbens 7 gegenüber der Elektronenstrahlquelle 1 angeordnet und verläuft im wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Achse 13· Der Schirm 3 ist von dem FPS-Hohlraum 2 durch, einen Laufraum 5 getrennt.

Das System zur Brennpunktprojektion und -ablenkung gemäß der Erfindung kann in vielen Kathodenstrahleinrichtungen für viele Verwendungszwecke angewendet werden. Zum Beispiel kann das FPS-System bei Röhren mit hoher Elektronenstrahlintensität zur Erzeugung von Mikropunkten, für Projektionssysteme des Färb- bzw. Schwarz-Weißfernsehens, für Vidikonröhren oder Orthikonbildröhren sowie für Röntgenröhren und Röhren mit einem hochenergetischen, starkgebündelten Elektronenstrahl zum mechanischen Bearbeiten, Schweißen oder Bohren verwendet werden., Daraus folgt, daß die Zielelektrode bzw. der Schirm sehr verschiedenartig ausgebildet sein kann. Bei der in Fig.1 dargestellten Röhre besteht die Zielelektrode 3 aus einem konventio-

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nellen Schirm auf dem ein sichtbares Abbild durch den auftreffenden Elektronenstrahl erzeugt wird. Bei all diesen Anwendungen jedoch ist der Schirm 3 in einem durch den Laufraum 5 bestimmten Abstand von dem FPS-Hohlraum angeordnet. Eine Betriebsart des elektronischen Systems zur Brennpunktprojektion und -ablenkung gemäß der Erfindung wird mit Bezug auf Fig.1 beschrieben, bei dem der Elektronenstrahl nach dem Durchtreten durch die charakteristische öffnung 12 divergiert und sich durch den Laufraum 4 gegen den FPS-Hohlraum 2 bewegt. Die vor dem Brennpunkt liegende Linse 6 verursacht eine Bündelung und die Bildung eines Brennpunktes im Punkt 20 innerhalb des FPS-Hohlraumes 2. Die sich überschneidenden elektrischen und magnetischen Felder innerhalb des FPS-Hohlraumes verursachen die Elektronen des Elektronenstrahls einer im allgemeinen zykloidisch verlaufenden Kurve innerhalb des FPS-Hohlraumes zu folgen. Die Länge einer Zykloide kann durch den Abstand zwischen zwei Brennpunkten des Strahles ausgemessen werden. Die an die Anschlüsse 28, 28*, 29 und 29' des elektro-

statischen Jochs 26 angelegten Ablenksignale bestimmen die Richtung und die Größe der Ablenkung der Elektronen von der Achse 13. Die gestrichelten Linien 30 bezeichnen die Grenzen eines theoretischen Strahlenverlaufes innerhalb des FPS-Hohlraumes. Auf diesem Weg wird keine ganze Zykloide vom Elektronenstrahl innerhalb des FPS-Hohlraumes durchlaufen, d.h. der Brennpunkt 20 wird nicht innerhalb des Hohlraumes erneut abgebildet. Jedoch konvergieren die Elektronen als Folge der

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auf sie einwirkenden Kräfte innerhalb des FPS-Hohlraumes im Laufraum 5 und bilden einen scharfen Brennpunkt 31 auf dem Schirm 3· Der Halbwinkel PC ^ auf dem Schirm 3 entspricht in seiner Große im wesentlichen dem Halbwinkel fC ₂ am Brennpunkt 20, ist verhältnismäßig groß und kann z.B. sechsmal größer sein als der Halbwinkel, der bei einem konventionellen optischen System derselben Länge erzielbar ist. Die feine

Auflösung und die große Stromdichte im Elektronenstrahl kann man daher ohne starke Begrenzung der Proportionen der verfügbaren Durchmesser der Röhrenkolben erhalten, über welche der Elektronenstrahl abgelenkt wird. Bei dieser Betriebsweise wird der Brennpunkt 20 durch die Wirkung des FPS-Hohlraumes 2 auf den Schirm 3 projiziert.

Der projizierte Brennpunkt ist ein reeller Brennpunkt und kann im Laufraum zwischen dem FPS-Hohlraum und dem Schirm beschleunigt bzw. verzögert werden. Die Beschleunigung bzw. Verzögerung kann z.B. durch eine geeignet erregte«koaxiale zylindrische Spule mit gleichmäßiger Steigung bewirkt werden, welche an den wanden des fiöhrenkolbens im Laufraum zwischen dem Hohlraum und dem Schirm,wie in Fig.3 mit 32 bezeichnet, angebracht ist. Eine Jlaschenelektrode 33 kann außerdem vorgesehen sein, um das durch die Spiralelektrode 34- erzeugte Feld zu begrenzen.

Die Elektronenstrahlröhre gemäß Fig.4- stellt eine zweite Ausführungsform mit einem divergierenden Elektronenstrahl dar.

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Bei der Ausführung gemäß Fig.1 wurde der Elektronenstrahl im Laufraum 4 derart beeinflußt, daß er beim Eintreten in den FPS-Hohlraum 2 konvergierte und einen Brennpunkt 20 innerhalb des Hohlraumes bildete, in welchem ein reelles Abbild der charakteristischen öffnung erzeugt wird. Dieser Brennpunkt wurde mit Hilfe der sich überschneidenden elektrischen und magnetischen Felder innerhalb des Hohlraumes auf den Schirm 3 projiziert und zur Abtastung des Schirmes entsprechend abgelenkt. Bei der in Fig.4 dargestellten Betriebsweise einer Elektronenstrahlröhre liegt der erste Brennpunkt außerhalb des Hohlraumes und wird nicht in diesen projiziert und außerdem divergiert der in den Hohlraum eindringende Elektronenstrahl und wird nicht wie bei der Ausführung gemäß Fig.1 gebündelt. Bei dieser Ausführungsform wird ein virtuelles Bild der charakteristischen öffnung verwendet. Die Projektion des ersten Brennpunktes auf den Schirm und die Ablenkung über die Oberfläche des Schirmes wird durch das Zusammenwirken der sich überschneidenden elektrischen und magnetischen Felder im FPS-Hohlraum entsprechend der Ausführung gemäß Fig.1 bewirkt.

Die Teile der Elektronenstrahlröhre gemäß Fig.4·, die den Teilen der Elektronenstrahlröhre gemäß Fig.1 entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Röhre gemäß Fig.4 umfaßt einen Röhrenkolben 7» eine am einen Ende des Röhrenkolbens montierte Elektronenstrahlquelle 1, einen am

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anderen Ende des Höhrenkolbens angebrachten Schirm 3 und einen FPS-Hohlraum 2, in welchem über den gleichen zentralen Teil des Röhrenkolbens 7 sich eine Magnetspule 25 und ein elektrostatisches Joch 26 erstrecken und sich überschneidende elektrische und magnetische Felder erzeugen. Die Elektronenstrahlquelle 1 und der Schirm 3 sind von dem FPS-Hohlraum 2 durch Laufräume 4 und 5 getrennt.

Der sich gegenüber der Ausfuhrungsform gemäß Fig.1 unterscheidende Teil der Elektronenstrahlröhre gemäß Fig.4 ist die Elektronenstrahlquelle, welche einen divergierenden Elektronenstrahl für den FPS-Hohlraum liefert. Die Elektronenstrahlquelle umfaßt eine großflächige Kathode 35 j eine mit einem Loch versehene Kollimatorelektrode 36, eine Anode 37» eine Steuergitterelektrode 38 und eine Meniskuselektrode 39· In der Meniskuselektrode 39 ist eine öffnung 40 bestimmter Größe vorgesehen, welche für das elektronenoptische System gemäß der Erfindung als reeller Gegenstand dient. Eine Linse 41, die eine Anfangsfokussierung bewirkt, ist im Laufraum 4 neben dem FPS-Hohlraum 2 angeordnet.

Gemäß der bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung vorgesehenen Wirkungsweise divergiert ein die charakteristische öffnung 40 durchsetzender Elektronenstrahl auf seinem Weg durch den Laufraum 4 zum FPS-Hohlraum 2. Wenn der Elektronenstrahl in den Hohlraum eintritt, bleibt dieses Divergenz-

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verhalten im Gegensatz zu dem Konvergenzverhalten bei der Ausführungsform gemäß Fig.1 erhalten. 'Der Halbwinkel B. des divergierenden Elektronenstrahls läßt sich durch die Anfang8fokussierungslinse 41 einstellen.

Die Begrenzungslinie eines theoretischen Verlaufs des Elektronenstrahls ist mit dem Bezugszeichen 42 versehen. Der Divergenzhalbwinkel B^, unter welchem der Elektronenstrahl in den .FPS-Hohlraum 2 eintritt, ist im wesentlichen gleich dem Konvergenzhalbwinkel Bp, unter welchem der Elektronenstrahl in den Laufrau» 5 eintritt und am Punkt 43 auf dem Schirm 3 gebündelt wird. Der mit dem Bezugszeichen 42 bezeichnete Weg des Elektronenstrahls stellt nur eine Zykloide dar, welche von der charakteristischen Öffnung unter dem reellen Objekt 40 bis zum Punkt 43 auf dem Schirm 3 verläuft-

Die Zyklotron-Frequenz Ώ. der Elektronen innerhalb des FPS-Hohlraumts gemäß Fig.1 und 4 wird beschrieben durch die Gleichung:

Q « 91 B (1)

wobei Sc « die Zyklotron-Frequenz

T£ - das Verhältnis der Elektronenladung zur Elektronenmasse

B * die magnetische Feldstärke innerhalb des FPS-Hohlraumes in Gauss ist.

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Die Verweilzeit der Elektronen innerhalb des FPS-Hohlraumes wird durch die Gleichung ausgedrückt:

J
T = (2)

wobei I = die Länge des FPS-Hohlraumes

V = die Elektronenstrahlspannung ist.

Die Zyklotron-Phase θ wird beschrieben durch die Gleichung:

Für einen FPS-Hohlraum gegebener Länge kann die Zyklotron-Phase θ und der Brennpunkt entweder durch die Änderung des magnetischen Feldes B oder durch die Änderung der Elektronenstrahlspannung Y oder durch eine Änderung beider Größen abgestimmt werden. Eine Alternative hierzu ist auch die Än derung der Erregung der Anfangsfokussierlinsen 6 und 41 gemäß Fig.1 und 4-.

Eine totale Ablenkung des Elektronenstrahls innerhalb des FPS-Hohlraumes in Richtung der χ und y Achsen wird durch folgende Gleichungen beschrieben:

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x = X₀ + sin9- -^ (1 - cos θ) - -§-T (4)

7 X + ■*

^{J = 7}° ⁺ ΊΓ ^{sinö +} ⁽¹ " ^cos9)

wobei χ , χ. y und y die Koordinaten der Lage und der Geschwindigkeit am Eingang des Hohlraums sind und E die elektrische Feldstärke darstellt. Die Ablenkung D am Ausgang des Hohlraums wird durch folgende Gleichung beschrieben:

D = -rfx²^ y²

Die AbIenkungsempfindlichkeit oder das Verhältnis der Ablenkung D im iTS-Hohlraum, welche man aus einer vorgegebenen Ablenkspannung in Abhängigkeit von der Ablenkung D in einem vollelektrostatischen System mit derselben AbIenkspännung erhält, wird durch folgende Gleichung ausgedrückt:

_n /

- cos θ ______

θ/2

Die Rotation § einer elektronischen Abbildung innerhalb des PPS-Hohlraumes ergibt sich aus der Gleichung:

?■

Diese Charakteristiken des IPS-Systems gemäß der Erfindung sind in den Jig.5A und 5B dargestellt. In Pig^A ist die

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Ablenkungsempfindlichkeit des Systems als Funktion der Zyklotron-Phase aufgetragen. In Fig.^B ist die Bildverdrehung in dem iTS-System gemäß der Erfindung ebenfalls in Abhängigkeit von der Funktion der Zyklotron-Phase aufgetragen. Die Bildverdrehung ist näherungsweise ein Drittel der Zyklotron-Phase.

Ein optimales anastigmatisches FPS-Verhalten wird bei einer Zyklotron-Phase zwischen 110° und 140° erzielt. Wahrheitsgetreue anastigmatische Abbildungen werden bei Zyklotron-Phasen von 115° bis 135° erzielt. Wie aus den Abbildungen gemäß

^A und 5B entnommen werden kann, beträgt die Ablenkungsempfindlichkeit und Bildverdrehung für eine Zyklotron-Phase von 115° 86% bzw. 58°, während für eine Zyklotron-Phase von 135° sich die Werte von 83% bzw. 43° ergeben. Der Zyklotron-Phasenwinkel von 135° ergibt eine kürzere Brennweite und entspricht den bevorzugten Arbeitsbedingungen. Bei diesem Phasenwinkel verläuft der Elektronenstrahl mit 135° seiner 360° Cykloide innerhalb des FPS-Hohlraumes. Die erforderliche magnetische Feldstärke für eine Zyklotron-Phase von 135° kann aus der Gleichung (3) errechnet werden, woraus sich ergibt:

B - 3,33^Ί|-~- θ + 7,S*¹-^- " (9)

Die Beziehung zwischen der Länge der Laufräume 4 und 5 und des Hohlraumes 2 wird durch folgende Gleichung zum Ausdruck gebracht:

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aW^

wobei a = die Länge des Driftraumes 4-

b = die Länge des Driftraumes 5 i = die Länge des FPS-Hohlraumes 2 ist.

Da der Nenner der Gleichung (10) -cos θ und b positiv ist, verläßt der Elektronenstrahl den FPS-Hohlraum in konvergierendem Verlauf, wenn θ im zweiten und dritten Quadranten liegt. Da bei einer bevorzugten Betriebsweise die Zyklotron-Phase θ zwischen 110° und 140° gehalten wird, ist b positiv und den Bedingungen für eine Projektion des Brennpunktes außerhalb des Hohlraumes Genüge getan.

Das System gemäß der Erfindung zur elektronischen Brennpunktprojektion und -ablenkung, von welchem zwei verschiedene Betriebsweisen in den Fig.1 und 4- dargestellt sind, erlaubt eine gleichzeitige Ablenkung des Elektronenstrahls in Richtung der horizontalen und vertikalen Achsen des Schirmes. Die Fokussier-ung und Abtastung erfolgt gleichzeitig bei dem System gemäß der Erfindung. Außerdem kann ein kürzerer Röhrenaufbau als bisher verwendet werden. Wegen der gleichzeitigen Ablenkung und Fokussierung bei dem System gemäß der Erfindung kann die optische Entfernung der Linse von dem Schirm kürzer als der Ablenkaufbau sein, wogegen bei Systemen nit nach der Fokussierung erfolgender Ablenkung die optische Entfernung zwischen der Linse und dem Schirm größer als der

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Ablenkaufbau sein muß. Der kürzere optische Abstand zwischen der Linse und dem Schirm bei dem System gemäß der Erfindung führt zu einem konvergierenden Elektronenstrahl mit einem größeren Halbwinkel an dem Schirm und deshalb zu einer größeren Energiedichte im Brennpunkt auf dem Schirm. Damit wird der bisher notwendige Kompromiß zwischen Brennpunkt und Auflösung bei bekannten Elektronenstrahlröhren umgangen.

Bei dem System gemäß der Erfindung zur elektronischen Brennpunktsprojektion und -rablenkung bleibt der Brennpunkt des Bildes während der Ablenkung über die Oberfläche des Schirmes erhalten, wobei etwa 83% des Röhrendurchmessers mit sehr geringer Kantenunscherfe und sehr kleinen Ablenkstörungen überstrichen werden können. Die abstimmbare Linse zur Anfangskonzentrierung des Strahls im Laufraum in der Nähe des Eingangs zum FPS-Hohlraum stellt eine Einrichtung zur exakten Fokussierung des reellen Gegenstands auf dem Schirm dar. Wechselweise kann auch die magnetische Feldstärke oder die Elektronenstrahlspannung für eine Abstimmung dieser Art verwendet werden.

Bei dem System gemäß der Erfindung werden keine den Elektronenstrahl beschneidende öffnungen in dem FPS-Hohlraum verwendet, so daß die Stromverluste nur ein Minimum annehmen.

Der Elektronenstrahl trifft auf dem Schirm im wesentlichen rechtwinklig auf, da der Strahl einem sich überschneidenden

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elektrischen und magnetischen Feld im FPS-Hohlraum ausgesetzt ist und aus dem Hohlraum" austritt, nachdem der Strahl auf eine parallel zur Bezugsachse verlaufende Achse abgelenkt wurde. Geringfügige Abweichungen können, wie bereits mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben, durch eine nachträgliche Beschleunigung des Elektronenstrahls zwischen dem Hohlraum und dem Schirm korrigiert werden. Diese hinter dem Hohlraum vorgenommene Ausrichtung wird vorzugsweise durch magnetische Beeinflussung bewirkt, welche von einer über den FPS-Hohlraum hinausragenden Magnetspule ausgeht. Diese Anordnung ist in Fig. 6 mit dem Bezugszeichen 50 versehen. Diese Ausrichtung kann außerdem auch elektrostatisch ausgeführt werden, indem geeignet erregte Spirallinsen 51 isdem Lauf raum zwischen dem FPS-Hohlraum und dem Schirm, wie in Fig. 7 dargestellt, angeordnet werden.

Somit ergibt sich, daß die vorliegende Erfindung ein System zur Projezierung eines Brennpunktes eines Elektronenstrahls auf einen Schirm liefert, mit welchem man eine feine Auflösung und große Helligkeit bei gleichzeitiger Steuerung der Ablenkung des Strahles über einen Bereich des Schirmes erzielt. Die Leistungsanforderungen sowie Größe und Gewicht können stark verringert werden. Die elektronische Brennpunktsprojektion und -ablenkung gemäß der Erfindung verhält sich analog wie eine kurze magnetische Linse, die in eine parallele Ebene zum Schirm gebracht wird und ein Abbild des reellen Gegenstandes auf dem Schirm bewirkt, wobei die Linse zur zweidimensionalen Verschiebung des Bildes auf dem Schirm dient.

009820/0766 χ·\

Das System der elektronischen Brennpunktsprojektion und -ablenkung gemäß der Erfindung stellt einen Baustein dar, der in einer Vielzahl, von. elektronischen einen Elektronenstrahl verwendenden Einrichtungen Anwendung finden kann. Zum Beispiel bei Orthikons zur Bildaufzeichnung, bei Vidikons, bei Einrichtungen zur Bearbeitung, Schweißung oder Bohrung von Materialien mit Hilfe eines Elektronenstrahls, oder bei Einrichtungen zur Ferr sehbildwiedergäbe. Mit Bezug auf Farbfernsehröhren ist es wichtig darauf hinzuweisen, daß der Elektronenstrahl nicht in der zentralen Achse der Röhre beim Eintritt in den FPc Hohlraum liegen muß. Er kann in den Hohlraum an irgendeinem radial amberhalb der Achse liegenden Punkt eindringen und wir<5 si^er zykloidischen Ablenkung unterzogen, so daß er in einer parallel zur Achse verlaufenden Richtung aus dem Hohlraum austritt, um auf dem Schirm senkrecht aufzutreffen. Auf diese Weise können eine Vielzahl voneinander unabhängiger Elektronenstrahlen durch den FPS-Hohlraum gleichzeitig verlaufen, wobei jeder zur selben Zeit innerhalb seines eigenen Rasters von demselben Feld abgelenkt wird, bevor er auf die farbempfindlichen Teile des Schirmes auftrifft.

Wie bereits beschrieben, ergibt sich ein besonderer Vorteil, wenn das FPS—System in seinem zweiten Quadranten mit einer Verweilphase zwischen 110° und 140° betrieben wird, d.h. wenn eine schwache Fokussierung erfolgt. Jedoch sind für einige Anwendungen des FPS-Systems Betriebszustände von Vorteil, in welchen

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das System mit starker Fokussierung, d.h. in einer Verweilphase im dritten und vierten Quadranten betrieben wird.

In Fig. 8 ist ein FPS-elektronenoptisches System dargestellt, bei welchem sich die fokussierende Hagnetspule über die gesamte Länge des Systems erstreckt. Dieses System umfaßt eine Elektronenstrahl quelle 102, einen FPS-Hohlraum 104 und einen Schirm 106 innerhalb eines langgestreckten Höhrenkolbens 108.

Sie Elektronenstrahlquelle 102 enthält eine großflächige Glühkathode 110 und eine Gitterelektrode 112, welche die Elektronenemission der Kathode 110 steuert. Die emittierten Elektronen werden durch eine Anodenelektrode 114 beschleunigt, welche inbezug auf die Kathode 110 auf einen geeigneten positiven Potential gehalten wird. Ein Elektrodenteil 116 ist mit einer charakteristischen punktförmigen öffnung 118 versehen, die im optischen System als reeller Gegenstand wirkt und ungefähr einen Durchmesser von 0,025 mm (1/1000") oder weniger hat. Dieser Elektrodenteil 116 ist in der Nahe der Anode 114 an dem einen Ende des

FPS-Hohlraumes 104 derart angeordnet, daß zwischen dem Elektrodenteil 116 und dem FPS-Hohlraum kein Laufraum vorhanden ist. Diese Elektroden werden von einer nicht dargestellten Quelle aus auf einem geeigneten Potential gehalten. An der öffnung 118 erfährt der Elektronenstrahl eine Einschnürung oder Bündelung. Venn die öffnung selbst klein genug ausgeführt wird, kann sie auch als reeller Gegenstand des elektronenoptischen Systems verwendet werden. Die öffnung 118 liegt im wesentlichen inner-*

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1 S

halb der Achse 120 des Röhrenkalbens 108. Die mit 122 bezeichneten gestrichelten Linien kennzeichnen den prinzipiellen Verlauf des Elektronenstrahls für den Fall, daß die öffnung 118 durch einen senkrecht auf den Schirm 106 auftreffenden Elektronenstrahl auf dem Schirm abgebildet wird.

Der FPS-Hohlraum umfaßt einen Teil des Röhrenkolbens 108, welcher von sich überkreuzenden Feldern einer Magnetspule 124- und eines elektrostatischen Joches 126 bestimmt wird. Die Magnetspule 124- ist auf der äußeren Oberfläche des Röhrenkolbens 108 angeordnet und erstreckt sich über die Länge und den gesamten Umfang dieses Teils des Röhrenkolbens. Die Magnetspule 124 wird von einer geeigneten nicht dargestellten und an die Klemmen 128 angeschlossenen Energieversorgungsquelle aus erregt. Die Magnetspule 124- erzeugt ein gleichmäßiges magnetisches Feld, das parallel zur Achse 120 innerhalb des FPS-Hohlraumes 104 verläuft. Anstelle der Magnetspule 124- kann auch ein Permanentmagnet verwendet werden, um ein ähnliches Magnetfeld aufzubauen.

Das elektrostatische Joch 126 ist vorzugsweise von einer Art, welche ein im wesentlichen gleichmäßiges elektrisches Feld erzeugt , das den Elektronenstrahl von einem gemeinsamen Zentrum aus gleichzeitig nach zwei Koordinatenrichtungen ablenken kann. Dies kann durch die Verwendung gedruckter Schaltungen erreicht werden, welche paarweise und zwischeneinander liegend Elektroden bestimmter Form für die horizontale und vertikale Ablenkung enthalten. Das elektrostatische Joch 126, welches innerhalb der

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inneren Oberfläche des Röhrenkolbens 108 in herkömmlicher Weise montiert sein kann, erstreckt sich über denselben Bereich wie die Magnetspule 124 und bildet zusammen mit dieser den FPS-Hohlraum 104. In Abhängigkeit von einer geeigneten an die Klemmen 130 und 132 angelegten Erregung erzeugt das elektrostatische Joch 126 ein drehbares, biaxiales elektrisches Feld, das rechtwinklig zu dem magnetischen Feld steht, welches von der Magnetspule 124 erzeugt wird, und welches sich im wesentlichen gleichmäßig über das gesamte Volumen des FPS-Hohlraumes 104 erstreckt. Das elektrische Feld muß im wesentlichen quer verlaufen, d.h. frei von irgendwelchen Komponenten sein, die in der Richtung der Achse 120 wirken, da diese Komponenten Brennpunktsverschiebungen und Dreheffekte erzeugen. Die Magnetspule 124 und das elektrostatische Joch 126 erzeugen somit sich überschneidende elektrische und magnetische Felder, welche sich im wesentlichen über denselben Raum erstrecken und damit den FPS-Hohlraum 104 bilden. Das magnetische Feld ist ein statisches Feld, wogegen das elektrische Feld ein dynamisches Feld ist und sich in Abhängige keit von an die Klemmen 130 und 132 angelegten Ablenksignalen verändert.

Ein Raster 134 für eine niedere Auflösung ist am Ende des FPS-Hohlraumes 104 neben dem Schirm 106 angebracht und begrenzt die Felder innerhalb des Hohlraumes. Der Schirm 106 und der Raster 134 begrenzen den FPS-Hohlraum 104, so daß sich die Magnetspule 124 über die gesamte Länge des elektronenoptischen Systems er-

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streckt, und keinen feldfreien Raum an einer der beiden Seiten des Hohlraums freiläßt. Der Schirm 106 liegt in einer Ebene, die im wesentlichen senkrecht zur Achse 120 verläuft.

Das System gemäß der Erfindung zur elektronischen Brennpunktsprojektion und -ablenkung kann, wie bereits beschrieben, in vielen einen Kathodenstrahl aufweisenden Einrichtungen und für vielseitigen Gebrauch verwendet werden. Das FPS-System kann z.B. für Röhren zur Erzeugung eines Mikropunktes mit hoher Strahlintensität, Schwarzweiß- oder Farbfernseh-Projektionssysteme, Vidikon- und Orthikon-Fernsehkameraröhren, Röntgenröhren, und Röhren mit einem hochenergetischen stark gebündelten Elektronenstrahl zum elektronischen Bearbeiten, Schweißen oder Konturenbohren Verwendung finden. Somit kann sich auch die Art des Schirmes 106 verändern. Die in Fig. 8 dargestellte Röhre ist Jedoch eine Vidikonröhre, bei der der Schirm 106 in einer Weise aufgebaut ist, daß er beim Auftreffen des Elektronenstrahls ein sichtbares Bild wiedergibt. Obwohl der Schirm 106 unmittelbar neben dem Ende des FPS-Hohlraumes ohne einen dazwischen befindlichen Laufraum angeordnet ist, kann trotzdem bei einigen Anwendungsfällen ein solcher Laufraum vorgesehen sein.

Die Zyklotron-Frequenz^ der Elektronen innerhalb des FPS-Hohlraumes ist in der Gleichung (1), und die Verweilzeit T der Elektronen innerhalb des FPS-Hohlraumes in der Gleichung (2) wiedergegeben, während die Zyklotron-Phase θ durch die Gleichung (3) beschrieben wird. Für einen FPS-Hohlraum von gegebener Länge

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i. in Zentimeter kann die Zyklotron-Phase θ und der Brennpunkt durch Veränderung entweder des magnetischen Feldes B in Gausg, oder durch die Elektronenstrahlspannung V oder durch die Veränderung beider eingestellt werden. Als Alternative hierzu sieht .die Erfindung ferner vor, daß der Brennpunkt auch durch die Veränderung der Brechung einer getrennten Linse zur leichten Vorbündelung eingestellt werden kann, welche vor dem FPS-Hohlraum angeordnet ist.

Unter der Annahme, daß ein elektrisches Feld E in y-Richtung vorhanden ist, ergeben sich für die Weggleichungen des Elektronenstrahls innerhalb des FPS-Hohlraumes folgende Gleichungen:

χ = R (Θ - sin Θ) (11)

y = R (1 - cos Θ) (12)

ζ = 2 t/T (13)

R =

, t = die Flugzeit eines Elektrons innerhalb des FPS-Hohlraumes ist.

Die Ablenkung D des Elektronenstrahls am Ausgang des Hohlraums wird durch die Gleichung (6) beschrieben. Die Ablenkungεempfindlichkeit oder das Kompressionsverhältnis für die Abtastung ist K. Das Verhältnis der Ablenkung D. welche man beim Vorhandensein eines magnetischen Feldes erhält,zu der Ablenkung Dq, welche der Ablenkung bei dem Fehlen eines magnetischen Feldes entspricht, wobei für beide Größen dieselbe Ablenkspannung anliegt,

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— 2Ö —

ergibt sich aus der Gleichung (7). Der Drehwinkel <? des elektronischen Bildes innerhalb des FPS-Hohlraumes wird durch die Gleichung (8) beschrieben.

Diese charakteristischen Größen des FPS-Systems sind iii Fig. dargestellt, in welcher die Funktionen von K und <^ in Polarkoordinaten aufgezeichnet sind. Während der ersten drei Quadranten der Verweilphase θ stellt die Abtastrotation den beherrschenden Einfluß in der Änderung der Abtastphase dar, wobei die Kompression der Abtastung auf nicht mehr als 4-0% der ersten drei Quadranten ansteigt. Im vierten Quadranten nimmt jedoch die Abtastrotation langsam ab, und die Abtastauslenkung beginnt abzufallen. Aus der Gleichung (7) kann man entnehmen, daß' bei θ = 360° die Kompression der Abtastung auf Λ/ΠΓ oder 32% des elektrostatischen Wertes abgefallen ist. Der FPS-Hohlraum wirkt stark bündelnd. Bei θ = 360°, d.h. wenn der FPS-Hohlraum anfängt stark zu fokussieren, ist die Abtastrotation 90° und ändert sich nicht mehr mit den geringen Änderungen des Brennpunktstromes, welcher geringe Änderungen in der Verweilphase θ hervorruft. Dies ist ein wichtiges Merkmal, da es eine Veränderung des Brennpunktstromes ohne die unerwünschte Bildrotation zuläßt.

Unter der Annahme, daß die FPS-Magnetspule die einzige elektronische Linse in dem FPS-elektronenoptischen System ist, bestimmen die Fokussierbedingungen einheitlich die in dem FPS-Hohlraum auftretenden Verweilphasen Θ. Aus der elektronenoptischen Trigonometrie ergibt sich die Gleichung für die Fokussierung wie folgt:

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tan"¹ (-£- -|-) (15)

wobei a = die Länge irgendeines objektseitigen Laufraumes

des ITS-Hohlraumes
b = die Länge irgendeines bildseitigen Laufraumes

des ITS-Hohlraumes
£ = die Länge des STS-Hohlraumes ist.

Die Vergrößerung M des Systems ergibt sich aus folgender Gleichung:

1 ₊ (-4- -f.)²

rl—i-^

wobei a = b

M = die Einheit irgendeines Wertes von θ ist.

Wenn der Schirm 106 sehr nahe an dem Ausgang des iTS-Hohlraumes liegt ist b = Ό und die Vergrößerung M wird: .. Q

M = COS -TJ-

Da das System verkleinert, insbesondere wenn das ITS-System mit einem Wert θ im dritten Quadranten arbeitet, treten besonders erwünschte Merkmale auf, wenn das elektronenoptische System eine sehr feine Auflösung haben soll.

Der Auftreffehler ß , der als Winkel zwischen dem auftreffenden Elektronenstrahl und der Normalrichtung auf den Schirm definiert ist, hat für t = T folgende Größe:

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tanft = - (18)

' ζ

Dieser Wert kann durch, die Verwendung der Gleichungen (11), (12) und (13) abgeschätzt werden. Dieser Auftreffehler β ist bei Kameraröhren unerwünscht, da er Schattenwirkungen hervorruft.

Bei der vorliegenden Ausführungsform befindet sich die charakteristische Öffnung 118 unmittelbar neben dem Eingang zum FPS-Hohlraum. Deshalb sind die Größen a und b der Gleichung (15) Null, wogegen θ = 2^T oder 360° ist. Aus der Gleichung (18) kann man entnehmen, daß der Auftreffehler ß> theoretisch Null ist. Außerdem ergibt sich aus der Gleichung (17)? daß die Vergrößerung unter diesen Bedingungen eins ist, sobald das FPS-System auf die richtige Brennweite eingestellt ist. Die Auflösung ist vergleichbar mit der eines üblichen magnetischen Vidikons mit derselben Schirmgröße und Spannung.

In Fig. 11 sind die Ergebnisse einiger Untersuchungen an einem FPS-Vidikon dargestellt. Dabei zeigt Reihe 1 die Abtastrotation, Reihe 2 die Abtastkompression und Reihe 3 die Auflösung eines FPS-Vidikon bei verschiedenen Betriebsarten. Diese Untersuchungen wurden an einem Vidikon ausgeführt, bei dem die Verweilphase θ von Null bis 360 verändert werden kann. In der Spalte A ist der Betrieb des Vidikon mit dem Strom Null in der Magnetspule und damit bei einer Verweilphase 9=0° dargestellt. Außerdem wurde eine elektrostatische Fokussierung durch eine

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Einzel-Linse vor dem FPS-Hohlraum vorgenommen. In der Spalte B sind die Versuchsergebnisse an einem Vidikon mit gemischter Fokussierung durch die Einzel-Linse und die Magnetspule entsprechend der oben genannten Anwendung dargestellt. Die Verweilphase θ trägt ungefähr 135 · In der Spalte C ist eine vollmagnetische Fokussierung dargestellt, wobei die Einzel-Linse kurzgeschlossen ist, so daß die Verweilphase θ = 360° ist. Während all dieser Versuche wurde der Ausgangsstrom konstant gehalten.

Für einige Anwendungsfälle des FPS-Systems kann eine starke magnetische Fokussierung mit einer Verweilphase θ von weniger als 360° vorteilhafter sein. Aus Fig. 10 und der Gleichung (7) ergibt sich, daß die Ablenkungsempfindlichkeit K bzw. das Verhältnis der Ablenkung D beim anliegenden magnetischen Feld B zu der Ablenkung D_Q beim fehlenden Hagnetfeld B mit dem Abfallen der Verweilphase von 360° aus ansteigt. Außerdem ergibt sich die Ablenkspannung e™, welche für ein Vidikon mit einer Anodenspannung V benötigt wird, aus der Gleichung

H. 2.4 .A . d . 1 ₍₁₉₎

wobei Δ = die Ablenkdiagonale des Vidikonrasters

d = der Durchmesser des elektrostatischen Joches

oder der Ablenkung
Kö = die Abtastkompression durch das Magnetfeld bei

irgendeiner Verweilphase X = die Länge der Ablenkung ist.

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Biese Gleichung ist in Fig. 9 für verschiedene Mngen des FPS-Hohlraumes dargestellt. Die Tabelle in Fig. 9 gibt den Durchmesser d und die Jochgröße an, von welcher die graphische Darstellung ausgeht. Die Kurve c zeigt, daß die Verwendung eines konischen Jochaufbaus anstelle eines zylindrischen einige Erleichterungen hinsichtlich der Anforderungen für die Ablenk-Hochspannung bei einem Raster mit größerer Diagonale gibt. Die Ergebnisse zeigen, daß bei der Verwendung dieser starken magnetischen Fokussierung eine Mindestlänge des FPS-Hohlraumes von 7»5 cm (5 1/2") erforderlich ist, um die Ablenkspannung auf einem geeigneten niedrigen Niveau zu halten. Das in Fig. 12 dargestellte elektronenoptische System kann dazu verwendet werden, um das Gesamtverhalten des FPS-Systems zu verbessern. Dieses System umfaßt eine konische Elektrode 136 zur elektrostatischen Ablenkung, welche innerhalb der Magnetspule 124 angeordnet ist und dieselbe Länge I wie diese hat. Die elektrostatische Ablenkung hat den Vorteil, daß sie mit einem geringen Energiebedarf arbeitet.

Die Anschlußklemmen 128 der Magnetspule 124 sind über einen Zweifachumschalter 127 mit einer Batterie 129 zur Erregung der Magnetspule verbunden. Der Schalter 127 kann dazu benutzt werden, um die Polarität des von der Magnetspule erzeugten Magnetfeldes umzukehren. Dies ist sehr vorteilhaft und wird später in Verbindung mit Fig. 8 näher erläutert. Anstelle der Magnetspule kann auch ein Permanentmagnet verwendet werden, der umgedreht werden kann und damit die bevorzugte Polarität liefert.

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Dieses System umfaßt einen auf der Objektseite liegenden Laufraum 131) <ier eine Länge- von a aufweist. Eine Einzel-Linse dient der Feineinstellung der Brennweite des Elektronenstrahls 122. Eine Elektrode 135 ist mit einer charakteristischen punktförmigen öffnung 137 versehen und an dem einen Ende des Laufraumes 131 in der Nähe der Elektrode 112 angebracht. Eine Elektrode 139 mit einer den Elektronenstrahl bestimmenden Öffnung 141 ist an der anderen Seite des Laufraumes 131 vorgesehen. Das Vorhandensein des nicht in den FPS-Hohlraum eindringenden Laufraumes 131 hilft bei der Eeduzierung der Verweilphase θ des Elektronenstrahls innerhalb des FPS-Hohlraumes 104. Die punktförmige öffnung 137 kann einen Durchmesser von 1,5 mm (60/1000") betragen. Außerdem können die Elektroden 135 und 139 von der Einzel-Linse 133 und der konischen Ablenkelektrode 136 durch Isolierstücke 143 getrennt sein.

Die Linse oder der Zylinder 133 kann über einen Anschluß 133' zur Feinfokussierung mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden sein. Für den vorliegenden Verwendungszweck ist die Spannung zur Feinfokussierung die gleiche, wie die an den Anodenelektroden 135 und 139? welche miteinander verbunden sein können. Die elektrostatische Feinfokussierung verursacht keine unerwünschte Bilddrehung, welche bei einer magnetischen Feinfokussierung auftritt.

Zur Beschreibung der Funktion der FPS-Vidikonröhre gemäß Fig. 12 wird auf die Fig. 13 Bezug genommen. Die in diesen Figuren

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„ dargestellten Werte sind als Funktion des Verhältnisses der

/des g

Länge des Laufraumes a zu der Länge FPS-Hohlraumes JL aufgezeichnet. Bei dem Abszissenwert a/£ = O, was einer Verweilphase 9=0 entspricht, geben die Daten das Verhalten des FPS-Vidikon wieder, wenn dieses als Orthikon arbeitet. In Fig. 13A ist die Auflösung des Vidikon dargestellt, wobei hierfür die Anzahl der Fernsehzeilen als Maß dient. Fig. 13B zeigt die in Volt pro Elektrode gemessene Strahlablenkung. In Fig. 13C ist die Stärke des Magnetfeldes dargestellt, welches zur Bündelung des Elektronenstrahls benötigt wird, und in Fig. 13D wird die kreisförmige Schattenwirkung oder der sogenannte "Bullaugeneffekt" gezeigt, welcher als Größe des Quotienten der Rauschspannung Vm zur Anodenspannung V gemessen wird. Die auffälligsten aus

L·, - SL

dem Hinzufügen des Laufraumes 13I sich ergebenden Wirkungen sind der in Fig. 13A dargestellte beträchtliche Gewinn an Auflösungsvermögen und die in Fig. 13B dargestellte Wirtschaftlichkeit der Ablenkung des Elektronenstrahls. Das Auflösungsvermögen steigt demnach von 620 auf 800 Fernsehzeilen an bei einer gleichzeitigen Reduzierung der erforderlichen Ablenkung auf die Hälfte. Ferner ergibt sich daraus eine Einsparung an zur Fokussierung benötigter Energie infolge der auffälligen Verminderung des für die Fokussierung des Elektronenstrahls benötigten in Fig. 13c dargestellten elektrischen Feldes.

In einigen Fällen sind die zuvor genannten Vorteile mit einem Anstieg des die Schattenwirkung bezeichnenden Signals V_m ver-

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. Dieses Schattensignal steigt in einer größeren als linearen Abhängigkeit ah, wenn die Länge a des Laufrauffies 131 großer wird. Diie Erfahrung hat Jedoch gezeigt,/ daß die daraus resultierende ringförmige Schattenwirkimg in der Praxis über den gesamten Bereich von a/£ gemäß Fig. 13 nicht mit dem Auge wahrnehmbar ist.

Die vorstehende Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Auflösung, zeigt die größeren Vorteile, die sich aus der Verwendung eines Θ-Wertes vom dritten Quadranten des benützten EPS-Systems ergeben. Ein solcher.Wert ist z.B. die Verweilphase θ = 270°.

Für Anwendungsfälle der Erfindung, bei denen die Auftreffbedingungen nicht von hauptsächlicher Bedeutung sind, kann ein System von Interesse sein, bei welchem das Verhältnis a/^ nicht mit dem der Fig. 13 übereinstimmt. Ein solches System ist in Fig« i4A dargestellt, bei welchem das Verhältnis a// =2 ist. Dieses System wurde verwendet für elektronische Schweißgeräte. Ein entsprechendes System ist in Fig. 14B dargestellt, bei dem die effektive Länge a durch eine Schraubenwicklung 145 vergrößert wurde. Dieses Beispiel ist in den "Transactions of the I.ß.E.^ir, Band E.D. 9, Nr. 3., Mai 1962 beschrieben.

In, Fig. 15 ist ein Elektronenablenksystem dargestellt, welches für die Verwendung in einem FPS-System geeignet ist. Auf der Innenseite des Glasrohlings 138 der Röhre sind in konischer An-

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Ordnung elektrostatische Ablenkelektroden angebracht, deren Achse mit dem Bezugszeichen 140 bezeichnet ist; außerdem sind die Wegkurven 142 und 144 von zwei Elektronenstrahlen eingezeichnet. Die Elektronen fliegen vom öffnungsseitigen Ende 146 des Röhrenabschnittes 138 zum schirmseitigen Ende 148. In Fig. 16 ist das elektrostatische Ablenksystem in eine Ebene projeziert, um das Muster der gedruckten Schaltung darzustellen. Die Elektroden 150 können sinusförmig oder in irgendeiner anderen bekannten Weise aufgedruckt sein. Aus Fig. 16 kann man entnehmen, daß die Wellenlänge in axialer Richtung nicht konstant ist, sondern derart abgestuft ist, daß sie dem Abstand des Elektronenstrahls vom Joch proportional ist. Diese Art des Musters wird auch als Geometrie mit gestaffeltem Anstieg bezeichnet. Der Anstieg ist gestaffelt, um einen Streifeneffekt zu vermeiden, welcher auftritt, wenn, wie in Fig. 15 dargestellt, der Elektronenstrahl sich der Wand nähert, an der die elektrostatischen Ablenkelektroden angebracht sind. In Fig. 16 ist die Projektion dreier Flugkurven 152, 154· und 140 des Elektronenstrahls in die Ebene der elektrostatischen Ablenkelektroden dargestellt. Bei der Abwesenheit des magnetischen Feldes folgt der Elektronenstrahl der Kurve 140. Wenn jedoch ein magnetisches Feld vorhanden ist, wird der Elektronenstrahl beim Ablenken gedreht und folgt entweder der Wegkurve 152 oder 154, je nach der Polarität des angelegten Feldes. Innerhalb des elektrostatischen Ablenkfeldes wird der Elektronenstrahl von einer Kraft beeinflußt, die dem Zeitintegral des Bereichs des sich ändernden Potentials proportional ist, welches auf den Elektronen·

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strahl einwirkt, wenn dieser die gedruckten Elektroden passiert. Aus Fig. 16 ist zu entnehmen, daß dieses Ladungsintegral entlang jeder der Flugkurven 152 und 15²I- verschieden ist, da jede dieser Kurven verschiedene Teile der Elektrodenstreifen 150 passiert. Wenn die Flugkurve des Elektronenstrahls weit genug von der Wand entfernt ist, ist die durch die Ablenkung hervorgerufene Kraft gleichbleibend,und der Einfluß der verschiedenen Wegkurven des Elektronenstrahls kann vernachlässigt werden. Diese Bedingungen treten jedoch nur dann auf, wenn genügend Raum für die Aufnahme des elektrostatischen Ablenksystems vorhanden ist, so daß die Wände zumindest in einem vorgeschriebenen Abstand von dem Elektronenstrahl verlaufen. In vielen praktischen Anwendungsfällen ist der nötige Raum nur durch teueres Geld zu erkaufen, und das elektrostatische Ablenksystem muß daher so klein wie möglich sein.

Mit Bezugnahme auf Fig. 15 wird der Grund für die Staffelung des Musters der elektrostatischen Ablenkelektroden in der Nähe des ausgangsseitigen Endes beschrieben. Studien der Felder innerhalb der beschriebenen und dargestellten elektrostatischen Ablenksysteme haben gezeigt, daß diese von den Achsen des Systems ausgehend innerhalb großer Abschnitte gleichmäßig sind. Es. gibt jedoch in der Nähe der Wände einen Streifen, in welchem das Feld nicht gleichförmig ist. Die Tiefe des Streifenfeldes verändert sich in Abhängigkeit von der Wellenlänge des auf die Röhrenwände gedruckten Elektrodenmusters. Wenn Λ. ♦ die Tiefe des Streifenfeldes ist, dann besteht zwischen diesem und der

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Wellenlänge Λ der auf die Wand gedruckten Elektroden folgende Beziehung:

Da sich die Elektronen in einem EPS-System, das für einen minimalen Haumbe darf gebaut ist, der Wand des elektrostatischen Ablenksystems in Richtung auf den Ausgang oder das schirmseitige Ende 148 hin nähern, verläuft der Elektronenstrahl i« in den Streifenbereich des elektrostatischen Feldes. Wenn die Wellenlänge der auf die Wand gedruckten Elektroden verändert wird, verschiebt sich das Streifenfeld näher an die Röhrenwand des elektrostatischen Ablenksystems,und dadurch können die Einflüsse des Streifenfeldes verringert werden.

Selbst wenn genügend Raum zur Anbringung eines elektrostatischen Ablenksystems von solcher Größe vorhanden ist, daß die Polarität des Magnetfeldes keinen nennenswerten Einfluß auf die auf den Elektronenstrahl ausgeübten Kräfte hat, so hat sich gezeigt, daß die eine Polarität des magnetischen Feldes hinsichtlich der Verzerrung einen günstigeren Einfluß als die andere hat. Aus diesem Grund ist in Fig. 12 ein Zweifachumschalter 127 dargestellt, mit dem die Polarität des Feldes der Magnetspule umgeschaltet werden kann. Die bevorzugte Polarität hängt von der Richtung ab, in welcher das Elektrodenmuster am Anfang verläuft. So ist- ein im Uhrzeigersinn verlaufendes Muster besonders günstig für die eine Polarität, z.B. für den Nordpol des Magnetfeldes, während ein im Gegenuhrzeigersinn verlaufendes

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Muster besonders gunstig mit der anderen Polarität des Magnetfeldes zusammenwirkt. . .

Die Abhängigkeit von der Polarität des Magnetfeldes wird verringert, wenn der in das elektrostatische Ablenksystem.eintretende Elektronenstrahl auf einer Wegkurve verläuft', die rechtwinklig zu den gedruckten Streifen der Elektroden-der ersten Periode verlauft, oder sich diesen Bedingungen zumindest so nahe wie möglich nähert. Daher ist es manchmal vorteilhafter die Eingangswellenlänge des elektrostatischen Ablenkfeldes kleiner als die Wellenlänge der gedruckten Elektroden im Mittelteil des elektrostatischen Ablenksystems zu machen, insbesondere wenn dieses System innerhalb eines engen Röhrenkolbens angebracht werden muß. In Fig. 16Aist ein Muster dieser Art dargestellt. Die gedruckten Elektroden dieses Systems können ein Muster aufweisen mit gestaffelter Steigung, wobei die Wellenlänge der gedruckten Elektrodenetreifen an beiden Enden kleiner als in dem Mittelteil ist. Dies ist in Fig. 16B dargestellt, welche eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei der optimale Ergebnisse mit einem extrem kleinen Elektronenablenksystem erzielt werden sollen. Die Wellenlänge der gedruckten Elektrodenstreifen änderte sich von 1,25 cm (1/2") in der Fähe des Eingangs des Ablenksystems auf 1,56 cm (5/8") in der Nähe des Zentralbereiches des Ablenksystems-und ging auf 0,94- cm (5/8") an dem schirmseitigen Ende des Ablenksystems zurück.

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In Fig. 17 und 18 ist eine Ausführungsform der Erfindung dar-· gestellt, bei welcher das elektronenoptische FPS-System ohne Rotation arbeitet (NR-Typ). Der Aufbau der Elektronenstrahlquelle 102 des Röhrenkolbens 108 und des Schirmes 106 kann dem der bisher beschriebenen Systeme entsprechen. Jedoch umfaßt der NR-Typ des FPS-Systems auch eine nicht drehende Magnetlinse 156, welche zur Illustration in der vorliegenden Ausführungsform als drei gleichartig gewickelte gleichlange Abschnitte 158, und 162 der Magnetspule dargestellt ist. Jeder der Abschnitte der Magnetspule der nicht drehenden Linse 1% hat die gleiche Anzahl von Windungen. Diese nicht drehende Linse 156 wird von einer einzigen Stromquelle aus erregt, welche aus einer Batterie 164 und einem Einstellwiderstand 166 besteht und derart mit den Spulenabschnitten verbunden ist, daß die Abschnitte 158 und bezüglich des Abschnittes 162 in einem entgegengesetzten Sinne erregt werden. Da derselbe Strom durch jeden Abschnitt fließt, hat jeder auch, dieselbe Amperewindungs25ahl. Unter der Annahme, daß die Polarität der durch die Abschnitte. 158 und 160 erzeug-. ten Felder positiv ist bzw. sich auf einen Nordpol ausrichtet, ist das von dem Abschnitt 162 erzeugte magnetische Feld negativ, d.h. auf einen Südpol ausgerichtet.

In Fig. 18.ist eine graphische Erklärung.der Wirkungsweise des FPS-Systems der nicht drehenden Art gegeben. Diese Darstellung zeigt die Wegkurve des Elektronenstrahls in einer x-y-Ebene, und zwar in einer entlang der x-Achse gerichteten Ansicht vom schirmseitigen Ende aus. Der Punkt A im Nullpunkt des x-y-

Q;;0 9 82 07 0 7 6 S . . /.^,

Koordinatensystems stellt die als Gegenstand wirkende Öffnung des ITS-Systems dar, von*welcher der Elektronenstrahl ausgeht. Das vom System erzeugte elektrostatische Feld E verläuft in Richtung der positiven y-Achse. Wenn kein magnetisches Feld vorhanden wäre, würde der Elektronenstrahl entlang der positiven y- Achse abgelenkt werden. Bei den gemischten Feldbedingungen des FPS-Systems, welches eine Drehwirkung erzeugt, folgt der Elektronenstrahl einer zykloidischen Kurve ABD. Wenn das FPS-System jedoch keine Drehwirkung ausübt, folgt der Elektronenstrahl der zykloidischen Kurve AB, während er durch den Abschnitt 158 und 160 verläuft. Vom Punkt B aus ist der Elektronenstrahl dem entgegengesetzt gerichteten magnetischen Feld ausgesetzt, welches durch den Abschnitt 162 erzeugt wird, und wird in seinem Rotationssinn umgekehrt. Vom Punkt B bis zum Punkt C folgt der Elektronenstrahl einer Trochoide. Die Troehoide dreht sieh im Gegenuhrzeigersinn, so daß der Elektronenstrahl zur y-Achse zurückkehrt und dadurch den Eindruck erweckt, als ob er nur entlang der y-Achse ohne Rotation abgelenkt würde·.

Die Lange der Ablenkung AC des nicht drehenden FPS-Systems ist ungefährt 27% größer als die Länge der Ablenkung AD des drehenden FPS-Systems. Dies zeigt an, daß die nicht drehende Betriebsweise eine größere Ablenkungsempfindlichkeit als die drehende Betriebsweise hat. Die nicht drehende Betriebsweise liefert von einer als Gegenstand wirkenden öffnung gegebener Größe einen größeren Abtastpunkt, als dies bei der drehenden Betriebs-*

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weise der Fall ist, wobei die Auflösung mindestens so gut wie bei der drehenden Betriebsweise ist.

Die Umkehr der Polarität des Feldes zwischen dem Abschnitt 160 und 162 verursacht eine Störstelle in dem dazwischenliegenden Feldbereich. Wenn bei einem FPS-System gegebener Länge ein richtiger Brennpunkt erhalten werden soll, dann ist bei der nicht drehenden Betriebsart ein stärkeres Magnetfeld erforderlich als bei der drehenden Betriebsart.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

_y Elektronenoptisches System zum Bündeln und Abtasten eines Elektronenstrahls, welches in einem Röhrenkolben angeordnet ist und eine Elektronenstrahlquelle sowie Einrichtungen zum Lenken des Elektronenstrahls durch die Felder des Systems umfaßt und mit Einrichtungen zur Erzeugung des Gegenstandes des elektronenoptischen Systems sowie eines gegenüber der Elektronenstrahlquelle in dem Röhrenkolben angeordneten Schirmes, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Erzeugung eines im wesentlichen gleichförmigen magnetischen Feldes innerhalb des Röhrenkolbens und entlang dessen Achse vorgesehen sind, daß Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen im allgemeinen zeitabhängigen und im wesentlichen gleichförmigen Feldes innerhalb des Röhrenkolbens vorgesehen sind, welches eine Ablenkung des Elektronenstrahls in zwei Koordinatenrichtungen des Systems bewirkt, daß das elektrische Feld senkrecht zum magnetischen Feld verläuft,und diese sich innerhalb des Röhrenkolbens derart überschneiden, daß ein der Brennpunktprojektion und -ablenkung dienender Hohlraum entsteht, welcher eine fokussierte Abbildung des Gegenstandes des Systems auf dem Schirm und eine Ablenkung der Abbildung über die Oberfläche des Schirmes bewirkt.

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2. Elektronenoptikehes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der Elektronen in dem Hohlraum einen Verweilphasenwinkel für den Elektronenstrahl verursacht, der gleich oder kleiner als 180° ist.
3. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit in dem Hohlraum einen Verweilphasenwinkel für den Elektronenstrahl verursacht, der ungefähr zwischen 110° und 140° liegt.
4. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit in dem Hohlraum einen Verweilphasenwinkel für den Elektronenstrahl verursacht, der gleich oder größer als 180° ist.
5· Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der Elektronen in dem Hohlraum einen Verweilphasenwinkel für den Elektronenstrahl verursacht, der ungefähr 360° beträgt.
6. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der Elektronen in dem Hohlraum einen Verweilphasenwinkel für den Elektronenstrahl verursacht, der im Bereich von 270° liegt.
7. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch g e-kennzeichnet, daß ein Laufraum zwischen der Elektronenstrahl quelle und dem Hohlraum vorgesehen ist.

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8. Elektronenoptisches System nach Anspruch 7, dadurch g e kennzeichnet, daß die Länge des Laufraums ungefähr das 0,1- bis 0,5-fache der Länge des Hohlraums "beträgt.
9· Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorfokussierlinse zwischen der ElektronenstrahlqueHe und dem Hohlraum angeordnet ist, und daß diese Linse derart erregt wird, daß sie den Konvergenz- bzw. Divergenzwinkel des in den Hohlraum eintretenden Elektronenstrahls steuert.
10. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch g e kennz eichnet, daß Einrichtungen zur Erzeugung eines im wesentlichen gleichförmigen magnetischen Feldes vorgesehen sind, die eine den Hohlraum umgebende Magnetspule umfassen.
11. Elektronenoptisches System nach den Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen Feldes vorgesehen sind, die ein den Hohlraum umgebendes elektrostatisches Joch umfassen.
12. Elektronenoptisches System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch eine kegelstumpfförmige Form besitzt.
13· Elektronenoptisches System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch blattartige Elektroden

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mit sinusförmiger Gestalt umfaßt, welche in einer Neigung angeordnet sind, die abhängig von der Annäherung des Elektronenstrahls an die das Joch tragende Wand abgestuft ist.
14. Elektronenoptisches System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch blattförmige Elektroden von sinusförmiger Gestalt umfaßt, die derart abgestuft sind, daß der Elektronenstrahl auf einer Wegkurve verläuft, die im wesentlichen senkrecht zur ersten Halbwelle der blattförmigen Elektrode in den Hohlraum eintritt.
15- Elektronenoptisches System nach den Ansprüchen 1, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kollimator vorgesehen ist, um die Wegkurve des Elektronenstrahls zwischen dem Hohlraum und dem Schirm zu beeinflussen.
16.Elektronenoptisches System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator eine Magnetlinse ist.
17. Elektronenoptisches System nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator eine elektrostatische Linse ist.
18. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Beschleunigung

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des Elektronenstrahls vorgesehen sind, die im Grenztiereich zwischen dem Hohlraum und dem Schirm wirksam sind.
19. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verzögerungseinrichtungen für den Elektronenstrahl vorgesehen sind, die im Grenzbereich zwischen dem Hohlraum und dem Schirm wirksam sind.
20. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch g e kennz e i chnet, daß die Elektronenstrahlquelle eine charakteristische öffnung enthält, welche den optischen Gegenstand des Systems "bildet.

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