DE1908676U

DE1908676U - Kathodenstrahlroehre.

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Publication number: DE1908676U
Application number: DEG23192U
Authority: DE
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1960-12-07
Filing date: 1960-12-07
Publication date: 1965-01-21

Description

. - GENERAL ELECTRIC COMPANY

New York 1?, N.Y.

L _™ .

Hannover, d. 5· Dezo I960 FK/PV-Am/Re

Kathodenstrahlröhre

Die vorliegende -f befasst sich mit Verbesserungen an elektrischen Entladungsanordnungen nach Art einer Kathodenstrahlröhre .

Ein Hauptgegenstand der vorliegenden -ii ist es, verbesserte Kathodenstrahlröhren vorzusehen, in welchen die Funktionen der Fokussierung, der Ablenkung und der Strahlbeschleunigung- und/oder verzögerung voneinander unabhängig gesteuert werden können, wobei dies - wenn es gewünscht wird im gleichen räumlichen Bereich geschehen kann»

Es ist ein weiterer Gegenstand der --·, ^oei Röhren oben

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genannter Art Anordnungen vorzusehen, die mechanisch relativ einfach aufgebaut sind, die verhältnismässig wenig äussere Potentialanschlüsse "besitzen und die besonders zur Ablenkverstärkung oder Bildwandlung geeignet sind.

Ein weiterer Gegenstand der besteht darin, eine verbesserte Kathodenstrahlröhre vorzusehen, die für einen gegegebenen Grad der Nachbeschleunigung eine wesentlich geringere Ablenkleistung erfordert und die infolgedessen eine grosse Änderung des Grades der Nachbeschleunigung gestattet, ohne dass sich die Eastergrösse wesentlich ändert.

Es kann mathematisch nachgewiesen werden, dass man die Fokussierung eines axialsymmetrischen Elektronenstrahles mit einem Minimum an sphärischer Aberration bewirken kann, wenn man ein elektrostatisches Feld vorsieht, dessen Äquipotentialflächen rotationssymmetrische koasymptotische Hyperboloide sind. Wenn die zweite Ableitung des Potentialfeldes auf der Achse in Abhängigkeit von der Lage entlang der Achse im Vorzeichen negativ ist, dann ist die auf die Elektronen einwirkende Feldstärke im Vorzeichen positiv, so dass eine divergierende Linsenwirkung auf einen das Feld passierenden Strahl ausgeübt wird. Anders gesagt, wenn der zweite Differentialquotient des Raunpotentials auf der Achse in Abhängigkeit von der

Lage entlang der Achse ein positives Vorzeichen "besitzt, dann wird eine konvergierende Linsenwirkung auf einen das Feld passierenden Strahl ausgeübt.

/ii

Gemäss der vorliegenden Erfindung besitzen Felder mit solchen erwünschten hyperboloidförmigen Äquipotentialflächen in elektrischen Entladungsanordnungen, wie beispielsweise Kathodenstrahlröhren, sowohl eine Beschleunigungsablenkung als auch eine bildverstärkende v/irkung. Die dazu notwendigen Anordnungen sind im mechanischen Aufbau relativ einfach; benötigen wenige äussere Potentialzuführungen und können in verschiedener Weise zur gewünschten Strahlfokussierung bei geringer Aberration mit einfachen Mitteln kombiniert werden.

Gemäss einem Merkmal der kann ein Feld mit hyperboloidf örmigen Äquipotentialflächen mit einer einzigen Elektrode, die aus einem kontinuierlichen spiralförmigen Leiter besteht, erzeugt werden. Ein solcher Leiter kann auch selbsttragend ausgebildet sein und ist koaxial zu einer Bezugsachse, die üblicherweise Längsachse einer Kathodenstrahlröhre ist, angeordnet. Die Elektrode besitzt eine derartige Form und eine derartige elektrische Widerstandscharakteristik, dass sie bezüglich der Achse ein Raumpotential erzeugt, das sich funktionell mit einer Verschiebung entlang der Bezugsachse

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- ¹A- -

ändert. Die Änderung der Potentiale längs des spiralförmigen Leiters kann auf verschiedene Art und Weise erreicht werden, beispielsweise indem man den effektiven Widerstand des Spiralleiters unterschiedlich macht, indem man seinen Querschnitt ändert, indem man seine Steigung ändert, indem man das Verhältnis der Windungsbreite zum Windungsabstand ändert oder indem man zwei oder mehr der oben genannten Möglichkeiten kombiniert anwendet. Zusätzlich kann die gewünschte Potentialänderung durch eine Reihe von stufenweis angeordneten Spiralen erreicht werden, wobei zwar jede Stufe in sich linear ist, jedoch die Anordnung im ganzen einen nichtlinearen Effekt zeigt. Eine solche Kurve kann auch annäherungsweise durch eine Reihe von geraden Linien erzeugt werden. Vorzugsweise wird jedoch sowohl die Steigung als auch die Breite des spiralförmigen Leiters geändert, um die gewünschte Potentialverteilung in Abhängigkeit von der Lage auf der Bezugsachse zu erhalten.

Gemäss der -- kann man weiterhin Veränderungen des Feldgradienten, auch abrupte Änderungen - wie sie beispielsweise an den Grenzen eines vorgegebenen Linsengebietes gewünscht werden - erhalten, wenn man an der Stelle einer solchen Änderung des Feldgradienten ein besonderes Feldbegrenzungselement vorsieht, beispielsweise ein oder mehrere senk-

recht leitende Flächen, die genügend perforiert sind, damit der Elektronenstrahl hindurchtreten kann-, die andererseits aber genügend dicht sind, damit sie als eine im wesentlichen gleichmässige elektrische Feldgrenze wirken und die eine Form besitzen, die im wesentlichen gleich ist der Kontur der an dieser Stelle gewünschten Äquipotentialfläche. Ein solches Begrenzungselement kann ein planes, leitendes Teil sein, beispielsweise ein Metallblech, das, falls der Elektronenweg unveränderlich ist, eine einzelne Öffnung zum Strahldurchtritt besitzt oder es kann ein poröses Teil sein, beispielsweise ein Maschengitter mit einer genügenden Transparenz. In Fällen, in welchen der Strahl eine Ablenkung erfährt wie dies bei der variablen Strahlablenkung der Fall ist -, wird man letztere Begrenzungselemente verwenden. Solche Begrenzungselemente sind auch dann angebracht, wenn man eine bestimmte Potentialdifferenz zwischen zwei sich gegenüberliegenden Flächen erzeugen will.

In einer Weiterbildung der sand derartige Linsenfelder erzeugende Anordnungen mit üblichen Elektronenstrahlerzeugungsmitteln, üblichen Strahlablenkungsmitteln und zusätzlichen üblichen feldbegrenzenden Mitteln kombiniert,, Solche feldbegrenzenden Mittel werden in einer grossen Anzahl von Elektronenstrahlröhren, beispielsweise in Bildröhren für

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verschiedene Zwecke der Bildverstärkung, der Ablenkverstärkung oder zur Erhaltung einer hohen Auflösung gebraucht.

"Verschiedene gemäss der .Egfindymg konstruierte Kathodenstrahlröhren sowohl mit divergierenden als auch mit konvergierenden Linsenarten werden im folgenden anhand der Figuren 1 bis 35 detailliert beschrieben.

In der Figur 1 ist eine Kathodenstrahlröhre mit einer divergierenden Linse gemäss der -/dargestellt. Die Röhre besteht aus einer Umhüllung 2, einem koaxial zu der Bezugsachse 6 angeordneten Halsteil 4 und einer üblichen Elektronenkanone 8 zur Erzeugung eines koaxialen Elektronenstrahles« Die Bezugsachse 6 erstreckt sich in Richtung der Z-Achse des Koordinatensystems. Innerhalb des Halses 4 sind weiterhin übliche Elektronenstrahlablenkungsmittel 10 vorgesehen, die hier zwar als elektrostatische Ablenkplatten dargestellt sind, die aber ebenso aus magnetischen Ablenkmitteln bestehen können und die eine Ablenkung des Elektronenstrahles in den zueinander senkrechten Koordinatenebenen X und Y von einem Ablenkmittelpunkt 12 aus gestatten. Innerhalb der Hülle 2 ist weiterhin ein vergrössertes Nachabienkungsteil 14-zylindrischer Form vorgesehen. Dieses besteht aus einer zylindrischen Wandung 15, die ebenfalls koaxial zur Bezugs-

achse 6 angeordnet ist und die mit ihrem vorderen Ende an die Frontplatte 16, welche senkrecht zur Bezugsachse steht, angrenzt. Auf der inneren Oberfläche der Frontplatte ist eine Zielelektrode 18 angebracht, die üblicherweise aus einem Leuchtschirm besteht, der auch mit einer lichtreflektierenden Metallbedeckung 19 versehen sein kann.

Für den im weiteren beschriebenen Zweck ist innerhalb des Halses 14 koaxial zu diesem ein rohrf ö'rmiges Teil 32 aus isolierendem Material vorgesehen, welches beispielsweise durch leitende Laschen 30 gehaltert ist. Dieses Rohr erstreckt sich kathodenseitig bis in den Bereich der Ablenkmittel 10 und reicht schirmseitig bis in das Gebiet der Nachablenkung 14 mit dem vergrösserten Wandungsdurchmesser» Das Rohr J2 besitzt eine innere leitende Oberfläche 33 > die mit Hilfe einer Zuführung an ein Potential Y^ einer Spannungsquelle 36 angeschlossen ist. Das Potential V^ liegt in der Nähe des Anodenpotentials der Elektronenkanone 8. An dem einen Ende des Rohres 34 und an diesem befestigt ist ein Feldbegrenzungselement in Form einer für den Elektronenstrahl transparenten Maske 34 angeordnet. Diese Maske 34 ist im grossen und ganzen senkrecht zur Bezugsachse 6 angeordnet und besteht aus eine^ leitenden porösen 3?olie oder einem Maschengitter.

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Wenn es angebracht ist den Durchtritt von Sekundärelektronen, die beim Auftreffen des Elektronenstrahles auf die Maske entstehen, durch die Maske 34 zu verhindern, so wird man ~ wie in Figur 2 dargestellt - die kathodenseitige Oberfläche der Maske mit einer nichtleitenden Schicht 37 bedecken, auf welche wiederum eine Schicht eines leitenden Materials ~j>8 aufgebracht ist. Diese Schicht 38 soll gute Sekundärelektronenemissionseigenschaften besitzen, wie beispielsweise Magnesiumoxid. Dadurch lädt sich die Schicht 38 während des Betriebes der Röhre auf das Potential V^ der inneren Oberfläche 32 auf. Im Gegensatz zu dem Potential Vy, wird die schirmseitige Oberfläche der Maske 34 mittels der Zuführung und der im Innern angebrachten leitenden Schicht 40 mit dem Potential Vo äes rückwärtigen Teils des Nachablenkungsgebietes 14 verbunden, welches vorzugsweise ein paar Volt, beispielsweise 30 bis 100 Volt, negativer als das Potential V^ ist. Auf diese Weise werden die Sekundärelektronen durch die Potentialdifferenz V^ - V2 zurückgevrorfen.

Dicht benachbart zu dem zylindrischen inneren Wandungsteil des Nachablenkungsbereiches 14 und vorzugsweise durch dieses gehalten ist eine Spiralelektrode koaxial zur Achse 6 vorgesehen, die aus einer leitenden Bedeckung oder leitenden Streifen bestehen kann. Der spiralförmige Leiter 44 erstreckt sich

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im wesentlichen über die gesamte Länge des Hüllenteiles 14 und ist mit seinem rückwärtigen Ende an ein Potential V^ angeschlossen, welches eventuell das gleiche sein kann wie das Potential Vo · Die Differenz der Potentiale V-, und Vo i-^s^ ^a^- hängig von der relativen axialen Lage der Maske 34 zu dem rückwärtigen Ende der Spirale 44 und soll vorzugsweise derart sein, dass das Maskenpotential Vp mit dem Potential der vorhandenen Äquipotentialflächen des elektrostatischen Feldes, das durch die Spiralelektrode 44 erzeugt wird, übereinstimmt. Auch sollte sich die Spirale in Z-Richtung mit dem

T)²
Rohr 32 um einen Betrag s = 4W überlappen, wobei D = der Schirmdurchmesser und t = der Abstand des Schirmes 18 von der Maske 34 entlang der Achse 6 ist.

Das schirmseitige Ende der Spirale 44 wird an ein Potential V gelegt, das gleich dem Potential der Zielelektrode 18 sein kann und das wesentlich positiver ist als das Potential Vo · Das vordere Ende der Spirale besitzt vorzugsweise einen gewissen Abstand von dem Schirm, welcher mit Hilfe einer leitenden Bedeckung 20 ausgefüllt ist. Die axiale Erstreckung dieser leitenden Bedeckung 20 soll ungefähr 0,36 D betragen, wobei D = der Schirmdurchmesser ist. Die die Spirale bildende leitende Bedeckung 44 kann aus irgendeinem üblichen Material bestehen, beispielsweise aus einem fein verteilten

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Graphitgeinisch mit einem Füllmittel und einem üblichen Bindemittel wie Kaliumsilikat und soll einen genügend hohen Gesamtwiderstand besitzen, damit ein Überstromabfluss zur Stromquelle 36 und eine übermässige Wärmeabstrahlung vermieden wird. Die Aufbringung dieser leitenden Spirale kann verschieden erfolgen, beispielsweise mit Hilfe photographischer oder photo-elektrischer Verfahren oder mechanisch, indem man von einer gleichmässigen leitenden Bedeckung einen Streifen der gewünschten Breite und der gewünschten Steigung entfernt.

Gemäss der -besitzt der Spiralleiter 44 ein derartiges Potential, das sich derart über seine Länge verändert, dass sich ein elektrostatisches Feld mit einen Raumpotential entlang der Achse 6 ergibt, welches sich gemäss der nachfolgenden Funktion ändert:

V = V₃ + (V₄ - V₅) ψ - (z/i¹)² (1).

Dabei ist = die gesamte axiale Länge der Spirale 44 gemessen entlang der Z-Achse. Aus der oben stehenden Gleichung (1) kann das bestehende Potential an jedem Punkt entlang des spiralförmigen Leiters 44 berechnet werden, indem man die Gleichung in für den Fachmann bekannter ^T7eise behandelt und zwar für das Raumpotential U und einen beliebigen Radius r entlang der Z-Achse in einem elektrostatischen Feld, das rota-

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tionssymmetrisch zu der Achse angeordnet ist und das durch die folgende Gleichung gekennzeichnet ist:

■ r² (d²^)

77-27
(cu )

wobei V = das Potential längs der Z-Achse ist.

Es ist schon darauf hingewiesen worden, dass sich jede gewünschte Änderung der Spannung längs der Spiralelektrode 44· auf verschiedene V/eise erreichen lässt, beispielsweise durch Änderung des Eigenwiderstandes des spiralförmigen Leiters, durch Änderung seiner Steigung, durch Änderung seines Querschnittes oder durch Änderung zweier oder mehrere der vorgenannten Faktoren gleichzeitig. Zum besseren Verständnis der Art, wie das Potential an jedem Punkt längs der Spiralelektrode beeinflusst werden kann, mögen die Darstellungen der Figuren 5 bis 9 dienen. In der Figur 3 ist eine Teilansicht einer zylindrischen Spiralelektrode gezeichnet, welche aus einem Streifen 50, z.B. aus leitender Farbe, besteht. Der Streifen 50 besitzt eine konstante Breite und hat eine konstante Steigung und für eine Spannung V. an einen Ende und

für eine Spannung V·. am anderen Ende der Spirale ist in der dazugehörigen graphischen Darstellung der Figur 4 gezeigt, dass die Spannungsänderung entlang der Spirale eine lineare Funktion der axialen Verschiebung auf der Achse Z ist. Die

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Figur 5 zeigt eine Teilansicht einer Spiralelektrode ähnlich der der Figur 3? ^^ei der Jedoch die Steigung der aufeinanderfolgenden Windungen 52 progressiv zunimmt. Dementsprechend ergibt sich - wie in Figur 6 gezeigt - eine Spaimungsänderung pro Längeneinheit entlang der Z-Achse, die mit zunehmender Steigung progressiv abnimmt, da der "Widerstand der Spirale pro Längeneinheit auf der Z-Achse mit zunehmender Steigung abnimmt ο In Figur 7 ist eine Teilansicht einer Spiralelektrode mit konstanter Steigung gezeigt. Bei dieser Spirale ändert sich jedoch die Breite des Streifens 54- in zunehmenden Masse. Aus der dazugehörigen graphischen Darstellung in der Figur 8 sieht man, dass, wenn die Breite des Leiters am kleinsten ist, die Widerstandsabnahme pro bindung am grössten ist ο Die Spatrningsändeiüng pro Windung an den Ende der geringeren Breite der Spirale ist grosser als die Spannungsänderung. ^:ro Windung an dem breiten Ende der Spirale. Es ist also möglich, jede gewünschte Beziehung der Spannung in Abhängigkeit von der Länge der Spirale zu erhalten, wenn rian die Breite und/oder die Steigung der Spirale ändert. Es soll auch darauf hingewiesen werden, dass diese Beziehung nicht nur bei Spiralen zylindrischer Form angewandt werden kann, sondern dass sie sich ebenso bei konischen Spiralen oder anderweitigen Spiralen anwenden lässt.

Un eine sehr grosse Änderung des Spannungsgradienten zu er-

-Inhalten, ist es besonders vorteilhaft, eine Spiralelektrode zu verwenden, deren Breite und Steigung sich gleichsinnig ändern. Eine solche Spirale ist in Figur 1 dargestellt, von der eine Teilansicht wiederum in Figur 9 dargestellt ist. Die Spirale 56 besitzt einen Zwischenraum 58 zwischen den einzelnen Windungen der Spirale konstanter Breite, wobei jedoch der Spalt zwischen den Windungen eine variable Steigung besitzt. Eine solche Spirale lässt sich leicht herstellen, indem man aus einer gleichmässigen Bedeckung einen Streifen konstanter Breite und variabler Steigung entfernt. Diese Spirale soll im folgenden als Grossgradientspirale bezeichnet werden. Sie besitzt weiterhin den Vorteil, wenig unbedeckte Wandung freizulassen und verringert so die Probleme, die durch elektrische Aufladung der unbedeckten Wandungsteile entstehen können.

Wenn man nun beachtet, dass man mit Hilfe einer Spiralelektrode - wie oben ausgeführt - Jede gewünschte.Relation des Potentials längs der Z-Achse erhalten kann, dann ist es offensichtlich, dass mit Ausnahme von Randeffekten bei einer Feldgrenze, welche im folgenden näher erklärt werden soll, in einem durch eine solche Spirale erzeugten axialen symmetrischen elektrostatischen Feld durch Anwendung der genannten Gleichung (2) jede gewünschte Beziehung des Raumpotentials

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der Z-Achse in Bezug der Verschiebung längs der Z-Ach.se errechnet werden kann.

Zum besseren Verständnis der Beziehung des Spiralleiters in Figur 1 zu dem von ihn erzeugten elektrostatischen leid wird auf die Figur 10 verwiesen, die zur Vereinfachung lediglich ein Spiralleiterteil der Figur 1 in einem verkleinerten Maßstab darstellt. Man sieht, dass die Steigung der Spiralelektrode der Figur 10 gegen das schirmseitige Ende der Röhre hin zuninnit. Auf diese Weise ist die Anzahl der Windungen pro Längeneinheit entlang der Z-Achse 6 am schirmseitigen Ende geringer als an dem rückseitigen Ende. Die Zahl der Windungen pro Längeneinheit Z ist an dem rückwärtigen Ende der Spirale grosser. Die Spannungsänderung pro Z-Einheit der Spirale ist also an dem rückwärtigen Ende ebenfalls grosser. Dies ist in der graphischen Darstellung der Figur 11 gezeigt, in welcher mit der Kurve 60 das Potential längs des Spiralleiters 44 als Ordinate in Abhängigkeit von der Verschiebung Z auf der Abszizze gemäss der Gleichung (1) eingezeichnet ist. Die Kurve 62 zeigt die erste Ableitung des Raumpotentials längs der Z-Achse des Spiralleiters 44· und die Kurve 64 zeigt die zweite Ableitung dieses Potentials ebenfalls in Abhängigkeit von Z. Aus den Kurven 62 und 64 ist ersichtlich, dass die erste Ableitung eine negative

Steigung besitzt und dass die zweite Ableitung ein negatives Vorzeichen besitzt. Infolgedessen erzeugt der Spiralleiter in der Anordnung nach Figur 1 ein Linsenfeld, welches eine divergierende Wirkung ausübt.

Es hat sich herausgestellt, dass wo auch immer dor Spannungsgradient des Feldes längs der Z-Achse eine abrupte Diskontinuität aufweist, beispielsweise bei der ersten Ableitung des Potentials an den linken äusseren Ende der Kurve 62 der Figur 11, es zur Vermeidung störender Effekte bezüglich der Linsenwirkung wünschenswert ist, dort ein Feldbcgrenzungselenent ganz bestimmter Form und Lage vorzusehen« Ein solches Begrenzungselement soll elektrisch leitend sein. Es soll ferner einigernassen durchlässig für den Elektronenstrahl sein und essoll eine Form haben, die im wesentlichen gleich ist der Form der gewünschten Äquipotentialflächen an der Stelle, an welcher der Feldgradient diskontinuierlich ist. Die Maske 34- in. der Röhre nach Figur 1 dient eben diesen Zweck. Die poröse Maske ~j>^}A- gestattet einen hohen Grad von Durchlässigkeit für den Elektronenstrahl, während die leitende zum Schirm hin angebrachte Oberfläche der Maske elektrisch gesehen - genügend einheitlich ist, um eine Begrenzungsfläche vorgeschriebener Form in Abhängigkeit von dem gewünschten hyperboloidförinigen Äquipotentialflächenfeld

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an der Stelle der Maske zu bilden.

Da - wie bereits dargelegt wurde - die zylindrische Spirale 4A der Figur 1 eine divergierende Linsenwirkung zeigt, besitzt die Anordnung nach Figur 1 den wichtigen Vorteil, dass der Elektronenstrahl einer Nachabienkungsbeschleunigung zur Erreichung einer zusätzlichen Helligkeit unterworfen wird. Ausserden wirkt diese divergierende Linse der konvergierenden Wirkung, die normalerweise in einen TTacnbeschleunigungsfeld beobachtet wird, entgegen. Man erhält also eine erhöhte Bildhelligkeit durch Nachbeschleunigung oder anders ausgedrückt, für eine gegebene Helligkeit benötigt nan zur Ablenkung eine geringere Strahlgeschwindigkeit. Damit erhält man bei verringerter Ablenkleistung eine vergrösserte Ablenkenpfindlichkeit, ohne dass sich die Bildgrösse verringert, wie das normalerweise bei Röhren mit Nachbeschleunigung der Fall ist.

Es hat sich weiter herausgestellt, dass das Ausnass der divergierenden Firkung der Linse nach Figiir 1 in gewissen Masse von der Länge des Triftraunes zwischen dem Ablenkraittelpunkt 12 und dem rückwärtigen Ende des Linsenfeldes, wie es durch die Maske J4 definiert ist, abhängig ist. Die Figur 12 zeigt dies in einer graphischen Darstellung, in welcher die

relative Rastergrösse als Ordinate in Abhängigkeit von den Nachbeschieunigungsvcrhältnis auf der Abszizze eingezeichnet ist. Die Kurven 66, 68, 70 und 72 entsprechen verschiedenen Werten des Verhältnisses S/L. Hierbei ist S die axiale Erstreckung zwischen dem Ablenknittelpunkt 12 und der Maske ^A- und L die axiale Erstreckung zwischen den Ablenkmittelpunkt und der Zdelelektrode 18. Es hat sich ferner gezeigt, dass, wenn sich das Verhältnis S/L ungefähr den Wert 0,56 nähert (Kurve 72), keine Rasterschrunipfung auftritt und das sogar über eine verhältnisiaässig weite Änderung des Nachbeschleu-nigungsverhaltnisses. Wenn das Verhältnis S/L grosser als 0,56 ist (Kurve 70), so ist die divergierende Linsenwirkung genügend stark, uri die Rastergrösse nit zunehmenden Nachbeschleunigungsfeld erwachsen zu lassen.

Es hat sich bei einer gebauten und geprüften Röhre, die im wesentlichen der in der Figur 1 gezeigten Röhre entsprach und welche ein S/L Verhältnis von 0,56 hatte, gezeigt, dass die letzte Anodenspannung V₇, von ein mal der Anodenspannung Vx| bis 25 rial dieser Anodenspannung geändert werden konnte. Bei einer Änderung des Nachbeschleunigungsverhältnisses von 1:25 machte sich keine wesentliche Änderung der Rastergrösse bemerkbar. Darüber hinaus verhindert die divergierende Linsenwirkung, dass durch die Linsenwirkung der

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Öffnungen in der Maske 34 ein Bild der Maske auf den Schirm entsteht.

Die Figur I3 ist ähnlich der Figur 10, zeigt jedoch eine Spiralelektrode 74- anderer Fora, einer divergierenden Linse. In Figur 13 ist die Windungsdichte, also der reziproke "/ert der Steigung der Spirale 74- zunehmend in Richtung zum Schirm hin ausgebildet. Die Spiralspannung nimmt gegen die Zielelektrode hin ab₅ so dass diese Spirale auf den Elektronenstrahl verzögernd einwirkt. Das Potential als Funktion der Z-Achse, die erste Ableitung des Potentials und die zweite Ableitung davon sind in Figur 14 in den Kurven 76, 78 und 80 dargestellt. Aus der Figur 14 ist zu ersehen, dass die erste Ableitung eine negative Steigung besitzt und die aweite Ableitung negativ ist, was besagt, dass sich eine divergierende Linsenwirkung ergibt.

Die Figur 15 ähnlich der Figur 13 zeigt aber wiederum eine andere Art einer Spiralelektrode 82 mit konvergierender Linsenwirkung. In der Anordnung nach Figur 15 nimmt die Windungsclichte zur Zielelektrode 18 hin zu, so dass die Spiralspannung gegen die Zielelektrode hin abnimat. Das Potential auf der Z-.-ichse als Funktion der Z-Achse, die eine positive Steigung aufweisende erste Ableitung des Potentials

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und die positive zweite Ableitung sind in den Kurven 84, 86 und 88 in der Figur 16 dargestell⁴-. Da die zweite Ableitung positiv ist, ergibt sich eine konvergierende Linsenwirkung.

Die Figur 17 > ähnlich der Figur 15, zeigt noch eine andere Forn einer Spiralelektrode 90 mit konvergierender Linsenwirkung. In der Anordnung nach Figur 17 ninmt die Spiralspannung zur Zielelektrode 18 hin ab, sie dient also dazu, den Elektronenstrahl zu verzögern. Die Windungsdichte ninrit ebenfalls zur Zielelektrode hin ab. Das Potential auf der Achse Z als eine Funktion von Z, die positiv geneigte erste Ableitung und die positive zweite Ableitung sind in den Kurven 92, 94- und 96 in Figur 18 dargestellt. Da die zweite Ableitung positiv ist, erhält nan die gewünschte konvergierende Linsenwirkung.

Es liegt auch innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung, dass auch eine nichtlineare Spiralelektrode zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes mit der gewünschten Linsenwirkung und Geschwindigkeitsänderungswirkung vorgesehen werden kann, die keine zylindrische Forn besitzt. Sie kann beispielsweise die Forn eines Konus oder eines anderen Rotationskörpers besitzen.

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In Figur 19 ist eine Ausschnittszeichnung einer ähnlichen Anordnung wie in Figur 1 gezeigt nit der Ausnahme, dass der Elektronenstrahl nach der Ablenkung durch die Ablenkuittel durch ein Gebiet nit einer nichtlinearen Spirale 100 zylindrischer Art nit Steigungs- und Potentialabnahne gegen dun Schirn 18 zu geführt wird. Anschliessend tritt der Strahl in ein Gebiet ein, das durch eine nichtlineare Spiralelektrode 102, die auf einer konischen Oberfläche aufgebracht ist, und die eine zunehnende Steigung und zunehmenden Potentialgradient aufweist, beeinflusst wird, nenn eine Spiralelektrode auf einer konischen Oberfläche aufgebracht wird, dann ist die Spannungsänderung pro Windung an dünnen Ende des Konus geringer, weil die Unfangslänge geder Windung dort geringer ist als die Unfangslänge der bindung, die sich an den dickeren Ende des Konus befindet.

Die auf die Anordnung nach Figur 5 bezogene graphische Darstellung der Figur 20 zeigt in der Kurve 104 das Potential längs der Z-Achse der Eöhre, in der Kurve 106 die erste Ableitung des Potentials auf der Achse als Funktion von Z und in der Kurve 108 die zweite Ableitung des Potentials auf der Achse in bezug auf Z* Es ist aus der Kurve 106 ersichtlich, dass die erste Ableitung eine Diskontinuität aufweist» Diese wird durch den Übergang vom negativen zun positiven

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Vorzeichen in einen Punkt längs der Z-Achse verursacht. Diese Stelle ist durch die Verbindung der zylindrischen Spirale nit der konischen Spirale definiert. Un störende Effekte auf die Fokussierungswirkung an der Grenze der beiden Felder der beiden Elektroden 100 und 102 auszuschalten, ist
eine feldbegrenzende Maske 110, ähnlich der Maske 34, senkrecht zur Z-Achse zwischen den Feldern angeordnet« Diese
Maske liegt an einen Potential, das gleich den nininalen
Potential in der Kurve 104- ist. Un einen Stron von Sekun™
därelektronen auszuschalten, kann diese Maske 110 ebenfalls als M-'fcrschichtnaske wie die Maske 34 ausgebildet sein, wobei zwischen den beiden Oberflächen ebenfalls ein geringer
Potentialunterschied herrscht.

Aus den Figuren 19 und 20 zeigt sich, dass die zylindrische Spiralelektrode 100 als eine verzögernde divergierende Linse wirkt und dass die konische Spiralelektrode 102 als eine beschleunigende divergierende Linse wirkt, wodurch eine Ablenkverstärkung erreicht wird, ohne dass grössere Änderungen in der effektiven Strahlgeschwindigkeit auftreten.

Linsen wie sie vorangehend beschrieben wurden können nicht
nur in Nachablenkungsgebiet der Röhre angeordnet sein, sondern sie können sich auch schon vor den Ablenknitteln be-

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finden, beispielsweise inden nan·«ntsprechende Bedeckungen auf der Innenwandung des Röhrenhalses .aufbringt, wodurch nan ebenfalls eine gewünschte Vorablenkungsfokussierung oder Elektronenstrahlgeschwindigkeitsvariation erhält.

Es soll weiter unter die Betrachtung der vorliegenden Erfindung fallen, dass verschiedene andere Kombinationen von Linsen obiger Art durchgeführt werden können, ur± die entsprechend gewünschten Resultate zu erhalten, '"enn nan eine Ablenkverstärkung zu erhalten wünscht, so kann nan ein Paar von konvergierenden Linsen 120 und 122 genäss Figur 21 vorsehen, welches einen realen cross-over 124 des Strahles bewirkt. Daraus resultiert eine Zunahne des Ablenkwinkels I30 in Vergleich zu einen Yiinkel 126, wie er dtirch die üblichen üblenknittel erzielt wird« In der Figur 22 sind graphisch in den Kurven I32, 134 und 1J6 die entsprechenden Potential-

Verteilungen entlang der Z-Achse dargestellt und zwar die positiv erste Ableitung und die positiv zweite Ableitung des Potentials in bezug auf eine Verschiebung längs der Z-Achse. Un störende Effekte dur gewünschten Linsenwirkung zu verneiden, ist ein Maschengitter 1J8, welches in Aufbau den Gitter 110 der Figur 19 ähnelt, in der Figur 21 vorgesehen und zwar an der Verbindungsstelle des Beschleuni-

gungsfeldes nit den Verzögerungsfeld.

Die- Figur 23 zeigt eine andere Lins^nkonbination, in v/elcher zwei zylindrische Spirallinsen entgegengesetzt zueinander angeordnet sind. Die "Verzögerungswirkung des abnelinenden Potentials 140 wird durch die Beschleunigungswirkung des zunehmenden Potentials des rechten Eloktrodunteiles aufgehoben, so dass sich keine Gesautänderung in der Geschwindigkeit des Elektronenstrahles, der diese Anordnung nach Figur 23 durchläuft, bemerkbar nacht. Wie sich jedoch aus der graphischen Darstellung des entsprechenden Gradienten und der zweiten Ableitung dazu aus den Kurven 144, 146 und 148 in Figur 24 ergibt, ist das Linsengebiet 140 und das Linsengebiet 142 konvergierend, so dass die gesamte Kombination eine verstärkte konvergierende Wirkung aufweist„

Aus der Figur 23 ergibt sich aber auch, dass die Diskontinuität des Spannungsgradionten an den Enden der beiden Linsen 140, 142 beachtet werden muss. Hierzu sind angenähert senkrecht leitende Masken 150, 152 angebracht, deren Oberflächen etwa suppenschüsselförriig ausgebildet sind, cianit sie in etwa den Äquipotentialflächen des hyperboloicKorixlgen Feldes der Linsenteile 140 und 142 entsprechen.

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Figur 25 zeigt eine der Figur 23 ähnliche Linsenko:~bina~ tion nit der Ausnahne, dass das erste Linsengebiet 155 verzögernd und divergierend und das zweite Linseng^biet 156 beschleunigend und divergierend ausgebildet ist. Es entsteht also ebenfalls keine Gesantändt-rung der Geschwindigkeit des hindurchgehenden Elektronenstrahles, jedoch weist diese Linsenkonbination eine erhöhte divergierende Wirkung auf. Die Kurven 158, 160 und 162 in der graphischen Darstellung 26 zeigen den entsprechenden Potentialverlauf, den Potentialgradient und die zweite Ableitung des Potenti?,ls in bezug auf Z einer Linsenkonbination nach der Figur 25» Un der abrupten Diskontinuität des Spannungsgradienten an der Verbindungsstelle der zwei Linsengc-biete und 156 zu begegnen, ist zwischen diesen Gebieten eine Maske 164, ähnlich der Maske 1^8, angeordnet. Diese Maske kann aber auch, wie in der Zeichnung dargestellt ist, durch eine nit einer öffnung versehene Platte ersetzt werden,, Die Enden der Linsengebiete können ebenfalls nit Hilfe von Bggrenzungselenenten 166 und 168 abgeschlossen sein» Diese Begrenzungselenente 166 und 168 sind konvex nach aussen gebogen, so dass sie sich ebenfalls den hyperboloidförnigen Iquipotentialflächenfeld anpassen.

Wo aufbauEiässige Einfachheit in den Vordergrund gestellt

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ist, kann nan nit einen Mininun an Aufwand eine Lirisenelektrode herstellen, die sich nicht stetig, sondern stufenweise

graphisch ändert«. Die einzelnen Kurven können so' durch ^ine Ee/'e von

geraden Linien angenähert -»verden. Di<_- einzelnen Stufen zur

können
weiteren Vereinfachung aus einer Spirale gleichnässiger Steigung bestehen, deren Felder nit den Feldern der Nachbar spirale ein Gesantfeld bilden, welches eine stufenförmige Annäherung an das theoretische Optinun darstellt. Eine solche anordnung ist in der Teilansicht der Figur 27 dargestellt. Diese Figur zeigt innerhalb der zylindrischen Unhüllung 172 das Nachablenkungsgebiet einer Kathodenstrahlröhre nit einen einzigen gleichnässigen Spiralleiter, der konstanten Querschnitt und daher auch einen konstanten Widerstand pro Längeneinheit besitzt, der jedoch aus einen ersten Teilabschnitt 174- nit geringer Steigung, einem zweiten Teilabschnitt 176 nit nittlerer Steigung und einen dritten Teilabschnitt 178 nit grosser Steigung besteht. Die Figur 28 zeigt die unterschiedlichen Spannungsgradieilten der drei Spiralabschnitte und zeigt darüber hinaus wie ein sich stetig ändernder Spannungsgradient angenähert wurden kann.

Die Figur 29 zeigt eine Röhre genäss der -cLie eine sehr hohe Auflösung besitzt. Eine übliche Elektronenkanone erzeugt einen axial gerichteten Elektronenstrahl, der eine

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Spirallinse 184 passiert. Diese Spirallinse 184- ist an der inneren Oberfläche eines Rohres 186 in den Halsteil 188 angebracht. Sie ist nach Art einer Grossgradientspirale aufgebaut und besteht aus einer leitenden Bedeckung auf der inneren Oberfläche eines Rohres aus isolierender. Material, das koaxial in den Halsteil 188 angeordnet ist. Das hintere Ende der Linse 184- wird auf das Potential der letzten Elektrode der Elektronenkanone gelegt, während das vordere Ende der Linse mit Hilfe der Finger 190 und der inneren leitenden Bedeckung 192 auf Schirnpotential gelegt ist. Die Objektebene der Linse ist die Ebene der Ausgangsöffnung für den Elektronenstrahl an den ausgangsseitigen Ende der Elektronenkanone 182. Die Linse dient dazu, den Elektronenstrahl zu bündeln und zu fokussieren, so dass dieser durch die axiale Ausgangsöffnung 194- des Linsenendes hindurchtritt. Der Elektronenstrahl kann dann anschliessend den üblichen Pokussierungs- und Ablenkungswirkungen untervrorfen werden, "beispielsweise nit Hilfe einer üblichen Pokussierungs spule 196 und einer Ablenkspule 198, die aussen auf den ochirnseitigen Ende des Röhrenhalses angeordnet sind.

Die Figur $0 zeigt eine Röhre nit einer nichtlinearen Spirallinse genäss der Erfindung, welche zur Bildwandlung ge~

eignet ist. Die Röhre enthält ein "bildentwickelndes Teil 210, das beispielsweise aus einer Photokathode bestehen kann, einen Schirn oder einer Zielelcktrode 212, welche dazu dient, von Elektronen , welche von den Teil 210 ausgesandt worden _{ beaufschlagt zu werden. Zwischen den bildaufnehnenden Teil 210 und einer nit einer zentralen Öffnung versehenen Maske 216 ist eine zylindrische nichtlineare Spiralelektrode 214 vorgesehen. Die Fora der Maske 216 entspricht wieder der Forn des hyperboloidförnigon Äquipo-tentialfeldes der Elektrode 214. Wie ersichtlich, besitzt die Spiralelektrode konvergierende, also beschleunigende Eigenschaften, wodurch die Helligkeit des auf der Zielelektrode 212 erzeugten Bildes verstärkt wird. Darüber hinaus wird eine Bildvergrösserung bewirkt, wie aus den eingezeichneten Elektroneiibahneii 210 und 220 zli ersehen ist«

Die Figur 31 zeigt eine andere Art einer Bildwandlerröhre ähnlich der der Figur 30, welche zwei kombinierte Spirallinsen verwendet. Die erste Linse 230 ist nächst der Photokathode 232 angebracht und besitzt beschleunigende und konvergierende Eigenschaften, während die zweite Linse ebenfalls konvergierende, jedoch zusätzlich vorzögernde Eigenschaften aufweist. Die beiden Linsen sind durch eine nit einer Öffnung versehenen Maske 236 getrennt,, Durch diese

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"beiden Linsen entsteht eine· doppelte divergierende Wirkung ähnlich wie bei der Anordnung nach Figur 21; es "wird also noch vor den Bildschirn ein realer cross-over erzeugt und dauit eine Bildverstärkung erreicht. Die Grosse der Bildverstärkung kann üblicherweise nit Hilfe einer veränderlichen an das rückwärtige Ende der vorderen Linse 234-angelegten Spannung beeinflusst werden, beispielsweise durch Zwischenschalten eines variablen Widerstandes 238.

Es hat sich auch gezeigt, dass die ge?/ünschten hyperb'oloidförmigen Felder sowohl für divergierende oder konvergierende als auch für beschleunigende oder verzögernde Linsen dadurch aufgebaut werden können, dass nan Elektroden nit Oberflächen gleichförnigen Potentials und loroidforn koaxial zu der gewünschten Bezugsachse anordnet. Dabei besitzt die nach innen gerichtete Oberfläche des Toroids einen koasynptotischen hyperboloidförnigen Querschnitt. Ein Beispiel einer derartigen divergierenden Linse ist in der Figur 32 dargestellt. Die dort gezeigte Elektrode 250 besitzt eine derartige toroid- und hyperboloidförnige Gestalt. Die Feldgrenzen werden durch die Masken 252 und 254- gesetzt, die sich in der Form wiederum den hyperboloidförnigen Äquipotentialflächen der Felder anpassen. Die Figur 33 zeigt in der Kurve 255 die Spannungsbeziehung längs der Achse der

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Anordnung nach Figur 32, die dadurch entsteht, dass nan die Elektrode 250 auf einen konstanten positiven Potential hält, w&lches positiver ist als die Potentiale der Masken 252 und 254, Die Figur 33 zeigt ebenfalls die erste Ableitungskurve 256 und die zweite Ableitungskurve der Potentiale in bezug auf die Z^chse.

Die Figur 3^- zeigt ein anderes Beispiel eines konvergierenden Linsenfokussi^rungsfoldes zur Ablenkverstärkung, in welchen eine toroid- und hyperboloidförnige Elektrode 270 verwendet wird zusannen nit den Begrenzungsnasken 272 und 27^ und einer zusätzlichen zwischengeschalteten Maske 276, die sich in ihrer Fom den anschliessenden hyperboloidförnigen Äquipotentialflächen der Felder anpasst. Die anfängliche Strahlablenkung wird beispielsweise nit Hilfe einer Spule 280 erzeugt, dann wird der Strahl verhältnisnässig scharf auf einen z^veiten cross-over 282 innerhalb der Spule 280 fokussiert. Dadurch entsteht eine wesentliche Verstärkung des Ablenkwinkels nit Hilfe der hyperboloidförnigen Linse. Die Figur 35 zeigt nit 286 die Spannungsbeziehung der Elektrode 270 und der Masken 272, 274 und 276 zusannen nit der ersten Ableitungskurve 288 der Spannung längs der Z-Achse.

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Die Anordnung nach Figur 32 sieht eine divergierende Linse vor, während die Anordnung nach Figur 3^ eine konvergierende Linse vorsieht, die besonders, zur Ablenkungsverstärkung geeignet ist. In beiden Anordnungen nach Figur 33 und 3 4· besitzt die toroid- und hyperboloidförnige Elektrode den besonderen Vorteil, dass sie sehr kleine Ausnasse besitzt und soo.it besonders in axialer Richtung geringen Raun benötigt.

Claims

RA. 819 5i 1*21. If.

anspräche

1) Elektronenstrahlröhre mit einer Elektronenquelle zur Erzeugung eines sich entlang einer Bezugsachse fortbewegenden Elektronenstrahles einer Zielelektrode und wenigstens einer die Bezugsachse umgebenden Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines axialsymmetrischen elektrostatischen Feldes, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens-an einem Ende der Elektrodenanordnung eine elektrisch leitende und für den Elektronenstrahl durchlässige Feldbegrenzungselektrode vorgesehen ist, deren dem elektrostatischen Feld zugekehrte Oberfläche derart geformt ist, dass sie im wesentlichen der Äquipotentialfläche des elektrostatischen Feldes an dieser Stelle entspricht.

2) Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strahlrichtung hintercinanderliegend zwei Elektrodenanordnungen zur Erzeugung zweier axialsymraetrischer Felder "vorgesehen sind und dass zwischen diesen beiden Elektrodenanordnungen eine Feldbegrenzungselektrode angeordnet

5) Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

net, dass in Strahlrichtung hintereinanderliegend und durch einen Driftraum getrennt zwei Elektrodenanordnungen zur Erzeugung zweier axialsymmetrischer Felder vorgesehen sind und dass jeweils zwischen den Elektrodenanordnungen und den Driftraum eine Feldbegrenzungselektrode vorgesehen ist.

4) Elektronenstrahlröhre nach einen der Ansprüche 1 "bis 3? dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung auf der Innenfläche einer symmetrisch zu der Bezugsachse angeordneten Wandung vorgesehen ist.

5) Elektronenstrahlröhre nach einen der Ansprüche 1 bis 4·, dadurch gekennzeichnet, dass die Äquipotentialfläche des von den Elektrodenanordnungen erzeugten Feldes die Forn eines koasyraptotischen Rotationshyperboloids besitzt.

6) Elektronenstrahlröhre nach einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung aus einer leitenden Spirale besteht.

7) Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass axe Spirale eine sich ändernde Steigung besitzt.

8) Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 6 oder 7? dadurch ge-

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kennzeichnet, dass die Spiralwindungen gleichen Abstand voneinander "besitzen.

9) Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ableitung der Punktion des durch die Elektrodenanordnung erzeugten Eaunpotentials in Abhängigkeit von der Lage auf der Bezugsachse eine positive Steigung besitzt.

10) Elektronenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8₅ dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ableitung der Funktion des durch die Elektrodenanordnung erzeugten Baunpotentials eine negative Steigung besitzt.

11) Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ableitung der Punktion des durch die Elektrodenanordnung erzeugten Eaumpotentials in Abhängigkeit von der Lage auf der Bezugsachse . konstant ist.

12) Elektronenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Ablenkmittel vorgesehen sind und dass wenigstens eine Peldbegrenzungselektrode zwischen den Ablenkmitteln und der (den) Elektrodenanordnung (en) vorgesehen ist.

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13) Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Feldbogrenzungselektrode von dem Ablenkraittelpunkt angenähert 0^56 mal den Abstand der Feldbegrenzungselektrode von der Ziolelektrode ist.

Elektronenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis IJ, dadurch gekennzeichnet, dass das durch eine Elektrodenanordnung erzeugte Eauinpotential längs der Bezugsachse angenähert durch folgende Beziehung definiert ist:

T₂ - V_{3 +} <_Τ/μ- V₅) (SS si),

wobei Y-, = das Potential am Anfang der Elektrodenanordnung

V. = das Potential an Ende der Elektrodenanordnung und ^4 - <3i-^e axiale Länge der Elektrodenanordnung ist.

15) Elektronenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldbegrenzungselektrode zwecks Vermeidung von Sekundärelektronen mehrschichtig ausgebildet ist.

16) Elektronenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung an beiden Enden mit Feldbegrenzungselektroden versehen ist.