DE1916608A1

DE1916608A1 - Mikrowellenroehre

Info

Publication number: DE1916608A1
Application number: DE19691916608
Authority: DE
Inventors: Miram George V
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1968-04-12
Filing date: 1969-04-01
Publication date: 1969-11-06
Also published as: NL6905666A; DE1916608C2; NL170899C; JPS4938312B1; US3522469A; NL170899B; SE345549B; GB1270691A

Description

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magnetisches Leck-Streufeld ergeben würde. Darüber hinaus ist ein relativ grosses Leckfeld nicht mit den gewünschten Strahlkanten-Elektronenbahnen im Kanonenbereioh verträglich« Der Nebenschluss setzt also die Grösee und das Gewicht der Strahlfokussierspule herab, und formt das Hagnetfeld in geeigneter Weise· Bei einer Ausführungsform weist der magnetisohe Nebenschluss einen ünmagnetisohen Elektrodenteil auf, der nach einwärts auf den Strahl zu hervorsteht, um entweder eine Strahlfokuesierelektrode zu bilden oder eine Modulationsanode. Bei einer anderen Ausführungeform ist ein zweiter magnetischer Nebenschluss konzentrisch zum ersten magnetischen Neben-P Schluss angeordnet, um das magnetische Leck-Streufeld noch weiter zu reduzieren und gleichzeitig eine relativ grosse Zentralöffnung im Kathodenpolschuh zuzulassen«

Stand der Techniki

Es sind bereits magnetische Strahlfokussierkreise für Mikrowellenröhren beschrieben worden, die mit magnetischen Zylindern arbeiten» die den Kathodenemitter umgeben, um das Magnetfeld im Bereich der Elektronenkanone zu formen. In der US-Patentschrift 3 331 984 wird die Durchdringung eines zylindrischen Magnetfeld-Formgliedes, das innerhalb der ZentralÖffnung des Kathodenpolschuhs angeordnet ist

k und den Kathodenemitter umgibt, gelehrt, um die Konvergenz des Mag» netfeldes in einer Elektronenkanone mit relativ hoher Strahlkonvergenz zu erhöhen. In diesem Fall« war das Magnetfeld-Formglied so geformt und angeordnet, daß das Eisen in einem Bereich sättigte, der über der Emissionsfläche des Kathodenemitters hing, so daß die Feldstärke des Strahlfokussiermagnetfeldes hinter dem Emitter verringert

ay und zwischen dem Emitter und der Kanone erhöht wurde, um die Konver-

Jj* genz des Strahles zu erhöhen.

cn Bei einem anderen bekannten Kreis gemäss der US-Patentschrift 2

_o 847 ist die Elektronenkanone innerhalb des zylindrischen Magnet-

^u> schirmes angeordnet, und ein· Magnetplatte mit einer Zentralöffnung

ist am inneren Ende des zylindrischen Schirmes im Abstand von diesem

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angeordnet, Tim einen erheblichen Teil dee magnetischen Strahlfokussierfeldes durch den Schirm zu fokussieren,'.um die Konvergenz des Magnetfeldes im Bereich zwischen dem Kathodenemitter und der Anode zu erhöhen. Wie in dem "bereits erwähnten Kreis hat auch diese Elektronenkanone relativ hohe Konvergenz, d.h. eine Flächenkonvergenz zwischen 25 und JO*

Röhren mit geringer Strahlkonvergenz sind ebenfalls unter Verwendung von verschiedenen Feldformmagnetelementen im Bereich des"Kathodenemitters gebaut worden. Im Falle einer magnetischen Strahlfokussieranordnung für niedrige Strahlkonvergenz, insbesondere wenn die Elektronenkanone bei Perveanaen grosser als 1,5 ι 10~ bei relativ hohen Mikrowellenfrequenzen arbeitet, ist es jedoch erwünscht, daß die magnetische Strahlfokussieranordnung so klein gebaut wird, wie es mit Rücksicht auf das erforderliche Strahlfokussierfeld möglich ist. Das erfordert, daß der Leckfluss vom Strahlfokussiermagnet minimal gehalten wird. Um den magnetischen Leckfluss herabzusetzen, muss das Strahlloch in dem magnetischen Kathodenpolschuh so klein wie möglich gemacht werden.

Allgemein gesprochen, soll bei magnetischen Fokussierkreisen für Strahlen mit niedriger Konvergenz der Kathodenemitter allgemein in der Ebene des Eingangs der Zentralöffnung im Kathodenpolsohuh angeordnet sein. Wenn darüber hinaus auf relativ hohen Leistungspegeln und bei hohen Strahlspannungen gearbeitet wird, d.h. höher als 10 kV, und wenn mit einer Modulationsanode gearbeitet wird, müssen die Strahlfokussieranordnung und die Modulationsanode in dem Radialraum zwischen dem Kathodenemitter und der Innenwand der Bohrung des Magnetpolschuhs angeordnet werden. Da diese Elektroden relativ zueinander isoliert abgestützt werden müssen, um die relativ hohen Betriebsspannungen fern zu halten, wird der minimale Durchmesser der Bohrung im Kathodenpolschuh relativ gross, so daß sich ein relativ grosser Leckfluss ergibt. Deshalb muss die magnetische Strahlfokussieranordnung grosser und schwerer als notwendig sein, und es waren deshalb zusätzliche Feldformspulen erforderlich.

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Zusammenfassung der Erfindung;

Durch die Erfindung soll*eine verbesserte magnetische Strahlfokussieranordnung für Mikrowellenröhren mit niedriger Strahlkonvergenz verfügbar gemacht werden. ,

Erfindungsgemäss wird in einer magnetischen Strahlfokussieranordnung . für eine Mikrowellenröhre in einer zylindrischen Bohrung des Kathodenpolschuhe des Magnetkreises eine Kathode angeordnet, die von einem zylindrischen magnetischen Nebenschluss umgeben ist, dessen Länge in Richtung koaxial zur zylindrischen Bohrung grosser als das Doppelte des charakteristischen radialen Abstandes zwischen dem Nebenschluss und der zylindrischen Bohrung ist, so daß der magnetische Nebenschluss dazu dient, einen beträchtlichen Teil des magnetischen Strahlfokussierfeldes durch den Kathodenpolschuh zu leiten, um das magnetische Leckfeld der Strahlfokussierspule herabzusetzen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein zweiter hohlzylindrischer magnetischer Nebenschluss konzentrisch in dem ersten magnetischen Nebenschluss im radialen Abstand von diesem und elektrisch gegen diesen isoliert angeordnet, und dieser zweite Nebenschluss hat in Richtung der Achse des ersten Nebenschlusses eine Länge, die grosser ist als das Doppelte des charakteristischen radialen Abstan» des zwischen den beiden Nebenschlüssen, um den magnetischen Leekfluss der Spule noch weiter herabzusetzen.

Üemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist eine unmagnetische Elektrode am magnetischen Nebenschluss befestigt, die radial vom Nebenschluss zur Achse des Strahls hervorsteht, um ein auf den

«> Strahl wirkendes elektrisches Feld zu erzeugen.

^ Dabei bildet die unmagnetische Elektrode entweder eine Pokussier-

⁴^ elektrode oder eine Modulationsanode für den Strahl.

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Weitere Merkmal· und Torteil· der Erfindung ergeben aioh au» der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeiohnung} es «eigens

Fig. 1 einen scheaatisohen Längeschnitt durch eine Mikrowellenröhre ■it Merkaalen der Erfindung!

Fig· 2 einen soheaatisohen Schnitt durch die Kathode und den Kathoden·· polschuh alt Darstellung der axialen Magnetfeldstärke H in Abhängigkeit τοη der Distan» des Strahlwegesj

Fig. 3 eine detaillierte Darstellung des in Fig. 1 ait der Linie 3-3 uasohlossenen Teils} und

Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Darstellung einer anderen Ausführungsfom der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Mikrowellenröhre 1 weist eine Elektronen·· kanone 2 auf, ait der ein Elektronenstrahl gebildet und über einen länglichen Strahlweg zu einen Strahlkollektor 3 am Absohlussende des Strahlweges 4 projiziert wird. Eine Mikrowellen-Weohselwirkungsleitung 3t beispielsweise eine Reihe τοη einspringenden Hohlrauaresona·» toren, ist längs des Strahlweges 4 zwischen der Elektronenkanone 2 und dem Strahlkollektor 3 angeordnet, ua mit dem Strahl zur Verstärkung eines Mikrowellensignals in Wechselwirkung zu treten. Genauer gesagt, zu verstärkende Mikrowellenenergie wird am strahlaufwärtigen Ende der Mikrowellenleitung 5 über eine Koaxial-Eingangsleitung 6 angelegt und verstärkte Energie am Ausgang wird am strahlabwartigen Ende der Mikrowellenleitung 5 über eine Koaxial-Ausgangsleitung 7 abgenommen.

Eine magnetische Strahlfokussieranordnung 8 umgibt den Strahlweg 4 und die Mikrowellenleitung 3 koaxial, um ein axial gerichtetes magnetisches Strahlfokussierfeld H innerhalb des Strahlweges 4 zu erzeugen. Der magnetische Strahlfokussierkreis 8 weist eine Zylinderspule 9 auf, die koaxial zum Strahlweg 4 angeordnet ist, und zwei

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magnetische Polschuhe 11, 12 an den beiden Enden der Spul· 9· magnetisches Joch 13 Terbindet die Polschuhe 11 und 12, so daß ein magnetischer Rüokflussweg ausserhalb der Spule 9 zwischen den Polschuhen 11 und 12 gebildet wird. Die Polschuh· 11 und 12 weisen bei 14 und 15 zentrale Öffnungen auf, durch die der Strahl hindurchtrβten kann·

In Fig. 2 ist sohematisoh der Magnetpol 1 des Schuhes 11 ia Bereich der Elektronenkanone dargestellt. Genauer gesagt, ein plattenförmiger Kathodenpol schuh 11 hat eine zentrale Bohrung bei 14t ^¹¹* *iⁿ - Kathodenemitter 16 der Elektronenkanone 2 ist innerhalb der Bohrung * 14 im wesentlichen an derea Eingang angeordnet. Ein· nicht dargestellte Anodenanordnung bildet einen Teil der Elektronenkanone und sorgt dafür, daß der Elektronenstrahl geformt und längs des Strahlweges 4 mit einer FlächenkonTergenz projiziert wird, die im Bereich Ton 2 ... 10 liegt, d.h. das Verhältnis der Kathodenemitterfläche zur minimalen Querschnitt«fläche des Strahls bei D liegt im Bereich τοη 2 bis 10.

Der Magnetkreis nach Fig. 2 zeigt die Situation alt einer FlächenkonTergenz τοη etwa 3 > 1· In diesem Falle s.ollte der Kathodenemitter 16 in einer Ebene angeordnet sein, in der das magnetische Fokussierfeld H auf etwa 30 i» seiner maximalen Strahlfokussierstärke reduziert fc ist· Bei der dargestellten Anordnung liegt dieser 30 ^-Punkt etwa in der Eingangsebene der Bohrung 14» Ersichtlich hat das Magnetfeld etwa 50 # seines Maximalwertes an der Ausgangseben· der Bohrung 14« Um das Lecken des Magnetfeldes durch die Bohrung 14 in der Umgebung der Zylinderspule herabzusetzen, sollte die Bohrung 14 den kleinet-

möglichen Durohmesser haben, der zur Aufnahme des erforderlichen körco _o perlichen Durchmessers des Kathodenemitters 16 geeignet ist. In den "? meisten Fällen muss jedoch eine Strahlfokussierelektrodenanordnung um *■* den Kathodenemitter 16 herum angeordnet werden, und darüber hinaus ist

^ es oft erwünscht, eine Modulationsanode vorzusehen, die die Fokus- _(O sierelektrode umgibt.

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Da die Modulationsanode auf einem Potential arbeiten können muse, das zvisohen Kathodenpotential und Anodenpotential schwingen kann, muss eine geeignete Isolationsanordnung oder ein Zwischenraum zwischen der Modulationsanode und dem Kathodenemitter oder seiner Fokussierelektrode und der Innenseite der Bohrung 14 im Polschuh 11 vorgesehen sein« Dieser radiale Abstand, der dazu erforderlich ist, die verschiedenen Isolationen für die verschiedenen getrennten Elektroden um den Kathodenemitter herum aufzunehmen, erhöht den minimalen Durchmesser der Bohrung 14 erheblich, so daß sich ein erheblicher magnetischer Leckflußs ergibt, der erfordert, daß die magnetische Strahlfokus sieranordnung 9 grosser und schwerer als wünschenswert wirdο

In Fig. 3 ist eine Elektronenkanone und ein magnetischer Strahlfokus sierkreis ait Merkmalen der Erfindung dargestellt. Genauer gesagt, die zentrale Zylinderbohrung 14 in dem Kathodenpolschuh 11, beispielsweise aus Eisen, ist in axialer Richtung dadurch verlängert worden, daß eine zylindrische Hülse 21, beispielsweise aus Eisen, vorgesehen worden ist. Ein erster hohlzylindrischer magnetischer Nebenschluss 22, beispielsweise aus Weicheisen, ist koaxial zur Zylinderbohrung 14 und gegen diese in isolierendem Abstand angeordnet· Der magnetische Nebenschluss 22 hat eine erhebliche Länge 1, die axial eit der axialen Länge der Bohrung übereinstimmt. Genauer gesagt, die axiale Länge 1 des magnetischen Nebenschlusses 22 ist grosser als das Doppelte des charakteristischen radialen Abstandes r zwischen dem Nebenschluss 22 und der Innenseite der zylindrischen Bohrung I4. Der radiale Abstand r erlaubt es, daß der Magnetpol auf Anodenpotential betrieben wird, während der magnetische Nebensohluss auf oder nahe Kathodenpotential arbeiten kann. Geeignete isolierende Stützen, die in Verbindung mit Fig« 4 nooh näher erläutert werden, dienen dazu, den magnetischen Nebenschluss22 in der zylindrischen Bohrung I4 mechanisch abzustützen.

Eine hohlzylindrische, unmagnetisohe Strahlfokussierelektrode 25 umgibt den Kathodenemitter 16, um den Elektronenstrahl 4 durch eine Zentralöffnung 24 in einer Anode 25 der Elektronenkanone 2 zu fo-

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kussieren. Der Kathodenemitter 16 wird an der Inenseite der unmagnetischen Fokussierelektrode 23 mit einem dünnen, rohrförmigen Träger 26 abgestützt. Eine ringförmige, unmagnetische Elektrode 27 ist am Ende des magnetischen Nebenschlusses 22 befestigt- und steht radial nach innen vom Nebenschluss 22 zur Strahlachse vor. Die unmagnetische Elektrode 27 bildet eine Modulationsanode, die zwischen der Haupt-• anode 24 und dem Kathodenemitter 16 angeordnet ist, um die Stärke des Elektronenstrahls 4 zu modulieren.

Der Magnetpol 11 und die Hülse 21 zusammen mit dem magnetischen Nebenschluss 22 sind so geformt, daß sie dafür sorgen, daß die durch den Kathodenemitter 16 hindurch und längs des Strahlweges 4 verlaufenden Magnetfeldlinien eine konvergierende Form haben, die allgemein der konvergierenden Form der elektrostatischen elektrischen Feldlinien an der Strahlkante im Bereich zwischen dem Kathodenemitter 16 und der Anode 25 angepasst sind. Auf diese Weise hat der Strahl 4 die richtige Konvergenz und die Elektronenbahnen an der Kante des Strahls sind nicht unzulässig gestört, so daß ein laminarer Elektronenfluss beibehalten wird.

Bei Verwendung des magnetischen Nebenschlusses 22 kann der minimale Durchmesser der zylindrischen Bohrung ausreichend gross zur Aufnahme der Kathode, der Fokussierelektrode 23, der Modulationsanode und des Nebenschlusses 22 zusammen mit den Isolationsabständen gemacht werden, während gleichzeitig der magnetische Leckfluse herabgesetzt wird. Der magnetische Nebenschluss 22 dient dazu, den Magnetfluss zu sammeln, der sonst durch die Bohrung 14 nach aussen lecken würde, und diesen Magnetfluss durch den relativ dünnen radialen Spalt und in die Innenwand der Hülse 21 und von dort durch den Magnetpol 11 und das Joch

ο zu leiten.

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*** In Fig. 4 ist eine andere Elektronenkanone mit magnetischer Strahl- -- fokussierung dargestellt. Genauer gesagt, die Kanone nach Fig. 4 ist

to im wesentlichen gleich der nach Fig. 3, nur daß die Strahlfokussier« ^ elektrode 23* als zweiter hohlzylindrischer magnetischer Nebenschluss

28, beispielsweise aus Weicheisen, ausgebildet ist, der den Kathodenemitter 16 umgibt und sich axial in der gleichen Richtung wie der erste hohlzylindrische magnetische Nebenschluss 22 erstreckt. Der zweite Nebenschluss 28 hat einen relativ kleinen radialen Abstand r_ vom ersten Nebenschluss 22 und erstreckt sich in Richtung des ersten Nebenschlusses 22 über eine Länge 1„-· Auf diese Weise wird ein erheblicher. Anteil des Leckflusses, der sonst aus der Bohrung 14 herauslecken würde, vom zweiten magnetischen Nebenschluss 28 gesammelt und durch einen relativ kleinen radialen Spalt in den ersten magnetischen Nebenschluss 22 geleitet, von dort über den ersten radialen Spalt zur Magnethülse 21 und dann durch den Magnetpol 11. Wie im Falle des ersten magnetischen Nebenschlusses 22 soll der radiale Spalt r_ deutlich kleiner sein als die Hälfte der axialen Länge des Spaltes 1„, um die Reluktanz des Spaltes erheblich zu verringern. Sine ringförmige unmagnetische Strahlfokussierelektrode 29 ist am zweiten magnetischen Nebenschluss 28 befestigt und steht radial einwärts zum Strahl 4 vor, um die elektrostatischen Feld» linien im Bereioh des Kathodenemitters 16 richti g zu formen, so daß der Elektronenstrahl 4 über den gewünschten Weg zur Anode 25 fokussiert wird.

Eine Hochspannungsversorgung 31 ist zwischen den Kathodenpolschuh 11 und den Kathodenemitter 16 durch die Fokussierelektrode 23» verbunden, um die Strahlspannung zwischen die Anode 25 und den Kathodenemitter 16 zu legen» Eine Anodenmodulatorversorgung 33 moduliert das Anodenpotential an der Modulationsanode 27, üb die Stärke des Strahls 4 zu verändern. Hochspannungs-Abstützisolatoren 34 und 35» die aueh einen Teil des Vakuumgefässes der Röhre 1 bilden, sorgen für die erforderliche Isolation zwischen den Potentialen am Kathodenemitter 16, der Modulationsanode 27 und der Anode 25. Die Isolatoren sind an den anschliessenden Enden mit einer Modulationsanodenstütze 36 dicht verbunden, die einen konischen Teil aufweist, der mit dem Ende des ersten magnetischen Nebenschlusses 22 verbunden ist, um diesen innerhalb der Röhre abzustützen und ihm Betriebsspannung zuzuführen. Das andere

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Ende des Isolators 35 ist vakuumdicht an den Pol 11 mit einem üblichen vakuumdichten Verbindungsstück 38 verbunden.

Der Vorteil der beiden konzentrischen magnetischen Nebenschlüsse und 28 oder eines einzigen Nebenschlusses 22 liegt darin, daß effektiv die Lochgrosse 14 im Kathodenpolschuh 11 herabgesetzt wird, um die Grosse des Leckflusses zu verringern. Auf diese Weise kann eine kleinere Strahlfokussierspule verwendet werden, um die Kosten und die Grosse des magnetischen Strahlfokussierkreises zu verringern, und es werden die bisher erforderlichen Peldformspulen nicht mehr benötigt. ·

Claims

71 P2O7

Patentansprüche

ft.JMxKrowellenröhre mit einer Einrichtung zum Bilden und Projizieren eines Elektronenstrahls über einen länglichen Strahlweg, einem Kollektor am Abschlussende des Strahlweges, mit dem die EleKtronen gesammelt und deren Energie abgeführt wird, einer Mikrowellenleitung, die längs des Strahlweges zwischen der Strahlerzeugungseinrichtung und dem Strahlkollektor angeordnet ist, um zur Erzeugung eines Mikrowellen-Ausgangssignals mit dem Strahl in Wechselwirkung zu treten, und einem Magnetkreis, mit dem der Strahl über seinen Weg zwischen der Strahlerzeugungseinrichtung und dem Strahlkollektor fokussiert wird und der eine koaxial zum Strahlweg angeordnete Spule und ein Magnetjoch aus magnetisch permeablem Material aufweist, das sich in Längsrichtung der Spule erstreckt und zwei mit Mittelöffnungen versehene Polschuhe aufweist, durch die der Strahl hindurchtritt und von denen eine den Kathodenpolschuh bildet und am strahlaufwärtigen Ende des Strahlweges angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelöffnung im Kathodenpolschuh durch eine axial gerichtete zylindrische Bohrung durch den Polschuh gebildet ist, die Strahlerzeugungseinrichtung einen Kathodenemitter aufweist, der innerhalb der zylindrischen Bohrung in dem Kathodenpolschuh angeordnet ist, ein hohlzylindrischer, magnetisch permeabler Nebenschluss koaxial innerhalb der zylindrischen Bohrung im Polschuh und gegen diesen isoliert so angeordnet ist, daß er den Kathodenemitter umgibt, und der magnetische Nebenschluss in axialer Richtung der Bohrung eine Länge hat, die grosser ist als das Doppelte des charakteristischen radialen Abstandes zwischen dem Nebenschluss und der zylindrischen Bohrung, so daß der magnetische Nebenschluss dazu dient, einen erheblichen Teil des magnetischen Strahlfokussierfeldes durch den Polschuh zu leiten, um das magnetische Leckfeld der Strahlfokussierspule herabzusetzen.

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2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß ein zweiter

■ hohlzylindrischer magnetischer Nebenschluss konzentrisch in dem ersten Nebenschluss angeordnet und gegen diesen elektrisch isoliert und in radialem Abstand von diesem so angeordnet ist, daß er den Kathodenemitter umgibt, und der zweite Nebenschluss eine axiale Länge in Richtung des ersten Nebenschlusses hat, die grosser ist _als das Doppelte des charakteristischen radialen Abstandes zwischen den beiden Nebenschlüssen, so daß der zweite Nebenschluss dazu dient, einen erheblichen Teil des magnetischen Strahlfokussierfeldes durch den ersten Nebenschluss und den Polschuh zu leiten.
3. Röhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einer Mittelöffnung versehene unmagnetische Elektrode an dem magnetischen Nebenschluss befestigt ist, die vom Nebenschluss radial zur Achse des Strahls hervorsteht, wobei ihre Mittelöffnung mit dem Strahl koaxial ausgefluchtet ist, und an diese unmagnetische Elektrode ein Potential relativ zum Potential der Anode der Strahlerzeugungseinrichtung gelegt ist.
4. Röhre.nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Nebenschluss elektrisch mit dem Kathodenemitter verbunden ist, um diesen auf dem gleichen elektrischen Potential wie den Käthodenemitter zu betreiben, so daß die unmagnetische Elektrode als Strahlfokussierelektrode arbeitet.
5. Röhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential des magnetischen Nebenschlusses unabhängig vom Potential des Kathodenemitters ist und auch dem Potential der Anode, so daß die unmagnetische Elektrode eine Modulationsanode zur Modulation des Strahlstroms bildet.
6. Röhre nach einem der Ansprüche 1-5, dadurbh gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis so geformt ist, daß die Feldlinien des magnetischen Strahlfokussierfeldes durch den Kathodenemitter konvergieren

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lind an die i'orm der elektrischen Feldlinien im Strahlweg zwischen dem Kathodenemitter und der Anode angepasst sind, wobei die magnetischen und elektrischen Feldlinien eine Querschnitts!¹ lächenkonvergenz kleiner all 10 im Strahlwegbereioh zwischen der Anode und der Kathode haben» ^: -^{;v :} -■—-"■· ^{: r} ' " ~

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