DE2140523A1 - Elektronenstrahlerzeuger - Google Patents

Description

CBS σ - 1015

U.S. Serial No: $3 226
Piled: August 12, 1970

Columbia Broadcasting System, Inc, Stamford, Connecticut, V. St.A.

Elektronenstrahlerzeuger.

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenstrahlerzeuger und betrifft speziell einen verbesserten Aufbau eines Elektronenstrahlsystems zur Erzeugung eines dünnen, starken, gebündelten Elektronenstrahls .

Dünne Elektronenstrahl von verhältnismässig hoher Dichte werden für viele Zwecke benötigt, beispielsweise in Geräten zur Aufbringung eines Musters auf ein elektronenempfindliches Medium_s wobei z. B. die aufzuzeichnende Information einem Film entspricht, der nachher mittels eines Lichtpunktabtasters wiedergegeben werden kann. Elektronenkanonen zur Erzeugung solcher Strähle enthalten üblicherweise eine kleine strahlbegrensende öffnung oder Lochblende, und um möglichst viele Elektronen durch diese Blende gelangen zu lassen, ist eine sehr genaue Ausrichtung der Gitterelektrode und der Kathode gegenüber der Ännodenlochblende erforderlich. Es ist erwünscht, daß das Strahlsystem Einrichtungen zur Zentrierung des Elektronenstrahls auf die Lochblende enthält und daß ein sehr starker Strahl geringen Querschnitts erreichbar ist, ohne bei der Herstellung und Zusammensetzung des Systems auf übermässige Genauigkeit achten zu müssen oder nach der Zusammensetzung sne mechanische Ausrichtung vornehmen zu müssen.

Ein Strahlsystem mit den meisten dieser erwünschten Eigenschaften ist in dep IJ„δ.-Patentschrift 3 358 IJk beschrieben und enthält ein Steuermittel³j, welches aus vier- gegeneinander isolierten Segmenten

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besteht, die für die Lenkung des Elektronenstrahls durch die Lochblende erregt werden. Die gegenüberliegenden Abschnitte des Gitters werden von Gleichspannungen beaufschlagt, deren Amplituden einstellbar sind und oberhalb bzw. unterhalb der jenigen Gitterspannung liegen, die die Intensität des Elektronenstrahls steuert, sodaß das Verstellen der Zentrierspannungen die Intensitätssteuerung nicht stört.

Dieses bekannte Elektronenstrahlsystem hat zwar eine ausgezeichnete mechanische Stabilität, dennoch hat es einige Nachteile. Da beispielsweise die dem Steuergitter zur Intensitätsmodulation des Elektronenstrahls augeführten Video-Steuersignale an alle vier Segmente gelegt werden müssen, sind vier Schwarzwerthalter oder Klemmschaltungen nötig, um die Gitterelektrode als Ganzes bezüglich der Kathode und der Anode auf dem richtigen Potential zu halten. Da ausserdem bei normalem Betrieb des Strahlsystems die Elemente des in Segmente unterteilten Steuergitters auf verhältnismässig hoher Spannung liegen, beispielsweise 10.000 Volt negativ gegenüber Masse, ist eine große Zahl von Hochspannungsdurchführungen in den die Elektroden des Strahlsystems enthaltenden evakuierten Raum notwendig. Ferner bilden die verhältnismässig langen Zuleitungen zum Anlegen der Videosignale an die vier gegeneinander isolierten Gittersegmente unangenehme Kapazitäten, die eine einwandfreie Steuerung des Gitters stören.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Vermeidung der oben erwähnten Nachteile der bekannten Strahlsysteme ein einfaches Strahlsystem zu schaffen, dessen erzeugter Elektronenstrahl sich automatisch selbst auf die Lochblende der Anode zentriert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch ein Strahlsystem mit einer Kathode, einem einzigen, einheitlichen Steuergitter und einer Anode, die mehrere (typischerweise vier) gegeneinander isolierte und eine öffnung zum Durchtritt von

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Elektronen begrenzende Segmente aufweist _o In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind die Anodensegmente so gestaltet, daß sie den Elektronenstrahl abfangen ,wesin. er sich ausserhalb der Mitte befindet, und sind die Segmente jeweils über Widerstände mit Massepotential verbunden. Wenn der Strahl abgefangen wird, dann wird das abfangende Segment negativ aufgeladen und lenkt den Strahl zur Mitte der strahlbegrenzenden Lochblende ab. Andererseits kann der Strahl unter Anlegen geeigneter Potentiale an gegenüberliegende Anodensegmente durch die Lochblende gelenkt werden. Da die Anode normalerweise auf Massepotential liegt und ihr kein Videosignal zugeführt wird, wird das Problem des Anlegens geeigneter Potentiale an die Anode sehr vereinfacht. Zur Erregung des Gitters | ist nur eine einzige Verbindung notwendig und die Isolationsprobleme bei den Durchführungen für das Videosteuersystem und die Hochspannung sind ebenfalls sehr vereinfacht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben, womit auch das Verständnis des erfindüngsgemässen Aufbaues und seiner Punktionsweise erleichtert wird.

Figur 1 zeigt stark vergrössert und auseinanäergezogen in perspektivischer Darstellung die Einzelheiten des Aufbaues des erfindüngsgemässen Strahlsystems;

Figur 2 zeigt eine Schnittansicht des Strahlsystems;

Figur 3 zeigt einen Querschnitt gemäss der Linie 3-3 der Figur 2;

Die Figuren 4, k A und Ü B zeigen stark vergrössert in Schnittansichten Einzelheiten des Aufbaues der in Segmente geteilten Anode;

Figur Ί C zeigt perspektivisch und stark vergrössert eines der Anodensegmente;

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Figur 5 zeigt einen der Figur 3 ähnlichen Querschnitt, wobei die elektrischen Verbindungen der Anodensegmente mit Masse veranschaulicht sind.

Das in Figur 2 ±i Schnittansicht und in Figur 1 auseinandergezogen und perspektivisch dargestellte Elektronenstrahlsystem enthält eine Heizfadenkathode 10, eine in Segmente unterteilte Anode 12 und eine dazwischen liegende Gitterelektrode lH. Die Kathode 10 besteht aus hitzefestem Metall, vorzugsweise Wolfram,und ist an zwei starren Zuleitungen 16 und 18 befestigt, die dicht durch ein fc.eramisches Fußstück 20 hindurchgeführt sind. Die durchgeführten Zuleitungen können aus Wolfram oder einem anderen hitzebeständigen Material bestehen.

Die Gitterelektrode 1*1 hat eine allgemein zylindrische Form und wird von einem angeformten im x^esentliehen viereckigen Flansch 22 getragen. Der zylindrische Teil ragt durch eine öffnung in einer Seitenfläche eines im wesentlichen rechteckigen Rahmens 2H aus Keramikmaterial und ist an dem Rahmen mittels vier Schrauben befestigt, deren eine in Figur bei 26 zu erkennen ist. Die Schrauben greifen durch den Flansch 22 und sitzen im Rahmen 2h fest, vorzugsweise in Metallstiften 27, die im Rahmen eingebettet und Gewindelöcher zur Aufnahmeoer Sdrauben 26 aufweisen. Die Durchführung für das Gitter greift durch einen Schlitz im Rand des kerami- w sehen Fußstücks 20 und ist in den Flarrch 22 hineingeschraubt. Diese geschraubte Durchführung 28 und eine zweite durch einen weiteren Schlitz im Fußstück greifende Schraube 30 halten das Fußstück 20 und den Flansch 22 zusammen. An seinem mit dem Flansch versehenen Ende besitzt die Gitterelektrode eine zylindrische Ausnehmung, in welcher sich die Kathode 10 befindet, und deren Stirnwand mit einer öffnung 32 versehen ist, in welche das Ende der Heizfadenkathode ragt. Die der Anode zugekehrte Seite dieser Wand ist halbkugelig geformt und läuft in einem zylindrischen Abschnitt aus, der zur Anode hinweist. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung

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besteht die Gitterelektrode 14 aus rostfreiem Stahl und hat eine Gesamtlänge von 1,51 cm, einen Innendmrchmesser von O,8O8 cm am änodenseitig liegenden Ende und einen Durchmesser der öffnung von 0,185 cm»

Der Anodenaufbau als Ganzes hat eine zylindrische und verhältnismässig langgestreckte Form und ist aus vier Segmenten 36, 38, 40 und 42 zusammengesetzt, deren jedes im wesentlichen ein Viertel des zylindrischen Aufbaues ausmacht, wie es am besten in den Figuren 3 und 5 zu sehen ist. Die Segmente werden zweckmässigerweise durch Bohren und A-ufspalten eines zylindrischen stabähnlichen Körpers aus hitzebeständigem Metall wie beispielsweise Titan hergestellt. Wie es in der starkvergrösserten Darstellung in den Figuren 4, 4 A und 4 B zu sehen ist, werden die Anodensegmente aus einem Stab 37 hergestellt, für den ein Durchmesser von 0,635 cm und eine Länge von 2,04 cm typisch ist. Vor dem Zerteilen des Stabes in Viertel werden zwei um 90 ° zueinander versetzte Lochgruppen euer durch den Sti±> gebohrt und mit Gewinde versehen. Eine solche Lochgruppe ist bei 37 a und 37 b in Figur 4 dargestellt. Ein Ende des Stabes verjüngt sich bei 37 c vom vollen Stabdurchmesser konisch auf einen Durchmesser von 0,17 cm über eine Länge von 0,305 cm. Anschliessend wird in den Stab eine Längsbohrung 37 a mit einem Durchmesser von 0,17 cm eingebracht, die am konischen Ende beginnt und, wie in Figur 4 B zu sehen ist, kurz vor dem anderen Ende des Stabes endet, bei einer besonderen Ausführungsforn der Erfindung sind es O,O4o6 cm. Fortsetzung der Bohrung bildet ein durchgehendes Loch 37 e mit einem Durchmesser von 0,0127 cm. Der Stab wird anschließend in vier Segmente zerteilt, wobei zwischen ihnen vier 0,0381 cm breite Trennschlitze 37 f zustande kommen, die einen gleichmässigen Abstand von 90° zueinander haben und gegenüber den gebohrten und mit Gewinde versehenen Löchern um 45 ° versetzt sind. Wie in Figur 4 B zu sehen ist, endigen die 0,öj8l cm breiten Schlitze knapp vor dem Boden der zylindrischen Bohrung derart, daß das O_sO127 cm weite Loch 37 β in den 0,0381 cm breiten schlitz führt_s um hierdurch an jedem der vier Segmente einen Vorsprung 37 Z 211 bilden ₉ wobei diese

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Vorsprünge gemeinsam die Ausgangsöffnung des Anodenaufbaues bilden, um den Strahl eng zu begrenzen und ausserdem bei einem aus der Mitte geratenen Strahl Elektronen abzufangen.

Eines der getrennten Anodensegmente ist in Figur 4 C derart gezeigt, daß man auf seine Innenseite sieht. Der Vorsprung 37 g am ausgangsseitigen Ende ist deutlich sichtbar ebenso wie die Gewindelöcher 37 a und 37 b, die durch das Segment führen und den durch die Schnittflächen 37 h und 37 j gebildeten Winkel von 90° halbieren.

Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, werden die vier Anodensegmente in gegenseitigem Abstand und gegeneinander isoliert in einem Anodengehäuse 46 festgehalten, welches aus einem hohlzylindrischen Metallrohr" besteht, dessen ein Ende konisch zusammenläuft und teilweise in die Gitterelektrode 14 greift und dessen anderes Ende an einem vieeckigen Flansch 50 befestigt ist. Der Konus am gitterseitigen Ende läuft dem konischen Teil der Anodensegmente im wesentlichen parallel, und an der Spitze des Gehäuses 46 ist eine öffnung 48 für den Durchtritt der Elektronen von der Kathode zur Anode vorgesehen. Das andere Ende des Gehäuses greift durch eine kreisförmige öffnung 52 des keramischen Rahmens 24 und wird durch Schrauben festgehalten, die durch Löcher im Flansch 50 greifen und in den Rahmen 24 fassen, wo sie in Gewindelöchern festsitzen, die sich in quer durch den Block verlaufenden Stiften 54 und 56 befinden. Das Rohr 46 und der Flansch 50 bestehen vorzugsweise aus Titan, und der rohrförmige Abschnitt ist mit vier Längsschlitzen versehen, von denen drei in der Figur 1 bei 54, 56 und 58 zu sehen sind. Die SChlitze sind über den Umfang des rohrförmigen Teils um 90° zueinander versetzt und dienen zur Befestigung der vier Anodensegmente in gegenseitigem Abstarid und voneinander isoliert.

Da alle vier Segmente auf ähnliche Weise befestigt sind, wird zur Vermeidung von Wiederholungen nur die Befestigung eines

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Anodensegnients 36 beschrieben. In den Figuren 2_S 3 und 5 ist zu sehen, daß das Segment 36 mittels eines keramischen Abstandhalters 60 im Abstand von der Innenwand des Anodengehäuses 46 gehalten wird, und von diesem isoliert ist. Der Abstandhalter 60 spreizt sich über dem Schlitz 54 und wird von zwei Schrauben 62 und 64 festgehalten, die durch den Schlitz und den Abstandhalter in die Gewindelöcher im Anodensegment 36 fassen. Die Schrauben sind gegenüber dem Anodengehäuse und der fertigen Anordnung weiterhin mittels eines zweiten isolierenden Abstandhalters 66 isoliert, der ausserhalb des Anodengehäuses 46 angeordnet ist und über den Schlitz 54 greift. Die Abstandhalter 60 und 66 bestehen vorzugsweise aus Bohrstickstoff, weil dieses Material sowohl ein guter elektrischer Isolator als auch ein guter Wärmeleiter ist, sodaß die in den Anodensegmenten durch den Elektronenbeschuss entstehende Wärme schnell abgeführt wird. Die Abstandhalter können auch aus eloxiertem Aluminium bestehen.

In der gerade beschriebenen Weise werden alle vier Anodensegmente angeordnet, während sich das rohrförmige Gehäuse 46 in der eingebauten Stellung nach Figur 2 befindet. Die auseinandergezogene Darstellung in Figur 1 ist insofern etwas irreführend, als dort das rohrförmige Gehäuse mit den eingebauten Segmenten ausserhalb des Rahmens gezeigt ist und in dieser zusammengebauten Form natürlich nicht durch die Öffnung 52 im Rahmen 24 passt. Nachdem zuvor beschriebenen Zusammenbau begrenzen die vier Anodensegmente eine mittlere Öffnung 68, in welche die von der Kathode kommenden Elektronen gerichtet sind. •Der Strahldurchlass 68 hat über den grössten Teil seiner Länge einen gleichmässigen Querschnitt, der sich jedoch zu einer Ausgangsöffnung 70 kleinerer Querschnittsfläche mit einem Durchmesser von etwa 0,0127 cm verengt, die von den in Figur 4 B gezeigten Vorsprüngen der Anodensegmente gebildet wird. Den Abschluss des Anodenaufbaues bildet eine Anodenkappe 72 die beispielsweise aus Titan besteht und einen mittleren zylindrischen

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Teil 74 aufweist, der so temessen ist, daß er vom Anodengehäuse 46 aufgenommen wird und dabei etwa 0,0762 cm von den Anodensegmenten entfernt ist. Die Anodenkappe ist an den isolierenden Rahmen 24 gemeinsam mit dem Anodengehäuse durch vier Schrauben befestigt, die in quer im Rahmen 24 angeordneten Stiften festsitzen.· Die Anodenkappe ist mit einer mittleren öffnung f6 versehen, die an ihrem äusseren Ende einen genau bemessenen scheibenähnlichen Einsatz 78 trägt, der vorzugsweise aus Platin besteht und in seiner Mitte eine genau gearbeitete den Elektronenstrahl begrenzende Lochblende 78'hat. Der Einsatz 78 kann an der Anodenkappe in irgendeiner geeigneten Weise befestigt werden, beispielsweise durch Punktschweissung oder durch ein (nicht gezeigtes) Halteglied, welches an der Anodenkappe angeschweisst oder anderweitig befestigt ist. In besonderer Ausgestaltung des Elektronenstrahlsystems hat die Lochblende einen Durchmesser von 10 Mikron.

Das beschriebene Elektronenstrahlsystem ist nicht vakuumdicht und daher zur Verwendung in einem abgeschlossenen Gehäuse vorgesehen. Das Strahlsystem kann sich entweder im Halsteil eher herkömmlichen Kathodenstrahlröhre befinden, oder es kann innerhalb· des Vakuumgehäuses eines Elektronenstrahl-Recorders angeordnet sein, wie er beispielsweise in der U.S.-Patentschrift 3 116 962 beschrieben ist.

Ein wichtiges Merkmal der beschriebenen Konstruktion ist die Möglichkeit der automatischen Lenkung des Strahls. Wie in Figur gezeigt, sind die einzelnen Anodensegmente 36, 38, 40 und 42 über entsprechende Widerstände 80, 82, 84 und 86 an Massepotential angeschlossen, wobei in einer typischen Ausführungsform jeder Widerstand einen Wert von etwa 5 Megohm hat. Die Widerstände sind zweckmässigerweise mittels der Befestigungsschrauben 62 und 64 an die jeweiligen Anodensegmente angeschlossen, wie es in Figur 3 gezeigt ist, und sie werden in gedrängter Form neben den keramischen Rahmen 24 gepackt, indem jeweils eher ihrer Anschlüsse an den Befestigungsschrauben des zugehörigen Anodensegments befestigt wird, während die anderen Anschlüsse

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zusammengeführt und mit einem auf Massepotential liegenden Punkt verbunden werden.

In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Strahlsystems 3 welches mit einer Strahlspannung von etwa 14 KV betrieben wird, ist die strahlbegrenzende Lochblende 10 Mikron weit, wobei der Strahlstrom durch diese Blende etwa 100 Nanoamp£re (O₃I Mikroampere) beträgt und der von den Anodensegmenten abgefangene Strom etwa 500 Mikroampere beträgt. Falls der Strahl aussermittig verläuft^fängt eines der Segmente mehr Elektronen auf als die anderen drei, hauptsächlich an den Vorsprüngen 37 g, und wird negativer aufgeladen als die anderen, wodurch der Strahl zur Mitte der Lochblende hin abgelenkt wird. Es wurde gefunden, daß bei Widerständen von jeweils 5 Megohm zwischen den Anodensegmerfen und Massepotential eine Steuerung des Strahls auftritt, wenn nur 20 % des normalen Strahlstroms von einem Segment abgefangen werden. Bei dieser Ausführungsform war das Strahlsystem folgendermassen dimensioniert: Die Heizfadenkathode 10 bestand aus einem Wolframdraht von 0,0127 cm Durchmesser, wobei die durch ihn gebildete Haarnadel an ihrer breitesten Stelle 0,229 cm weit war. Die öffnung 32 im Gitter hatte eine Weite von etwa 0,185 cm und die Spitze des Heizfadens 10 reichte bis zum Ende dieser öffnung. Der Halbkugelförmige Teil der Gitterelektrode hatte einen Durchmesser von 0,874 cm, und der konische Abschnitt des Anodengehäuses 46 erstreckte sich etwa 0,0483 cm weit in den zylindrischen Teil der Gitterelektrode. Der Heizfaden wurde mit Gleichstrom von etwa 3,5 Ampere beheizt, wobei dieser Gleichstrom aus einer Spannung von 2 Volt erhalten wurde, die einem Widerstand 80 aufgeprägt war. Der Widerstand 80 enthielt eine Mittelanzapfung, die einen Kathodenanschluß zur Verbindung mit dem 14 KV-Ausgang einer Anoden-Kathodenspannungsversorgung bildete, die ihrerseits in der Zeichnung allgemein durch einen angezapften Widerstand 84 dargestellt ist. Die Anode v/urde auf Maseepotential betrieben und das Steuergitter war etwa 300 Volt negativ gegenüber der Kathode. Die Strahlintensität wird durch ein Signal moduliert,

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welches dem nach aussen geführten Anschluss des Steuergitters aus einer geeigneten (nicht gezeigten) Steuerschaltung zugeführt wird.

Mit dem beschriebenen und dargestellten Aufbau lässt sich der Elektronenstrahl genau auf die Mitte der strahlbegrenzenden Lochblende zentrieren, ohne daß eine Erregung der Anodensegmente erfolgt. Da die Anode normalerweise auf Massepotential liq££, werden die Durchführungsprobleme hinsichtlich der ■Videosteuerung und der Hochspannung sehr vereinfacht.

Die vorangegangene Beschreibung und die Zeichnungen beziehen sich auf ein besonderes Ausführungäeispiel der Erfindung. Im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens sind jedoch Änderungen und andere Ausführungsformen der Erfindung möglich.

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Claims (9)

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   Patentansprüche.

   Strahlsystem zur Erzeugung eines gebündelten Elektronenstrahls, gekennzeichnet durch eine Heizfadenkathode (10), eine Anodenanordnung mit mehreren gegeneinander isolierten Segmenten (36, 38, 40, 42), die eine· Öffnung (37 f) für den Durchtritt von Elektronen umgrenzen, sowie mit einer strahlbegrenzenden Lochblende (78* ), und eine zwischen der Kathode .und der Anodenanordnung liegende . Gitterelektrode (14) mit einer durchgehenden Öffnung für den Durchtritt von Elektronen.
2. 2. Strahlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenanordnung (46) in die Öffnung der Gitterelektrode (14) greift.
3. 3. Strahlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenanordnung eine hohzylindrische, elektrisch leitfähige Anodenhülse (46) aufweist, welche in ihrem Inneren die Segmente (36, 38, 40, 42) trägt, und daß die in gegenseitigem Abstand und gegeneinander isoliert angeordneten Segmente gegenüber der Anodenhülse isoliert sind.
4. 4. Strahlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (36, 38, 40, 42) an ihren der Lochblende (78¹ ) zugewandten Enden jeweils einen in die von ihnen umgrenzte Durchtrittsöffnung (37 f) ragenden Vorsprung (37 g) aufweisen, wobei die Vorsprünge so gestaltet sind, daß sie bei aussermittig laufenden Elektronenstrahl Elektronen abfangen.
5. 5. Strahlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Segmente (36, 38, 40, 42) über einen gesonderten Widerstand (ÖO, 82, 84, 86) mit einem Bezugspotential verbunden ist.

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6. 6. Strahlsystem nach Anspruch 3_t dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterelektrode (14) eine im wesentlichen halbkugelige, der Anodenanordnung zugewandte Fläche besitzt, und daß die Anodenhülse (46) in Richtung auf die Gitterelektrode konisch zusammenläuft.
7. 7. Strahlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenanordnung vier Segmente (36, 38, 40, 42) aufweist.
8. 8. Strahlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (36, 38» 40, 42) gegenüber der Anodenhülse (46) durch aus Borstickstoff (Bornitrid) bestehende Abstandhalter (60) beabstandet und isoliert sind.
9. 9. Strahlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (36, 38, 40, 42) gegenüber der Anodenhülse (46) durch aus eloxiertem Aluminium bestehende Abstandhalter (60) beabstandet und isoliert sind.

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