DE2221143A1

DE2221143A1 - Anordnung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung

Info

Publication number: DE2221143A1
Application number: DE19722221143
Authority: DE
Inventors: Towlson Peter Guy
Original assignee: TOWLSON PETER GUY
Current assignee: TOWLSON PETER GUY
Priority date: 1971-05-03
Filing date: 1972-04-28
Publication date: 1972-11-16
Also published as: IL39320A; CH556128A; BE782792A; IT953830B; AU4180072A; FR2135309A1; GB1355372A; IE36336B1; NL7205914A; ZA722854B; IE36336L; US3767922A; IL39320A0; CA971233A

Description

Dr. phil. G. B. Hagen Patenfanwalf ,—^

8000 München 71 . 2221143

Fror« Hals Str. 21,Tel.796213

10.3057 MÄHlid/2.

Dr. H./K./sch

Peter Guy Towlson
40 Old Gate Road
Davington Court
Pavesham
Kent
ENGLAND

Anordnung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung

Priorität: 3. Mai 1971; Großbritannien; Nr. 12638/71

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung unter Verwendung einer elektrischen Gasentladung zwischen zwei Elektroden«

Unter bekannten Strahlungsquellen dieser Art befindet sich z. B. die Kohlebogenlampe, bei der man die Kohleelektroden zunächst zusammenbringt und dann auseinanderfedern läßt_s während der Bogen zwischen den Elektroden zündet. Der Lichtbogen ist gewöhnlich in Reihe mit einem Vorwiderstahd an eine Lichtquelle angeschlossen, und der Elektrodenabstand und der Vorwiderstand werden so gewählt, daß Strom- und Spannungswerte entstehen, die eine maximale Lichtabstrahlung gewährleisten. Dieser bekannte Lichtbogen ist bekannt für seine hohe Intensität. Die Erfindung befaßt sich mit der Erhöhung der Wärmeerzeugung.

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Bei der Untersuchung daraufhin, in welcher Weise die Lichtbogenentladung modifiziert werden könnte, um eine starke Wärraeabstrahlung zu erzielen, die nicht notwendig von einer* starken lichtabstrahlung begleitet wird, wie das bisher der Pail war, wurde im Rahmen der Erfindung eine Regelanordnung für die Bogenentladung entwickelt, die zu einem Elektrodenabstand führt, der geringer ist als der·, der früher unter ähnlichen Bedingungen, wie etwa gleicher Elektrodengröße, für einen Lichtbogen hoher Intensität verwendet wurde. Es wird dadurch ein höherer Wirkungsgrad der Wärmeerzeugung erhalten.

Eine Anordnung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung mit zwei Elektroden und mit Verbindungsmitteln zum Anlegen einer zur Aufrechterhaltung einer Bogenentladung zwischen den Elektroden ausreichenden Spannung ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine Einrichtung, welche auf eine Eigenschaft der zwischen den Elektroden befindlichen Entladung in der Weise anspricht, daß sie den Abstand der Elektroden voneinander auf einen Wert einstellt, der sich unterhalb desjenigen Wertes befindet, bei welchem ein mathematisches Minimum in der Spannungs-Abstands-Kurve auftritt.

Ein Verfahren zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, bei dem eine Spannung an zwei Elektroden angelegt wird, die zur Aufrechterhaltung einer Bogenentladung zwischen den Elektroden ausreicht, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenabstand nach Maßgabe einer Eigenschaft der Entladung auf einen Wert eingestellt wird, der sich unterhalb desjenigen Wertes befindet, bei welchem ein mathematisches Minimum in der Spannungs-Abstands-Kurve auftritt.

Ein Ausfühnmgsbaispiel eier Erfindung wird nachstehend im EusaiBiE®n!iaag sit den Zeidiaim^eii i.-sher beschrieben. In den Zeichnungen seigaiis

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Figur 1 eine Darstellung eines Lichtbogens bekannter Art sowie eine Darstellung eines in erfindungsgemäßer Weise erzeugten Lichtbogens;

Figur 2 die Spannung-Elektrodenabstand-Charakteristik eines Lichtbogens;

Figur 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen, mit optischer Abbildung arbeitenden Ofens; und

Figur 4 ein Sehaltungsdiagramm eines Teils des Ofens von Figur 3.

Der Hochintensitäts-Gleichstromlichtbogen bekannter Art hat eine Form, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, mit einem länglichen "Flammenschwanz" 1, der sich über die Anode 2 erstreckt und von der Kathode 3 wegweist. Ferner befinden sich in dem Flammenschwanz 1 zwei helle säulenartige Bereiche 4 und 5» die von den Elektroden 2 und 3 ausgehen und als Anodensäule bzw. Kathodensäule bekannt sind.

Es wurde nun entdeckt, daß, wenn der Elektrodenabstand vermindert wird, ein Punkt erreicht wird, bei dem der Flammenschwanz 1 zusammen mit den Anoden- und Kathodensäulen 4 bzw. 5 verschwindet, wobei an seine Stelle eine helle konisch geformte Flamme tritt, die als "Flammenball" 6 bezeichnet wird und von der Anode 2 in Richtung zur Kathode 3 ausgeht, wie ebenfalls in Figur 1 gezeigt ist.

Figur 2 zeigt die Beziehung zwischen der Lichtbogenspannung und dem Elektrodenabstand. Der Hochintensitätslichtbogen arbeitet auf dem ansteigenden rechten Teil der Kurve. Wenn der Elektrodenabstand in diesem Bereich ansteigt, steigt die Spannung ebenfalls an, passiert dann ein Knie und steigt dann langsamer an, bis der Lichtbogen bei zu großer Trennung der Elektroden voneinander verlöscht. Bei dem geringstem Abstand im Bereich hoher Intensität tritt in der Kurve ein

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mathematisches Minimum auf, und für Abstände unterhalb dieses Punktes steigt die Spannung bei kleiner werdendem Abstand bis zu einem Maximum an, welches sich unterhalb der maximalen Spannung in dem Bereich hoher Intensität befindet, wonach die Spannung wieder mit Verminderung der Abstandes sich vermindert. Der Bogen verlöscht wiederum, wenn der Elektrodenabstand zur Unterhaltung der Bogenentladung zu gering wird. Mit Hilfe fotografischer Zeitdehnung ist ermittelt worden, daß der Feuerball 6 aus Materieteilchen besteht, die aus der Anode gerissen worden sind und zur Kathode transportiert werden. Diese Art des Bogens ist daher bekannt als "Wanderlichtbogen". Die Teilchen der aus der Anode herausgerissenen Materie werden durch die Wirkung des Lichtbogens aufgeheizt und emittieren thermische Strahlung.

Die von dem Lichtbogen ausgehende Wärmestrahlung wird mit Hilfe eines Pyrheliometers gemessen, bei dem die Strahlung von der geschwärzten Innenwandung eines wassergekühlten sphärischen Hohlraumes absorbiert wird. Die von dem Lichtbogen ausgehende Strahlung wird auf eine kleine Öffnung in dem Hohlraumgehäuse gerichtet. Thermoelemente messen den Temperaturanstieg des Kühlwassers, das durch ein an die Außenwandung des Hohlraumgehäuses angelötetes Rohr fließt. Messungen, die an denselben Elektroden in dem fallenden und in dem ansteigenden Bereich der Spannungs-Abstands-Kurve vorgenommen wurden, zeigten, daß der Wirkungsgrad auf ein höheres Maximum ansteigt, wenn der Lichtbogen in dem abfallenden Bereich der Kurve betrieben wird.

Die beschriebene Lichtbogenstrahlungsquelle kann vorteilhaft bei einem Lichtbogenabbildungsofen verwendet werden, bei dem ein Bild des Lichtbogens auf eine zu erwärmende Probe fokussiert wird. Die Entladung von Figur 1 mit einem großen Flammenschwanz und mit Anoden- und Kathodensäulen, die hin-

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sichtlich ihrer Position.alle unstabil sein können, ist für diesen Zweck nicht geeignet, da die Strahlungsquelle nicht konzentriert ist und nicht in ihrer Position festgelegt ist. Die im unteren Teil von Figur 1 gezeigte Entladung gemäß der Erfindung ist für die Zwecke des Lichtbog.enabbildungsofens geeigneter. Es ist vorgeschlagen worden, die Strahlungsquelle auf den Bereich zwischen den Elektroden mit Hilfe von Luftdüsen zu konzentrieren, die um die Anode angeordnet und auf die Kathode gerichtet sind, so daß der in bekannter Weise betriebene Hochintensitätslichtbogen von Figur 1 daran gehindert wird, sich über den unmittelbar zwischen den Elektroden befindlichen Bereich zu erheben. Durch Betreiben des Lichtbogens gemäß dem unteren Teil von Figur 1 wird die Lichtquelle durch Betreiben des Lichtbogens in dem abfallenden Bereich der Spannungs-Abstands-Kurve von Figur 2 zusammengehalten, ohne daß hierfür Luftdüsen benötigt werden.

Es wird nun auf Figur 3 Bezug genommen, die zwei Kohleelektroden 31 und 32 zeigt, welche koaxial in Haltern 33 und 34 so montiert sind, daß sie um den Abstand s voneinander entfernt sind. Es werden Spannungspotentiale an die Elektroden 31 und 32 angelegt, so daß diese als Anode bzw. Kathode eines zwischen ihnen gezündeten Lichtbogens wirken. Die Betriebsspannung wird an die Elektroden 31 und 32 mit Hilfe einer üblichen Gleichspannungsquelle gelegt, die nicht gezeigt ist. Die Anode 31 ist mit ihrem einen Ende 35 in dem einen Brennpunkt F-, eines Ellipsoidspiegels 36 angeordnet. Die Kathode 32 steht durch den Scheitelpunkt des Spiegels 36 vor bis in die Nähe des Endes 35 der Anode 31· Die Anode 31 wird auf ihrer gewünschten Position mit Hilfe einer Infrarotabfühleinheit 37 gehalten, die nachstehend noch genauer beschrieben wird und die die Position des intensivsten Teils des Lichtbogens zwischen den Elektroden 31 und 32 abfühlt und dazu dient, diesen Teil des Lichtbogens mit Hilfe eines Servomotors 38 und eines Nachführgewindes 39» auf dem der

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Halter 33 angeordnet ist, in dem genannten ersten Brennpunkt des Spiegels 36 zu halten.

Das Anodenlokalisierungssystem 37 enthält eine Linse 46, die sich zwischen zwei Infrarotfiltern 47 und 48 befindet und so angeordnet ist, daß sie ein Bild des Anodenbereiches des lichtbogens an einem Punkt zwischen zwei infrarotempfindlichen Fototransistoren 4.9 und 50 erzeugt. Die Fototransistoren 49 und 50 liegen in einer Gleichstrombrückenschaltung 51» deren Schaltungsdiagramm in Figur 4 gezeigt ist. Jede Bewegung des Endes 35 der Anode 31 von dem ersten Brennpunkt F-, des Spiegels 36 weg hat eine Änderung der Position des von der Linse 46 erzeugten Bildes und damit eine auf mangelndem Abgleich beruhende Spannung am Ausgang der Brückenschaltung 51 zur Folge, die von dem Gleichstromverstärker 52 verstärkt wird und so den Servomotor 38 und das Nachführgewinde 39 antreibt, um das Ende 35 der Anode 31 in seiner richtigen Lage zu halten. Die anfängliche Einstellung des Anodenlokalisierungssystems 37 erfolgt mit Hilfe eines Handrades 53 und mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Nullpunkteinstellung der Brückenschaltung 51, wobei mittels eines auf die bekannte Position des Brennpunktes F-, des Spiegels 36 abgestimmten Fadenkreuzes (nicht gezeigt) die Bezugseinstellung gewonnen wird. Eine empfindlichere Steuerung der Motoren 38 und 40 kann durch Frequenzmodulation der Ausgänge der Verstärker und 52 und durch Zuführung der Signale variabler Frequenz zu Schrittschaltmotoren erreicht werden; derartige Motoren vollführen für jeden Zyklus des ihnen zugeführten Signals variabler Frequenz eine Drehung vorbestimmten Betrages.

Die Position der Kathode 32 wird gesteuert, um den Abstand s zwischen Anode 31 und Kathode 32 bei einem gewünschten Wert zu halten, so daß der Bogen in einem Bereich seiner Spannungs-Abstands-Gharakteristik betrieben wird, der sich unterhalb des mathematischen Minimums befindet, wobei der be-

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vorzugte Bereich in Figur 2 mit I bezeichnet ist; zur·Einstellung dient dabei der Servomotor 40 und das Nachführgewinde 41» die ähnlich ausgebildet sind wie der Servomotor bzw. das Nachfuhrgewinde 39· Der Servomechanismus zur Kathodeneinstellung wird mittels einer Fehlerspannung Ve gesteuert, die mittels einer Vergleichsschaltung 42 erzeugt wird, die die Lichtbogenspannung Va mit einer durch eine Bezugsspannungsquelle 43 erzeugten Bezugsspannung Vref vergleicht, wobei die Fehlerspannung Ve mittels eines Gleichstromverstärkers 44 verstärkt wird. Die Anordnung ist so getroffen, daß die Richtung und der Betrag der Drehung des Servomotors 40 von der Steigung der Spannungs-Abstands-Charakteristik abhängen und so wirken, daß der lichtbogen in dem Bereich I negativer Steigung der Figur 2 gehalten wird. Ein Umkehrschalter 45 liegt in der Eingangsleitung des Servomotors 40 für den Fall, daß es erwünscht sein sollte, den Lichtbogen aus dem Bereich negativer Steigung herauszubringen.

Die Kathodenposition kann jedoch auch in ähnlicher Weise wie die Anodenposition geregelt werden.

Beim Betrieb der Anordnung wird zunächst der Lichtbogen auf manuelle Weise gezündet, und der Abstand der Elektroden 31 und 32 wird von Hand eingestellt, bis die gewünschten Betriebsbedingungen erreicht sind. Wenn die gewünschten Betriebsbedingungen einem Punkt in dem Bereich negativer Steigung der Kurve von Figur 2 entsprechen, wird der Umkehrschalter nicht betätigt, und die Servomechanismen werden so in Tätigkeit gesetzt, daß die diesem Punkt der Kurve entsprechenden gewünschten Bedingungen aufrechterhalten werden. Wenn die gewünschten Bedingungen einem Punkt auf dem Kurventeil positiver Steigung der Figur 2 entsprechen, wozu Elektrodenabstände unterhalb denen des Bereiches negativer

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Steigung gehören, wird der Umkehrschalter 45 betätigt, und die Servomechanismen werden in Tätigkeit gesetzt, um den Betrieb des Lichtbogens in diesem Bereich positiver Steigung ■ aufrechtzuerhalten. Es ist auch möglich, den Lichtbogen in dem Bereich positiver Steigung der Kurve von Figur 2 zu betreiben, der Elektrodenabständen oberhalb des Bereiches I entspricht, indem der Elektrodenabstand manuell auf den geeigneten Wert eingestellt wird und dann der Umkehrschalter betätigt und der Servomechanismus in Tätigkeit gesetzt wird. Dieser Bereich liegt jedoch außerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung.

Beim Betreiben der Servomechanismen bei Bedingungen, die nahe dem Spannungsmaximum beim geringsten Elektrodenabstand im Bereich I liegen, muß darauf geachtet werden, daß vorübergehende Spannungsspitzen nicht dazu führen, daß der Arbeitspunkt auf die andere Seite des Maximums wandert, wodurch die Regelanordnung unstabil werden würde.

Alternativ zu der manuellen Zündung des Lichtbogens kann auch eine automatisch arbeitende mechanische Einrichtung benutzt werden, bei der der hohe Stromfluß zwischen den in Kontakt miteinander befindlichen Elektroden dazu verwendet wird, ein Relais zu betätigen, welches einen Motor zur Trennung der Elektroden auf den gewünschten Abstand betätigt. Eine weitere Methode der Zündung des Lichtbogens besteht darin, ein hochfrequentes elektrisches Feld auf den Bereich zwischen den getrennten Elektroden einwirken zu lassen. Ein weiteres Verfahren zur Zündung des Lichtbogens besteht darin, einen Widerstandskörper zwischen die auf ihren ungefähren Arbeitsabstand einjustierten Elektroden zu bringen und dann den Strom anzulegen, so daß der durch den Widerstandskörper fließende Strom diesen zum Schmelzen und zum Verdampfen bringt, wobei der Dampf die Zündung des Lichtbogens unterstützt. Ein Silberpapierball ist hierbei als Widerstandskörper geeignet.

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Die von dem Spiegel 36 ausgehende Infrarotstrahlung geht durch den zweiten Brennpunkt F₂ des Spiegels 36, wobei dieser zweite Brennpunkt in üblicher Weise gleichzeitig der zweite Brennpunkt P₂ ¹ eines zweiten Ellipsoidspiegel 36^f ist. Ein zu erwärmendes Werkstück 54 ist in -dem ersten Brennpunkt i\ ' des Spiegels 36' positioniert. Die Spiegel sind reine Ellipsoidspiegel, da die Position der Quelle durch die oben beschriebene Schaltungsanordnung genau kontrolliert wird, und es besteht keine Notwendigkeit dafür, eine Variierbarkeit der Lichtbogenposition dadurch vorzusehen, daß Spiegel nichtellipsoider l?orm verwendet werden. Das Werkstück 54 wird von einer sphärisch geformten Strahlungsabschirmung 55 umgeben, die aus Glas besteht, auf dessen Außenfläche sich eine GoIdschicht 56 befindet. Das Werkstück 54 ist im geometrischen Mittelpunkt der Strahlungsabschirmung 55 angeordnet, und die Öffnung 57 der Strahlungsabschirmung 55 ist so groß, daß die gesamte von dem Spiegel 36' in Richtung auf das Werkstück 54 reflektierte Strahlung durchgelassen wird. Da das Werkstück 54 im Mittelpunkt der Strahlungsabschirmung 55 angeordnet ist, wird die von dem Werkstück 54 ausgehende Strahlung zu dem Werkstück 54 zurückreflektiert. Der Goldüberzug ist seinerseits wieder mit einem Schutzüberzug versehen, der z. B. aus Siliciummonoxid besteht.

Eine andere Methode, die von dem Lichtbogen ausgehende Strahlung zu fokussieren, besteht in der Verwendung eines Linsensystems, welches aus einem Material sehr geringer Absorption für die Infrarotstrahlung besteht. Ein derartiges Material ist Quarz, welches im wesentlichen frei von Wasser und Hydroxylradikalen ist. Das Linsensystem kann eine einzelne Linse oder eine Mehrzahl dünner Linsen sein, welche nacheinander von der Strahlung durchsetzt werden. Die Linsen sind in geeigneter Weise mit Überzügen versehen, um einen Verlust an Wirkungsgrad durch Reflexionen an ihren Oberflächen zu . vermeiden. Das Linsensystem absorbiert zwar einen gewissen

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Anteil der Infrarotstrahlung; jedoch wurde gefunden, daß man sie kontinuierlich "bis zu 20 Minuten lang mit einem Strahlungsbündel von etwa 1 kW ohne Zerstörung der Linsen · verwenden kann.

Wenn es erforderlich ist, daß die optische Achse des Linsensystems parallel zu den Elektroden des Lichtbogens ist, wird die Anode so angeordnet, daß sie durch eine Bohrung entlang der optischen Achse des Linsensystems geführt werden kann, so daß eine kompakte optische Anordnung entsteht.

Die Erfindung ist anwendbar bei üblichen metallurgischen Prozessen, wie etwa Schweißen, Löten, Schneiden, Schmieden und bei anderen Anwendungsgebieten, wie etwa der Aufbringung von Metallüberzügen, der Kristallbildung und allgemein der bei hohen Temperaturen arbeitenden Forschung.

Patentansprüche

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Claims

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Pat entan spräche

/l.yAnordnung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung mit zwei Elektroden und mit Verbindungsmitteln zum Anlegen einer zur Aufrechterhaltung einer Bogenentladung zwischen den Elektroden ausreichenden Spannung, gekennzeichnet durch, eine Einrichtung, welche auf eine Eigenschaft der zwischen den Elektroden "befindlichen Entladung in der Weise anspricht, daß sie den Elektrodenabstand auf einen Wert einstellt, der sich unterhalb des Wertes befindet, bei welchem ein mathematisches Minimum in der Spannungs-Abstands-Kurve auftritt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die genannte Einrichtung auf die von der Entladung ausgehende Infrarotstrahlung anspricht.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die genannte Einrichtung auf die Lichtbogenspannung anspricht.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß lOkussierungsmittel die von dem Lichtbogen ausgehende Strahlung an einem entfernt liegenden Punkt fokussieren, wobei die Pokussierungsmittel eine Linse aus wasserfreiem und hydroxylfreiem Material enthalten.
5· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Pokussierungsmittel ein Bild der Bogenentladung an einem entfernten Punkt erzeugen, wobei die Fokussierungsmittel einen Reflektor enthalten, der aus einem auf einem Substrat aufgebrachten Goldüberzug besteht.

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6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Fokussierungsmittel mit einer Bohrung versehen sind, durch welche eine der Elektroden sich erstreckt.
7. Verfahren zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, bei dem eine Spannung an zwei Elektroden angelegt wird, die zur Aufrechterhaltung einer Bogenentladung zwischen den Elektroden ausreicht, dadurch gekennzeich net, daß der Elektrodenabstand nach Maßgabe einer Eigenschaft der Entladung auf einen Wert eingestellt wird, der sich unterhalb desjenigen Wertes befindet, bei dem ein mathematisches Minimum in der Spannungs-Abstands-Kurve auftritt.
8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß als Eigenschaft der Entladung die von der Entladung ausgehende Infrarotstrahlung verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß als Eigenschaft der Entladung die an den Elektroden liegende Spannung verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bild der Bogenentladung an einem entfernten Punkt dadurch erzeugt wird, daß die von der Bogenentladung ausgehende Strahlung mit Hilfe eines Reflektors, der aus auf einem Substrat niedergeschlagenem Gold besteht, zu dem genannten Punkt reflektiert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9_f dadurch gekennzeichnet, daß ein Bild der Bogenentladung an einem entfernten Punkt dadurch erzeugt wird, daß die von der Bogenentladung ausgehende Strahlung mittels einer Linse aus wasserfreiem und hydroxylfreiem Material gebrochen wird..

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12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß eine der Elektroden durch eine in dem Bilderzeugungsmittel gebildete Öffnung geführt wird. ■

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