DE2619071A1

DE2619071A1 - Elektronenkanone

Info

Publication number: DE2619071A1
Application number: DE19762619071
Authority: DE
Inventors: George Wakalopulos
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1975-05-19
Filing date: 1976-05-03
Publication date: 1976-12-02
Also published as: US3970892A; IL49397A0; JPS51141574A; IT1061555B; FR2312104A1; FR2312104B3; SE7605585L

Description

Anmelderin: Stuttgart, den 28. April 1976

Hughes Aircraft Company P 3175 S/kg

Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V.St.A.

Vertreter:

Kohler - Schwindling - Späth Patentanwälte
Hohentwielstraße 41 7000 Stuttgart 1

Elektronenkanone

Die Erfindung betrifft eine Elektronenkanone, also eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, wie er in vielen elektronischen Einrichtungen, aber auch beispielsweise zum Anregen von Gaslasern verwendet v/ird, Besonders zum Anregen von Gaslasern werden Elektronenstrahlen hoher Energie benötigt·

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INSPECTED

In jüngster Zeit wurde in der l'echnik der Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Energie durch die Erfindung der Elektronenkanone mit Plasmakathode ein erheblicher Fortschritt erzielt. Bei einer solchen Elektronenkanone wird ein Plasma durch eine Gasentladung zwischen einer hohlen Kathodenfläche und einem Anodengitter erzeugt, das mit einer relativ niedrigen Spannung in bezug auf die Kathode betrieben wird. Die Spannung beträgt gewöhnlich einige hundert Volt. Dem Plasma der Gasentladung werden durch das Anodengitter und ein Steuergitter hindurch Elektronen entzogen. Diese Elektronen werden durch hohe Energien in einem plasmafreien Bereich zwischen den Gittern und einer Beschleunigungsanode beschleunigt, die in bezug auf die Kathode auf einer relativ hohen Spannung gehalten wirdo Die Anode wird gewöhnlich von einem dünnen Folienfenster gebildet und an eine Spannung von 150 kV oder mehr angelegt« Die Vorteile der Elektronenkanone mit Plasmakathode bestehen darin, daß sie einen einfachen und robusten Aufbau hat, in hohem Maße steuerbar ist, eine hohe Wirksamkeit aufweist, geringe Kosten verursacht und dazu geeignet ist, Elektronenstrahlen mit großer Querschnittsfläche zu erzeugen» V/eitere Einzelheiten einer Elektronenkanone mit Plasmakathode sind im IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-10, Februar 1974-, Seiten 213 bis 218, und der US-PS 3 831 052 zu entnehmen«

In den meisten Fällen, in denen eine Elektronenkanone mit Plasmakathode verwendet wird, ist es unerwünscht.

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an das Arbeitsmedium hohe Spannungen anzulegen, das der erzeugte Elektronenstrahl durchdringen soll. Daher ist es üblich, die Beschleunigungsanode der Elektronenkanone, also das Folienfenster im Fall eines durch einen Elektronenstrahl angeregten Gaslasers, auf Erdpotential zu legen und an die Kathode der Elektronenkanone eine große negative Spannung anzulegen. Diese Maßnahme erfordert es jedoch, daß die Anoden- und Steuergitter, die zur Modulation und Formung des Elektronenstrahles dienen, in bezug auf sehr stark negative Potentiale vorgespannt werden_o Hierin liegt ein beträchtlicher Nachteile

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenkanone zu schaffen, die zur Erzeugung eines Strahles von Elektronen sehr hoher Energie geeignet ist und alle Vorteile einer Elektronenkanone mit Plasmakathode aufweist, die jedoch gleichzeitig mit relativ geringen Steuerspannungen betrieben werden kann»

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß im Abstand von einer einen Plasmaraum umfassenden Quelle positiver Ionen eine Kathode in einer solchen Stellung angeordnet und an eine ausreichend hohe negative Spannung angelegt ist, daß dem Plasma entzogene Ionen eine Fläche der Kathode, treffen und dort Sekundär-Elektronen auslösen, die einen Elektronenstrahl bilden, und daß zwischen dem Plasmaraum und der Kathode ein Steuergitter zur Einstellung der Dichte der auf die Kathodenfläche auftreffenden»positiven Ionen angeordnet und an eine Steuerspannung angelegt ist_o

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Obwohl auch die erfindungsgemäße Elektronenkanone von einem Plasma zur Erzeugung geladener Teilchen Gebrauch macht, werden hier nicht unmittelbar die im Plasma vorhandenen Elektronen zur Bildung des Elektronenstrahls herangezogen, sondern die darin vorhandenen Ionen. Diese Ionen werden in Richtung auf eine Sekundärelektronen emittierende Kathode beschleunigt. Hierdurch wird erreicht, daß die das Plasma erzeugende Anordnung ebenso wie das Objekt, das von dem Elektronenstrahl getroffen werden soll, auf Massepotential gelegt werden können, weil sowohl die Beschleunigungsspannung für die Ionen als auch für die den Elektronenstrahl bildenden Sekundärelektronen durch die hohe negative Spannung gebildet wird,, die an die Kathode angelegt ist· Damit erhält das Steuergitter eine Vorspannung gegenüber dem vorzugsweise auf Erdpotential liegenden Plasmaraum und nicht gegenüber einem auf hoher Spannung liegenden Bauelement.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführuhgsbeispiels. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können im Rahmen der Erfindung bei anderen Ausführungsformen einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

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Pig. 1 einen Querschnitt durch eine Elektronenkanone nach der Erfindung und

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 durch die Elektronenkanone nach Fig. 1.

Die in der Zeichnung dargestellte Elektronenkanone umfaßt eine Hohlkathoden-Ionenquelle 10, in der positive Ionen erzeugt werden, um damit die Oberfläche eine Hochspannungs-Kaltkathode 12 zu beschießen. Die Ionenquelle 10 umfaßt ein Metallgehäuse 14, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen rechteckigen Querschnitt hat und aus zwei einander gegenüberstehenden, breiten Wandungsteilen 16 und 18 und seitlichen Wandungsteilen 20, 22, 24 und 26 besteht» Die Stoßstellen zwischen benachbarten Wandungsteilen des Gehäuses sowie zwischen Wandungsteilen und Bauteilen, welche die Wandungsteile durchdringen, können mit nicht näher dargestellten Dichtungen, beispielsweise O-Ringen, versehen sein, um das Innere des Gehäuses 14· vakuumdicht abzuschließen. Die Innenflächen der Wandungateile 16, 18, 20, 22, 24 und 26 bilden eine Elektronen emittierende Hohlkathodenfläche 30 und können mit einer Beschichtung aus einem geeigneten Material hoher Elektronen-Emissionsfähigkeit beschichtet sein«. So könnten beispielsweise die Wandungsteile 16, 18, 20, 22, 24 und 26 aus Aluminium bestehen und an ihrer Innenseite mit einer Nickelbeschichtung von 0,05 bis 0_s08 mm Dicke versehen sein.

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Das Gehäuse 14 der Ionenquelle, dessen Inneres als Gasentladungsraum oder Plasmaraum 32 dient, enthält ein geeignetes ionisierbares Gas bei einem geeigneten verminderten Druck. Demgemäß ist mit dem Inneren des Gehäuses 14 mittels eines Einlaßrohres 36, das ein Steuerventil 38 enthält, eine Gasquelle 34- verbundene In gleicher Weise ist eine Vakuumpumpe 40 mit dem Inneren des Gehäuses 14 über ein Auslaßrohr 42 verbunden, in dem sich ein Abflußventil 44 befindet· Beispielsweise kann sich im Gehäuse 14 Helium unter einem Druck im Bereich von etwa 10 bis 50 Torr befinden.

Die Hochapannungs-Kaltkathode 12 befindet sich in einer Kammer 46, die mit dem Inneren des Gehäuses in einer den Gasfluß zulassenden Verbindung steht_β Die Kammer 46 wird von einem Metallgehäuse 48 begrenzt_f welches sich an dan Gehäuse 14 der Ionenquelle anschließt. Um einen leichten Zugang zu der Hochspannungs-Kathode 12 au ermöglichen, besteht das Gehäuse 48 vorzugsweise aus zwei Teilen, nämlich einem Grundteil 50» <^^{aa am} Wandungsteil 16 der Ionenquelle befestigt ist, beispielsweise mittels nicht dargestellter Schraubbolzen, und einem Deckelteil 52, das in gleicher Weise mit dem Grundteil 5° verbunden iat. Beispielsweise können die Gehäuseteile 50 und 52 aus Aluminium bestehen und an ihren Innenseiten eine Kickelschicht von etwa 0,05 bis 0,08 mm Dicke aufweisen,. Auch hier können wieder nicht dargestellte Dichtungen, insbesondere Q-Kinge, vorgesehen sein_s um die Dichtheit des Gehäuses au gewährleisten«,

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Die Hochspannunga-Kaltkathode 12 besteht aus einem länglichen Körper aus einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise Nickel oder Molybdän, der mittels einer am Deckelteil 52 befestigten Hochspannungs-Durchführung 56 in der Mitte der Kammer 46 gehalten ist«. Die Hochspannungs-Durchführung 56, die das Anlegen einer hohen negativen Spannung an die Kathode 12 ermöglicht, besteht vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Stab 58» der an der Kathode 12 befestigt und innerhalb einer isolierenden Hülse 60 angeordnet ist. Die Hülse 60 kann beispielsweise aus Nylon bestehen und an ihrer Außenseite eine Vielzahl ringförmiger Rippen 62 aufweisen. Bei Anwendungen, bei denen ein konvergierender Elektronenstrahl gewünscht wird, kann die Fläche 63 der Kathode 12, die der Ionenquelle 10 gegenübersteht, leicht konkav in bezug auf eine Achse gewölbt sein, die senkrecht zur Ebene der Fig. 1 steht, wie es Fig. 1 zeigt.

Damit positive Ionen von der Ionenquelle 10 in die Kammer 46 mit der Hochspannungs-Kathode 12 gelangen und sich von der Kathode 12 emittierte Elektronen in die Ionenquelle 10 bewegen können, weist der Wandungsteil 16 der Ionenquelle eine langgestreckte öffnung auf, die im wesentlichen auf die Kathode 12 ausgerichtet ist. Ein Steuergitter 66, das im wesentlichen ebenso gewölbt ist wie die Oberfläche 63 der Kathode 12, ist

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über der Öffnung 64 in einem isolierenden Hahmen 67 angeordnet. Das Steuergitter 66 beeinflußt nicht nur die Dichte der positiven Ionen, welche die öffnung passieren, und bewirkt auf diese Weise eine Modulation und Formung des erzeugten Elektronenstrahls, sondern dient auch als Anode für die Hohlkathoden-Entladung . in der Ionenquelle 1O_e Ein Schirmgitter 68, das ebenfalls an die Form der Kathodenfläche 63 angepaßt ist, ist über der öffnung 64 zwischen dem Steuergitter 66 und der Hochspannungs-Kathode 12 angeordnet. Das Schirmgitter 68, das auf dem gleichen elektrischen Potential liegt wie die Gehäuse 14 und 48, verhindert, daß die elektrischen Felder von der Hochspannungs-Kathodenkammer 46 in den Plasmaraum 32 übergreifen. Es dient daher zur elektrischen Isolierung der Hochspannungs-Kathodenkammer 46 von der Ionenquelle 10. Die beiden Gitter 66 und 68 können beispielsweise aus Molybdän-Drahtnetzen bestehen, die eine Durchlässigkeit oder Transparenz von etwa 75% aufweisen»

Der Raum zwischen dem Schirmgitter 68 und der Kothodenfläche 63 dient als Beschleunigungszone 70, in der der Ionenquelle 10 entzogene positive Ionen die hohe Geschwindigkeit erreichen, mit der sie auf die Kathode auftreffen. Der Abstand zwischen dem Schirmgitter 68 und der Kathodenfläche 63 muß kleiner sein als der Wert für einen Paschen-Durchbruch, um das Auslösen einer Entladung in der Beschleunigungszone 70 auszuschließen. Ein typischer Abstand beträgt efcwa 2 bis 3 cm.

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An der der Hochspannungs-Kathode 12 gegenüberliegenden Seite der Ionenquelle 10 befindet sich ein Fensterelement 72 für den Elektronenstrahl. Das Fensterelement 72 besteht aus einer dünnen Metallfolie, beispielsweise aus Titan, die auf einem langgestreckten Tragrahmen 74-befestigt ist, der mit dem Wandungsteil 18 des Gehäuses 14 der Ionenquelle, beispielsweise mittels nicht dargestellter Bolzen, verbunden ist. Das Fensterelement ermöglicht es dem erzeugten Elektronenstrahl, aus der Elektronenkanone mit der gewünschten Geschwindigkeit auszutreten, während es gleichzeitig das Aufrechterhalten des geeigneten Druckes innerhalb der Gehäuse 14 und 48 gestattet. Das Wandungsteil 18 der Ionenquelle und der Tragrahmen 74· weisen aufeinander ausgerichtete Öffnung 76 und 78 auf, die ihrerseits auf die in dem gegenüberliegenden wandungsteil 16 angeordnete öffnung 64 und die Kathodenfläche 63 ausgerichtet sind, so daß der Elektronenstrahl das Fensterelement 72 ungehindert erreichen kann.

Um das Auslösen einer Hohlkathoden-Gasentladung innerhalb der Ionenquelle 10 zu unterstützen, ist in der Ionenquelle 10 eine dünne Draht-Zündelektrode 80 angeordnet. Die Zündelektrode 80 ragt in den Plasmaraum 32 der Ionenquelle 10 durch einen seitlichen Wandungsteil, beispielsweise den Wandungsteil 22, hinein und ist von dem Wandungsteil durch eine elektrisch isolierende Hülle 82 getrennt. Die Zündelektrode 80 macht es möglich, eine Hohlkathoden-Gasentladung im

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Plasmaraum 32 bei einem niedrigeren Gasdruck auszulösen, als es ohne eine solche Zündelektrode möglich. wäre, und erleichtert das Aufrechterhalten einer stabilen Entladung innerhalb der Ionenquelle 10.

Die Betriebsspannungen für die Elektronenkanone können durch ein Hochspannungs-Netzgerät und ein oder mehrere Niederspannungs-Netzgeräte geliefert werden. Beispielsweise kann die negative Klemme eines Hochspannungs-Netzgerätes 84 über einen Widerstand 86 mit dem leitenden Stab 58 der die Kathode 12 tragenden Durchführung 56 verbunden sein, um an die Kathode die gewünschte, sehr hohe negative Spannung -V anzulegen, die etwa -150 kV betragen kann. Die positive Klemme eines einstellbaren Niederspannunga-Netzgerätes 88 ist über einen Y/iderstand 90 mit dem Steuergitter 60 verbunden, um die gewünschte Gitterspannung +V zuzuführen, deren typischer Wert im Bereich zwischen +500 und +1000 V liegt. Zwischen das Niederspannungs-Netzgerät 88 und das Steuergitter 66 kann ein Modulator 92 geschaltet sein, der die dem üteuergitter 66 zugeführte Spannung in Abhängigkeit von einem Steuersignal ändert und dadurch den erzeugten Elektronenstrahl nach Bedarf moduliert und formt. Die positive Klemme eines weiteren Niederspannungs-Netzgerätes 9^ ist über einen Widerstand 96 mit der Zündelektrode 80 verbunden, um der Zündelektrode eine Zündspannung +V. zuzuführen, die beispielsweise etwa +3000 V betragen kann«. Obwohl in der Zeichnung getrennte Netzgeräte 88 und 94 zur Speisung des Steuergitters 66 und der Zündelektrode 80 dargestellt sind,

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versteht es sich, daß statt dessen ein einziges Niederspannungs-Netzgerät in Verbindung mit einem geeigneten Spannungsteiler benutzt werden kann, um dem Steuergitter 66 und der Zündelektrode 80 die gewünschten Betriebsspannungen zuzuführen. Die Gehäuse 14 und 48 der Ionenquelle und der Hochspannungskathode werden bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel auf Erdpotential gehalten.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Elektronenkanone wird durch Anlegen der oben erwähnten positiven Spannungen an die Zündelektrode 80 und das Steuergitter im Plasmabereich 36 der Ionenquelle 10 eine Hohlkathoden-Gasentladung ausgelöst, durch welche im Bereich 32 ein positive Ionen und Elektronen enthaltendes Plasma erzeugt wird. Wenn an die Hochspannungs-Kaitkathode eine hohe negative Spannung angelegt wird, werden die im Plasmabereich 32 enthaltenen positiven Ionen von der Kathode 12 angezogen. Diese positiven Ionen werden der Ionenquelle 10 durch die Gitter 66 und 68 entzogen und sehr schnell zu hohen Geschwindigkeiten beschleunigt, wenn sie unter dem Einfluß der sehr hohen negativen Spannung, die an die Kaltkathode 12 angelegt ist, die Beschleunigungszone 70 durchlaufen. Das Beschießen der Kaltkathode 12 mit den positiven Ionen sehr hoher Energie hat zur Folge, daß die Kathode 12 Sekundärelektronen emittiert,' die einen Elektronenstrahl bilden, der nahe der Emissionsfläche der Kathode 12 im wesentlichen die gleiche Verteilung hat wie der auf

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die Kathode 12 auftreffende Ionenstrahl_o Der erzeugte Elektronenstrahl passiert die Gitter 68 und 66 und den Plasmabereich 32 und tritt aus der Elektronenkanone durch das Pensterelement 72 aus. Die Strahlelektronen werden von den Gittern 68 und 66 in ausreichendem Maß beschleunigt und es ist ihr Weg durch den Plasmaraum 32 ausreichend kurz, so daß dieae Elektronen den Plasmaraum 32 im wesentlichen unbeeinflußt durchlaufen.

Da bei der erfindungsgemäßeη Elektronenkanone der energiereiche Elektronenstrahl mittels eines Ionenstrahles erzeugt und das Gehäuse 14 der Ionenquelle auf Erdpotential gehalten wird, kann der Elektronenstrahl in bezug auf das Erdpotential anstatt in besmg auf ein sehr hohes Potential moduliert und geformt werden«. Daher ist die erfindungsgemäße Elektronenkanone mit relativ niedrigen Steuerspannungen betreibbar und es brauchen nur die Hochspannungskathode 12 und deren Speisekreis so ausgebildet zu sein, daß sie hohen Spannungen in der Größenordnung von 150 kV standhalten. Daher ist es möglich, der erfindungsgemäßen Elektronenkanone einen vereinfachten und zugleich stabileren Aufbau zu geben, der weniger Platz beansprucht und weniger Weg, als es bei vergleichbaren Elektronenkanonen nach dem Stand der Technik möglich ist«

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Es sei darauf hingewiesen, daß der Beschüß der Kaltkathode 12 mit positiven Ionen hoher Energie eine Erwärmung der Kathode 12 und des die Kathode in der Kammer 4-6 umgebenden Gases bewirkt. Diese Erwärmung hat mehrere günstige Polgen. Eine erste Folge ist, daß die Tendenz zur Abscheidung von zerstäubtem Kathodenmaterial auf die Isolatorflächen innerhalb der Kammer 4-6 vermindert wird. Weiterhin wird die Gasdichte in der Kammer 4-6 und damit die Wahrscheinlichkeit eines Paschen-Durchbruches vermindert. Weiterhin begünstigt eine heißere Kathodenfläche das Einhalten einer räumlich gleichförmigen Elektronenemission. Daher zeichnet sich die erfindungsgemäße Elektronenkanone zusätzlich zu den oben behandelten "Vorteile durch eine besondere Zuverlässigkeit und eine hohe Wirksamkeit im Betrieb aus. Sie verursacht relativ geringe Kosten und ist in hohem Maße geeignet, leicht steuerbare Elektronenstrahlen mit großer Querschnittsfläche zu erzeugen.

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Claims

Patentansprüche

ί1.!Elektronenkanone, dadurch gekennzeichnet, daß ' im Abstand von einer einen Plasmaraum (32) umfassenden Quelle (10) positiver Ionen eine Kathode (12) in einer solchen Stellung angeordnet und an eine hohe negative Spannung angelegt ist, daß dem Plasma entzogene Ionen eine Fläche (63) der Kathode (12) treffen und dort Sekundärelektronen auslösen, die einen Elektronenstrahl bilden, und daß zwischen dem Plasmaraum (32) und der Kathode (12) ein Steuergitter (66) zur Einstellung der Dichte der auf die Kathodenfläche (63) auftreffenden positiven Ionen angeordnet und an eine Steuerspannung angelegt ist.

2. Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (1O) positiver Ionen ein hermetisch abgeschlossenes, elektrisch leitendes Gehäuse (14), in dem sich ein ionisierbares Gas befindet, und eine Einrichtung (66, 80) zur Erzeugung einer unter Bildung positiver Ionen stattfindenden Gasentladung umfaßt.

3. Elektronenkanone nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergitter (66) innerhalb des elektrisch leitenden Gehäuses (14) angeordnet ist und zum Erzeugen der Gasentladung zwischen Steuergitter (66) und Gehäuse (14) eine relativ niedrige Spannung liegt.

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4. Elektronenkanone nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite des Gehäuses (14) eine Hohlkathode für die Gasentladung bildete

5· Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung einer Gasentladung eine in das Gehäuse (14) ragende, dünne Drahtelektrode (80) umfaßt und zwischen Drahtelektrode (80) und Gehäuse (14) eine relativ niedrige Spannung liegt·

6. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 3 bis 5f dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14, 48) zwei einander benachbarte Kammern (32, 46) aufweist, ' zwischen denen sich eine öffnung (64) befindet, daß die Gasentladung in der einen der beiden Kammern (32) stattfindet, wogegen die Kathode (12) in der anderen der beiden Kammern (46) angeordnet ist und mit ihrer Fläche (63) der öffnung (64) gegenübersteht, daß das Steuergitter (66) über der öffnung (64) angeordnet ist und daß das Gehäuse (14) weiterhin mit einem für Elektronen durchlässigen Fenster (72) versehen ist, das auf wenigstens einen Abschnitt der Kathodenfläche (63) ausgerichtet ist.

7. Elektronenkanone nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenfläche (63) im wesentlichen parallel zur- Öffnung (64) des Gehäuses (14, 48) ausgerichtet ist, so daß der von der Kathode (12) ausgehende Elektronenstrahl durch die öffnung (64) in die eine Kammer (32) eindringt, in der die Gasentladung stattfindet, und daß das für Elektronen durchlässige Fenster (72) wenigstens auf Abschnitte der öffnung (64) und der Kathodenfläche (63) aus-.gerichtet ist,

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δ. Elektronenkanone nach Anspruch 6 oder· 7» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steuergitter (66) und der Kathode (12) über der öffnung (64) ein Schirmgitter (68) angeordnet und direkt mit dem Gehäuse (14, 48) verbunden ist.

9· Elektronenkanone nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenfläche (63) von der öffnung (64) aus gesehen leicht konkav gekrümmt ist und daß das Steuergitter (66) und das Schirmgitter (68) eine>im wesentlichen der Krümmung der Kathodenfläche (63) folgende Wölbung aufweisen·

10. Elektronenkanone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Steuergitter (66) und Gehäuse (i4) eine Modulationsspannung liegt.

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