DE2811265A1 - Magnetisches fokussierungs-/ablenksystem fuer elektronenstrahlroehren, insbesondere bildaufnahmeroehren - Google Patents

Description

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.3·

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA

P 7 O 1 8 BRD

Magnetisches Fokussierungs-/At)lenksystem für Elektronenstrahlröhren, insbesondere Bildaufnahmeröhren,

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Fokussierungs-/Ablenksystem für Elektronenstrahlröhren, insbesondere Bildaufnahmeröhren, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Durch die Fokussierungseigenschaften der Elektronenoptiken bekannter Elektronenstrahlröhren, insbesondere der nach dem Vidikonprinzip arbeitenden Bildaufnahmeröhren, können Unterschiede in der Schärfe eines zu schreibenden bzw. abzutastenden Bildes zwischen Schirmmitte und Schirmrand auftreten.

In Schirmmitte wirkt sich die Optik der magnetischen Hauptlinse im allgemeinen nicht begrenzend auf das Auflösungsvermögen aus, da andere Einflüsse überwiegen. Die erreichbare Grenzauflösung in Schirmmitte ist bei Bildaufnahmeröhren im wesentlichen durch die Rauschgrenze des nachfolgenden Verstärkers bestimmt, die eine untere

Pap 1 PIr / 27.2.1978

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Grenze für den durch den Elektronenstrahl transportierten Strom pro Bildelement setzt und damit bei gegebener Strahlstromdichte die Größe des aufzulösenden Bildelementes festlegt. Die erreichbare Strahlstromdichte unterliegt bekanntlich thermodynamischen Gesetzen und kann bei einem auf Kathodenpotential liegenden Auffangschirm nicht über der Emissionsdichte der Kathode liegen. Die für die üblichen Oxidkathoden erreichbare Auflösung liegt etwa bei einem Radius von 10 ,van. für ein BiIdelement und bestimmt das Auflösungsvermögen in Schirmmitte. Bei der Ablenkung des Elektronenstrahls ergeben sich zusätzlich elektronenoptisch bedingte Auflösungsfehler, deren Vermeidung bisher bei Systemen mit kompaktem Aufbau nicht in befriedigender Weise gelungen ist.

Für die mögliche Fokussierung eines Strahls gegebener Stärke ist ein thermodynamisch bedingter Mindestquerschnitt vorgegeben, der sich nicht unterschreiten läßt, ohne daß ein Teil der Elektronen reversiert.

Optische Bildfehler des abbildenden elektronenoptischen Systems wirken sich nur dann begrenzend auf das Auflösungsvermögen aus, wenn sie den thermodynamisch vorgegebenen Mindestquerschnitt des Strahls überschreiten. In Schirmmitte sind optische Bildfehler bei Wahrung der Rotationssymmetrie des Systems ohne Einfluß. Das Auflösungsvermögen ist jedoch in hohem Maße von Abweichungen von der Rotationssymmetrie, die fertigungsmäßig bedingt sind, abhängig. Am Schirmrand verstärken sich die Abbildungsfehler als Folge der Präzessionsbewegung des Elektronenstrahls im überlagerten Fokus- und Ablenkfeld.

Versuche zur Dämpfung der Präzessionsbewegung wurden bereits am Anfang der Vidikonentwicklung unternommen, siehe z. B.: Proc. IRE 28, 1940, S. 30, Proc. IRE 35, 1947, S. 1273. Dabei wurde der Einfluß des Feldverlaufs in Längsrichtung theoretisch untersucht und gefunden, daß

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bei Verteilung des Anstiegs und des Abklingens des Ablenkfeldes über je eine volle Umlaufperiode im Hauptfeld die Präzessionsamplitude sehr klein wird. Diese Erkenntnis wurde bei der Konstruktion eines Return-Beam-Vidikons mit erhöhter Auflösung benutzt, vergl. RCA Review, March 1970, S. 60 ff. Dieses bekannte Vidikon ist relativ aufwendig, da zwischen Apertur und Schirm vier volle Umlaufbewegungen der Fokussierung im Feld der Hauptlinse liegen, was eine Länge dieses Weges von 28 cm erforderlich macht.

Das bestehende Problem konnte also bisher nur durch eine räumliche Trennung des fokussierenden und des ablenkenden Feldes gelöst werden, was in Bildwiedergaberöhren in aller Regel möglich ist, dagegen nicht in Bildaufnahmeröhren in kompakter Bauweise, vergl. z. B. auch "LEHRBUCH DER DRAHTLOSEN NACHRICHTENTECHNIK FÜNFTER BAND FERNSEHTECHNIK, ERSTER TEIL GRUNDLAGEN DES ELEKTRONISCHEN FERNSEHENS", SPRINGER-VERLAG BERLIN-GÖTTINGEN-HEIDELBERG 1956, S. 582 - 612, insbesondere S. 583 - 584: »Das Orthikon".

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Abfall des elektronenoptischen Auflösungsvermögens von der Schirmmitte zum Schirmrand hin bei Elektronenstrahlröhren, insbesondere bei nach dem Vidikonprinzip arbeitenden, also kompakt aufgebauten Bildaufnahmeröhren, weitgehend aufzuheben.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das magnetische Ablenkfeld derart zu bemessen, daß der Mittelstrahl des von der Aperturöffnung ausgehenden Strahlenbündels keine Präzessionsbewegung bei der Ablenkung durchführt, sondern auf einem möglichst kurzen Weg von der Aperturöffnung zum Rand des Bildschirms geführt wird. 35

Es wird ein neuer Weg zur Dämpfung der Präzessions-

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amplitude vorgeschlagen, bei dem die Kompaktheit der Anordnung gewahrt bleibt und insgesamt keine zusätzlichen Amperewindungen gegenüber bekannten Spulenanordnungen erforderlich sind. Das erfindungsgemäße System arbeitet mit Feldern in beiden Querrichtungen, wenn der Strahl in einer Querrichtung abgelenkt werden soll.

Die genannte Aufgabe wird durch ein wie eingangs erwähntes magnetisches Fokussierungs-/Ablenksystem gelost, das durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein ausreichend gleichmäßiges Auflösungsvermögen bei kompaktem Aufbau des Systems ermöglicht ist. Eine gemäß der Erfindung realisierte, kompakt aufgebaute Bildaufnahmeröhre mit praktisch gleichmäßigem Auflösungsvermögen eignet sich zum Einbau in eine leicht manipulierbare Fernsehkamera. Eine derartige Fernsehkamera kann, beispielsweise aufgrund der genannten Eigenschaften vorteilhafterweise zusammen mit geeigneten Bildwiedergabegeräten zur Diskussion an sich kontrastarmer und/oder unscharfer Röntgenbilder benutzt werden.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer ein bekanntes Vidikon und ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung betreffender Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt den prinzipiellen Aufbau eines bekannten Vidikons.

Fig. 2 zeigt im Längsschnitt den prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels für ein Vidikon mit dem erfindungsgemäßen Fokussierungs-/Ablenksystem. 35

Fig. 3 zeigt prinzipiell die erfindungsgemäße Anordnung

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eines ersten und eines zweiten Ablenkspulenpaares, die beispielsweise für die Ablenkung in x-Richtung vorgesehen ist.

Fig. 4 zeigt qualitativ die Ablenkung des Elektronenstrahls in Projektion seiner Bahn auf die Längsschnittebene xz bzw. yz (links) und auf die Querschnittebene xy (rechts) bei einem bekannten Vidikon.
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Fig. 5 zeigt qualitativ den gewünschten Verlauf der abgelenkten Bahn und das erfindungsgemäß der Bahn angepaßte Magnetfeld.

Fig. 6 zeigt qualitativ die idealisierte stufenförmige Feldverteilung By bzw. Bx und das homogene Feld Bz über der z-Achse gemäß dem in Fig. 5 gezeigten¹ gewünschten Bahnverlauf.

Fig. 7 zeigt quantitativ die Ablenkung des Elektronenstrahls in Projektion seiner Bahn auf die Längsschnittebene xz bzw. yz (links) und auf die Querschnittebene xy (rechts), die erfindungsgemäß durch Rechnersimulation ermittelt wurde.

Fig. 8 zeigt quantitativ die für die in Fig. 7 gezeigte Ablenkung erforderliche Feldverteilung Bx, By, Bz über der z-Achse.

Fig. 9 zeigt qualitativ den Verlauf der Umlenkung eines Strahlenbündels in der x-Ebene, die durch ein bei z=0 beginnendes homogenes Feld By hervorgerufen wird.

Wie bereits erläutert, zeigt Fig. 1 im Längsschnitt den prinzipiellen Aufbau eines bekannten Vidikons. Dabei

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sind die Elektronenstrahlröhre mit 1, die Strahlquelle mit 2, der Schirm mit 3, die Fokussierspule mit 4, die Justierspule mit 5, die Ablenkspulen mit 6 und der Strahl mit 7 bezeichnet.
5

In Fig. 2 ist, wie ebenfalls bereits erläutert, der Längsschnitt durch die bei einem Ausführungsbeispiel gewählte Anordnung des erfindungsgemäßen Fokussierungs-/ Ablenksystems gezeigt. Gemäß der Erfindung besteht ein Spulensatz für Fokussierung und Ablenkung des Elektronenstrahls in beiden Richtungen aus insgesamt einer Fokussierspule 41 und vier Ablenkspulenpaaren, wovon zwei zu einem ersten Satz von Ablenkspulen 51/52 und zwei zu einem zweiten Satz von Ablenkspulen 61/62 zusammengefaßt sind. Die näher an der Aperturblende gelegenen Ablenkspulen dienen der Umbiegung des Strahls in die Ablenkrichtung, während die hinteren Ablenkspulen der Anpassung des fokussierenden Hauptfeldes an die geänderte Strahlrichtung dienen. Der kompakte Aufbau ist durch die räumliche Überlagerung des zweiten Satzes von Ablenkspulen 61/62 mit der Fokussierspule 41 gewährleistet.

Fig. 3 zeigt, wie bereits erläutert, prinzipiell die erfindungsgemäße Anordnung eines ersten Ablenkspulenpaares 51/52 und eines zweiten Ablenkspulenpaares 61/62. Die beiden Ablenkspulenpaare sind um einen Winkel £ gegeneinander verdreht auf dem Kolben der Elektronenstrahlröhre 1 angeordnet, wodurch ihre Feldebenen entsprechend verdreht liegen. Dadurch wird die Richtung des Ablenkfeldes für die durchlaufenden Elektronen auf dem Wege von der Aperturöffnung zum Schirm 3 um die Längsachse ζ der Elektronenstrahlröhre 1 gedreht. Die gleiche Wirkung läßt sich durch ein einziges Spulenpaar mit wendelartiger Wicklungsführung erzielen.

Die Vermeidung ablenkungsbedingter Fokussierungsfehler

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gemäß der Erfindung benäht auf einer Vermeidung der Präzessionsbewegung des Mittelstrahls bei der Ablenkung. Die Fokussierspule 41 erzeugt ein rotationssymmetrisches magnetisches Feld, das die Ebene der Aperturöffnung auf den Empfangsschirm abbildet, vergl. Fig. 4.

Der in Fig. 5 gezeigte optimale Strahlverlauf besteht aus einem kurzen gekrümmten Teilstück direkt hinter der Aperturöffnung und einem anschließenden längerem geraden Teilstück. Die Defokussierung bei der Ablenkung rührt allein von dem gekrümmten Teilstück her. An das gerade Teilstück schließt sich schirmseitig ein durch Einfluß einer Landekorrekturlinse entstehendes zweites gekrümmtes Teilstück an, das hier nicht gezeigt ist.

Fig. 4 zeigt qualitativ den Verlauf des abgelenkten Elektronenstrahls in Projektion auf die Ebenen xz, yz und xy bei einem bekannten Vidikon. Besonders deutlich ist die Präzessionsamplitude in der xy-Projektion zu erkennen. Zum Vergleich zeigt Fig. 5 einen gewünschten Strahlverlauf ohne Präzession. Im Prinzip läßt sich leicht. ein Feldverlauf angeben, der den Strahl gemäß Fig. 5 ablenkt. Wenn man stufenförmige Felder Bx, By zuläßt, genügt bei homogenem Feld Bz in z-Richtung im vorderen Abschnitt ein Feld By, das den Strahl in die x-Richtung krümmt und darauf folgend ein stufenförmiges Feld Bx, das zusammen mit dem Feld Bz ein homogenes Feld in Strahlrichtung erzeugt, vergl. Fig. 6.

Der durch die Präzessionsbewegung verursachte Fokussierungsfehler läßt sich bei homogenem Fokusfeld und homogenem Ablenkfeld exakt berechnen. Es gilt

Ar = 21 6²<x (1).

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Dabei sind: Ar der Radius des Bildes eines Punktes

21 der Abstand zwischen Aperturblende und

Schirm

6 der Ablenkwinkel cc der halbe Strahlöffnungswinkel.

Von gleicher Größenordnung ist der durch die Präzession bedingte Fehler in Feldern, die nicht homogen sind. Beim erfindungsgemäßen Strahlverlauf ohne Präzession läßt sich der erreichbare Fokussierungsfehler anhand von Fig. 9 ermitteln. In der Figur ist ein ideal auf einen Punkt P hin konvergierendes Strahlenbündel gezeigt. Es wird ermittelt, wie sich die Strahlenvereinigung darstellt, wenn von der Ebene ζ = 0 an ein homogenes Ablenkfeld By vorhanden ist, das den Strahl in die x-Richtung krümmt. Da alle Elektronen im Strahl die gleiche Geschwindigkeit haben, durchlaufen die einzelnen Strahlen von der Ebene ζ = 0 an Kreisbahnen vom Krümmungsradius R mit

1 m ν

—· = ι

R q By

Dabei bedeutet m die Elektronenmasse, £ die Elektronenladung.

Die analytischen Ausdrücke für die Bahnen sind in erster Näherung für den oberen Rand des Bündels:

(3) 2R cosoc

für die Mittelachse des Bündels:

z²

χ = -2 (4)

2R
für den unteren Rand des Bündels:

χ = - xO + ζ tan oc + — —~— (5) .

2R cos α

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2 χΟ ist der Bündeldurchmesser in der Ebene ζ = O. Ohne Magnetfeld würden sich die Strahlen bei ζ = z1 mit

z1 = 22 (6)

tan cc

schneiden.

Mit Magnetfeld liegt der Schnittpunkt der beiden Randstrahlen

(3) und (5) zeitlich verschoben bei ζ = z1, χ = x1 mit z1 aus (6) und

x1 = (7).

2R cosoc

Die Ablenkung des Mittelstrahls bei ζ = z1 beträgt z1 /2R, so daß eine Abweichung zwischen Mittelstrahl und Randstrahlen von

4x = — (—- 1) (8)

2R cos oc

vorhanden ist. Unter Einführung der Richtungsänderung durch

6 = ( äs ) ₌ zl ₍₉₎

dz R

wird (9) zu

χ 2

Δ χ = z1 J2£L- do).

Mit4x = 2Ar, z1 =11 erhält man

Δτ = 1 Sol ² 11 (11).

⁸

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in

' £ vp_A 78P70 18BRO

In Fig. 9 ist ein Strahl gezeigt, der zunächst fokussiert und dann abgelenkt wird. Aus der Beschreibung der Erfindung geht hervor, daß der Strahl zunächst abgelenkt und anschließend fokussiert wird. Die Fokussierungsfehler sind in beiden Fällen die gleichen, da sich die Eikonalunterschiede aus den beiden Anteilen addieren. Die Reihenfolge der Vorgänge ist demnach gleichgültig.

Wie bereits weiter oben nachgewiesen beträgt der charakteristische Durchmesser der Abbildung eines Punktes

l1 (11),

wobei 11 die Länge des gekrümmten Stückes ist. Der Winkel ö bezeichnet die Richtungsänderung des Strahls. Eine Division von (11) durch (1) läßt eine erfindungsgemäße Herabsetzung des Fokussierungsfehlers um einen Faktor

2 #ü (12)

erkennen. Typische Werte sind Oc= 1°, ο = 5°, 11/KO.5, so daß

F < 0.006

wird.

Für eine Berechnung des Verlaufs der Ablenkfelder können folgende vereinfachende Annahmen gemacht werden:

1".) Der Verlauf des Fokusfeldes außerhalb der Achse wird allein aus dem Verlauf der ersten Ableitung des Feldes auf der Achse hergeleitet. 35

2.) Die Ablenkfelder werden als über den Querschnitt

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. /f3.

/ι vpa 78 P 7 O J 8 BRD

konstant angenommen und hängen damit allein von ζ ab. Aus dem Fokusfeld auf der Achse

Bz = B (z)

(13)

erhält man mit Annahme 1.) die zugehörige Radialkomponente

10 Br = - - B^f (z) 2

r ist der Abstand von der Achse.

(14).

Br und Bz hängen durch die Bedingung der Quellenfreiheit zusammen. Glieder mit r B'' (z) und höhere Glieder sind in (14) vernachlässigt. Für eine erste Abschätzung der
Größe der erforderlichen Ablenkfelder werden zweckmäßig stufenförmige Querfelder Bx, By und ein homogenes Längsfeld Bz zugrunde gelegt.
20

Im vorderen Abschnitt der Bahn in Fig. 5 kann näherungsweise eine Kreisbahn im Feld By angenommen werden. Aus
deren Radius (s. (2)) erhält man das Feld By zu

(15).

Im Stufenmodell reicht dieses Feld von ζ = 0 bis ζ = 11. Die Richtungsänderung ist mit der Neigung der Bahn bei
z=l1 identisch. Das homogene Feld Bz muß von ζ = 11 an um den Winkel ο gedreht werden, damit es von der Bahn zentral durchsetzt wird. Dazu bedarf es eines bei ζ = 11 beginnenden Querfeldes in x-Richtung.

Bx = S B (z)

(16)..

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-Ak-

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Bei kontinuierlich variablem Querfeld By ist (15) zu ersetzen durch

S = -S Γ^1Λ By dz (17). ^mv o^J

Außer der Drehung des Hauptfeldes nach (16) ist eine seitliche Verschiebung erforderlich, um die Lage der Achse des gedrehten Feldes zu fixieren. Gemäß (14) läßt sich das Fokusfeld durch ein Querfeld

Bx = 22 B'(z) (18)

um eine Strecke xO in x-Richtung verschieben. Die gedrehte Achse in Fig. 5 genügt der Gleichung

χ = ά . (ζ - zO) (19),

wobei ζ = zO der Drehmittelpunkt ist. Das aus Drehung und Verschiebung bestehende Querfeld in x-Richtung ist nach (16) und (18) unter Einbeziehung von (19)

Bx = S . (B (z) + £=22 _Bi (_z)) (20).

Diese Gleichung wurde bei einer Rechnersimulation der Bahn benutzt.

Im Ergebnis erweist sich die in Fig. 7 gezeigte Lösung als nahezu ideal. Die zugehörigen Magnetfelder zeigt Fig. 8. Man beachte die unterschiedlichen Maßstäbe der Skale der linken Seite für Bx, By und der rechten Seite für Bz.

Die Verwendung eines unsymmetrischen Feldes Bz, das nach links abklingt und nach rechts konstant ist, erweist sich als eine gravierende Bedingung für die Kompensation.

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Läßt man Bz auch nach rechts hin abklingen, so führt das schnell zu Lösungen mit sehr steilen rechtsseitigen Flanken von Bx, wobei unter Umständen auch negative Werte auftreten. Solche Feldverläufe lassen sich nicht realisieren. Das in Fig. 8 gezeigte unsinnmetrische Feld Bz ist realisierbar und bedingt einen linearen Verkleinerungsfaktor M= 0.645 der magnetischen Hauptlinse.

Gemäß Fig. 7 trifft der Strahl schräg auf den Schirm auf. Wegen des'Fehlens einer Azimutalkomponente beim Auftreffen ist eine Korrektur der radialen Auftreffrichtung durch eine Landekorrekturlinse nach Lubshinsky, vergl. britische Patentschrift 468.965, vorteilhaft.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine Anwendung in zur Bildaufnahme- bzw. Bildwiedergabe bestimmten Elektronenstrahlröhren beschränkt. In einem anderen, nicht gezeigten Ausftihrungsbeispiel ist das erfindungsgemäße magnetische Fokussierungs-/Ablenksystem in einem Elektronenstrahl-Rastermikroskop vorgesehen. Der durch die Erfindung ermöglichte kompakte Aufbau erlaubt es, einen relativ kleinen Vakuumbehälter mit entsprechend kleiner Hautoberfläche zu verwenden, wodurch eine vorteilhaftere Entgasungsprozedur gegeben ist.

5 Patentansprüche
9 Figuren

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Claims (5)

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   Patentansprüche.

   Magnetisches Fokussierungs-/Ablenksystem für Elektronenstrahlröhren, insbesondere Bildaufnahmeröhren, mit elektrisch voneinander unabhängigen Fokussier- und Ablenkspulen, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Strahlablenkung vorgesehenes Ablenkspulensystem derart unterteilt ist, daß ein die Richtungsänderung des aus der Strahlquelle (2) austretenden Strahles (7) bewirkender strahlquellenseitig angeordneter erster Satz von Ablenkspulen (51/52) und ein das Fokussierungsfeld an die geradlinig verlängerte Strahlrichtung des aus dem Feld des ersten Satzes von Ablenkspulen (51/52) austretenden Strahles (7) anpassendes schirmseitig angeordneter zweiter Satz von Ablenkspulen (61/62) vorgesehen sind, und daß eine an sich bekannte Fokussierspule (41) vorgesehen ist, die vollständig oder zum größten Teil den zweiten Satz von Ablenkspulen (61/62) räumlich überlagernd angeordnet ist.
2. 2. Magnetisches Fokussierungs-ZAblenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Satz von Ablenkspulen (51/52) und der zweite Satz von Ablenkspulen (61/62) derart auf dem Kolben der Elektronenstrahlröhre (1) angeordnet sind, daß ihre Feldebenen gegeneinander verdreht liegen, so daß sich die Richtung des Ablenkfeldes für die durchlaufenden Elektronen auf dem Wege von der Aperturöffnung zum Schirm (3) um die Längsachse (z) der Elektronenstrahlröhre (1) dreht.
3. 3. Magnetisches Fokussierungs-/Ablenksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldebenen des ersten Satzes von Ablenkspulen (51/52) und des zweiten Satzes von Ablenkspulen (61/62) um angenähert 90° gegeneinander verdreht liegen.

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4. 4. Magnetisches Fokussierungs-/Ablenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Satz von Ablenkspulen (51/52) und der zweite Satz von Ablenkspulen (61/62) zu einem einzigen über die gesamte Einwirklänge verteilten Spulenpaar mit die erforderliche Felddrehung bewirkender wendelartiger Wicklungsführung vereinigt sind.
5. 5. Magnetisches Fokussierungs-/Ablenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur Korrektur des Auftreffwinkels zwischen dem Strahl (7) und dem Schirm (1) eine schirmseitig angeordnete, an sich bekannte magnetische Landekorrekturlinse vorgesehen ist.

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