DE3306498A1 - Elektronenkanone - Google Patents

Description

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0E5LHREIBUNG

Die Erfindung betrifft Unipotential-Elektronenkanonen mit geringer sphärischer Aberration.

Da Unipötential-Elektronenkanonen yute iJberstrahlungs-Eigenschaften bei hohen Stromstärken aufweisen, werden sie in Bauteilen wie zum Beispiel Farbbildröhren oder . Projektorröhren verwendet. Unipotentia1-F1ektronenkanonen

weisen im allgemeinen eine Kathode K, ein erstes • Gitter (Steuerelektrode) Gl, ein zweites Gitter (Beschleunigungselektrode) G2, ein drittes Gitter (erste Anodenelektrode) G3, ein viertes Gitter (Fokusierelektrode' GA' , und ein fünftes Gitter (zweite Anodenelektrode) G5 in. dieser Reihenfolge auf. Bei. solchen Elektronenkanonen ist es wichtig, so weit wie möglich die sphärische Aberration der Elektronenlinsen zu verringern, um einen Elektronenstrahl zu erhalten,- der mit möglichst geringem Strahldurchmesser auf dem LcMJchtschi rm auftrifft. Dies gilt insbesondere für eine llauptelektrone.nl inse, die aus demdritten Gitter G3, dem vierten Gitter G4 und dem fünften Gitter G5 gebildet ist. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, den öffnungsdurchmesser jedes Gitters im Elektronenlinsen-Hauptsystem so groß wie möglich zu machen. Um die Gitteroffnung groß wählen zu können, ist es jedoch erforderlich, einen Kathodenstrahlröhrenkolben zu verwenden, der· einen Hals mit möglichst großem inneren Durchmesser aufweist. Die Verwendung eines Halses mit größerem Innendurchmesser setzt jedoch die Ablonkumpfindlichkeit ■für das Ablenkjoch herab.

Das Elektronenlinsen-Hauptsystem kann jc:doch auch aufgeteilt werden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Die Unipotentiallinse besteht aus einer Ver/ögerungslinse 1, die nua dem dritten GiI tor Ij 5 und dom vierten

IVlUL-l-t-ri

Gitt.or G4 gebildet ist. Die Gitter G4 und G5 bilden eine ßeschleunigu.ngslinse 2. Die beiden Linsen sind voneinander getrennt, so daß man davon ausgehen kann, daß sich der Aberrations-Koeffizient des Elektronenlinsert·- Hauptsystems aus derjenigen der V/erzögerungslinse 1 und demjenigen der Beschleunigiingslinse 2 zusammensetzt. Da der Aberrationskoeffizient für die Verzögerungslinse gering und für die Beschleunigungslinse hoch ist, kann die Gesamtaberration der Unipotentiallinse insbesondere dann, herabgesetzt werden, wenn der Aberrationseffekt der ßeschleunigungslinse verbessert wird.

In Fig. 2 ist eine Elektronenkanone mit geringem Aberrationskoeffizient dargestellt, wie sie kürzlich von der An- melderin in Japan unter der Nummer 15 581/1977 zum Patent angemeldet wurde. Diese beruht auf der im vorigen Absatz genannten Tatsache der Auftrennung des Elektrqnenlinsen_r Haupt sy at CMiis in die zwei Systeme der Verzögerungslinse und der ßeschleunigungalinse. Diese Kanone tieisf eine Kathode K, ein erstes Gitter Gl, ein zweites Gitter G2, ein drittes Gitter G3, ein viertes Gitter G4 und ein fünftes Gitter G5 auf, die aufeinanderfolgend angeordnet sind. An das dritte Gitter und das fünfte Gitter wird eine Anodenspannung V. gelegt und eine Fokusierspannung V_r wird an das vierte Gitter G4 gelegt', so . ' daß das dritte Gitter G3 als Elektronenlinsen-Hauptsystem vom Uni potentia I typ wirkt. Bei dieser Elektronenkanone ist der I. insendurchmesser Dl der vorderen Verzögerungslinse (Linse 1) geringer gewählt, als der Ele1<tronen-

3U 1 i nsendurohmesser D2 der hinteren Beschleuniguncjslinse (Linse* 2). Der Durchmesser Dl entspricht dem Innendurchmesser der'einander gegenüberstehenden Enden dos dritten und di;i> vierten Gitters und der Durchmesser D2 entspricht dem ü f f nunqsdurchnicsser der einander gegenüberstehenden Enden der Gitter G4 und G5. Das Gitter G4 weist über die Lunge 11 den Innendurchmesser Dl und über die Länge

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den Innendurchmesser D2 auf. Ig giJt Ό2 > Dl und 1 = 11 + 12. Dadurch ist die Wirkung des; F. ! ek t ronenl insenbereichs in· die Wirkung der vorderen Linse 1·und der hinteren Linse 2 aufgeteilt, wodurch der Aberrations-KoeFfiz.ient des E lek tronenl insen-Hauptsys tems klein wird.

Bei bekannten Elektronenkanonen wird jedes der Gitter Gl bis G5 durch einen gemeinsamen, isolierenden Haltestab, in der Regel Glasstäbe gehalten. Wenn eine solche Elektronenkanone, deren Gitter durch· den isolierenden Haltestab zusammengehalten werden., in den Hals eines Kathodenstrahlröhrenkolbens eingeschoben wird, beschränkt die Inanspruchnahme von Raum für die isolierenden Haltestäbe den Öffnungsdurchmessor der Gitter. Wenn die Elektronenkanone in zum Beispiel einen Hals mit 29 mm Innendurchmesser eingeführt' wird, knnn der Innen-. durchmesser der Gitter höchstens etwa 14 mm betragen,. Aus diesem Grund haben wir die in Tig. 2 dargestellte Elektronenkanone bereits vorgeschlagen, die in der Lage •ist, den Aberrations-Koeffizient iiufqrund ihres geringen Durchmessers der Ver zögnrungsl ι n;;e (Linse 1) herabzusetzen.

Der Erfindung liegt die Aufqnbe zugrunde, eine Unipotential-Elektronenkanone mit zwei voneinander getrennten Elektronenlinsensystemen anzugeben, ehe so aufgebaut ist, daß sie eine geringere Aberration aufweist"als bisher bekannte Unipotential-Elektronenkanonen.

Diese Aufgabe ist durch eine er-f'indungsgemJiGe Elektronenkanone gelöst, die so aufgebaut ist, daß der Linseη-durchmesser des ersten Systems kleiner ist als der Linsendurchmermer des zweiten System» und daß der ·*■* Ö f f nungsdurchmesser des fünften Gitters größer ist als der Öffnungsdurchtnesser des vierten Gitters.

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Mit einem solchen Aufbau ist es insbesondere möglich, den Durchmesser des fünften Gitters so groß zu wählen, daß es gerade noch in den Hals eines Röhrenkolbens eingeführt werden kann. Dieser besonders große Durchmesser führt zu einer besonders geringen Aberration. Diese und andere Ausführungsformen und Weiterbildungen der

. Erfindung sind in Unteransprüehen gekennzeichnet.

Die Erfindung und Vorteile derselben werden im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher.erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Elektronenlinsen-Hauptsystem einer Elektronenkanone;

Fig.'2 einen Längsschnitt durch eine bekannte Unipotential·

Elektronenkanone;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch, eine grundsätzliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektronenkanone; ·

Fig. k und 5: Längsschnitte durch das dritte, vierte

und fünfte Gitter bei bekannten Elektronenkanonen; Fig. 6 ein Diagramm des sphärischen Aberrations-Koeffizienten in Abhängigkeit von der Brennweite ' einer Elektronenkanone, für eine .herkömmliche

und orfindungsgemäße Elektronenkanone; Fig. 7 ein Diagramm zum Erläutern wie eine Gleichung

für den Aberrations-Koeffizienten gewonnen wird;· Fig. 8 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Elektronenkanone;

Fig. 9 einen Längsschnitt durch die Elektronenkanone

gemäß F ig . 8 ; '-

Fig. 10 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsfnrm einer e r find ungsge in äßen Elektronenkanone; Fig. 11 ein Diagramm des mittleren Strahldurchmessers

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in Abhängigkeit· von der Stromstärke für eine bekannte und für eine erfindungsgemäße Elektronenkanone.

In Fig. 3 ist e.in grundsätzliches Aus f ühruncjsbeispiel einer anmeldegemäßen Unipotential-Elektronenkanone dargestellt. Sie weist eine Kathode K und Gitter Gl bis G5 auf. Wie dargestellt, wird eine Hochspannung, nämlich die Anodenspannung \l. an dos dritte Gitter G3 und das fünfte Gitter G5 gelegt und eine· Fokussierspannung · wV, die erheblich geringer ist als die Anodenspannung V. wird an das vierte Gitter GA gelegt. Dadurch bilden die Gitter G3, GA und G5 ein Elektrunenlinsen-Hauptsystem vom Unipotentialtyp. Insbesondere bilden das dritte Gitter G3 und das vierte Gitter GA eine .vordere Verzögerungslinse (Linse 1), während da:s vierte Gitter GA und das fünfte Gitter G5 eine hintere Beschleunigungs-Elektronenlinse (Linse 2) bilden. Insbesondere ist das vierte Gitter GA mit einer solchen Länge 1 ausgeführt, daß die als Elektronenlinsen wirkenden Bereiche der vorderen Linse 1 und der hinteren Linse; 2 getrennt sind und daß die vordere Elektronenlinse 1 einen geringeren Elektronenlinsendurchmesser aufweist, als die hintere •Elektronenlinse 2. Das fünfte Gitter G, das zur hinteren Elektronenlinse 2 gehört, weist einen geringeren Q.ffnungsdurchmesser auf als das vierte Gitter GA. Das vierte Gitter GA hat also an seiner dem dritten Gitter G3 zugewandten Seite einen Öffnungsdurchmesser Dl und an seiner anderen Seite zum Gitter G5 hin einen Öffnungsdurchmesser D2 größer Dl. Der Öffnungsdurchmesser des fünften Gitters G5, der größer ist als der Durchmesser D2 ist mit D3 bezeichnet. Es gilt also Dl < D2 < D3. Das Gitter GA weist über die Länge 11 den Durchmesser Dl und über die Länge 12 den Durchmesser D2 auf. Um die beiden Elektronenlinsen 1 und 2 voneinander /u trennen, weist •das vierte Gitter GA eine Gesamtlänge 1 = 11 + 12 auf,

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die mehr als 1,5 mal größer ist als der Öffnungsdurchmesser Dl des dritten Gitters G3 und damit auch des engeren Teils des vierten Gitters G4. Es gilt' also 1 £l 1,5 Dl.

Durch diese Anordnung wird der Aberrationsbetrag der hinteren Beschleunigungslinse (Linse 2) verbessert, was zu einer Verbesserung des gesamten"Aberrationsbetrags des Elektronenlinsensystems führt.. '

Anhand des Diagramms der Figur 6 werden nun Ergebisse des sphärischen Aberrations-Koeffizienten einer her- · kömmlichen Elektronenkanone mit 'dem Koeffizienten er-■f indungsgemäüer' Kanonen verglichen. Als Ordinate ist ein Betrag g3 aufgezeichnet, der dem sphärischen Aberrationakoeffizienten entspricht. Wie dieser berechnet wird, wird weiter unten erläutert. Auf der Abszisse ist die Brennweite fl auf der Abbildungsseite (Überkreuzungspunk.t) dargestellt. Eine Kurve .1 stellt di.e Verhältnisse für eine gewöhnliche Unipotential-Elektronenkanone; dar, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Die Gitter G5,G4 und G5 weisen .denselben Durchmesser auf. die Länge· 1 des vierten Gitters G4 ist 21,0 rnm. In Kurve II ist der Fall für eine Unipotent i al-Elektronen.kanone gemäß Fig. -5 dargestellt, bei' der der Durchmesser der hinteren Elektronenlinse· (Linse 2) größer ist als der Öf f nungsdurchrnesser der vorderen Elektronenlinse (Linse 1). Der dffnungsdurchmesser des fünften Gitters G5 stimmt ■ mit dem Durchmesser des Gitterfj G4 an seiner dem Gitter G5 zugewandten Seite überein. Es gilt Dl = 13,8 rnm, D2 = 16,4 mm, 1 = 28,1 mm, 12 - 10 mm. Die Kurven IHA, IIIB und II IC stellen Fälle er-f indungscjemäGer Unipotential-E lektronenkanonen mit einem Aufbau cjemäG.Fig. .3 dar. In den drei Fällen ist. 1 = 20, J mm, 33,1 mm bzw. 38,1 mm. In n11 en Fällen ist Dl = 13,8 mm, D2 = 16,4 mm, D3 =

5 2 2,0 mm und 12 = 10 mm. . ■ .

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Die Beziehung für den Aberra t:ionn-Kooffi?ien ten wird nun anhand der Fig. 7 erläutert. Wenn der sphärische .Aberrations-koeffizient als 0_ς> die Vergrößerung der Linse als M und der halbe Öffnungswinkel des Elektronen· strahls am Überkreuzungspunkt ( Gcgenst andnpunk t) 0 als ^q gesetzt wird, ist der Aberrationsbetrag 4 r , d.h.

der Radius des Elektronenstrahls bei seinem Auftreffen

3 auf die Ebene 1 ,. gegeben als: Δγ = MC₁Ao

. · ^CS " ^CSO ⁺Js± ⁺ _fs2 ^{+ C}S3 + C_S4

^{M M}4 M₄ M₄

Die als Ordinate in Fig. G verwendete Größe g3 entspricht einem Betrog gemäß folgender Gleichung: 15

^g3 s. ^CSO/^f2

Dabei ist f2 die Brennweite auf dor Bilaseite und L entspricht der Entfernung vom Gerjenstnndpunk t zur Bildebene.

Aus dem Diagramm von Fig. (■> geht rlcu1.1 ι ch· hervor , daß 5 eine erf i η du ng :3 ge mäße Elektronenkanone einen erheblich besseren Aber rn t i ons-Koo f Γ i v. i ent on ,au f wo ifj L , als die bekannt Elektronenkanone mit dem Aufbau gemäß Fig. 5.

Die Verringerung des Aber rations-Koeffi?ienten beträgt

15. b i s 20 ?ό. Es stellte sich außerdem heraus, daß der Aberratiohsbetrag nicht wesentlich erhöht wird, wenn das vierte Gitter G4 in das fünfte Gitter G3 überlappc-n eingeführt wird.

TER MEER · MÖLLER ■ STEINMEISTER Sony S83P?4

Praktiache Aus führunrjsf armen der Erfindung werden nun anhand der Figuren 8 und 9 erläutert. Eine Kathode K- und Gitter G] bis G5 sind entlang einer gemeinsamen Achse angeordnet. Im Fall des Ausführungsbeispiels der Fig. 9 sind dan fünfte Gitter G5 mit seinem Öffnungsdurchmesser D3 und das dritte Gitter G3 mit seinem geringeren Öffnungsdurchmesser Dl als einstückiges Gebilde geformt'. Das vierte Gitter G4 ist innerhalb des fünften Gitters G5 untergebracht. Ein gestreckter Bereich 2 erstreckt sich vorn langen fünften Gitter G5 zum dritten Gitter G3 und weist einander gegenüberliegende Fenster 3 auf. Der gestreckte Bereich 2 entspricht im wesentlichen einem Le i t ungsberei.ch, durch den das fünfte Gitter G5 elektrisch mit dem dritten Gitter G3 verbunden wird.

Das vierte Gitter G4 mit einem Bereich geringen ÖffnungsdurchmesseriJ Dl und einem Bereich großen Öffnungsdurchmessers D2 wird in das lange fünfte Gitter G5 so eingeführt, daß es mit seiner Seite geringen Öffnungsdurchmessers gegen das Gitter G3 steht und seine Wandung den Fenstern 3 gegenüberliegt. Der Bereich geringen Öffnungsdurchmcssers dieses vierten Gitters G4 und.das dritte Gitter G3 bilden ein vorderes Elektronenlinsensystem (Linse 1), während der Bereich großen Ö f fnungsdurchmes sorts de» vierten Gitters G4 und das fünfte ili.tter

l^c> G5 oin hinteren F. lek tronenlinnansy-a tem (L inse 2) bilden. Die Gitter Gl bi« G4 werden durch einen .gemeinsamen isolierenden Haltostab 4 zusammengehalten. Das· vierte Gitter G4 wird durch die Fensterboreiche 3 hindurch gehalten. Da der hintere Endteil des fünften Gitters G5 als Abschirmplatte 5 gegen Gettereinwirkung ausgebildet ist, ist der Abstand 13 zwischen dem hinteren Ende des· vierten Gitters G4 und der Abschirmplatte 5 so gewählt, daß verhindert ist, daß eine Elektronenlinse zwischen dem vierten Gitter G4 und den Abschirmplatten 5 gebildet wird. Es gilt zum Beispiel 13/D3 "> 0,57.

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Die so aufgebaute Elektronenkanone wird im Hals 6 eines Kathodenstrahlröhrenkolbens untergebracht. Der Innendurchmesser des Halses 6 ist mit DA bezeichnet. Der • Öffnungsdurchmesser D? des fünfton Gitters G^r,> kann so gewählt werden, daO gilt: DA > D3 > 0,65 DA.

Bei der soeben beschriebenen, in den Figuren 8 und 9 dargestellten Ausführungsfοπή, bei der das fünfte Gitter G5 und das dritte Gitter G3 mechanisch als einstückiger Körper ausgebildet sind, wird das fünfte Gitter G5 nicht direkt durch die isolierenden Haltestribe A gehalten, sondern es wird durch das dritte Gitter G3 gehalten, wenn dieses durch die Halteotäbc? k gehalten wird. Das vierte Gitter G4 wird durch die geraden isolierenden Haltestäbe h durch die Fensterbereiohe i in dem

gestreckten Teil 2 des fünften (.litters (ίΐ> zusammen! mit. 'den Gittern Gl bis G3 gehalten. Auf dios.R Art und Weine

kann der Abotand zwischen einander gegenüber liegenden .isolierenden Haltestäben 4 an ihren äußeren Oberflächen geringer gewählt-sein j als der Öffnunysdurchmesser Di des fünften Gitters'G5, so daß er so weit vergrößert werden kann, bis er in etwa dem Innendurchmesser DA des Halses 6 entspricht. Dadurch kann die; sphärische Aberration des E lekt ronenl insen-Haupt s/st erns weiter

verringert werden.

In Fig. 10 ist eine weitere Aus führung»form des Anmeldegegenstandes dargestellt. Die Gitter G'5, GA und G5 sind jeweils für sich ausgebildet. Das vierte Gitter GA ist mit seinem' Bereich großen Durchmessers in das fünfte Gitter G5 eingeführt und die beiden Gitter sind mechanisch über einen Keramikring 7 und Lötmatßrial verbunden. Die Gitter G] bis GA werden über gemeinsame isolierende Haltestäbe A gehalten und das dritte Gitter G3 und das; fünfte Gitter G5 sind elektrisch miteinander Über ge-

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eignete, nicht dargestellte Leitungsdrähte miteinander verbunden.

Da bei den in den Figuren 8 bin 10 dargestellten anmeldegemäßen Elektronenkanonen das fünfte Gitter mechanisch entweder mit dem dritten Gitter G3 oder dem vierten Gitter GA verbunden ist und nicht znischen den isolierende Haltestäben 4 gehalten wird, kann der öffnungsdurchmesser D3 des fünften Gitters G5 so weit erhöht sein, daß er dem Innendurchmesser D4 des Halses 6 entspricht. Dadurch kann im hinteren Elektronen!insensystem (Linse 2) der üf fnungsdurchinesser D3 des fünften Gitters G-5 größer gemacht werden, als der öffnunyndurchmesser D2 des vierten Gitters G4. Dadurch kann die sphärische Aberration des Elektronenlinsen-Hauptsystems verringert werden,ohne daß der Innendurchmesser D4 deκ Halses 6 erhöht /.u werden braucht.

Das Diagramm der Fig. 11 stellt dic-Beziehung zwischen Stromstärke in niA und mittlerem Strahldurchmesser in mm auf dem Leuchtschirm für eine anmeldegemäße Elektronenkanone und eine bekannte Elektronenkanone des Unipotential^ typs von Fig. 4 dar. Die Kurve IV stellt die Beziehung- · für oißn bekannte elektronenkanone und die Kurve V die Beziehung für oine anrneldegemäße Kanone dar. Aus Fig. ist direkt ersichtlich, daß der 5 iirahldurchtnesser bei einer anmeldegemäßen Kanone gegenüber einer bekannten Kanone erheblich verringert ist. ' '

Die hintere Elektronenlinse (Linse 2) kann auch als " Linse mit ausgedehntem Feld (extended-field type lens) .mit großem Durchmesser der Endelektrode ausgebildet sein. Auch eine solche modifizierte Elektronenkanone verringert'die sphärische Aberration.

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Eine anmeldegemäße Elektronenkanone führt also zu einer v/erringer ten, d.h. verbesserten sphärischen Aberration gegenüber bekannten Elektronenkanonen. Anmeldegemäße Elektronenkanonen sind daher für Farbbildrohren, Projektorröhrnn usw. geeignet.

-/lit.

Leerseite

Claims (6)

1. TER MEER-MULLER-STEINMEISTER

   PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

   Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer. Dipl.-Ing· H. Steinmeister Dipl.-Ing. F. E. Müller _Λ . . . . , _.

   Triftstrasse 4, · Artur-Ladebeok-Strasse 51

   D-ΘΟΟΟ MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1

   Case: S83P54 Mü/Js/b

   ■2 *. Februar 1983

   SONY CORPORATION

   7-35 Kitashinagawa 6-chome,

   Shinagawa-ku, Tokyo, Japan

   ELEKTRONENKANONE

   Prioritäten: 26. Februar 1982, Japan, No. 713 51/82 25. September 1982, Japan, No. 167319/82

   PATENTANSPRÜCHE

   Unipotential-Elektronenkanone mit einem fMe'kt ronenlinsen-Hauptsystem mit

   - einem ersten Elektronenlinsensystem aus einem dritten Gitter (G3) und einem vierten Gitter (G4),

   - einem zweiten Elektronenlinsensystem, dessen Linsenbereich vom .Linsenbereich des ersten Systems getrennt ist, aus einem vierten Gitter (G4) und einem fünften Gitter (G5)

   dadurch gekennzeichnet, daß

   - .der L.insendurchmesser (Dl) des ersten Systems kleiner ist als der Durchmesser (D2, D3) defj zweiten Systems und

   - der Öffnungsdurchmesser (D3) des fünften Gitters (G Γ?, größer ist als der Öffnungsdurchmesser (D2) des vierten Gitters.

   TER MEER - MÜLLER · ΰ ι tlNMEIö Γ fcK - . -l""y.
2. 2. Elektronenkanone nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß der öffnungadurchmesser (D2) des vierten Gitters (G4) zur
   Seite des fünften Gitters (G5) größer ist als zur Seite des dritten Gitters (G3), daß das dritte und das fünfte Gitter mechanisch und elektrisch ein einstückiges Gebilde sind, in dem ein Fensterbereich (3) ausgespart ist, und daß das vierte Gitter innerhalb des einstückigen Gebildes untergebracht ist und durch den Fensterbereich hindurch durch mindestens einen isolierenden Halter (4) gehalten ist..
3. 3. Elektronenkanone nach Anspruch 2,'

   dadurch gekennzeichnet, daßder isolierende Halter ein Glasstift (4) ist.
4. 4. Elektronenkanone nach Anspruch-2,

   dadurch gekennze ich net, daßder Öf.fnungsdurchniesaer (D2) des vierten Gitters (G4) zur Seite des fünften Gitters (G5) größer ist als zur Seite des
   dritten Gitters (G3) und daß das fünfte Gitter durch einen ■isolierenden Halter auf dem vierton Gitter gehalten ist.
5. 5. Elektronenkanone nach Anspruch 4,.

   dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Halter ein Keramikring ist.
6. 6. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
   dadurch gekennzeichnet, daßder Öffnungsradius des fünften Gitters größer ist als der
   Abstand des isolierenden Halters von der Mittelachse der Elektronenkanone.