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Entladungsrohr mit Gas- oder Dampffüllung Gegenstand der Erfindung
ist ein Entladungsrohr mit Gas- oder Dampffüllung, einer Elektronenquelle, einer
oder mehreren Elektronenbeschleunigungs- und Elektronenverzögerungselektroden und
einem zur Hauptbewegungsrichtung der Elektronen parallel gerichteten Magnetfeld,
dessen Feldstärke H entsprechend der Ungleichung
gewählt ist, wenn c die Lichtgeschwindigkeit (etwa 300ooo km/sec), m die
Masse und e
die Ladung der Elektronen, E die maximale kinetische Energie der
beschleunigten Elektronen und r den Radius der kleinsten Durchtrittsöffnung in den
Elektronenbeschleunigungs- oder -verzögerungselektroden bezeichnen. Bei dem Entladungsrohr
nach der Erfindung ist ferner die Ausdehnung in Richtung der Elektronenbewegung
des Raumes, in dem die primären Elektronen zum erstenmal beschleunigt werden, kleiner
als die entsprechende Ausdehnung des Raumes, in dem die primären Elektronen zum
erstenmal verzögert werden. Die Beschleunigungs-
Spannung wird erfindungsgemäß
größer als der zwölffache Wert der Ionisierungsspannung des Teiles der Füllung gewählt,
der ionisiert werden soll.
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In diesem Entladungsrohr werden die von der Elektronenquelle ausgehenden
Elektronen -zunächst beschleunigt in dem Raum, der an die Elektronenquelle angrenzt
und im folgenden als Beschleunigungsraum bezeichnet wird. Anschließend werden die
Elektronen nach dein Durchtritt durch die Öffnung der Beschleunigungselektroden
unter dem Einfluß des zwischen der letzten Beschleunigungselektrode und den Verzögerungselektroden
wirkenden elektrischen Feldes verzögert. Dieser Raum wird im folgenden als Verzögerungsraum
bezeichnet. Er ist im allgemeinen nicht durch die Elektroden begrenzt.
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Die Elektronen werden im Verzögerungsraum abgebremst, so daß sie unter
Umkehr ihrer Bewegungsrichtung sich wieder auf die Beschleunigungselektroden zu
bewegen und diese erneut passieren. Durch den Energieverlust und die Streuung, die
sie bei den Zusammenstößen mit dem Gas oder Dampf erlitten haben, wird jedoch bewirkt,
daß sie nicht wieder bis zur Elektronenquelle gelangen, sondern bereits vor Erreichung
derselben ihre Bewegungsrichtung erneut umkehren. Sie passieren die Öffnung der
Beschleunigungselektroden ein drittes Mal und werden anschließend im Verzögerungsraum
erneut abgebremst und umgekehrt. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange. bis die
Elektronen ihre gesamte Energie durch Zusammenstöße an die Moleküle der Gas- oder
Dampffüllung abgegeben haben oder schließlich infolge der zahlreichen Zusammenstöße
doch auf den Rand einer der Beschleunigungselektroden auftreffen, anstatt ihre Öffnung
zu passieren. Bei den Zusammenstößen mit den Molekülen der Füllung verlieren jedoch
die Elektronen nicht nur einen Teil ihrer Energie, sondern sie ändern auch ihre
Bewegungsrichtung. Es würden daher nur sehr wenige Elektronen die iIffnungen der
Beschleunigungselektroden passieren, wenn nicht durch das entsprechend der genannten
Ungleichung gewählte Magnetfeld der Elektronenstrahl zusammengehalten würde. Auf
diese Weise wird auch verhindert, daß die Elektronen dadurch auseinanderlaufen,
daß die elektrischen Felder infolge der Öffnungen in den Beschleunigungs- und Verzögerungselektroden
nicht überall parallel zur Hauptbewegungsrichtung der Elektronen gerichtet sind.
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Bei den Zusammenstößen mit den Gas--,Molekülen «-erden nicht nur positive
Ionen, sondern auch Sekundärelektronen gebildet. Die positiven Ionen wandern infolge
ihrer Ladung entgegengesetzt wie die Primärelektronen. Die im Verzögerungsraum erzeugten
positiven Ionen wandern also auf die Verzögerungselektroden zu, während die im Beschleunigungsraum
erzeugten positiven Ionen auf die Kathode zu wandern. Die Sekundärelektronen, die
im Gas gebildet werden oder beim Auftreffen der positiven Ionen auf die Verzögerungselektroden
entstehen. verhalten sich gerade so wie die Primärelektronen. Sie werden nach ihrer
Bildung zunächst beschleunigt, so daß sie die Öffnung der Beschleunigungselektroden
passieren. Sie erhalten dabei um so größere Energie, in je größerem Abstand von
der Beschleunigungselektrode sie gebildet worden sind. Anschließend werden sie gerade
so wie die Primärelektronen abgebremst und passieren nach Richtungsumkehr erneut
die Beschleunigungselektroden. Auch dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis
die Sekundärelektronen die Energie, die sie durch die Beschleunigung im elektrischen
Feld erhielten, durch die Zusammenstöße mit den Gas- oder Dampfmolekülen der Füllung
verloren haben oder bis sie schließlich auf den Rand der Beschleunigungselektroden
infolge der zahlreichen Richtungsänderungen durch die Zusammenstöße auftreffen.
Die Sekundärelektronen, die im Gas gebildet werden, stellen jedoch nur dann einen
wesentlichen Beitrag zum Gesamtstrom dar, wenn die Primärelektronen auf ihrem Wege
mehrere Ionen bilden. Das ist nur der Fall. wenn ihre Energie groß genug ist. Aus
diesem Grunde wird erfindungsgemäß dieBeschleunigungsspannung größer gewählt als
der zwölffache Wert der Ionisierungsspannung des Teiles der Füllung, der ionisiert
werden soll.
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Wenn das Magnetfeld kleiner als entsprechend der Ungleichung gewählt
wird. ist die Wahrscheinlichkeit dafür, daß die primären Elektronen und die Sekundärelektronen
auf die Beschleunigungselektroden treffen, anstatt ihre Öffnungen zu passieren,
so groß, daß nur ein kleiner Teil der Energie der primären und sekundären Elektronen
zur Ionisierung ausgenutzt wird.
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Wird ferner die Ausdehnung des Beschleunigungsraumes kleiner gewählt
als die Ausdehnung des Verzögerungsraumes, so werden mehr positive Ionen im Verzögerungsraum
als im Beschleunigungsraum gebildet. Es treffen infolgedessen bei der Anordnung
nach der Erfindung weniger positive Ionen auf die Elektronenquelle als auf die Verzögerungselektroden.
Dadurch wird nicht nur die Elektronenquelle geschont, sondern auch die Möglichkeit
eröffnet, die positiven Ionen zum größten Teil aus dem Verzögerungsraum in Richtung
ihrer Bewegung zu entnehmen. Das Entladungsrohr nach der Erfindung kann
daher
beispielsweise mit Vorteil als Quelle positiver Ionen verwendet werden.
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Bei dem Entladungsrohr nach der Erfindung wird also durch ein primäres
Elektron ein verhältnismäßig großer Strom erzeugt, da es nicht nur selbst mehrfach
Gas- oder Dampfmoleküle ionisieren kann, sondern darüber hinaus auch die bei diesen
Prozessen gebildeten Sekundärelektronen sowie die beim Auftreffen der positiven
Ionen auf die Verzögerungselektroden gebildeten Sekundärelektronen ebenfalls mehrfach
ionisieren, sofern das Magnetfeld entsprechend der Ungleichung gewählt wird, also
so groß ist, daß der größere Teil der Elektronen nicht auf die Beschleunigungselektroden
auftrifft, sondern ihre Öffnung passiert.
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Die Anordnung kann auch mit nur einer Beschleutigungselektrode und
nur einer Verzögerungselektrode betrieben werden. Zur Vereinfachung der Darstellung
wird im folgenden - nur dieser Fall erläutert. Die Überlegungen gelten jedoch entsprechend
für Anordnungen mit mehreren Beschleunigungs-oder Verzögerungselektroden.
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Befindet sich die Verzögerungselektrode auf einem negativen Potential
gegenüber der Elektronenquelle; so können die Primärelektronen die Verzögerungselektrode
nicht erreichen. Sie werden zurückgeworfen und können, falls sie auf ihrem Weg keine
Zusammenstöße erlitten haben, unter Umständen die Elektronenquelle erreichen. Haben
sie aber Zusammenstöße erlitten, so können sie die Elektronenquelle keinesfalls
erreichen. Sie pendeln dann im Beschleunigungs- und Verzögerungsraum so lange hin
und her, bis sie schließlich auf die Beschleunigungselektrode auftreffen. Sie. werden
also in diesem Fall einen sehr großen Weg bis zum Auftreffen auf die Beschleunigungselektrode
-zurücklegen. ' Befindet sich jedoch die Verzögerungselektrode auf positivem Potential
gegenüber der Elektronenquelle, so können die Primärelektronen die Verzögerungselektrode
unter Umständen erreichen, falls sie noch keinen Zusammenstoß erlitten haben. Haben
sie jedoch einen Zusammenstoß erlitten, so werden sie zurückgeworfen und werden,
da sie die Elektronenquelle keinesfalls erreichen können, im Beschleunigungs- und
Verzögerungsraum so lange hin und her pendeln, bis sie schließlich auf die Beschleunigungselektrode
auftreffen. Wenn also die Verzögerungselektrode sich auf einem positiven Potential
gegenüber der Elektronenquelle befindet, so werden weniger Primärelektronen zum
Pendeln kommen als bei einer auf negativem Potential befindlichen Verzögerungselektrode.
Die Verwendung einer auf positivem Potential befindlichen Verzögerungselektrode
bietet jedoch unter Umständen, wie sich aus dem Folgenden ergeben wird, trotz dieser
Tatsache Vorteile.
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Die Sekundärelektronen, die durch die positiven Ionen aus der Verzögerungselektrode
ausgelöst -werden, werden bei positivem Potential der Verzögerungselektrode zur
Elektronenquelle hin beschleunigt, sie können sie jedoch nicht erreichen. Sie pendeln
gerade so wie die Primärelektronen im Beschleunigungs-und Verzögerungsraum hin und
her, bis sie schließlich auf die Beschleunigungselektrode auftreffen. Auf diesem
verhältnismäßig langen Weg finden zahlreiche Zusammenstöße mit Molekülen der Gas-
oder Dampffüllung statt, bei denen abermals positive Ionen und Elektronen gebildet
werden, die sich ihrerseits an dem Pendelvorgang beteiligen. Der durch das Auffangen
eines Teiles der Primärelektronen durch die Verzögerungselektrode bei positivem
Potential derselben eintretende Verlust an pendelnden Elektronen wird bei passender
Wahl des positiven Potentials weit aufgewogen durch die Wirkung der Sekundärelektronen,
die infolge des positiven Potentials der Verzögerungselektrode nicht auf die Elektronenquelle
zurückfallen können.
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Befindet sich jedoch die Verzögerungselektrode auf negativem Potential
Oder auf dem gleichen Potential wie die Elektronenquelle, so. können die Sekundärelektronen
schon an der Elektronenquelle ausgeschieden werden, so daß nur ein kleinerer Teil
von ihnen zum Pendeln kommt. Die Ausbeute ist also in diesem Fall geringer. Da jedoch
der aus der Verzögerungselektrode - ausgelöste Sekundärelektronenstrom einen großen
Teil des gesamten Elektronenstromes ausmacht, ist es zur Erzielung einer hohen Verstärkung
zweckmäßig, dafür Sorge zu trägen, daß diese Sekundärelektronen möglichst weitgehend
am Pendelvorgang beteiligt werden.
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Das Potential der Verzögerungselektrode wird in der Regel nur etwa
r bis a Volt höher als das Potential der Elektronenquelle gewählt. Ist das Potential
stark positiv, beispielsweise -i- 30 Volt, so tritt wieder eine Abnähme der
Wirkung ein, da ein zu großer Teil der Primärelektronen vorzeitig aus dem Pendelvorgang
ausgeschieden wird.
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Zur Erzielung einer möglichst intensiven Sekundärelektronenemission
aus der Verzögerungselektrode wird diese zum mindesten an der von den positiven
Ionen getroffenen Stelle vorzugsweise aus einem unter dem Aufprall positiver Ionen
stark Elektronen emittierenden Werkstoff, beispielsweise Aluminium, Magnesium oder
Beryllium, hergestellt. Es kommen auch andere Werkstoffe für die Verzögerungselektrode
in Frage, die diese Eigenschaft haben. Man wird jedoch solche Werkstoffe
bevorzugen.
die unter dem Einfluß der auftreffenden Ionen nur schwach zerstäuben oder verdampfen.
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Die Füllung des Entladungsrohres besteht, falls es als Ionenquelle
verwendet -,werden soll, aus dem Gas oder Dampf (Grundgas), dessen Ionen erzeugt
werden sollen. Es ist jedoch unter Umständen vorteilhaft, diesem Gas noch ein weiteres
hinzuzufügen, das die Elektronen stärker streut und/oder den Elektronen durch unelastische
Zusammenstöße häufiger Energie entzieht als das Grundgas. Handelt es sieh beispielsweise
darum, Ionen von H., Dz, He oder eines anderen elementaren Gases zu bilden. so wird
man mit Vorteil als Zusatzfüllung mehratomige Gase, beispielsweise Benzol, oder
Edelgase hohen Atomgewichts, beispielsweise Xenon. verwenden. Durch das Zusatzgas
wird erreicht, daß ein kleinerer Anteil der Primärelektronen auf die Verzögerungselektrode
oder die Elektronenquelle auftrifft. Dies hat seinen Grund darin, daß das Zusatzgas
die Elektronen stärker streut bzw. ihnen häufiger Energie entzieht als das Grundgas.
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Als Elektronenquelle kann eine Glühkathode oder eine Photokathode
oder eine Sekundärelektronenkathode verwendet werden. Die zuletzt genannte Kathode
kann mit Röntgenstrahlen oder Korpuskularstrahlen von der Seite des Entladungsraumes
oder von der abgewandten Seite her beschossen werden. Die aus der Elektronenquelle
austretenden Sekundärelektronen übernehmen in diesem Fall die Rolle der Primärelektronen
der v orhergehenden Betrachtungen.
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Die Felder werden bei der Anordnung nach der Erfindung zweckmäßig
so gerichtet, daß sie im wesentlichen parallel zur Hauptbewegungsrichtung der Elektronen
verlaufen. Unter Umständen ist es jedoch zweckmäßig, diese Bedingung vor der Elektronenquelle
nicht zu erfüllen. ;Ulan kann vielmehr durch eine seitliche Komponente der elektrischen
Kraftfelder vor der Elektronenquelle erreichen, daß die positiven Ionen nicht auf
den emittierenden Teil der Elektronenquelle, sondern auf andere Teile auftreffen.
Die positiven Ionen werden nämlich wegen ihrer geringeren Geschwindigkeit bedeutend
weniger als die Elektronen durch das Magnetfeld zusammengehalten. Die ungünstige
Wirkung, die diese besondere Feldausbildung auf das Zusammenhalten der Elektronen
ausübt. braucht daher nicht sehr groß zu sein. Der Vorteil dieser Anordnung ist,
daß die Elektronenquelle möglichst dagegen geschützt wird, daß positive Ionen auf
sie auftref"ten.
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Falls es in einem besonderen Fall erwünscht ist, die aus der Verzögerungselektrode
ausgelösten Sekundärelektronen an dem Entladungsvorgang nicht zu beteiligen, kann
vor dieser eine Elektrode, beispielsweise ein Gitter, auf negativem Potential gegenüber
der benachbarten Verzögerungselektrode vorgesehen werden. Durch dieses negativ aufgeladene
Gitter werden die aus der Verzögerungselektrode austretenden Sekundärelektronen
auf die Verzögerungselektrode zurückgeworfen, so daß sie sich an dem Entladungsvorgang
nicht beteiligen. Es ist selbstverständlich, die negativ aufgeladene Elektrode an
der Stelle, an der der Ionenstrahl der Primärelektronen hindurchtreten soll, mit
einer genügend großen öffnung zu versehen. Anderenfalls würden die Ionen auf diese
negativ geladene Elektrode fliegen.
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Soll die Anordnung nach der Erfindung als Ionenquelle benutzt werden,
so wird die Verzögerungselektrode mit einer zentralen öffnung versehen, auf die
der Primärelektronenstrahl und der Strahl positiver Ionen gerichtet ist.
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Die Anordnung nach der Erfindung kann auch als Elektronenverstärker
Verwendung finden. Besteht beispielsweise die Elektronenquelle aus einer von außen
belichteten Photokathode oder wird sie, wie bereits erwähnt, durch Röntgenstrahlen
oder Korpuskularstrahlen zur Sekundäremission erregt, so wird durch den geschilderten
Pendelvorgang der Primär- und Sekundärelektronen eine Verstärkung des primär ausgelösten
Elektronenstromes eintreten.
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Da die Wahrscheinlichkeit dafür, daß die Primärelektronen auf ihrem
ersten Wege mit Gasmolekülen zusammenstoßen, vom Druck abhängt. kann die Anordnung
nach der Erfindung auch als Druckmesser verwendet werden. Der resultierende Strom
steht in einer eindeutigen Beziehung zu dem Druck. Er ist selbstverständlich abhängig
von der Art des Gases, so daß für jede Gasart und jedes Gasgemisch besonders geeicht
werden muß. Für viele Anwendungszwecke ist jedoch dies ohne Bedeutung. Wegen der
sehr hohen Verstärkung ist die Entladungsröhre nach der Erfindung besonders geeignet
zum Messen sehr geringer Drucke. Die Ausbeute und damit der Verstärkungsfaktor hängen
sehr stark von den benutzten Beschleunigungs- und Verzögerungsspannungen ab. Bei
kleiner Primärintensität steigt der Verstärkungsfaktor mit zunehmender Spannung
sehr stark an. Es wird jedoch schließlich eine Sättigung erreicht.
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Das Entladungsrohr nach der Erfindung wirkt. sofern an die Beschleunigungselektrode
ein gegenüber der Elektronenquelle wechselndes Potential gelegt wird. als Gleichrichter.
Vor den bekannten Gleichrichtern zeichnet sich das Entladungsrohr nach der Erfindung
dadurch
aus, daß' -bei gleicher Strombelastung ein bedeutend geringerer primärer Elektronenstrorn
erforderlich ist. Die Durchschlagsfestigkeit des Entladungsrohres in. der Sperrrichtung
ist höher als bei den gasgefüllten Entladungsröhren der bekannten Bauart, da der
Gasdruck wegen des Pendelvorganges ganz bedeutend niedriger gewählt werden kann,
ohne daß ein Mangel an Ionen eintritt. In der Sperrichtung findet ein Pendelvorgang
nicht statt, da die positiven Ionen nicht pendeln. Sie werden nämlich, wie bereits-
auseinandergesetzt wurde, durch das-Magnetfeld nicht zusammengehalten, so daß sie
.sehr schnell auf eine Elektrode auftreffen. Es findet also eine sehr rasche Entionisierung
statt.
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Aus der Elektronenquelle r (Fig. i) treten die Elektronen in den Beschleunigungsraum
:2 ein, Durch das Feld der auf positivem Potential gegenüber der Elektronenquelle
befindlichen Beschleunigungselektrode 3 werden sie beschleunigt. Sie durchlaufen
die Öffnung q. dieser Elektrode und treten in den Verzögerungsraum 5 ein. Durch
die auf positivem oder negativem Potential befindliche Verzögerungselektrode 6 werden
sie =in -der -geschilderten Weise abgebremst und unter Umständen zurückgeworfen,
so daß sie in den Räumen-2 und 5 hin und her pendeln, sofern das durch die Pfeile
angedeutete Magnetfeld entsprechend der genannten Ungleichung gewählt ist.
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Es können auch, wie Fig. 2 zeigt, mehrere Beschleunigungselektroden
3 und 7 und/oder mehrere Verzögerungselektroden 8, 8', 6' zur Anwendung gelangen,
falls eine Unterteilung des Beschleuniggungs- und/oder des Verzögerungsraumes im
Hinblick auf die benutzten Spannungen und den Druck der Gasfüllung wünschenswert
erscheint. Es ist auf diese Weise außerdem möglich, das Feld homogener zu gestalten
als mit nur je einer Beschleunigungs- und Verzögerungselektrode. Diese Unterteilung
spielt besonders für den Verzögerungsraum eine große Rolle, der eine wesentlich
größere Ausdehnung hat als der Beschleunigungsraum.
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Falls die Anordnung nach der Erfindung als Ionenquelle verwendet werden
soll; wird auch die letzte Verzögerungselektrode 9, wie in Fig. 3 angedeutet ist,
mit einer zentralen Öffnung io zum Durchtritt des Ionenstrahles versehen.
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Fig. q. zeigt eine Ausführungsform der Entladungsröhre nach der Erfindung,
bei der die Elektronenquelle i durch den etwa auf ihrem Potential befindlichen Zylinder
i i gegen den Aufprall positiver Ionen möglichst geschützt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Beschleunigungselektrode zudem mit einem rohrförmigen Ansatz 1.2 versehen,
der sich auf dem gleichen Potential befindet wie die Beschleunigungselektrode und
eine Konzentrierung des Ionenstrahles bewirkt. Auf diese Weise läßt sich eine Verstärkung
des durch die Öffnung io in der Elektrode 9 austretenden Ionenstromes erreichen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach- Fig. 5 ist vor der Verzögerungselektrode
9 ein Gitter 13 vorgesehen, das sich gegenüber der Elektrode 9 auf negativem Potential
-befindet und gegenüber der Öffnung io der Verzögerungselektrode ebenfalls eine
Öffnung 1-4 .- zum Durchtritt des Ionenstrahles aufweist. Dieses Gitter
13 wirft die aus der Verzögerüngselektrode 9- ausgelösten Sekundärelektronen
auf die Verzögerungselektrode g zurück.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. i ist zur Erzeugung des Magnetfeldes
ein ferromagnetischer Körper 15 vorgesehen, der durch eine Magnetspule 16
erregt wird und bei genügend großem Querschnitt der Polschuhe ein homogenes, parallel
zur Hauptbewegungsrichtung der Elektronen gerichtetes Magnetfeld erzeugt. Bei dieser
Anordnung kommt man mit geringeren Leistungen für die Er-, regung -des-Feldes
aus als bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform, bei der zur Erzeugung des
Magnetfeldes eine die Entladungsröhre koaxial umgebende, in der Figur nur symbolisch
dargestellte Magnetspule 17 verwendet wird.
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Die Begrenzung des Vakuumraumes ist in den Fig. i, 2 und q. durch
die gestrichelte Linie angedeutet.