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Anordnung zum Anregen, Verstärken und Empfang von elektromagnetischen
Hohlrohrwellen unter Anwendung von einem oder mehreren Elektronenstrahlen, die in
den Feldraum eines Hohlrohres eingeschossen werden Zur Fortleitung von ultrakurzen
Wellen ist es bekannt, statt symmetrischen oder koaxialen Leitungen sogenannte Hohlrohrleitungen
zu verwenden, die im wesentlichen aus einem Metallrohr bestehen. In diesen Leitungen
bilden sich dann die verschiedenen bekannten Formen von Schwingungen aus, die sich
durch die Verteilung der elektrischen und magnetischen Felder im Innern des Hohlrohres
unterscheiden (E-Welle und H-Welle). Die Anregung derartiger Hohlrohrleitungen geschah
bisher meist unter Verwendung von antennenartigen Gebilden, deren Form je nach der
Form der anzuregenden Wellen verschieden war und im einfachsten Fall aus einem stab-
oder ringförmigen Leiter bestand. Auch die Auskopp-Jung der Energie aus dem Hohlrohrfeld
kann durch derartige Gebilde bewirkt werden.
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Ferner ist bekannt, zum Anregen bzw. Empfang der Hohlrohrschwingungen
einen Elektronenstrahl derart in Hohlräume oder Hohlrohrleitungen hineinzuschicken,
daB ein Energieaustausch mit dem Hohlraum- bzw. Hohlrohrwechselfeld stattfindet.
Besondere Anregungs- bzw. Auskoppelelektroden im Innern der Hohlrohrleitungen, die
den Feldverlauf stören würden, können dabei völlig in Fortfall kommen. Vielmehr
werden die Bahnen des Elektronenstrahles, die zur Anregung der gewünschten Wellen
günstig sind, bei den bekannten Anordnungen lediglich durch die Anfangsgeschwindigkeit
des Kathodenstrahles, zweckmäßig jedoch
gleichzeitig"dutc4 glekt.rische
oder- magnetische Felder bestimmt, die entweder durch die Wandung der Rohrleitung
oder außerhalb der Rohrleitung erzeugt werden.
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Die Erfindung beruht "im -wesentlichen darauf, daß die Elektronen
des Kathodenstrahles mit dem elektrischen' Feld der Hohlrohrschwingungen - in' Energieaustausch.'treten.
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Gemäß der Erfindung wird nun der Energieaustausch dadurch möglichst
wirkungsvoll gemacht, daß man den Elektronenstrahl in axialer Richtung der Hohlrohrwellen
durch das Hohlrohr führt und den Elektronenstrahl einen oder mehrere Feldbereiche
von je einer halben Hohlrohrwelle durchlaufen läßt. Die dem Elektronens(rahl durch-
Bremsung in dem elektromagnetischen Feld entzogene Energie kann man diesem durch
zusätzliche.Gleich-. felder, die in Richtung des Elektronenstrahles vorgesehen sind,
wieder zufühfen.' Durch Veränderung der elektrischen oder magnetischen Hilfsfelder
oder der Kathodenemission kann man außerdem den Elektronenstrahl und somit die im
Hohlrohr befindliche elektromagnetische Welle modulieren. Die Hohlrohrleitungen
brauchen bei der .Erfindung nicht unbedingt zur Energiefortleitung zu dienen, sondern
sie können.auch wegen der geringen Verluste besonders vorteilhaft als Schwinggebilde
für sehr kurze Wellen ausgenutzt werden. Hierbei kann .die räumliche Ausdehnung,
insbesondere die Länge der Hohlrohrleitung, bis herab: in den Bereich einer Wellenlänge
und darunter gewählt werden, so daß sich außerordentlich kurze Schwinggebilde ergeben.
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Die Erfindung. ist nicht auf bestimmte Eintrittsrichtungen des Kathodenstrahles
beschränkt. Es kann neben der axialen. Komponente der Strahlgeschwindigkeit auch
eine quer zur Achse der Hohlrohrleitung :: liegende. ..Komponente zur Anregung ausgenutzt
werden. Auch -kann die Anregung mehrfach, d. h. unter Verwendung mehrerer verschiedener
Elektronenemissionsquellen an verschiedenen Stellen der Hohlrohrleitung stattfinden,
Wobei unter Umständen , sogar entgegengesetzt fließende Elektronenströmüngeri verwendet
werden können.
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Die Erfindung sei an Hand einer Reihe von Ausführungsbeispielen erläutert,
dieeinigeverschiedene Möglichkeiten der Durchführung .des allgemeinen Erfindungsgedankens
betreffen, ohne daß dadurch eine Beschränkung vorgenommen werden soll.
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' 'Die ebb: r zeigt eine Hohlrohrleitung H, die an ihrem linken Ende
mit einer Eintrittsblende Bi für den Kathodenstrahl versehen ist. Hinter dieser
Blende ist - eine Elelttronenemissionsquelle K zusammen' mit bekannten Bündelungseinrichtungen
zur Ausbildung einer gerichteten Elektronenströmung angeordnet.' Bei der Anordnung
sollen z. B. die, bekannten E.-Wellen angeregt werden. Bei diesen Wellen entsteht
eine räumliche Feldverteilung im Innern .der Hohlrohrleitung, wie sie durch die
elektrischen Kraftlinien in Abb. i angedeutet ist.. Kathödenstrahl mit diesen Wechselfeldern
in Wechselwirkung tritt, und zwar so, daß er,. an die> Felder Energie abgibt,
so verringert siech selbstverständlich seine Gesohwii@'igkeit, Um trotzdem eine
weitere Energieabgabe zu ermöglichen, ist die Hohlrohrleitung, wie dargestellt,
in einzelne. Rohrabschnitte unterteilt, die galvanisch voneinander getrennt, für
die Hochfrequenz jedoch durch Flansche F kapazitiv kurz-'geschlossen sind. An die
einzelnen Rohrteile können,. wie dargestellt, aufeinanderfolgend steigende, in anderen
Fällen eventuell auch fallende Gleichspannungen angelegt werden, so daß die Elektronenstrahlen
wieder auf die für den Energieaustausch günstigste Geschwindigkeit gebracht werden.
Die Unterteilung ist an sich an beliebigen Stellen durchführbar und nicht auf die
dargestellte Art beschränkt. Außerdem kann die Nachbeschleunigung der Elektronen
bei sämtlichen Ausführungsbeispielen. der.. Erfindung statt durch Unterteilung auch
dadurch erzielt werden, daß das Rohr aus Widerstandsmaterial, z: B: in Halbleitermaterial
eingepreßtes Metallpulver, wie Silber, hergestellt ist, an dem ein die Elektronen
beschleunigender Spannungsabfall erzeugt wird.
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Der Durchmesser und die Länge des Rohres in Abb. i bestimmen die Feldverteilung
für die E.-Welle. An dem der Kathode gegenüberliegenden Ende der Rohrleitung ist
eine Austrittsblende-Be für den Kathodenstrahl angebracht. Der Strahl geht durch
diese Blende hindurch und gelangt in ein Auskoppelsystem A, das mit einem
Nutzkreis N
verbunden sein kann. Dieses Auskoppelsystem besteht in dem dargestellten
Beispiel aus zwei Blenden und einer zwischen diesen Blenden angeordneten Ringelektrode.
Nach Durchlaufen der Auskoppelanordnung trifft der Strahl auf die Auffangelektrode
G auf.
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Selbstverständlich kann statt der hinter der Hohlrohrleitung liegenden
Anordnung AG eine beliebige andere Anordnung zur Auskopplung und zum Auffangen
des Strahles vorgesehen sein. Die Wirkungsweise der Anordnung in Abb. i sei an Hand
der Abb.2 näher erläutert. Hier ist die Feldverteilung einer E.-Welle in einer Hohlrohrleitung
dargestellt, die zur Zeit t --_ ti die eingezeichnete Form besitzen soll.
Mit E sind die elektrischen, mit H die magnetischen Feldlinien bezeichnet. Es entstehen
in bekannter Weise Feldlinienbezirke I und II, in welchen die Felder gegenphasig
verlaufen. Diese Felder können nun bremsend oder beschleunigend auf einen Elektronenstrahl,
der längs der Ausbreitungsrichtung der Hohlrohrwellen verläuft, einwirken. Auf diese
Weise werden die Elektronen, die als ein 'kontinuierlicher Strahl von der Kathode
ausgehen, durch das Feld der Hohlrohrleitung zeitlich in ihrer Geschwindigkeit bzw.
Dichte moduliert (geordnet), wobei ein Energieaustausch mit dem Feld stattfindet.
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Es ergibt sich demnach, daß eine zeitlich konstant von einer Kathode
ausgehende Elektronenströmung beim Durchlaufen der Schwingungsfelder einer Hohlrohrleitung
bei geeigneter Wahl und Aufrechterhaltung ihrer Geschwindigkeit in ihrer Dichteverteilung
moduliert, d. h. geordnet wird und so
für die Zwecke der Erfindung
ausgenutzt werden kann. Der stabile Zustand kann sich dabei von selbst einstellen,
da die zu labilen Zuständen führenden falschphasigen Elektronen sofort aussortiert
werden. Diese kurzen theoretischen Darlegungen beziehen sich in keiner Weise nur
auf die Anordnung der Abb. i, sondern gelten für jede Wechselwirkung zwischen einem
Elektronenstrahl und einem Schwingungsfeld innerhalb der Hohlrohrleitung. Es ist
lediglich Sorge dafür zu tragen, daß die Elektronenbahnen so geformt sind, daß die
gewünschte Feldverteilung durch die Ladungsbewegungen angefacht oder ausgenutzt
werden kann. Die theoretisch günstigsten Verhältnisse für den Energieaustausch liegen
vor, wenn ein Elektron die Länge eines Feldbezirkes während einer möglichst geringen
Zahl von Halbperioden der Hohlrohr-:chwingungen durchläuft, d. h. bei möglichst
hohen Elektronengeschwindigkeiten. Für den optimalen Fall müßte die Elektronengeschwindigkeit
dann etwa ebenso groß wie die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle selbst sein.
Mit größer werdender Zahl der Halbperioden, die während des Durchlaufens eines Elektrons
durch die Länge eines Feldbezirkes verstreichen, wird der prozentuale Energieaustausch
immer geringer.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Abb.3. Hier ist mit L1 eine
Hohlrohrleitung bezeichnet, an deren Ende ein Kathodenstrahl K so eingeschossen
wird, daß er durch die von links kommenden Hohlrohrwellen moduliert wird. Die den
Kathodenstrahl erzeugende Kathode befindet sich, wie dargestellt, außerhalb der
Leitung, und die Elektronen werden mittels eines äußeren Magneten N in die richtige
Bahn gelenkt. Der Modulationsteil M entspricht genau dem mittleren Teil der Abb.
i und braucht daher nicht näher erläutert zu werden. Selbstverständlich können zusätzliche
Fokussierungsmittel angebracht werden. Der in seiner Geschwindigkeit modulierte
Elektronenstrahl tritt aus M aus und gelangt in den Leitungsteil L, dessen Durchmesser
von dem Durchmesser der Leitung L, so verschieden gewählt ist, daß sich in diesem
keine Schwingungen der in der Leitung L1 auftretenden Frequenz fortpflanzen können.
Dieser Leitungsteil L dient dazu, eine in der Modulationskammer erzeugte Geschwindigkeitsmodulation
in eine ausgeprägte Dichteverteilung mit stark konzentrierten Ladungszentren umzuwandeln.
Der so dichtemodulierte Strahl tritt in die Leitung L2 ein und erzeugt in dieser
eine Hohlrohrschwingung, die sich in L2 fortpflanzt. Die Anordnung der Abb.3 ist
also besonders als Zwischenverstärker im Zuge einer langen Hohlrohrleitung geeignet.
Eine ähnliche Anordnung stellt Abb. 3 a dar. Hier tritt an Stelle des Leitungsteiles
L ein Leitungsstück F, in dem der Elektronenstrahl durch ein Bremsfeld so verlangsamt
wird, daß in ihm ebenfalls kein Energieaustausch stattfindet, was bei der Anordnung
nach Abb. 3 durch Unterdrückung der Hohlrohrwelle erreicht wurde. Die Welle kann
hier jedoch ungehindert, von L nach L2 durchlaufen und wird lediglich verstärkt.
Die Anordnungen in den Abb. 3 und 3 a sind selbstverständlich nicht auf die Anwendung
als Zwischenverstärker beschränkt, vielmehr kann der Leitungsteil L, auch wegbleiben
und der Modulationsteil M lediglich als Generator für geschwindigkeitsmodulierte
Elektronenstrahlen dienen, die dann den Leitungsteil L2 anregen.
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In Abb.4 ist die Anwendung des Erfindungsgedankens zum Empfang von
E.-Wellen dargestellt. Ähnlich wie in Abb.3 wird ein von der Kathode kommender Elektronenstrahl
moduliert. Dieser Strahl tritt durch eine Blende B hindurch und gelangt in ein Bremsfeld
zwischen der Nutzelektrode N und dem die Blende enthaltenden Abschluß der Rohrleitung.
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Ist die von der Leitung L herkommende Welle durch eine Nachricht moduliert;
so wirkt sich diese Modulation im Elektronenstrahl als Verteilung der Elektronen
auf größere und kleinere Geschwindigkeiten aus. Dementsprechend können mehr oder
weniger Elektronen das Bremsfeld zwischen B undN überwinden und auf die Nutzelektrode
N auftreffen. Dadurch fließt im Stromkreis der Nutzelektrode N ein im Takt der übertragenen
Nachricht schwankender Gleichstrom. Die nicht zur Nutzelektrode N gelangenden Elektronen
kehren, wie gestrichelt angedeutet, auf den Abschluß der Hohlrohrleitung zurück.
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Insbesondere ist die dargestellte Anordnung zur Mehrfachnachrichtenübertragung
mit Zwischenträgerwellen zu benutzen. Der Träger kann dabei, wie dargestellt, mittels
eines Hochfrequenzkreises aus dem Nutzkreis ausgekoppelt werden.
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Bisher handelte es sich um den für die Anwendung des Erfindungsgedankens
einfachsten Fall einer E.-Welle. Sollen dagegen andere Wellen angeregt werden, wie
z. B. die Ei Welle, so kann die,Anregung so erfolgen, daß der Elektronenstrahl nicht
in die Achse des Hohlrohres eingeschossen wird, sondern seitlich dazu.
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In Abb. 5 a, 5 b und 5 c sind weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Hier wird der Elektronenstrahl durch Anbringung äußerer magnetischer
und/oder elektrischer Querfelder in den gewünschten Bahnen längs der Hohlrohrwellen
geführt. Außerdem kann zusätzlich ein in der Laufrichtung verlaufendes konstantes
elektrisches Hilfsfeld von außen angelegt werden. Das senkrecht zum elektrischen
Hilfsfeld erforderliche magnetische Hilfsfeld wird gemäß Abb. 5 c durch einen äußeren
Magneten NS erzeugt. Statt auf die an Hand der Abb. 5 a dargestellte Weise kann
die Anregung auch nach Art der Abb. 5 b vorgenommen werden. Hierzu sind wiederum
magnetische und elektrische Querfelder notwendig, jedoch wird der Kathodenstrahl
nicht in Richtung der Rohrleitung, sondern senkrecht dazu eingeschossen und dann
erst umgelenkt. Bei beiden Anordnungen (Abb. 5 a und 513) werden jeweils
sowohl die in Richtung der Röhrachse liegenden Bahnteile des Elektronenstromes als
auch die Schleifenteile zum Energieaustausch mit dem elektrischen Feld der Rohrleitung
ausgenutzt.
Anordnungen nach Abb. 5 a können sowohl mit El- als
auch HI-Wellen angeregt werden. Hierbei wird vorzugsweise ein flacher, bandförmiger
Elektronenstrahl verwendet, der das Hohlrohr in Zykloiden durchläuft. Höhere Ordnungen
der E- und H-Wellen können entsprechend den bisher angeführten Beispielen ebenfalls
durch geradlinig oder auf Zykloidenbahnen geführte Elektronenstrahlen angeregt werden,
wobei im Fall von H-Wellen außer der axialen Geschwindigkeitskomponente des Elektronenstrahles
auch eine quer dazu stehende benutzt werden kann.
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An Hand der Abb.6 sei die Anregung einer Ho-Welle beschrieben. Die
Feldverteilung innerhalb der Leitung L ist mit H bzw. E bezeichnet.
Um die Elektronen in Wechselwirkung mit den elektrischen Kraftlinien E zu bringen,
können sie, wie dargestellt, eine schraubenlinienförmig verlaufende Bahn um die
Achse der Hohlrohrleitung herum beschreiben. Zu diesem Zweck wird der Elektronenstrahl
K schräg durch eine Blende B hindurch in die Leitung L eingeschossen.
Die schraubenlinienförmige Bahn wird durch eine äußere Magnetfeldspule Sp hervorgerufen.
Der Elektronenstrahl besitzt infolge des schrägen Einschusses eine axiale Geschwindigkeitskomponente
v" und eine senkrecht dazu stehende Geschwindigkeitskomponente vy. Es ist v" so
zu wählen, wie sich auf Grund des an Hand der Abb. i und z erläuterten Prinzips
ergibt. Bei der Anordnung nach Abb. 6 kann es außerdem vorteilhaft sein, das magnetische
Feld über seine ganze Länge nicht gleichmäßig, sondern stufenweise oder stetig abnehmend
zu gestalten. Hierdurch wird. der langsamen Geschwindigkeitsänderung der Elektronen
Rechnung getragen. Hat der Elektronenstrahl genügend Energie aus dem Feld aufgenommen
oder an das Feld abgegeben, so kann er, wie in Abb.6 dargestellt, auf die Wandung
der Hohlröhrleitung L auftreffen, die zu diesem Zweck geeignet vorzuspannen ist.
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Selbstverständlich können auch andere H-Wellen in Anordnung gemäß
Abb.6 angeregt werden, da für jede Welle nicht nur eine einzige Anregungsart möglich
ist. Welche Anregungsart zu wählen ist, ergibt sich aus den verschiedenen an die
konstanten Hilfsfelder, die Eintrittsgeschwindigkeit des Strahles usw. zci stellenden
Bedingungen.
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Abb. 7 zeigt eine Röhrenanordnung des an Hand der Abb. i erläuterten
Prinzips. Innerhalb des Glaskolbens G befindet sich eine Kathode K mit zugehörigen
Fokussierungs- und Bündelungsmitteln (Elektronenkanone). Aus ihr gelangt der Kathodenstrahl
in ein Hohlrohrleitersystem gemäß Abb. i und wird in diesem System in seiner Geschwindigkeit
bzw. Dichte moduliert. Aus dem Rohrsystem L austretend, gelangt der Strahl in ein
Auskoppelsystem S und, nachdem er dieses durchlaufen hat, auf eine Nutzelektrode
A. Das Auskoppelsystem S
dient zur Abnahme einer Rückkoppelspannung,
die über die koaxiale Leitung R dem Wehneltzylinder der Elektronenkanone zugeführt
wird. Die endgültige Nutzspannung kann aus dem Nutzkreis N entnommen werden. In
diesem Fall dient das Hohlraumsystem lediglich zur Dichtemodulation des Elektronenstrahles,
während die eigentliche Schwingungserzeugung durch Rückkopplung vor sich geht bzw.
unterstützt werden kann. Dadurch ist es auch bei kürzesten Wellen möglich, eine
Rückkopplung durchzuführen.
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Die Abb. 8 zeigt schließlich ein weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung,
bei der der Kathodenstrahl in ein Hohlrohrleitungsstück L i eintritt, in welchem
durch die Fremdsteuerspannung F schon Schwingungen bestehen, die mittels geeigneter
Formung und Unterteilung der Abschlußplatte P1 angeregt werden. Der in dem System
Li leistungslos dichtemodulierte Kathodenstrahl tritt nach Durchlaufen einer Schirmelektrode
S in ein zweites Hohlrohrleitungsstück L2 ein und regt dieses zweite Leitungsstück
zu Schwingungen an. Wenn Durchmesser und Länge in geeignetem Verhältnis zu dem des
ersten Leitungsstückes stehen, kann eine Frequenzvervielfachung oder Teilung in
der Weise erzielt werden, daß der in Li im Takt der Frequenz F dichtemodulierte
Elektronenstrahl ein Vielfaches bzw. eine Subharmonische der Frequenz in der Leitung
L2 anregt. Bei gleicher Frequenz der Leitungen Li, L2 tritt lediglich ein Verstärkungseffekt
mit Festkopplung von Nutz- und Steuersystem auf. Die Nutzschwingungen können von
einer weiteren geeignet unterteilten Abschlußplatte P2 des Systems L2 abgenommen
werden.
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Eine Modulation der auf die beschriebene Weise erzeugten Hohlrohrschwingungen
kann z. B. in einfachster Weise durch Beeinflussung der Nachbeschleunigungsfelder
der Elektronen erzielt werden. Eine andere Möglichkeit besteht in der Beeinflussung
der äußeren Hilfsmagnetfelder, wie sie bei einigen der beschriebenen Ausführungsbeispiele
Verwendung finden. Selbstverständlich kann die Modulation auch auf bekannte Weise
durch Änderung der Kathodenemission u. dgl. durchgeführt werden.
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In der bisherigen Beschreibung wurde an keiner Stelle eine Unterscheidung
zwischen stehenden und fortschreitenden Hahlrohrschwingungen gemacht, da die Anregung
beider Vorgänge in gleicher Weise erfolgen kann und bezüglich des Energieaustausches
des Schwingungsfeldes mit einem Elektronenstrahl keine wesentlichen Unterschiede
auftreten. Stehende Wellen sind stets dann vorhanden, wenn die Rohrleitung durch
irgendeine Abschlußplatte abgeschlossen ist, d. h. wenn keine Anpassung herrscht.
Fortschreitende Wellen lassen sich dagegen am Anfang .einer langen Leitung erzeugen,
wenn die eventuellen Reflexionseigenschaften des fernen Endes nur noch wenig in
Erscheinung treten. Handelt es sich um solche Ausführungsbeispiele der Erfindung,
in denen lediglich Resonanzeigenschaften von Hohlrohrleitungsstücken ausgenutzt
werden, so sind die Hohlrohre in rein stehenden Wellen erregt. Bei einer Anordnung
nach Abb.3 wird sowohl die Wechselwirkung der Elektronen mit stehenden als auch
mit fortschreitenden Hohlrohrwellen ausgenutzt.
Schließlich sei
noch bemerkt, daß neben der bisher ausschließlich betrachteten elektrischen Komponente
des Schwingungsfeldes innerhalb der Hohlrohrleitung auch die magnetische Komponente
in den meisten Fällen wesentlich zur Fokussierung und phasenrichtigen Beeinflussung
der Dichtemodulation beiträgt, so daß schon bei relativ kurzen Leitungsstücken ein
Grad von Dichtemodulation erzielt wird, wie er mit den bisher bekannten Anordnungen
nur unter größtem Aufwand erreicht werden konnte.
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Außerdem bleibt die Dichtemodulation bei Anwendung des Erfindungsgedankens
nach Austritt des Elektronenstrahles aus dem Hohlrohrsystem erhalten, während sie
sich bei bekannten Anordnungen sehr bald zerstreut.
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Aus diesem Grunde stellt die Erfindung schon bei ihrer einfachsten
Ausführungsform, nämlich bei Verwendung eines Hohlrohrleitungsstückes lediglich
zur Erzielung einer Dichtemodulation, d. h. zur Impulsbildung, einen technischen
Fortschritt dar.