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Elektronen-Entladungsröhre zur Umwandlung eines optischen Bildes in
ein elektrisches Signal Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronen-Entladungsröhre,
insbesondere auf eine Bildaufnahmeröhre, in welcher ein optisches Bild in ein elektrisches
Signal umgewandelt wird.
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Dabei bezieht sich die Erfindung auf die Verbesserung einer Bild-Orthikon-Kameraröhre.
Eine derartige Röhre besitzt einen Bildteil, der eine Photokathode enthält, auf
welche das fernzuübertragende Bild projiziert wird. Die Photoelektronen der Photokathode
werden auf einem isolierten Auffangschirm abgebildet und erzeugen auf diesem ein
Ladungsbild, welches dem optischen Bild entspricht. Die andere Seite des Auffangschirmes,
d. h. der Auffangelektrode, wird mit einem Kathodenstrahl langsamer Geschwindigkeit
abgetastet, wodurch sowohl das Ladungsbild zum Verschwinden gebracht wird als auch
der reflektierte Teil des Kathodenstrahles zur Bildung eines Fernsehsignals moduliert
wird.
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Beim Betrieb der Bild-Orthikon-Aufnahmeröhre tritt eine Störung an
den hellen Bildstellen auf, die unter dem Namen ghost bekannt ist und die in einem
störenden Bild der Stellen hellster Belichtung auf dunklem Hintergrund besteht.
Solche störenden Bilder treten in der fernübertragenen Szene in der Nähe der betreffenden
hellen Bildstellen auf, und zwar in einem Abstand von ihnen, der von der Lage der
hellen Bildstellen im Originalbild und von den Betriebsverhältnissen des Bild-Orthikons
abhängt. Diese Bildstörung ist nur dann
erkennbar, wenn eine weiße
oder sehr helle Bildstelle vor einem sehr dunklen Hintergrund sehr stark belichtet
wird.
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Die Erfindung besteht in Einrichtungen zur Verhinderung des Auftretens
dieser speziellen Art von Bildstörung oder zur Verhinderung der übertragung dieser
Bildstörung bei Bild-Orthikon-Aufnahmeröhren. Beim Betrieb einer solchen Bildaufnahmeröhre
werden die Photoelektronen von der Kathode auf verhältnismäßig hohe Geschwindigkeiten
beschleunigt und treffen die isolierte Auffangelektrode mit genügend hoher Geschwindigkeit,
um eine Sekundärelektronenemission auf der Auffangelektrode zu erzeugen. Die Sekundärelektronen
haben verschiedene Geschwindigkeiten und treten zum Teil auf eine netzförmige Sammelelektrode
über, die einen geringen Abstand von der Auffangelektrode besitzt, oder werden auch
,auf andere positive Stellen der Auffangelektrode verteilt. Innerhalb des Bildteiles
der Aufnahmeröhre wird ein elektrostatisches Feld zwischen der photoelektrischen
Kathode und der Auffangelektrode erzeugt, um die Photoelektronen auf die Auffangelektrode
hin zu beschleunigen. Eine Spule, welche zwischen der Photokathode und der Auffangelektrode
des Bildteiles liegt, dient dabei zur Fokussierung der Photoelektronen auf die Auffangelektrode.
Es wurde festgestellt, daß wegen der Befestigungselemente der Auffangelektrode das
elektrostatische und das magnetische Feld unmittelbar vor der Auffangelektrode nicht
vollständig zusammenfallen. Die Sekundärelektronen, welche sich über die Auffangelektroden
verteilen, bestehen aus Elektronen hoher Geschwindigkeit und solchen geringer Geschwindigkeit.
Die Elektronen mit geringer Geschwindigkeit fallen hauptsächlich auf diejenigen
Stellen der Auffangelektrode zurück, auf denen sie :erzeugt wurden. Die Elektronen
hoher Geschwindigkeit treten jedoch im Gegensatz hierzu durch die Kollektorelektrodenöffnungen
hindurch und gelangen an eine Stelle, an welcher sie umkehren und auf die Auffangelektrode
zurückreflektiert werden. Es wurde festgestellt, daß die Elektronen hoher Geschwindigkeit
dabei nicht an ihren Ursprungsort zurückkehren, da das elektrostatische und das
magnetische Feld, wie erwähnt, nicht zusammenfallen. Die Elektronen hoher Geschwindigkeit
treffen somit auf eine andere Stelle der Auffangelektrode auf und geben Veranlassung
zu der Entstehung ,einer zusätzlichen Sekundärelektronenemission, welche eine störende
Aufladung der Auffangelektrodenfläche hervorruft, die zu der Entstehung eines unerwünschten
Signals im Röhrenausgang führt. Dieses Signal ist die Ursache für die sogenannten
ghosts, d. h. Störbilder in der fernübertragenen Szene.
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Ein Zweck der Erfindung besteht in Einrichtungen zur Verbesserung
es Betriebes von Bildaufnahmeröhren.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten
Elektronen-Entladungsröhre, in der ein optisches Bild in ein elektrisches Signal
verwandelt wird. Außerdem besteht ein Zweck der Erfindung in der Ausschaltung der
in einer Bildkameraröhre auftretenden Störbilder, und zwar durch Anbringung einer
zusätzlichen Netzelektrode im Bildteil einer Kameraröhre in unmittelbarer Nachbarschaft
der Auffangelektrode.
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Es konnte festgestellt werden, daß bei Vorhandensein einer solchen
zusätzlichen Netzelektrode in demjenigen Feldbereich, durch welchen die schnellen
Elektronen hindurchwandern, die magnetischen und elektrischen Felder zum Zusammenfallen
gebracht werden können, so daß die schnellen Elektronen bei ihrer Rückkehr auf den
Schirm, d. h. die Auffangelektrode, praktisch auf ihre Ausgangsstelle zurückkehren.
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Dementsprechend bezieht sich die Erfindung auf eine Elektronen-Entladungsröhre,
welche eine photoelektrische Kathode, eine isolierte Auffangfläche in einem Abstand
von der photoelektrischen Kathode, eine Beschleunigungselektrode zwischen dieser
Kathode und der Auffangfläche zur Aufrechterhaltung eines elektrostatischen Beschleunigungsfeldes
zwischen den beiden genannten Elektroden enthält, so daß die Photoelektronen von
der Kathode auf die Auffangelektrode übertreten müssen, wobei eine Magnetspule den
Raum zwischen der Photokathode und der Auffangelektrode umgibt, so daß ein eine
elektronenoptische Abbildung erzeugendes Feld zwischen beiden genannten Elektroden
aufrechterhalten wird, und wobei feiner eine Elektrode zwischen der erwähnten Auffangfläche
und der Photokathode vorhanden ist, um das elektrostatische und das magnetische
Feld zum Zusammenfallen zu bringen.
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Fig. i ist eine im Schnitt gezeichnete Längsansicht einer Bild-Orthikon-Kameraröhre
gemäß der Erfindung; Fig. a ist eine schematische Darstellung der durch die hell
beleuchteten Bildstellen einer Bild-Orthikonröhre hervorgebrachten Wirkungen, wie
sie ohne Benutzung der .erfindungsgemäßen Einrichtung auftreten; Fig.3 ist eine
schematische Darstellung der Wirkung einer hellen Beleuchtung einer Stelle auf der
Photokathode der Aufnahmeröhre.
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Fig. i zeigt eine Bild-Orthikon-Kameraröhre, die aus einem Röhrenkolben
io besteht, welcher an seinem Ende über eine gewisse Länge mit größerem Durchmesser
zur Aufnahme des Bildteiles ausgeführt ist. Am entgegengesetzten Ende des Röhrenkolbens
befindet sich ein Kathodenstrahlerzeuger 16, bestehend aus einem üblichen Heizfaden,
einer Kathode und einer Steuergitteranordnung, zur Erzeugung des Elektronenstrahles
1:4, wobei die Steuergitteranordnung nicht mit dargestellt ist. Eine zusätzliche
Beschleunigungselektrode 2o ist in Form eines Wandüberzuges auf der Innenwandung
des Röhrenkolbens vorhanden und dient zur Beschleunigung des Elektronenstrahles
14. auf die Auffangelektrode 18. Je zwei Spulensätze für die horizontale und für
die vertikale Ablenkung sind zu einem Ablenkjoch 21 zusammengefaßt, welches den
Röhrenkolben umgibt. Die Ablenkspulen erzeugen zueinander und zur Röhrenachse senkrecht
verlaufende Ablenkfelder. Dabei sind die Ablenkspulen in bekannter Weise an einen
Sägezahnstromgenerator
zur Erzeugung der Bildablen, kung und der
Zeilenablenkung des Elektronenstrahles 14 auf der Auffangelektrode 18 angeschlossen.
Eine derartige Ablenkeinrichtung ist bekannt, wird daher im folgenden nicht näher
beschrieben und stellt keinen Teil der Erfindung dar.
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Eine ringförmig ausgebildete Verzögerungselektrode 2z ist innerhalb
des Glaskolbens unmittelbar vor der Schirmelektrode, und zwar vor der abgetasteten
Seite derselben, ,angebracht. Das niedrige Potential der Verzögerungselektrode bremst
die Geschwindigkeit des Elektronenstrahles kurz vor der Auffangelektrodenfläche
praktisch bis auf Null ab. Außerhalb des Glaskolbens ist ferner eine- Spule 24 angebracht,
welche ein magnetisches Feld, dessen Kraftlinien parallel zur Röhrenachse verlaufen,
erzeugt, wobei diese Spule an der Stelle des Kathodenstrahlerzeugers beginnt und
bis über das andere Ende des Röhrenkolbens hinausreicht. Das Feld der Spule 24 bewirkt
eine Fokussierung der Elektronen des Strahles 14, so daß diese auf der Auffangelektrode
18 auf einen wohldefinierten Brennpunkt konzentriert werden.
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Am gegenüberliegenden Ende des Röhrenkolbens ist eine photoelektrische
Kathode 26 angebracht. Eine solche Photokathode wird durch eine sensibilisierte
Legierung von Silber und Wismut hergestellt.
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Zwei Beschleunigungselektroden 28 und 3o sind koaxial zum Röhrenkolben
in geringem Abstand von der Photokathode 26 angebracht. Diese Elektroden
bilden bzw. erzeugen ein beschleunigendes elektrostatisches Feld vor der Photokathode
26 und veranlassen die Photoelektronen, auf die Auffangelektrode 18 aufzutreffen.
Die Auffangelektrode ? 8 besteht aus einem Isolator, z. B. einem dünnen Glasfilm,
der eine gewisse geringe Leitfähigkeit besitzt, wie es in der USA.-Patentschrift
a 473 azo (Erfinder: Albert R b s e) beschrieben ist. Die Photoelektronen der Photokathode
z6 treffen auf die der Photokathode z6 gegenüberliegende Seite des Glasfilms i 8
auf und rufen eine Sekundärelektronenemission auf dem Glas hervor, welche größer
ist als die Anzahl der auffallenden Primärelektronen. Vor dem Glasfilm 18 befindet
sich in geringem Abstand eine feinmaschige Netzelektrode 34. Das Drahtnetz 34 dient
als Kollektorelektrode und verhindert es, daß die Glaselektrodenoberfläche sich
auf ein Potential, welches höher als dasjenige der Netzelektrode 34 ist, auflädt.
Der Glasfilm 18 ist innerhalb eines kurzen ringförmigen Zylinders 36 angebracht,
mit welchem auch die Netzelektrode 34 verbunden ist. Wie in Fig. i und z dargestellt,
ist der Ring 36 dabei an einem Innenflansch der Beschleunigungselektrode 3o befestigt.
Die Elektrode 3o und somit auch die Netzelektrode 34 erhalten ein Potential, das
mehrere Volt positiv gegenüber der Kathode des Elektronenstrahlerzeugers gehalten
ist.
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Die Röhre nach Fig. i arbeitet kurz gesagt folgendermaßen: Wenn die
Photokathode 26 nicht belichtet wird, tastet der Elektronenstrahl 14 die
Auffangelektrode ab, so daß ihre Oberfläche praktisch auf das Potential Null, d.
h. auf das Potential der Kathode des Elektronenstrahlerzeugers, gebracht wird. Wenn
ein Lichtbild auf der Photokathode 26
entsteht, werden von jeder beleuchteten
Stelle der Photokathode Photoelektronen emittiert, und zwar in einer der Beleuchtungsintensität
proportionalen Menge. Die Photoelektronen treffen auf die Oberfläche der isolierten
Auffangelektrode, d. h. auf den Glasfilm 18, auf und rufen eine Sekundärelektronenemission
hervor, welche die betreffenden Stellen der Elektrode 18 auf positives Potential
gegenüber dem Potential der Netzelektrode 34 bringen. Auf diese Weise wird auf der
Photokathodenseite des Glasfilms 18 ein Ladungsbild erzeugt, welches dem Lichtbild
auf der Photokathode 26 entspricht. Wegen der extrem geringen Dicke des Glasfilms
18 wird auch auf der anderen Seite dieses Films ein Ladungsbild hervorgerufen, welches
dem Ladungsbild auf der der Photokathodenseite zugewendeten Seite des Films 18 entspricht.
Dementsprechend ist also das Potential längs der abgetasteten Seite der Elektrode
18 von Punkt zu Punkt veränderlich; und zwar zwischen praktisch o Volt und mehreren
Volt positiven Potentials bis zu dem Potential der netzförmigen Kollektorelektrode
34.
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Der Kathodenstrahl 1,4 nimmt in der Nähe der Auffangelektrode 18 eine
sehr geringe Geschwindigkeit an. Wenn der Strahl sich dabei einer Schirmstelle nähert,
welche sich auf Nullpotential befindet, wird er auf den Kathodenstrahlerzeuger 16
zurückreflektiert. Die stärker positiv geladenen Stellen der Auffangelektrode verhindern
jedoch den Aufprall von so viel Elektronen, wie sie zur Neutralisation der positiven
Ladung auf diesen Schirmstellen erforderlich wären, so daß diese Stellen der Auffangelektrode
nicht auf Kathodenpotential kommen können. Die übrigen Elektronen des Strahles werden
dann zum Elektronenstrahlerzeuger der Röhre zurückreflektiert. Wenn der Elektronenstrahl
also die Auffangelektrode abtastet, wird er zu demjenigen Ende der Röhre, die den
Elektronen. strahlerzeuger trägt, als modulierter Strahl 14' zurückkehren. Der zurückkehrende
Strahl verläuft dabei praktisch längs desselben Weges wie der hinlaufende Strahl
14 und trifft das Ende 17 des Kathodenstrahlerzeugers, welches als Dynode arbeitet
und gleichzeitig die erste Stufe eines Elektronenvervielfachers 4o darstellt.
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Der modulierte Elektronenstrahl wird somit in ein Ausgangsbildsignal
umgewandelt; welches von der Kollektorelektrode 42 abgenommen werden kann.
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In Röhren der oben beschriebenen Art tritt dabei ein mit den hellen
'Bildstellen verbundener Störeffekt auf, der in der amerikanischen Literatur als
ghost bezeichnet wird und auf dem fernübertragenen Bild sich als eine Bildstörung
bemerkbar macht, die gegenüber dem Bild der hell beleuchteten Stellen der Originalszene
ein wenig verschoben ist. Als Beispiel ist in Fig.3 dargestellt, wie die Störung
im Empfangsbild aussieht, wenn zwei weiße Lichtflecke auf einem schwarzen Hintergrund
fernübertragen werden. Das fernübertragene Bild würde in Form der weißen Lichtflecke
44 und 46 auf
einem schwarzen Hintergrund erscheinen. Jedoch tritt
zusätzlich zu diesem Bild eine Art schwarzer Lichthof rund um die weißen Bildstellen
herum auf und ferner, wie es die Fig.3 erkennen läßt, ein sogenannter ghost oder
ein graues Bild. der weißen Lichtflecke, welches mit 48 und 5o bezeichnet ist. Das
sich ergebende Empfangsbild, in dem diese Bildstörungen auftreten, ist natürlich
in höchstem Grade unerwünscht.
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Die Fig.2 zeigt eine Teilansicht des Bildteiles einer üblichen Kameraröhre
mit Bildwandlerteil, in welcher die mit der Röhre nach Fig. i übereinstimmenden
Bestandteile auch mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es wurde gefunden,
daß bei der speziellen Ausführung die beschleunigenden Felder zwischen der Photoelektrode
26 und der Oberfläche der Auffangelektrode 18 praktisch so verlaufen, wie in Fig.2
dargestellt, in welcher die Äquipotentiallinien des Feldes durch die punktierten
Linien 52 angedeutet sind. Die Äquipotentiallinien 52 tauchen in der Nähe des Ringes
36 in das Innere dieses Ringes ein und erfahren eine gewisse Verzerrung, so daß
also das Feld unmittelbar vor der Auffangelektrode 18 nicht homogen ist.
Die elektrostatischen Kraftlinien verlaufen senkrecht zu den Äquipotentiallinien
und sind schematisch durch die beiden Kraftlinien 54 in Fig. 2 angedeutet. In dem
erwähnten Feldgebiet, unmittelbar vor der Oberfläche der Glaselektrode 18,
sind aber auch magnetische Kraftlinien, die von der Spule 24 herrühren, vorhanden.
Diese magnetischen Kraftlinien sind mit 56 bezeichnet und verlaufen im großen und
ganzen in der Richtung der elektrostatischen Kraftlinien 54.
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Man sieht jedoch aus Fig.2, daß die elektrostatischen und die magnetischen
Kraftlinien unmittelbar vor der Auffangelektrode 18 nicht zusammenfallen, sondern
daß beide Arten von Kraftlinien sich unter einem endlichen Winkel schneiden. Es
wurde gefunden, daß die Sekundärelektronen, die von der Oberfläche der Elektrode
18 unter dem Bombardement seitens der Photoelektronen ausgehen, Energien besitzen,
die zwischen einigen Volt bis zu dem Voltbetrag der Photokathode liegen. Derjenige
Teil der langsamen Elektronen, welcher nicht durch die Netzelektrode 34 hindurchtritt,
fällt auf die Auffangelektrode zurück, und zwar in die unmittelbare Nachbarschaft
ihrer Entstehungsstelle. Diejenigen Elektronen, welche die Auffangelektrodenfläche
mit sehr geringer Geschwindigkeit treffen und dort verbleiben, erzeugen dabei einen
schwarzen Rand um die hell beleuchteten Stellen herum. Dies ist der schwarze Hof
58 in der Umgebung der hellen Bilder 44 und 46. Dieser schwarze Hof stellt einen
erwünschten Effekt dar, da er die Aufrechterhaltung des Kontrastes gegenüber den
hellen Bildstellen unterstützt.
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Die Sekundärelektronen von hoher Energie, die ron der Elektrode 18
ausgehen, treten durch die Vetzelektrode 34 hindurch, bis sie durch das Feld ier
Beschleunigungselektroden 28 und 3o auf die Vetzelektrode zurückreflektiert werden.
Da diese schnellen Sekundärelektronen einen längeren Weg durchlaufen, passieren
sie diejenigen Stellen, in denen die magnetischen und die elektrostatischen Kraftlinien
56 und 54 nicht koinzidieren. Diese schnellen Elektronen nehmen somit eine radial
gerichtete Geschwindigkeit an, deren Größe von der jeweiligen Entfernung vom Mittelpunkt
:der Schirmelektrode 18 abhängt. Entsprechend den Gesetzen der Elektronenoptik
ruft diese radiale Geschwindigkeitskomponente eine Verlagerung der Elektronenbahnkurven
in einer senkrecht zu den magnetischen Kraftlinien 56 liegenden Ebene hervor. Wegen
dieser Verlagerung gelangen die schnellen Sekundärelektronen nicht auf ihre Ursprungsstellen
auf der Auffangelektrode zurück, sondern vielmehr auf eine jeweils neben der Ursprungsstelle
gelegene Stelle. Ferner erzeugen diese Sekundärelektronen wegen ihrer verhältnismäßig
hohen Geschwindigkeit eine zusätzliche Sekundärelektronenemission, so daß ein Ladungsbild
entsteht, welches den Elektronenstrahl moduliert und somit die Bilder 48 und 5o
in Fig. 3 erzeugt.
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Gemäß der Erfindung wird am Ende des Ringes 36 in Fig. i gegenüber
der Photokathode 26 ein zweites feinmaschiges Gitter 6o angebracht. Wie in Fig.
i dargestellt, hat dieses Gitter die Wirkung, daß die Äquipotentialflächen 52 des
elektrostatischen Feldes unmittelbar vor der Auffangelektrode 18 in höherem
Grade eben ausfallen. Diese bessere Ebnung des Feldes hat zur Folge, daß die elektrischen
Kraftlinien 54 nun praktisch mit den magnetischen Kraftlinien 56 zusammenfallen.
Aus diesem Grund und wegen des Vorhandenseins der Netzelektrode 6o fallen die schnellen
Elektronen nun praktisch auf dieselbe Stelle zurück, von der sie ausgegangen sind.
Das heißt aber, daß die schnellen Elektronen nun keine zusätzliche Radialgeschwindigkeit
mehr annehmen, sondern daß sie eben längs desselben Weges zurückverlaufen, den sie
von der Auffangelektrode aus beim Hinlauf durchmessen haben.
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Bei einer Versuchsausführung der Röhre, die sich bestens bewährt hat,
hatte die Netzelektrode 6o ungefähr Zoo Öffnungen je 2,54 cm und ein Durchlaßverhältnis
von ungefähr 8oo;o. Diese Netzelektrode wird durch Galvanostegie hergestellt, bei
welcher die Drähte sich alle in derselben Ebene befinden. Gewebte Netze mit einem
größeren Durchlaßverhältnis haben nämlich eine Verzerrung der Beschleunigungsfelder
vor der Schirmelektrode 18 zur Folge gehabt, welche auf eine Linsenwirkung
der öftnungen des gewebten Netzes zurückzuführen war, da nämlich gewebte Netze viel
dicker sind als galvanostegierte Netze. Es wurde gefunden, daß eine Netzelektrode
mit ungefähr Zoo Maschen je 2,54 cm die günstigsten Wirkungen hervorruft. Bei einem
Netz mit kleineren Öffnungen und einer größeren Maschenzahl je 2, 54 cm tvar die
Elektronendurchlaßfähigkeit geringer.
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Das Netz 6o wurde etwa in einem Abstand von 6 mm vor der Elektrode
18 angebracht. Dieser Abstand ist jedoch nicht kritisch, wenn er auch so groß bemessen
werden muß, daß der Schatten des Netzes nicht auf die Auffangelektrode geworfen
wird, um nicht gleichzeitig mit. dem Bild fernübertragen
zu werden.
Das Netz 6o kann in an sich bekannter Weise mit einem Goldüberzug oder mit einem
Kohleüberzug versehen werden, um seine Sekundäremission herabzusetzen, die wegen
des Bombardements durch die Photoelektronen auftreten könnte.
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Die Benutzung eines feinen Netzes 6o in der oben beschriebenen Weise
bringt die Erscheinung der Nebenbilder fast vollständig zum Verschwinden und hat
daher auch zur Folge, daß diese Nebenbilder im Empfangsbild nicht mehr auftreten.