DE1764034A1 - Elektronische Bildroehre mit Kanalverstaerkungsvorrichtung - Google Patents

Description

Patentanwalt

'Aimtffer N V.Philips'GloeilompeniaNeion PHB. 31.730.

Akte No. PHB- 31 730 Kts/JE.

Anmeldung vomi 22 ,März 1968

"Klektroniache Bildröhre mit Kanalverstür,kungevorriohtung".

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Bildröhre mit einer KanalveratKrKungsvorrichtung, bei der duroh Sekundäremission eine Elektronenveryielfaohung erfolgt. Diese Elektronenvervielfacher haben eine Matrix in Form einer Platt·, durch die in der Dickenrichtung viele langgestreckte Kanäle hindurchgehen und die auf der Eingangefläche eine erste leitende Schicht und auf d«r Auegangefläche eine gesonderte zweite leitende Schicht hat, die als Eingangs- bzw. Auegangeelektrode dienen«

ElektronenvervielftiOher dieser Art Bind in den britischen Patentschriften 1,O64fO73, 1,064,074 und 1,064,076 und Verfahren zu ihrer Herstellung in den britischen Patentschriften 1,064,072 und 1,064,075 beschrieben worden.

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Bei der Verwendung der Verstärkungevorrichtungen (wenn sie einen Teil einer elektroniechen Bildr'dhre bilden) wird eine elektrische Spannung zwischen die beiden Klektrodenschichten der Matrix gelegt, wodurch sich ein elektrisches Feld ergibt, dass die Elektronen beschleunigt, und ein Spannungegradient durch den Strom erzeugt «ird, der durch innerhalb der Kanäle gebildete J· lachen mit ohmschem Widerstand oder (wenn es keine derartigen Kanalflachen gibt) durch das Material der Matrix flieset. !Durch Sekundäremission in den Kanälen erfolgt die Hektronenvervielfachung, und die Ausgangselektronen können durch ein zweites Beschleunigungsfeld beeinflusst werden, das zwischen der ausgahgselektrode und einer geeigneten Prallplatte, z.B.. einem Leuchtschirm, erzeugt sein kann. Die erwähnten Kanalverstärkungsvorrichtungen mit durch Sekundäremission herbeigeführter Klektronenvervielfachung enthalten eine Matrix, die als ohmscher Widerstand betrachtet werden kann und die Form einer Platte hat, bei der eine der grossen Flächen die Eingangsf 1Iiche und die andere die Ausgangaflache der Matrix bilden. Beide Flächen sind mit einer leitenden Schicht versehen, wobei die Schicht auf der Jäingangsflache der Matrix als Eingangselektrode und die gesonderte leitende Schicht auf der Ausgangsfläche der Matrix als Ausgangaelektrade dient. In dor Matrix sind langgestreckte Kanäle vorgesehen, die je einen Durchgang von der Eingangefläche zur Ausgangsfläche bilden, wobei die Verteilung und der Uuereehnitt der Kanäle und der speiifieche widerstand der Matrix derartig sind, dmss das Auflösungsvermögen und die Elektronenvervielfachungsoharakterietik jede* beliebigen FlSoheneinheit der Vorrichtung und jeder beliebigen anderen Flächeneinheit sich genügend entsprechen, um Bilder cu erseugen*

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Beim Betrieb solcher Vorrichtungen stellte es eich heraus, dass die Verstärkung kritisch vom Länge-Durchmeseer-Verhältni8 (L/D-VerhältniBj der Kanäle abhängt, «as bedeutet» daee dieses Verhältnis für sämtliche Kanäle auf der ganzen Flädhe diegleiche sein muss, um eine überall gleiche Verstärkung zu erhalten. In der erwähnten Patentschrift 1,064,073 ist bereits eine schräge Anordnung der Kanäle vorgeschlagen worden und diese wurde insbesondere zur Vermeidung der Schwierigkeit dieser kritischen Abhängigkeit vom Länge-Durchmesser-Verhältnis angewandt.

Eine andere Schwierigkeit bezieht sich auf das Ver- · halten eines Elektrons, dae sich einem Kanal auf einer Bahn nähert, die parallel zur Kanalachse ist. i,in derartiges Llektron kann gradlinig durch den Kanal hindurchgehen, ohne auf di· Kanalwand aufzutreffen, d.h. ohne eine Sekundäremission herbeizufuhren. Bei einer Bildröhre, bei der die Photokathode nahe bei der Kanalveretärkungsvorrichtung angeordnet ist und die Elektronen sich ohne die Lwiechenschkltung eines elektronenoptischen Systeme in der Richtung zur Verstärkungsvorrichtunt: hin bewegen, kann dies Informe tionever lutte im ganzen überstrichenen Bereich verursachen. Bei Bilcröhren, z.B. bei einer sogenannten elektronenoptiechen Diode, -bei denen Elektronen auf divergierenden wegen zu einer hanalverstärkungsvorrichtung geführt werden, in der sämtliche Kanäle parallel zur elektronenoptischen Achee verlaufen, wurd'e ge-,func.en, dass die erwähnte nachteilige wirkung einen dunklen Fleck etwa in der Mitte des Bildes herbeiführt, wo die Zahl der Elektronenbahnen, die nahezu parallel zu den Achsen der Kanäle verlaufen, an grössten ist.

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Diese zweite Schwierigkeit läset sich in gewieeem Mae&e dadurch beheben, daee ein plötzlicher übergang der Feldstärke en oder bei den Eingangeöffnungen der Kanäle (d.h. an oder bei der Einsangsflfiche der Matrix) erzeugt wird» so da6s eich bei jeder Eingangsöffnung ein konvergierendes oder divergierendes Linsenfeld ergibt. Diese Schwierigkeit läset sich auch dadurch beheben, dass das elektrische FiId schräggtlegt wird, wie dies z.B. in der erwähnten britischen Patentschrift I.O64.O76 buschrieben worden iet. Bei Elektroden hoher Energie oder hoher Geschwindigkeit ist jedoch die. Auswirkung solcher Massnahmen, die die Erzeugung einer Querfeldkomponente bezwecken, häufig unzureichend, um die erwünschte Ablenkung der Elektronenbahnen herbeizuführen.

Die Erfindung bezweckt, bei der Anbringung einer Kanalveret£rkungevorrichtung in einer elektronischen Bildröhre mit einem elektronenoptische Syβtem solche Schwierigkeiten zu vermeiden. Gemfiss der Erfindung iet in Verbindung mit der elektronenoptischen rotationssymmetrischen System, das eine elektronenoptische Achse hat, die mit der Hotationssymmetrieachse zusammenfällt und senkrecht auf der Oberfläche der Photokathode steht, wobei die liaujitstr&hlen der Photokathode zu einem gemeinsamen Kreiizungspunirt gerichtet sind (sogenannter cross-over), jenseits dieset Kreuzungspunktee eine Kamdverstärkungsvorrichtung angebracht, deren Vorder- und Rückseite senkrecht auf der elektronenoptischen Achee stehen und deren Kanäle parallel zueinander und unter einem derartigen für alle Kanäle gleichen Winkel ($) zu einer die elektronenoptische Achse enthaltenden Ebene verlaufen, dass keiner der Hauptstrahlen parallel zu den Achsen der Kanäle ist.

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Ausser der die elektronenoptiech· Achse enthaltenden Ebene, in bezug auf die sämtliche Kanäle gleich ausgerichtet sind und unter einem bestimmten Winkel verlaufen, lässt sich eine zweite, die optische Achse enthaltende Ebene erkennen, welche die. Achsen der Kanäle enthält, die sie schneidet. Diese Ebene wird als ' die erste axiale Hauptebene bezeichnet, während die «enkrecht auf ihr stehende qxiale Ebene als die zweite axiale Hauptebene bezeichnet wird. -."■.'■ a

Das elektronenoptische System bezweckt, alle aus einem bestimmten Punkt der Photokathode emittierten Elektronen auf der Bild- oder Brennfläche des Systems in einem Punkt zu bündeln. Aus einem derartigen Dingpunkt auf der Photokathode emittierte Elektronen verlassen die Kathode unter den verschiedensten Viinkeln innerhalb eines breiten Kegels. Die Bahn der Elektronen, die aus dem betreffenden Dingpunkt in einer Hichtung senkrecht zur Oberfläche der Photokathode emittiert werden, wird als Hauptstrahl bezeichnet. * . ■ ■

Durch den schrägen Verlauf der Kanal· wird erreicht, ™

dass ein etwaiger "dunkler Fleck" zum RiinA des Bildfeldes in »in Gebiet verschoben wird, in dem die Störung weniger-lästig ist, als wenn si« in der Mitte dee Bildes auftritt.

Die Vi ink el zwischen den Hauptatrahlen und den zugehörigen Kanälen schwanken offensichtlich zwischen einem Mindest-•und einem Höchstwert« Der Mindestwert dieser Winkel kann groae genug bemessen «erden, um zu verhüten, daee Elektronen geradeaweg· oder wenigstens mit ungenügender Vervielfachung dur*Jh die KanSlt hindurchgehen« Der Höchstwert der winkel muss beschränkt werden,

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um zu verhindern, dass der Astigmatismus, dar bei schräg verlaufenden Kanälen auftritt und mit zunehmenden winkel φ zunimmt, allzu stark wird.

£e hat eich herausgestellt, dass die unvermeidliche Schwankung des winkeis keinen groseen visuellen Gttteunterschied zwischen den verschiedenen Teilen de« Bildes zur Folge hat. Deshalb ist es auch nicht erforderlich, eine Matrix zu verwenden, deren Kanäle konvergierende oder divergierende Achsen aufweisen, »eiche Matrix üusseret schwer herstellbar wäre.

Das elektronenoptische System kann vom Typ sein, der bei einer sogenannten elektronenoptische^ Diode benutzt «ird, wie diese in Philips Research Reports, Band 7, 8. 119-130 (19^2) beschrieben worden ist. Trotz der Tatsache, dass die Bildebene des elektronenoptische)! .Systeme eine Krümmung aufweist, kann die Kanalverstfirkungsvorrichtung ebene Eingangs- und Ausgangeflächen besitzen, sofern das elektronenoptische System eine ausreichende Brennweite hat. Die Kanalverstärkungevorrichtung kann jedooh auch gekrümmt Bein, wobei die Krümmung im gleichen Sinne verlauft, und vorzugsweise die gleiche ist, wie die Krümmung der Bildeben··

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden niher beschrieben, ßs zeigern

Fig. 1 einen Axiolechnitt durch eine hlektronenbildröhre mit ilacher Kanalverstaxkungsvorrichtung,

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch einen Teil einer KanalverstärkungBvorriohtung dor höhre der Fig. 1, wobei die Leichenebene die erst· axial· Hauptebene ist,

Fig. 3 eine Diagramm zur Erläuterung der Bedingungen,

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die in der ersten axialen Hauptebene der Röhre nach Fig. 1 auf· treten,

Fig. 4 einen schraatischen Schnitt zur Irläuterung eines Verfahrene zum Herstellen schräger Matrizen,

Fig. 5 einen Ixialechnitt durch eine Bohre mit gekrümmter Kan&lveretSrkun£8Yorrichtung.

In Fig. 1 ist eine fiussere Strahlung von einem Objekt ü her mittels einer Linse auf eine Photokathode P gerichtet, wodurch auf dieser ein Bild erzeugt wird. Aus sämtlichen Teilen der Ihotokathode werden Photoelektronen mit örtlich In Abhängigkeit vom erzeugten Bild verschiedenen Intensitäten ausgelöst.

Die Photokfc.thode P bildet zusammen mit einer konischen oder nahezu konischen Anode A eine elektronenoptische Diode, deren elektronenoptiechee System derartig ist, daBs die emittierten Photoelektronen zu einem Strahlenbündel R konzentriert werden, »obei dieses Bündel unter der Linairkung der sphärischen Äquipotentialflächen zwiechenr der Photokathode P und der konischen Anode A konvergiert wird. Wenn das Bündel durch die Öffnung in der konischen Anode * hindurchgeht, wird ee durch die negative Linser.wirkung bei der Konusöffnung weniger konvergierend gemacht, wae eine Zunahme der Brennweite bedeutet. Das Strahlenbündel Ii wird Bchlieselich in der gestrichelt angegebenen Bildebene ]·' zu einem Brennpunkt konvertiert. In dieser Ebene, die eine erhebliche Krümmung aufweist, liegen sämtliche Bildpunkte.

Die Anode A hat einen zylindrischen Teil, der sich an die i-ingunf selektrode E1 einer Kanalveretürkungevorrichtung 1, die *eitt-r eine Ausgangselektrode ^? aufweist, anschlieset. Das elek-

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troiienoptische öyetem P-A weist Rotationssyametrie um eine elektronenoptische Achse 2-2 auf, die senkrecht auf der Oberfllohe der Photokathode P und auf den Eingang·- und AuegangeflKohen der Kanal· vereta'rkungsvorriohtung I steht an den Stellen, wo sie diese schneidet.

Wie aus Fig. 2, die einen vergrösserten Axislachnltt durch einen Teil der Torrichtung darstellt, ersichtlich ist, wird die Kanalveretärkungsvorrichtung I gemäss einem regelml··igen Muster von Kanälen C durchzögen, wobei die Achse X-X jede· Kanal· einen Winkel f> mit der zweiten axialen Hauptebene (die senkrecht auf der Zeichenebene steht, in der die Achse Z-Z liegt)_r ein-

* a

echliesst. '

Fig. 2 zeigt, wie Photoelektronen aus der Photokathode P auf Bahnen b die KanalverβttrJtungsvorrichtung I erreichen. In jedem der Kanäle, in den in einem bestimmten Augenblick Photoelektronen eintreten, erfolgt durch Sekundäremission eine Klektronenvervielibchun£, z.B. wie dies schematisch in der Zeichnung angegeben i:t, unter der Einwirkung des elektrischen Beschleunigungsfeldes, das dadurch erzeugt wird, daes die Elektroden LI und £2 mit einer schematisch durch B1 (Fig. 1) dargestellten Spannungequelle verbunden werden. Eine Quelle B2 erzeugt ein zweites Beschleunigun&sl'eld zwischen der Elektrode £2 und einer leitenden Schicht, z.B. aus Aluminium, die einen Teil eines Leuchtschirmes S (Fig. 1) bildet, der sich auf der Ausgangeseite der Vorrichtung befindet.

In Fig. 2 wird der Einfachheit halber angenommen, dass alle l'hotoelektronen b sich auf parallelen Bahnen senkrecht zur

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Matrixoberfläche bewegen und eich somit den Kanälen unter einem konstanten winkel β mit den Kanalachsen nähern. In Wirklichkeit ist dies nicht der Fall ausser (in erster Näherung) in der Ji it te der Vorrichtung I.

In Wirklichkeit treffen die Hauptstrahlen, z.B. der in Fig. 1 durch Rp dargestellte Hauptstrahl, die Vorrichtung I unter sich ändernden Yiinkeln, eo dass sie mit den betreffenden Kanälen Winkel wie ß1, ß2 und ß3 machen, die in Fig. 3 scheraatiech angegeben sind. Fig. 3 bezieht sich auf das, was eich in der ersten axialen Hauptebene abspielt, d.h. in der üxialebene, in der die i.chse Z-Z" liegt und in der auch die Achsen X-X derjenigen Kanüle liegen, die durch die £bene geschnitten werden. Es ist deutlioh, dass

ß3 - 0 + y3,

wobei yj der Hennwinkel ist, unter dem der Hauptetrahl fip3 von einem inaginären Kreuzungspunkt ZO dee elektronenoptischen Systems i'-h divergiert. Die Hauptstrahlen, wie z.B. der Strahl Hp in Fig. und die ütrahlen Rp1 bis Iip3 in Fig. 3i sind in der Praxis keine genauen Geraden, aber sie «erden dennoch durch die anfange senk· rechte Llektronenbuhn im Emisßionspunkt auf der Phctokathode F identifiziert. Ähnlich ist

ß1 - 0 - y1, wobei y1 der Divergenzwinkel des Hauptstrahls Iip1 ißt.

In der Mitte (auf der nchse Z-Z) irt die Divergenz des Haupti;tiahlfl Itp2 Null und ist

P2 - P-

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Sofern der kleinst« Kinkel ß1 gross genug ist, ua zu verhindern, does Elektronen gerade oder mit unzureichender Vervielfachung durch den jeweiligen Kanal hindurchgehen, kann die ganze in Fig. 3 dar^eetellte Matrix wirkungsvoll ohne "dunklen Heck" arbeiten, weil die Übrigen winkel (ß2, p3, usw.) alle grosser sind, ta ist jedoch gewünscht, die Höchstwerte der Winkel β in der vorerwähnten V*eise zu begrenzen, weil sich der Astigmatismus umso stärker auswirkt, je grosser fß ist.

Bei einem praktischen Beispiel, das sich zur Anwendung auf die in Fig. 1 dargestellte weise eignet, können die abmessungen der Köhre et»a wie folgt sein:

durchmesser der Matrix ■ 5om,

Durchmesser der Kanäle - 30 J*t Länge der Kanäle · - 2 mm, Abstand zwischen £2 und S · etwa 4 mn, Maximaler Divergenzwinkel 7 · 12 , Kunalneigungswinkel 0 - I5⁰, Mindestwert des Winkels β -5°, Höchstwert des Winkele β -27°.

In der zeichnung ist der Deutlichkeit halber von diesen Abmessungen und von den gegenseitigen Verhältnissen abgewichen.

Die grosse Diskrepanz zwischen der gekrümmten Bildebene F und dar ebenen Eingangsflilche der Vorrichtung I hat su den Rändern des auf dem Schirm ü wiedergegebenen Bildes hin einen gewissen Verlust an Auflösungsvermögen zur Folge, aber dieser Effekt »ird im allgemeinen durch die erwähnte grosse Brennweite des elektronenoptiuohen Systems in annehmbaren Grenzen gehalten.

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Die teatrix der Vorrichtung nach den iiguren 1, 2 und 3 ist flach und ihre Kanäle machen einen konstanten Kinkel 0 mit tier Senkrechten auf den Lingangs- und Auegangeflächen. Diese Ligenschaften machen die Matrix geeignet zur Herstellung gemäss verhältnismäesig einfachen Verfahren, bei denen u.a. ein mit Kanälen versehener Block dadurch in Scheiben geschnitten wird, dass der gemäss den unter einem geeigneten Winkel quer zu den Kanälen C verlaufenden schrägen Linien W zersägt wird, wie schematisch in i ig. 4 angegeben ist.

In Pig. t> sind entsprechende Teile mit dem gleichen Bezugsziiiern bezeichnet. Die Kanalverstärkungevorrichtung I hat jetzt eine gekrümmte Gestalt, wobei die Eingängefläche in der gleichen Richtung gekrümmt ist, »ie die gekrümmte bildebene F. Diese beiden Krümmungen können unter Umständen zusammenfallen, obgleich dies in Anbetracht der erwähnten grossen Brennweite nicht notwendig itt, und es ist Über das tanze auf dem Schirm S erzeugte LiId ein ausreichendes Auflösungsvermögen erzielbar, bei einer solchen Anordnung, bei der sowohl eine gekrümmte katrix βίε auch schräge Kanäle Anwendung finden, können die Vorteile beider Systeme fcleichzeitifc erhalten »erden, d.h. das Auflötungeveriaögen kann üt er U¹UE gtnze iild gut sein und zugleicherzeit kann das Problem des dunkeln Ilecke gelöst «erden.

Die Folgen der Krümmung der Photukathode P gemäßε Fig. oder Fife. 5 ^uno die Folien der Krümmung des Bildschiri.-.es S gemSss Pig. ^ können in bekannter weise mit Hilfe eines faseroptischen L/yster.s F01 ganz oder teilweise zunichte gemacht werden. Ls kann eine iur einem iaeeroptischen System bertehende Lin^ungepltitte be-

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- 12 - PHB. 31.730.

nutzt «erden, die auf einer Seite eine angemessene konkave Krümmung aufweiett die der Krümmung der Photokathode angepasst iet, «fihrend die Oberfläche an der Seite der eintreffenden Strahlung nahezu flach oder in der entgegengesetzten Richtung gekrümmt iet.

Dadurch kann auoh eine gröseere Krümmung der Photokathode Anwendung finden, wodurch die Krümmung der Bildebene f kleiner sein kann, so dass diese Ebene leichter mit der Eingangsfluche der Vorrichtung I zusammenlallen kann. Statt dessen oder daneben kann ein zweites faseroptisches System FO2 als das Fenster, auf dem der Schirm S angebracht ist, benutzt «erden, wobei dieses Fenster eine Auegangefläche hat, die z.B. eben sein kann, wie dies in Fig. i> angegeben iet. Der Schirm S weiet in diesem und auch In den vorerwähnten Fällen eine konkave Krümmung auf, die der krümmung der Elektrode L2 in dem Sinne angepasst ist, dass daduroh die Feldstärke zwischen E2 und S überall möglichst die gleiche ist.

Obgleioh bei den beschriebenen Ausführungsformen der Konus A und die Elektrode El miteinander verbunden sind, kann es manchmal gewünscht sein, diese "Dioden"-Anordnung dadurch zu ändern, dass A von E1 getrennt wird, so dass an diese beiden Elemente verschiedliche Potentiale gelegt werden kßnnen, x.B. um eine optimale* Lintrittsenergie für sich den Kanälen nähernde Elektronen zu erreichen. Dies kann dadurch erfolgen, dass A auf dem gleichen Potential gehalten wird, während das Potential von E1 herabgesetzt wird. Eine derartige Inderung ergibt gleichsam eine Triodenstruktur und der imaginäre Kreuzungepunkt fco (Fig. 3) kann ein virtuelles Kreuzungepunkt werden.

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Claims (1)

- 15 - PHB 31.730. PATKKTANSPKUCHE:

1. Elektronische Bildröhre mit einer Photokuthode und einem elektronenoptiFchen System, das Rotationesyrimetrie aufweist und eine elektronenoptische Achse hat, die mit der Rotationssymmetrieachee zusammenfällt und senkrecht auf der ÜberflSche der Photokathode steht, wobei die Hauptetrahlen der Photokathode zu einem gemeinsamen Kreuzungspunkt hin gerichtet eind, dadurch gekennzeichnet, dass jenseits dieses Kreuzungspunkta eine Kanalvex-Btärkungsvorrichtung angebracht ist, deren Vorder- und Rückseiten senkrecht auf der optischen Achse stehen und deren Kanäle zueinander parallel verlaufen und alle einen derartigen gleichen Winkel φ mit einer die elektronenoptische jiohse enthaltenden Ebene machen, daes keiner der Hauptstrahlen parallel zu den üchsen der Kanäle iet. 2. Bildröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronenoptische System vom Typ der elektronenoptiechen Diode iet und eine konische oder nahezu konische Anode aufweist, die elektrisch mit der Eingangeelektrode der Kanalverstürkungsvorrichtung verbunden ist.

5· Bildröhre nach Anspruch 1 odtr 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel 0 der Kanüle etwa 15° beträgt und dass die »inkel β der Hauptstrahlen mit den Achsen der Kanal· an einem Rand der Kanalverstlirkungavorriohtung etwa 3° und am entgegengesetzten Rand etwa 27° betragen.

4« Bildröhr· nach einem oder mehreren dtr vorstehenden AiiSprUoht, dadurch gekennzeichnet, da·· dl· Kanalvtretürkungsforrichtung eine der Bildebene dta alektrontnoptisohan uyatanaungapasata gakrUmmta Gestalt aufmalet.

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- 14 - PHB. 31.730.

5· Bildröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daee die Bildeben« dee elektronenoptiechen Systeme mit der Linganiefla'che der Kanalveretürkunßevorrichtung zuearamenfillt«

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L β e r s e i t e