DE1616399A1 - Elektronenstrahl-Fokussiervorrichtung - Google Patents

Description

DR.-ING. G. EICHENBERG _{4 DÖS}seldorf, den -J22l _

DIPL-ING. H. SAUERLAND ceciuenallee76 Il/Sch

FERNSPRECHER 432732

DR.-ING. R. KÖNIG

PATENTANWÄLTE

Hughes Aircraft Company, Centinela and Teale Street, Culver City, California, TJ₆S.A.

"Elektronenstrahl-gokussiervorrichtung"

Kurzfassung der Beschreibung«

Das "beschriebene Fokussierungssolenoid für Elektronenstrahlen enthält eine elektrisch leitfähige Folie, welche auf einen nicht magnetischen, elektrisch leitfähigen Spulenkörper aufgewickelt und mit diesem verbunden is,t, der eine erheblich größere Dicke hat als die Folie j ein nicht magnetisches, elektrisch leitfähiges Rohr umschließt dabei die äußerste Folienwindung und ist mit dieser elektrisch verbunden» Ein die Folienspule umschließendes ferromagnetisches Rohr ist an zwei Polschuhen befestigt, die an entgegengesetzten Enden der Spule radial zur Spulenachse angebracht sindo Die ferromagnetischen Bauteile bilden einen Rückweg für die magnetischen Feldlinien und führen der Spule ihren Eingangsstrom zu„

Grundlage'der Erfindungο

Die Erfindung befaßt sich allgemein mit der magnetischen Fokussierung von Elektronenstrahlen unä im besonderen mit einer aus Folie gewickelten Spulenanordnung zur Fo-

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SANKKONTO! DEUTSCHE BANiC AG., OOSSEIDORF1672161 « POSTSCHECKKONTOt ESBEN 0734

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kussierung solcher Elektronenstrahlen, wie sie in Wander- wellenröhren auftreten.

In Wanderwellenröhren wird ein Elektronenbündel zur Wechselwirkung mit einer elektromagnetischen Welle gebracht, die sich längs einer Verzögerungsleitung fortpflanzt, die entlang des Elektronenpfades um diesen herum angebracht ist. Um während des Betriebs einen hohen Wirkungsgrad sowie eine hohe Lebensdauer für die Röhre zu gewährleisten, muß das Auftreffen von Elektronen auf Teile der Verzögerungsleitung auf ein Minimum reduziert werden. Die Elektronen müssen deshalb zu einem gut gebündelten, präzise begrenzten Strahl fokussiert werden, der sich in axialer Richtung längs der Verzögerungsleitung fortpflanzt. Eine derartige Fokussierung wird im allgemeinen dadurch erreicht, daß man das Elektronenbündel in ein starkes axiales Magnetfeld' einbettet, das durch ein oder mehrere Permanentmagnete oder Spulen erzeugt wird.

Die bisherigen I'okussierungsspulen bestanden üblicherweise aus einer kontinuierlichen Wicklung von Draht mit rundem oder rechteckigen Querschnitt oder aus einem Satz in Reihe geschalteter Segmente aus aufgewickelter leitfähigor Folie« Bei aus Draht gewickelten Spulen verursacht eier endliche Steigur-gev/Inkel der Drahtwicklung ein transversales Magnetfeld in der Spulenachse. Bei in Reihe geschalteten tfoliensegmenten erzeugen die Verbindungen zwi-

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sehen den Eolienabschnitten transversale Magnetfeldkomponenten, während die Trennung in axialer Richtung zwischen den einzelnen Segmenten zu Änderungen in der Stärke des axialen Magnetfeldes führt«, Darüber hinaus erzeugt der Stromfluß in Eingangs- und Ausgangsleitung sowohl "bei Drahtspulen als auch "bei in Segmente unterteilten Folienspulen erhebliche transversale Magnetfeldkomponenten in der Spulenachse.

Zusammenfassende Darstellung des Gegenstandes der Erfindung.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine magnetische Vorrichtung zur Fokussierung eines Elektronenstrahls zu schaffen, die ein kleineres Verhältnis von transversaler Magnetfeldstärke zu axialer Magnetfeldstärke in der Achse der Vorrichtung ergibt.

Die erfindungsgemäße Elektronenstrahl-Fokussiervorrichtung enthält demzufolge ein inneres, nicht magnetisches, elektrisch leitfähiges Rohr und ein auf dieses Rohr gewickeltes, elektrisch leitfähiges Band, dessen Breite etwas geringer ist als die Länge des Rohrs, und dessen innerste Windung elektrisch leitend mit dem Rohr verbunden ist. Außerdem ist ein elektrisch isolierendes Band zwischen aufeinanderfolgenden Windungen des leitfähigen Bandes um das Rohr gewickelt. Ein äußeres, nicht magnetisches, elektrisch leitfähiges Rohr ist um die äußerste Windung des leitfähigen Bandes herum angeordnet und mit dieser Windung elek-

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23.._B;lim.».±9ß3. ση ZQ.kus.s.i.e.xzQ.r.ri.cM.ung..'.!.

trisch leitend verbunden. Zwei ferromagnetische, ringförmige Scheiben sind an gegenüberliegenden Enden des inneren
Rohres befestigt und elektrisch leitend mit diesen verbunden, wobei die Scheiben sich radial nach außen bis jenseits des äußeren nicht magnetischen Rohres erstrecken. Die beiden ferromagnetischen Scheiben tragen ein mit ihnen elektrisch verbundenes ferromagnetisch.es Rohr, welches das äußere nicht magnetische Rohr in einem gewissen Abstand umschließt. An das äußere nicht magnetische Rohr und das ferromagnetische Rohr ist ein elektrisches Potential angelegte

Diese Anordnung gewährleistet, daß der Strom
gleichmäßig auf ein einfach gewickeltes Band verteilt und
von diesem wieder abgeführt wird, während sich gleichzeitig transversale Komponenten des Eingangs- und Ausgangsstroms praktisch gegenseitig auslöschen, wodurch das transversale Magnetfeld in der Achse der Anordnung auf ein Minimum reduziert wirdo

Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele ο Es zeigen

I¹Jg₀ 1 einen teilweise schematisch gehaltenen Längsschnitt einer Elektronenstrahl-Fokussiervorrichtung gemäß
einer Ausführungsform der Erfindung,

2 einen Querschnitt nach Linie 2-2 in Mg₀ 1,

Mg. 3 einen vergrößert gezeichneten, bruchstückhaften Querschnitt nach Linie 3-3 in Mg₀ 1,

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4 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen transversaler und axialer Magnetfeldstärke als Punktion des axialen Abstandes von dem der Elektronenkanone zugewandten Ende der Vorrichtung nach 3,

Figo 5 einen teilweise schematisch gehaltenen- Längsschnitt einer Elektronenstrahl-Fokussiervorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung und

6 einen Querschnitt nach Linie 6-6 in Hg₀ 5·

In JFig« 1 bezeichnet 10 eine Elektronenkanone, die von herkömmlichem, der !Fachwelt geläufigen Aufbau sein kann und dazu dient, ein Bündel von Elektronen entlang der Achse einer Verzögerungsleitung 12 in die Richtung einer Kollektorelektrode 14 zu senden. Eine allgemein mit 16 "bezeichnete lokussiervorriehtung, die gemäß den Prinzipien der Erfindung gebaut ist, ist um die Verzögerungsleitung 12 herum angeordnet und dient dazu, die wandernden Elektronen zu einem extrem gut gebündelten Strahl 18 zu fokussieren.

Die !^kassiervorrichtung 16 enthält eine einsige Spule 20, die sich praktisch über die gesamte Länge der Ver zögerungsleitung 12 erstreckt«, Me Spule 20 hat einen rohrförmigen Kern oder Spulenkörper 22 aus nicht magnetischem,, elektrisch leitfähigem Material, der auch eine gute Wärmeleitfähigkeit hat, Beispiele für geeignete Materialien für

BAD RfQJNAt,

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23..A.J:m_a.±9.6.&..... an

die Herstellung des Spulenkörpers 22 sind Kupfer, Silber und Aluminium; Kupfer ist dabei wegen seiner "besseren thermischen Eigenschaften vorzuziehen.

Wie am "besten aus Pig. 3 ersichtlich, bestehen die Windungen der Spule 20 aus einem elektrisch leitfähigen Band 24, das auf den Spulenkörper 22 aufgewickelt ist. Das Band 24 kann ζ·Β₀ aus Kupferfolie bestehen mit einer Dicke von etwa 0,1 mm und einer Breite, die etwas geringer ist als die Länge des Spulenkörpers 22. Die innerste Windung des leitfähigen Bandes 24 ist mit der Außenfläche des Spulenkörpers 22 verbunden, z.B_e durch Hartlöten. Darüber hinaus sollte der Spulenkörper 22 eine Wandstärke haben, die mindestens eine Größenordnung über der Dicke des Bandes 24 liegt, damit so eine genügend kleine Impedanz (Kurzschluß) zwischen innerster Windung und Spulenkörper gewährleistet ist. Bei der oben genannten Banddicke von 0,1 mm wäre eine typische Wandstärke des Spulenkörpers 2,5 mm; ^-.^ elektrisch isolierendes Band 26, Z₀B₀ 0,025 mm dickes Papier, wird ebenfalls auf den Spulenkörper 22 gewickelt, und zwar zwischen aufeinanderfolgende Windungen des leitfähigen Bandes 24. Die Windungszahl des leitfähigen Bandes 24 und des isolierenden Bandes 26 kann Z₀B₈ einige hundert betragen.

Ein zweites lairsschließendes rohrförmiges Element 28_% aus nicht magnetischen^ elektrisch leitfähigen Material ist um das elektrisch leitfähige Band 24 herum angebracht

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und mit diesem elektrisch verbunden«, Das äußere, rohrförmige Element 28 kann aus irgendeinem der Materialien "bestehen, die auch für den Spulenkörper 22 in Betracht kommen, wobei auch hier wieder Kupfer der bevorzugte Werkstoff ist. lerner sollte auch das Element 28 eine Wandstärke haben, die wesentlich größer ist als· die Dicke des Bandes 24·, wenn auch die Dicke des äußeren Rohres 28 nicht ganz so groß zu sein braucht wie die des Spulenkörpers 22₀

Zwei scheibenförmige, ringförmige Polsphuhe 30 und 32 aus ferromagnetischem Material sind an gegenüberliegenden Enden des Spulenkörpers 22 angeordnet und an diesem befestigt, z_cB_e durch Hartlöten, wodurch sich eine gute elektrische Verbindung zwischen den Polschuhen 30 und 32 und dem Spulenkörper 22 ergibt. Die Polschuhe 30 und 32 erstrecken sich vom Spulenkörper 22 aus radial nach außen bis über das nicht magnetische, rohrförmige Element 28 hinaus„ Ein rohrförmiges Element 34 aus ferromagnetischem Material wird von den äußeren Umfangsflächen der Polschuhe 30 und gehalten und ist an diesen z_oB_e durch Hartlöten befestigt, so daß eine gute elektrische Verbindung zwischen den Polschuhen 30 und 32 besteht« Die ferromagnetischen Elemente 30, 32 und 34 stellen nicht nur einen Rückweg für das von der Spule 20 längs des Elektronenstrahls 18 erzeugte Magnetfeld dar, sondern diese Elemente dienen auch der Stromzufuhr zur Spule 20 über den Spulenkörper 22.

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Ein elektrisch leitfähiger Ring J>6 ist an der äußeren Umfangsfläche des ferromagnetisehen rohrförmigen Elements 34 ζ«Β_ο durch Hartlöten befestigt, um guten elektrischen Kontakt mit dem Element 34 zu gewährleisten und die elektrische Leitfähigkeit des magnetischen Kreises, bestehend an den Elementen 30, 32 und 34, zu erhöhen,, Ein elektrischer Zuführungsdraht 38 ist an den Ring 36 angeschlossene Zwei elektrische Zuführungsdrähte 42 und 44 sind mit diametral gegenüberliegenden Punkten auf der äußeren Umfangsfläehe des nicht magnetischen rohrförmigen Elements 28 verbunden und erstrecken sich von diesen Punkten radial nach außen durch entsprechende, diametral gegenüberliegende Löcher 46 und 48 im ferromagnetisehen rohrförmigen Element 34. Die Drähte 42 und 44 sind außerhalb der Vorrichtung 16 miteinander verbunden und sind außerdem an eine Klemme einer Stromquelle 50 angeschlossen, deren andere Klemme mit der Leitung 38 verbunden ist. Der Draht 44 Ist also nicht, wie man aus Mg₀ 1 irrtümlich schließen könnte, elektrisch mit dem Element 34 verbunden, sondern um dieses außen herumgeführt.

Es sei darauf hingewiesen, daß nur ein elektrischer Anschluß zum Ring 36 vonnöten ist, da der Abschirmungseffekt des ferromagnetisehen rohrförmigen Elements die Entstehung eines transversalen Magnetfeldes im Gebiet um den Elektronenstrahl 18 herum als Folge des durch die Leitung 38 fließenden Stroms verhindert. Andererseits er-

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zeugt der Stromfluß durch, die innerhalb des Elements 34 verlaufenden Teile der Leitungen 42 und 44 transversale Magnetfelder in dar Nähe des Elektronenstrahles; diese Felder sind jedoch gleich und entgegengesetzt gerichtet, das heißt, sie löschen sich gegenseitig aus. Es sei auch noch darauf hingewiesen, daß es nicht nötig ist, zwei diametral gegenüberliegende Leitungen zu verwenden, um die Auslöschung des transversalen Magnetfeldes zu bewirken;' man kann vielmehr praktisch jede vernünftige Vielzahl von gleichmäßig auf den Umfang verteilten Leitungen vorsehen, die sich radial nach außen erstrecken.

Der Strom fließt von der Stromquelle 50 durch die Leitung 38, den Ansohlußrlng 36, das ferromagnetische Element 34 und die Polschuhe 30 und 32 zum Spulenkörper 22·. Von dort fließt der Strom spiralförmig nach außen durch die Folienwindung 26 der Spule zum äußeren, nicht magnetischen rohrförmigen Element 28, wodurch um den Elektronenstrahl 18 herum ein axiales Magnetfeld erzeugt wird« Der Spulenstrom fließt über die Leitungen 42 und 44 zur Stromquelle zurück?

Da die lokussierungsanordnung gemäß der Erfindung in einem Stück gebaut ist, das sich praktisch über die gesamte Länge der Pokussiervorrichtung erstreckt _s wird ein äußerst gleichmäßiges axiales Magnetfeld geliefert» Da keine Zwis eisenverbindungen zwischen einer Mehrzahl von aus folie gewickelten Abschnitten benötigt werden_p warden darüber hinaus transversale Magnetfeldkomposisnten Tr©rmiad©n₈ wie

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sie sonst durch solche ZwischenverMndungen erzeugt werden. Weiterhin erzeugt der gleichmäßige radial gerichtete Fluß des Spuleneingangsstroms über die Polschuhe 30 und 32 sich gegenseitig auslöschende transversale Magnetfelder, wodurch die transversalen Magnetfeldkomponenten in der Hahe des Elektronenstrahls weiter vermindert werden. Der Auslöschungseffekt des radial in entgegengesetzten Richtungen fließenden Spulenausgangsstroms durch die Leitungen 42 und 44 er-' gibt eine weitere Verminderung der transversalen Magnetfelder_e

Durch Verwendung eines Spulenkörpers 22, dessen Dicke erheblich größer ist als die Folienstärke, wird der Strom von den Polschuhen 30 und 32 herkommend so gleichförmig wie möglich der ersten Windung der Spule zugeführt. Der Spulenkörper 22 dient außerdem als kurzgeschlossene Spulenwindung, um irgendwelche magnetischen Wechself°^Ί^komponenten klein zu halten, die etwa durch Wechselsti-u-unteile hervorgerufen werden, die in der Spulenstromversorgung entstehen.

Die !©kassiervorrichtung gemäß der Erfindung ist also in der Lage, ein.äußerstgleichmäßiges axial gerichtetes magnetiscfc.es .!Okussierungsfeld zu erzeugen, mit erheblich vermindertem Anteil an transversalen oder radialen MagnetfelakoHiponenten in der Nähe der Achse der Vorrichtung. Disse Verminderung des transversalen Magnetfeldes ist aus

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der Kurve in Pigc 4 ersichtlich, wo das Verhältnis von transversalem Magnetfeld zu axialem Magnetfeld als Punktion einer Strecke entlang der Achse einer Pokussiervorriehtung aufgetragen ist, wie sie gemäß PIg₀ 1 bis 3 konstruiert ist. Aus Pig. 4 ist ersichtlich, daß das Verhältnis zwischen transversalem und axialem Magnetfeld fast über die gesamte Länge der Vorrichtung hinweg kleiner ist als 0,083$ und über einen erheblichen Teil der Länge der Vorrichtung sogar weniger als 0,017$ beträgt. Demgegenüber ist das kleinste Verhältnis zwischen transversalem und axialem Magnetfeld, das sich mit herkömmlichen Vorrichtungen erreichen läßt, 0,17$. Mittels der Erfindung wird also das erreichbare Verhältnis zwischen transversalem und axialem Magnetfeld um eine Größenordnung gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen verringert.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Pigo 5 und 6 dargestellt. Die Ausführungsform nach Pig_o 5 und 6 ist derjenigen nach Pig_e 1 bis 3 ähnlich. Entsprechende Elemente in Pig₀ 5 und 6 sind deshalb mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie die entsprechenden Elemente in der Ausführungsform nach Pig. 1 bis 3, wobei lediglich die Vorsatzziffer 1 eingeführt wurde. Darüber hinaus ist bei der Ausführungsform nach Pig₀ 5 und 6 der elektrisch leitfähige Ring 136, der an der äußeren Umfangsflache des rohrförmigen Elements 134 befestigt ist, am Kollektorende der Vorrichtung 116 in der Ebene des Polschuhs 132 angeordnet.

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Diese Anordnung gewährleistet "besser die gewünschte Zunahme in der elektrischen Umfangsleitfähigkeit des magnetischen Kreises.

Weiterhin sind "bei der Ausführungsform nach Figo 5 und 6 vier koaxiale Stromzufuhrleitungen 151» 152, 153 und 154 zu der aus Folie· gewickelten Spule 120 vorgesehen. Die jeweiligen Innenleiter 161, 162, 163 und 164 der Koaxialleitungen 151» 152, 153 und 154 sind in gleichen Abständen längs des Umfangs auf der Außenfläche des äußeren nicht magnetischen rohrförmigen Elements 128 "befestigt, und zwar an Stellen, die in Längsrichtung etwa in der Mitte des Elements 128 liegen. Die Koaxialleitungen 151, 152, 153 und 154 sind parallel zum Elektronenstrahl 118 im Raum zwischen dem nicht magnetischen Element 128 und dem ferromagnetischen Rohr 134 angebracht und erstrecken sich durch in gleichem Abstand im kollektorseitigen Polschuh 132 angebrachte Löcher nach außen. Die jeweiligen Außenleiter 171, 172, 173 und 174 der Koaxialleitungen 151, 152, 153 und 154 sind z.B₀ durch Löten mit dem Polschuh 132 verbunden, wodurch sie elektrische Verbindung zum Spulenkörper 122 haben. Sämtliche Innenleiter 161 bis 164 sind mit einer Klemme der Stromquelle 150 verbunden, während sämtliche Außenleiter 171 bis 174 mit der anderen Klemme der Stromquelle 150 verbunden sind.

Die Erfindung ist vorstehend anhand spezieller

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Ausfuhrungsformen erläutert; es sind jedoch mannigfache Abwandlungen möglich, wie sie sich dem Fachmann anMeten, ohne daß damit der Erfindungsgedanke verlassen würde.

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Claims (1)

1. an ZQtoBa

   Hughes Aircraft Company, Centinela and Teale Street, Culver City, California, UoSoA₀

   Patentansprüche;

   Λ ο Elektronenstrahl-IOkussiervorrichtung, insbesondere für Wanderwellenröhren mit Verzögerungsleitung, mit einer das Elektronenstrahlbündel umgebenden, stroradurchflossenen Wicklung, die ein axial gerichtetes Magnetfeld erzeugt, gekennzeichnet durch ein inneres, nicht magnetisches, elektrisch leitfähiges Rohr (22, 122), ein elektrisch leitfähiges Band (24), dessen Breite etwas 3>.geringer ist als die Länge des inneren Rohres (22, 122) und das auf dieses aufgewickelt ist, wobei die innerste Windung des Bandes (24) elektrisch an das innere Rohr (22, 122) angeschlossen istj ein elektrisch isolie„ aes Band (26), das zwischen aufeinanderfolgenden Windungen des leitfähigen Bandes (24) liegt; ein äußeres nicht magnetisches, « elektrisch leitfähiges Rohr (28, 128), das um die äußerste Windung des elektrisch leitfähigen Bandes (24) herum angeordnet und an diese elektrisch angeschlossen ist; zwei ringförmige ferromagnetische Scheiben (30, 32; 130, 132), die an gegenüberliegenden Enden des inneren Rohres (22, 122) befeatigt u&ä mit diesen elektrisch verbunden sind und sich radial nach außen bis über das äußere Rohr (28, 128) hinaus

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   erstrecken; ein ferromagnetisoh.es Rohr (34, 134), das an den ferromagnetischen Scheiben (30, 32; 130, 132) befestigt und mit ihnen elektrisch verbunden ist und das- äußere elektrisch leitfähige Rohr (28, 128) mit Abstand umschließt; und eine Stromquelle (50, 150), die einerseits an das äußere elektrisch leitfähige Rohr (28, 128) und andererseits an das ferromagnetische Rohr (34, 134) gelegt ist.

   Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des elektrisch leitfähigen Bandes (24) wesentlich geringer ist als die Dicke des äußeren elektrisch leitfähigen Rohres (28, 128) und mindestens eine Größenordnung kleiner ist als die Dicke des inneren elektrisch leitfähigen Rohres (22, 122).

   Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das ferromagnetische Rohr (34) eine Anzahl Von gleichmäßig über den Umfang verteilten, radial nach außen gerichteten Löchern (46, 48) enthält, die gleichen axialen Abstand vom einen Stirnende des ferromagnetischen Rohres (34) haben, daß die Stromquelle (50) mit ihrem einen Pol durch eine Anzahl elektrischer Leitungen (42, 44), die durch die Löcher (46, 48) hindurchgehen, mit auf dem Umfang der Außenfläche des äußeren elektrisch leitfähigen Rohres (28) gleichmäßig verteilten Punkten ■ verbunden ist, und daß auf der äußeren Umfangsfläche deslferromagnetischen Rohres (34) ein elektrisch leitfähiger Ring

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   befestigt und mit dem Rohr (34) und dem anderen Pol der Stromquelle (50) elektrisch verbunden ist.

   Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichne t , daß eine der ferromagnetisehen Scheiben (132) eine Anzahl von gleichmäßig über den Umfang verteilten, sich in Längsrichtung erstreckenden Löchern hat, die - radial gesehen - zwischen dem äußeren elektrisch leitfähigen Rohr (128) und dem ferromagnetisehen Rohr (134) liegen und zur Durchführung einer Anzahl von Koaxialleitungen (151, 152, 153, 154) dienen, die sich in den Raum zwischen dem äußeren elektrisch leitfähigen Rohr (128) und dem ferromagnetischen Rohr (134) erstrecken, und deren Innenleiter (161, 162, 163, 164) elektrisch in gleichmäßig auf den Umfang verteilten Punkten der Außenfläche des äußeren elektrisch leitenden Rohres (128) in gleichem axialem Abstand von der ferromagnetischen Scheibe (132) an dieses angeschlossen und sämtlich mit dem einen Pol der Stromquelle (150) verbunden sind, während die Außenleiter (171, 172, 173, 174) elektrisch leitend mit der ferromagnetischen Scheibe (132) sowie sämtlich mit dem anderen Pol der Stromquelle (150) verbunden sind.

   Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch leitfähiger Ring (136) auf der äußeren Umfangsfläche des ferromagnetischen Rohres (134) in der Fähe der ferromagnetischen Scheibe (132)

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   angebracht und elektrisch mit der Umfangsflache verbun den ist.

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