DE1078250B - Photoleitungs-Elektrolumineszenz-Festkoerper-Bildwandler - Google Patents

Description

• Photoleitungs-Elektrolumineszenz-Festkörper-Bildwandler Die Erfindung bezieht sich auf Bildverstärker und betrifft insbesondere eine Anordnung, bei der die Eigenschaft der Elektrolumineszenz zur Erzeugung eines Lichtbildes Verwendung findet, das eine verstärkte Wiedergabe der Feldverteilung eines Strahlungsfeldes ist. Als Beispiel sei die Erzeugung eines Lichtbildes eines von Röntgenstrahlen durchleuchteten Körpers auf einem Schirm genannt, das um ein :Mehrfaches heller als das von einer üblichen Röntgenröhre erzeugte Bild des gleichen Körpers ist.
• Unter Elektrolumineszenz versteht man die Eigenschaft mancher Körper, unter dem Einfluß einer sich ändernden elektrischen Feldstärke Licht auszusenden. Solche Stoffe sind beispielsweise geeignet behandeltes Zinksulfid, Kadmiumsulfid und Siliziumkarbid. Die Lichthelligkeit an jeder Stelle ist annähernd proportional der momentanen Änderungsgeschwindigkeit der Feldstärke, und das Licht verschwindet, wenn die Änderung der Feldstärke aufhört.
• Es ist bereits ein Bildwandler vorgeschlagen worden, der zwei strahlendurchlässige Elektroden besitzt, zwischen denen sich eine Elektrolumineszenz- und eine Photowiderstandsschicht befinden. Ferner hat man vorgeschlagen, zwischen diesen beiden Schichten eine Zwischenlage aus einem Werkstoff vorzusehen, der eine Rückwirkung der Elektrolumineszenzschicht auf die Photowiderstandsschicht verhindert. Über die elektrischen Eigenschaften dieser Zwischenschicht ist jedoch dem früheren Vorschlag nichts zu entnehmen.
• Gemäß der Erfindung ist ein Bildwandler, der eine lichtdurchlässige leitende Schicht, eine Zwischenschicht, eine Elektrolumineszenzschicht, eine photoleitende Schicht und eine für die Strahlung durchlässige Schicht geringen Widerstandes in dieser Reihenfolge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht sehr dünn ist und aus hochohmigem Werkstoff besteht. Vorzugsweise sind die lichtdurchlässige Schicht und die Schicht aus einem Material hohen Widerstandes elektrisch miteinander verbunden und an die eine Klemme einer Gleichstromquelle angeschlossen, deren andere Klemme an der strahlendurchlässigen Schicht geringen Widerstandes liegt.
• Zur Verstärkung der Lichtwirkung beim Einfall einer bestimmten Strahlungsmenge können mehrere erfindungsgemäße Schichtgruppen aus lichtdurchlässiger leitender Schicht, Elektrolumineszenzschicht, hochohmiger Zwischenschicht und Photowiderstandsschicht übereinandergelegt sein, ähnlich wie es bei Photovervielfachern an sich bekannt ist.
• Die Erfindung soll im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen und den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Bildverstärkers nach der Erfindung in seiner Anwendung in einem Röntgenapparat, Fig. 2 eine vergrößerte Einzelheit eines Teiles des Gegenstandes der Fig. 1, Fig.3 eine Schemaschaltung des erfindungsgemäßen Apparates zur Verstärkung der Helligkeit eines Lichtbildes, Fig. 4 einen Schnitt ähnlich wie in Fig. 2 einer abgeänderten Ausführungsform mit zwei hintereinander angeordneten Verstärkerschichten.
• Nach der Zeichnung ist ein Schirm 1, vorzugsweise aus Bleiglas, mit einer Schicht 2 aus gut leitendem Material überzogen, das für Licht der Wellenlänge durchlässig ist, welche durch zeitliche Änderung des Spannungsgradienten in einer Schicht 3 aus elektrolumineszierendem Material erzeugt wird. Die Schicht 2 kann beispielsweise aus einem handelsüblichen Material bestehen, während die Schicht 3 aus Zinksulfid besteht, welches zur Erzeugung der Elektrolumineszenz nach dem in »Philosophical Magazine«, Oktober 1947, B. 38, S. 700, beschriebenen Verfahren behandelt ist.
• Die Elektrolumineszenzschicht 3 ist mit einer hochohmigen Schicht 4 überzogen, die beispielsweise aus sehr dünn aufgetragenem Kohlenstoff besteht. Diese hochohmige Widerstandsschicht 4 wird mit einer Schicht 5 aus photoleitendem Material, beispielsweise aus Kadmiumsulfid, überzogen, das nach dem in der »Nature« Nr. 4245 vom 25. Juni 1951, S. 812 und 813, beschriebenen Verfahren aufgebracht wird. Die Oberfläche dieser photoleitenden Schicht 5 ist mit einer leitenden Schicht 6 überzogen, welche vorzugsweise eine geringe Absorption für Röntgenstrahlen aufweist und z. B. aus aufgedampftem Aluminium besteht.
• Die ganze Anordnung wird in einem gegebenenfalls evakuierten Gefäß 7 untergebracht. Die Schichten 2 und 4 sind zusammen am Pol einer Gleichspannungsquelle 8 mittels des Zuführungsdrahtes 9 angeschlossen. Die andere Klemme der Quelle 8 liegt über einen Draht 11 an der leitenden Schicht 6.
• Obwohl der Apparat ohnehin zweckmäßig in einer schwach erleuchteten Umgebung verwendet wird, stellt man gewöhnlich die Wandungen des Gefäßes 7 mit Ausnahme der Platte 1 aus lichtundurchlässigem und für Röntgenstrahlen durchlässigem Material her und macht auch die hochohmige Widerstandsschicht lichtundurchlässig. Zur Röntgenstrahlenbildverstärkung wird die Schicht 5 so angeordnet, daß sie im Strahlengang der durch ein Objekt 12 von einer Röntgenröhre 13 kommenden Strahlung liegt.
• Bei Verwendung des Apparates nach Fig. 1 als Bildverstärker wird er in einem verdunkelten Raum aufgestellt, so daß anfangs nur geringe oder keine Strahlung auf die photoleitende Schicht auftrifft. Diese hat dann an allen Stellen einen hohen und ziemlich gleichmäßigen Widerstand. Die Elektrolumineszenzschicht 3 weist dann an allen Punkten den gleichen Spannungsgradienten auf und bleibt überall im wesentlichen dunkel, bis auf den Apparat Strahlung einfällt.
• Wird die in Fig. 1 dargestellte Anordnung durch Röntgenstrahlen oder eine andere Strahlung durch das Gehäuse 7 hindurchbelichtet, so treffen die Photonen auf verschiedene Stellen auf, die über die photoleitende Schicht 5 verstreut sind. Wird ein Photon in der Schicht 5 absorbiert, so wird die elektrische Leitfähigkeit derselben stark vergrößert, aber nur auf einem kleinen Flächenteil der Schirmoberfläche, und zwar in unmittelbarer Nachbarschaft des Auftreffpunktes, da sich die photoleitenden Substanzen gewöhnlich in Form kleiner Kristalle ablagern und die Wirkung des Photons durch die Kristallgrenzen begrenzt ist. Im folgenden wird diese kleine Fläche als »Anregungsstelle« bezeichnet. Wird beispielsweise für die Schicht 5 Kadmiumsulfid in der beschriebenen Weise verwendet, so beträgt die Fläche der Anregungsstelle für ein Röntgenstrahlenphoton der bei medizinischen Durchleuchtungsgeräten üblichen Wellenlänge ungefähr 2 - 10-5 cm2. Findet jedoch ein photoleitendes Material Verwendung, bei dem die Anregungsfläche nicht so- klein ist, daß sich ein feinkörniges Bild ergibt, so wird man das photoleitende Material nicht als zusammenhängende Schicht, sondern als ein Mosaik einzelner Teilchen niederschlagen. Auch in diesem Fall kann die leitende Schicht 6 durch übliche Verfahren aufgebracht werden und erstreckt sich von Teilchen zu Teilchen. Bei den üblichen Verfahren zum Niederschlagen photoleitender Substanzen, mit denen erfindungsgemäß gearbeitet wurde, ergibt sich an sich eine diskontinuierliche Struktur.
• Die Steigerung der - Leitfähigkeit an der »Anregungsstelle« der Schicht 5 führt zu einer Änderung der Strom- und Spannungsverteilung auf der hochohmigen Widerstandsschicht 4 und zu einem entsprechenden plötzlichen Sprung der Feldstärke in dem Teil der Elektrolumineszenzschicht 3, der in unmittelbarer Nähe des Auftreffpunktes des Photons liegt. Die.#:er Sprung- der Feldstärke in der Schicht 3 ruft einen kurzzeitigen Lichtfleck hervor. Dieser Lichtfleck verschwindet natürlich, sobald die Leitfähigkeitssteigerung an der »Anregungsstelle« der Schicht5 durch das Photon aufgehört und die Feldstärke in der Elektrolumineszenzschicht 3 sich stabilisiert hat. jedes Photon erzeugt somit ein kurzes Aufleuchten in der Nähe seines Auftreffpunktes, und für das Auge des durch die Glasplatte 1 blickenden Beobachters entsteht ein Bild der Intensitätsverteilung des Strahlungsfeldes.
• Lediglich die Änderungsgeschwindigkeit der Feldstärke in der Schicht 3 ruft einen Lichtfleck hervor, und die einfallende Strahlung hat nur eine Wirkung, wenn sie impulsartig auftrifft. Wenn die einzelnen Quanten hintereinander auf eine Anregungsstelle auffallen, bevor die Photoleitfähigkeit in der Schicht 5 im wesentlichen verschwindet, so erfährt die Feldstärke in der Elektrolumineszenzschicht 3 keine zeitliche Änderung nach dem Einfallen des ersten Photons mehr, und es entsteht nur ein einziger Lichtblitz in der Elektrolumineszenzschicht 3.
• Dieser unerwünschte Effekt tritt beispielsweise auf, wenn nach Fig. 3 eine Strahlungsquelle 15 für sichtbares Licht Verwendung findet, da im sichtbaren Licht wahrnehmbarer Intensitäten die auf jede Anregungsstelle einfallenden Photonen einander in so kurzen Abständen folgen, daß in der Elektrolumineszenzschicht 3 kein wahrnehmbares Licht erzeugt wird. Diese Schwierigkeit kann dadurch überwunden werden, daß man das Licht unterbricht oder pulsieren läßt, beispielsweise mittels des Zerhackers 14, der das von der Quelle 15 kommende und ein Bild 16 durchsetzende Licht zerhackt (Fig.3).
• Bei den bei der medizinischen Durchleuchtung verwendeten Röntgenstrahlen treffen jedoch bei den üblichen Röntgenstrahlenintensitäten etwa 200 Photonen pro Sekunde auf jede Anregungsstelle auf. Diese Zeitfolge von 200 Photonen pro Sekunde liegt gut innerhalb der Sättigungsperiode in der Größenordnung von 10-4 Sekunden, die für das obenerwähnte Schirmmaterial gefunden wurde. Bei der Röntgendurchleuchtung arbeitet also die oben beschriebene Anordnung zufriedenstellend, ohne daß es einer künstlich hervorgerufenen Pulsierung der Strahlung bedarf.
• Wenn die einfallende zu verstärkende Strahlung die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes hat, müssen die Teile des Gefäßes 7 und die Schicht 6, die die Strahlung bis zum Auftreffen auf die Photoleiterschicht 5 durchdringen muß, für dieses Licht und nicht nur für Röntgenstrahlen durchsichtig sein; in anderer Hinsicht kann für die sichtbare Strahlung die gleiche Vorrichtung Verwendung finden. Da Fernsehempfangsbilder und Filmbilder aus pulsierendem Licht bestehen, kann die im folgenden beschriebene Abänderung zur Verstärkung der Bilder Verwendung finden, ohne daß man den Zerhacker 14 benötigt. Da das in der Elektrolumineszenzschicht 3 erzeugte Licht pulsiert, können ein oder mehrere Lichtverstärker nach Fig. 2 zwischen den durchsichtigen Leiter 2 und die Glasplatte 1 eingesetzt werden, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, wobei die Verstärkungswirkung jeder Verstärkungseinheit beliebig oft in Reihe angeordnet werden kann.
• Da das Licht auf dem Schirm einer gewöhnlichen Durchleuchtungsapparatur wegen seiner Entstehung durch Röntgenstrahlenphotonen pulsiert, kann ein Lichtfeldver stärker ähnlich dem in Fig. 4 Verwendung finden, um das Bild auf dem Fluoreszenzschirm zu verstärken. Falls kein optisches System zur Samm- Jung des Leuchtschirmbildes auf der Photoleiterschicht 5 des Verstärkers verwendet werden muß, soll der Abstand zwischen Leiterschicht 6 und Außenfläche des Gefäßes 7 so klein wie möglich gehalten werden.
• Das auf Elektrolumineszenz behandelte Zinksulfid hat einen hohen Widerstand. Bei gewissen Anwendungen ist es vorteilhaft, dieses Material etwas elektrisch leitend zu machen, beispielsweise durch geeignete Beigabe eines anderen Materials, wie Zinnoxyd, durch das die Feldstärke in der Nähe der Anregungsstelle lokalisiert werden kann. In manchen Fällen kann man dann die hochohmige Widerstandsschicht 4 weglassen.
• Wird die hochohmige Widerstandsschicht 4 durchlässig für das in der Elektrolumineszenzschicht 3 erzeugte Licht gemacht, so hat die Rückkopplung dieses Lichtes zum Photoleiter 5 eine Wirkung, die bei der Verstärkung bestimmter Bildarten wünschenswert sein kann.
• Die Widerstandsschicht 4 ist in Richtung der einfallenden Strahlen so dünn, daß sie für den durch die Photonen ausgelösten Strom keinen merklichen Widerstand zeigt. Dagegen ist es sehr wesentlich, daß quer zu dieser Stromrichtung ein beträchtlicher Widerstand vorhanden ist: Dies gilt insbesondere, wenn bei der Schaltung nach Fig. 1 eine Gleichstromquelle 8 Verwendung findet. Dann ist nämlich die an der praktisch isolierenden Elektrolumineszenzschicht3 stehende Spannung proportional zum Spannungsabfall innerhalb der Schicht 4 zwischen der Anschlußstelle der Stromquelle und dem Auftreffpunkt des betreffenden Photons. Die Empfindlichkeit der Anordnung ist also um so höher, je größer der Querwiderstand der Schicht 4 ist.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Bildwandler mit einer lichtdurchlässigen leitenden Schicht, einer Elektrolumineszenzschicht, einer Zwischenschicht, einer Photowiderstandsschicht und einer strahlendurchlässigen Schicht geringen Widerstandes, die in dieser Reihenfolge angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht sehr dünn ist und aus einem hochohmigen Werkstoff besteht. z. Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchsichtige Schicht (2) und die hochobmige Schicht (4) elektrisch miteinander und mit einer Klemme einer Gleichstromquelle (8) verbunden sind, deren andere Klemme an die niederohmige Schicht (6) angeschlossen ist. 3. Bildwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hochohmige Schicht (4) undurchlässig für das von der Elektrolumineszenzschicht (3) ausgesandte Licht ist. 4. Bildwandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere aus lichtdurchlässiger leitender Schicht, Elektrolumineszenzschicht, hochohmiger Zwischenschicht und Photowiderstandsschicht bestehende Schichtgruppen übereinander angeordnet sind (Fig.4). 5. Bildwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere zur Sichtbarmachung von Röntgenstrahlbildern, dadurch gekennzeichnet, daß die niederohmige Schicht (6) für Röntgenstrahlen durchlässig ist und daß Mittel vorgesehen sind, um die Röntgenbilder auf der photoleitenden Schicht (5) zu entwerfen. 6. Bildwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten in einem Kolben (7) untergebracht sind, der nur in einem der lichtdurchlässigen leitenden Schicht (2) gegenüberliegenden Wandteil (1) für das Licht durchlässig ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 672 616, 968 667.