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Sichtbares Licht emittierender Strahlungsverstärker in Form eines'von
einem elektrischen Gleichfeld beaufschlagten Leuchtschinnes Zusatz zum Patent:
1 J6 429 Die Erfindung bezieht sich auf einen durch einfallende unsichtbare
oder sichtbare Strahlungsenergie anregbaren, sichtbares Licht emittierenden Strah-Jungsverstärker
in Form eines Leuchtschirmes, auf dessen eine Breitseite die zu verstärkende Strahlung
gerichtet ist, dem ferner eine elektrisches Gleichfeld aufgeprägt ist, das von der
genannten Breitseite aus in das Schichtinnere hinein gerichtet ist, und dessen Leuchtschicht
aus einem zusammenhängenden, homogenen, kornfreien Leuchtstoff besteht, nach dem
Hauptpatent 1136 429.
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Dieser im Hauptpatent vorgeschlagene Strahlungsverstärker wird dadurch
verbessert, daß die Leuchtschicht gemäß der Erfindung kristallin ist.
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Die aus Zinksulfid, Cadmiumsulfid, Zinkselenid oder Cadmiumselenid
bestehende oder diese Stoffe enthaltende Leuchtschicht kann gemäß der Erfindung
mit einem Halogen und Mangan, Arsen oder Phosphor aktiviert sein. Vorzugsweise können
die Aktivatoren gemäß der Erfindung in folgenden Mengen enthalten sein:
1. je 0,1 bis 5 Gewichtsprozent Mangan und Halogen oder 2.
je 0,01 bis 1 Gewichtsprozent Arsen und Halogen oder 3. je 0,01
bis 1 Gewichtsprozent Phosphor und Halogen.
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Zur Verstärkung von Röntgenstrahlen kann die Dicke der Leuchtschicht
gemäß der Erfindung 25 bis 100 #t und zur Verstärkung von ultravioletten
und sichtbaren Strahlen 1 bis 25 li betragen.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung seien die Figuren näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt schematisch einen angestrahlten Leuchtschirm;
F i g. 2 ist eine Auftragung der Helligkeit des erregten Leuchtschirms in
Abhängigkeit von der Feldstärke des anliegenden Gleichfeldes (Abszisse in V/cm;
Ordinate in Fuß Lambert); F i g. 3 ist ein Querschnitt durch deia Leuchtschirin
während des Betriebes.
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Die in den F i g. 1 und 3 dargestellte Anordnung enthält
wie im Hauptpatent eine durchsichtige Grundplatte 3, die z. B. aus Glas,
Glimmer, Quarz oder einem anderen durchsichtigen Material bestehen kann und als
Träger dient. Auf dieser Grundplatte befindet sich eine durchsichtige leitende Schicht
4, dann eine Leuchtstoffschicht 5 und schließlich eine dünne, metallisch
leitende Schicht 6. An der Leuchtstoffschicht 5 liegt ein elektrisches
Gleichfeld, das durch die Batterie 7 erzeugt wird.
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Die leitende Schicht 4 kann z. B. aus Zinnoxyd bestehen, vorzugsweise
wird jedoch eine dünne Schicht Titandioxyd verwendet. Die Schicht 4 kann eine Dicke
von etwa 0,1 bis 1 #t haben, jedoch ist die Dicke nicht sehr kritisch.
Sie soll so dünn sein, wie dies mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit vereinbar
ist, und höchstens so dick sein, daß die Durchsichtigkeit noch ausreicht. Eine Titandioxydschicht,
die an sich nicht sehr stark leitet, kann durch Niederschlag einer fotoelektrischen
Leuchtstoffschicht leitend gemacht werden, oder sie kann auch durch ein Verfahren
leitend gemacht werden, das in der USA.-Patentschrift 2 717 844 beschrieben
ist.
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Die Leuchtstoffschicht 5 kann aus einem Leuchtstoff bestehen,
der die Erscheinung der Elektrofotolumineszenz zeigt. Diese Erscheinung ist z. B.
in dem Aufsatz »Unique Phosphors that amplify Light« von D. A. Cusano und
F. E. Williams in der Zeitschrift »General Electric Review« vom September
1956, S. 20, beschrieben.
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Die Erscheinung der Elektrofotolumineszenz wird z. B. bei einer zusammenhängenden
homogenen, kristallinen und kornfreien Leuchtstoffschicht aus einem ZinkeadmiumsulfoselenkUeuchtstoff
beobachtet, der mit einem Aktivator aktiviert ist. So kann z. B. die Leuchtstoffschicht
5 ein Sulfid oder ein Selenid
von Zink, Cadmium oder eine
Mischung von Zink und Cadmium sein, die mit etwa 0,1 bis 5 Gewichtsprozent
Mangan und einem Halogen, vorzugsweise Chlor, aktiviert ist; der Leuchstoff kann
auch 0,01.
bis 1 Gewichtsprozent Phosphor und ein Halogen, vorzugsweise
Chlor, oder Arseri und ein Halogen, vorzugsweise Chlor, enthalten. Bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel besteht die Schicht 5 aus einem zusammenhängenden kristallinen,
homogenen, durchsichtigen, komfreien Leuchtstoff aus Zinksulfid, das entweder mit
0,5 bis 2 Gewichtsprozent Mangan und Chlor, mit 0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent
Phosphor und Chlor oder nüt 0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent Arsen und Chlor
aktiviert ist.
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Die Schicht 5 kann durch die chemische Reaktion von Dämpfen
der Leuchtstoffkationen und der Aktivatoren mit einem Gas, welches Leuchtstoffanionen
enthält, hergestellt werden, wie es in der USA.-Patentschrift 2 685 530 beschrieben
ist.
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Nach einem Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens wird die Grundplatte,
3 mit einer dünnen Schicht 4 aus Titandioxyd versehen und in einer Reaktionskammer
aufgehängt. Sie wird in der evakuierten Kammer auf eine Temperatur zwischen
500 und 700' C, vorzugsweise auf etwa 620' C, erhitzt. Ein
Material, das die Leuchtstoffkationen enthält, z. B. Zink, einer halogenhaltigen
Zinkverbindung, z. B. Zinkchlorid, und ein Leuchtstoffaktivator, z. B. Manganchlorid,
werden kontinuierlich in die Verdampfungskammer, in der sich der Schirm befindet,
eingeführt, wobei diese Materialien in der Kammer verdampft werden. Die Dämpfe der
Leuchtstoffkationen, des Halogens und des Leuchtstoffaktivators steigen auf und
mischen sich mit Dämpfen eines Gases, welches die Leuchtstoffanionen enthält. Das
Gas und die Dämpfe reagieren chemisch an der Oberfläche der erhitzten Grundplatte
und schlagen sich in Form einer dünnen, durchsichtigen, zusammenhängenden, kristallinen,
kornfreien 1-P-uchtstoffschicht nieder.
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Der Vorgang des Abdampfens der Leuchtstoffschicht 5 wird mit
vorgeschriebener Geschwindigkeit während einer bestimmten Zeit durchgeführt, so
daß die, gewünschte Dicke der Schicht auf der Grundplatte 3 entsteht. Die
Leuchtstoffschicht 3 kann eine Dicke von 1 bis 25 g haben,
wobei für Bestrahlung mit ultraviolettem oder sichtbarem Licht eine Dicke von
10 bis 15 #t wünschenswert ist, obwohl auch andere Schichtdicken
verwendet werden können. Wenn die Strahlungsquelle 1 in F i g. 1 Röntgenstrahlen
aussendet., kann die Dicke der Leuchtstoffschicht etwa 25 bis 100.ut betragen.
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Bezüglich der Bedampfungszeiten und der Herstellung der leitenden
Schicht 5 wird auf das Hauptpatent verwiesen.
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Beim Betrieb der Vorrichtung wird eine Gleichspannungsquelle an die
Klemmen 8 und 9 angeschlossen, die zu den Schichten 6 bzw.
4 führen. Beim Betrieb mit ultraviolettem oder sichtbarem Licht und einer Schichtdicke
des Leuchtstoffes von 10 u hat die Spannungsquelle 7 etwa
100 Volt. Beim Betrieb mit Röntgenstrahlen, bei dem die Schicht
5 eine Dicke von 100 ' tt. hat, kann die Spannungsquelle eine Spannung
von etwa 1000 Volt liefern. Diese Spannungen liegen wesentlich niedriger
als die bei der elektronischen Bildverstärkung.
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Die elektrofotolumineszenten Leuchtstoffschichten gemäß der Erfindung
unterscheiden sich von elektrolumineszenten Zellen, die gewöhnlich andere Aktivatoren
benutzen und bei denen gewöhnlich ein Leuchtstoffpulver in einem Dielektrikum suspendiert
ist. Die elektrofotolumineszente Schicht 5 zeigt nur ein schwaches Leuchten.
wenn das elektrische Feld angelegt wird und keine Strahlung auf die Schicht auftrifft.
Dies wurde bis zu Feldstärken von 10-5 Volt/cm festgestellt. Eine solche
Leuchtstoffschicht wird durch auffallende Strahlung zum Leuchten gebracht. Das Leuchten
ist stets schwächer als die Intensität der einfallenden Strahlung. Wenn jedoch ein
elektrisches Gleichfeld der richtigen Polarität in der ober beschriebenen Weise
an die elektrofotolumineszierende Schicht angelegt wird, dann nimmt das Leuchten
wesentlich zu; es wurde festgestellt, daß es die Intensität derjenigen Leuchtwirkung
um mehrere Größenordnungen übertrifft, die sich ohne elektrisches Feld ergeben würde.
Wichtiger ist aber noch, daß die Intensität der Emission um eine Größenordnung größer
als die Intensität der einfallenden Strahlung ist. Man erhält daher tatsächlich
eine wirksame Verstärkung der Strahlungsenergie Das in F i g. 2 dargestellte
Diagramm entspricht der F i g. 3 des Hauptpatentes. Die Verstärkungswirkung
des Schirmes, die gemäß der Erfindung eintritt, kann aus einer Betrachtung der Kurven
B und D in F i g. 3 abgeleitet werden. Die Kurve B stellt die Helligkeit
des Schirmes 2 dar, wenn dieser bei 3650 A
erregt wird. Wenn kein elektrisches
Feld angelegt ist, ergibt sich für den Helligkeitswert die gestrichelte Linie
A. Die Kurve D zeigt den Wert für die voll wiedergewonnene einfallende
Energie, wenn die betreffende Vorrichtung mit einer Wellenlänge von 3650A
erregt wird. Die Tatsache, daß die Kurve A
bei angelegten Feldstärken von
mehr als etwa 3 - 101 Volt/cm diesen Betrag wesentlich übersteigt, zeigt
graphisch, daß tasächlich eine Bildverstärkung eintritt.
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Die Lichtverstärkungsschirme gemäß der Erfindung sind also keine einfachen
elektrolumineszenten Zellen oder einfache fotolumineszente Schirme. sondern es handelt
sich um Schirme, welche die in Strahlungsform aufgenommene Information verstärken,
wenn sie gleichzeitig der Strahlung und einem elektrischen Gleichfeld ausgesetzt
sind.
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Dabei kommt es auf die Beschaffenheit der Schicht 5
an. Besonders
günstige Eigenschaften ergeben sich, wenn die Schicht kristallinen Charakter hat.
Da die Schicht vollständig aus dem Leuchtstoffniaterial besteht, kommt es zu einer
innigen Berührung zwischen dem Leuchtstoff und den Elektroden 4 und 6, Es
wird angenommen, daß die lichtverstärkenden Eigenschaften des Schirmes gemäß der
Erfindung auf eine Photonenvervielfachung zurückzuführen sind. Man nimmt an, daß
die einfallende Strahlung die bereits bestehende elektrische Feldstärke in der Nähe
der Kathode erhöht, so daß eine große Zahl von freien Elektronen von der Kathode
her injiziert werden, d. h. von der negativen Metalielektrode, die mit dem
Leuchtstoff in Berührung steht. Diese Elektroden erregen unter der Einwirkung des
starken elektrischen Feldes Aktivationszentren in dem Leuchtstoff, so daß eine weit
größere Zahl von Photonen frei gemacht werden als auffallen. Eine solche Photonenvervielfachung
kann mit den üblichen in einem Dielektikum suspendierten Leuchtstoffen nicht erzeugt
werden, weil dort keine bomogene, kristalline Schicht mit gleichmäßigen elektrischen
Eigenschaften vorhanden ist, und weil auch keine innize Berühruniz zwischen
den
Elektroden und den Leuchtstoffteilchen stattfindet. Die üblichen Leuchtstoffschichten,
bei denen ein Pulver in einem Dielektrikum suspendiert ist, haben daher bisher nicht
die lichtverstärkenden Eigenschaften des Schirmes der Erfindung gezeigt.