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Elektrofotografische Röntgenaufnahmeeinrichtung Elektrofotografische
Einrichtung für die Aufnahme von Bildern mit durchdringenden Strahlen, insbesondere
Röntgenstrahlen, die zwischen einer ersten und einer zweiten flächenhaften Elektrode
eine Isolierschicht und eine flaibleiterschicht enthält.
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hlicherweise werden Pöntgenaufnahmen mit Halogensilberfilmen hergestellt.
Diese Filme sind aber nicht unbegrenzt haltbar, weil durch laufende natürliche trahleneinwirkung
eine fortschreitende Vorbelichtung erfolgt, die das Material unbrauchbar macht.
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Außerdem erfordern diese filme zur Sichtbarmachung des latenten mildes
eine Naßentwicklung und -fixierung mit anschließendem Trokkenprozeß, was zu einer
erheblichen Verzögerung zwischen Bildaufnshme und -wiedergabe führt. Bei der Filmentwicklung
muß Uberdies das Tageslicht ferngehalten werden, d.h. es ist eine Dunkelkamner erforderlich.
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Hin Aufnahmeverfahren, bei dem die vorgenannten Nachteile zum Teil
vermieden sind, ist das xeroradiografische Verfahren. Bei diesem einschlägigen elektroradiografischen
Prozeß wird in bennter Weise eine Halbleiterschicht benutzt, deren freie Oberfläche
man, etwa mit einer Koronalentladung, gleichförmig auflädt. bieser Pufladevorgang
stellt eine Sensibilisierung der Halbleiterschicht dar. Anschließend wird diese
der aufzunehmenden Strahleneinwirkung ausgesetzt. hierbei verschwindet die an den
belichteten Teilen haftende Ladung, so daß auf der .chlchtoberfläche ein elektrostatisches
Bild entsprechend den Hell-Dunkel-Partien des Originals erzeugt wird. Entwickelt
wird mit trockenen Substanzen, die weitgehend automatisch aufgestäubt werde. Allerdings
müssen
auch diese sensibilisierten und belichteten fotoleitenden Schichten wie die bekannten
Folienfilme im Dunkeln entwickelt werden, darrit die elektrostatische Bildinformation
auf der tialbleiteroberfläche bis zur Beendigung des Entwicklungsvorganges bestehen
bleibt. Aus den; gleichen Crund nuß die Halbleiterschicht im Dunkeln einen extrem
hohen Isolationswiderstand (# 1015# cm) aufweisen. Gegenüber der Einwirkung von
Röntgenstrahlen muß sie hinreichend empfindlich sein, d.h. ihre Leitfähigkeit muß
sich, bei sehr geringen Strahlenmengen beginnend, proportional der Strahleneinwirkung
ein Bereich von 0 bis 1 Milliröntgen (mR) soweit ändern, daß diese Änderung auch
entwickelbar ist. Solche Substanzen mit hohem spezifischen Widerstand und ausreichender
Empfindlichkeit sind fUr das Röntgengebiet bisher nicht bekannt. Bei den vorhandenen
Fotoschichten, die aus Se, ZnO bzw. ZnCdS und einem rinder bestehen, sind Rönt nempfindlichkeit
und Dunkelwiderstand zu gering, um Bilder ausreichender qualität mit den derzeit
in der Röntgendiagnostik (Größenordnung 1 mR) herstellen zu können.
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ei einem anderen elektroradiografischen Verfahre1 werden auf eine
isolierfolie die Ladungen einer durch Röntgenstrahlen gesteuerten Entladung aufgefangen.
Minterher wird wie in der Xeroradiografie etwa durch I3estäuben mit geladenen Pulvertellchen
ein sichtbares Bild erzeugt. Dabei zeigte sich schon unter Laboratoriumsbedingungen,
daß mit einer Dosis von 9 mR r?öntgenbilder guter Auflösung erhalten werden. Die
Gradation, die beim gewöhnlichen Röntgenfilm 2 bis 3 beträgt, konnte hier jedoch
nur bis auf 0,7 gebracht werden. Nachteilig wirkt sich auch aus, daß die mechanischen
Toleranzen des kondensatorartigen Aufbaues sehr klein sind, da man bei der Casentladung
zur Erzielung der erforderlichen Gradation innerhalb des Proportionalbereiches der
steilen Verstärkerkennlinie bleiben muß.
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Die Erfindung het sich demgegenüber die Aufgabe gestellt, ein neues
System zur Herstellung von Röntgenbildern zu finden, bei dem die obengenannten 1
achteile (hohe Anforderungen an die Speicherfähigkeit und Toleranz) nicht auftreten.
Es sollen Halbleiter auch dann Verwendung finden können, wenn sie neben hoher Röntgenempfindlichkeit
nur geringe Speicherfähigkeit besitzen.
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Die Bedingungen, die an das neue System gestellt werden, lauten: Der
Dosishedarf je Aufnahme darf bei medizinischen Aufnahmen wegen der Dosisbelastbarkeit
der Patienten nicht wesentlich höher als 1 mR sein; eine Auflösung von vier bis
sechs Perioden pro m (Per/mm) ist anzustreben; die Gradation soll möglichst hoch
sein, und echte Halbtonwiedergabe zu erhalten, der Schleier xtntergrund) soll so
niedrig wie möglich gehalten werden; Lildstörungen dürfen nicht auftreten, um medizinische
Fehlschlüsse auszuschließen; das Material, auf dem die Bilder entstehen, soll keine
permanente Strahlenempfindlichkeit aufweisen und überdies große Lebensdauer haben.
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Erfindungsgen:äß ist eine elektrofotografische Aufnahmeeinrichtung,
bestehend aus einer ersten und einer zweiten Elektrode, zwischen denen sich eine
Hl-Schicht und eine Isolierschicht berinden, dadurch gekennzeichnet, daß an der
ersten Elektrode die T«81bleiterschieht liegt, deren freie Cberfläche trit der Isolierschicht
bedeckt ist, an die sich bis zur zweiten Elektrode hin ein Zwischenraum anschließt,
der mit einem ionisierbaren Cas gefüllt ist und daß an die Elektroden eine Spannungsquelle
angelegt ist, die ein derartiges Feld erzeugt, daß die ionisierbare Gasstrecke des
Zwischenraumes im Sättigungsgebiet der Gasentladung betrieben wird.
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Ausführliche Berechnungen zeigten, daß diese Einrichtung die Forderung
nach ausreichender Röntgenempfindlichkeit erfüllt, wobei von Vorteil ist, daß der
Halbleiter wegen der zusätzlichen Isolierschicht
kein extrem hohes
Isolationsvermögen aufweisen muß und daß andererseits die Genauigkeitsforderungen
an die Gasstrekke bezüglich des geometrischen Aufbaus geringer sind, weil im Sättigungsgebiet
der Kennlinie der Gasentladung gearbeitet wird.
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Die Aufgabe der Gasstrecke besteht lediglich darin, der Isolierschicht
eine Ladung zuzufUhren, derer Größe von der Leitfähigkeit der Halbleitschicht abhängt.
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Die Erfindung unterscheidet sich von den bekannten Verfahren hauptsächlich
dadurch, daß a) die fotoleitende Schicht beim Xeroxverfahren durch eine dielektrische
Doppelschicht am Isolator und röntgenempfindlichen Halbleiter ersetzt ist, b) das
latente ild durch einen bildhaften Aufladevorgang auf der hochohmigen Isolatorschicht
entsteht, im Gegensatz zum bildhaften Entladungsvorgang beim Xeroxverfahren, so
daß der laildauSbau dem Negativ des Xeroxverfahrens entspricht und somit der Bildeindruck
den des Röntgenfilms analog ist, cE der Aufladevorgang über eine Gasentladung lediglich
während der Dauer der Röntgenbelichtung erfolgt, also kein örtliches Nacheinander
von Aufladung und Belichtung (Entladung, wie beirn Xeroxverfahren stattfindet.
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Durch Einzufügung der Isolatorschicht zur Halbleiterschicht wird der
spezifische Widerstand dieser Schichtanordnung um Größenordnungen erhört gegenüber
den spezifischen Dunkelwiderstand der Halbleiterschichten, die für das normale Xeroxverfahren
zur VerfUgung stehen. Damit wird aber die r;ildspeicherfähigkeit erhöht.
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Der spezifische Dunkelwiderstand des Halbleiters ist nur während der
Belichtung, die in der Regel höchstens etwa eine Sekunde beträgt, für die iXildentstehung
maßgebend, die nur innerhalb dieser kurzen Zeit den spez. Widerstand den Aufladevorgang
beeinflußt.
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Beim Xeroxverfahren rührt die Berechnung der geforderten Halbleiterwiderstände
zu einer Größenordnung von io15Dcm. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dagegen
nur ein Widerstand von 1012 # cm notwendig, weil die Speicherung auf der Isolierschicht
erfolgt. Wegen dieser Verringerung um drei Zehnerpotenzen ist die Auswahl an möglichen
Halbleitern stark vergrößert.
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Der tlalbleiter braucht über die Belichtungszeit hinaus im Gegensatz
zum Xeroxverfahren nicht speicherfähig zu sein. Vielmehr führt eine Nachbelichtung
des Halbleiters, die mittels Strahlung längere Wellenlänge entsprechend der optischen
Absorptionsbande vorgenommen werden kann, zu einer @ildverbesserung (höherer Kontrast-,
größerer Objektumfang), da hierbei die Restladungen in Halbleiter verschwinden,
die sich der Oberflächenladung der Isolierschicht ungünstig überlagern.
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Für vorliegendem Fall ist etwa Quecksilber (Hg@2), welches einen spez.
Widerstand von einigen io12D cm erreicht, ein geeigneter Potoleiter. Die zugehörige
Isolatorschicht kann aus einem Kunststoff wie etwa Siliconharz bestehen.
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Das Verhältnis der Schichtdicken von Isolator (d@) und IIalbleiter
(dM) sowie deren Dielektrizitätskonstante (En, S@) beeinflussen die Bildqualität,
desgleichen der Widerstand der Gasstrecke (RK). Hierfür gilt, daß das Verhältnis
#@ . dn/ #n . dj größer zwei und kleiner fünf und daß RK/RD # 0,1 (RD = Dunkelwiderstand
des Halbleiters) sein sollten. Die Halbleitereigenschaf-* ten (HE), definiert durch
den Ausdruck µ . #/#@ (µ = Be-* weglichkeit der Ladungsträger und # = deren Lebensdauer
µ*= Massenschwächungskoeffizient
fUr Röntgenstrahlung), beträgt
bei einer Patientendosis von 1 ni und einer Aufladung der Isolatoroberfläche auf
10-@ As/cm² etwa 10-5cm/V (Xerox) bzw. 10-4 cm/V (erfindungsgemäßes Verfa}iren),
was einer Ladungsträgerausbeute von 3000 Elektronen/Quant (El/Cu.) beim Xeroxverfahren
und 6000 El/Cu. beim erfindungsgemäßen Verfahren entspricht. Die Forderung an die
IfE ist demnach beim errindungsgeniäßen Verfahren doppelt so hoch wie beim Xeroxverfahren.
Es existieren jedoch Halbleiter die bei 1012#cm Dunkelwiderstand die erforderliche
HE von 1O4cm/V erfüllen Hg.2, CdSe, CSt-, CdS) andererseits fehlen Halbleiter für
das Xeroxverfahren, die bei 1015#cm die HE 10-5cm/V besitzen (z.B. Se mit HE# 10-6
cm/V).
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Das erfindungsgemäße Verfahren kommt somit hinsichtlich der Gesamtforderung
an die Halbleiterschichten dem Xeroxverfahren zunindest gleich. Die größere Speicherfähigkeit
und die Möglichkeit, auch halbleiter verwenden zu können, deren spezifischer Dunkelwiderstand
um drei Zehnerpotenzen geringer ist als bei denlenigen Halbleitern, die beim Xeroxverfahren
verwendet werden müssen, stellt einen großen Vorteil der Erfindung dar.
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Zum Unterschied von den genannten Verfahren, bei dem die Ladungen
eine Gasverstärkung mit einer der Strahlung proportionalen Entladung auf die Bildschicht
gesammelt werden, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren im Sättigungsgebiet der
Gasenladung gearbeitet.
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Dadurch lassen sich hohe Genauigkeitsforderungen an den Aufbau, wie
sie im Proportionalbereich der Gasverstärkung eingehalten werden nüssen, vermeiden.
Die erforderliche Gleichmäßigkeit der Aufladung der Isolierschicht wird ohne besondere
Vorkehrungen an die Gasstrecke erzielt, weil die Stromdichte von der Feldstärke
unabhängig ist. Auch in diesem Punkt ist das neue Verfahren somit vorteilhafter.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend im Zusammenhang
mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
der
Erfindung abgehandelt.
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Das allseitig geschlossene Gehäuse 1 besitzt einen mit einem @ahn
verschließbaren Anschlußstutzen 2 zur Zuführung des ionisierbaren Gases, welches
das Gehäuse 1 durchspült und bei dem Stutzen 3 wieder austritt. Di obere große Fläche
des Gehäuses 1 ist mit einer 1 mm starken Aluminiumplatte 4 als erster Elektrode
strahlungsdurchlässig abgedeckt. Deni Gehäuseinneren zugewandt befindet sich an
dieser Platte 4 die Iialbleiterschicht 5, die aus Casiumiodid besteht und etwa 120
/u stark istO Im definierten Abstand, d. h. 4 m von der Isolatorschicht 6 entfernt
befindet sich im Innern des Gehäuses 1 ein Gitter aus 0,1 mm starken Nickeldraht
als zweite Elektrode 7 mit einer lichten Maschenweite von 1 weil und in weiterer
Abstand von 15 mr liegt als zusätzliche Elektrode 8 noch ein Gitter aus dem gleichen
Material zur Erzeugung der erforderlich Koronaentladung. Die Maschen des Gitters
8 Haben eine Weite von 4 mm. Die Drähte des Gitters 7 kreuzen diejenigen des Gitters
8 unter einen Winkel von 45° ])ie Elektrode 7 ist mit dem positiven Pol der 0,5
bis 1,5 kV liefernen Gleichstromquelel 9 verbunden, deren negativer Pol an der Aluminiumplatte
4 liegt, die über die Leitung 11 geerdet ist. Die weitere Gleichstromquelle 10,
die 5 bis o: kV liefert, liegt mit ihrem positiven Pul der Elektrode 8 und mit ihrem
negativen Pol ebenfalls an der Aluminiumplatte 4. Die Elektrode 8 ist außerdem mit
dem den Boden des Gehauses 1 als leitenden Belag £ abdeckenden 1 mm starken Aluminiumblech
verbunden, welches vom Gitter der Elektrode £ einen Abstand von 3 mm hat.
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Die Abbildung des Objektes im dargestellten Fall der Bleistückchen
12 erfolgt durch Bestrahlung mittels der Röntgenröhre 1), die in bekannter Weise
betrieben wird. Dabei wird einerseits in der Halbleiterschicht 5 die Leitfähigkeit
in Abhängigkeit von aer Strahleneinwirkung verändert, derart, daß sie an den Stellen,
an denen die j3leistücke 12 abschatten, geringer sind als an den
übrigen
bestrahlten Stellen. Andererseits wird durch die angelegten Spannungen an den Elektroden
7 und 8 eine Ionisierung des durch den Stutzen 2 eingefUhrten Gases erzeugt, die
unabhängig von der otrahleneinwflrkung ist. Als Gas ist im dargestellten Beispiel
Kohlendioxyd eingefüllt. Es sind aber auch andere bekannte selbstlöschende Gasgemische
verwendbar.
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Die positiven und negativen ionisierten Teilchen, geführt durch das
angelegte elektrische Feld> ergeben auf der Isolatorschicht 6 aufgrund der strahlenabhängigen
Leitfähigkeit des Halbleiters ein Ladungsmuster. Dies ist durch die Verteilung der
+ Zeichen an der Schicht 6 symbolisiert.
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Das Ladungsbild kann in der bei der Xerografie üblichen Weise etwa
durch bestäubten mit einem durch Erhitzen fixierbaren Farbpulver sichtbar gemacht
werden. Das Pulverbild kann dann z.B. mittels einer durchsichtigen Klebefolie abgelöst
werden.
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In Abb. 2 sind die speziell für die Röntgenstrahlung berechneten Aufladekurven
dargestellt. Aufgetragen ist die relative Oberflächenladung in Abhängigkeit von
der eingestrahlten Dosis in der Einheit mR. Als Parameter fungieren das Kapazitätsverhältnis
C/Ch = 2 und die Zeitkonstante RK . CH = 0,1 . Das Verhältnis RK/RD wurde 0,01 gesetzt.
t diesen Größen arbeitet das Verfahren nahezu optimal. Die zu den einzelnen Kurven
gehörenden Wertepaare stellen dar die HE in µ . # . µ*/# und die hierzu in Beziehung
stehende Elektronenausbeute/Quant (El/Qu). Die genannte Forderung nach 1 mR Dosis
leistung für die Patientenaufnah--4 me bedingt hiernach, wie schon erwähnt, eine
HE = 10 cm/V und eine Elektronenausbeute von 6000 El/Qu. Da maximal etwa 10.000
El/Qu bei 50 keV Röntgenstrahlung (ICRU-Strahlung) erwartet werden deren, ist die
Anwendung des Verfahrens in der Röntgendiagnostik auch aus physikalischer Sicht
möglich.