DE2064466A1

DE2064466A1 - Röntgen oder Gammastrahlen Szintillator, sowie unter Verwendung eines solchen Szintillator hergestellte Detektorschirme und Bildverstarkerrohren

Info

Publication number: DE2064466A1
Application number: DE19702064466
Authority: DE
Inventors: Guy Grenoble Dnard Bertrand Guyot Lucien Paris Roziere, (Frank reich)
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1969-12-30
Filing date: 1970-12-30
Publication date: 1971-07-01
Also published as: GB1311550A; FR2075856A1; US3769059A

Description

101 Bd.Murat, Paris 16e*me, Frankreich

Röntgen-oder Gammastrahlen-Szintillator, sowie unter Verwendung eines solchen Szintillator hergestellte Detektorschirme und Bildverstärkerröhren.

Die Erfindung betrifft Röntgen-oder Gammastrahlen-Szintillatoren.

Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet solcher Szintillatoren sind die Röntgen-oder Gammastrahlen-Bildverstärkerröhren. Deshalb wird die Erfindung in ihrer Anwendung auf solche Röhren beschrieben, doch ist sie nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt, das nur als Beispiel anzusehen ist.

Es sei kurz an das Prinzip der Wirkungsweise solcher Röhren erinnert:

Eine Röntgen-oder Gammastrahlen-Bildverstärkerröhre enthält in einem Vakuumkolben zwei Schirme, näralioh einen Detektoreohirm und einen Beobachtungsschirm, die im allgemeinen in den beiden Enden des Kolbens liegen.

Io Weg der verwendeten Strahlung sind der Reihe nach das Objefet und die Bildverstärkerröhre angeordnet, wobei

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der Detektorschirm der Röhre dem Objekt zügewandt ist. Dieser Schirm empfängt die Strahlung nach dem Durchgang durch das Objekt.

Der Detektorschirm enthält auf der dem Objekt zugewandten Seite eine luminessierende Schicht, die Szintillator genannt wird, und in der Lage ist unter der Wirkung der vom Objekt kommenden Strahlung Photonen im Bereich der Lichtwellen (Lichtphotonen) abzugeben, sowie eine lichtempfindliche Schicht (Photokatode), die unter der Wirkung dieser Photonen Elektronen emittiert.

Ferner sind in der Röhre die notwendigen Einrichtungen vorgesehen, um die von der Photokatode emittierten Elektronen zu beschleunigen und zum Beobachtungsschirm hin zu fokussieren. Man erhält somit durch Bombardieren des Beobachtungsschirms ein Bild des Objekts.

Es situ bereits mehrere Lösungen zur Bildung solcher Detektorschirme bekannt. Zu den hauptsächlichen Lösungen gehören solche, bei denen ein zentraler lichtdurchlässiger Träger vorgesehen ist,, auf dessen beiden Seiten die lumineszierende Schicht bzw. die lichtempfindliche Schicht angeordnet sind, während bei anderen Lösungen die lichtempfindliche Schicht direkt auf die lumineszierende Schicht aufgebracht ist.

Unabhängig von der gewählten Grundanordnung und der Art des verwendeten Materials , wie ZnS, ZnCdS, IJSa₁ ICs, CaWO,,... , bestehen Schwierigkeiten hinsichtlich der Haftung der luminesisierenden Schicht auf dem Träger und ihres Verhaltens unter den gegebenenfalls auftretenden Dehnungen des Trägers.

Diese Schwierigkeiten sind offensichtlich,unter sonst gleichen Voraussetzungen umso größer, je größer die Dioke des Szintillator ist.

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Nun" ist es andrerseits in der Technik solcher Röhren bekannt, daß es vorteilhaft ist, die Absorption der Rontgen-oder Gammaphotoneη zu erhöhen und demzufolge für ein gegebenes Material die Dicke der lumineszierenden Schicht zu vergrößern, damit die Wirksamkeit der Röhre verbessert wird, d.h. ihr Quanten-Wirkungsgrad oder auch die Helligkeit des von dem BeobachtungsschiriD erzeugten endgültigen Bildes. Es versteht sich von selbst, daß diese Dicke nicht über eine bestimmte Grenze hinaus vergrößert werden kann, weil sonst die Gefahr einer Beeinträchtigung der räumlichen Auflösung des Bildes besteht. Wenn diese Dicke zu groß ist, ist das Bild eines Punktes, auf dem Beobachtungsschirm infolge der Streuung der Lichtphotonen in der Dicke des Szintillators nicht mehr genau punktförmig.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung von Szintillatoren aus Alkalihalogenide^ die dicker als die bekannten Szintillatoren sind und dennoch eine gute Haftung auf ihrem Träger und ein gutes Betriebsverhalten aufweisen.

Die Erfindung eignet sich unter anderem für die zuvor beschriebenen zusammengesetzten Detektcrschirme von Röntgen-oder Gammastrahlen-Bildverstärkerröhren, die eine lumineszierende Schicht aus Alkalihalogeniden, beispielsweise Caesiumjodid, Kaliumiodid, Natriumiodid usw. mit einem oder mehreren Aktivatoren, wie Thallium oder Natrium enthalten, die durch Aufdampfen im Vakuum auf einen Träger aufgebracht sind, sowie eine lichtempfindliche Schicht aus einem der bekannten Materialien, wie die komplexen Verbindungen von Antimon und den Alkalimetallen, Caesium, Kalium, Natrium, Rubidium.

Die Erfindung beruht auf der sich aus Arbeiten in den Laboratorien der Anraelderin ergebenden Peststellung, daß die Haftung der Szintillatorschicht auf ihrem Träger besser

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ist, wean diese eine^faserige Struktur aufweist, die dadurch erhalten wird, daß aufeinanderfolgende Vakuumaufdampfungen des den Szintillator bildenden Materials auf einen auf niedriger Temperatur gehaltenen Träger vorgenommen werden, weil jede dieser Aufdarapfungen den Auftrag einer Teildicke der endgültigen Schicht ergibt; die Fasern der so erhaltenen Struktur richten sich von Natur aus im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Trägers aus. Die gleichen Arbeiten ließen erkennen, daß unter sonst gleichen Voraussetzungen die Haftung verbessert wird, wenn der Träger vor dem Aufbringen der lumineszierenden Schicht mit einer porösen Zwischenschicht bedeckt wird, deren Beschaffenheit und Dicke nachstehend an Hand der Beispiele näher angegeben werden soll.

Diese Struktur ergibt darüberhinaus noch verschiedene Vorteile,auf die noch eingegangen werden soll·

Nach der Erfindung ist ein Röntgen-oder Gamraastrahlen-Szintillator, bestehend aus einer aktivierten lumineszierenden Schicht auf der Basis von Alkalihalogenide!!, die auf einen Träger aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrolumineszierenden Schicht im wesentlichen aus sankrecht zum Träger angeordneten Nadeln besteht.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Darin zeigen:

Flg.1 eine schematische Schnittansicht der Hauptbestandteile einer Röntgerioder Gammastrahlen-*ildve^stärker> röhre,

Fig.2 eine schematische Schnittansicht der Hauptbestandteile einer Anlage, die bei der Herstellung des Detektorschirma der Röhre von Fig.1 verwendet wird, und

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Fig.3 eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts des Detektorschirms von Jig.2.

Pig.1 zeigt als Anwendungäeispiel für die Erfindung im Inneren eines evakuierten Kolbens 1 einen Detektorschirra 2 und einenBeobachtungsschirm 3, die in der Nähe der Enden des Kolbens angeordnet sind und zwischen den beiden Schirmen Elektroden A-, 5, 6 für die Steuerung und Fokussierung des Elektronenibündels, das, wie durch schräge Linien angedeutet ist, im Betrieb von Detektorschirm 2 ausgeht und zum Beobachtungsschirm 3 hin gerichtet ist.

Die Spannungsquellen, an welche die verschiedenen Elektroden der Röhre angeschlossen sind, sind nicht dargestellt. Der Detektorschirra 2 ist im Weg der durch Pfeile angedeuteten Röntgen-oder Gammastrahlung angeordnet und dem Objekt 7 zugewandt, dessen Bild auf dem Beobachtungsschirm 3 beobachtet werden soll.

Der Detektorschirm 2 enthält im wesentlichen auf einem Schirm rager auf der Objektseite eine für die einfallende Strahlung empfindliche lumineszierende Schicht und eine dem fluoreszierenden BeobachtungsBchirra zugewandte lichtempfindliche Schicht, die in der zuvor angegebenen Weise Elektronen zu dem fluoreszierenden Schirm hin emittiert.

Bei einer nicht dargestellten herkömmlichen Abart wirkt äer !Träger des Detektorsohirms 2 mit der Vorderseite 10 des Kolbens 1 zusammen·

Alle Merkmale der Erfindung gelten sowohl für diesen als auch für den dargestellten Fall·

Fig.2 zeigt da« Schema einer Anlage zum Aufbringen von Überzügen duroh Vakuumaufdampfen, die erfindungsgemäß

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zum Herstellen von Detektorschirmen für Röhren der in Fig.1 -dargestellten Art verwendet wird. Im Innern eines Kolbens 20, in dem ein Vakuum durch eine Pumpe 21 aufrecht erhalten wird, befinden sich ein Schirraträger 30 in Form einer Kugelkalotte, der einen Überzug 32 trägt, von dem später noch ausführlich die Rede sein wird und dessen Dicke stark übertrieben ist, sowie ein Verdampfer, bestehend aus einem Tiegel 22, der'das Material 24, nämlich ein Alkalihalogenid enthält, aus dem die lumineszierende Schicht des herzustellenden Schirms besteht, und der von einem Heizwiderstand 23 umgeben ist, damit die gewünschte Verdampfungstemperatur erhalten wird. Das verdampfte Material kondensiert sich auf dem Schirmträger 30, 32.

Das Auftragen der gleichfalls stark vergrößerten lumineszierenden Schicht 31 erfolgt durch aufeinanderfolgende Aufäampfungen, die zeitlich begrenzt sind, damit die Temperatur begrenzt bleibt, die der Träger 30, 32 unter der Wirkung der Strahlung des Verdampfers 22, 23 und des Kondensators erreicht. Die nach der Erfindung maximal zugelassene Temperaturerhöhung auf dem Schirmträger im Verlauf dieser Operationen beträgt etwa 150⁰C. Damit diese Bedingung erfüllt wird, ordnet man auf dem Schirm in Innigem Kontakt mit diesem ein Teil 25 mit der dargestellten Form an, in dem Kanäle 26 angebracht sind, in denen eine Kühlmittelströmung ausgebildet wird.

Man erhält durch dieses Verfahren eine Alkalihalogenidschicht 31 mit faseriger Struktur, die durch die.in Fig.3 in großem Maßstab dargestellten Nadeln 40 gebildet ist, die senkrecht zu der Oberfläche des Trägers in der Richtung der Schr-affuren von Fig.2 stehen. Diese Nadeln, die an ihrer Basis einen Durchmesser von 5 bis 1Ou haben, liegen auf der Höhe dieser Basis nebeneinander und sind durchZwischenräume 41 von weniger als 1 u voneinander getrennt, wie die mikroskopische

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Untersuchung zeigt. Ihre Dichte beträgt, je nach der gewählten Aufdampfgeschwindigkeit, 85 bis 95# der Dichte des Rohmaterials 24.

Die Schicht 32 hat die Aufgabe, das Verankern derNadeln 40 der Halogenidschicht 31 zu begünstigen.

Diese Schicht ist nach einem Verfahren gebildet, das von der Art des sie bildenden Elements sowie von der Beschaffenheit des Trägers 30 abhängt. Sie kann insbesondere gleichfalls durch Aufdampfen unter Verwendung der gleichen Einrichtung erhalten werden.

Nachstehend werden als Beispiel die Kennwerte für die Herstellung eines Schirms nach der Erfindung angegeben;

Lumineszierende Schicht des Szintillators (31):

- Schirmträger (30): Kugelkalotte aus Glas von 0,5 mm Dicke und 160 mm Radius;

- 3 bis 4 g ICs , aktiviert mit 2$ Thallium, in einem Tantalnäpfchen, das in einem Abstand von 200 mm vom Schirmträger angeordnet ist;

- Aufdampfen in einem Vakuum in der Größenordnung von 10 Torr;

- Temperatur des Näpfchens wird für etwa 2 Minuten auf 620⁰C gehalten, wenn das Vakuum von 10 Torr erreicht ist;

- 3 bis 10 aufeinanderfolgende Aufdampfungen;

- Dicke, die bei jedem Aufdampfen erhalten wird: 7 bis 11 u.

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Zwischenschicht(32):

- Material:Nickel;

- Aufdampfen im Vakuum;

- Dicke 200 bis 1000 nra in einem Arbeitsgang aufgebracht;

- das Verankern des Nickels an dem Glasträger 30 kann dadurch begünstigt werden, daß die Glasfolie in einFluorwasserstoff bad mit 10$ HF oder F₂HNH. eingetaucht wird.

Bei dem in Fig.1 dargestellten Beispiel wird die lichtempfindliche Schicht 34 erst dann auf die Szintillatorschicht 31 aufgebracht, nachdem der Schirm, der in diesem Stadium aus dem Träger, der Zwischenschicht und der Szintillatorschicht besteht, in die bereits mit dem Beobachtungsschirm und aillen Elektroden versehene Röhre eingebaut worden ist.

Die Bildung dieser Schicht geschieht durch Aufdampfen von Antimon und Alkalimetallen bei einer Temperatur von etwa 100⁰O.

Natürlich sind auch verschiedene andere Ausführungsformsn möglich: Beispielsweise kann der Träger 30 anstatt aus Glas aus Metall, beispielsweise Aluminium oder Beryllium bestehen, mit einer Dicke von der gleichen Größenordnung wie im Fall von Glas und auf der in Berührung mit dem Szintillator stehenden Seite mit einer Oxidschicht von 5 bis 1OyU Dicke überzogen sein, die in diesem Fall duroh Anodisieren erhalten wird. Im Falle eines Glasträgers kann die Zwischenschicht 32 auch aus einer FertJffi-Co-Legierung bestehen, die in der Technik der Elektronenröhren unter der Bezeichnung Fernico bekannt ist, oder aus rostfreiem

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Stahl, oder auch aus 80-20 Nickel-Qhrom mit einer Dicke von der gleichen Größenordnung wie die Nickelschicht bei dem zuvor beschriebenen Beispiel·

Die auf diese Weise hergestellten Detektor sch irine weisen gegenüber dem bekannten Schirnm zahlreiche Vorteile auf:

Die faserige Struktur der den Szintillator bildenden HaIogenidschicht weist eine sehr große mechanische Schmiegsamkeit auf, d.h. die Fähigkeit, sich an Verformungen des Trägers anzupassen, die im Verlauf des Betriebs auftreten können. Infolge der faserigen Struktur sind für die erfindungsgemäßen Szintillatoren ohne Nachteil eine wesentlich größere Dicke sowie auch eine größere Temperaturdifferenz zwischen der aus Träger und Zwischenschicht bestehenden Anordnung und der Halogenidschicht als bei den bekannten Schirmen zulässig, wobei es sich in beiden Fällen um sehr erwünschte Eigenschaften handelt, wie bereits zuvor hervorgehoben wurde·

Schließlich sind bei den erfindungsgemäßen Szinitllatfeoren größere Abweichungen zwischen den Ausdehnungskoeffizienten des Trägers und des Materials der lumineszierenden Schicht zulässig; Somit ermöglichen sie eine größere Auswahl des den Träger bildenden Materials. Insbesondere ist es mit den aus Nadeln bestehendenHalogenidschichten nach der Erfindung möglich, Träger aus Plastikmaterial zu verwenden, die einen Ausdehnungskoeffizient in der Größenordnung von 1000 · 10""'/⁰O aufweisen, also einen Wert, der wesentlich höher als der Wärmeausdehnungskoeffizient von Caesium^odid 1st, der in der Größenordnung von etwa 570 · 10""'/⁰C liegt, ohne Nachteile für die lumineszierende Schicht. Die Verwendung von Plastikmaterialen ergibt den Vorteil, daß die Herstellung von Schirmen mit größeren Abmessungen möglich ist, die ein von vornherein vorgegebenes >geometriach.es

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Profil haben und durch Polymerisieren oder Pressen in einer !Form geformt werden können·

In diesem Pail ist es natürlich notwendig, sich auf die Auswahl von Plastikmaterialien zu beschränken, die einen geringen Dampfdruck aufweisen und sich bei den Temperaturen der Wärmebehandlung der Röhre nicht zersetzen. Polytetrafluoräthylen und die Silikonharze des Typs SI 804 und SI 808 der Societe Industrielle des Silicones erfüllen diese Bedingungen besonders gut.

Die erfindungsgeraäßen Schirme gewährleisten außerdem eine bessere räumliche Auflösung, da das durch die Erregung der Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen in der lumineszierenden Schicht erzeugte Licht anter Ausschluß je er Oberflächendiffusion in den Nadeln kanalisiert wird.

Im Pail der Szintillatoren von Bildverstärkerröhren in Pig.1 dargestellten Art wird die Bildung der licht empfindlichen Schicht 34 (Pig.3) wiederum durch die Struktur der lumineszierenden Schicht 31 (Pig.3) erleichtert: Das lichtempfindliche Material umhüllt die Enden 42 der Nadel 40, wodurch seine Verankerung an der Mmineszierenden Schicht 31 begünstigt wird. Die Schicht 34 setzt sich in den Zwischenräumen 43 zwischen den Nadeln 40 nieder. Gleichzeitig wird dadurch die Wahrscheinlichkeit des Auffange ns der in der lumineszierenden Schicht erzeugten Lichtphotonen durch die lichtempfindliche Schicht erhöht.

Die Erfindung ist für den Pail eines Szintillator beschrieben, der einen Bestandteil eines Schirms mit photoemittierender lichtempfindlicher Schicht bildet, der seinerseits in eine Röntgen-oder Gamma strahlen-Bildverstärkerröhre eingebaut ist; sie eignet sich jedoch ganz allgemein für alle Vorrichtungen, die einen solchen Szintillator enthalten.

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Palls der Szintillator zu einem Schirm gehört, der außerdem eine lichtempfindliche Schicht trägt, kann die lichtempfindliche Schicht sowohl photοemittierend als auch photoleitend sein.

Natürlich eignet sich die Erfindung auch für alle Rontgen-oder Gammastrahlenröhren, die einen Detektorschirm mit einem Szintillator enthalten, auch wenn sie nicht für die Beobachtung bestimmt sind, wie bei dem beschriebenen Beispiel, sondern für die Aufzeichnung oder Speicherung von Signalen, die zu diesem Schirm zum Zweck ihrer späteren Wiederherstellung geliefert werden·

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Röntgen- oder Gammastrahlen-Szintillator, der Photonen im Lichtwellenbereich abgeben kann, bestehend aus einer aktivierten lumineszierenden Schicht auf der Basis von Alkalihalogeniden , die auf einen Träger aufgebracht

ist, dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszierende Schicht im wesentlichen aus senkrecht zum Träger angeordneten Nadeln besteht.
2. Verfahren zum Herstellen eines Szintillator nach Anspruch 1, durch fraktionierte VakuuauAufdampfung mehrerer übereinanderliegender Sqhichten, dadurch gekennzeichnet, ätß vor dem Aufdampfen eine Zwischenschicht auf dem Träger gebildet wird, und daß der Träger während des Aufdampfens mit Hilfe eines Kühlsystems auf einer Temperatur gehalten wird, die 15O⁰C nicht überschreitet.
3. Detektorschirm für Röntgen- oder Gammastrahlen-Bildver stärkerröhren mit einem Szintillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß direkt auf den Szintillator eine lichtempfindliche Schicht aufgebracht ist, die unter der Wirkung der Photonen Elektronen emittiert.
4. Detektorschirm nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Schicht eine photoemittierende Schicht ist.
5- Detektorschirm nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Schicht eine photoleitende Schicht ist.
6. Röntgen-oder Gammastrahlen-Bildverstärkerröhre mit einem evakuierten Kolben, in dem ein Detektorachirm, ein Beobachtungsschirm und Einrichtungen zum Beschleunigen

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und Fokussieren eines von dem Detektorschirm zu dem Beobachtungsschirm gerichteten Elektronenbündels angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Eetektorschirra gemäß Anspruch 4 ausgebildet ist.

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L e e r s e i t e