DE2503451C3 - Lumineszierender Schirm, insbesondere für Bildwandlerröhren - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen lumineszierenden Schirm, insbesondere für Bildwandlerröhre^ mit einer auf einen Träger aufgebrachten Schicht aus einem lumineszierenden Material, die ein Mosaik aus voneinander getrennten Bereichen mit kleinen Abmessungen ist.

Die Ausbildung der lumineszierenden Schicht als Mosaik aus getrennten Bereichen kleiner Abmessungen hat bei solchen lumineszierenden Schirmen folgenden Zweck: An jedem Punkt der der einfallenden Energie ausgesetzten Fläche der lumineszierenden Schicht werden im Innern der Schicht Photonen erzeugt, denen Lichtstrahlen entsprechen, die im Innern eines Kegels verteilt sind, der diesen Punkt als Scheitelpunkt hat. Einem Punkt der Eintrittsfläche der Schicht entspricht demzufolge eine Zone mit einer gewissen Abmessung an der entgegengesetzten Flüche der Schicht.

Somit erfolgt natürlich beim Durchgang durch die Schicht eine Verschlechtei"ung der Auflösung des einfallenden Bildes, von dem die auf die Eintrittsfläche des Schirms fallende Energie stammt.

Ferner können an der Grenzfläche zwischen der lumineszierenden Schicht und einem damit in Berührung stehenden Medium, z. B. im Fall einer Bildwandlerröhre der Photokatode (oder auch ggf. einer Trennschicht) Reflexionen entstehen, die einen Teil der Energie zu der Eintrittsfläche der Schicht zurückwerfen. Es ist in diesem Zusammenhang zu erwähnen, daß der Brechungsindex des lumineiszierenden Materials der Schicht ohne weiteres 1,7 bis 1,8 erreicht; dieser Wert ist wesentlich größer als der entsprechende Wert der Materialien der Photokatoden und der Trennschichten.

Diese Reflexionen ergeben die Wirkung, daß der Kontrast des ursprünglichen Bildes verringert wird.

Diese beiden Erscheinungen werden bei bekannten elektrolumineszierenden Schirmen dadurch begrenzt, daß die lumineszierende Schicht als Mosaik ausgebildet

Bei einem aus der USPS 3041456 bekannten lumineszierenden Schirm der eingangs angegebenen Art werden die voneinander getrennten Bereiche kleiner Abmessungen dadurch erhalten, daß ein Träger für die Schicht aus lumineszierendem Material verwendet wird, der vor dem Aufbringen der Schicht Wände aufweist, die die Trennstellen zwischen den Bereichen bilden sollen. Diese Lösung erfordert eine mühsame Vorbereitung des Trägers, und es ist schwierig, ausreichend kleine Abmessungen der Bereiche zu erzielen.

Bei einem aus der FR-PS 2i 45 566 bekannten Schirm wird eine zunächst zusammenhängende Schicht anschließend dadurch in kleine Bereiche zerstückelt, daß durch ein geeignetes Verfahren Sprünge erzeugt werden. Dieses Fertigungsverfahren erfordert große Vorsichtsmaßnahmen und eine sehr sorgfältige Arbeitsweise, damit einerseits eine ausreichend feine und gleichmäßige Zerstückelung der Schicht erzeilt wird, andererseits aber die Schicht oder andere Bestandteile des Schirms nicht zerstört werden.

Aus der US-PS 37 69 059 ist es andrerseits bei einem elektroiumineszierenden Schirm bekannt, zwischen der Schicht aus lumineszierendem Material und dem Träger eine poröse Zwischenschicht anzuordnen. Diese poröse Schicht, die beispielsweise eine durch anodische Oxidation gebildete Oxidschicht ist oder aus Edelstahl, einer Chrom-Nickel-Legierung oder einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung besteht, hat den Zweck, die Haftung der lumineszierenden Schicht auf dem Träger zu verbessern, trägt aber nicht zur Bildung eines Mosaiks aus Bereichen kleiner Abmessungen bei.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines lumineszierenden Schirms der eingangs angegebenen Art, der sehr einfach herstellbar ist und hinsichtlich Auflösung und Kontrast verbesserte Eigenschaften aufweist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen dem Träger und der Schicht eine Schicht aus Glaskügelchen angeordnet ist.

Die Anordnung einer Schicht aus Glaskügelchen zwischen dem Träger und dem lumineszierenden Schirm hat zur Folge, daß die lumineszierende Schicht, die anschließend auf die Schicht aus Glaskügelchen aufgebracht wird, an den Stellen der Lücken zwischen den Glaskügelchen feine Kanäle aufweist und somit in Bereiche unterteilt ist, deren Abmessungen dem Querschnitt der Glaskügelchen entsprechen. Diese Bereiche haben also sehr gleichmäßige Formen und Abmessungen, die durch die Wahl der Größe der Glaskügelchen genau bestimmt und nach Wunsch verändert werden können. Die Herstellung ist sehr einfach, denn es braucht nur auf dem Träger eine einlagige Schicht aus Glaskügelchen angeordnet zu werden, auf die anschließend das lumineszierende Material nach einem üblichen Verfahren, beispielsweise durch Vakuumaufdampfen, aufgebraucht wird.

Die Glaskügeichen ergeben außerdem eine vorteilhafte optische Wirkung: wenn ihr Brechungsindex ausreichend groß ist, werfen sie das zur Eintrittsfläche zurückgestreute Licht nach Art von Rückstrahlern, durch Totalreflexion in die lumineszierenden Bereiche

zurück, wodurch der Kontrast verbessert wird.

Schließlich wirkt das Glas der Glaskügelchen als chemische' Barriere zwischen dem lumineszierenden Material und dem Material des Trägers, falls chemische Reaktionen zwischen diesen Materialien zu befürchten wären.

Die Erfindung wird in der folgenden Betchreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung erläutert In der Zeichnung zeigen:

F i g. 1 eine schematische Schnittansicht eines lumineszierenden Schirms,

Fig.2 ein; schematische Schnittansicht eines lumineszierenden Schirms nach der Erfindung,

F i g. 3 eine Vorderansicht eines Teils der Schicht aus körnigem Material bei dem Schirm nach der Erfindung, is

Fig.4 eine vergrößerte Teilansicht der Anordnung von F ig. 2 und

F i g. 5 eine schematische Darstellung einer Bildwandlerröhre, bei der ein Schirm nach der Erfindung als Eintrittsschirm verwendet wird.

Die schematische Schnittansicht von F i g. 1 zeigt, wie sich ein lumineszierender Schirm verhält, der dazu verwendet wird, die einfallende Energie, beispielsweise eine Röntgen- oder Gamma-Strahlung, in Lichtenergie umzuwandeln, die auf eine Photokatode einwirken kann, die für Strahlungen im sichtbaren Spektrum empfindlich ist. Auf einem Träger 1, beispielsweise aus Aluminium, ist ein Szintillator in Form einer kontinuierlichen Schicht 2 aus einem lumineszierenden Material aufgebracht, insbesondere aus einem Afkalihalogenid, wie Cäsiumjodid, Kaliumjodid, Natriumiodid oder dergleichen, und dann ist auf diese Schicht eine Schicht 3 aus einem lichtempfindlichen Material aufgebracht, das beispielsweise aus einem Komplex aus Antimon und einem Alkalimetall, wie Cäsium, Kalium, Rubidium usw. besteht, wie in der Technik bekannt ist

Von jedem Punkt der der einfallenden Strahlung ausgesetzten Fläche des Szintillators 2, wie in der Zeichnung als Beispiel für den Punkt A dargestellt ist, werden im Innern dieser Schicht Photonen erzeugt, denen im Fall einer Umwandlung der einfallenden Energie in eine Strahlung des Lichtspektrums grob gesehen Lichtstrahlen entsprechen, die durch die in vollen Linien gezeichneten kleinen Pfeile dargestellt sind, die zu der entgegengesetzten Fläche der Szintillatorschicht gerichtet sind. In Wirklichkeit erfolgt diese Umwandlung an allen Stellen im Innern der Szintillatorschicht; die Betrachtung eines Punktes A und der von diesem Punkt ausgehenden Strahlen erfolgt nur zur Vereinfachung. Aus der Zeichnung ist folgendes zu erkennen: Wenn der Szintillator die Form einer kontinuierlichen Materialschicht hat, in deren Innerem keine Veränderung des Strahlengangs erfolgt, entspricht dem Punkt A auf der Eintrittsfläche des Szintillators an der entgegengesetzten Fläche ein Lichtfleck, dessen Abmessungen von Null verschieden sind und der mit der Grundfläche eines Kegels zusammenfällt, der den Punkt A als Scheitelpunkt hat, wie in der Zeichnung dargestellt ist.

Ferner wird durch die Reflexionen an der Trennfläche zwischen dem Szintillator 2 und der Photokatode 3 ein Teil dieses Lichtes zu der Eiintrittsfläche des Szintillators zurückgeworfen. Diese Reflexionen sind unter sonst gleichen Bedingungen umso größer, je höher der Brechungsindex des Szintillator ist. Nun liegt bei der zuvor erwähnten Halogeriverbindung der Brechungsindex normalerweise zwischen 1,7 und 1,8, d. h. über dem Brechungsindex der Materialien der Photokatode und auch über dem Brechungsindex der Materialien einer (nicht dargestellten) Trennschicht, die aus chemischen Gründen zwischen dem Szintillator und der Photokatode eingefügt sein kann. Die reflektierten Strahlen sind durch die gestrichelten kleinen Pfeile dargestellt

Die beiden zuvor erwähnten Tatsachen sind die Ursache für einen Verlust an Auflösung und Kontrast

Fig.2 zeigt im Schnitt ein Bruchstück eines lumineszierenden Schirms nach der Erfindung, wobei nur die für das Verständnis der Erfindung notwendigen Teile dargestellt sind. Man erkennt in F i g. 2 wieder den Träger 1 und den Szintillator 2. Man erkennt ferner zwischen dem Träger und dem Szintillator eine einlagige Schicht 40 aus Glaskügelchen 4, die in Vorderansicht das in F i g. 3 gezeigte Aussehen hat Die Zwischenräume zwischen den Glaskügelchen 4 sind in F i g. 3 bei 5 dargestellt. Wenn der Szintillator 2 nach einem der bekannten Verfahren hergestellt wird, weist das diese Schicht 2 bildende Material beim Aufbringen auf die Glaskügelchen 4 an der Stelle der Zwischenräume 5 winzige Kanäle 6 auf, die Inselchen 7 aus lumineszierendem Material voneinander trennen, wie in Fig.2 gezeigt ist. Diese Inselchen haben grob gesehen die Form von zylindrischen Stäben von 150 bis 200 μηη Länge, die auf den Kugeln 4 sitzen, wie die Zeichnung zeigt Jedes dieser Stäbchen bildet eine Führung für die Lichtwellen, die aufgrund der einfallenden Energie, beispielsweise einer Röntgen- oder Gamma-Strahlung, im Innern des Szintillators erzeugt werden. Infolge des hohen Wertes des Brechungsindex der üblichen Szintillator-MateriaUen, der, wie bereits erwähnt zwischen 1,7 und 1,8 liegt, begrenzt das Vorhandensein der winzigen Kanäle 6 im Innern der Schicht 2 infolge der Totalreflexion an den Wänden der Stäbchen die seitliche Streuung der Lichtstrahlen, die von der Eintrittsfläche des Szintillators zu seiner Austrittsfläche gerichtet sind, die in Kontakt mit der (nicht dargestellten) Photokatode steht; dies ist durch die vom Punkt A in Fig.2 ausgehenden Pfeile dargestellt. Durch das Vorhandensein dieser Kanäle wird auch in gleicher Weise die Anzahl der Lichtstrahlen begrenzt, die an der Trennfläche zwischen dem Szintillator und der Photokatode reflektiert werden und wieder die Eintrittsfläche des Szintillators erreichen.

Der Lichtfleck, der an der Auitrittsfläche des Szintillators jedem der Punkte eines Stäbchens, wie dem Punkt A, entspricht, ist somit auf den Querschnitt des Stäbchens begrenzt.

Damit ein Anhaltspunkt für die auf diese Weise erzielte Begrenzung gegeben wird, sei angegeben, daß die Glaskügelchen eine Abmessung in der Größenordnung von einigen zehn Mikron haben (20 μίτι bis 70 μηι), je nach den Abmessungen der Röhren, in welche die Bildschirme eingebaut werden, und je nach den zu erzielenden Eigenschaften. Durch sorgfältige Siebung ist es möglich, eine geringe Streuung um die gewählte Abmessung zu erzielen. Dieser Abmessung der Glaskügelchen entsprechen Kanäle 6, die eine Abmessung quer zu den Stäbchen von einigen zehn Nanometern bis zu einigen Mikron haben.

Das Glas für die Kügelchen 4 wird auf der Basis der Oxyde PbO, TiO₂, BaO, Al₂O₃, B₂O₃, ZnO hergestellt Der Brechungsindex dieser Stoffe liegt zwischen 2 und 2,5, und daraus ergibt sich ein zusätzlicher Vorteil der lumineszierenden Schirme nach der Erfindung. Infolge des hohen Wertes des Brechungsindex erfahren die Lichtstrahlen, die sich in der Richtung entgegengesetzt zur Photokatode ausbreiten, eine Totalreflexion im

Innern der Kugeln 4, die sich somit wie ein in den Bildschirm eingebauter Rückstrahler verhalten, so daß die Lichtstrahlen zu der Photokatode zurückgeworfen werden, wie in F i g. 4 gezeigt ist.

Infolge der chemisch inerten Beschaffenheit übt das Glas der Kügelchen die Wirkung einer chemischen Barriere zwischen dem Material des Szintillators und dem Trägermaterial aus. Dieser Träger kann bekanntlich aus Glas bestehen, und in diesem Fall sind chemische Reaktionen zwischen dem Träger und dem Szintillator wenig zu befürchten. Es ist aber auch bekannt, daß beispielsweise bei einer einfallenden Röntgen- oder Gamma-Strahlung der Träger aus Metall besteht, beispielsweise als Aluminium oder Beryllium. In diesem Fall ist ein Schutz des Materials des Szintiliators gegen die chemische Einwirkung des Trägers erwünscht; dieser Schutz wird durch die einlagige Schicht 40 aus den Kügelchen 4 gewährleistet, die somit die Rolle einer Trennschicht spielt.

Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung der lumineszierenden Schirme nach der Erfindung angegeben. Es wird insbesondere die Art der Ausbildung der Schicht 40 angegeben, da der Rest der Herstellung der bekannten Technik entspricht.

Auf einen Träger 1, beispielsweise aus Aluminium, in Form einer Kugelkalotte bringt man, beispielsweise durch Aufstreichen, eine dünne Schicht mit einer Dicke von einigen Mikron aus einem organischen Bindemittel auf, beispielsweise nach Art von Metacrylat. Auf diese Schicht verteilt man Glaskügelchen der zuvor angegebenen Zusammensetzung in einer einlagigen Schicht, wie in Fig.2 gezeigt ist. Die Glaskügelchen werden durch das betreffende Bindemittel auf dem Träger während der ganzen Zeit festgehalten, in der ein Natriumsilikat so auf die freie Fläche der Glaskügelchen aufgestäubt wird, daß diese bedeckt werden; das Natriumsilikat bewirkt den gegenseitigen Zusammenhalt der Glaskügelchen und ihre Verbindung mit dem Träger in dem fertigen Schirm. Anschließend wird nach einem der bekannten Verfahren eine Schicht von 150 bis 200 μΐη Dicke aus mit einem Aktivator dotierten Cäsiumjodid aufgebracht, die den Szintillator bildet; das Aufbringen erfolgt beispielsweise durch Vakuumaufdampfen. Die Dicke der Schicht muß ausreichen, um zu gewährleisten, daß der größte Teil der einfallenden Strahlung in Photonen umgewandelt wird. Im Verlauf dieser Operation wird die Temperatur unterhalb 200°C gehalten. Die ganze Anordnung wird dann durch einen Tunnelofen in einem Arbeitszyklus geführt, in dessen Verlauf die Temperatur in 30 Minuten auf 36O⁰C erhöht wird, dann für 30 Minuten auf diesem Temperaturwert gehalten wird und dann eine Abkühlungsphase von 1 bis 2 Stunden erfolgt. Im Verlauf dieser Operation wird das organische Bindemittel praktisch beseitigt.

Die Herstellung des Schirms wird dadurch beendet, daß auf den Szintillator die Schicht 3 aus lichtempfindlichem Material von Fig. 1 aufgebracht wird, die beispielsweise aus einer Verbindung von Antimon und Alkalimetallen besteht und den Szintillator in einer Dicke von elwa lOOÄ bedeckt. Gegebenenfalls wird eine Trennschicht zwischen den Szintillator 2 und die Photokatode 3 eingefügt, damit chemisdtie Reaktionen zwischen den Bestandteilen dieser Schichten verhindert werden. Gegebenenfalls kann schließlich auch eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material unter der Photokatode gebildet werden, damit im Betrieb das Potential des Schirms festgelegt wird und die Rückführung der von der Photokatode emittierten Elektronen gewährleistet wird. Im Fall von Photokatoden aus Alkali-Antimon-Verbindungen ist die elektrische Leitfähigkeit des Materials ausreichend, um die Notwendigkeit einer von der Photokatode verschiedenen elektrisch leitenden Schicht zu vermeiden.

Der Schirm ist dann fertig und kann beispielsweise in eine Bildwandlerröhre eingebaut werden, wie sie schematisch in Fig.5 im Schnitt dargestellt ist. Die Bildwandlerröhre 10 von F i g. 5 enthält im Innern eines evakuierten Kolbens It einen Eintrittsschirm 12 nach der Erfindung und einen Austrittsschirm 13. Das Objekt, dessen Bild auf dem Austrittsschirm 13 beobachtet werden soll, ist bei 14 dargestellt. Es ist dem Röntgenstrahlenbündel ausgesetzt, das von der Quelle 15 kommt und in der Zeichnung nur durch zwei schräge Linien im rechten Teil der Figur angedeutet ist. Das Bild wird bekanntlich dadurch erzeugt, daß Elektronen, die von dem der Röntgenstrahlung ausgesetzten Eintrittsschirm stammen, auf dem Austrittsschirm 13 auftreffen wobei sie zu dem Austrittsschirm 13 durch eine positive Spannung beschleunigt werden, die zwischen dem Austrittsschirm und dem Eintrittsschirm angelegt wird In der Zeichnung sind schematisch die Elektroden 16 dargestellt, die im Weg des Elektronenbündels liegen das wiederum nur durch zwei schräge Linien angedeutei ist, die im Innern des Kolbens liegen. Die Spannungsquelle ist in F i g. 5 nicht dargestellt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Lumineszierender Schirm, insbesondere für Bildwandlerröhre^, mit einer auf einen Träger aufgebrachten Schicht aus einem lumineszierenden Material, die ein Mosaik aus voneinander getrennten Bereichen mit kleinen Abmessungen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Träger und der Schicht eine Schicht aus Glaskügelchen <° angeordnet ist

2. Lumineszierender Schirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskügelchen einen Brechungsindex von etwa 2 haben.

3. Lumineszierender Schirm nach Anspruch 2, is dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskügelchen einen Durchmesser zv/ischen 20 und 70 μιτι haben.

4. Lumineszierender Schirm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das lumineszierende Material ein Alkali halogenid ist

5. Lumineszierender Schirm nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das lumineszierende Material Cäsiumjodid CsI ist.

6. Lumineszierender Schirm nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch seine *5 Verwendung als Eintrittsschirm einer Bildwandlerröhre, auf dessen Schicht aus lumineszierendem Material eine zweite Schicht aus einem lichtempfindlichen Material aufgebracht ist wobei die Schicht aus lumineszierendem Material die einfallende Energie in Photoi-ien des Spektrums umwandeln, für das die zweite Schicht empfindlich ist.