DE2724747A1

DE2724747A1 - Vacuum X-ray image intensifier - has concentrically dished photo-cathode and phosphor coated anode

Info

Publication number: DE2724747A1
Application number: DE19772724747
Authority: DE
Inventors: Fritz Walter Dr Hofmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-06-01
Filing date: 1977-06-01
Publication date: 1978-12-14

Abstract

The X-ray image intensifier is intended for large surface designs which have, at least approximately, 1:1 imaging ratio of electrons triggered by the intensifier photocathode. Its anode is coated with a phosphor layer, and the intensifier cross section is greater than the spacing of the input and output windows. Both electrodes are concentrically dished in relation to each other. Both windows are preferably outwards dished, when the input window is of glass or aluminium, i.e. with low tensile strength. If both windows are outwards dished, the electrodes are approximately concentric to the output window. The inside of the output window may be phosphor coated. Between the photocathode and anode may be provided a concentric perforated plate electron multiplier at positive voltage.

Description

RöntgenbildverstärkerX-ray image intensifier

Die Erfindung betrifft Röntgenbildverstärker nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Bildverstärker sind z.B.The invention relates to X-ray image intensifiers according to the preamble of claim 1. Such image intensifiers are e.g.

bekannt aus dem Buch "Photo-Electronic Image Devices von J.D.McGEE, D.McMullan und E.Kahan, 1972, erschienen in Academic Press, London und New York, Seiten 153 bis 165.known from the book "Photo-Electronic Image Devices by J.D.McGEE, D. McMullan and E. Kahan, 1972, published in Academic Press, London and New York, Pages 153 to 165.

Bei bekannten sog. Röntgen-Flach-Bildverstärkern, d.h. Bildverstärkern, deren Querschnitt größer ist als der Abstand zwischen Eingangs- und Ausgangsschirm, wurden stets ebene Anordnungen verwendet. Dadurch sollte von einem ebenen Eingangsbild ein ebenes Ausgangsbild erhalten werden, d.h. ein solches, das in einer Betrachtungsebene liegt. Gerade diese konstruktive Lösung war aber offensichtlich ein Hindernis für die Einführung der wenigstens schon 1940 aus der DT-PS 688 385 bekanntgewor(lenen Ausführung von Bildverstärkern. Zweifellos bestand aber gerade an dieser, den Ausgangspunkt der Röntgenbildverstärkertcchnik bildenden Ausführung ein großer Bedarf, weil sie als idealer Ersatz für die vorher bekannten Röntgenleuchtschirme dienen konnte.With known so-called flat x-ray image intensifiers, i.e. image intensifiers, whose cross-section is larger than the distance between the input and output shield, flat arrangements were always used. This should be of a flat input image a planar output image can be obtained, i.e. one that is in a viewing plane lies. But it was precisely this constructive solution that was obviously an obstacle for the introduction of the at least as early as 1940 from DT-PS 688 385 (lenen Execution of image intensifiers. But there was undoubtedly precisely this, the starting point The execution of the X-ray image intensifier technology is in great demand because it could serve as an ideal replacement for the previously known fluorescent X-ray screens.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Röntgenbildverstä.rker gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 einen auch für große Flächen stabilen Aufbau anzugeben. Diese Aufgabe wird erSbrAngsgemäß durch die im kennze-ichnenden Teil dieses Anspruchs angegebene Maßnahme gelöst.The object of the invention is, in an X-ray image intensifier according to The preamble of claim 1 indicates a structure that is stable even for large areas. This task is performed according to the performance in the characterizing part of this claim specified measure solved.

Erst durch die erfindungsgemäße Anwendung gewölbter Schirme und Elektroden sowie gegebenenfalls auch Fenster des Kolbens wird auch für große Flächen hinreichende Stabilität der Abbildungselemente eines Flachbildverstärkers erhalten. An sich genügt für eine Versteifung schon eine Wölbung in einer Richtung (rinnenförmig), wenn es die zu erzielende Abbildung zuläßt.Only through the use of curved screens and electrodes according to the invention and possibly also the window of the piston is sufficient for large areas Maintain stability of the imaging elements of a flat panel amplifier. In itself it is enough for a stiffening already a bulge in one direction (channel-shaped), if it the image to be achieved allows.

Dies kann insbesondere bei nur schwacher Krümmung und kleinem Format der Fall sein. In der Regel dürfte aber eine allseitige Krümmung (Kugel- etc. -Kalotte) vorzuziehen sein, weil man dann weitgehend unabhängig ist. Die Anordnung der gewölbten Elemente sollte so sein, daß ein vom Eingangs schirm ausgehendes Elektron dem angelegten elektrischen Feld folgend den kürzesten Weg zum Ausgangsschirm einschlagen kann. Dies ist insbesondere bei konzentrischer Ausrichtung der Fall. Bei sehr großen Wölbungsdurchmessern kann aber auch schon mit paralleler Anordnung von Kugelkalotten gleichen Krümmungsdurchmessers eine ausreichende Annäherung erreicht werden.This can be especially true if the curvature is weak and the format is small be the case. As a rule, however, a curvature on all sides (spherical etc.) be preferable because then you are largely independent. The arrangement of the arched Elements should be such that an electron emanating from the input screen corresponds to the applied following electrical field can take the shortest path to the output screen. This is particularly the case with concentric alignment. With very large bulge diameters but can also be done with a parallel arrangement of spherical caps of the same curvature diameter a sufficient approximation can be achieved.

Der Kolben eines erfindungsgemäßen Röntgenbildverstärkers kann in an sich bekannter Weise aufgebaut sein, indem er ein Röntgenstrahlen durchlassendes Eingangs fenster und ein durchsichtiges Ausgangsfenster hat. Als Materialien kommen für das Eingangsfenster außer Glas und Keramik hauptsächlich leichtatomige Metalle, wie Titan oder Aluminium und ihre Legierungen, in Betracht. Für das Ausgangsfenster kommt hauptsächlich Glas als Material in Frage, weil es durchsichtig ist und ein im Hochvakuum von Elektronenröhren sehr beständiges Wandmaterial darstellt. Außerdem sind Teile aus Metall und solche aus Glas in üblicher Röhrenbautechnik vakuumfest miteinander verbindbar. Bei Benutzung von Aluminium und Aluminiumlegierungen ist es bekanntlich wegen der zu erwartenden thermischen Ausdehnungsunterschiede zweckmäßig, die Verbindung mit dem Glas über ein anpassendes Metallteil, etwa einen Streifen aus Vacon, zu bewirken. Dies hat den Vorteil, daß einerseits eine normale Metallverschweißung der beiden Metalle und andererseits ein übliches Anglasen des Vacons am Glasteil erfolgen kann. Falls gewölbte Fenster verwendet werden, können diese jeweils in gleicher Richtung wie diejenigen der Einbauelemente (Schirme, Elektroden) gerichtet sein. Im Hin- blick auf die zu benutzenden Materialien, etwa solchen, die auf Druck beständiger sind als auch Zug, können aber auch entgegengesetzte Wölbungen der Fenster zweckmäßig sein (vgl. Figur).The piston of an X-ray image intensifier according to the invention can be shown in FIG be constructed in a manner known per se by having an X-ray permeable Has entrance window and a transparent exit window. Come as materials for the entrance window, apart from glass and ceramics, mainly light atomic metals, such as titanium or aluminum and their alloys. For the exit window glass is mainly used as a material because it is transparent and a represents a very resistant wall material in the high vacuum of electron tubes. aside from that Parts made of metal and those made of glass are vacuum-tight using the usual tubular construction technology connectable to each other. When using aluminum and aluminum alloys is It is well known that due to the expected differences in thermal expansion it is advisable to the connection with the glass via a matching metal part, such as a strip from Vacon, to effect. This has the advantage that, on the one hand, a normal metal weld of the two metals and, on the other hand, a customary glazing of the Vacon on the glass part can be done. If curved windows are used, these can be in in the same direction as those of the built-in elements (screens, electrodes) be. In the outward look at the materials to be used, such as those which are more resistant to pressure as well as tension, but can also have opposite curvatures the window should be appropriate (see figure).

In einem nach vorgenannten Kriterien aufgebauten Kolben werden die erfindungsgemäß gewölbten und angeordneten Schirme etc.In a piston constructed according to the aforementioned criteria, the according to the invention curved and arranged screens etc.

untergebracht. Zwischen den Eingangs- und Ausgangsetrachtungs-) schirmen können auch noch ebenso gewölbte Elektroden, Gitter, Vervielfacherschirme oder-pLatten etc. liegen, die aber im Prinzip an sich nicht erforderlich sind. Der Eingangsschirm kann wie üblich aus einer Kombination von Leuchtschirm und Fotokathodenschicht bestehen, die gegebenenfalls nacheinander in bei Fotokathoden üblicher Weise auf einen möglichst wenig Röntgenstrahlen absorbierenden, etwa aus Aluminiumblech bestehenden Träger aufgebracht sind. Als Röntgenleuchtstoffe, d.h. solche, die bei Beaufschlagung mit Röntgenstrahlen Licht abgeben, das auf die Fotokathode einwirkt, ist etwa mit Natrium aktiviertes Cäsiumjodid brauchbar. In Anpassung an die Absorption der sichtbarzumachenden Strahlen, etwa die in der Röntgendiagnostik üblichen Strahlen, kommen 0,05 bis 0,4 mm, insbesondere 0,15 mm, dicke Schichten in Frage, die in der Regel aufgedampft sein können. Der Ausgangs- oder Betrachtungsschirm ist der Fotokathode in Abstand vorgelagert. Er ist zur Fotokathode als Anode geschaltet und enthält in der Regel einen Leuchtschirm, der durch die Emission der Fotokathode zu einem Leuchten angeregt wird, das durch das Ausgangsfenster hindurch betrachtet werden kann. Als Ausgangsschirme können aber andererseits auch solche verwendet werden, die wieder eine Fotokathode enthalten, die entweder durch das Leuchten eines im Ausgangsschirm enthaltenen Leuchtstoffs oder direkt durch die auftreffenden Elektronen zur Aussendung weiterer Elektronen angeregt wird. So kann ein an sich bekannter Mehrstufenbildverstärkeraufbau erhalten werden, der zwischen dem Eingangs schirm und dem Betrachtungsschirm ein oder mehrmals zusätzlich eine verstärkende Umwandlung der Emission der vorhergehenden Fotokathode aufweist. Vom Leuchtstoff, der für den Betrachtungsschirm verwendet wird, ist zu verlangen, daß bei Beaufschlagung mit der Emission der Fotokathode, d.h. in der Regel beim Auftreffen von Elektronen, Licht abgegeben wird. Gegenwärtig wird als solcher Leuchtstoff hauptsächlich mit Silber aktiviertes Zink-Cadmium-Sulfid verwendet. Bei den in Bildverstärkern der erfindungsgemäß verbesserten Art etwa möglichen Beschleunigungsspannungen von in der 10er-Größenordnung liegenden kV kommen Schichtstärken von 1 bis 20/um, insbesondere 4/um, in Betracht.housed. Between the entrance and exit screens can also be curved electrodes, grids, multiplier screens or plates etc., which in principle are not required per se. The entrance screen can, as usual, consist of a combination of fluorescent screen and photocathode layer, if necessary one after the other in the usual way with photocathodes in one as possible Little X-rays absorbing, for example made of sheet aluminum are upset. As X-ray phosphors, i.e. those that are exposed to X-rays emitting light that acts on the photocathode is something like sodium activated cesium iodide useful. In adaptation to the absorption of what is to be made visible Rays, such as those commonly used in X-ray diagnostics, come from 0.05 to 0.4 mm, in particular 0.15 mm, thick layers in question, which are usually vapor-deposited could be. The exit or viewing screen is spaced from the photocathode upstream. It is connected to the photocathode as an anode and usually contains a fluorescent screen, which is excited to glow by the emission of the photocathode that can be viewed through the exit window. As exit screens On the other hand, however, those that again have a photocathode can also be used contained, either by the glow of a phosphor contained in the output screen or directly through the impacting electrons to send out more electrons is stimulated. A multi-stage image intensifier structure known per se can thus be obtained between the input screen and the viewing screen one or more times in addition, an amplifying conversion of the emission from the previous photocathode having. The phosphor used for the viewing screen is to demand, that when exposed to the emission of the photocathode, i.e. usually at When electrons hit, light is emitted. Presently it is used as such a phosphor mainly used with silver activated zinc-cadmium-sulfide. With those in image intensifiers of the type improved according to the invention, for example, possible acceleration voltages of In the order of 10 kV, layer thicknesses of 1 to 20 μm come, in particular 4 / um, into consideration.

Der Betrieb einer erfindungsgemäß gewölbt aufgebauten Elektrodenanordnung kann wie bei bekannten Flachbildverstärkern, etwa solchen, wie sie in den obengenannten Zitaten beschrieben sind, betrieben werden. Zu der aus der Bildverstärkertechnik bekannten Beschleunigung und Fokussierung der an der Fotokathode ausgelösten Elektronen können Fotokathode und Leuchtschirm (Anode) an einer einige 10 kV liefernden Spannungsquelle liegen. Zwischen der Fotokathode und dem Leuchtschirm können noch Fokussierungs-und Beschleunigungsplatten liegen, etwa Lochplatten, die gegenüber der Fotokathode auf bis zu einigen 100 V positiven Vorspannung liegen bzw. elektrisch ebenso geschaltete Mikrokanalplatten (CEM = Channel-electron-multiplication). Die Durchmesser der die Platten senkrecht durchsetzenden Kanäle sind etwa 40 bis 100/um. Auch unter Anwendung solcher Platten kann ein zwei- bzw.The operation of a curved electrode arrangement according to the invention can as with known flat panel amplifiers, such as those mentioned above Quotations are described, operated. About the image intensifier technology known acceleration and focusing of the electrons released at the photocathode photocathode and fluorescent screen (anode) can be connected to a voltage source delivering some 10 kV lie. Between the photocathode and the fluorescent screen can still focus and There are acceleration plates, such as perforated plates, opposite the photocathode up to a few 100 V positive bias voltage or electrically switched in the same way Microchannel plates (CEM = channel electron multiplication). The diameter of the Plates vertically penetrating channels are about 40 to 100 µm. Even under application such plates can be a two- resp.

mehrstufiger Bildverstärkeraufbau vorgesehen werden.multi-level image intensifier structure can be provided.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.Further details and advantages of the invention are provided below explained on the basis of the exemplary embodiments shown in the figures.

In der Fig. 1 ist mit 1 das metallene, aus Aluminium bestehende 0,5 bis 2 mm, vorzugsweise 1 mm, dicke, in bei Röntgenbildverstärkern üblicher Weise nach außen gewölbte Eingangs fenster eines Vakuumkolbens bezeichnet, in den eine erfindungsgemäße Anordnung eingebaut wird. Die Wölbung hat einen Biegungsradius von 28 cm bei einem Durchmesser von 19 cm. Ein ebenso in Gegenrichtung gebogenes Fenster 2 besteht aus Glas, ist 2 bis 5 mm, vorzugsweise ca. 3 mm, dick und-stellt das Ausgangsfenster dar. An ihren Rändern sind die beiden, die Fenster des Bildverstärkers darstellenden kappenförmigen Bauteile 1 und 2 miteinander vakuumdicht verbunden, in vorliegendem Fall über eine an sich bekannte, nicht näher dargestellte Metallanglasung (vgl.In Fig. 1, 1 is the metal, made of aluminum 0.5 up to 2 mm, preferably 1 mm, thick, in the usual way with X-ray image intensifiers outwardly curved entrance window of a vacuum flask called, in the one Arrangement according to the invention is installed. The curvature has a curvature radius of 28 cm with a diameter of 19 cm. One that is also curved in the opposite direction Window 2 is made of glass, is 2 to 5 mm, preferably about 3 mm, thick and represents the exit window at its edges are the two, the windows of the image intensifier representing cap-shaped components 1 and 2 vacuum-tight with one another connected, in the present case via a known, not shown Metal glazing (cf.

z.B. DT-PS 23 31 210, Spalte 3, Absatz 1).e.g. DT-PS 23 31 210, column 3, paragraph 1).

Im Inneren des so erhaltenen Vakuumkolbens befinden sich ein Leuchtschirm 3 mit einer Leuchtschicht 4 aus mit Natrium aktiviertem Cäsiumjodid, die ca. 0,2 mm stark auf einen ca. 0,4 mm dicken Träger 5 aus Aluminium oder einem anderen Leichtmetall bzw. Lelchtmetallegierung aufgedampft ist, in einem Abstand von einigen mm bis cm vom Fenster 2 liegt und parallel zu ihm gebogen ist. An der Innenseite des Fensters 2 befindet sich eine Leuchtschicht 6 aus Zink-Kadmium-Sulfid (Ag), die einige /um stark ist. Die Innenseite-dieser Leuchtschicht ist mit einer ca. 150 nm starken Aluminiumfolie 7 belegt, die am positiven Pol einer 25 kV liefernden Spannungsquelle 9 und 9' liegt. Der negative Pol der Quelle ist mit dem Leuchtschirm 3 verbunden, der an seiner der Aluminiumfolie zugewandten Seite mit einer an sich bekannten, aus Cäsiumantimon (SbCs3) bestehenden Fotokathodenschicht 8 belegt ist.A luminescent screen is located inside the vacuum flask obtained in this way 3 with a luminous layer 4 made of sodium-activated cesium iodide, which is approx. 0.2 mm thick on an approximately 0.4 mm thick carrier 5 made of aluminum or another light metal or light metal alloy is vapor-deposited, at a distance of a few mm to cm from window 2 and is bent parallel to it. On the inside of the window 2 there is a luminescent layer 6 made of zinc-cadmium sulfide (Ag), which is some / um is strong. The inside of this luminous layer is approximately 150 nm thick Aluminum foil 7 occupied the positive pole of a voltage source delivering 25 kV 9 and 9 '. The negative pole of the source is connected to the fluorescent screen 3, the side facing the aluminum foil with a known per se, made of cesium antimony (SbCs3) existing photocathode layer 8 is covered.

In der bei Vakuumbildverstärkern bekannten Weise lösen von der Seite des Eingangsfensters einfallende Röntgenstrahlen in der Leuchtschicht 4 Licht aus, welches in der Fotokathodenschicht die Emission von Elektronen bewirkt. Diese werden mittels der angelegten Spannung auf den Leuchtschirm 6 zu beschleunigt. Dort erzeugen sie Licht, das durch das Fenster 2 hindurch beobachtbar ist.Detach from the side in the manner known from vacuum image intensifiers X-rays incident from the entrance window in the luminous layer 4 light off, which causes the emission of electrons in the photocathode layer. These will accelerated by means of the voltage applied to the luminescent screen 6. Generate there they light that can be observed through the window 2.

Eine zusätzliche Fokussierung und Erhöhung der Elektronenausbeute kann in bekannter Weise mit Mikrokanal-Elektronenvervielfacherplatten, sog. Channel-Electron-Multiplier-Plates, durch Sekundäremission erreicht werden. Dazu wird eine weitere Schicht 10, d.h. eine etwa aus der in der Beschreibungseinleitung genannten Literaturstelle bekannte Platte, zwischen der Fotokathode 8 und der Leuchtschicht 6 angeordnet. Sie hat von der Foto- kathodenschicht 8 einen Abstand von einigen mm und besteht aus schwach elektrisch leitfähigem Glas. Sie ist selbst ca. 4 mm stark und gegenüber der Fotokathode 8, wie durch den ersten Teil 9 der Spannungsquelle angedeutet, an eine positive Vorspannung von 200 V gelegt. Dadurch wird in bekannter Weise erreicht, daß die von der Fotokathode 8 kommenden Elektronen auf die Platte 10 zu beschleunigt und in den sie durchziehenden Kanälen durch Ablösung weiterer Elektronen vervielfacht werden. Im Abstand zwischen der zusätzlichen Platte 10 und der Leuchtschicht 6 werden diese dann wegen der dort anliegenden höheren Spannung von ca. 25 KV an dem Teil 9' der Spannungsquelle beschleunigt und auf die Leuchtschicht 6 zur Einwirkung, d.h. zur Auslösung von Licht, gebracht.An additional focus and increase in the electron yield can in a known manner with microchannel electron multiplier plates, so-called channel electron multiplier plates, can be achieved through secondary emission. For this purpose, another layer 10, i.e. one known from the literature cited in the introduction to the description Plate, arranged between the photocathode 8 and the luminous layer 6. She has from the photo- cathode layer 8 a distance of a few mm and consists made of weakly electrically conductive glass. It is itself approx. 4 mm thick and opposite the photocathode 8, as indicated by the first part 9 of the voltage source applied a positive bias of 200 V. This achieves in a known manner that the electrons coming from the photocathode 8 accelerate onto the plate 10 and multiplied by the detachment of further electrons in the channels that run through them will. In the distance between the additional plate 10 and the luminous layer 6 are this then because of the higher voltage of approx. 25 KV applied to the part 9 'accelerates the voltage source and acts on the luminous layer 6, i.e. brought about the release of light.

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Claims

Claims w vacuum X-ray image intensifier with at least one approximately 1: 1 image of the electrons released at its photocathode a luminescent layer attached to an anode and a cross-section that is larger is than the distance between the input and output windows, d u r c h g e k e n n n z e i c h -n e t that the electrodes are at least approximately concentric to one another are arched.

2. Image intensifier according to claim 1, characterized in that both Windows are outwardly curved when the material of the entrance window is made up Train is made of a material that can only be stressed, such as glass or aluminum.

3. image intensifier according to claim 1, characterized in that input and exit windows are curved outwards and the electrodes are approximately concentric to the exit window.

4. Image intensifier according to claim 3, characterized in that with respect to of the vacuum space there is a fluorescent screen on the inside of the exit window.

5. Image intensifier according to one of the preceding claims, characterized characterized in that between the photocathode and anode an approximately concentric to two arched perforated plate electron multiplier (SEM) at a positive voltage lies.

6. Image intensifier according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the arrangement is formed in several stages by the anode of the first stage is included in the photocathode of the second stage.