DE2734799A1

DE2734799A1 - Radiologischer bildverstaerker

Info

Publication number: DE2734799A1
Application number: DE19772734799
Authority: DE
Inventors: Jean Pierre Galves; Jean Marie Gutierrez
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-08-03
Filing date: 1977-08-02
Publication date: 1978-02-23
Also published as: GB1567823A; DE2734799C2; FR2360989A1; US4398118A; US4287230A; FR2360989B1

Description

Dipl-Ing. Dipl-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Unser Zeichen: T 2239 2.August 1977

THOMSON-CSF

173 Bd.Haussmann

75008 Paris, Frankreich

Radiologischer Bildverstärker

Die Erfindung betrifft einen radiologischen Bildverstärker und das Verfahren zu seiner Herstellung.

Radiologische Bildverstärker bestehen vor allem aus einem Eingangsschirm oder Szintillator mit zugeordneter Photokatode, einer Elektronenoptik und einem Ausgangsschirm, auf welchem das Bild in sichtbarem Licht erscheint. Die Röntgenphotonen treffen auf den Szintillator auf, der Lichtphotonen erzeugt, welche ihrerseits durch die Photokatode absorbiert werden, die Elektronen emittiert. Die Elektronen werden durch die Elektronenoptik beschleunigt und treffen auf den Ausgangsschirm auf und verursachen eine Emission sichtbaren

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Lichtes.

Der Eingangsschirm oder Szintillator besteht im allgemeinen aus einer Cäsiumjodidschicht, die in optimalen Verhältnissen natriumdotiert ist, so daß sich eine maximale Lumineszenz ergibt, wenn er einer Anregung durch Röntgenstrahlen ausgesetzt wird.

Die Cäsiumjodidschicht weist eine Dicke von 150 bis 200 ,um auf, die so gewählt ist, daß sich ein Kompromiß zwischen einerseits der Röntgenabsorption des Materials, die so groß wie möglich sein soll, damit sich ein maximaler Wirkungsgrad der Umwandlung von Röntgenphotonen in Lichtphotonen ergibt, was große Dicken verlangt, und andererseits der Auflösung der Lumineszenzschicht ergibt, die um so größer ist, je geringer die Dicke ist.

Für eine Dicke der Cäsiumjodidschicht von 150,um werden ungefähr 40 % der Röntgenphotonen von 60 keV absorbiert.

Diese dotierte Cäsiumjodidschicht wird im allgemeinen auf ein Aluminiumsubstrat aufgebracht, das die Form einer Kugelkalotte hat. Von den gegenwärtig benutzten Verfahren zum Aufbringen dieser Cäsiumjodidschicht seien genannt: Die im Vakuum erfolgende gemeinsame Aufdampfung von Cäsiumjodid und von Natriumiodid aus einem einzigen erhitzten Tiegel auf das heiße Substrat, welches auf einer Temperatur zwischen 200 und 250 °C gehalten wird. Die gemeinsame Aufdampfung in der gleichen Weise wie bei

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dem vorhergehenden Verfahren, aber auf das kalte Substrat, mit anschließender Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb von 250 °C.

Auf alle Fälle hat aber das nach dem Aufdampfen erhaltene Material nicht die Eigenschaft der Lumineszenz bei Röntgen (oder UV-)-Anregung, wenn nicht im Verlauf des Aufdampfens oder danach eine Wärmebehandlung vorgenommen wird.

Das Gefüge einer auf diese Weise erhaltenen Schicht ist für die Erzielung eines Schirms mit starker Auflösung wenig günstig. Egal nämlich ob die Aufdampfung auf warmes Substrat oder auf kaltes Substrat mit späterer Wärmebehandlung erfolgt, die Temperatur wirkt auf das aufgebrachte Material durch interkristalline Diffusionen ein. Es kommt zur Bildung von isotropen Einkristallen mit ziemlich großen Abmessungen (von 100 bis 200 ,um in den Querrichtungen), die durch Risse voneinander getrennt sind oder nicht, welche sie mehr oder weniger elektrisch und optisch voneinander isolieren.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer Cäsiumjodidschicht, die nach einem der oben beschriebenen Verfahren aufgebracht worden ist und die für ihre Wirksamkeit erforderliche Wärmebehandlung erhalten hat. Es ist zu erkennen, daß diese Schicht nicht gleichförmig ist, sondern aus der Nebeneinanderanordnung von Einkristallen 1 besteht.

Fig. 2 zeigt das Verhalten einer solchen Schicht unter der

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Einwirkung einer Röntgenstrahlung. Es ist angenommen, daß eine aus auf ein Substrat 2 aufgebrachten Einkristallen 1 bestehende Cäsiumjodidschicht ein Bündel 3 von Röntgenstrahlen empfängt, das aus einem schmalen Schlitz 4 kommt, welcher in einem der Strahlung ausgesetzten Schirm 5 gebildet ist. Ein Röntgenphoton 6 aus dem Bündel 3 wird durch das Cäsiumjodid absorbiert und verursacht mehrere Lichtphotonen, die aus dem Einkristall 1 austreten, nachdem sie eine gewisse Anzahl von verschiedenen Reflexionen und Brechungen erfahren haben. Die einen treten direkt aus dem Einkristall aus, während die anderen vor dem Austritt eine oder mehrere Reflexionen erfahren, so daß das einfallende Röntgenbündel ungeachtet seiner Abmessung die Emission einer Lichtstrahlung in allen Richtungen ergeben wird, als handle es sich um eine im wesentlichen ungerichtete Lichtquelle, deren Abmessung gleich der eines Einkristalls 1 ist, d. h. zwischen 100 und 200/um liegt. Es ergibt sich auf diese Weise eine Vergrößerung des Bildes des Spalts 4.

Es ist zu erkennen, daß eine solche Struktur das Erzielen eines Schirms mit starker Auflösung unmöglich macht. Für eine Schichtdicke von 150 ,um erhält man eine Grenzauflösung, die 6 bis 7 Linien- oder Zeilenpaare pro Millimeter nicht überschreitet.

Zur Verringerung der Abmessung der Einkristalle, die für die seitliche Diffusion der durch Röntgenanregung erzeugten Lichtstrahlung verantwortlich ist, ist versucht worden, künstlich Risse in der Lumineszenzschicht zu erzeugen, indem

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die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Cäsiumjodidschicht und des Substrats, auf das sie aufgebracht ist, verändert worden sind. Die räumlich voneinander getrennten Bereiche weisen jedoch noch zu große Abmessungen auf (ungefähr 60 .um ) und es ist schwierig, durch dieses Verfahren eine Auflösung zu erhalten, die besser als 8 Zeilen- oder Linienpaare pro Millimeter ist. Die so erhaltenen Risse erzeugen elektrisch isolierte Inselchen und beeinträchtigen so die elektrische Querleitfähigkeit der Photokatode .

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines radiologischen Bildverstärkers, der diese Nachteile nicht aufweist.

Weiter ist das Ziel der Erfindung sein Herstellungsverfahren.

Die Cäsiumjodidschicht besteht aus Nadeln von geringem Durchmesser ( 3 bis 8 ,um), die durch Kondensation von Dampf auf dem kalten Substrat erhalten werden. Ein Fremdstoff wird in das Kristallgitter des Cäsiumjodids eingefügt, um das Zusammenwachsen der Nadeln zu Einkristallen mit großer Abmessung während der späteren Wärmebehandlung zu vermeiden.

Gemäß der Erfindung ist der radiologische Bildverstärker, der aus einem Szintillator mit zugeordneter Photokatode, einer Elektronenoptik und einem Ausgangsschirm besteht, auf dem das sichtbare Bild erscheint, dadurch gekennnzeich-

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net, daß der Szintillator aus einem Substrat besteht, auf das eine natriumdotierte Cäsiumjodidschicht aufgebracht ist, deren Gefüge aus feinen, zu den einfallenden Strahlen im wesentlichen parallelen und optisch unabhängigen Nadeln besteht.

Dieses Ergebnis wird erfindungsgemäß durch folgende Schritte erhalten:

Abwechselndes Niederschlagen von Dämpfen des eigentlichen Szintillatormaterials, natriumdotiertem Cäsiumjodid, und von Dampf eines Materials, bei welchem es sich nicht um Cäsiumjodid handelt, auf dem kalten Substrat durch Kondensation,

Wärmebehandlung des so geschaffenen Niederschlags, bei welcher die Temperatur der Gesamtanordnung auf einen Wert zwischen 250 und 500 °C erhöht wird.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung eine

nach einem bekannten Verfahren hergestellte Cäsiumjodidschicht,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine solche Schicht,

der die Bahn von einfallenden Röntgenstrahlen und von Lichtstrahlen zeigt,

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Fig. 3 einen Schnitt durch eine Schicht nach

_χ der Erfindung, der die Bahnen der Strah

len zeigt,

Fig. 4 Kurven, welche die Änderungen der Mo

dulationsverstärkung mit der räumlichen Frequenz in einer Schicht nach der Erfindung und in einer bekannten Schicht darstellen,

Fig. 5 schematisch eine Vorrichtung zur Durch

führung des Verfahrens nach der Erfindung , und

Fig. 6 einen Schnitt durch eine andere Ausfüh-

rungsforni der Schicht nach der Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen das Gefügebild und die Betriebsweise einer bekannten Schicht.

Fig. 3 zeigt im Schnitt durch eine Schicht nach der Erfindung eine Anordnung von feinen Nadeln 7, die aus natriumdotierten Cäsiumjodideinkristallen bestehen. Die Breite dieser Nadeln beträgt ungefähr 5 .um. Fig. 3 zeigt den Gang der Lichtstrahlen, die nach Absorption der aus einem Bündel 3 stammenden Photonen 6 in den Nadelkristallen 7 verursacht werden. Diese Lichtstrahlen werden an den Rändern der Nadeln 8 reflektiert und treten an dem Ende der Nadeln aus. Es ist zu erkennen, daß die Abmessung der Lichtquelle in

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dem Fall der Nadel einkristalle viel kleiner ist als in dem Fall der in Fig. 2 dargestellten Einkristalle mit großer Abmessung und daß diese Abmessung im wesentlichen der des Spalts 4 entspricht.

Es ergibt sich so ein Lumineszenzschirm mit großer Eigenauflösung, mit welchem eine radiologische Bildverstärkerröhre mit großer Grenzauflösung und mit starkem Kontrast hergestellt werden kann.

Diese Vergrößerung der Auflösung gestattet, die Glieder des Kompromisses zwischen Dicke und Auflösung zu modifizieren, von dem weiter oben die Rede gewesen ist. Für eine gegebene Auflösung kann also beispielsweise die Dicke der Schicht beträchtlich erhöht werden, wodurch der Wirkungsgrad der Umwandlung von Röntgenphotonen in Lichtphotonen ebensosehr erhöht wird.

Fig. 4 zeigt die Kurven der Änderungen der Modulationsverstärkung (FTM) mit der räumlichen Frequenz ausgedrückt in Linienpaaren pro Millimeter (PLM). Die Kurve 11 betrifft eine Nadelschicht nach der Erfindung und die Kurve 12 eine bekannte Schicht. Bs ist beispielsweise zu erkennen, daß für eine räumliche Frequenz von 4 Linienpaaren pro Millimeter die entsprechende Modulationsverstärkung ungefähr doppelt so groß ist wie bei einer bekannten Schicht.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung dieser Nadelschicht. Ein Kreisförderer 13, der in einer

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Vakuumkammer 14 angeordnet ist, trägt ein Substrat, das abwechselnd zwei Positionen einnehmen kann, die mit 16 bzw. 17 bezeichnet sind. Dieses Substrat, auf wehhem die Niederschläge hergestellt werden sollen, besteht aus für die Röntgenstrahlen durchlässigen Stoffen, beispielsweise aus Aluminium. Es hat die Form einer Kugelkalotte und die Niederschläge sollen auf dem konkaven Teil hergestellt werden. Dieses Substrat wird in eine Drehbewegung um sich selbst und außerdem in eine Drehbewegung um die Achse des Kreisförderers versetzt, wie durch die Pfeile angegeben. Zwei Aufdampfungstiegel 18 und 19 enthalten natriumdotiertes Cäsiumjodid bzw. den Fremdstoff, der in das Kristallgitter des Cäsiumjodids einzufügen ist.

Dieser Stoff muß in der Lage sein, die Atomdiffusionserscheinung von Jod und von Cäsium zu verhindern, die an der Grenzfläche der Nadeln während des Glühens auftritt, und dabei die Blockierung der Lumineszenz des Natriums in dem Cäsiumjodidgrundgefüge zu vermeiden.

Nach zahlreichen Versuchen ist herausgefunden worden, daß eine gewisse Anzahl von Stoffen verwendbar ist: beispielsweise gewisse Oxide, wie SiO₂, Si₂O-, ^Al₂°3 ^{unci Sn0}?» was das Silicium anbetrifft, so wird allgemein eines der Oxide des Bereiches SiO verwendet, mit 1 < χ < 2 .

Das Verfahren läuft folgendermaßen ab:

Die Aufdampfungstiegel 18 und 19, welche natriumdotiertes

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Cäsiumjodid bzw. den Fremdstoff, beispielsweise SiO , enthalten, werden in der Vakuumkammer 14 angeordnet. Das Substrat wird kalt auf den Kreisförderer 13 gebracht. Durch Drehen des letzteren wird das Substrat abwechselnd über die Tiegel 18 und 19 gebracht. Dann werden das Cäsiumjodid und das Oxid verdampft. Die Verdampfungsgeschwindigkeit des ersteren wird so eingestellt, daß sich auf dem Substrat eine Niederschlagsgeschwindigkeit von ungefähr 5 ,um/min ergibt. Diese Geschwindigkeit entspricht der Nadeibildung, die Nadeln von 5 im Durchmesser entspricht, wobei es sich unter optischen Gesichtspunkten um eine optisch annehmbare Abmessung handelt. Die Verdampfungsgeschwindigkeit des Oxids wird so eingestellt, daß die Gesamtmenge dieses in das Gitter des Cäsiumjodids eingefügten Stoffes im wesentlichen kleiner als 1 Gew.-% ist. Eine kleinere Menge würde die optischen Qualitäten verringern, wohingegen eine größere Menge zu einem zu starken Lumineszenzverlust führen würde. Nach 'dem Verdampfen und Niederschlagen ergibt sich das in Fig. 3 dargestellte Gefüge. Es wird anschließend der Wärmebehandlung unterzogen, die darin besteht, die Temperatur für eine halbe Stunde auf einen Wert zwischen 250 und 500 C zu erhöhen. Im Verlauf dieser Behandlung wird das Gefüge dank des Vorhandenseins des Oxids in dem Cäsiumjodidgitter nicht wesentlich verschlechtert.

Eine Variante des so hergestellten Gefüges ist in Fig. 6 dargestellt, die Nadeln 7 zeigt, welche auf das Substrat 2 unter den oben beschriebenen Bedingungen aufgebracht worden sind. In dem Fall dieser Ausführungsvariante ist aber, nach-

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dem der Niederschlag aufgebracht worden ist, das Substrat allein den Cäsiumjodiddämpfen ausgesetzt gelassen worden, um eine zusätzliche Schicht 21 mit einer Dicke von 3 bis 8 •um herzustellen. Bei der Wärmebehandlung, die später ausgeführt wird, wird diese Schicht homogen.

Diese Homogenisierung führt zwar zu einer leichten Verringerung der Auflösung, diese ist jedoch wegen der geringen Dicke der homogenen Schicht sehr gering. Sie hat dagegen den Vorteil, daß sie eine glatte Oberfläche der Lumineszenzschicht ergibt und das Herstellen einer Photokatode ohne elektrische Unterbrechung auf der gesamten Oberfläche des Schirms gestattet.

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Claims

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Djpl-Ing. Dipl.-Chem Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Unser Zeichen: τ 2239 2.August 1977

THOMSON-CSF

173 Bd.Haussmann

75008 Paris, Frankreich

PATENTANSPRÜCHE :

f 1.)Radiologischer Bildverstärker, der aus einem Szintillatorschirm mit zugeordneter Photokatode, einer Elektronenoptik und einem Ausgangsschirm besteht, auf dem das sichtbare Bild erscheint, dadurch gekennzeichnet, daß der Szintillator aus einem Substrat besteht, auf welches eine Verbundschicht aus natriumdotiertem Cäsiumjodid und einem anderen Stoff aufgebracht ist, der aus einem Metalloxid besteht, das in das Kristallgitter des Szintillators eingefügt ist, und daß die Schicht ein Gefüge aus feinen, zu den einfallenden Strahlen im wesentlichen parallelen Nadeln hat, die optisch unabhängig voneinander sind.
2. Bildverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Stoff, der in das Kristallgitter des Szintillators eingefügt ist, Siliciumoxid SiO ist, mit 1 < χ <
3. Bildverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadeln des Szintillators einen Durchmesser zwischen 3 und 8»um haben.

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4. Bildverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht, die aus dem Gefüge aus feinen Nadeln besteht, mit einer im wesentlichen homogenen Cäsiumjodidschicht bedeckt ist.
5. Bildverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen homogene Cäsiumjodidschicht eine Dicke zwischen 3 und 8 ,um hat.
6. Verfahren zur Herstellung des Bildverstärkers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Abwechselndes Auftragen von Dämpfen des eigentlichen Szintillatorstoffes, d. h. von natriumdotiertem Cäsiumjodid, und von Dämpfen eines anderen Stoffes, bei welchem es sich nicht um Cäsiumjodid handelt, auf das kalte Substrat durch Kondensation, und

Wärmebehandlung des so hergestellten Niederschlags durch Erhöhen der Temperatur auf einen Wert zwischen 250 und 500 °C.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem abwechselnden Aufbringen ein zusätzlicher Cäsiumjodidniederschlag aufgebracht wird.

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