DE2734799C2

DE2734799C2 - Eingangsschirm für eine Röntgen- bzw. Gammastrahlen-Bildwandlerröhre und Verfahren zur Herstellung dieses Eingangsschirms

Info

Publication number: DE2734799C2
Application number: DE2734799A
Authority: DE
Inventors: Jean Pierre Meylan Galves; Jean Marie Grenoble Gutierrez
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-08-03
Filing date: 1977-08-02
Publication date: 1984-09-20
Also published as: FR2360989B1; US4398118A; US4287230A; GB1567823A; DE2734799A1; FR2360989A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Eingangsschirm für eine Röntgen- bzw. Gammastrahlen-Bildwandlerröhre nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung des Eingangsschirms nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.

Ein solcher Eingangsschirm und ein solches Herstellungsverfahren sind aus der US-PS 37 69 059 bekannt.

Bildverstärker für Röntgen- bzw. Gammastrahlen-Bildwandlerröhren bestehen vor allem aus einem Eingangsschirm mit einer Leuchtschicht (Szintillator) mit zugeordneter Photokatode, einer Elektronenoptik und einem Ausgangsschirm, auf weichem das Bild in sichtbarem Licht erscheint Die Röntgersphotonen treffen auf den Szintillator auf, der Lichtphctonen erzeugt, welche ihrerseits durch die Photokatode absorbiert werden, die Elektronen emittiert Die Elektronen werden durcn die Elektronenoptik beschleunigt und treffen auf den Ausgangsschirm auf und verursachen eine Emission sichtbaren Lichtes.

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

Die Cäsiumjodidschicht weist eine Dicke von 150 bis 200 μπι 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 Dikken verlangt, und andererseits der Auflösung der Leuchtschicht ergibt, die um so größer ist, je geringer die Dicke ist.

Für eine Dicke der Cäsiumjodidschicht von 150 μπι werden ungefähr 40% der Röntgenphotcnen 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 Natriumjodid aus einem einzigen erhitzten Tiegel auf das heiße Substrat, welches auf einer Temperatur zwischen 200 und 250⁰C gehalten wird. Die gemeinsame Aufdampfung in der gleichen Weise wie bei dem vorhergehenden Verfahren, aber auf das kalte Substrat, mit anschließender Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb von 250° C.

In jedem Fall zeigt aber das nach dem Aufdampfen erhaltene Material schlechte 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 μηι in den Querrichtungen), die teilweise durch Risse voneinander getrennt sind, welche sie mehr oder weniger elektrisch und optisch voneinander isolieren.

Daß die Wärmebehandlung eines Eingangsschirms der oben angegebenen Art zur Bildung von größeren Kristallen führt, ist übrigens aus »Philips Research Reports«, Bd. 29,1974, S. 340-352, bekannt.

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

F i g. 2 zeigt das Verhalten einer solchen Schicht unter

der 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 Spalt 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 s>e 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 ergibt, als handle es sich um eine im wesentlichen ungerichtete Lichtquelle, deren Abmessung gleich der eines Einkristalls 1 ist, d. h. zwischen 100 und 200 μΐη 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 hoher Auflösung unmöglich macht. Für eine Schichtdicke vor. 150 μιτι erhält man eine Grenzauflösung, die 6 bis 7 Linienpaare 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 Leuchtschicht zu erzeugen, indem die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Cäsiumjodidschicht und des Substrats, auf das sie aufgebracht ist, unterschiedlich sind. Die räumlich voneinander getrennten Bereiche weisen jedoch noch zu große Abmessungen auf (ungefähr 60 μπι) und es ist schwierig, durch dieses Verfahren eine Auflösung zu erhalten, die besser als 8 Linienpaare pro Millimeter ist. Die so erhaltenen Risse erzeugen elektrisch isolierte Inselchen und beeinträchtigen so die elektrische Querleitfähigkeit der Photokatode.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Eingangsschirm für eine Röntgen- bzw. Gammastrahlen-Bildwandlerröhre der eingangs genannten Art zu schaffen, durch den es ermöglicht wird, die seitliche Diffusion der durch Röntgenanregung erzeugten Lichtstrahlung zu reduzieren, um so ein möglichst hohes Auflösungsvermögen der Bildwandlerröhre zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein Verfahren zur Herstellung des Eingangsschirms ist im Patentanspruch 7 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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

F i g. 1 in perspektivischer Darstellung eine nach einem bekannten Verfahren hergestellte Cäsiumjodidschicht,

F i g. 2 einen Schnitt durch eine solche Schicht, der die Bahn von einfallenden Röntgenstrahlen und von Lichtstrahlen zeigt,

F i g. 3 einen Schnitt durch eine Schicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, der die Bahnen der Strahlen zeigt,

F i g. 4 Kurven, welche die Änderungen der Modulationsübertragung mit der räumlichen Frequenz in einer Schicht gem. F i g. 3 und in einer bekannten Schicht darstellen,

Fig.5 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung, und

F i g. 6 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Schicht

F i g. 3 zeigt im Schnitt durch eine Schicht eine Anordnung von feinen Nadeln 7, die aus natriumdotierten Cäsiumjodideinkristallen bestehen. Der Durchmesser dieser Nadeln beträgt ungefähr 5 μηπ. F i g. 3 zeigt den Gang der Lichtstrahlen, die nach Absorption der aus einem Bündel 3 stammenden Photonen S in den Nadeln 7 verursacht werden. Diese Lichtstrahlen werden an den Rändern 8 der Nadeln reflektiert und treten an dem Ende der Nadeln aus. Es ist zu erkennen, daß die Abis messung der Lichtquelle in dem Fall der Nadeleinkristalle viel kleiner ist als in dem Fall der in F i g. 2 dargestellten Einkristalle mit g^roßer Abmessung und daß diese Abmessung im wesentlichen der des Spalts 4 entspricht.

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

Für eine gegebene Auflösung kann die Dicke der Schicht beträchtlich erhöht werden, wodurch der Wirkungsgrad der Umwandlung von Röntgenphotonen in Lichtphotcnen entsprechend erhöht wird.

F i g. 4 zeigt die Kurven der Änderungen der Modulationsübertragung mit der räumlichen Frequenz ausgedrückt in Linienpaaren pro Millimeter. Die Kurve 11 betrifft eine Nadelschicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und die Kurve 12 eine bekannte Schicht. Es ist beispielsweise zu erkennen, daß für eine räumliche Frequenz von 4 Linienpaaren pro Millimeter die entsprechende Modulationsübertragung ungefähr doppelt so groß ist wie bei einer bekannten Schicht.

F i g. 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung dieser Nadelschicht. Ein Kreisförderer 13, der in einer Vakuumkammer 14 angeordnet ist, trägt ein Substrat, das abwechselnd zwei Positionen einnehmen kann, die mit 16 bzw. 17 bezeichnet sind. Dieses Substrat, auf welchem 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 verhindem, 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 S1O2, S12O3, AI2O3 und SnC>2: was das Silicium anbetrifft, so wird allgemein eines der Oxide der Zusammensetzung SiO₁ verwendet, m:· 1 < χ <2.

Das Verfahren läuft folgendermaßen ab:

Die Aufdampfungstiegel 18 und 19, welche natriumdotiertes Cäsiumjodid bzw. den Fremdstoff, beispielsweise SiO₁, 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 μηι/min. ergibt. Dabei werden Nadeln von 5 μτη Durchmesser gebildet, was unter optischen Gesichtspunkten eine optisch annehmbare Abmessung ist. 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 zwisehen 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 diesem Fall ist aber, nachdem der Niederschlag aufgebracht worden ist, das Substrat allein den Cäsiumjodiddämpfen ausgesetzt worden, um eine zusätzliche Schicht 21 mit einer Dicke von 3 bis 8 μίτι herzustellen. Bei der Wärmebehandlung, die später ausgeführt wird, wird diese Schicht homogen.

Diese Homogenisierung führt zwar zu einer leichten Verringerung der Auflösung, diese Verringerung ist jedoch wegen der geringen Dicke der homogenen Schicht sehr gering. Die Homogenisierung 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Eingangsschirm für eine Röntgen- bzw. Gammastrahlen-Bildwandlerröhre mit einem Substrat (2), auf dem eine aus natriumdotiertem Cäsiumjodid gebildete Leuchtschicht in Form eines Gefüges aus feinen, zu den einfallenden Strahlen im wesentlichen parallelen Nadeln (7) und darüber eine Photokatodenschicht aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtschicht einen in das Kristallgitter des Cäsiumjodids eingebauten Fremdstoff enthält, der aus einem Metalloxid besteht und geeignet ist, während einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 250 und 500⁰C ein Zusammenwachsen der Nadeln zu verhindern.

2. Eingangsschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtsanteil des Metalloxid!» weniger als etwa 1% des Cäsiumjodids beträgt.

3. Eingangsschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fremdstoff SiO_x mit 1 < χ < 2 ist, dessen Gewichtsanteil weniger als etwa 1 % des Cäsiumjodids beträgt

4. Eingangsschirm nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Nadeln (7) der Leuchtstoffschicht einen Durchmesser zwischen 3 und 8 μηι haben.

5. Eingangsschirm nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Leuchtstoffschicht aus feinen Nadeln (7) eine im wesentlichen homogene Cäsiumjodidschicht (21) aufgedampft ist.

6. Eingangsschirm nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgedampfte Cäsiumjodidschicht (21) eine Dicke zwischen 3 und 8 μπι aufweist.

7. Verfahren zum Herstellen eines Eingangsschirms für eine Röntgen- oder Gammastrahlen-Bildwandlerröhre nach einem de-. Ansprüche 1 bis 4, bei dem durch schrittweises Aufdampfen von natriumdotiertem Cäsiumjodid auf ein kaltes Substrat (2) eine Leuchtschicht in Form eines Gefüges aus feinen, zu den einfallenden Strahlen im wesentlichen parallelen Nadeln (7) hergestellt wird und dann eine Photokatodenschicht aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das natriumdotierte Cäsiumjodid abwechselnd mit einem Metalloxid aufgedampft wird und daß anschließend eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 250 un 500⁰C durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Wärmebehandlung auf die Leuchtschicht aus den feinen Nadeln (7) eire Cäsiumjodidschicht (21) mit einer Dicke zwischen 3 und 8 μιτι aufgedampft wird.