DE69225137T2

DE69225137T2 - Grossflächige videokamera

Info

Publication number: DE69225137T2
Application number: DE69225137T
Authority: DE
Inventors: Sol Nudelman; Donald Ouimette
Original assignee: University of Connecticut
Current assignee: University of Connecticut
Priority date: 1991-07-11
Filing date: 1992-07-09
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2012-07-10
Also published as: AU2310792A; US5195118A; EP0593634A1; WO1993001612A1; EP0593634B1; DE69225137D1; JPH07509584A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf in Videokameras eingesetzte Abtastbildröhren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Vorrichtungen mit einer verhältnismäßig großflächigen photoleitfähigen Sensor-Fangelektrode und einen für Anwendungen wie beispielsweise Bilderzeugung aus Röntgenstrahlung geeignetem Leistungsvermögen.
Die Erfindung betreffende Videokameras verwenden einen langsamen Elektronenstrahl (LV-Strahl) und eine sehr hochohmige photoleitfähige Sensor-Fangelektrode. Gemäß der Anmeldung beziehen sich langsame Elektronenstrahlen im allgemeinen auf Elektronenstrahlen, die mit ausreichend geringer Geschwindigkeit auf die Sensor-Fangelektrode treffen, ohne Sekundäremissionen zu verursachen.
Die in Videokameraröhren eingesetzte Sensor-Fangelektrode photoleitfähiger Bauart umfaßt zwei Aufgaben. Zum ersten erfaßt die sensor-Fangelektrode bestrahlende Photonen. Zum zweiten arbeitet die Sensor-Fangelektrode als eine Fangelektrode mit einen ausreichenden speichervermögen zum Festhal ten von Elektronen, die durch den Elektronenstrahl während der Rasterabtastung durch den LV-Strahl auf der inneren Fangelektrodenoberfläche aufgebracht wurden. Bei die Erfindung betreffenden nicht verstärkenden LV-Röhren tastet ein Elektronenstrahl die innenliegende Oberfläche der Sensor Eangelektrode nach Art und Weise einer Rasterabtastung ab. Die Elektroden treffen mit niedriger Energie auf die Sensor- Fangelektrodenoberfläche und werden gleichmäßig über die Oberfläche der Sensor-Fangelektrode verteilt, so daß das Potential auf der Oberfläche ungefähr auf das Potential der Elektronenstrahlkathode gebracht wird, das üblicherweise, aber nicht notwendigerweise auf Massepotential liegt. Eine durch die Projektion eines optischen Bildes auf die Eingangssensoroberfläche der Bildröhre verursachte Ladungsänderung auf der Sensor-Fangelektrode erzeugt, während der LV- Strahl das Raster abtastet, ein zeitabhängiges Videosignal. Das Bild wird auf der Grundlage aufeinanderfolgender Bildelemente (Pixel) gewonnen, wobei durch die Abbildung des Bildes auf der Fangelektrodenoberfläche verlorengegangene Elektronen wieder durch den abtastenden Elektronenstrahl ersetzt werden.
Die sensorische Funktion der Sensor-Fangelektrode wird durch ein isolierendes photoleitendes Material erzielt, das auf eine abzubildende auftreffende Bestrahlung anspricht und einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10¹² Ωcm aufweist. Der hohe spezifische Widerstand wird benötigt, um während der Rasterabtastung auf der inneren Abtastoberfläche eine ausreichende Ladungsspeicherung und Unbeweglichkeit der Elektronen aufrechtzuerhalten. Während der Belichtung der Sensor-Fangelektrode durch auftreffende Strahlung von einem Bild eines Objekts oder eines Probestücks wie beispielsweise von einem Brustkorbröntgenbild bewirkt ein resultierender Ladungsfluß durch das Sensor- Fangelektrodenmedium einen Verlust an Elektronen von der Abtastoberfläche. Die das auftreffende Bild beinhaltende Anderung der Bestrahlungsintensität führt zu einem proportionalen Verlust an Elektronen auf der Fangelektrodenoberfläche. Das elektronische Bild wird folglich durch den abtastenden Elektronenstrahl ausgelesen.
Es wurden verschiedene für die Verwendung in Verbindung mit langsamen Elektronenstrahlen geeignete photoleitfähige Fangelektroden vorgeschlagen. Miller offenbart in "Proc. Phys. Soc., Bd. 50, 374 (1938)" photoleitfähige Eangelektroden, die Selen, Zinksulfid, Kadmiumsulfid, Thalliumsulfid, Antimonsulfid, Zinkselenid, Kadmiumselenid und Zinktellund verwenden. H.G. Lubzynskis US-Patentschrift Nr. 2555091, P. Weimers US-Patentschrift Nr. 2 654 853, P. Weimers US-Patentschrift Nr. 2 687 484 und R. Goodrichs US-Patentschrift Nr. 2 654 852 offenbaren Vorrichtungen, die von einer photoleitfähigen Sensor-Fangelektrodenröhre Gebrauch machen. Die angegebenen Patentschriften von Weimer und Goodrich offenbaren Vorrichtungen, die bei einer unter dem Namen Vidicon -Röhre bekannten Vorrichtung für das Sensor-Fangelektrodenmaterial eine gleichmäßige Schicht Antimontrisulfid verwenden. L. Heijnes US-Patentschrift Nr. 2 890 359 offenbart eine Röhre, die eine Sensor-Fangelektrode aus Bleioxid einsetzt und die unter dem Markennamen Plumbicon zu einer führenden Fernsehröhre wurde. Die in der Patentschrift von Heijne offenbarte Röhre weist eine p-i-n-Übergangszone auf, die eine geringere Verzögerung als bei vorherigen herkömmlichen Röhren aufweist.
Es wurde eine Anzahl von Systemen vorgeschlagen, die Videoröhren in Verbindung mit einer Bilderzeugung aus Röntgenstrahlung verwenden. Mackays US-Patentschrift Nr. 4 852 137 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen Röntgenstrahlung und hochenergetische Photonen ein Rrüfstück (Probe) durchlaufen, und ein durch die Sekundärquelle emittiertessichtbares Licht durch eine gekühlte, langsäm auslesende CCD (Ladungskopplungseinheit) erfaßt wird. Obwohl es erfolgreiche Röhren mit kleinem Durchmesser, d.h. in der Größenordnung von einigen wenigen Inch im Durchmesser (1 Inch = 0,0254m) gegeben hat, sind Versuche, die Röhrentechnologie mit kleinem Durchmesser in einen Röhrenaufbau mit großem Durchmesser zu überführen, auf erhebliche technische Probleme, wie unter anderem auf Schwierigkeiten bei der Verwendung von Schichtzusammensetzungen der Sensor-Fangelektrode aus beispielsweise Bleioxid bei großen Durchmessern, nicht tolerierbaren Streukapazitäten sowie damit verbundenen Störsignalcharakteristiken, gestoßen. Teillösungen für einige der technischen Probleme wurden im Zusammenhang mit herkömmlichen Röhren kleinen Durchmessers vorgeschlagen. Die US-Patentschrift Nr. 4059840 von Van de Polder et al. offenbart die Verwendung einer Signalelektrode mit mehreren vertikalen Streifen, um das Problem der Streukapazität in Fernsehröhren anzugehen. Bislang sind beim Vergrößern herkömmlicher Röhren kleinen Durchmesser auf einen Röhrenaufbau großen Durchmessers, der besser für eine Hochenergie- Bilderzeugung wie eine Bilderzeugung aus Röntgen- oder Gammastrahlung geeignet ist, beträchtliche technische Hindernisse aufgetreten. Zusammenfassend haben großflächige, gegenüber ionisieremder Strahlung empfindliche Röhren einer LV-Bauart aufgrund eines Mangels an geeigneten elektronischen Entwürfen und geeigneten Sensor-Fangelektrodenmaterialien keine weite Verbreitung gefunden.
Eine Anzahl von früheren Videoröhrenentwürfen wurden von dem Miterfinder der vorliegenden Erfindung in Nudelmans US- Patentschrift Nr. 4 794 635 offenbart, das der WO-A-8 505 527 entspricht. Diese Patentschrift offenbart eine Anzahl von Vorrichtungen und Merkmalen, die darauf gerichtet sind, die nachteiligen Effekte hoher Kapazitäten bei in Videokameras verwendeten großflächigen bilderzeugenden Rasterabtaströhren zu überwinden. Der Einsatz von CsI als ein Bestandteil der Sensor-Fangelektrode ist ebenfalls offenbart. Unter den in der Patentschrift offenbarten neuen Merkmalen befinden sich die Verwendung einer Vielzahl von selektiv ausgerichteten Signalelektrodenstreifen und die Verwendung einer mehrlagigen Festkörperstruktur, die eine Sensor-Fangelektrode mit verschobener Elektronenschicht (DELST) zur Bilderzeugung mit oder ohne photoelektrischer Verstärkung und mit oder ohne Verstärkung durch einen Verstärker aufweist. Bei der DELST- Struktur sind verschiedene Merkmale derart ausgewählt und kombiniert, daß ein für unterschiedliche Anwendungen geeigneter Bildabtaster erzielt wird, der unterschiedliche Anforderungen wie beispielsweise hinsichtlich Geschwindigkeit, Auflösungsvermögen, dynamischer Verstärkung und Sensor-Fangelektrodencharakteristiken, aber auch hinsichtlich der Kostenfrage erfüllt.
Herkömmliche LV-Röhren, die großflächiger gestaltet sind, zeigen aufgrund des hohen Strahlwiderstands und des hohen Ladungsspeichervermögens eine übermäßige Verzögerung. Ein übermäßig hohes Speichervermögen folgt gewöhnlich aus einer Zunahme der Fangelektrodengröße, einer Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten des Sensor-Fangelektrodenmediuns und/oder einer Abnahme der Dicke des Sensor-Fangelektrodenmediums.
Hinsichtlich einer weiteren konstruktiven Überlegung stellt eine hohe, an 100% angenäherte DQE ein wünschenswertes Merkmal für eine optimale Bildabtaströhre dar. Eine DQE von 100% entspricht einem Sensor mit einer Quantenausbeute, bei der das Ausgangsstörsignal nur durch das Photonenstörsignal an Eingang beschränkt ist, wo das Bild erstmals projiziert wird. In der Praxis sollte das Photonenstörsignal alle anderen elektronischen Störsignalquellen übertreffen, wobei die Modulationsübertragangsfunktion (MTF) der Röhre und ihr dynamischer Bereich die Erfordernisse zur Bilderzeugung bei eineranwendung erfüllen müssen.
Die in der diagnostischen Radiologie, in der Nuklearmedizin, bei zerstörungsfreien Prüfverfahren und anderen Technologien erforderliche großflächige Bilderzeugung kann erfolgreich erreicht werden, indem die zugrundeliegenden Prinzipien für die Materialien, Strukturen und Funktionen herkömmlicher Videoröhrenentwürfe im einzelnen neu überdacht werden. Bei solchen großflächigen Anwendungsbeispielen kann Bilderzeugung in Echtzeit nicht erforderlich sein. Zudem sind die Anforderungen an das Auflösungsvermögen nicht so hoch wie bei herkömmlichen Fernsehkameraröhren. Diese erleichternden Einschränkungen sind im Zusammenhang mit einer erfolgreichen Lösung der sehr bedeutenden mit großflächigen Videoröhren verbundenen Kapazitätsprobleme von Bedeutung.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue und verbesserte großflächige, gegenüber Röntgen- und Gammastrahlung empfindliche Videokameraröhre bereitzustellen, die für Anwendungsgebiete wie beispielsweise in der diagnostischen Radiologie, in der Nuklearmedizin und bei zerstörungsfreien Prüfverfahren geeignet ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue und verbesserte großflächige, gegenüber hoher Energie empfindliche Videokameraröhre mit einem Durchmesser von mehr als zwei Inch bereitzustellen, die für Anwendungen in der diagnostischen Radiologie, in der Nuklearmedizin und bei zerstörungsfreien Prüfverfahren geeignet ist.
Erfindungsgemäß werden die vorstehenden Aufgaben durch eine Bilderzeugungsröhre mit einer Sensor-Fangelektrodeneinrich tung, die eine Signalplatteneinrichtung zur Erfassung beleuchtender hochenergetischer Photonen und zum Bereitstellen von Speicherkapazität zum Festhalten von Elektronen auf der Oberfläche der Sensor-Fangelektrodeneinrichtung sowie eine Schicht aufweist, die auftreffende Strahlung hoher Energie aufnimmt und die Erzeugung innerer elektrisch positiv geladener Teilchen in Mengen bewirkt, die größer als die Anzahl der auftreffenden Photonen genannter Strahlung sind, und mit einer elektronenoptischen Einrichtung zur Erzeugung eines langsamen Elektronenstrahls und zur Ausrich tung des Strahls auf die Sensor-Fangelektrodeneinrichtung zur Aufbringung einer gleichmäßigen Ladungsschicht gelöst, wobei auf die Sensor-Fangelektrodeneinrichtung geleitete Strahlung hoher Energie zur Erzeugung eines Videosignals zur Übertragung an eine Videoausleseschaltung auf einer Oberfläche der Sensor-Fangelektrodeneinrichtung eine Ladungsverteilung erzeugt und wobei die zu der Sensor-Fangelektrodeneinrichtung zugehörige Schicht im wesentlichen aus einem Material aus der aus TlBr, TlI und einer Mischung aus TlBr und TlI bestehenden Gruppe zusammengesetzt ist.
Zusammengefaßt handelt es sich bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung um eine neue und verbesserte Videoröhre einer Bauart mit einem langsamen Elektronenstrahl, die von neuartigen Gestaltungen der Sensor-Fangelektrode Gebrauch macht, ein abgewandeltes elektronenoptisches System zum Erhalt großer durch durchdringende ionisierende Strahlung wie Röntgen- und Gammastrahlung definierter Bilder aufweist und für Anwendungen in der Nuklearmedizin, in der diagnostischen Radiologie und bei zerstörungsfreien Prüfverfahren geeignet ist. Darüber hinaus können diese LV-Videoröhren mit nicht durchdringender Strahlung wie beispielsweise sehr kurzwelligem ultraviolettem Licht verwendet werden.
Eine erfindungsgemäße großflächige, gegenüber Röntgenstrahlung empfindliche Videokameraröhre weist eine Sensor-Fangelektrode mit einer Signalplatte zum Erfassen beleuchtender Photonen und zum Bereitstellen ausreichender Speicherkapazität zum Festhalten der Elektronen auf der Oberfläche der Signalplatte auf.
Der Abstand zwischen der Signalplatte und dem Gitter ist wesentlich größer als bei herkömmlichen TV-Röhren und beträgt beispielsweise 10 mm und mehr. Die Signalplatte kann weiterhin in eine Vielzahl von Sektoren unterteilt sein. Jeder der Sektoren kann elektrisch an einen entsprechenden Vorverstärker angeschlossen sein oder zu einem einzelnen Vorverstärker hin gemultiplext werden. Die Sensor-Fangelektrode kann nicht nur bei Röhren mit sehr großem Durchmesser von beispielsweise 635 mm verwendet werden, sondern auch bei herkömmlichen Röhren kleinen Durchmessers.
Die Sensor-Fangelektrode weist eine Schicht auf, die im wesentlichen aus TlBr, TlI oder einer Mischung aus TlBr und TlI besteht. Die TlBr- und TlI-Schichten dienen als ein gegenüber Röntgen- oder Gammastrahlung empfindlicher Photoleiter. Diese Schichten benötigen zur Erfassung der hochenergetischen Strahlung keinen Szintillator wie zum Beispiel CsI. Die TlBr- oder TlI-Schicht ist an die für eine Anwendung benötigte Röntgenstrahlungsenergie angepaßt und kann sowohl in Röhren kleinen wie großen Durchmessers verwendet werden.
Das großflächige bilderzeugende System kann zudem zur Erstellung einer Hardcopyausgabe des elektronischen Bildes eine Bildverarbeitungseinrichtung und eine Filmbeschreibe einrichtung aufweisen. Auch kann ein interaktives Sichtgerät für das elektronische Bild vorgesehen sein.
Ein erfindungsgemäßes bilderzeugendes Hochenergie-System macht zur Lenkung von Strahlung auf ein Objekt oder Werkstück von einer Quelle hochenergetischer Strahlung Gebrauch. Die durch das Objekt hindurchtretende Strahlung wird auf die Oberfläche der gegenüber Röntgenstrahlung empfindlichen Videokameraröhre projiziert, für die im allgemeinen ein Durchmesser von mehr als 50 mm vorausgesetzt wird. Die Kameraröhre umfaßt eine einer Sensor-Fangelektrode Platz bietende Vakuumröhre Die Röhre weist eine elektronenoptische Einrichtung zur Erzeugung eines langsamen Elektronenstrahls und zur rasterförmigen Ausrichtung des Strahls auf die Sensor-Fangelektrodeneinrichtung auf. Indem der Elektronenstrahl einem Raster folgt, wird eine gleichmäßige Oberflächenladung von Elektronen aufgebracht. Die Sensor-Fangelektrode absorbiert die hochenergetische Strahlung des Bilderzeugungsstrahls, bewirkt die Entfernung von Elektronen und verursacht eine neue Ladungsverteilung, die eine Wiedergabe der Verteilung der Röntgenstrahlungsphotonen, d.h. des eigentlichen Röntgenbildes darstellt. Indem der Elektronenstrahl einnachfolgendes Raster abtastet, werden die fehlenden Elektronen ersetzt, und es wird dabei Bildelement für Bildelement ein Videosignal erzeugt. Zur Gewinnung eines räumlich eins zu eins übereinstimmenden elektronischen Bildes des Objekts kommuniziert eine Bildgewinnungsschaltung elektronisch mit der Signalplatte.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung sind aus der Zeichnung und der Beschreibung ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Videokamerasystems mit einer erfindungsgemäßen großflächigen Videokameraröhre;
Fig. 2 einen vergrößerten teilweise schematischen Querschnitt der großflächigen Videokameraröhre gemäß Fig. 1;
Fig. 3 einen vergrößerten teilweise schematischen Querschnitt eines erläuternden Beispiels einer großflächigen Video kameraröhre;
Fig. 4 eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung eines Sektoraufbaus, der in Verbindung mit den großflächigen Videokameraröhren gemäß den Figuren 2 und 3 realisiert werden kann; und
Fig. 5 ein Diagramm des linearen Absorptionsfaktors von CsI, TlI, TlBr und Gd&sub2;O&sub2;S als Funktion der Photonenenergie.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung, bei der sich in allen Figuren gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile beziehen, ist ein Videokamerasystem, das eine erfindungsgemäße Röhre einer Bauart mit einem langsamen Elektronenstrahl (LV- Röhre) aufweist, im allgemeinen mit der Bezugsziffer 12 bezeichnet. Das Videokamerasystem stellt eine Bilderzeugungsvorrichtung für Anwendungen dar, die von hochenergetischer Röntgen- und Gammastrahlung bis in elektromagnetische Spektralbereiche niedrigerer Energie reichen. Insbesondere stellt das Videokamerasystem (dort, wo eine Brechungsoptik unpraktisch ist) ein großflächiges (1:1)-Direktbild bereit, das für Anwendungen in der diagnostischen Radiobgle, in der Nuklearmedizin und bei zerstörungsfreien Prüfverfahren geeignet ist. Die LV-Röhre 10 überwindet herkömmliche Einschränkungen, die durch große Fangelektrodenflächen und große Streuwiderstände gegeben sind. Die LV-Röhre 10 arbeitet als eine großflächige Bilderzeugungsvorrichtung, die keine Vergrößerung erfordert und üblicherweise einen Durchmesser von mehr als 50 mm bis 635 mm und mehr aufweist. Die Röhre 10 ist besonders anwendungsgerecht bei Anwendungen mit hochenergetischer, 5 kev überschreitender Bilderzeugungs strahlung.
Gemäß Fig. 1 umfaßt die LV-Röhre 10 im allgemeinen eine Sensor-Fangelektrode 20 mit einer Eingangsoberfläche 22, zu der eine Bilderzeugungsstrahlung wie beispielsweise Röntgenstrahlung von einer Hochenergiequelle 13 geleitet wird. Die Sensor-Fangelektrode weist bei diesen Anwendungen im allgemeinen einen Durchmesser von mehr als 50 mm auf, und dieser kann bis 635 mm und mehr betragen. Die Röhre umfaßt ein einen Vakuumhohlraum ausbildendes vakuumdicht gekapseltes Gehäuse 24. Die Rohre verwendet eine Elektronenstrahlkathode und eine Elektronenoptik 32 zur Ablenkung oder Ausrichtung eines Elektronenstrahls 34 in Richtung der Sensor- Fangelektrode. Bei der Kathode 30 handelt es sich vorzugs weise um eine in TV-Kameras eingesetzte Laminarströmungskathode oder Vorratskathode mit abgewandelter Öffnung, die einen Strahlstrom von mehr als 10 uA und vorzugsweise zwischen 20 - 30 uA erzeugt. Ein Elektrodengitter 36 ist in dem Vakuumhohlraum zwischen der Sensor-Fangelektrode 20 und der Kathode 30 angeordnet. Ein lichtdurchlässiges leitfähiges Substrat 40 dient sowohl als Signalplatte als auch als eine Elektrode zum Anlegen einer Vorspannung an die Sensor- Fangelektrode. Die Elektronenstrahlkathode arbeitet im allgemeinen bei einem Kathodenpotential Vc. An die Elektrode ist eine hinsichtlich der Kathode positive Vorspannung VT angelegt.
Die Elektrode 40 ist an eine Videoausleseschaltung 42 angeschlossen. Die Ausleseeinrichtung weist eine Spannungsquelle 44 auf, welche die Elektrode bei VT über dem Kathodenpotential hält. Ein Kondensator 46 überträgt das an der Signalplatte 40 erhaltene Videosignal zu einem Vorverstärker 48. Ein Widerstand 49 dient als Belastungswiderstand.
Das elektronische Bild wird in einer Verarbeitungseinheit 14 verarbeitet. Eine Filmbeschreibeeinrichtung 16 stellt eine Hardcopyausgabe des elektronischen Bildes bereit. Das elektronische Bild kann auf einem interaktiven Sichtgerät 18 bearbeitet und angezeigt und in einem digitalen Archivspeicher abgelegt werden.
Die Sensor-Fangelektrode 20 umfaßt zwei entscheidende Merkmale. Zum ersten weist die Sensor-Fangelektrode 20 zur Speicherung von Elektronen einen sehr hohen spezifischen Widerstand (herkömmlicherweise im Bereich von 10¹² bis 10¹&sup4; Ωcm) auf. Zum zweiten handelt es sich bei der Sensor-Fangelektrode 20 auch um einen Photoleiter. Bei Belichtung durch elektromagnetische Strahlung in der Form von Licht, Röntgenstrahlung, Infrarot usw. erzeugt die Sensor-Fangelektrode über das ganze Innere verteilt bewegliche Ladungsteilchen in Form von Elektronen und Löchern. Der Elektronenstrahl 34 folgt entlang der Vakuumseite der Sensor-Fangelektrode einem Raster und bringt Elektronen auf, die auf der dem Vakuum ausgesetzten Oberfläche 28 verbleiben. Die auf der Oberfläche 28 gespeicherte negative Ladung entspricht dem Kathodenpotential Vc der Elektronenstrahlkathode 30.
Mit der elektromagnetischen Strahlung auftreffende Photonen werden durch die Sensor-Fangelektrode 20 absorbiert, die im Ansprechen auf die Photonenabsorption Elektronen und Löcher erzeugt. Die Löcher bewegen sich zur Vakuumoberfläche der Röhre. An der Vakuumoberfläche 28 rekombinieren die Löcher mit den gespeicherten Elektronen, woraus eine Nettoabnahme der örtlichen Ladungsmenge folgt. Die durch die absorbierten Photonen erzeugten Elektronen bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung. Die Elektronen verlassen den Photoleiter und treten in die lichtdurchlässige Elektrode bzw. Signalplatte 40 ein. Der Ladungsausgleich bleibt durch das gleichzeitige Entfernen von Elektronen aus dem Photoleiterkörper und von der Speicheroberfläche gewahrt. Wenn ein Szenenbild auf die Eingangsoberfläche des Photoleiters projiziert wird, tritt infolgedessen eine Ladungsverteilung auf der Vakuumoberfläche 28 auf. Die Ladungsverteilung stellt in wesentlichen eine elektronische Wiedergabe des ursprünglichen Photonenbildes dar.
Bei der Abtastung der Oberfläche 28 der Sensor-Fangelektrode durch den Elektronenstrahl 34 trifft der Elektronenstrahl aufgrund der durch Belichtung mit dem ursprünglichen Photonenbild entfernten gespeicherten Elektronen in wesentlichen auf eine positive Ladungsverteilung. Folglich ersetzt der Elektronenstrahl die fehlenden Elektronen während des Abtastens und lädt die Oberfläche wieder auf das Kathodenpotential Vc auf. Während des in einer zeitlichen Abfolge, Bildelement für Bildelement durchgeführten Ablaufs des Ersetzens der Ladung wird ein Videosignal erzeugt. Die Signalplatte ist elektrisch an die Videoausleseschaltung 42 angeschlossen, so daß das Auslesen des erhaltenen Bildes vollständig ist.
Bei einem Betrieb mit einem langsamen Elektronenstrahl sind die Vorspannungen derart eingestellt, daß die Energie der Elektronen im Strahl 34 beim Erreichen der abgetasteten Oberfläche 28 der photoleitfähigen Schicht ausreichend niedrig ist, um keine Emission von Sekundärelektronen zu verursachen. Üblicherweise kann die Elektrodenvorspannung VT bezüglich der Kathodenvorspannung W auf einen Wert unterhalb des Sekundäremissiöns-Schwellenwerts des Fangelektrodenmaterials eingestellt werden. Das vor der Fangelektroden-. oberfläche angeordnete Gitter 36 wird auf ein positives Potential (in allgemeinen 1000 bis 10000 V) gesetzt, um eine Elektronenlinse für ein Abbremsen der Elektronen und für ein senkrechtes Auftreffen des Strahls auszubilden. Auf die innere Oberfläche 28 aufgebrachte Elektronen bewirken, daß sich die Spannung der Kathodenspannung Vc annähert.
Gemäß Fig. 2 ist bei der Sensor-Fangelektrode 20 der LV- Röhre 10 von einer photoleitfähigen Schicht 50 TlBr Gebrauch gemacht. Das TlBr-Substrat ist auf einem starren Substrat 52 aufgebracht, das in hohem Maße für die auftreffende Bilder zeugungsstrahlung durchlässig ist und strukturell eine feststehende Trägerschicht für die Sensor-Fangelektrode darstellt. Bei Anwendungen, bei denen die auftreffende Strahlung in Form von Röntgenstrahlung vorliegt, kann die Trägerschicht 52 aus einem Metall bestehen, das dafür bekannt ist, die Strahlung durchzulassen. Die Trägerschicht 52 kann weiterhin als Signalplatte dienen. Die Sensor- Fangelektrode 20 weist einen effizienten Aufbau auf, da das TlBr-Sübstrat 50 sowohl als Sensor als auch als Fangelektrode dient. Eine oder mehr Blockierschichten 54 (nur eine ist dargestellt) können auf der Oberfläche des TlBr- Substrats aufgebracht sein, damit geeignete Transportbedingungen für die durch den Photoleiter hindurchgehenden Elektronen und Löcher gewährleistet sind. Die photoleitfähige Schicht 50 weist üblicherweise einen Durchmesser von mehr als 50 mm und abhängig von der Energie der abzubildenden Photonen eine Dicke von ungefähr 50 bis 500 um auf. Bei einigen Anwendungen weist die Schicht 50 eine Dicke von 1000 um auf. Ersatzweise kann die Schicht 50 auch aus TlI oder einer Mischung aus TlI und TlBr bestehen.
Die ungefähre Prozentzahl der Energieabsorption für ausgewählte TlBr-Schichtdicken bei ausgewählten Energieniveaus ist in Tabelle 1 angegeben. Tabelle I
Gemäß der in Fig. 3 dargestellten als erläuterndes Beispiel angegebenen LV-Röhre 10' weist die Sensor-Fangelektrode 20' einen geschichteten Aufbau mit einer Sensorschicht 62 und einer separaten photoleitfähigen Schicht 64 auf. Die Schicht 62 ist ein CsI-Substrat, das als Sensor zur Erfassung der auftreffenden hochenergetischen Strahlung dient. Die CsI- Schicht 62 weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 50 bis 400 um auf. Bei einigen Anwendungen kann die CsI-Schicht eine Dicke von 1000 um aufweisen. Das CsI-Substrat arbeitet im wesentlichen als ein Szintillator. Ein zweites Substrat, das im wesentlichen aus amorphem Silizium bestehen kann, arbeitet als photoleitfähige Schicht 64 und spricht auf Licht von dem Szintillator 62 an. Die photoleitfähige Schicht 64 dient als Fangelektrode für den Elektronenstrahl der Videoröhre. Die auftreffende hochenergetische Strahlung wird von dem Szintillator, d.h. von dem CsI-Substrat absorbiert, wodurch das Substrat veranlaßt wird, Lichtphotonen zu emittieren. Die Photonen treten durch die in einer dünnen Schicht ausgebildete durchlässige und leitende Signalplatte 40 und werden von dem lichtempfindlichen amorphen Silizium absorbiert. Dies hat einen entsprechenden Ladungsverlust auf der Speicheroberfläche 66 des Photoleiters zur Folge. Der Ladungsverlust ist Bildelement für Bildelement proportional zur Strahlungsintensität in jedem Bildelement des auf die Eingangsoberfläche 68 des CsI-Substrats projizierten Bildes. Die Ladungsneuverteilung wird anschließend durch den abtastenden Elektronenstrahl ausgelesen, woraufhin das die Signalplatte 40 durchlaufende Videosignal zu dem kapazitiv angekoppelten Vorverstärker 48 gelangt.
Das CsI in der Szintillatorschicht 62 kann mit Na dotiert werden, damit vorwiegend blaues Licht emittiert wird, oder ersatzweise mit Tl, das eine Emission vorwiegend grünen Lichts erzeugt. Die photoleitfähige Schicht muß einen hohen spezifischen Widerstand haben. Anstelle von amorphen Silizium können ferner andere Photoleiter wie beispielsweise amorphes Selen, Antimontrisulfid, Kadmiumsulfid und Antimonsulfidoxisulfid verwendet werden. Diese können mit CsI (Na) oder CsI (Tl) verwendet werden, um die beste spektrale Übereinstimmung zu erzielen. Andere Materialien umfassen Bleioxid, Kadmiumselenid sowie eine mit Arsen- und Tellurschichten dotierte Selenschicht.
Bei der großen Mehrheit herkömmlicher Videoröhrenentwürfe erzeugt die Streukapazität zwischen der proportional vergrößerten Signalplatte 40 und der unmittelbaren Umgebung mit zunehmenden Röhrendurchmesser eine unerwünschte Signaldämpfung bei höheren Raumfrequenzen (spatial frequendes). Die unerwünschte Streukapazität ist in erster Linie eine Folge der Kopplung zwischen der Signalplatte 40 und dem Gitter 36. Eine elektronische Kompensation der Signaldämpfung verursacht ein erhöhtes elektronisch hervorgerufenes Störsignal, das direkt proportional zu der Streukapazität und mit der Potenz 1,5 zur Videobandbreite ist. Wenn der Durchmesser einer entsprechenden herkömmlichen Röhre und alle anderen relevanten Komponenten proportional zunehmen, nimmt das Problem der Streukapazität proportional zu, bis ein Wert erreicht wird, bei dem die Röhre nicht mehr innerhalb annehmbarer Leistungsstandards für hochenergetische Strahlung funktionieren kann. Dieses Problem, das bislang Versuche, eine großflächige Videoröhre zu entwickeln, vereitelt hat, wurde bei der nachstehend beschriebenen Erfindung gelöst.
Die Eignung von CsI (das nicht der vorliegenden Erfindung entspricht und nur ein erläuterndes Beispiel darstellt) und TlBr als Sensor-Fangelektrodenmaterialien für großflächige Anwendungen kann bewiesen werden. Ein gebräuchliches bei herkömmlicher Radiologie mit Projektionsschirm und Film als Sensorschicht verwendetes Material ist Gadoliniumoxisulfid. Wie in Fig. 5 veranschaulicht kann ein energleabhängiger Vergleich zwischen CsI, TlBr und Gd&sub2;O&sub2;S (Gadoliniumoxisulfid) auf der Grundlage ihrer jeweiligen linearen Absorptionskoeffizienten gezogen werden. CsI und TlBr haben ungefähr die gleichen linearen Absorptionskoeffizienten zwischen 35,98 und 85,43 keV, die jeweils dem K-Energieniveau-Kanten von Cs und Tl entsprechen. Obwohl Gd&sub2;O&sub2;S für den größten Teil des genannten Bereichs CsI und TlBr überlegen scheint, konnte Gd&sub2;O&sub2;S nur in Form eines Leuchtstoffpulver-Schirms hergestellt werden. Die Dicke von Gd&sub2;O&sub2;S ist funktional dadurch eingeschränkt, daß das durch jedes Leuchtstoffteilchen emittierte Licht die Schirrndicke zwischen dem Teilchen und der Ausgangsoberfläche durchqueren muß, weswegen das Gd&sub2;O&sub2;S-Material unerwünschte Streuung zeigt. Demzufolge ist die Ausgangsintensität des Lichts geringer und bei Hochenergie-Anwendungen (mit dickem Schirm) die Modulationsübertragangsfunktion (MTF) für Gd&sub2;O&sub2;S im Vergleich zu CsI und TlBr verringert. Darüber hinaus beträgt die Dichte des Gd&sub2;O&sub2;S-Schirms nur etwa die Hälfte der ihm eigenen Dichte des kristallinen Festkörpers. CsI und TlBr können beide als eine dünne Schicht mit der Dichte des festen Körpers aufgebracht werden. Csl ist folglich Gd&sub2;O&sub2;S als absorbierendes Substratmaterial bei dem meisten in der diagnostischen Radiologie, inklusive der Mammographie genutzten Energien überlegen. TlBr ist CsI und Gd&sub2;O&sub2;S als absorbierendes Substratmaterial bei Energien oberhalb von 85,5 keV und unterhalb von 35,98 keV überlegen.
Der lineare Absorptionskoeffizient von CsI und die bei kommerziellen Röntgenbildverstärkern gezeigten bestehenden Dickencharakteristiken dünner CsI-Schichten stehen für wichtige Überlegungen, die bestätigen, daß Csl ein geeignetes Sensor-Substratmaterial für großflächigere Anwendungen ist. Das von der Absorptionsenergie abhängige Ansprechverhalten (DQE) der CsI-Photoleiter-Videoröhre wird sowohl von dem linearen Absorptionskoeffizienten von CsI als auch durch die Dicke der dünnen CsI-Schicht bestimmt. Röntgenbildverstärker von Thomson CSF und Siemens verwenden CsI- Schichten mit einer Dicke von etwa 400 um. Die 400 um dicke Schicht zeigt ein sehr vorteilhaftes Grenzauflösungsvermögen von 8 bis 12 lp/mm. Eine 400 um dicke Schicht weist bei 60 keV eine DQE von ungefähr 70% auf. CsI-Schichten sind ohne nennenswerten Verlust an Auflösungsvermögen in Dicken bis zu 800 um hergestellt worden.
Durch Extrapolation vorhandener Messungen bei ungefähr 36 keV ergibt sich für die Röntgenstrahlungsabsorption bei einer 300 um dicken CsI-Schicht ein Wert von etwa 98%. Für Mammographieanwendungen bei 18,5 keV sollte die Absorption 98% überschreiten. Von diesen Absorptionswerten wird angenommen, daß sie besser als entsprechende mit derzeitigen herkömmlichen Seltenerd-Schirmen oder Speicherleuchtstoffplatten erreichbare Werte sind. Die Photonenabsorption ist besonders stark bei 800 um dicken CsI-Schichten. Unter der Annahme, daß Streuung der Röntgenstrahlung in einer CsI- Schicht nicht von Bedeutung ist, sollte sich für eine 800 um dicke CsI-Schicht bei 180 keV eine DQE von 24% und ein erwartetes Auflösungsvermögen von 8 bis 10 lp/mm ergeben.
Die ungefähre Prozentzahl der Energieabsorption für ausgewählte CsI-Schichtdicken bei ausgewählten Energieniveaus ist in Tabelle II angegeben. Tabelle II
Die vorstehenden Sensor-Fangelektroden 20 und 20' können ein diagnostisches Radiographiebild ohne Vergrößerung aufzeichnen. Bei einer üblichen Röntgenaufnahme des Brustkorbs beträgt beispielsweise der Durchschnittsfluß an der. Sensor- Fangelektrode 300000 Röntgenstrahlungsphotonen/mm². Unter der Annahme, daß CsI bei Photonen mit 60 keV einen Verstärkungsfaktor von 1000 hat, muß die Sensor-Fangelektrode 20' dazu in der Lage sein, 300 Millionen Lichtphotonen/mm² zu erfassen. Folglich muß die Ladungsspeicherkapazität der Fangelektrode 300 Millionen Lichtphotonen/mm² überschreiten Diese Erfordernisse für die Speicherkapazität werden von beiden Sensor-Fangelektroden 20 und 20' sicher erfüllt. Eine Sensor-Fangelektrode aus Silizium speichert mehr als 800 Millionen Lichtphotonen/mm². TlBr speichert ungefähr dreimal mehr als eine vergleichbare Siliziumschicht. Von einer aufgesputterten, in einem Ladungsverarmungsmodus arbeitenden hochohmigen Kadmiumsulfidschicht ist bekannt, daß diese im Vergleich zu Silizium eine etwa 60-fache Ladungsspeicherkapazität hat.
Ferner ist der tatsächlidhe Betrag der Signalstromstärke der Sensor-Fangelektroden 20 und 201 auf der Grundlage der vorstehenden Berechnungen auf in der Größenordnung von 10 - 20 uA liegend geschätzt. Hochauflösende Bildschirme verwenden Eletronenstrahlen mit Stromstärken von 1 - 100 uA und Durchrnessern von 1 - 50 um. Folglich können die Elektronenoptik für eine Röntgenstrahlungsvideoröhre und die radiologischen Erfordernisse einer Signalstromstärke von 10 - 20 uA und eines Punktdurchmessers von 1 - 50 um bei dem Sensor- Fangelektroden 20 und 20' auf verhältnismäßig einfache Weise angepaßt werden.
TlBr ist ein besonders geeignetes Sensor-Fangelektrodenmaterial, weil eine einzelne Schicht sowohl als Sensor als auch als Fangelektrode dient und die Möglichkeit zur Einsparung erheblicher Herstellungskosten bietet. TlBr weist auch eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante auf, so daß das Material für eine hohe Ladungsspeicherdichte entsprechend der angelegten Spannung am Einheitsvolumen geeignet ist. Weiterhin ist der Verstärkungsfaktor für jedes absorbierte Röntgen- oder Gammastrahlungsphoton viel größer als bei CsI. Zudem kann das TlBr-Medium durch Verändern der Vorspannung als Sensor-Fangelektrode in Verbindung mit einer Verstärkungssteuerung eingesetzt werden.
Die Eignung von TlBr für großflächige Hochenergie-Anwendungen kann durch Extrapolation vorhandener Daten bezüglich herkömmlicher Detektoren mit kleiner Fläche bestätigt werden. K.S. Shah et al. offenbaren in "Thallium Bromide Radiation Detectors, IEEE Trans. on Nucl. Sci. 36, Nr. 1, 199 (1989)" einen TlBr- Detektor mit kleiner Fläche. Der TlBr-Detektor ist aus Kristallen hergestellt, die während eines mehrere Durchgänge durch eine Zonenschmelzvorrichtung aufweisenden Reinigungsvorgangs gewachsen sind. Der Detektor weist ein 250 um dickes TlBr-Substrat mit einer Fläche von mm² und einem spezifischen Widerstand von 5×10¹² Ωcm auf. Der Detektor löste Gammastrahlungsspitzen bei 60, 213 und 660 keV auf und erfaßte Gamma- und Röntgenstrahlung von 0,006 bis 1 MeV. Die zur Bildung eines Elektron-Loch-Paares benötigte Energie wurde mit ungefähr 6,5 eV/Paar bestimmt.
Diese Energie ist geringer als die, die zur Szintillationserzeugung in Luminiszenzdetektoren wie beispielsweise Cäsiumiodid, Kalziumwolframat und Gadoliniumoxisulfid benötigt wird. Folglich ist der Verstärkungsfaktor für TlBr wesentlich höher als für in der Radiologie verwendete Szintillatoren. Des weiteren wurde festgestellt, daß das Produkt aus Mobilität und Lebensdauer von Löchern und Elektronen in TlBr jeweils 2 und 3×10&supmin;&sup6; cm²/V beträgt.
Wenn TlBr in der Sensor-Fangelektrode 20 einer LV-Röhre als Verbundmedium eingesetzt ist, arbeitet das TlBr in einer deutlich anderen Art und Weise als bei einem Einsatz in einem photoleitenden Detektor. Das TlBr-Substrat 50 muß eine Ladung für eine Zeitdauer, die nicht von der Bilddauer abhängt, auf seiner Oberfläche speichern. Wird beispielsweise mit sichtbaren Licht oder Licht aus dem nahen Infrarotbereich eine Bilderzeugung mit schwacher Lichtstärke durchgeführt, kann die Belichtung durch die Strahlung bei vielen Anwendungen in Photonen pro Bildelement ausgedrückt recht schwach sein. Wegen der Anwendungen unter schwacher Lichtstärke ist es wünschenswert, eine Verstärkung zu berücksichtigen, um sicherzustellen, daß das durch die Strahlung hervorgerufene Störsignal das durch das System bedingte Störsignal weit übertrifft. Allerdings darf die Verstärkung nicht zu hoch sein, da eine zu große Verstärkung möglicherweise zu einer erheblichen Verarmung gespeicherter Elektronen führen kann und die Anzahl abgebildeter Photonen auf weniger reduziert, als bei einer Belichtung unter Wahrung vorbestimmter Bildqualitätsanforderungen benötigt werden.
Die beschriebene Videoröhrenanwendung unterliegt einer Anzahl bedeutender Einschränkungen, denen das TlBr-Substrat 50 begegnen muß. Die Einschränkungen umfassen den Ladungsbetrag, der auf der Oberfläche der Sensor-Fangelektrode gespeichert werden kann, die bei einer Anwendung benötigten Belichtungswerte, die Verstärkung, die Belichtungszeit, die Auslese- und die Rasterzeit. Wie nachstehend erläutert ist, erfüllt die großflächige die TlBr-Sensor-Fangelektrode 20 umfassende Röhre 10 die Anforderungen.
Die Ladung, die auf der Oberfläche eines Materials gespeichert werden kann, kann mit der folgenden Formel bestimmt werden:
= k&epsi;&sub0;E
Dabei ist: die gespeicherte Ladung in C/m²,
k die Dielektrizitätskonstante des Materials,
&epsi;&sub0; die elektrische Feldkonstante und
E die elektrische Feldstärke in V/m.
Auf der Grundlage eines Vergleichs mit vorhandenen Werten für eine Fangelektrode aus Kaliumchlorid und aus Silizium kann errechnet werden, daß eine mit einer maximalen Feldstärke betriebene TlBr-Schicht eine Ladung von etwa 2,2×10&sup9; bis 10¹&sup0; Elektronen/mm² speichert.
Bei nicht der Erfindung entsprechenden Szintillatoren wie beispielsweise CsI und die Seltenerd-Leuchtstoffe wurde im Ansprechen auf eine Strahlung mit 30 bis 60 kev ein Verstärkungsfaktor in der Größenordnung von 500 bis 1000 festgestellt. Die genannten Szintillatoren benötigen eine Energie von etwa 30 eV pro Szintillationsvorgang. Bei einem Photoleiter ist das Ereignis ein einem Strom oder einer Spannung zugeordneter elektrischer Impuls. K.S. Shah et al. haben in "Thallium Brornide Radiation Detectors, IEEE Trans. on Nucl. Sci. 36, Nr. 1, 199 (1989)" festgestellt, daß 6,5 eV benötigt werden, um bei TlBr ein Elektronen-Loch-Paar zu bilden, was bei einem Photon mit 30 keV zu einem Verstärkungsfaktor von etwa 4615 führt. Dieser Verstärkungsfaktor ist sehr vorteilhaft, um bei dem photoleitenden TlBr-Detektor aus einem absorbierten Röntgen- oder Gammastrahlungsphoton einen erfaßbaren elektrischen Impuls zu erzeugen.
Der Umfang der Ladungsspeicherung und die Verstärkung müssen gemeinsam einen brauchbaren Signalpegel ergeben und bei dem für die gegebene Anwendung erforderlichen Belichtungspegel sicher arbeiten. Wenn die Verstärkung zu hoch ist, wird die Sensor-Fangelektrode erheblichen Beschränkungen hinsichtlich des Belichtungspegels unterliegen. Falls die Verstärkung zu gering ist, werden die erzeugten Videosignale nicht zur Erstellung eines zufriedenstellenden Bildes verarbeitbar sein. Ein Maß für die erfaßbaren Photonen kann aus dem Verhältnis von gespeicherter Ladung und Verstärkungsfaktor abgeschätzt werden. Bei Verwendung der vorstehend angegebenen TlBr-Speicherkapazität von 2,2×10&sup9; bis 1010 und einem Verstärkungsfaktor von 4615 liegt die Photonenbelichtung in einem für diagnostische Radiologie sehr geeigneten Bereich von 4,7×10&sup5; bis 2,2×10&sup6; Photonen/mm². Ein CsI-Sensor und eine Fangelektrode aus amorphem Silizium ergeben zusammen einen Speicher für 10&sup9; Elektronen/mm² bei einem Verstärkungsfaktor von 1000 und führen zu Röntgen- und Gammastrahlungsbelich tungen von etwa 10&sup6; Photonen/mm². Eine mammographische Bilderzeugung umfaßt gewöhnlich eine Belichtung von 3 10&sup5; Photonen bei ungefähr 18,5 keV. Folglich sind das Ladungsspeicherungs- und das Verstärkungsvermögen sowohl der Sensor-Fangelektrode aus TlBr als auch der Sensor-Fangelek trode aus CsI und amorphem Silizium für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet. Bei Anwendungen zerstörungsfreier Prüfverfahren, die höhere Belichtungswerte benötigen, können für jeden Belichtungssatz aufeinanderfolgende Bilder mit einem für die Sensor-Fangelektrode akzeptablen Pegel ausgelesen werden.
Bei Anwendungen für die diagnostische Radiologie sind die Anforderungen an das Auflösungsvermögen umso weniger streng, je größer der Röhrendurchmesser ist. Die Röhren mit dem größten Durchmesser zur Abbildung von Brustkorb und Unterleib erfordern ein Grenzauflösungsvermögen von nur 5 lp/mm (Linienpaare/mm), weil die Bilderzeugung ohne eine Verkleinerung ausgeführt werden kann. Die geringeren Anforderungen an das Auflösungsvermögen haben zur Folge, daß das Videobildelement größer wird und einen sehr viel größeren Ladungsbetrag speichert, der in ein entsprechend stärkeres Signal umgesetzt wird. Unter Idealbedingungen erlaubt die bei der Radiologie zunehmende Größe der Bildelemente, daß die Röhre bezüglich des Durchmessers vergrößert werden kann, ohne daß sich der Störsignalabstand verringert. Bei nicht idealen Bedingungen kann die Größenveränderung mit Hilfe anderer Einrichtungen zum Erreichen eines nur durch das Strahlungsstörsignal eingeschränkten Bildes vergrößert werden.
Die Auslese- und Rasterraten von gegenüber Röntgen- und Gammastrahlung empfindlichen Videoröhren werden von Überlegungen geleitet, die denen bei lichtempfindlichen Videoröhren entsprechen. Wenn der Röhrendurchmesser zunimmt, nehmen der Durchmesser der Sensor-Fangelektrode und die Streukapazität zu. Die Streukapazität führt zu einer erhöhten Störsignalcharakteristik, der mit einem langsamen Abtastauslesevorgang begegnet werden kann. Bei Anwendungen, bei denen der Durchmesser der Videokameraröhre ungefähr 125 mm übersteigt, wird der langsame Abtastauslesevorgang zu einer bedeutenden Einschränkung.
Ein veranschaulichendes Modell sei mit einer Bilderzeugungsfläche von 400 × 400 mm² (16 × 16 Inch²) ausgeführt, die dem Format von 356 × 432 mm² (14 × 17 Inch²) derzeitiger radiologischer Projektionsschirmfilrne ähnelt. Es kann gezeigt werden, daß wenn bei der Röhre Bildelementgröße, Fangelektrodenkapazität und Streukapazität passend gewählt sind, eine Videokameraröhre der LV-Bauart gebaut werden kann, die die praktischen Leistungsstandards in der diagnostischen Radiologie erfüllt. Der sich ergebende Störsignalabstand ist bei der großflächigen Röhre ausreichend, um dem dem Röntgenbild eigenen dynamischen Bereich zu handhaben. Darüber hinaus wird das Bild in einer für die medizinische Praxis angemessenen Zeitdauer erhalten.
Bei den Videokarneraröhren 10 und 10', deren Röhren eine Diagonale von 566 mm aufweisen, ist die Fläche der in der Diagonalen 566 mm messenden radiologischen Röhre im Vergleich zu einer Röhre einer herkömmlichen 38mm-Videokamera ungefähr 220-mal größer. Entsprechend sollte die Signalkapazität der in der Diagonalen 566 mm messenden Röhre um einen Faktor 220 zunehmen. Wenn das Format der großen Röhre (wie bei der herkömmlichen im Durchmesser kleinen Röhre) 512 × 512 Bildelemente beträgt, bleibt der resultierende Störsignalabstand ungefähr der gleiche, weil die Fläche des Bildelements (0,0027 mm²) der herkömmlichen Röhre und die Kapazität um den gleichen Faktor wie die Streukapazität zunehmen.
Ein für Brust und Unterleib ausgezeichnetes Auflösungsvermögen erfordert Bildelemente mit einer ungefähren Größe von 0,1 × 0,1 mm². Das Verhältnis der Bildelementflächen (0,01/0,0027) beträgt im Vergleich zu der Auflösung der kleinen Röhre etwa 3,7. Der Faktor 3,7 ist geringer als das benötigte Verhältnis 220. Allerdings kann ein stärkeres Signal auch durch Erhöhen der Fangelektrodenkapazität beim Speichern von Elektronen erreicht werden. Der Faktor der Bildelementfläche ist nur einer von drei wichtigen Signalfaktoren neben der Dielektrizitätskonstante und der Dicke.
Silizium hat eine Dielektrizitätskonstante, die größer als bei dem meisten in herkömmlichen Videoröhren verwendeten Photoleitern ist. Beispielsweise beträgt unter der Annahme, daß das Grenzauflösungsvermögen bei 4000 × 4000 Bildelementen in einer Fläche vorn 400 × 400 mm² 5 lp/mm (0,1 mm Bildelement) und die Dicke 10 um betragen, die Kapazität pro Bildelement:
CPixel = APixel × elektrische Feldkonstante × Dielektrizitätskonstante / Dicke der Fangelektrode = 10&supmin;&sup8; m² × 8,85×10&supmin;²² F/m × 12 / 10&supmin;&sup5; m - 0,106 pF/Bildelement.
Die Anzahl der Elektronen, die in einem Bildelement gespeichert werden, ist von dem Ladungsspeicherpotential abhängig. Eine Ausführungsforrn der Optik 32 für langsame Elektronen weist eine Potentialschwankung (potential swing) der Fangelektrode vorn 10 bis 20 V auf. Eine Potentialschwankung von V resultiert in einer gespeicherten Ladung von:
QPixel = CV = 0,105×10&supmin;¹² × 15 = 1,575×10&supmin;¹² C/Bildelement.
Wird diese Ladung durch die Ladung eines Elektrons geteilt, ergibt sich:
ePixel =1,575×10&supmin;¹²/ 1,6×10&supmin;¹&sup9; = 9843750 Elektronen/Bildelement. Diese Menge ist mit den pro Bildelement gespeicherten Elektronen bei einer herkömmlichen 1,5 Inch- (38mm-) Bildröhre aus PbO zu vergleichen. Die Gesamtkapazität der Fangelektrode dieser kleinen Röhre beträgt 900 pF, und die Matrix von 512 × 512 Bildelementen wird üblicherweise in 1/30 Sekunden abgetastet. Die beschriebene Fangelektrodenfläche entspricht 725 mm². Entsprechend beträgt die Kapazität pro Bildelement:
CPixel = Cgesamt/Anzahl der Bildelemente = 900×10&supmin;¹²/512² = 0,0034 pF.
Der Ladung pro Bildelement liegt bei einer in der Praxis verwendeten Röhre eine Schwankung von 5 V zugrunde und beträgt:
QPixel = CPixelV = 0,0034 × 5 = 1,7×10&supmin;¹&sup4; C/Bildelement = 106250 Elektronen/Bildelement.
Das Verhältnis der Ladung, die in dem großflächigen Bildelement gespeichert werden kann, zu der in dem Bildelement mit kleiner Fläche gespeicherten Ladung beträgt:
eVerhältnis = ePixel CsI-Si / ePixel Pbo = 92,6.
Dieses Verhältnis weicht gegenüber dem für eine lineare Größenänderung benötigten Faktor 220 nur um dem Faktor 2,37 ab. Ein geeigneter Ansatz für einen Ausgleich ist, das Bildelementformat zu ändern. Wenn bei jedem Bildelement dessen Speicherkapazität um dem Faktor 4 erhöht wird, indem das digitale Format für die gleiche Bilderzeugungsfläche von 400 × 400 mm² von 4000 × 4000 auf 2000 × 2000 transformiert und falls nötig in kürzerer Zeit ausgelesen wird, verringert sich das Grenzauflösungsvermögen auf 2,5 lp/mm.
Es gibt noch weitere Möglichkeiten, die eingesetzt werden können, um entweder das Bildelementsignal zu verstärken oder das elektronisch erzeugte Störsignal abzuschwächen. Die Signalstromstärke hängt von der Auslesezeitdauer pro Bildelement ab. Eine typische Echtzeit-Ausleserate beträgt 125 ns/Bildelement und hat bei 4000 × 4000 Bildelementen eine Auslesezeitdauer von 2 s zur Folge. Die aus der pro Bildelement gespeicherten Ladung erzeugbare Signalstromstärke beträgt dann:
i = dq/dt 12,6 uA
Obwohl 12,6 uA für dem Strom gegenüber beispielsweise 0,5 bis 1,0 uA bei herkömmlichen kleinen Röhren hoch ist, ist die hohe Signalstromstärke kompatibel mit derzeitigen Strahlkathoden. Obgleich bei Anwendungen mit kleiner Röhre die Elektronenstrahldichte an der Sensor-Fangelektrodenoberfläche wegen der einen Verlust an Auflösungsvermögen bewirkenden Elektronenabstoßung eine Problemursache wäre, stellt Elektronenabstoßung bezüglich der beschriebenen verringerten Anforderung an das Auflösungsvermögen kein bedeutendes Problem dar. Bei einer Ausführungsform kann der Spitzenwert der Signalstromstärke zwischen 10 - 20 uA betragen.
Das mit diesem Signal verbundene Störsignal leitet sich aus der Berechnung der Elektronenanzahl in dem großflächigen Bildelement her, die zuvor als 9,84×10&sup6; Elektronen oder bei einem angenommen Verstärkungsfaktor von 1000 als 9,84×10³ Photonen ermittelt wurde. Das durch die Photonen erzeugte Störsignal beträgt:
iPhotonenstörbignal = StörsignalPhotonen × elektrische Ladung × Schirmverstärkung / Zeit pro Bildelement (125 ns) = 127 nA
Die große Nähe des Gitters 36 zu der Signalplatte 40 ist die Hauptursache für die Streukapazität Die Streukapazität wächst linear mit der Fläche und verursacht eine Signaldämpfung bei höheren Frequenzen. Die Signaldämpfung wird durch eine Feineinstellung des Verstärkers ausgeglichen, um bei dem höheren Frequenzen eine höhere Verstärkung zu erzielen. Diese Kompensation hat jedoch ein stärkeres elektronisch hervorgerufenes Störsignal zur Folge. Unter der Annahme, daß die Streukapazität einer kleinen herkömmlichen 35mm-Röhre beispielsweise ein Störsignal von 2 nA erzeugt, könnte hinsichtlich der Streukapazität einer großen Röhre und der Störsignalstromstärke erwartet werden, daß diese um das Flächenverhältnis, d.h. (566/35)² = 261,5 anwachsen. Die sich daraus ergebende Störsignalstromstärke ist 2,1-mal größer als die des Hintergrundrauschens und muß dementsprechend verringert werden.
Bei herkömmlichen kleinen Röhren liegt das Gitter in großer Nähe zu der Fangelektrode (0,5 - 2,0 mm), um während des langsamen Auslesens dem Lesestrahl eine gleichförmige orthogonale Strahlcharakteristik zu erzeugen und eine Auflösung von 25 bis 50 lp/mm zu gewährleisten. Da die Konstruktion einer Radiologieröhre nur 5 bis 10 lp/mm erfordert, wird das Gitter 36 in einem größeren Abstand zur Sensor-Fangelektrode als in vergleichbaren Anordnungen kleiner Röhren angeordnet. Der Abstand zwischen dem Gitter 36 und der Fangelektrode ist vorzugsweise größer als 2 mm und erhöht sich im allgemeinen mit zunehmenden Röhrendurchmesser. Da die Streukapazität umgekehrt proportional zum Zwischenraum zwischen dem Gitter 36 und der Sensor-Fangelektrodenoberfläche 28 ist, führt jedes weitere Entfernen zu einer entsprechenden Verringerung der Streukapazität Bei einer Röhre mit einem Durchmesser vorn 556 mm, kann der Abstand von Gitter und Fangelektrode 10 mm und sogar mehr betragen. Indem der Zwischenraum auf 10 mm erhöht wird, ergibt sich ein bilderzeugendes System, das die verhältnismäßig geringen Anforderungen an das Auflösungsvermögen bei der Brustkorbradiologie erfüllt und die Störsignalstromstärke entsprechend auf einen zufriedenstellenden Wert verringert.
Durch Verwendung der vorstehend beschriebenen großflächigen Bildelemente bei Radiologieanwendungen ist bei niedrigeren Raumfrequenzen die DQE bei entsprechender Verbesserung der Kontrastauflösung erhebliqh verbessert. Das vorstehende Beispiel mit einem Auflösungsvermögen vorn 0,1 mm weist ein kleineres Bildelement auf als ein digitales Bildverarbeitungssystem mit einer auf 400 x 400 mm² verteilten 2048 × 2048 Matrix, die eine Bildelenentgröße von 0,2 mm ergibt.
Letztere bietet ein gleichwertiges Auflösungsvermögen von 2,5 lp/mm bei einer ausgezeichneten Modulationsübertragungsfunktion der bilderzeugenden Röhrenkomponeneten.
Bei einer Signalstromstärke von 12,6 uA beträgt das Schrotrauschen des Strahls ungefähr 3,78 nA. Das Störsignal des Vorverstärkers kann geringer als einige wenige Nanoampere sein. Diese zuletzt genannten Werte sind für wie zuvor beschriebe Röntgen- und Gammastrahlungsvideoröhren, deren Ausgangssignale einem bilderzeugenden Digitalsystem zugeführt werden können, sehr vorteilhaft.
Probleme hinsichtlich eines Verluststroms nehmen im allgemeinen proportional zu der Größe der Videoröhre zu. Der Verluststrom stellt einen durch die Vorspannungsschaltung fließenden, im wesentlichen konstanten gleichstromartigen Strom dar. Stromschwankungen haben eine sehr niedrige Frequenz und werden über dem Koppelkondensator 46 nicht an dem Vorverstärker 48 übertragen. Der Strom durch die Signalplatte 40 entspricht der Summe der gleichzeitigen Entladungen aller Bildelemente. Insbesondere handelt es sich bei jeder Bildelemententladung nur um einen kleinen Ladungsbetrag während eines Rasterzeitintervalls und beeinflußt das Signal nicht. Die Bildelemente laden sich mit der Rasterrate wieder auf. Ein einzelnes Bildelement, das wegen eines schlechten spezifischen Widerstands des Bildelementes eine übermäßige Entladung aufweist, beeinflußt nur das Videosignal und dem Störsignalabstand des gegebenen Bildelements.
Die negative Folge eines Verluststroms ist hauptsächlich das Ausmaß der Ladungsverarmung auf der Sensor-Fangelektrodenoberfläche während eines Rasterzeitintervalls. Durch eine derartige Ladungsverarmung kann das Problem einer Potentialabschattung (Bildabschattung) hervorgerufen werden. Die Ladungsverarmung bewirkt, daß bei nachfolgendem Auslesen von Bildelementen weniger Ladung auftritt als zuvor. Falls die gesamte Ladung verlorengeht, bevor der Strahl die Möglichkeit zum Lesen des Bildelements hat, wird überhaupt kein Signal erzeugt. In diesem Sinne arbeitet die Sensor-Fangelektrode wie ein Dielektrikum in einem Kondensator. Die durch dem Elektronenstrahl aufgebrachte Oberflächenladung entlädt sich von der Oberfläche in einer exponentiellen Weise, die durch die Zeitkornstarnte des RC-Gliedes bestimmt ist. Die Zeitkonstante des RC-Gliedes entspricht dem Produkt aus dem spezifischen Widerstand und der Dielektrizitätskonstante. Bei einer von C. Kusano et al. unter dem Titel "An Amorphous Silicon Imaging Tube Using High Velocity Beam Scarnning", IEEE Trans. on Elec. Div., Bd. 33, Nr. 2, 298 (Feb. 1986)" offenbarten Sernsor-Fangelektrode aus amorphen Silizium beträgt der spezifische Widerstand 10¹³ Ωcm und die Dielektrizitätskonstante 12. Die Zeitkornstante beträgt für das Material 10,6 s. 10,6 s nachdem der Elektronenstrahl die Ladung aufgebracht hat, verbleiben 36,7% der ursprünglichen Ladung auf der Fangelektrodernoberfläche. Da die längste Auslesezeitdauer bei dem großflächigstern für die Radiologie von Brustkorb und Unterleib entworfenen Röhren 2 s beträgt, umfaßt der verbleibende Ladungsbetrag beim letzten Bildelement 83% der ursprünglichen Ladung. Die Verringerung ist folglich tragbar. Die Ergebnisse können durch die Aufbringung von Elektronen und Löcher blockierenden Schichten 54 auf der Sensor-Fangelektrode 20 erheblich verbessert werden. Eine weitere Möglichkeit ist, eine (nicht dargestellte) dünne aufgesputterte Schicht amorphen Siliziums mit einen spezifischen Widerstand von 10¹&sup4; Ωcm auszubilden. Derartige Schichten vermeiden die Notwendigkeit von Blockierschichtern oder können anstelle dessen in Verbindung mit Blockierschichten zur Herabsetzung des Verluststroms um einen zusätzlichen Faktor 5 bis 10 verwendet werden.
Für das Sernsor-Fangelektrodenmaterial gibt es andere Möglichkeiten als amorphes Silizium, um eine verlängerte Speicherzeit und einen verringerten Verluststrom zu gewährleisten. In einer Westinghouse ETV-2000 Fernsehkamera mit 0,051 m (2 Inch) Durchmesser ist beispielsweise eine Sensor- Fangelektrode aus amorphem photoleitfähigem Selen-Arsen- Material eingesetzt. Die Kamera erzeugt üblicherweise aus einer Fläche von 25 x 25 mm² ein Bild mit 2048 x 2048 Bildelementen auf dem Photoleiter und kann in Echtzeit oder mit langsamer Abtastung ausgelesen werden. Der Verluststrom ist bei Raumtemperatur geringer als 0,5 nA/cm². Eine Bildspei cherung vor dem Auslesevorgang von bis zu 10 s ist statthaft. Die Belichturngszeitdauer kann vorn nur 300 ns bis zu mehreren Sekunden reichen. Die Bildelementgröße beträgt nur 12,2 × 12,2 um² und die Anzahl der pro Bildelement gespeicherten Elektronen ist 400000. Wenn die vorstehenden Werte auf eine Röntgenstrahlungsröhre vorn 16 × 16 Inch² extrapoliert werden, wird ein niedriger Verluststrom von 800 nA und eine Ladungsdichte von 3×10&sup9; e/mm² erhalten. Die vorstehenden Werte werfen keine besonderen Probleme auf. Der Verluststrom ist ein Gleichstrom, der im wesentlichen rauschfrei ist und das durch dem Vorverstärker geleitete Videosignal nicht stört. Die Westinghouse ETV-2000 Kamera umfaßt einen dynamischen Bereich von 667:1, der durch die mittlere quadratische Rauschzahl begrenzt ist, und kann mittels neuer Vorverstärkertechnologie verbessert werden. Bei größeren Bildelementflächen für die diagnostische Radiologie mit beispielsweise 50 x 50 um² nimmt die Ladung pro Bildelement um etwa dem Faktor 16 zu, so daß der dynamische Bereich einer tatsächlich ausgeführten Röhre 12 Bit überschreiten kann. Andere Materialien, die in Verbindung mit CsI für bestimmte Anwendungen geeignet sein können, sind CdS, Sb2S3, ASOS, Kadmiumselernid und eine Selen-Arsen- Tellur-Zusammensetzung. Auch wenn Blockierschichten zur Komplexität und dem Kosten einer Röhre beitragen, handelt es sich in Hinblick auf das amorphe Silizium bei den Schichten um sehr dünne Filme, die auf einfache Weise mit sehr hoher Gleichmäßigkeit aufgesputtert werden.
Über die vorstehend erläuterten Ansätze zur Größernverärnderung hinaus gibt es weitere Techniken, die die Charaktenstiken der großflächigern Videoröhre 10 bei einigen Anwendungen verbessern. Erstens kann die Röhre von einem langsamen zu einem schnellen Elektronenstrahl hin umgewandelt werden. Zweitens kann die Farngelektrode mehrlagig aufgebaut sein.
Drittens kann der Abstand zwischen der Sensor-Fangelektrodenoberfläche und dem Gitter wie vorstehend erklärt erhöht werden.
Gemäß Fig. 4 kann die Signalplatte 40 in Plattensektoren 40A, 40Bund 40C mit jeweils kleineren Flächen aufgeteilt sein. Die Aufteilung der Signalplatte verringert die zu einem Zeitpunkt ausgelesene Farngelektrodenkapazität um die Anzahl der Sektoren, wobei alle anderen relevanten Faktoren unverändert bleiben. Aufgrund vorn Multiplexen und/oder dem Einsatz zusätzlicher Vorverstärker geht dies zu Lasten erhöhter Komplexität. Die vorstehend erläuterte Verbesserung um etwas mehr als den Faktor 2 könnte durch Aufteilung der Fangelektrode in drei Teilabschnitte überwunden werden, wobei jeder Teilabschnitt an einen eigenen Vorverstärker 48A, 48B und 48C angeschlossen ist. Jeder Vorverstärker führt dann seine Ausgabe einem Drittel des für ein Gesamtbild benötigten digitalen Gesamtspeichers zu. Dies verringert die Streukapazität wirkungsvoll auf ein Drittel. Wahlweise können die Sektoren auch bezüglich eines einzelnen Vorverstärkers 48 gemultiplext werden. Die Vorteile der Signalplattensektoren werden durch die Kosten der zusätzlichen Komplexität der Kamera aufgewogen. Die Sektoren können eine beliebige Form aufweisen, wobei die einfachste ein Viereck oder Rechteck ist.
Es wurde somit eine großflächige LV-Videokameraröhre (wie beispielsweise für eine Rasterdiagonale von 56 mm) geschaffen, welche die nötigen Anforderungen bei Anwendungen in der diagnostischen Radiologie, in der Nuklearmedizin und bei zerstörungsfreiern Prüfverfahren erfüllt. Diese Abmessung ist ausreichend, um ein herkömmliches, in der diagnostischen Radiologie verwendetes Format von 14 x 17 Inch² auszubilden. Die Sensor-Fangelektroden weisen ein annehmbares Ansprechverhalten und Leistungsvermögen zur Abbildung von Photonen im Energiebereich von einigen wenigen kev bis zu Energien im Bereich von MeV auf. Die Elektronenoptik der Röhre der LV-P- Bauart wurde derart abgewandelt, daß die erforderlichen Charakteristikern für Auflösungsvermögen, Störsignal, Signal und dem dynamischen Bereich erzielt wurden.

Claims

1. Bilderzeugurngsröhre (10) mit:

einer Sensor-Fangelektrodeneinrichtung (20), die eine Signalplatteneinrichturng (40) zur Erfassung beleuchtender hochernergetischer Photonen und zum Bereitstellen einer Speicherkapazität zum Festhalten von Elektronen auf der Oberfläche der Sensor-Fangelektrodeneinrichtung (20) sowie eine Schicht aufweist, die auftreffende Strahlung hoher Energie aufnimmt und die Erzeugung innerer elektrisch positiv geladener Teilchen in Mengen bewirkt, die größer als die Anzahl der auftreffendern Photonen der genannten Strahlung sind; und

einer elektronenoptischen Einrichtung (30, 32) zur Erzeugung eines langsamen Elektronenstrahls (34) und zur Äusrichtung des Strahls auf die Sernsor-Farngelektrodeneinrichtung (20) zur Aufbringung einer gleichmäßigen Ladungsschicht;

wobei auf die Sernsor-Farngelektrodeneinrichturng (20) geleitete Strahlung hoher Energie zur Erzeugung eines Videosignals zur Übertragung an eine Videoausleseschaltung (42) auf einer Oberfläche (28) der Sensor-Farngelektrodeneinrichtung eine Ladungsverteilung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß

die zu der Sensor-Fangelektrodeneinrichtung (20) zugehörige Schicht im wesentlichen aus einem Material aus der aus TlBr, TlI und einer Mischung aus TlBr und TlI bestehenden Gruppe zusammengesetzt ist.

2. Bilderzeugungsröhre (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensor-Fangelektrodeneinrichtung (20) einen Durchmesser von mehr als 50 mm aufweist.

3. Bilderzeugungsröhre (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronenoptische Einrichtung (30, 32) ferner ein Gitter (36) umfaßt, wobei das Gitter (36) zumindest 2 mm von der Signalplatteneinrichtung (40) beabstandet ist.

4. Bilderzeugurngsröhre (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalplatteneinrichtung (40) eine Vielzahl vorn Sektoren (40A, 40B, 40C) aufweist.

5. Bilderzeugungsröhre (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese ferner eine Vielzahl vorn Vorverstärkern (48A, 48B, 48C) umfaßt, wobei jeder Sektor (40A, 40B, 40C) elektrisch an einen entsprechenden Vorverstärker (48A, 48B, 48C) angeschlossen ist.

6. Bilderzeugungsröhre (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese ferner eine Vielzahl von Vorverstärkern (48A, 48B, 48C) umfaßt, wobei Signale von jedem der Sektoren (40A, 40B, 40C) zu einem einzelnen Vorverstärker (48) hin gemultiplext werden.

7. Bilderzeugungsröhre (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese ferner eine Bildverarbeitungseinrichturng (14) und eine Filmbeschreibeeinrichtung (16) zur Erstellung einer Hardcopyausgabe des elektronischen Bildes umfaßt.

8. Bilderzeugungsröhre (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese ferner ein Sichtgerät (18) zur Erzeugung einer Videodarstellung des elektronischen Bildes umfaßt.

9. Bilderzeugungsröhre (10) und Sichtgerät (18) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Bildverarbeitungseinrichtung (14) zur Verarbeitung des elektronischen Bildes vorgesehen ist.

10. Bilderzeugungsröhre (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht der Sensor-Fangelektrodeneinrichtung (20) eine Dicke von mehr als 50 um aufweist.