EP0099285A1 - Ecran scintillateur convertisseur de rayonnement et procédé de fabrication d'un tel écran - Google Patents

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EP0099285A1
EP0099285A1 EP83401370A EP83401370A EP0099285A1 EP 0099285 A1 EP0099285 A1 EP 0099285A1 EP 83401370 A EP83401370 A EP 83401370A EP 83401370 A EP83401370 A EP 83401370A EP 0099285 A1 EP0099285 A1 EP 0099285A1
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EP
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screen
layer
scintillator
photocathode
screen according
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Dominique Delattre
Henri Rougeot
Catherine Tassin
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Thales SA
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Thomson CSF SA
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    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K4/00—Conversion screens for the conversion of the spatial distribution of X-rays or particle radiation into visible images, e.g. fluoroscopic screens
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J29/00—Details of cathode-ray tubes or of electron-beam tubes of the types covered by group H01J31/00
    • H01J29/02—Electrodes; Screens; Mounting, supporting, spacing or insulating thereof
    • H01J29/10—Screens on or from which an image or pattern is formed, picked up, converted or stored
    • H01J29/36—Photoelectric screens; Charge-storage screens
    • H01J29/38—Photoelectric screens; Charge-storage screens not using charge storage, e.g. photo-emissive screen, extended cathode
    • H01J29/385—Photocathodes comprising a layer which modified the wave length of impinging radiation

Definitions

  • the present invention relates to a scintillator radiation converter screen. It also relates to a method of manufacturing such a screen.
  • Radiation converting scintillator screens are well known in the prior art. These screens receive X or 6 rays and convert them into light photons to which a photocathode is sensitive which covers the concave face of these screens.
  • the screen When the screen receives X-radiation, it is used in radiological image intensifier tubes or I.I.R. and when the screen receives ⁇ radiation, it is used in scintigraphy tubes.
  • scintillating radiation converting screens are generally obtained by evaporating on the concave face of a metal support, for example of aluminum, which is transparent to radiation, of cesium iodide doped with sodium or with thallium. .
  • the growth of cesium iodide takes place spontaneously in the form of juxtaposed needles which is a structure conducive to guiding the light created in cesium iodide by incident radiation.
  • the concave face of the scintillator screen thus obtained receives a photocathode sublayer which is intended to isolate the scintillator screen from the photocathode and / or to improve the surface condition of the concave face of the screen.
  • a photocathode is then deposited on this sublayer.
  • the present invention relates to a scintillator radiation converter screen which does not have the drawbacks stated above.
  • the present invention relates to a scintillator radiation converter screen which is made of a scintillator material having a needle structure and this screen has a convex face which receives the radiation and a concave face which is perfectly smooth, on which installs the photocathode.
  • the concave face of the scintillator screen according to the present invention is perfectly smooth because it is this face which is in contact with the convex face of the support during the evaporation of the scintillator material.
  • the photocathode which is deposited on this face therefore has perfectly smooth surfaces.
  • the thickness of the screen can be varied from a few tens of microns to several millimeters while retaining a perfectly smooth concave face.
  • the scintillator screen when it is finished no longer comprises the support which was used for its manufacture.
  • FIG. 1 represents the diagram seen in section, of a scintillator screen according to the prior art.
  • This screen is obtained by evaporating cesium iodide on the concave face of a thin metal support 1, made of aluminum for example, which is transparent to X or Y radiation to be analyzed.
  • the growth of cesium iodide takes place in the form of needles 2 terminated by tetrahedral crystals which are represented in a box which shows in more detail the structure of the screen.
  • the concave face of the scintillator screen thus obtained is very irregular.
  • a photocathode 3 sublayer is deposited to chemically isolate the scintillator screen 2 from the photocathode and / or to improve the surface condition of the concave face of the screen.
  • a photocathode 4 is then deposited on the sublayer 3.
  • FIG. 2 represents the diagram, seen in section, of an embodiment of a screen according to the invention.
  • this screen consists of a scintillator material 2 having a structure in needles.
  • the box on the right shows that the concave face of this screen is perfectly smooth. It is on this face that the photocathode 4 is deposited, with, optionally, between this concave face and the photocathode, a sublayer 3 of photocathode, made of phosphovanadates for example.
  • This support can have any thickness. It can be made of any material, glass or metal, which has a coefficient of thermal expansion different from that of the scintillator material used.
  • the scintillator screen is obtained by evaporation of the scintillator material on the convex face of the support. After evaporation, the screen is separated from the support by simple heating thanks to the smooth surface of the convex face of the support and thanks to the difference between the coefficients of thermal expansion of the support and of the scintillator material.
  • the concave face is perfectly smooth because it is this face which was in contact with the convex face of the support during the evaporation of the scintillator material.
  • the concave face of the screen has an optical polish. The diameter of the grains on this face varies from 0.1 to 50 micrometers approximately.
  • the thickness of the screen can vary, depending on the use, between a few tens of microns and a few millimeters while retaining a perfectly smooth concave face.
  • the scintillator screen has a structure of finely divided needles. It can then be used in high definition radiological image intensifier tubes.
  • the evaporation support is heated during evaporation, at temperatures ranging from 100 to 600 ° C. for example, a structure in agglomerated needles is obtained which is more monolithic which allows this screen to be used in scintigraphy.
  • the evaporation support can be made of aluminum for example.
  • the scintillator material used can be an alkali halide, such as cesium iodide doped with sodium or thallium, or such as potassium iodide doped with thallium. It is also possible to use as scintillating material tungstates, sulphides or metallic sulphates for example.
  • a layer 5 can be placed on the convex face of the screen ensuring its rigidity.
  • This layer ensuring the rigidity of the screen can consist, for example, of a glass or of an enamel with a low melting point, or of any organic substance supporting the tube firing temperatures such as for example epoxy resin, parylene, polyimides, or cryolite, for example.
  • the convex face of the screen can also be provided with a layer reflecting the light produced in the screen by the incident radiation. This layer returns to the photocathode all the light arriving on the convex face of the screen.
  • This layer can consist, for example, of any evaporated metal such as aluminum or nichrome.
  • This layer consists of a high density material with a high atomic number, deposited in a thin layer, such as barium oxide, lead or tungsten. This type of material promotes the photoelectric emission and the stopping power with respect to ionizing radiation.
  • a layer of indium or tin can serve both to reflect the light produced in the screen by the incident radiation and also to ensure the rigidity of the screen.
  • a layer can be obtained by sputtering, by evaporation, by projection or by any other known method.
  • the photocathodes which are deposited there have a minimum surface electrical resistance which no longer depends so much on the scintillator screen but especially on the photocathode which is deposited there.
  • a photocathode 4 is deposited, consisting for example of cesium and antimony.
  • a support grid 7 having the same concavity as the screen, as shown in Figure 3.
  • This grid must be transparent to the flow of incident radiation. It can be nickel or iron, for example.
  • the screen shown comprises a layer 6 increasing the efficiency of quantum detection of the screen, a layer 2 of needle scintillator material whose concave face is perfectly polished, a photocathode sublayer 3 and a photocathode 4.
  • a metal ring 8 is evaporated on the concave face of the screen at the periphery of this face.
  • Pressure tabs 9 are applied to this ring and serve as connections with the photocathode.
  • the screen according to the invention when it is sufficiently thick can also be mounted in a tube without the use of a support grid.
  • Various embodiments of the screen according to the invention are obtained by providing one or both sides, or both sides of this screen, with one or more of the various layers mentioned above which can be superimposed in an indifferent order.

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Abstract

L'écran selon l'invention est constitué d'un matériau scintillateur (2) présentant une structure en aiguilles. Sa face concave est parfaitement lisse. Cet écran est obtenu par évaporation sur un support présentant une face convexe parfaitement lisse et constitué d'un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui du matériau scintillateur. Après évaporation, l'écran scintillateur est séparé du support par simple chauffage.
Application aux tubes intensificateurs d'image radiologiques et aux tubes de scintigraphie.

Description

  • La présente invention concerne un écran scintillateur convertisseur de rayonnement. Elle concerne également un procédé de fabrication d'un tel écran.
  • Les écrans scintillateurs convertisseurs de rayonnement sont bien connus dans l'art antérieur. Ces écrans reçoivent des rayons X ou 6 et les convertissent en photons lumineux auxquels est sensible une photocathode qui recouvre la face concave de ces écrans.
  • Lorsque l'écran reçoit un rayonnement X, il est utilisé dans des tubes intensificateurs d'images radiologiques ou I.I.R. et lorsque l'écran reçoit un rayonnement γ, il est utilisé dans des tubes de scintigraphie.
  • Dans l'art antérieur, les écrans scintillateurs convertisseurs de rayonnement sont généralement obtenus en évaporant sur la face concave d'un support métallique, en aluminium par exemple, qui est transparent au rayonnement, de J'iodure de césium dopé au sodium ou au thallium. La croissance de l'iodure de césium s'effectue spontanément sous forme d'aiguilles juxtaposées ce qui est une structure propice au guidage de la lumière créée dans l'iodure de césium par Je rayonnement incident. La face concave de l'écran scintilIateur ainsi obtenu reçoit une sous-couche de photocathode qui est destinée à isoler l'écran scintillateur de la photocathode et/ou à améliorer l'état de surface de la face concave de l'écran.
  • Une photocathode est ensuite déposée sur cette sous-couche.
  • Les écrans scintillateurs connus dans l'art antérieur présentent un certain nombre d'inconvénients parmi lesquels on peut citer :
    • - le fait que la face concave de l'écran scintillateur obtenu ne soit pas parfaitement lisse à cause de la structure en aiguilles du matériau scintillateur. Il est difficile de colmater parfaitement les irrégularités de cette face, même en utilisant une sous-couche de photocathode. La photocathode qui est déposée présente une résistance' électrique superficielle élevée. Au-delà d'un certain flux de rayonnement incident, des variations locales importantes du potentiel à la surface de la photocathode apparaissent ce qui entraîne une défocalisation de l'image électronique. De plus, les irrégularités de surface de la photocathode nuisent à sa sensibilité. La présence de nombreuses crevasses emprisonnant des poches de gaz à proximité de la couche photosensible est à l'origine d'un rendement de photo- émission réduit ;
    • - le fait qu'on soit tenu à limiter l'épaisseur de l'écran car le nombre de fissures et de discontinuités superficielles augmente avec cette épaisseur. Cet inconvénient est particulièrement gênant dans le cas des écrans destinés à la gammagraphie où des écrans scintillateurs épais sont requis ;
    • - la présence dans l'écran scintillateur terminé du support sur lequel le matériau scintillateur a été évaporé. Ce support est largement transparent au rayonnement incident mais arrête malgré tout une fraction de ce rayonnement.
  • La présente invention concerne un écran scintillateur convertisseur de rayonnement qui ne présente pas les inconvénients énoncés ci-dessus.
  • Selon la revendication 1, la présente invention concerne un écran scintillateur convertisseur de rayonnement qui est constitué d'un matériau scintillateur présentant une structure en aiguilles et cet écran présente une face convexe qui reçoit le rayonnement et une face concave qui est parfaitement lisse, sur laquelle repose la photocathode.
  • Selon la revendication 12, la présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel écran qui comporte les étapes suivantes ;
    • - l'écran scintillateur est obtenu par évaporation sur un support présentant une face convexe parfaitement lisse et constitué d'un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui du matériau scintillateur ;
    • - après évaporation, l'écran scintillateur est séparé du support par simple chauffage.
  • La face concave de l'écran scintillateur selon la présente invention est parfaitement lisse car c'est cette face qui se trouve en contact avec la face convexe du support pendant l'évaporation du matériau scintillateur. La photocathode qui est déposée sur cette face a donc des surfaces parfaitement lisses. On peut faire varier l'épaisseur de l'écran de quelques dizaines de microns à plusieurs millimètres tout en conservant une face concave parfaitement lisse. Enfin, selon la présente invention, l'écran scintillateur lorsqu'il est terminé ne comporte plus le support ayant servi à sa fabrication.
  • D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par-les figures annexées qui représentent :
    • - la figure 1, le schéma d'un écran scintillateur selon l'art antérieur ;
    • - les figures 2 et 3, deux modes de réalisation d'un écran scintillateur selon l'invention.
  • Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées.
  • La figure 1 représente le schéma vu en coupe, d'un écran scintillateur selon l'art antérieur.
  • Cet écran est obtenu en évaporant de l'iodure de césium sur la face concave d'un support métallique mince 1, en aluminium par exemple, qui est transparent au rayonnement X ou Y à analyser. La croissance de l'iodure de césium s'effectue sous forme d'aiguilles 2 terminées par des cristaux tétraédriques qui sont représentées dans un encadré qui montre plus en détails la structure de l'écran. On constate dans l'encadré de la figure 1 que la face concave de l'écran scintillateur ainsi obtenue est très irrégulière. Sur cette face concave, on dépose une sous-couche de photocathode 3 pour isoler au point de vue chimique l'écran scintillateur 2 de la photocathode et/ou pour améliorer l'état de surface de la face concave de l'écran. Une photocathode 4 est ensuite déposée sur la sous-couche 3.
  • La figure 2 représente le schéma, vu en coupe, d'un mode de réalisation d'un écran selon l'invention.
  • Sur les deux encadrés qui montrent de façon plus détaillée la structure de l'écran, selon l'invention, on constate que cet écran est constitué d'un matériau scintillateur 2 présentant une structure en aiguilles. L'encadré de droite montre que la face concave de cet écran est parfaitement lisse. C'est sur cette face qu'est déposée la photocathode 4, avec, éventuellement, entre cette face concave et la photocathode, une sous-couche 3 de photocathode, en phospho- vanadates par exemple.
  • Pour obtenir l'écran selon l'invention, on peut utiliser le procédé exposé ci-après.
  • II faut disposer d'un support présentant une face convexe parfaitement polie. Ce support peut avoir une épaisseur quelconque. Il peut être constitué d'un matériau quelconque, verre ou métal, qui présente un coefficient de dilatation thermique différent de celui du matériau scintillateur utilisé.
  • L'écran scintillateur est obtenu par évaporation du matériau scintillateur sur la face convexe du support. Après évaporation, l'écran est séparé du support par simple chauffage grâce à la surface lisse de la face convexe du support et grâce à la différence entre les coefficients de dilatation thermique du support et du matériau scintillateur.
  • On obtient ainsi un écran scintillateur tel que celui représenté sur la figure 2 dont la face concave est parfaitement lisse car c'est cette face qui était en contact avec la face convexe du support pendant l'évaporation du matériau scintillateur. La face concave de l'écran présente un poli optique. Le diamètre des grains sur cette face varie de 0,1 à 50 micro-métres environ.
  • Comme on peut le voir sur l'encadré de gauche de la figure 2, " c'est la face convexe de l'écran qui présente une surface assez irrégulière à cause des extrémités des aiguilles du matériau scintillateur mais cela n'a pas d'importance car il n'y a pasde conduction sur cette face.
  • Ln effet, la conduction est assurée par la photocathode qui est déposée sur la face concave tout à fait lisse. On ne risque donc pas de voir comme dans l'art antérieur, des cratères de micro-structures interrompre la continuité de la couche en contact avec la photocathode et donc la conduction.
  • L'épaisseur de l'écran peut varier, selon l'utilisation, entre quelques dizaines de microns et quelques millimètres tout en conservant une face concave parfaitement lisse.
  • Si le support d'évaporation est maintenu froid pendant J'évaporation, l'écran scintillateur présente une structure en aiguilles finement divisées. Il peut alors être utilisé dans les tubes intensificateurs d'images radiologiques de haute définition.
  • Si par contre le support d'évaporation est chauffé pendant l'évaporation, à des températures allant de 100 à 600°C par exemple, on obtient une structure en aiguilles agglomérées plus monolithique qui permet d'utiliser cet écran en scintigraphie.
  • Le support d'évaporation peut être réalisé en aluminium par exemple. Le matériau scintillateur utilisé peut être un halogénure alcalin, tel que l'iodure de césium dopé au sodium ou au thallium, ou tel que l'iodure de potassium dopé au thallium. On peut aussi utiliser comme matériau scintillateur des tungstates, des sulfures ou des sulfates métalliques par exemple.
  • On constate qu'en utilisant le procédé précédemment décrit on obtient un écran scintillateur dont les deux faces sont accessibles pour tout traitement ultérieur souhaité car le support d'évaporation ne fait pas partie de l'écran terminé au contraire de ce qui se passe dans les écrans selon l'art antérieur.
  • Pour accroître la tenue mécanique de l'écran, et particulièrement dans le cas d'un écran de faible épaisseur en structure d'aiguilles finement divisées, on peut disposer sur la face convexe de l'écran une couche 5 assurant sa rigidité. une telle couche est représentée sur la figure 2. Cette couche assurant la rigidité de l'écran peut être constituée par exemple d'un verre ou d'un émail à bas point de fusion, ou de toute substance organique supportant les températures d'ctuvage du tube telles que par exemple la résine époxy, le parylène, les polyimides, ou la cryolite, par exemple.
  • La face convexe de l'écran peut être aussi munie d'une couche réfléchissant la lumière produite dans l'écran par le rayonnement incident. Cette couche renvoie vers la photocathode toute la lumière arrivant sur la face convexe de l'écran. Cette couche peut être constituée, par exemple, d'un métal évaporé quelconque tel que l'aluminium ou le nichrome.
  • On peut aussi munir la face convexe de l'écran d'une couche accroissant l'efficacité de détection quantique de l'écran. Cette couche est constituée d'un matériau de haute densité à numéro atomique élevé, déposé en couche mince, tel que J'oxyde de baryum, de plomb ou de tungstène. Ce type de matériau favorise l'émission photoélectrique et Je pouvoir d'arrêt vis-à-vis du rayonnement ionisant.
  • Il est donc possible de disposer sur la face convexe de l'écran une, deux ou trois couches successives remplissant chacune J'une des fonctions suivantes : couche assurant la rigidité de l'écran, couche réfléchissant la lumière produite dans l'écran par le rayonnement incident, couche accroissant l'efficacité de détection quantique de l'écran. L'ordre des diverses couches peut varier.
  • Il est possible d'utiliser des couches de matériaux remplissant deux des fonctions énoncées. Par exemple, une couche d'indium ou d'étain peut servir à la fois à réfléchir la lumière produite dans l'écran par le rayonnement incident et assurer aussi la rigidité de l'écran. Une telle couche peut être obtenue par pulvérisation cathodique, par évaporation, par projection ou par toute autre méthode connue.
  • En ce qui concerne la face concave de l'écran, cette face étant parfaitement polie, les photocathodes qui y sont déposées ont une résistance éléctrique superficielle minimale qui ne dépend plus tellement de l'écran scintillateur mais surtout de la photocathode qui y est déposée.
  • La face concave de l'écran est généralement- recouverte d'au moins une ................................... coucha assurant au moins l'une des fonctions suivantes :
    • - couche réduisant encore la résistance électrique superficielle de la photocathode, couche assurant la compatibilité du point de vue chimique entre l'écran scintillateur et la photocathode. On peut déposer sur la face concave de l'écran une sous-couche 3 qui est représentée sur la figure 2. Cette sous-couche peut être constituée d'oxyde d'indium ou d'un métal en couche mince, tel que l'aluminium, qui est largement transparent à la lumière produite par le scintillateur.
  • Sur la sous-couche, on dépose une photocathode 4, constituée par exemple de césium et d'antimoine.
  • Pour monter l'écran selon l'invention dans le tube où il va être utilisé, on peut employer une grille support 7 ayant même concavité que l'écran, comme cela est représenté sur la figure 3. Cette grille doit être transparente au flux de rayonnement incident. Elle peut être en nickel ou en fer, par exemple.
  • Sur la figure 3, l'écran représenté, comporte une couche 6 accroissant l'efficacité de détection quantique de l'écran, une couche 2 de matériau scintillateur en aiguilles dont la face concave est parfaitement polie, une sous-couche de photocathode 3 et une photocathode 4.
  • On voit sur la figure 3, qu'un anneau métallique 8 est évaporé sur la face concave de l'écran à la périphérie de cette face. Des languettes de pression 9 sont appliquées sur cet anneau et servent de connexions avec la photocathode.
  • L'écran selon l'invention lorsqu'il est suffisamment épais peut aussi être monté dans un tube sans l'utilisation d'une grille-support.
  • On obtient divers modes de réalisation de l'écran selon l'invention en munissant l'une des deux faces, ou les deux faces de cet écran, d'une ou plusieurs des diverses couches dont il a été question précédemment qui peuvent être superposées dans un ordre indifférent.

Claims (14)

1. Ecran scintillateur convertisseur de rayonnement, qui reçoit des rayons X ou γ et les convertit en photons lumineux auxquels est sensible une photocathode (4) qui recouvre l'une des faces de cet écran, caractérisé en ce que cet écran est constitué d'un matériau scintillateur (2) présentant une structure en aiguilles et en ce qu'il présente une face convexe qui reçoit le rayonnement et une face concave qui est parfaitement lisse, sur laquelle repose la photocathode (4).
2. Ecran selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face convexe de l'écran est recouverte d'au moins une couche assurant au moins l'une des fonctions suivantes : couche assurant la rigidité de récran (5), couche réfléchissant la lumière produite dans l'écran par le rayonnement incident, couche accroissant l'efficacité de détection quantique de l'écran (6).
3. Ecran selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la face concave de l'écran est recouverte d'au moins une couche (6) assurant au moins l'une des fonctions suivantes : couche assurant la compatibilité avec la photocathode, couche assurant la réduction de la résistance superficielle de la photocathode.
4. Ecran selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau scintillateur (2) utilisé est un halogénure alcalin, tel que l'iodure de césium dopé au sodium ou au thallium ou tel que l'iodure de potassium dopé au thallium.
5. Ecran selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau scintillateur (2) présente une structure en aiguilles finement divisées ou une structure en aiguilles agglomérées.
6. Ecran selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau scintillateur a une épaisseur allant de quelques dizaines de microns à quelques millimètres.
7. Ecran selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la face concave parfaitement lisse comporte des grains dont le diamètre varie de 0,1 à 50 pm.
8. Ecran selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la couche assurant 1a rigidité de l'écran (5) est constituée d'un verre ou d'un émail à bas point de fusion, ou d'une substance organique telle que la résine époxy, le parylène, les polyimides, la cryolite.
9. Ecran selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la couche réfléchissant la lumière produite dans J'écran par le rayonnement incident est en aluminium ou en nichrome.
10. Ecran selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la couche (6) accroissant l'efficacité de détection quantique est constituée par un matériau de haute densité, déposé en couche mince, tel que l'oxyde de baryum, de plomb ou de tungstène.
11. Ecran selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la couche assurant la réduction de la résistance superficielle de la photocathode est constitué d'oxyde d'indium ou est une mince couche métallique.
12. Procédé de fabrication d'un écran selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- l'écran scintillateur (2) est obtenu par évaporation sur un support présentant une face convexe parfaitement lisse et constitué d'un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui du matériau scintillateur (2) ;
- après évaporation, l'écran scintillateur (2) est séparé du support par simple chauffage.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le support est maintenu froid pendant l'évaporation, une structure en aiguille finement divisées étant obtenue.
14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le substrat est chauffé pendant J'évaporation, une structure en aiguilles agglomérées étant obtenue.
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