EP0553578A1

EP0553578A1 - Tube intensificateur d'image avec compensation de courbe de brillance

Info

Publication number: EP0553578A1
Application number: EP92400258A
Authority: EP
Inventors: Yvan Raverdy; Gérard Vieux; François Chareyre; Alain Tranchant
Original assignee: Thomson Tubes Electroniques
Current assignee: Thales Electron Devices SA
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1992-01-31
Publication date: 1993-08-04
Anticipated expiration: 2012-01-31
Also published as: EP0553578B1; FR2666447A1; US5256870A; FR2666447B1

Abstract

L'invention concerne les tubes intensificateurs d'image, et plus particulièrement les intensificateurs d'image radiologique. Pour obtenir une répartition plus uniforme de brillance de l'image de sortie pour une illumination uniforme d'entrée, l'invention propose d'intercaler entre la couche scintillatrice (12) et la photocathode (16) une couche intercalaire (14) d'épaisseur radialement variable (en pratique plus épaisse au centre) réalisée en un matériau qui modifie les propriétés émissives de la photocathode en fonction de son épaisseur. En pratique la couche intercalaire peut être tout simplement l'électrode d'In2O3 déposée sous la photocathode, l'épaisseur de cette couche étant variable radialement pour obtenir la compensation de profil de brillance désirée. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne un écran d'entrée de tube intensificateur d'image, et tout particulièrement, mais pas exclusivement, un écran de tube intensificateur d'image radiologique (tube IIR).
Les tubes intensificateurs d'Image radiologique permettent de transformer une image radiologique en image visible, généralement pour assurer l'observation médicale.
Ces tubes sont des tubes à vide comprenant un écran d'entrée, un système d'optique électronique, et un écran d'observation de l'image visible.
L'écran d'entrée comporte un scintillateur qui convertit des photons X incidents en photons visibles qui viennent ensuite exciter une photocathode, généralement constituée par un antimoniure alcalin, par exemple de l'antimoniure de potassium dopé au césium. La photocathode ainsi excitée génère un flux d'électrons.
Le flux d'électrons issu de la photocathode est ensuite transmis par le système d'optique électronique qui focalise les électrons et les dirige sur un écran d'observation constitué d'un luminophore qui émet alors une lumière visible. Cette lumière peut ensuite être traitée, par exemple, par un système de télévision, de cinéma ou de photographie.
Dans les réalisations les plus récentes l'écran d'entrée comporte un substrat d'aluminium recouvert par le scintillateur, lui-même recouvert par une couche conductrice de l'électricité et transparente à la lumière issue du scintillateur, par exemple en oxyde d'indium. La photocathode est déposée sur cette couche transparente.
Les rayons X frappent l'écran d'entrée du côté du substrat d'aluminium et traversent ce substrat pour atteindre ensuite le matériau constituant le scintillateur.
Les photons lumineux produits par le scintillateur sont émis un peu dans toutes les directions. Mais, pour augmenter la résolution du tube, on choisit en général comme matériau scintillateur une substance telle que l'iodure de césium qui a la propriété de croître sous forme de cristaux perpendiculaires à la surface sur laquelle ils sont déposés. Les cristaux en aiguilles ainsi déposés tendent à guider la lumière perpendiculairement à la surface, ce qui est favorable à une bonne résolution d'image.
Toutefois, pour des raisons d'optique électronique, la surface de l'écran d'entrée n'est pas plane mais bombée ; elle peut être parabolique ou hyperbolique pour des écrans de grande dimension, ou plus généralement en forme de calotte sphérique pour des écrans de plus petite dimension.
Il résulte de cette courbure de l'écran que si l'on éclaire l'écran d'entrée par un faisceau uniforme de rayons X, la densité électronique engendrée par l'écran n'est pas uniforme. On peut mesurer par exemple la courbe de brillance le long d'un diamètre de l'écran de sortie du tube, pour un éclairage uniforme en rayon X de l'écran d'entrée : la courbe de brillance représente l'intensité lumineuse en chaque point du diamètre de l'écran de sortie. On constate que cette courbe n'est pas horizontale ; elle est généralement en forme d'arc de cercle un peu aplati au centre ; la brillance de l'écran de sortie est maximale vers le centre mais diminue nettement à mesure qu'on s'approche des bords. Pour des tubes de petite dimension (écran d'entrée de diamètre 15cm par exemple) la diminution de brillance sur les bords par rapport au centre est de l'ordre de 25 %. Pour des écrans de plus grande dimension (diamètre 30 centimètres par exemple) la diminution atteint 35 %.
Un but de l'invention est de réaliser un tube intensificateur d'images ayant une courbe de brillance plus homogène, c'est-à-dire montrant un plus faible écart entre la brillance au centre et la brillance sur les bords pour un éclairement uniforme de l'écran d'entrée. Un autre but de l'invention est d'obtenir cette meilleure homogénéité de brillance par une méthode simple et industriellement plus facile à mettre en oeuvre que les méthodes proposées dans l'art antérieur.
On peut noter en effet qu'on a déjà proposé dans l'art antérieur (EP 0 239 991) d'améliorer l'homogénéité de la brillance en donnant une répartition non homogène à l'épaisseur de la couche de scintillateur de l'écran d'entrée. Toutefois, cela n'est pas facile à mettre en oeuvre pour la raison suivante : le rendement du scintillateur croit puis décroît avec l'épaisseur ; pour avoir un bon rendement on doit donc se situer au niveau du maximum ; mais alors on se situe sur un plateau de la courbe de rendement en fonction de l'épaisseur, et il faut donc faire varier de manière très importante l'épaisseur pour modifier la brillance. On est donc conduit à avoir des inhomogénéités très fortes d'épaisseur du scintillateur, ce qui est gênant industriellement, d'autant plus que le scintillateur est déposé en couche très épaisse (de l'ordre de 400 micromètres).
On notera qu'on a par ailleurs proposé dans l'art antérieur (EP-A- 0 378 257) de rajouter entre le scintillateur et la photocathode une couche sélectivement absorbante, dont la fonction est d'absorber les longueurs d'onde lumineuses émises par le scintillateur au dessous d'une certaine longueur d'onde, parce que ces longueurs d'onde sont gênantes, et de laisser passer librement les longueurs d'onde préférées vers la photocathode; cette couche petit avoir une épaisseur variable, telle que l'absorption optique au centre soit plus grande que l'absorption sur les bords. L'absorption plus grande est due au trajet optique plus grand à travers cette couche intermédiaire pour les rayons lumineux issus du scintillateur. Pour obtenir cet effet, une épaisseur variant de 10 à 20 microns est donnée pour la couche intermédiaire.
On a trouvé selon l'invention qu'on pouvait améliorer beaucoup plus facilement la courbe de brillance du tube intensificateur sans jouer sur l'épaisseur du scintillateur et sans rajouter une couche optiquement absorbante, et en utilisant plutôt certaines propriétés très particulières de la fine sous couche transparente placée sous la photocathode.
On propose selon l'invention de déposer sous la photocathode (pour un tube IIR : entre le scintillateur et la photocathode) une couche intercalaire mince d'épaisseur radialement variable, réalisée en un matériau dont la présence à cet endroit provoque une modification des propriétés émissives de la photocathode dans une mesure liée à l'épaisseur de ce matériau.
L'invention part en fait de l'observation suivante faite par le Déposant : la photocathode est réalisée en un matériau chimiquement assez instable qui va réagir avec la sous couche sur laquelle il est déposé; cette réaction va modifier les propriétés émissives de la photocathode, et ceci dans une mesure liée à l'épaisseur de la sous couche dans le cas ou cette épaisseur est très mince, c'est-à-dire dans le cas où elle n'excède pas quelques centaines de nanomètres.
On s'est donc aperçu que l'interposition d'une couche intermédiaire très mince, même transparente, entre le scintillateur et la photocathode pouvait avoir des conséquences directes sur la brillance, et cela en relation étroite avec l'épaisseur de cette couche intermédiaire. Cet effet ne résulte pas d'un phénomène d'absorbtion optique mais d'un phénomène de désactivation chimique partielle de la photocathode, d'autant plus importante que l'épaisseur de la sons couche est importante si on reste dans des gammes d'épaisseur de l'ordre de quelques centaines de nanomètres.
L'invention propose donc de placer sous la photocathode une couche intermédiaire très mince d'épaisseur variable radialement. Cette couche est de préférence transparente; elle est de préférence conductrice; son épaisseur est de préférence inférieure à quelques centaines d'angströms; elle est de préférence en oxyde d'indium.
Cela est possible avec les photocathodes couramment utilisées, à l'antimoniure de potassium dopé au césium. Ces photocathodes sont très réactives, notamment pendant leur dépôt à cause de la température élevée qui règne dans l'enceinte de dépôt. Elles sont fortement réductrices et réagissent fortement avec des substances plutôt oxydantes.
Par exemple, si on interpose entre la couche scintillatrice et la photocathode une couche d'oxyde d'indium In₂O₃ qui a la propriété d'être à la fois conductrice et transparente et qui est donc parfois utilisée comme sous-couche conductrice avant dépôt de la photocathode, on a trouvé selon l'invention que la brillance finale du tube intensificateur dépendait fortement de l'épaisseur de la couche d'oxyde d'indium. La dépendance est beaucoup plus forte que celle qui résulte des simples propriétés d'absorbtion optique (négligeables) de cette couche. C'est pourquoi il est particulièrement avantageux de donner une épaisseur variable radialement à cette couche pour modifier à volonté la courbe de brillance. Cette variation de brillance vient très probablement d'une réaction chimique entre l'oxyde d'indium et l'antimoniure alcalin de la photocathode ; cette réaction tend à décomposer une quantité d'antimoniure qui est liée à la quantité d'oxyde d'indium donc à l'épaisseur de la couche d'oxyde d'indium. Cette réaction chimique intervient pendant la phase de dépôt de la photocathode.
Là encore on mettra une épaisseur de couche intercalaire plus grande au centre, pour réduire au centre le rendement de la photocathode. L'ordre de grandeur des épaisseurs est de préférence le suivant : environ 250 angströms sur les bords et 400 angströms au centre.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

la figure 1 représente une courbe de brillance d'un tube IIR de l'art antérieur;
la figure 2 représente la structure générale d'un tube IIR de l'art antérieur;
la figure 3 représente la structure des couches de l'écran d'entrée selon l'invention.
la figure 4 représente une courbe de brillance compensée selon l'invention.

A la figure 1 on a représenté une courbe de brillance classique de tube intensificateur d'image, relevée selon un diamètre de l'écran de sortie : elle représente la brillance d'une ligne de points de l'image visible sur l'écran de sortie en fonction de la distance de ces points par rapport au centre de l'écran, en supposant uniforme l'éclairement de l'écran d'entrée. Pour un tube IIR, l'éclairement est un faisceau uniforme de rayons X.
En abscisse on a donc porté la distance radiale par rapport au centre, et en ordonnée la brillance de l'image visible de sortie. On voit que la courbe de brillance n'est pas du tout une ligne droite horizontale ou presque comme cela pourrait être théoriquement souhaitable; c'est plutôt une sorte d'arc de cercle aplati vers le centre. La différence de brillance entre le centre et les bords va de 25% à 35% selon les types de tubes et selon leur diamètre. En réalité, une certaine différence de brillance peut être souhaitable, mais pas aussi élevée que cela.
La structure générale d'un intensificateur d'image radiologique classique est représentée à la figure 2. L'enceinte du tube à vide renferme à l'avant un écran d'entrée EE et à l'arrière un écran de sortie ES. Des électrodes de focalisation de faisceau électronique sont prévues dans l'enceinte.
L'écran d'entrée est le plus souvent bombé en forme parabolique ou hyperbolique, avec une forte courbure, pour des raisons d'optique électronique, c'est-à-dire pour rendre possible une focalisation homogène des électrons sur l'écran de sortie. Cette courbure est une des causes de la forme du profil de brillance du tube.
L'écran d'entrée EE est le plus souvent constitué par une tôle d'aluminium bombée 10, sur laquelle on a déposé une couche scintillatrice 12 (iodure de césium, plusieurs centaines de micromètres d'épaisseur) elle-même recouverte d'une électrode conductrice transparente 14 (le plus souvent en oxyde d'indium In₂O₃) puis d'une photocathode 16 (par exemple en antimoniure de potassium et césium).
L'électrode conductrice transparente (14) est destinée à fixer uniformément le potentiel de la photocathode.
Selon l'invention, on propose qu'une couche intercalaire entre la couche scintillatrice et la photocathode (et cette couche peut être l'électrode conductrice transparente 14 elle même) soit déposée avec une épaisseur radialement variable du centre vers les bords, cette couche intercalaire étant choisie dans un matériau qui modifie les propriétés émissives de la photocathode en fonction de l'épaisseur déposée.
La structure d'écran qui met en oeuvre de la manière la plus simple l'invention est représentée à la figure 3 : la couche intercalaire est tout simplement la couche d'oxyde d'indium 14 servant d'électrode conductrice transparente sous la photocathode. Comme on le voit sur la figure 3, l'épaisseur varie radialement. Elle est plus grande (épaisseur e1) au centre de l'écran que sur les bords (épaisseur e2) , car il s'avère qu'une augmentation d'épaisseur de la couche 14 provoque une réduction de la brillance. On compense donc la trop grande courbure du profil de brillance de la figure 1. La variation d'épaisseur est en pratique continue du centre vers les bords.
Le dépôt avec épaisseur variable est réalisé d'une manière connue par évaporation en présence d'un masque qui tourne devant la surface à recouvrir, la forme du masque étant définie en fonction du profil d'épaisseur à obtenir. Les épaisseurs sont de quelques centaines d'angströms.
On a trouvé qu'une épaisseur variant entre 400 angströms environ (au centre de l'écran) et 250 angströms environ (sur les bords) était tout à fait appropriée. Il est intéressant de remarquer que la variation d'absorbtion optique due à cette variation d'épaisseur est tout-à-fait négligeable. Et pourtant la brillance de l'écran est compensée dans la mesure désirée (on peut facilement passer d'une différence de 25 % à une différence de 10% par exemple entre le centre et les bords). Il semble donc que ce soit surtout par diminution de l'émissivité de la photocathode que la couche d'oxyde d'indium agit. Et l'action dépend fortement de l'épaisseur d'oxyde d'indium.
Le choix d'autres matériaux que l'oxyde d'indium stoechiométrique In₂O₃ est possible. De l'oxyde d'indium partiellement réduit In_xO_y, en épaisseur de l'ordre de quelques centaines d'angströms peut convenir également. La variation d'épaisseur peut être du même ordre de grandeur que pour l'oxyde d'indium stoechiométrique.
Dans le cas d'un intensificateur d'image visible et non radiologique, il n'y a pas de scintillateur et le matériau tel que l'oxyde d'indium, dont l'épaisseur agit sur la brillance finale, est déposé sur un substrat avant le dépôt de la photocathode.

Claims

Tube intensificateur d'image comportant un écran d'entrée et un écran de sortie fournissant une image visible, l'écran d'entrée supportant une couche de photocathode (12) avec une couche intercalaire mince (14) disposée sous la photocathode, caractérisé en ce que la couche intercalaire mince a une épaisseur radialement variable, et est réalisée en un matériau dont la présence à cet endroit provoque une modification des propriétés émissives de la photocathode dans une mesure liée à l'épaisseur de ce matériau.
Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau est un matériau transparent.
Tube selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau est un oxyde métallique et notamment un oxyde d'indium stoechiométrique In₂O₃ ou un oxyde d'indium partiellement réduit In_xO_y, en épaisseur de l'ordre de quelques centaines d'angströms.
Tube selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est intensificateur d'image radiologique, l'écran d'entrée portant une couche scintillatrice (12) et la couche intercalaire mince (14) étant disposée entre la couche scintillatrice (12) et la couche de photocathode (16).