EP0576692B1 - Bildverstärker mit Bildsensor - Google Patents

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EP0576692B1
EP0576692B1 EP92110505A EP92110505A EP0576692B1 EP 0576692 B1 EP0576692 B1 EP 0576692B1 EP 92110505 A EP92110505 A EP 92110505A EP 92110505 A EP92110505 A EP 92110505A EP 0576692 B1 EP0576692 B1 EP 0576692B1
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EP
European Patent Office
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image
protective layer
image intensifier
layer
image sensor
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP92110505A
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English (en)
French (fr)
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EP0576692A1 (de
Inventor
Detlef Dr. Dipl.-Phys. Mattern
Hartmut Dipl.-Ing. Sklebitz (Fh)
Arnulf Dr. Rer.Nat. Oppelt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J31/00—Cathode ray tubes; Electron beam tubes
    • H01J31/08—Cathode ray tubes; Electron beam tubes having a screen on or from which an image or pattern is formed, picked up, converted, or stored
    • H01J31/50—Image-conversion or image-amplification tubes, i.e. having optical, X-ray, or analogous input, and optical output
    • H01J31/501—Image-conversion or image-amplification tubes, i.e. having optical, X-ray, or analogous input, and optical output with an electrostatic electron optic system
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2231/00—Cathode ray tubes or electron beam tubes
    • H01J2231/50—Imaging and conversion tubes
    • H01J2231/50005—Imaging and conversion tubes characterised by form of illumination
    • H01J2231/5001—Photons
    • H01J2231/50031—High energy photons
    • H01J2231/50036—X-rays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2231/00—Cathode ray tubes or electron beam tubes
    • H01J2231/50—Imaging and conversion tubes
    • H01J2231/50057—Imaging and conversion tubes characterised by form of output stage
    • H01J2231/50068—Electrical
    • H01J2231/50073—Charge coupled device [CCD]

Definitions

  • the invention relates to an image intensifier with a vacuum housing, an input luminescent screen, an electron optics and an image sensor mounted on the opposite side of the vacuum housing inside the luminescent screen.
  • Such an image intensifier is described in EP-A-0 083 240, which is used in medical diagnostics for examination with X-rays.
  • the X-ray image intensifier provides two-dimensional fluoroscopy images in the form of video images.
  • the X-ray quanta are absorbed in a scintillator of the entrance fluorescent screen and converted into light.
  • the emitted light quanta release electrons in a photocathode of the entrance fluorescent screen.
  • These electrons are accelerated in the electrical field of the electron optics and focused on an image sensor, which converts the electron image into a video image and delivers corresponding video signals.
  • Such an X-ray image intensifier directly gives electrical image signals for further processing in a digital image system or for video image display.
  • Image sensors as solid-state image recorders are usually based on the charge shift principle (CCD) and, in their usual design, are suitable for the detection of photons in the visible range.
  • Back-thinned CCDs can be used for the detection of electrons.
  • Electron irradiation of a CCD from the front would also affect the extremely thin insulating layer, which may consist of SiO2, for example, and the conductive displacement structures (gates) of the semiconductor substrate separates.
  • the requirements for this insulating layer are very high due to the high field strengths. Irradiations with charged particles, for example electrons, lead to the formation of quasi-solid ions and thus to the formation of intermediate states (F centers) in the band gap of SiO2. These traps lead to increased dark current and a deterioration in charge transfer efficiency. The charging effects also lead to a change in the shift potential at the gates.
  • the invention is based on the object of providing image intensifiers with image sensors of the type mentioned at the outset, in which the image sensors are protected from the impinging electrons so that they can be used without problems.
  • the image sensor is an optical CCD converter which is provided with a luminescent layer on the side facing the input luminescent screen and that a transparent protective layer is arranged between the CCD converter and the luminescent layer, which slows down impinging electrons.
  • This protective layer ensures that the electrons are braked in such a way that they no longer reach the image sensor.
  • the protective layer should have sufficient electrical conductivity so that the formation of F centers does not occur.
  • the protective layer consists of a material with a high specific weight, for example an indium-tin-oxide compound or lead glass.
  • the x-ray image intensifier with a vacuum housing 1.
  • the x-ray image intensifier On the side facing the x-rays 2, the x-ray image intensifier has an input luminescent screen 3 in the interior of the vacuum housing 1 which contains a luminescent layer applied to a photocathode.
  • the electrons 4 emanating from the photocathode are accelerated and focused on an image sensor 6 by electron optics 5.
  • This image sensor 6 converts the incident electrons 4 into an electrical signal, which is further processed as a video signal and displayed on a monitor.
  • FIG. 2 shows the cross section through the image sensor 6 according to the invention, which may have a CCD converter 7 to 10.
  • a CCD converter 7 to 10 On a substrate 7, an epitaxial layer 8 for charge collection and transport of the electrons is applied, which is covered by an SiO2 insulation layer 9.
  • SiO2 insulation layer 9 On the SiO2 insulation layer 9 there are the gate structures 10.
  • a protective layer 11 according to the invention is arranged, which may consist of indium tin oxide (ITO), for example.
  • ITO indium tin oxide
  • An electron-permeable layer is on the phosphor layer 12
  • An electrical insulation layer 14 can be provided between the protective layer 11 and the gate structures 10, in order to prevent interference from the electrically conductive protective layer 11.
  • the electrons 4 strike the image sensor 6, penetrate the aluminum layer 13 and penetrate into the phosphor layer 12, generating photons 15 which can penetrate the transparent protective layer 11, are detected in the image sensor 6 and can be read out as charges.
  • the transparent protective layer instead of the ITO protective layer, however, a layer of lead glass or amorphous silicon (aSi) can also be used, for example. It is essential that the transparent protective layer should have a high specific weight in order to be able to keep the optically effective thickness as small as possible, so that complete electron absorption is ensured regardless of the luminescent layer to be used.
  • aSi amorphous silicon

Landscapes

  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Image-Pickup Tubes, Image-Amplification Tubes, And Storage Tubes (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Bildverstärker mit einem Vakuumgehäuse, einem Eingangsleuchtschirm, einer Elektronenoptik und einem auf der dem Eingangsleuchtschirm gegenüberliegenden Seite des Vakuumgehäuse innerhalb desselben angebrachten Bildsensor.
  • In der EP-A-0 083 240 ist ein derartiger Bildverstärker beschrieben, der in der medizinischen Diagnostik zur Untersuchung mit Röntgenstrahlen dient. Der Röntgenbildverstärker liefert zweidimensionale Durchleuchtungsaufnahmen in Form von Videobildern. Die Röntgenquanten werden in einem Szintillator des Eingangsleuchtschirmes absorbiert und in Licht umgesetzt. Die emittierten Lichtquanten setzen in einer Photokathode des Eingangsleuchtschirmes Elektronen frei. Diese Elektronen werden in dem elektrischen Feld der Elektronenoptik beschleunigt und auf einen Bildsensor fokussiert, welcher das Elektronenbild in ein Videobild umwandelt und entsprechende Videosignale liefert. Durch einen derartigen Röntgenbildverstärker erhält man direkt elektrische Bildsignale zur Weiterverarbeitung in einem digitalen Bildsystem oder zur Videobilddarstellung. Bildsensoren als Festkörperbildaufnehmer basieren üblicherweise auf dem Ladungsverschiebungsprinzip (CCD) und sind in ihrer üblichen Ausführung für den Nachweis von Photonen im sichtbaren Bereich geeignet. Für die Detektion von Elektronen lassen sich rückseitengedünnte CCDs verwenden.
  • Elektronen hinterlassen im Gegensatz zu Photonen entlang ihres gesamten Weges durch die Materie Wirkungen. Bei der Elektronenbestrahlung eines CCDs von der Frontseite würde auch die extrem dünne isolierende Schicht betroffenen sein, die beispielsweise aus SiO₂ bestehen kann, und die leitfähigen Verschiebestrukturen (Gates) vom Halbleitersubstrat trennt. Die Anforderungen an diese isolierende Schicht sind aufgrund der hohen Feldstärken sehr hoch. Bestrahlungen mit geladenen Teilchen, beispielsweise Elektronen, führen zur Bildung quasiortsfester Ionen und damit zur Bildung von Zwischenzuständen (F-Zentren) in der Bandlücke des SiO₂. Diese Traps führen zu erhöhtem Dunkelstrom und einer Verschlechterung der Ladungs-Transfer-Effizienz. Die Aufladungseffekte führen außerdem zu einer Veränderung des Verschiebepotential an den Gates.
  • Bei rückseitengedünnten CCDs ist das Substrat, auf dem die aktiven Schichten in einem Epitaxialverfahren aufgebracht sind, durch einen komplizierten teuren Prozeß praktisch vollständig entfernt. Dafür ist es möglich, derartige CCDs mit kurzreichweitigen Partikelstrahlungen, beispielsweise Elektronen im keV-Bereich, von dieser Seite auftreffen und vollständig abbremsen zu lassen, ohne die isolierende Schicht in Mitleidenschaft zu ziehen. Derartige CCDs sind jedoch relativ teuer und weisen in der Qualität Streuungen auf.
  • Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, Bildverstärker mit Bildsensoren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen die Bildsensoren vor den auftreffenden Elektronen geschützt sind, so daß sie problemlos eingesetzt werden können.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Bildsensor ein optischer CCD-Wandler ist, der auf der dem Eingangsleuchtschirm zugewandten Seite mit einer Leuchtschicht versehen ist, und daß zwischen dem CCD-Wandler und der Leuchtschicht eine transparente Schutzschicht angeordnet ist, die eine Abbremsung von auftreffenden Elektronen bewirkt. Durch diese Schutzschicht wird erreicht, daß die Elektronen derart abgebremst werden, daß sie den Bildsensor nicht mehr erreichen. Außerdem sollte die Schutzschicht eine genügende elektrische Leitfähigkeit haben, damit die Bildung von F-Zentren unterbleibt.
  • Dabei hat es sich insbesondere für die Verringerung der Dicke vorteilhaft erwiesen, wenn die Schutzschicht aus einem Material mit hohem spezifischem Gewicht, beispielsweise aus einer Indium-Zinn-Oxid-Verbindung oder Bleiglas besteht.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1 einen Röntgenbildverstärker mit Bildsensor und
    • FIG 2 einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen CCD-Wandler.
  • In FIG 1 ist ein Röntgenbildverstärker mit einem Vakuumgehäuse 1 dargestellt. Auf der den Röntgenstrahlen 2 zugewandten Seite weist der Röntgenbildverstärker im Inneren des Vakuumgehäuses 1 einen Eingangsleuchtschirm 3 auf, der eine auf einer Photokathode aufgebrachte Leuchtschicht enthält. Die von der Photokathode ausgehenden Elektronen 4 werden durch eine Elektronenoptik 5 auf einen Bildsensor 6 beschleunigt und fokussiert. Dieser Bildsensor 6 wandelt die auftreffenden Elektronen 4 in ein elektrisches Signal um, das als Videosignal weiter verarbeitet und auf einem Monitor wiedergegeben wird.
  • In FIG 2 ist der Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Bildsensor 6 dargestellt, der einen CCD-Wandler 7 bis 10 aufweisen kann. Auf einem Substrat 7 ist eine Epitaxialschicht 8 zur Ladungssammlung und Transport der Elektronen aufgebracht, die von einer SiO₂-Isolationsschicht 9 überdeckt ist. Auf der SiO₂-Isolationsschicht 9 befinden sich die Gate-Strukturen 10. Zwischen den Gate-Strukturen 10 und der Leuchtstoffschicht 12 ist eine erfindungsgemäße Schutzschicht 11 angeordnet, die beispielsweise aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) bestehen kann. Auf die Leuchtstoffschicht 12 ist eine elektronendurchlässige Aluminiumschicht 13 aufgetragen, die das von der Leuchtstoffschicht 12 in den Röntgenbildverstärker emittierte Licht auf den CCD-Wandler 7 bis 10 reflektiert.
  • Zwischen der Schutzschicht 11 und den Gate-Strukturen 10 kann, um eine Beeinflussung durch die elektrisch leitende Schutzschicht 11 zu verhindern, eine elektrische Isolationsschicht 14 vorgesehen sein.
  • Auf den Bildsensor 6 fallen die Elektronen 4 auf, durchdringen die Aluminiumschicht 13 und dringen in die Leuchtstoffschicht 12 ein, wobei sie Photonen 15 erzeugen, die die transparente Schutzschicht 11 durchdringen können, in dem Bildsensor 6 detektiert werden und als Ladungen ausgelesen werden können. Die Elektronen 4 jedoch, die beispielsweise durch die körnige poröse Struktur der dünnen Leuchtstoffschicht 12 hindurchdringen können, werden von der Schutzschicht 11 zurückgehalten, so daß sie nicht auf den Bildsensor 6 fallen und dort Schaden anrichten können.
  • Anstelle der ITO-Schutzschicht läßt sich jedoch beispielsweise auch eine Schicht aus Bleiglas oder amorphem Silizium (aSi) einsetzen. Wesentlich ist, daß die transparente Schutzschicht ein hohes spezifisches Gewicht haben sollte, um die optisch wirksame Dicke möglichst klein halten zu können, damit die vollständige Elektronenabsorption unabhängig von der zu verwendenden Leuchtschicht gewährleistet ist.

Claims (7)

  1. Bildverstärker mit einem Vakuumgehäuse (1), einem Eingangsleuchtschirm (3), einer Elektronenoptik (5) und einem auf der dem Eingangsleuchtschirm (3) gegenüberliegenden Seite des Vakuumgehäuses (1) innerhalb desselben angebrachten Bildsensor (6 bis 10), dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor (6 bis 10) ein optischer CCD-Wandler ist, der auf der dem Eingangsleuchtschirm (3) zugewandten Seite mit einer Leuchtschicht (12) versehen ist, und daß zwischen dem CCD-Wandler (6 bis 10) und der Leuchtschicht (12) eine transparente Schutzschicht (11) angeordnet ist, die eine Abbremsung von auftreffenden Elektronen (4) bewirkt.
  2. Bildverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (11) eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, welche die Bildung von F-Zentren unterbindet.
  3. Bildverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schutzschicht (11) und dem Bildsensor (6 bis 10) eine Isolationsschicht (14) angebracht ist.
  4. Bildverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (11) aus einem Material mit hohem spezifischem Gewicht besteht.
  5. Bildverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (11) aus einer Indium-Zinn-Oxid-Verbindung besteht.
  6. Bildverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (11) aus Bleiglas besteht.
  7. Bildverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (11) amorphes Silizium (aSi) aufweist.
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