NL9000267A - Proximity roentgenbeeldversterkerbuis. - Google Patents

Description

Proximity röntgenbeeldversterkerbuis.

De uitvinding heeft betrekking op een röntgenbeeldversterkerbuis omvattende een te evacuêren omhulling met een ingangsvenster en een uitgangswanddeel, een ingangsscherm met een luminescentielaag en een fotokathode, een proximity electronen versterkend systeem en een uitgangsscherm voor detectie van een uit de fotokathode tredende electronenbundel.

Een dergelijke röntgenbeeldversterkerbuis is bekend uit US 4,447,721. Een aldaar beschreven buis bevat in een omhulling met een ingangsvenster en een uitgangsvenster, een ingangsscherm met een ingangsluminescentielaag en een fotokathode en een uitgangsscherm met een fosforlaag. Met een potentiaalverschil tussen de fotokathode en de fosforlaag wordt een foto-electronenbundel versterkt op het uitgangsscherm geprojecteerd. De versterking wordt hier gerealiseerd door electronenversnelling. Het ingangsscherm en het uitgangsscherm hebben in de beschreven proximity buis substantieel gelijke oppervlakken. Hoewel met een dergelijke röntgenbeeldversterkerbuis ten opzichte van een buis met een afbeeldende electronenoptiek een beduidende lengtewinst wordt geboekt, gaat deze goeddeels verloren doordat, bij niet direct visueel uitlezen, een voldoend efficiënt werkende optische overdracht van een uitgangsbeeld met een relatief groot oppervlak naar bijvoorbeeld een televisieopneembuis een relatief grote lengte vraagt.

Ook is anders dan voor direct visuele waarneming een verdere conversie van een lichtbeeld in een electronisch beeld noodzakelijk.

De uitvinding beoogt genoemde beperkingen op te heffen en daartoe heeft een in de aanhef genoemde röntgenbeeldversterkerbuis volgens de uitvinding tot kenmerk, dat het uitgangsscherm een geïntegreerde matrix detectie-elementen bevat voor omzetting van door foto-electronen gedragen signalen in plaatsgevoelig uitleesbare electrische signalen.

Doordat in een dergelijke röntgenbeeldversterkerbuis het uitgangsscherm electrisch uitleesbare beeldsignalen verschaft is voor verdere beeldoverdracht aan de uitleeszijde van de buis geen ruimte nodig en kan ook voor relatief grote uitgangsbeelden een kort detectiesysteem worden gerealiseerd.

Het ingangsscherm van een röntgenbeeldversterkerbuis is hier bijvoorbeeld van het bekende type. Door toepassing van een in US 3,825,763 en ÜS 4,842,894 beschreven gestructureerd scherm kan aan oplossend vermogen en stralingsefficiency worden gewonnen. Het electronen optisch systeem is bij voorkeur zo kort mogelijk en kan overeenkomstig de genoemde stand van de techniek met enkel een potentiaalverschil tussen het ingangsscherm en het uitgangsscherm worden gerealiseerd. Om versterkingsregeling in de buis eenvoudiger te maken kan gebruik gemaakt worden van een metaallaag met aangepaste dikte, aan te brengen op het uitgangsscherm. Hierdoor kan reeds bij een relatief geringe variatie in potentiaalverschil een beduidende helderheidsregeling worden gerealiseerd. Het functioneren van een dergelijke laag is beschreven in GB 1,392,356.

In plaats van electronenversterking door versnelling kan ook worden gewerkt met een electronenvermenigvuldigingssysteem, bijvoorbeeld in de vorm van een kanalenplaatversterker zoals beschreven in GB 1,064,073. Een voordeel daarvan is dat met aanzienlijk lagere potentiaalverschillen kan worden gewerkt waardoor de helderheid gemakkelijker kan worden gestuurd en de kans op ongewenste electrische ontladingen is gereduceerd. In uitvoeringsvormen met een uitgangsscherm met een relatief grote eigen versterking kan reeds daardoor met geringere potentiaalverschillen worden gewerkt waardoor genoemde voordelen ook zonder kanalenplaatversterkersystemen kan worden verkregen.

In een voorkeursuitvoering is het uitgangsscherm uitgerust met een fosforlaag waarin de foto-electronen worden omgezet in fotonen waarvoor fotodioden van de uitgangsmatrix gevoelig zijn. Bij voorkeur is de fosforlaag, eventueel onder toevoeging van een optisch transparante scheidingslaag, op de uitgangsmatrix aangebracht. De uitgangsmatrix is dan bij voorkeur in de omhulling opgenomen. Ook kan een uitgangsversterker van de omhulling als scheidingslaag fungeren. Een nadeel daarbij is dat de scheidingslaag dan tevens vacuumwand is en derhalve relatief dik moet zijn en aan storende vervorming onderhevig kan zijn. Om lichtspreiding in een uitgangsvenster te reduceren, kan dit als vezeloptiekplaat worden uitgevoerd.

In een verdere voorkeursuitvoering bevat de uitgangsmatrix een, bij voorkeur in een orthogonaal stelsel gerangschikte matrix fotodioden aan elk waarvan een schakelelement is toegevoegd, bijvoorbeeld in de vorm van elementen van een TFT-systeem. Signalen van individuele fotodioden of eventueel van foto-electronen detecterende dioden worden daarbij, voor externe uitlezing door transistoren in de TFT, doorgegeven aan drain-geleiders. Een beeld kan dan worden afgetast bijvoorbeeld door sequentiële pulstoevoer aan opvolgende gate-geleiders en bijvoorbeeld door middel van een schuifregister-uitlezing van elk van de gepulste elementen in de drain-geleiders.

In een verdere voorkeursuitvoering is een cylindervormig manteldeel van de omhulling door middel van een thermocompressieverbinding met een ingangsvenster en/of een uitgangswanddeel verbonden. Toepassing van thermocompressieverbindingen is in het bijzonder gunstig voor rechthoekige röntgenbeeldversterkerbuizen. Rechthoekige röntgenbeeldversterkerbuizen hebben beduidende voordelen omdat de beeldgeometrie daarvan is aangepast aan gebruikelijke beeldformaten van detectoren, monitoren etcetera. Aldus kan een meer directe relatie tussen een orthogonale uitgangsmatrix en een beeldweergave-inrichting worden gerealiseerd. Röntgenbeeldverstekerbuizen volgens de uitvinding kunnen door het ontbreken van een electronen optisch afbeeldingssysteem gemakkelijk rechthoekig worden uitgevoerd.

Een ingangsvenster van een buis volgens de uitvinding kan bestaan uit aluminium, titaan, glassy carbon, een laminaat zoals beschreven in OS 4,855,587 en dergelijke. Aluminium heeft een lage absorptie maar de beperkte sterkte daarvan kan noodzaken tot een relatief dik venster waardoor extra verstrooiing optreedt. Titaan is uiterst sterk waardoor strooiing kan worden geminimaliseerd. Met laminaten en glassy carbon kunnen genoemde voordelen in hoge mate worden gecombineerd.

Om onafhankelijk te zijn van een bepaalde maatvastheid van het ingangsvenster is het gunstig het ingangsschermmateriaal op een separate, in de omhulling te monteren, substraat aan te brengen. Een draagframe voor een dergelijk scherm is bijvoorbeeld met behulp van nokken met de buiswand verbonden. Tussen een, gebruikelijk uit aluminium bestaande drager voor het luminicentiescherm en een draagframe daarvoor kan een thermocompressieverbinding worden gevormd. Hierbij wordt in het bijzonder het om der wille van röntgentransmissie relatief dunne aluminiumsubstraat met de thermocompressieverbinding in het draagframe ingespannen. Het substraat wordt daartoe onder spanning om een hoek van het frame gevouwen en aldaar gehecht. Hierdoor zijn eventuele mechanische instabiliteiten zoals locaal doorbuigen van het substraat vermeden.

Met behulp van thermocompressieverbindingen kan het ingangsvenster, dat zoals reeds opgemerkt, uit aluminium, titaan, glassy carbon of een laminaat etcetera kan bestaan met een, bij voorkeur rechthoekige cylindermantel als zijwand van de buis zijn verbonden. Een duidelijk voordeel van thermocompressie is dat de verbinding over de gehele omtrek tegelijk wordt gevormd waardoor ongewenste vervorming is vermeden. Op overeenkomstige wijze kan het uitgangswanddeel met de cylindermantel worden verbonden. Deze verbinding functioneert gebruikelijk als afsluiting van de buis.

Bij alurainiumschermen, zoals voor het ingangsvenster en het substraat voor de luminicentielaag, is, met lood als intermediair, bij de thermocompressie een zo hoge temperatuur nodig dat rekristallisatie in het aluminium op kan treden waardoor het scherm minder sterk wordt. Dit is vooral van belang voor een venster dat als vacuumwand fungeert. Door als intermediair materiaal tin of een ander laag smeltend materiaal te gebruiken, kan met een beduidend lagere temperatuur voor thermocompressie worden volstaan waardoor de kans op genoemde rekristallisatie is vermeden. Door bij montage van een uitgangswanddeel gebruik te maken van een dergelijke lage temperatuur thermocompressieverbinding kan worden voorkomen dat reeds in de buis anagebracht antimoon voor de fotokathode zou verdampen. De buis montage kan aldus beduidend eenvoudiger worden.

Indien een van de te verbinden materialen geen metaal is maar bijvoorbeeld een glasachtig materiaal kan het probleem optreden dat tin voor lage temperatuur thermocompressie onvoldoende aan het glas hecht. Een oplossing hiervoor is het glasachtige materiaal ter plaatse van een verbindingsvlak eerst, bijvoorbeeld door opdampen of een CVD-proces, van een metaallaag te voorzien. Na eventuele bewerking van die metaallaag kan dan alsnog de thermocompressieverbinding worden gerealiseerd. Deze methode kan bijvoorbeeld worden toegepast als de cylindermantel uit glas bestaat, het ingangsvenster uit glassy carbon of uit een laminaat bestaat of het uitgangsvenster door een vezeloptiek plaat wordt gevormd.

Aan de hand van de tekening zullen in het navolgende enkele voorkeursuitvoeringen volgens de uitvinding nader worden beschreven. In de tekening toont figuur 1 een proximity buis volgens de uitvinding met een inwendige detectiematrix; figuur 2 een dergelijke buis met een uitwendige detectiematrix; figuur 3 een uitgangsdetectiematrix van een dergelijke buis; figuur 4 een schematisch schakelschema voor een element van een detectiematrix, en figuur 5 een proximity buis volgens de uitvinding met thermocompressieverbindingen.

Figuur 1 toont een proximity buis met een ingangsvenster 2 dat bijvoorbeeld uit aluminium, uit titaan, uit glassy carbon of uit een laminaat als beschreven in DS 4,855,587 kan bestaan en een uitgangswanddeel 4 dat hier de functie van vacuumafscheiding en eventueel van draagplaat heeft en dus een metalen plaat kan zijn. Bij oplossingen waarbij een fosforbeeld aan de buisbuitenzijde wordt uitgelezen heeft dit wanddeel de vorm van een optisch uittreevenster en is, bijvoorbeeld zoals in figuur 2 is aangegeven, een vezeloptiekvenster. Beide vensters worden samengevoegd door cylindervorming manteldeel 6 dat in tegenstelling tot bekende buizen niet een cirkelvormige maar bij voorkeur een rechthoekige of in het bijzonder een vierkante doorsnede heeft en bijvoorbeeld uit roestvrij staal bestaat. Met behulp van verbindingen 3 en 7 waar later nog op wordt teruggekomen, vormen het ingangsvenster 2 het uitgangswanddeel 4 en het manteldeel 6 een te evacuëren omhulling 8 met bijvoorbeeld een dikte afmeting van ten hoogste ongeveer 5 cm en een dwarsdoorsnede van bijvoorbeeld 40 cm x 40 cm. In de omhulling bevindt zich een ingangsscherm 10 met op een drager 12 een ingangsfosforscherm 14 en een fotokathode 16. De drager bestaat bijvoorbeeld uit aluminium en de fosforlaag zoals bij bekende röntgenbeeldversterkerbuizen uit CsJ.

Op een afstand van bijvoorbeeld ongeveer 0,5 a 1 cm van de fotokathode 16 bevindt zich een uitgangsscherm 18 met een fosforlaag 19, een geïntegreerde matrix detectie-elementen 20. De fosforlaag 19 is hier, eventueel onder tussenvoeging van een niet aangegeven optisch transparante scheidingslaag direct op de matrix 20 aangebracht. De matrix 20 bevindt zich hier in de omhulling en kan via doorvoeringen 22 bijvoorbeeld in x-y coördinaten, plaatsgevoelig worden uitgelezen. In tegenstelling hiermede toont een in figuur 2 aangegeven uitvoeringsvorm een hier op een vezeloptisch venster 24 aangebrachte fosforlaag 19, een lichtbeeld waarvan wordt uitgelezen door middel van een matrix 20 die aan een buitenzijde van het venster is gemonteerd. In beide geschetste huistypen kan tussen het ingangsscherm en het uitgangsscherm een afschermelectrode 26 of een gaaselectrode, bijvoorbeeld in de vorm van een gaas of een schaduwmaskerscherm dat zich over het gehele schermoppervlak uitstrekt zijn opgenomen. Het electronen optisch systeem kan ook worden gevormd door een kanalenplaatvermenigvuldiger aangebracht tussen het ingangsscherm en het uitgangsscherm. Een voordeel van een kanalenplaatversterker is dat ook voor relatief grote versterkingen met relatief lage potentiaalverschillen gewerkt kan worden waardoor de buis minder doorslaggevoelig is. Ook kan in een dergelijke buis door variatie van het potentiaalverschil tussen de ingang en de uitgang van de kanalenplaat, zonder dat daarbij beeldverstoring optreedt, helderheidssturing worden toegepast.

Een detectiematrix 20 bevat bij voorkeur in een orthogonale structuur gerangschikt een aantal van bijvoorbeeld ongeveer 2000 x 2000 beeldelementen of pixels met elk bijvoorbeeld een afmeting van 0,2 mm x 0,2 mm en een evenzogroot aantal fotodioden 30 aan elk waarvan een uitleesschakeling 32 is toegevoerd. De matrix is aldus opgebouwd met drain-lijnen 34, en gate-lijnen 36 waardoor in een x-y opbouw elke diode afzonderlijk beïnvloedbaar is. De gate-lijnen, dat zijn verbindingen met een gate-electode 38 van bijvoorbeeld een thin-film-transistor als aangegeven in figuur 4, zijn verbonden met een multiplexlijn 39 en de drain-lijnen zijn verbonden met een geïntegreerde uitleeslijn 41.

Van de transistor 32 is, zoals in figuur 4 aangegeven een source-electrode 44 aangesloten aan een fotogevoelig element of fotodiode 30 waarvan hier een voedingselectrode 46 een gelijkrichtdiode element 48 en een capaciteit 50 zijn aangegeven. De fotodiode 30 wordt hier geactiveerd door een van een uitgangsscherm 20 afkomstige bundel fotonen 52 die daaruit, door een bundel foto-electronen 54 uit de fotokathode zijn vrijgemaakt. Van een uitleeselement 60, bij voorkeur geïntegreerd in een thin-film-transistor unit zijn in figuur 4 een versterker 61, overbrugd met een capaciteit 62 en een weerstand 64, en een uitgangsklem 68 aangegeven. De dioden 30 kunnen ook als fotoelectronen detecterende elementen zijn uitgevoerd.

Figuur 5 toont schematisch een meer constructieve weergave van een röntgenbeeldversterkerbuis volgens de uitvinding met weer een ingangsvenster 2, een uitgangswanddeel 4, een mantel 6, een ingangsscherm 10 en een uitgangsscherm 19. Tussen het ingangsvenster en de mantel bevindt zich een thermocompressieverbinding 3 en tussen het uitgangswanddeel 4 en de mantel 6 een thermocompressieverbinding 7. De laatste verbinding dient bijvoorbeeld tevens als afsluitverbinding voor de buis. Dergelijke verbindingen zijn in het bijzonder gunstig voor rechthoekige buizen waar verbindingstechnieken als argonarc lassen vooral door locale verhitting en thermische nawerking daarvan tot ontoelaatbare vormveranderingen aanleiding kunnen geven. Overeenkomstige problemen, veelal nog versterkt, treden op bij het vormen van glasmetaalverbindingen bijvoorbeeld nodig voor een uitvoeringsvorm met, als geschetst, een glazen, in het bijzonder een vezeloptisch uitgangsvenster. Thermocompressie kan door gebruik van een aangepast intermediair materiaal bij relatief lage temperaturen worden uitgevoerd en de gehele verbinding wordt over de gehele omtrek tegelijkertijd gerealiseerd waardoor het optreden van vormveranderingen is vermeden. Op overeenkomstige wijze is hier een drager 12 van een ingangsscherm met behulp van een thermocompressieverbinding 9 verbonden met een draagframe 70 waarmede het uitgangsscherm goed gelocaliseerd bijvoorbeeld via een nokkenverbinding in de mantel van de buisbehuizing kan worden gemonteerd. Omdat het uitgangsscherm hier deel vormt van een proximity buis is het gewenst dat het ingangsscherm en dus ook het substraat 12 daarvoor goed vlak is. Voor een goede röntgentransmissie is het gewenst dat het substraat zo dun mogelijk is. Beide eisen kunnen gemakkelijk resulteren in onvlakheid en vorminstabiliteit van het ingangsscherm. Door het substraat op te spannen in het frame met zoals reeds genoemd de thermocompressieverbinding 9 over de gehele omtrek, is een optimale vlakheid en een goede vormstabiliteit gewaarborgd. Het substraat is daartoe onder trekkracht om een hoek 73 van een buisvormig uitgevoerd draagframe 70 getrokken en ter plaatse van een cylinderomtrek 75 van het draagframe is rondom een thermocompressieverbinding gerealiseerd. Op een aldus gevormde combinatie van substraat en draagframe kan het ingangsscherm 10 worden aangebracht waarna het geheel in een aan de uitgangszijde nog open omhulling kan worden gemonteerd.

Thermocompressieverbindingen tussen bijvoorbeeld aluminium van het ingangsvenster of het ingangsschermsubstraat en een drager uit chroomnikkelstaal worden onder gebruik van lood gerealiseerd bij een temperatuur van ongeveer 300°C. Een dergelijke hoge temperatuur kan een ongunstige invloed hebben op de sterkte van het aluminium. Voor het ingangsvenster is dat vooral nadelig omdat dit als vacuumwand moet fungeren en voor het substraat omdat daardoor locale vormveranderingen op kunnen treden. Bij de thermocompressie met aluminium wordt gebruik gemaakt van een intermediar met een relatief lage smelttemperatuur zoals tin waardoor de temperatuur bij het realiseren van de verbinding lager kan zijn. Het aluminium behoudt dan tijdens het vormen van de verbinding een zogenaamde halfharde eigenschap. Bij thermocompressieverbindingen tussen glassy carbon of andere materialen waaraan tin zich slecht hecht, wordt ter plaatse van een te vormen verbinding van deze materialen eerst een afdeklaag aangebracht. Een dergelijke laag kan worden aangebracht door opdampen, opsputteren of met een CVD-techniek. Tussen een dergelijke eventueel nog nabewerkte tussenlaag en een verder onderdeel kan dan onder tussenvoeging van tin toch bij relatief lage temperatuur een sterk en vacuumdichte verbinding tot stand worden gebracht.

De thermocompressieverbinding 7 tussen een uitgangswanddeel 4 en de mantel 6 behoeft veelal niet zo zeer om der wille van de te hechten materialen bij relatief lage temperatuur worden uitgevoerd. Het is evenwel uiterst gunstig die methode ook daarvoor te gebruiken omdat dan voor het tot stand brengen van de verbinding antimoon voor activering van de fotokathode kan worden aangebracht en geen gevaar bestaat voor verdamping daarvan bij het vormen van de afsluitende verbinding 7.

Claims (15)

1. Röntgenbeeldversterker omvattende, een te evacuëren omhulling met een ingangsvenster en een uitgangswanddeel, een ingangsscherm met een luminescentielaag en een fotokathode, een proximity electronen versterkend systeem en een uitgangsscherm voor detectie van een uit de fotocathode tredende electronenbundel, met het kenmerk, dat het uitgangsscherm een geïntegreerde matrix detectie-elementen bevat voor omzetting van door foto-electronen gedragen beeldsignalen in plaatsafhankelijk uitleesbare electrische signalen.

2. Röntgenbeeldversterkerbuis volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de matrix detectie elementen in de omhulling is opgenomen.

3. Röntgenbeeldversterkerbuis volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de matrix detectie elementen voor uitlezing met, de buiswand doorborende matrix-uitleesaansluitingen is uitgerust.

4. Röntgenbeeldversterkerbuis volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat tussen de fotokathode en de matrix detectie elementen een fosforlaag is opgenomen en de detectie elementen als foto-dioden zijn uitgevoerd.

5. Röntgenbeelversterkerbuis volgens conclusie 4 met het kenmerk, dat de matrix foto-dioden tegen een buitenzijde van een lichtdoorlatend uitgangsvenster van de buis is geplaatst.

6. Röntgenbeeldversterkerbuis volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het uitgangsvenster wordt gevormd door een vezeloptiekplaat.

7. Röntgenbeeldversterkerbuis volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de matrix detectie elementen een orthogonale matrix fotodioden bevat.

8. Röntgenbeeldversterkerbuis volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de lichtdetector is uitgerust met een combinatie van een diode matrix en een in een TFT geïntegreerde matrix uitleesschakelelementen.

9. Röntgenbeeldversterkerbuis volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de buis rechthoekig is uitgevoerd.

10. Röntgenbeeldversterkerbuis volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de buisomhulling een mantel, een ingangsplaat en een uitgangsplaat bevat en de ingangsplaat en/of de uitgangsplaat door middel van een thermocompressieverbinding met de mantel is verbonden.

11. Röntgenbeeldversterkerbuis volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat bij een de buis afsluitende thermocompressieverbinding een laag smeltend materiaal zoals tin als intermediair is gebruikt.

12. Röntgenbeeldversterkerbuis volgens één der conclusies 1 tot en met 10 met het kenmerk, dat een niet metalen ingangsvenster of uitgangsvenster voor het tot stand brengen van een thermocompressieverbinding van een hechtende metaallaag is voorzien.

13. Röntgenbeeldversterkerbuis volgens conclusie11,met het kenmerk, dat een de buis afsluitende thermocompressieverbinding zich tussen een uitgangswanddeel en een manteldeel bevindt.

14. Röntgenbeeldversterkerbuis volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de ingangsfosforlaag met de fotokathode is aangebracht op een vlak substraat dat aan een montage frame is gehecht.

15. Röntgenbeeldversterkerbuis volgens conclusie14, met het kenmerk, dat het substraat uit aluminium bestaat en onder voorspanning door een thermocompressieverbinding met het frame is verbonden.