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Schiren für Röntgenstrahldurchleuchtung mit einer für Röntgenstrahlen
empfindlichen, sichtbares Licht emittierenden Schicht und einer dieses sichtbare
Licht verstärkenden Zelle Die Erfindung bezieht sich auf Schirme für Röntgenstrahldurchleuchtung
und insbesondere auf solche, die verstärkte sichtbare Bilder erzeugen, wenn sie
durch Röntgenstrahlen angeregt werden.
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Wenn die von den Röntgenstrahlen erzeugten Durchleuchtungsbilder vom
menschlichen Auge und nicht von einer photographischen Platte aufgenommen werden,
wie es bei das Durchleuchtungsbild aufnehmenden Schirmen geschieht, ist das Bedürfnis
nach einer Helligkeitsverstärkung der Bilder auf diesen Schirmen besonders groß.
Dieses Bedürfnis ist teilweise eine Folge der Mängel des menschlichen Auges im Vergleich
mit einer photographischen Platte. Einige derartige Mängel sind der viel kleinere
Gesichtswinkel und die geringe Dunkeladaption des menschlichen Auges.
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Aus diesem Grund sind verschiedene Bildverstärkerschirme für Röntgenstrahldurchleuchtung
geschaffen worden. Es ist ein solcher Schirm bekannt, der eine Vakuumkammer enthält,
in der ein starkes elektrisches Feld aufrechterhalten wird. Von den einfallenden
Röntgenstrahlen werden Photoelektronen an einer Metallschicht ausgelöst, die, infolge
des starken Feldes beschleunigt, mit hoher Geschwindigkeit auf einem sichtbares
Licht aussendenden Leuchtschirm aufprallen und auf diese Weise ein gut sichtbares
Sekundärbild erzeugen. Die Aufrechterhaltung des Vakuums und des starken elektrischen
Feldes ist mit einem erheblichen Aufwand an Apparaturen verbunden.
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Es ist auch ein Bildverstärker bekannt, der aus mehreren unmittelbar
aufeinanderliegenden Festkörperschichten besteht. Folgende Schichten lagern bei
diesem Verstärker aufeinander: 1. eine äußere Glasschicht, 2. eine lichtdurchlässige,
elektrisch leitende Schicht, 3. eine Schicht, die Elektrolumineszenz zeigt.
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4. eine Photoleiterschicht, 5. wieder eine lichtdurchlässige leitende
Schicht und 6. eine äußere Glasschicht.
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Es ist jedoch fraglich, inwieweit ein derartiger Verstärker zur Verstärkung
von sichtbaren Röntgenbildern benutzt werden kann, die beim Auftreffen von Röntgenstrahlen
auf einer geeigneten Substanz entstehen. Im Hinblick auf den angegebenen Aufbau
ist er offenbar wegen der mangelnden Auflösung für eine Verwendung- bei Röntgenstrahlen
ungeeignet.
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Den Ausgangspunkt der Erfindung bildet daher ein Bildverstärkerschirm
für Röntgenstrahldurchleuchtung, der aus einer für Röntgenstrahlen empfindlichen
Schicht, die bei Anregung von Röntgenstrahlen sichtbares Licht emittiert, und aus
einer dieses sichtbare Licht verstärkenden, auf dieses mit höchster Empfindlichkeit
ansprechenden, an Spannung liegenden Zelle besteht. Gemäß der Erfindung besteht
diese Zelle aus zwei Elektroden, -zwischen denen ein lichtempfindlicher, elektrolumineszierender
Stoff so untergebracht ist, daß er das Licht aufnehmen kann, welches von der für
Röntgenstrahlen empfindlichen Schicht emittiert wird.
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Der lichtempfindliche, elektrolumineszierende Stoff und das Material
der für Röntgenstrahlen empfindlichen Schicht sind so gewählt, daß die maximale
Emission an sichtbarem Licht der für Röntgenstrahlen empfindlichen Schicht im wesentlichen
der maximalen spektralen Empfindlichkeit des elektrolumineszierenden Stoffes entspricht,
der als lichtverstärkende Schicht ausgebildet ist. Ein Einfall von Röntgenstrahlen
auf die röntgenstrahlempfindliche Schicht bewirkt, daß diese kurzwelliges sichtbares
Licht aussendet. Das kurzwellige sichtbare Licht ist auf die das Licht verstärkende
Leuchtstoffschicht gerichtet, welche insbesondere für diese Wellenlänge empfindlich
ist, und bewirkt die Erzeugung von Erregerelektronen, deren Zahl in der Leuchtstoffschicht
durch die Auslösung einer Elektronenlawine infolge eines aufgedrückten elektrischen
Feldes vergrößert
wird. Die aus der Elektronenlawine risultier:nden
Elektronen erregen im weiter°n Verlauf Lumineszenzzentren in der das Licht verstärkenden
Leuchtstoffschicht. Infolge der Vervielfachung der Erregerelektronen in dem das
Licht verstärkenden Leuchtstoff durch die Anwesenheit des aufgedrückten elektrischen
Feldes ist die gesamte Strahlungsenergie des von dem zusammengesetzten Fluorenszenzschirm
ausgesandten sichtbaren Lichtes wesentlich größer als die Strahlungsenergie der
einfallenden Röntgenstrahlung. Auf diese `'eise wird tatsächlich eine Verstärkung
der Strahlung erzielt.
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Die beschriebene Bildverstärkerzelle der Erfindung kann auch eine
photoleitende Schicht enthalten, die in Reihe mit einer elektrolumineszierenden
Schicht angeordnet ist: an diese beiden Schichten wird dann ein elektrisches Gleich-
oder Wechselfeld angelegt.
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Die als neu angesehenen Kennzeichen der vorliegenden Erfindung werden
an fIand der folgenden Beschreibung erläutert. welche auf die zugehörigen Zeichnungen
Bezug nimmt. Dabei ist Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
der Erfindung, Fig. 2 ein vertikaler Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 1.
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In Fig.l ist eine Röntgenstrahlduelle. beispielsweise eine Röntgenstrahlröhre
1, so angeordnet, daß sie Röntgenstrahlen 2 auf einen das Licht verstärkenden Leuchtschirm
3 fallen läßt, so daß ein Bild 2' darauf erscheint. Der Aufbau des Lichtverstärkerschirmes
für Röntgenstrahldurchleuchtung 3 wird in Fig. 2 in Einzelheiten dargestellt. Sie
zeigt die Ansicht eines vertikalen Querschnittes durch den Schirm 3. In Fig.2 enthält
der Leuchtschirm 3 eine Schicht aus für Röntgenstrahlen empfindlichem, sichtbares
Licht emittierendem Material 4 und eine Schicht aus einem für sichtbares Licht empfindlichen
und sichtbares Licht aussendenden Material 5, wobei die Schicht 5 zwischen transparenten
leitenden Schichten 6 und 7 untergebracht ist und unmittelbar an diesen anliegt.
Der aus vielen Schichten bestehende Aufbau ist auf einer transparenten Grundplatte
8 befestigt. Elektrischer Kontakt mit den transparenten leitenden Schichten 6 und
7 wird mittels der Kontaktklemmen 9 bzw. 10 erreicht. Eine elektrische Gleichspannung
wird von einer Gleichstromduelle her an die Kontakte 9 und 10 gelegt, welche ganz.
allgemein durch die Batterie 11 dargestellt ist.
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Das für Röntgenstrahlen empfindliche, sichtbares Licht emittierende
Material 4 kann irgendeines der :Materialien sein, die im Augenblick dafür bekannt
:sind, daß sie diese Eigenschaft besitzen und die bei Röntgenstrahldurchleuchtung
sowohl für Schirme zur direkten Betrachtung als auch solchen zur Bildregistrierung
verwendet werden. Einige dieser Materialien sind in dem USA.-Patent 2 129 296, W
u r s t 1 i i i, beschrieben. welches Calcium-'##@Tolframat (CaWo,) angibt, und
in dem USA.-Reissue-Patent 21 216, E g g e r t et a1, welches verschiedene Zinksulfide
(Zi S) angibt. Es ist selbstverständlich, daß, obwohl diese Stoffe als Beispiele
angegeben sind, für die Verwendung in Bildverstärkerschirmen für Röntgenstrahldurchleuchtung
irgendwelche andere bekannte. für Röntgenstrahlen empfindliche, sichtbares Licht
emittierende Phosphore, beispielsweise Cadmiumsulfid oder Zink-Cadmium-Sulfid, in
dieser Beziehung verwendet werden können. Es fällt insbesondere auch in den Bereich
der vorliegenden Erfindung, daß die für Röntgenstrahlen empfindliche, sichtbares
Licht emittierende Schicht 4 aus einem gemischten Sulfid von Zink und Cadmium besteht
und daß sie ein Wellenlängenspektrum abgibt, «-elches im Bereich der maximalen Empfindlichkeit
der für sichtbares Licht empfindlichen und sichtbares Licht emittierenden Phosphorschicht
5 liegt.
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Die - für sichtbares Licht empfindliche und sichtbares Licht emittierende
Phosphorschicht 5 ist eint, homogene, kristalline, ununterbrochene, nicht aus einzelnen
Teilen bestehende Phosphorschicht mit keinen elektrischen Ungleichmäßigkeiten in
ihrem Innern. Unter dem Ausdruck ununterbrochen, wie er oben verwandt wurde, wird
verstanden, daß die Schicht 5 von der einen Randfläche bis zur gegenüberliegenden
Fläche ganz aus Phosphor besteht und daß sie keine unterschiedlichen elektrischen
Widerstandswerte in ihrem Innern aufweist. Diese Bedingung ist erforderlich, damit
eine Vervielfachung der Erregerelektronen durch die Erscheinung einer Elektronenlawine
auftritt, wie dies im folgenden noch beschrieben wird. Aus dem Vorhergehenden wird
deutlich, daß die üblichen Pulversuspensionen von Phosphorkristallen in einem dielektrischen
Bindemittel der oben angegebenen Bedingung nicht genügen und daß sie nicht die Verstärkung
der Strahlungsenergie erzielen, wie sie bei dieser Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erreicht wird.
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Der sichtbares Licht emittierende Phosphor 5 wird für kurzwelliges
sichtbares Licht im blauen Bereich des sichtbaren Spektrums vorzugsweise zwischen
4000 und 5500 Ängströmeinheiten empfindlich gemacht. Der für das sichtbare Licht
empfindliche, das Licht verstärkende Phosphor 5 kann für die Anregung durch diese
Wellenlänge des sichtbaren Lichtes entsprechend der vorliegenden Erfindung durch
eines oder mehrere der im folgenden angegebenen Mittel empfindlich gemacht werden.
Der Phosphorfilm 5 kann eine Mischung von Zink- und Cadmium-Sulfiden enthalten,
wobei das Zink den Anteil von 0 bis 70°i0 umfassen kann, bezogen auf das Gewicht
der Gesamtmenge der Sulfide. Dieses gemischte Sulfid kann durch 0,5 bis 2 Gewichtsprozent
Mangan und 0.001 bis 0,3 Gewichtsprozent Chlor aktiviert werden. in Abänderung dessen
kann der das Licht verstärkende Phosphor 5 ein Zink-Sulfoselenid enthalten, in dem
das Zinksulfid 0 bis 70 Gewichtsprozent des gesamten Zinksalzes ausmachen kann,
während der Rest Zinkselenid ist. Diese gemischte Salz kann durch 0.5 bis 2 Gewichtprozent
Mangan und 0,001 bis 0,3 Gewichtsprozent Chlor aktiviert werden. Der Phosphorfilm
5 kann auch für kurzwelliges sichtbares Licht empfindlich gemacht werden, wenn das
Salz vor allem Zinksulfid enthält, das durch 0,5 bis 2 Gewichtsprozent Mangan und
0.001 bis 0,3 Gewichtsprozent Jod. Gallium oder Indium aktiviert ist. Es ist klar,
daß der das Licht verstärkende Phosphorfilm 5 entsprechend irgendeiner Kombination
aus den obenerwähnten drei Mitteln zubereitet werden kann, um den Film für kurzwelliges
sichtbares Licht empfindlich zu machen. So kann der Phosphor beispielsweise aus
irgendeiner Chemikalie bestehen, welche die Formel M-X:Y,Z hat. Dabei steht M für
0 bis 70 Gewichtsprozent Zink, während der Rest Cadmium ist, X steht für 0 bis 70
Gewichtsprozent Schwefel, während der Rest Selen ist, Y steht für 0,5 bis 2 Gewichtsprozent
Mangan, Z steht für 0,001 bis 0,3 Gewichtsprozent Chlor, Indium, Gallium oder Jod.
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Die transparenten leitfähigen Elektroden 6 und 7 bestehen zweckmäßig-erweise
aus dünnen Filmen mit
einer Dicke von annähernd 0,1 bis 1 Mikron,
und zwar aus Titandioxyd. Dies wird durch die Reaktion von Titan-Tetrachlorid-Dämpfen
und Wasserdampf bei einer erhöhten Temperatur von etwa 150 bis 200°C erzeugt. Wenn
sie niedergeschlagen sind, haben diese Filme zu Anfang einen hohen Widerstand, aber
die darauffolgende Wärmebehandlung in Anwesenheit einer Zinkverbindung oder in einer
reduzierenden Atmosphäre macht die Filme ausreichend leitfähig, so daß sie als transparente
leitende Elektroden bei der Anordnung gemäß vorliegender Erfindung dienen können.
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Der Bildverstärkerschirm für Röntgenstrahldurchleuchtung 3 kann wie
folgt hergestellt werden: Eine transparente feuerfeste Grundplatte 8 aus einem Material,
welches Temperaturen von etwa 500 bis 600° C aushält, beispielsweise Glas oder Quarz,
wird in eine Reaktionskammer gebracht und auf eine Temperatur von etwa 200° C aufgeheizt.
Dämpfe, welche Titan-Tetrachlorid und Wasserdampf enthalten, werden in der Nähe
der Platte 8 miteinander in Kontakt gebracht. Dies hat zur Folge, daß sich auf deren
Oberfläche eine dünne Schicht 7 aus Titandioxyd niederschlägt. Die Platte 8 mit
dem Film 7 aus Titandioxyd wird dann herausgenommen und in eine zweite Reaktionskammer
gebracht und dort mit einem dünnen transparenten Film aus Zinksulfid überzogen,
das mit Mangan oder Jod aktiviert ist. Dies wird dadurch erreicht, daß eine bestimmte
Menge Zink, Zinkjodid und Manganjodid in einem Tiegel auf eine Temperatur von etwa
750° C erhitzt wird, wodurch die Bestandteile dieser Füllung verdampft werden. Zu
gleicher Zeit wird einem reduzierenden Gas, beispielsweise Schwefelwasserstoff,
Selenwasserstoff oder eine Mischung aus Schwefelwasserstoff und Selenwasserstoff
der Zutritt in die Kammer ermöglicht, so daß das Gas und die Dämpfe der Bestandteile
der Füllung in der Nähe der Glasplatte 8 miteinander reagieren. Dies hat zur Folge,
daß ein transparenter lumineszierender Film chemisch niedergeschlagen wird, der
im wesentlichen aus Zink-Sulfoselenid besteht, das mit Jod aktiviert ist. Es ist
klar, daß der Prozentsatz und die Bestandteile der Füllung so verändert werden können,
daß der aus dem Dampf niedergeschlagene Film aus einem gemischten Salz von Zink-
und Cadmiumsulfiden oder -seleniden bestehen kann. Darüber hinaus kann Jod durch
Indium oder Gallium ersetzt werden.
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Die aus Glas bestehende Grundplatte 8 mit dem transparenten leitfähigen
Film 7 und dem transparenten Phosphorfilm 5 wird dann in die erste Reaktionskammer
zurückgebracht und der Vorgang, bei dem ein transparenter leitender Film niedergeschlagen
wird, wiederholt. Dabei wird Titan-Tetrachlorid und Wasser in Dampfform in die Kammer
eingeführt, während die Platte auf einer Temperatur von etwa 200° C gehalten wird.
Nach dem Niederschlagen besitzt der transparente Film keine große Leitfähigkeit,
aber er wird dadurch leitfähig gemacht, daß die Reaktionskammer mit Wasserstoff
oder Schwefelw-asserstoff oder einem anderen geeigneten reduzierenden Gas für eine
Zeitperiode von etwa i/2 bis 1 Stunde durchflutet wird, wobei die Grundplatte auf
einer hohen Temperatur gehalten wird. Auf diese Weise wird das Titandioxyd genügend
leitfähig gemacht, so daß es als Elektrode bei der erfindungsgemäßen Anordnung dienen
kann.
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Die aus Glas bestehende Grundplatte 8 mit dem transparenten leitfähigen
Film 7, dein Phosphorfilm 5 und dem transparenten leitfähigen Film 6 wird dann aus
der Reaktionskammer herausgenommen, und eine Schicht von für Röntgenstrahlen empfindlichem,
sichtbares Licht emittierendem Material 4, das vorzugsweise aus einem gemischten
kristallinen Pulver von Zink- und Cadmium-Sulfiden besteht, wobei das Cadmium 15
bis 35 Gewichtsprozent der Sulfide ausmacht. wird auf den leitfähigen Transparentfilm
6 in einem Nitrozellulose- oder Kaliumsilikatbinder aufgesprüht. Dieses Verfahren
ist üblich und in der Technik des Aufbringens von Phosphoren auf Grundplatten gut
bekannt. Die gesamte Grundplattenanordnung wird dann für etwa 1 Stunde bei einer
Temperatur von etwa 400° C gebacken, um den Kaliumsilikatbinder thermisch frei zu
machen, oder bei etwa 200° C, um den Nitrozellulosebinder thermisch frei zu machen.
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Wenn der Binder frei gemacht ist, werden die Klemmen 9 und 10 mit
dem transparenten leitfähigen Film 6 bzw. 7 durch Silberpaste oder andere Mittel,
die in der Technik bekannt sind, verbunden, und eine elektrische Gleichspannung
wird zwischen die Klemmen 9 und 10 gelegt. so daß ein elektrisches Gleichfeld von
104 bis 107 Volt pro Zentimeter dem das Licht verstärkenden Phosphorfilm 5 aufgedrückt
wird.
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Beim Betrieb treffen Röntgenstrahlen auf die für Röntgenstrahlen empfindliche,
Licht emittierende Schicht 4 und rufen eine Emission von kurzwelligem oder blauem
Licht, vorzugsweise mit einer Wellenlänge im Bereich von 4000 bis 5500 Angströmeinheiten
geringer Intensität hervor, und zwar entsprechend dem Raster, welcher in den Röntgenstrahlen
enthalten ist. Dieses Licht geht durch die transparente leitfähige Elektrode 6 und
trifft auf den zur Lichtverstärkung dienenden Phosphorfilm 5, der so gewählt ist,
daß er eine maximale Empfindlichkeit besitzt, welche im wesentlichen der maximalen
Lichtemission der Schicht 4 entspricht. In der Lichtverstärkerschicht 5 wird durch
das angelegte elektrische Gleichfeld jedes Photon der einfallenden Energie durch
den Effekt der Elektronenlawine verstärkt, welche die Erzeugung einer Anzahl von
Erregerelektronen bewirkt, die im weiteren Verlauf die Erregungszentren anregen,
welche durch die Anwesenheit von Mangan und Jod darin enthalten sind. Dadurch bewirken
sie die Erzeugung eines wesentlich verstärkten Bildes von dem der Schicht 4a aufgedrückten
Röntgenstrahlraster.
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Eine spezielle Ausführung der Anordnung in Fig. 2 besteht aus einer
Grundplatte 8 aus Glas, einem transparenten leitfähigen Film 7 aus Titandioxyd mit
einer Dicke von etwa 0,1 Mikron, einem aus Zink-Cadmium-Sulfid bestehenden, zur
Lichtverstärkung dienenden Phosphorfilm mit einem Anteil von 75% Zink und
250/a. Cadmium, aktiviert mit 1 Gewichtsprozent Mangan und 0,1 Gewichtsprozent
Jod, wodurch der gesamte Film 10 Mikron dick ist, ferner aus einem transparenten
leitfähigen Film 6 aus Titandioxyd mit einer Dicke von 0,3 Mikron, und einer Pulversuspension
einer polykristallinen Mischung aus Zinksulfid, aktiviert mit 0,1 Gewichtsprozent
Silber in einem Nitrozellulosebinder. Die Dicke der polykristallinen Suspension,
welche die für Röntgenstrahlen empfindliche Schicht 4 bildet, beträgt etwa 75 Mikron
und spricht auf weiche Röntgenstrahlen von etwa 1 bis 100 An.gströmeinheiten an,
welche eine schwache blaue Lumineszenz von etwa 4700 Angströmeinheiten liefert.
Auf diese spricht der zur Lichtverstärkung dienende Leuchtstoffilm 5 unter einer
Emission von fahlem gelbem Licht einer Wellenlänge von etwa 5700 Angströmeinheiten
und hoher Helligkeit an. Die zuvor beschriebene Arbeitsweise wird mit einer Betriebsspannung
von 100 Volt erreicht.
Das von der elektrolumineszierenden Schicht
5 abgegebene Licht kann auch, falls erwünscht, nach bekannten Verfahren noch weiter
verstärkt werden.