DE2217893A1

DE2217893A1 - Roentgenempfindlicher strahlungsempfaenger

Info

Publication number: DE2217893A1
Application number: DE19722217893
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Rer Nat Degenhardt
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1972-04-13
Filing date: 1972-04-13
Publication date: 1973-10-25

Description

Röntgenempfindlicher Strahlunsempfänger Die Erfindung betrifft einen röntgenempfindlichen Strahlungsempfänger mit einem strahlungsempfindlichen orper,dem eine Schicht anliegt, die einen bei Röntgenbestrahlung fluoreszierenden Stoff enthält, wobei der strahlenempfindliche Körper infrarotempfindlich und der Fluoreszenzstoff dieser Empfindlichkeit angepaßt ist. Derartige Anordnungen werden neuerdings unter Verwendung eines Halbleiters als empfindlichen Körper besonders zur Messung energiereicher Strahlen verqendet und in Einrichtungen zur Sichtbarmachung von Rör;sgenstrahlenbildern etc. benutzt. Zum letztgenannten Zweck wird z.B eine zwischen an Wechselspannung liegenden Elektroden liegende Schichtung verwendet, die so aufgebaut ist, daß sie einen Fotoleiter, einen Leuchtstoff und einen elektrolumineszierenden Leuchtstoff enthält. Dabei erzeugen die Röntgenstrahlen beim Auftreffen auf die erstgenannte Leuchtstoffsdiicht ein Leuchtbild, welches im Fotohalbleiter der darauffolgenden Schicht eine seiner Intensitätsverteilung entsprechende Verteilung des elektrischen Widerstandes hervorruft. Dieser bewirkt dann im elektrolumineszierenden Leuchtstoff der nächsten Schicht eine bildhaft über die Fläche verteilte unterschiedliche Anregung, so daß ein helleuchtendes Elektrolumineszenzbiid erhalten wird.
Im vorgenannten Sinn als Fotowiderstände aufgebaute Meßeinrichtungen ergeben eine Meßgröße, zu der gleichzeitig durchdringende und fluoreszierende Strahlen beitragen. Die Fluoreszenzstrahlung hat größere Wellenlänge als die energiereiche Strahlung.
Sie kann z.B. im sichtbaren Bereich liegen und poly- oder monochromatisches Licht sein. Als Leuchtstoff wird z.B. Zinksulfid verwendet und als Halbleiter Kadmlumsulfid. Eine solche Anordnung, bei welcher das Zinksulfid mit Silber aktiviert ist und einen entsprechend aktivierten Eadmiumsulfidhalbleiter zugeordnet ist, ha- sich aber als träge erwiesen, d. h. den Änderungen der Strahlenintensität folgen Anderungen des Meßergebnisses nur sehr langsam.
Man hat für Meßsonden auch Einkristalle aus Kadmiumsulfid verwendet, ohne ihnen Fluoreszenzstoffe zuzuordnen, um störende Einflüsse dieser Stoffe zu vermeiden. Der Wirkungsgrad solcher Zellen ist aber gering.
Auch bei bekannten Anordnungen zur Erzeugung von Elektrolumineszenzbildern treten die vorgenannten Schwierigkeiten auf. Bei diesen Anordnungen verwendete zusätzliche Leuchtstoffe sollten lediglich eine zusätzliche Anregung der steuernden Halbleiterschichten bewirken. Sie waren als zusätzliche elektrolumineszierende Schichten ausgelegt.
Nach einem eigenen älteren Vorschlag ist eine röntgenempfindiiche fotoelektrische Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, an den an einer Spannungsquelle liegende Elektroden angelegt sind und dem ein bei Röntgenbestrahlung fluoreszierender Stoff zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter infrarot empfindlich und der Fluoreszenzstoff dieser Fotoempfindlichkeit angepaßt ist, indem er-bei Röntgenstrahlung im Infrarotbereich fluoresziert. Dabei soll z.B. als Halbleiter Kadmiumsulfid und als Leuchtstoff Kadmiumbromid verwendet werden, welches auf zehn Teile des fertigen Gemisches ein Teil Manganchlorid enthält oder ein Zinkkadmiumsulfidleuchtstoff, derzeit 0,7 10 4 g at.Silber aktiviert ist, dessen Kadmiumanteile acht und dessen Zinkanteile zwei von zehn Anteilen ausmachen.
Erfindungsgemäß wird die Wirksamkeit derartiger Anordnungen um wenigstens den Faktor drei gesteigert, wenn der Fluoreszenzstoff aus Yttriumvanadat besteht, das mit Europium aktiviert ist.
Die Erfindung geht von der grundlegenden Erkenntnis aus, daß enge Zusammenhänge zwischen Kathodolumineszenz und Röntgenlumineszenz bestehen. Sie beruhen darauf, daß ein guter Katho-.-dolumineszenzleuchtstoff immer dann ein guter Röntgenleuchtstoff ist, wenn ein für Röntgenstrahlen ausreichendes Absorptionszentrum vorhanden ist. Nun ist der vorliegende Leuchtstoff, das Yttriumvanadat, welches mit Europium aktiviert ist, ein ausgezeichneter Kathodolumineszenzleuchtstoff. Im Sinne obengenannter Überlegungen könnte in dieser Verbindung das schwerere Yttrium ein Zentrum für Sekundärelektroden sein, das -durch Röntgenstrahlen anregbar ist. Tatsächlich hat sich auch experimentell ergeben, daß sich bei Röntgenstrahleneinwirkung eine beachtliche Effektivität des Leuchtstoffes ergibt. Dies läßt sich dadurch zeigen, daß das obengenannte Yttriumvanadat im Vergleich zu dem bisher benutzten Kadmiumsulfidleuchtstoff kombiniert mit einem Siliziumfotoelement mindestens dreimal höhere Fotoströme liefert. Eine für Versuchs- und Meßzwecke aufgebaute Kombination besteht z.B. aus einem Silizium-Fotoelement und einer 50/u dicken Iteuchtschicht aus Yttriumvanadat, das mit Europium aktiviert ist. Die Leuchtschicht wird z.B.
mit Hilfe des Siebdruckverfahrens aufgebracht.
Das mit Europium aktivierte Yttriumvanadat hat bei Rdnbgenbestrahlung sein Hauptemissionsmaximum bei 618 nm und zwei Nebenmaxima bei 698 und 706 nm. Das Nebenmaximum von 698 nm liegt energiemäßig etwa so hoch wie das Hauptmaximum beim Kadmiumsulfid. Das Hauptmaximum des Yttriumvanadats ist jedoch dreimal so hoch wie dasjenige des Kadmiumsulfids. Daher ergibt sich die obengenannte Verbesserung der Wirkung.
Wegen der geringeren Röntgenabsorption im Vergleich zum Kadmiumsulfid kann Yttriumvanadat in größerer Schichtdicke angewandt werden. Dadurch läßt sich die Leuchtdichte erhöhen, ohne daß sich wegen des geringeren Massenschwächungskoeffizienten die Abhängigkeit von der Strahlenhärte verstärkt. Wegen der höheren Empfindlichkeit gegenüber dem bisher benutzten Kadmiumsulfidleuchtstoff kann die Zellengröße, d.h. die für die Messung zu bestrahlendeunddamit für die Abbildung verlorene abgeschattete Fläche, wesentlich verkleinert werden. Andererseits kann wegen des höheren Signalstromes ein sonst notwendiger Verstärkerbaustein wegfallen, so daß mittels der Erfindung eine billigere Anordnung erzielbar ist.
Hinter einem Röntgenleuchtschirm aus rotleuchtendem, mit Europium aktiviertem Yttriumvanadat ist wegen der erhöhten Leuchtstärke die direkte Ankopplung eines hochempfindlichen Silizium-Multidioden-Vidikons möglich, dessen Empfindlichkeitsoptimum im roten Spektralbereich liegt. Dadurch wird bei einer solchen Anordnung nur ein einfacher Vidikonaufbau gebraucht.
Man benötigt nicht wie bei anderen Anordnungen zusätzlich einen Bildverstärker als Vorstufe.
Wie bei der älteren Anordnung kann eine Verbesserung der Wirksamkeit erhalten werden, indem die eigentliche Halbleiterschicht, auf welcher die Leuchtstoffschicht aufgetragen ist, an der Außenseite zusätzlich noch mit einer Reflexionsschicht belegt ist. Als Reflexionspigment kann z.B. Magnesiumoxid oder Titandioxid verwendet werden.
Alle Schichten können den Halbleiter bzw. Laucht- oder Reflexionsstoff in polykristalliner Form enthalten und durch ein Bindemittel, wie z .B. Schmelzwachs, Kunststoffkleber etc.zusammengehalten sein. Zur Herstellung der Schichten werden dabei die genannten Stoff in der Lösung des Bindemittels suspendiert und auf einen Träger bzw. auf die schon fertige vorhergehende Schicht aufgetragen. Dabei ist lediglich zu beachten, daß weder sosungsmittel noch Bindemittel die vorhergehende Schicht Ezv. den festzuhaltenden Stoff angreifen dürfen.
Die Vorteile und Merkmale der Erfindung sind nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert.
In der Fig.1 ist eine Röntgen-Fotowiderstandszelle geseichnet, bei welcher die Halbleiterschicht mit einer Leuchtschicht versehen ist und in der Fig.2 ein Elektrolumineszenzbildverstärker, dessen Schichtenaufbau in erfindungsgemäßer Weise eine Fotoleiterschicht umfaßt, die infrarot empfindlich ist und der eine Leuchtstoff° schicht vorgeschaltet ist, die bei Rontgeneinstrahlung rot leuchtet.
In der Fig.3 ist in einem Blockschaltbild ein Vidikon gezeichnet, dessen Halbleiterschicht die erfindungsgemäße Fluoreszenzschicht vorgeschaltet ist und in der Fig. 4 ein Querschnitt durch das Target des Vidikons nach Fig. 3.
In der Fig. 1 ist mit 1 die 3 bis 10/u dicke rotempfindliche, aus Cadmiumselenid bestehende Halbleiterschicht bezeichnet, auf welcher nebeneinanderliegend die Elektroden 2, 3, 4, 5 angeordnet sind; Diese stellen Streifen von 100/u Breite und dicke Dicke dar, die aus Indium bestehen und abwechselnd mithin ander verbunden sind, so daß in der prinzipiellen Darstellung die Streifen 2 und 4 sowie die Streifen 3 und 5 miteinander verbunden sind. Die Verbindungen 6 und 7 mit den Streifenanordnungen 2, + und 3, 5 litzen über ein Anzeigeelement 8 an der uleichspamrungsquelle 9 Bron 50 bis 100 V. Auf den Streifen 2 bis 5 liegt die 100 bis 200/u dicke Leuchtschicht 10 aus Europium aktiviertem Yttriumvanadat, das mit 10 %0 Bindemittei (Polystyrol) versetzt ist. An ihrer freien Oberfläche ist die Schicht 10 von einer 10/u dicken und aus Titandioxid bestehenden Reflexionsschicht 11 bedeckt. Die Schichtung, die selbsttragend ist, wird z.B. so erhalten, daß alle Schichten 1 bis 5 und 10, 11 auf eine Spiegelglasplatte nacheinander aufgetragen weraen, von der man sie dann abziehen kann. Die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung kann zur Sicherheit abschließend noch mit einem durchsichtigen elektrisch- und feuchtigkeitsisolierenden Überzug versehen werden. Dieser kann etwa durch Eintauchen der Schichtung in eine Schmelztauchmasse, z.B. Celluloseacetobutyrate, erhalten werden.
Dringen in diese Anordnung etwa von der Seite her, auf welcher die Reflexionsschicht 11 liegt, Röntgenstrahlen ein, so wird in der Schicht 10 rotes Licht erzeugt, welches auf die angrenzende Schicht 1 einwirkt. Dort erhöht sich dann die elektrische Leitfähigkeit, so daß auch der Stromdurchgang erhöht wird. Dieser kann im Instrument als ein Wert angezeigt werden, welcher wegen seiner Entstehungsgeschichte ein Maß für die einfallende Strahlenintensität ist.
Der in Fig. 2 dargestellte Festkörperbildverstärker enthält eine Schichtung, die auf der 2 mm dicken Glasplatte 12 aufgebracht ist. Diese Glasplatte 12 ist zuerst mit kammartig ineinandergreifenden Elektroden versehen, deren streifenförmige Teile mit 13 und 14 bezeichnet sind, 0,5/u dick sind und aus transparentem Zinnoxid bestehen. Wie diejenigen der Fig. 1 sind alle Teile 13 und 14 abwechselnd miteinander und mit den Polen einer Spannungsquelle 15 verbunden, die Wechselstrom von 50 Hz und 500 V führt. Die Elektroden sind dann mit der 50/u starken Elektrolumineszenzschicht 16 aus Zinksulfid bedeckt, auf welcher die 10 bis 20/u starke Halbleiterschicht 17 aus Cadmiumselenid liegt. Bei dieser Anordnung wird betriebsmäßig die Röntgenstrahlung auf die 200/u s-tarke Schicht 18 aus Yttriumvanadat, das mit Europium aktiviert ist, zur Einwirkung gebracht und zum Aussenden roter Strahlen angeregt. Im Halbleiter der Schicht 17 werden durch dieses rote Licht unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten hervorgerufen. Diese bewirken das Entstehen unterschiedlicher elektrischer Felder in der Schicht 16, so daß dort in flächenhafter Verteilung unterschiedlich helles Leuchten entsteht, welches durch die Glasplatte 12 hindurch beobachtbar ist.
Das in der Fig. 3 dargestellte Vidikon wird von der Spannungsquelle 20 in bekannter Weise derart gespeist, daß an der Kathode 21 der Abtastelektronenstrahl 22 austritt, der durch die Ablenk- und Fokussierungsspulen 23, 23' eine Abtastbewegung erhält. Außerdem sind in bekannter Weise noch die durch die Spannungsquelle 20 versorgten Elektroden 24, 25 und 26 im Abtastteil vorhanden, so daß die Halbleiterschicht 27 punktweise abgetastet wird.
In dem in Fig. 4 dargestellten Ausschnitt ist die Halbleiterschicht 27 als eine Platte aus Silizium vom n-Leitungstyp ersichtlich. Auf der Fläche der 20/u dicken Platte 27 befinden sich dann die p-leitenden Inseln 28, die durch Eindiffusion, z.B. von Bor, erzeugt wurden. Das Grundmaterial hat einen spezifischen Tfiderstanu von 10 Ohm cm. Zwischen den Inseln 28 befinden sich die Abdeckungen 29 aus dem lichtleitenden Material Siliziumdioxid. Die Dioden bilden sich an der Grenzschicht zwischen den p-leitenden Inseln und dem n-leitenden Substrat der Platte 27. Sie werden etwa nach der üblichen fotolitografischen Methode erzeugt.
Wenn die Zentren der Dioden wie im dargestellten Beispiel Abstände von 20/u voneinander haben und ihre Durchmesser 8/u betragen, so befinden sich auf 1mm etwa 2500 als Dioden wirkende p-leitende Inseln 28. Durch die über den Widerstand 25 und das Target angelegte Spannung von beispielsweise 5 V werden die Dioden in Sperrichtung gepolt. Die in die n-leitende Schicht 27 eintretenden Elektronen erzeugen neben Sekundärelektronen auch Defektelektronen, die zur Sperrschicht wandern und diese so beeinflussen, daß das Potential der der Kathode 24 zugewandten Diodenseite von Null auf einen Wert verändert wird, der der Zahl der eintretenden Elektronen entspricht. Die Abnahme des Videosignals, die durch Rückladung der Diodenoberfläche mittels des Abtaststrahles 22 entsteht, erfolgt durch die n-leitende Siliziumplatte 27. Die freie Fläche der Platte 27 ist mit der 200/u dicken Schicht aus mit Europium aktiviertem Yttriumvanadat als Leuchtstoff bedeckt. Das Videosignal wird am Widerstand 32 über den Kondensator 33 abgenommen, der mit der Platte 27 in Verbindung steht.
Beim Auftreffen von Röntgenstrahlen auf die ieuchtschicht 31 wird ein entsprechendes rotes Leuchtbild erzeugt, welches in der Platte 27 davon abhängige elektrische Veränderungen bewirkt. Durch die mosaikartig verteilten Halbleiterinseln 28 wird dann ein Ladungsbild erhalten, welches mittels des Elektronenstrahls 22 abgetastet werden kann, so daß sich am Ausgang, d.h. dem Kondensator 33, ein Videosignal ableiten läßt.
Zur Vermeidung von störenden Aufladungen kann die nichtleitende Abdeckschicht mit einer Abdeckung 30 aus leitendem Material überzogen sein, die in Fig. 4 eingezeichnet ist. Dies kann dadurch geschehen, daß gut leitende Inseln jeweils mit einer Diode verbunden sind oder daß die Zwischenräume zwischen den 3i oden mit einer zuszusammenhängenden gut leitenden Schicht belegt sind, die ihrerseits keine leitende Verbindung zu den Dioden hat. Eine dritte Möglichkeit ist, die gesamte zum Abtastteil gewandte+Targetoberfläche mit einer Schicht zu überdecken, deren Leitfähigkeit so abgestimmt ist, daß einerseits störende Aufladungen vermieden-werden, andererseits abss das Ladungsbild nicht innerhalb einer Abtastperiode "verschmiert" wird.

Claims

Patentansprüche

1. Röntgenempfindlicher Strahlungsempfänger mit einem strahlungsempfindlicihen Körper, dem eine Schicht anliegt; die einen bei .xönbgenbestrahlung fluoreszierenden Stoff enthält, wobei der strahlenempfindliche Körper infrarotempfindlich und der Fluoreszenzstoff dieser Empfindlichkeit angepaßt ist, d a -d u r c h g e )c e n n z e i c h n e t , daß der Fluoreszenzstoff aus Yttriu:uvanadat besteht, das mit Europium aktiviert ist.

2. Anordnung nacn Anspruch ), dadurch gekennzeichnet, daß der empfindiliche Körper als Haibliterschicht (1) ausgebildet ist, auf der die mit einer Reflexionsschicht bedeckte, das Yttriumvanadat Fr.thaltende fluoreszierende Schicht (10) aufgetragen ist, wobei die Reflexionsschicht (11) als reflektierendes Pigment Magnesiumoxid und/oder Titandioxid enthält (Fig.1).

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der strahlenempfindliche Körper ein Silizium-Fotoelement ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der empfindliche Körper eine Halbleiterplatte (27) ist, die das larget einer Fernsehaufnahmeröhre darstellt und aus einer Siliziumplatte vom n-Leitungstyp besteht, die an der abgetasteten, dem Videoabtastteil zugewandten Oberfläche eine Vielzahl p-leitender Inseln aufweist (Fig. 3, 4).