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Photoleitungs-Elektrolumineszenz-Festkörper-Bildwandler Die Erfindung
bezieht sich auf Bildverstärker und betrifft insbesondere eine Anordnung, bei der
die Eigenschaft der Elektrolumineszenz zur Erzeugung eines Lichtbildes Verwendung
findet, das eine verstärkte Wiedergabe der Feldverteilung eines Strahlungsfeldes
ist. Als Beispiel sei die Erzeugung eines Lichtbildes eines von Röntgenstrahlen
durchleuchteten Körpers auf einem Schirm genannt, das um ein :Mehrfaches heller
als das von einer üblichen Röntgenröhre erzeugte Bild des gleichen Körpers ist.
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Unter Elektrolumineszenz versteht man die Eigenschaft mancher Körper,
unter dem Einfluß einer sich ändernden elektrischen Feldstärke Licht auszusenden.
Solche Stoffe sind beispielsweise geeignet behandeltes Zinksulfid, Kadmiumsulfid
und Siliziumkarbid. Die Lichthelligkeit an jeder Stelle ist annähernd proportional
der momentanen Änderungsgeschwindigkeit der Feldstärke, und das Licht verschwindet,
wenn die Änderung der Feldstärke aufhört.
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Es ist bereits ein Bildwandler vorgeschlagen worden, der zwei strahlendurchlässige
Elektroden besitzt, zwischen denen sich eine Elektrolumineszenz- und eine Photowiderstandsschicht
befinden. Ferner hat man vorgeschlagen, zwischen diesen beiden Schichten eine Zwischenlage
aus einem Werkstoff vorzusehen, der eine Rückwirkung der Elektrolumineszenzschicht
auf die Photowiderstandsschicht verhindert. Über die elektrischen Eigenschaften
dieser Zwischenschicht ist jedoch dem früheren Vorschlag nichts zu entnehmen.
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Gemäß der Erfindung ist ein Bildwandler, der eine lichtdurchlässige
leitende Schicht, eine Zwischenschicht, eine Elektrolumineszenzschicht, eine photoleitende
Schicht und eine für die Strahlung durchlässige Schicht geringen Widerstandes in
dieser Reihenfolge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht sehr
dünn ist und aus hochohmigem Werkstoff besteht. Vorzugsweise sind die lichtdurchlässige
Schicht und die Schicht aus einem Material hohen Widerstandes elektrisch miteinander
verbunden und an die eine Klemme einer Gleichstromquelle angeschlossen, deren andere
Klemme an der strahlendurchlässigen Schicht geringen Widerstandes liegt.
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Zur Verstärkung der Lichtwirkung beim Einfall einer bestimmten Strahlungsmenge
können mehrere erfindungsgemäße Schichtgruppen aus lichtdurchlässiger leitender
Schicht, Elektrolumineszenzschicht, hochohmiger Zwischenschicht und Photowiderstandsschicht
übereinandergelegt sein, ähnlich wie es bei Photovervielfachern an sich bekannt
ist.
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Die Erfindung soll im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
und den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung
eines Bildverstärkers nach der Erfindung in seiner Anwendung in einem Röntgenapparat,
Fig. 2 eine vergrößerte Einzelheit eines Teiles des Gegenstandes der Fig. 1, Fig.3
eine Schemaschaltung des erfindungsgemäßen Apparates zur Verstärkung der Helligkeit
eines Lichtbildes, Fig. 4 einen Schnitt ähnlich wie in Fig. 2 einer abgeänderten
Ausführungsform mit zwei hintereinander angeordneten Verstärkerschichten.
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Nach der Zeichnung ist ein Schirm 1, vorzugsweise aus Bleiglas, mit
einer Schicht 2 aus gut leitendem Material überzogen, das für Licht der Wellenlänge
durchlässig ist, welche durch zeitliche Änderung des Spannungsgradienten in einer
Schicht 3 aus elektrolumineszierendem Material erzeugt wird. Die Schicht 2 kann
beispielsweise aus einem handelsüblichen Material bestehen, während die Schicht
3 aus Zinksulfid besteht, welches zur Erzeugung der Elektrolumineszenz nach dem
in »Philosophical Magazine«, Oktober 1947, B. 38, S. 700, beschriebenen Verfahren
behandelt ist.
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Die Elektrolumineszenzschicht 3 ist mit einer hochohmigen Schicht
4 überzogen, die beispielsweise aus sehr dünn aufgetragenem Kohlenstoff besteht.
Diese hochohmige Widerstandsschicht 4 wird mit einer Schicht 5 aus photoleitendem
Material, beispielsweise aus Kadmiumsulfid, überzogen, das nach dem in der »Nature«
Nr. 4245 vom 25. Juni 1951, S. 812 und 813, beschriebenen Verfahren aufgebracht
wird.
Die Oberfläche dieser photoleitenden Schicht 5 ist mit einer
leitenden Schicht 6 überzogen, welche vorzugsweise eine geringe Absorption für Röntgenstrahlen
aufweist und z. B. aus aufgedampftem Aluminium besteht.
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Die ganze Anordnung wird in einem gegebenenfalls evakuierten Gefäß
7 untergebracht. Die Schichten 2 und 4 sind zusammen am Pol einer Gleichspannungsquelle
8 mittels des Zuführungsdrahtes 9 angeschlossen. Die andere Klemme der Quelle 8
liegt über einen Draht 11 an der leitenden Schicht 6.
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Obwohl der Apparat ohnehin zweckmäßig in einer schwach erleuchteten
Umgebung verwendet wird, stellt man gewöhnlich die Wandungen des Gefäßes 7 mit Ausnahme
der Platte 1 aus lichtundurchlässigem und für Röntgenstrahlen durchlässigem Material
her und macht auch die hochohmige Widerstandsschicht lichtundurchlässig. Zur Röntgenstrahlenbildverstärkung
wird die Schicht 5 so angeordnet, daß sie im Strahlengang der durch ein Objekt 12
von einer Röntgenröhre 13 kommenden Strahlung liegt.
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Bei Verwendung des Apparates nach Fig. 1 als Bildverstärker wird er
in einem verdunkelten Raum aufgestellt, so daß anfangs nur geringe oder keine Strahlung
auf die photoleitende Schicht auftrifft. Diese hat dann an allen Stellen einen hohen
und ziemlich gleichmäßigen Widerstand. Die Elektrolumineszenzschicht 3 weist dann
an allen Punkten den gleichen Spannungsgradienten auf und bleibt überall im wesentlichen
dunkel, bis auf den Apparat Strahlung einfällt.
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Wird die in Fig. 1 dargestellte Anordnung durch Röntgenstrahlen oder
eine andere Strahlung durch das Gehäuse 7 hindurchbelichtet, so treffen die Photonen
auf verschiedene Stellen auf, die über die photoleitende Schicht 5 verstreut sind.
Wird ein Photon in der Schicht 5 absorbiert, so wird die elektrische Leitfähigkeit
derselben stark vergrößert, aber nur auf einem kleinen Flächenteil der Schirmoberfläche,
und zwar in unmittelbarer Nachbarschaft des Auftreffpunktes, da sich die photoleitenden
Substanzen gewöhnlich in Form kleiner Kristalle ablagern und die Wirkung des Photons
durch die Kristallgrenzen begrenzt ist. Im folgenden wird diese kleine Fläche als
»Anregungsstelle« bezeichnet. Wird beispielsweise für die Schicht 5 Kadmiumsulfid
in der beschriebenen Weise verwendet, so beträgt die Fläche der Anregungsstelle
für ein Röntgenstrahlenphoton der bei medizinischen Durchleuchtungsgeräten üblichen
Wellenlänge ungefähr 2 - 10-5 cm2. Findet jedoch ein photoleitendes Material Verwendung,
bei dem die Anregungsfläche nicht so- klein ist, daß sich ein feinkörniges Bild
ergibt, so wird man das photoleitende Material nicht als zusammenhängende Schicht,
sondern als ein Mosaik einzelner Teilchen niederschlagen. Auch in diesem Fall kann
die leitende Schicht 6 durch übliche Verfahren aufgebracht werden und erstreckt
sich von Teilchen zu Teilchen. Bei den üblichen Verfahren zum Niederschlagen photoleitender
Substanzen, mit denen erfindungsgemäß gearbeitet wurde, ergibt sich an sich eine
diskontinuierliche Struktur.
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Die Steigerung der - Leitfähigkeit an der »Anregungsstelle« der Schicht
5 führt zu einer Änderung der Strom- und Spannungsverteilung auf der hochohmigen
Widerstandsschicht 4 und zu einem entsprechenden plötzlichen Sprung der Feldstärke
in dem Teil der Elektrolumineszenzschicht 3, der in unmittelbarer Nähe des Auftreffpunktes
des Photons liegt. Die.#:er Sprung- der Feldstärke in der Schicht 3 ruft einen kurzzeitigen
Lichtfleck hervor. Dieser Lichtfleck verschwindet natürlich, sobald die Leitfähigkeitssteigerung
an der »Anregungsstelle« der Schicht5 durch das Photon aufgehört und die Feldstärke
in der Elektrolumineszenzschicht 3 sich stabilisiert hat. jedes Photon erzeugt somit
ein kurzes Aufleuchten in der Nähe seines Auftreffpunktes, und für das Auge des
durch die Glasplatte 1 blickenden Beobachters entsteht ein Bild der Intensitätsverteilung
des Strahlungsfeldes.
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Lediglich die Änderungsgeschwindigkeit der Feldstärke in der Schicht
3 ruft einen Lichtfleck hervor, und die einfallende Strahlung hat nur eine Wirkung,
wenn sie impulsartig auftrifft. Wenn die einzelnen Quanten hintereinander auf eine
Anregungsstelle auffallen, bevor die Photoleitfähigkeit in der Schicht 5 im wesentlichen
verschwindet, so erfährt die Feldstärke in der Elektrolumineszenzschicht 3 keine
zeitliche Änderung nach dem Einfallen des ersten Photons mehr, und es entsteht nur
ein einziger Lichtblitz in der Elektrolumineszenzschicht 3.
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Dieser unerwünschte Effekt tritt beispielsweise auf, wenn nach Fig.
3 eine Strahlungsquelle 15 für sichtbares Licht Verwendung findet, da im sichtbaren
Licht wahrnehmbarer Intensitäten die auf jede Anregungsstelle einfallenden Photonen
einander in so kurzen Abständen folgen, daß in der Elektrolumineszenzschicht 3 kein
wahrnehmbares Licht erzeugt wird. Diese Schwierigkeit kann dadurch überwunden werden,
daß man das Licht unterbricht oder pulsieren läßt, beispielsweise mittels des Zerhackers
14, der das von der Quelle 15 kommende und ein Bild 16 durchsetzende Licht zerhackt
(Fig.3).
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Bei den bei der medizinischen Durchleuchtung verwendeten Röntgenstrahlen
treffen jedoch bei den üblichen Röntgenstrahlenintensitäten etwa 200 Photonen pro
Sekunde auf jede Anregungsstelle auf. Diese Zeitfolge von 200 Photonen pro Sekunde
liegt gut innerhalb der Sättigungsperiode in der Größenordnung von 10-4 Sekunden,
die für das obenerwähnte Schirmmaterial gefunden wurde. Bei der Röntgendurchleuchtung
arbeitet also die oben beschriebene Anordnung zufriedenstellend, ohne daß es einer
künstlich hervorgerufenen Pulsierung der Strahlung bedarf.
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Wenn die einfallende zu verstärkende Strahlung die Wellenlänge des
sichtbaren Lichtes hat, müssen die Teile des Gefäßes 7 und die Schicht 6, die die
Strahlung bis zum Auftreffen auf die Photoleiterschicht 5 durchdringen muß, für
dieses Licht und nicht nur für Röntgenstrahlen durchsichtig sein; in anderer Hinsicht
kann für die sichtbare Strahlung die gleiche Vorrichtung Verwendung finden. Da Fernsehempfangsbilder
und Filmbilder aus pulsierendem Licht bestehen, kann die im folgenden beschriebene
Abänderung zur Verstärkung der Bilder Verwendung finden, ohne daß man den Zerhacker
14 benötigt. Da das in der Elektrolumineszenzschicht 3 erzeugte Licht pulsiert,
können ein oder mehrere Lichtverstärker nach Fig. 2 zwischen den durchsichtigen
Leiter 2 und die Glasplatte 1 eingesetzt werden, wie es in Fig. 4 dargestellt ist,
wobei die Verstärkungswirkung jeder Verstärkungseinheit beliebig oft in Reihe angeordnet
werden kann.
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Da das Licht auf dem Schirm einer gewöhnlichen Durchleuchtungsapparatur
wegen seiner Entstehung durch Röntgenstrahlenphotonen pulsiert, kann ein Lichtfeldver
stärker ähnlich dem in Fig. 4 Verwendung finden, um das Bild auf dem Fluoreszenzschirm
zu verstärken. Falls kein optisches System zur Samm-
Jung des Leuchtschirmbildes
auf der Photoleiterschicht 5 des Verstärkers verwendet werden muß, soll der Abstand
zwischen Leiterschicht 6 und Außenfläche des Gefäßes 7 so klein wie möglich gehalten
werden.
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Das auf Elektrolumineszenz behandelte Zinksulfid hat einen hohen Widerstand.
Bei gewissen Anwendungen ist es vorteilhaft, dieses Material etwas elektrisch leitend
zu machen, beispielsweise durch geeignete Beigabe eines anderen Materials, wie Zinnoxyd,
durch das die Feldstärke in der Nähe der Anregungsstelle lokalisiert werden kann.
In manchen Fällen kann man dann die hochohmige Widerstandsschicht 4 weglassen.
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Wird die hochohmige Widerstandsschicht 4 durchlässig für das in der
Elektrolumineszenzschicht 3 erzeugte Licht gemacht, so hat die Rückkopplung dieses
Lichtes zum Photoleiter 5 eine Wirkung, die bei der Verstärkung bestimmter Bildarten
wünschenswert sein kann.
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Die Widerstandsschicht 4 ist in Richtung der einfallenden Strahlen
so dünn, daß sie für den durch die Photonen ausgelösten Strom keinen merklichen
Widerstand zeigt. Dagegen ist es sehr wesentlich, daß quer zu dieser Stromrichtung
ein beträchtlicher Widerstand vorhanden ist: Dies gilt insbesondere, wenn bei der
Schaltung nach Fig. 1 eine Gleichstromquelle 8 Verwendung findet. Dann ist nämlich
die an der praktisch isolierenden Elektrolumineszenzschicht3 stehende Spannung proportional
zum Spannungsabfall innerhalb der Schicht 4 zwischen der Anschlußstelle der Stromquelle
und dem Auftreffpunkt des betreffenden Photons. Die Empfindlichkeit der Anordnung
ist also um so höher, je größer der Querwiderstand der Schicht 4 ist.