RU2476943C2 - X-ray luminescent screen - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: screen consists of a transparent substrate (glass, celluloid etc) on which layers of X-ray sensitive phosphor, organic and metal films are successively deposited. Between the layer of phosphor and the metal film there is a thin organic film which, together with the metal layer, provides "mirror" (reverse) reflection of light radiation of the phosphor and also prevents poisoning of the phosphor with metal during vacuum sputtering thereof and oxidation of the surface of the metal film in the contact area.

EFFECT: high energy output.

3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам преобразования пространственно распределенных рентгеновских лучей в видимое изображение - рентгеновским люминесцентным экранам, широко применяемым в медицинской рентгенографии и промышленной дефектоскопии.The invention relates to a device for converting spatially distributed x-rays into a visible image - x-ray fluorescent screens, widely used in medical radiography and industrial flaw detection.

Назначение рентгеновских люминесцентных экранов заключается в преобразовании коротковолнового рентгеновского излучения в более длинноволновое световое, приближенное к спектральной чувствительности глаза или приемника излучения.The purpose of X-ray fluorescent screens is to convert the short-wavelength X-ray radiation into a longer-wavelength light, close to the spectral sensitivity of the eye or radiation receiver.

Люминесцентные рентгеновские экраны представляют собой слой рентгенолюминофора, нанесенного с помощью прозрачного связующего на подложку (из картона, лавсана, стекла и др.).Luminescent X-ray screens are a layer of X-ray phosphor deposited with a transparent binder on a substrate (cardboard, lavsan, glass, etc.).

Известно, что технические характеристики рентгеновских экранов зависят от таких параметров, как химический и гранулометрический составы применяемого люминофора, структура, толщина слоя и др. [1-4]. Необходимо отметить, что традиционно применяемые технические способы повышения энергетической эффективности экранов, направленные на улучшение перечисленных выше параметров, не позволяют существенно повысить энергетический выход экранов.It is known that the technical characteristics of X-ray screens depend on such parameters as the chemical and particle size distribution of the applied phosphor, structure, layer thickness, etc. [1-4]. It should be noted that the traditionally used technical methods for increasing the energy efficiency of screens aimed at improving the above parameters do not significantly increase the energy yield of screens.

Известен рентгеновский экран для просвечивания (экран флюоресцирующий) [5]. Конструктивно он состоит из подложки в форме плоского листа картона или лавсана, на которую нанесен равномерный слой рентгенолюминофора. Экраны для просвечивания отличаются невысоким энергетическим выходом. Например, у рентгеновского экрана ЭРС-220 на основе ZnS·CdS-Ag при нагрузке люминофора 80 мг/см² он достигает 20%. Важнейшим недостатком конструкции подобных экранов являются высокие потери светового излучения люминофора, возникающего под действием рентгеновских фотонов. Световое излучение люминофора, направленное в сторону подложки, поглощается ее материалом и не достигает фотоприемника.Known x-ray screen for transmission (screen fluorescent) [5]. Structurally, it consists of a substrate in the form of a flat sheet of cardboard or lavsan, on which a uniform layer of X-ray phosphor is applied. Screens for transmission are characterized by a low energy output. For example, in an ERS-220 X-ray screen based on ZnS · CdS-Ag with a phosphor load of 80 mg / cm ² it reaches 20%. The most important drawback of the design of such screens is the high loss of light radiation of the phosphor arising from the action of x-ray photons. The light radiation of the phosphor directed toward the substrate is absorbed by its material and does not reach the photodetector.

Известен люминесцентный экран АС №1753439 А1, 07.08.1992 [6]. Метод металлизации люминесцентных экранов [6] относится к технологии изготовления совершенно другого (не рентгеновского) типа люминесцентных экранов - катодолюминесцентных экранов, которые в отличие от рассматриваемых рентгеновских экранов имеют принципиально иные механизмы возбуждения люминесценции (пучками электронов), условия работы (вакуум) и назначение (электронно-лучевые трубки кинескопов) [7]. Важно также отметить, что в технологиях изготовления и использования данных видов экранов имеются принципиальные различия. Так, например, при изготовлении катодолюминесцентных экранов для электронно-лучевых трубок на первой стадии производства формируется аналогичная с изготовлением рентгеновских экранов для просвечивания последовательность расположения элементов экрана - металлический слой, органическая пленка, люминесцентный слой из катодо-люминофора и связующего, прозрачная подложка. Но на конечной стадии производства экрана органическая пленка и связующее отжигаются - т.е. готовый к эксплуатации (в условиях вакуума) экран будет состоять только из прозрачной подложки, слоя катодолюминофора и металлической пленки.Known luminescent screen AC No. 1753439 A1, 08/07/1992 [6]. The metallization method of luminescent screens [6] relates to the manufacturing technology of a completely different (non-x-ray) type of luminescent screens - cathodoluminescent screens, which, in contrast to the considered x-ray screens, have fundamentally different mechanisms of luminescence excitation (by electron beams), operating conditions (vacuum) and purpose ( CRT tubes) [7]. It is also important to note that there are fundamental differences in the manufacturing and use of these types of screens. So, for example, in the manufacture of cathodoluminescent screens for cathode ray tubes at the first stage of production, a sequence of arrangement of screen elements - a metal layer, an organic film, a luminescent layer of a cathode-phosphor and a binder, a transparent substrate is formed similar to the manufacture of x-ray screens for transmission. But at the final stage of screen production, the organic film and binder are annealed - i.e. ready for use (in vacuum) the screen will consist only of a transparent substrate, a layer of cathodoluminophore and a metal film.

Наиболее близким является рентгеновский люминесцентный экран [8], содержащий подложку и нанесенный на нее слой распределенного в связующем веществе люминофора, он содержит металлический светоотражающий слой и органическую пленку, расположенную между слоем люминофора и металлической пленкой. В отличие от рентгенографических экранов для просвечивания (к которым относится заявляемый экран), люминесцентный слой представляется собой совокупность (поле) продольно расположенных к входящему рентгеновскому излучению сцинтилляционных монокристаллов в связующем, имеющих форму удлиненных (оптически прозрачных) стержней.The closest is an X-ray luminescent screen [8], containing a substrate and a layer of a phosphor distributed in a binder, deposited on it, it contains a metal reflective layer and an organic film located between the phosphor layer and the metal film. Unlike x-ray screens for transmission (to which the claimed screen belongs), the luminescent layer is a set (field) of scintillation single crystals longitudinally arranged to the incoming x-ray radiation in a binder, having the form of elongated (optically transparent) rods.

Во-вторых, в данном экране светоотражающая пленка наносится непосредственно на рентгенопрозрачную (не обязательно оптически прозрачную) подложку, на которую затем последовательно наносятся органическая пленка и рентгенолюминесцентный слой из структурированного сцинтиллятора.Secondly, in this screen, a reflective film is applied directly to an X-ray transparent (not necessarily optically transparent) substrate, onto which an organic film and an X-ray luminescent layer from a structured scintillator are then successively applied.

В-третьих, в данных экранах входящее рентгеновское излучение, в отличие от рентгенографических экранов для просвечивания, проходит последовательно через рентгенопрозрачную подложку, металлическую и органическую пленки и формирует в поле монокристаллов сцинтиллятора видеоизображение, которое регистрируется фотоприемником - например матрицей фотодиодов.Thirdly, in these screens, incoming x-ray radiation, in contrast to x-ray screens for transmission, passes sequentially through an X-ray transparent substrate, metal and organic films and forms a video image in the field of scintillator single crystals, which is detected by a photodetector - for example, an array of photodiodes.

Недостатки прототипа - наиболее эффективные и часто применяемые в качестве сцинтиллятора монокристаллы Nal весьма гигроскопичны, что требует при их применении создания для экрана дополнительной изолирующей от атмосферной влаги герметичной оболочки. Важно также отметить, что производство рентгенолюминесцентных экранов для плоскопанельных полупроводниковых детекторов является чрезвычайно сложным и трудоемким технологическим процессом. Поэтому их стоимость превышает в десятки и сотни раз стоимость изготовления традиционных рентгеновских экранов (в т.ч. заявляемого экрана) для просвечивания, применяемых в медицинской рентгенографии.The disadvantages of the prototype are the most effective and often used as scintillator Nal single crystals are very hygroscopic, which requires the creation of an additional airtight sealant that isolates from atmospheric moisture. It is also important to note that the production of X-ray fluorescent screens for flat panel semiconductor detectors is an extremely complex and labor-intensive process. Therefore, their cost exceeds tens and hundreds of times the cost of manufacturing traditional x-ray screens (including the inventive screen) for transmission used in medical radiography.

Задачей изобретения является улучшение светотехнических характеристик рентгеновских экранов путем внесения изменений в их конструкцию.The objective of the invention is to improve the lighting characteristics of x-ray screens by making changes to their design.

В заявляемом нами экране рентгенолюминесцентный слой имеет принципиально иное устройство. Он представляет собой равномерно распределенный в связующем порошкообразный рентгенолюминофор с заданными химическим и гранулометрическим составами и толщиной, зависящими от его назначения. Варьирование размерами зерен порошкообразного рентгенолюминофора позволяет создавать экраны с различной пространственной разрешающей способностью, чего трудно технологически добиться с экранами для плоскопанельных полупроводниковых детекторов [8].In our claimed screen, the X-ray luminescent layer has a fundamentally different device. It is a powdery X-ray phosphor uniformly distributed in a binder with predetermined chemical and particle size distribution and thickness, depending on its purpose. Varying the grain size of the powdered X-ray phosphor allows you to create screens with different spatial resolution, which is difficult to technologically achieve with screens for plane-panel semiconductor detectors [8].

В заявляемом экране иная последовательность расположения элементов. Конструктивно экран состоит из оптически прозрачной подложки (стекло, целлулоид и др.), на которую нанесены последовательно слой порошкообразного рентгеночувствительного люминофора в связующем, оптически прозрачная органическая и тонкая металлическая пленки.In the inventive screen, a different sequence of arrangement of elements. Structurally, the screen consists of an optically transparent substrate (glass, celluloid, etc.), on which a layer of powdery x-ray phosphor in a binder is applied sequentially, an optically transparent organic and thin metal film.

Между слоем люминофора и пленкой металла располагается оптически прозрачная органическая пленка, которая совместно со слоем металла обеспечивает «зеркальное» (обратное) отражение светоизлучения зерен люминофора, а также предотвращает отравление люминофора металлом во время его вакуумного напыления и окисление поверхности металлической пленки в зоне контакта [7]. Наличие органической пленки, имеющей хорошо сглаженную поверхность, позволяет сформировать на ее поверхности при вакуумном напылении металлическую светоотражающую пленку с минимальным коэффициентом диффузного отражения.Between the phosphor layer and the metal film there is an optically transparent organic film, which together with the metal layer provides a “mirror” (back) reflection of the light emission from the phosphor grains, and also prevents the phosphor from being poisoned by the metal during its vacuum deposition and oxidation of the surface of the metal film in the contact zone [7 ]. The presence of an organic film having a well-smoothed surface makes it possible to form a metal retroreflective film on its surface under vacuum deposition with a minimum diffuse reflection coefficient.

Как известно, из металлов наибольшей светоотражающей способностью обладают серебро, алюминий и палладий. Выбор алюминия в качестве материала для отражающей металлической пленки оптимален в силу его малого атомного номера, соответственно меньшей поглощающей способности к рентгеновскому излучению и более низкой относительной стоимости.As you know, of metals, silver, aluminum and palladium have the highest reflective ability. The choice of aluminum as a material for a reflective metal film is optimal due to its small atomic number, respectively, lower absorption capacity for x-ray radiation and lower relative cost.

В заявляемом экране ход электромагнитного излучения имеет направление, обратное в [8]. Входящее рентгеновское излучение проходит последовательно через светоотражающую металлическую и оптически прозрачную органическую пленки, проникает в следующий за ними слой порошкообразного рентгенолюминофора в связующем, где непосредственно происходит преобразование рентгеновского теневого изображения в видимое, которое попадает в фотоприемное устройство через оптически прозрачную подложку как напрямую, так и обратно, отразившись от зеркальной металлической пленки. Необходимо подчеркнуть, что компонента рентгенолюминесцентного фотопотока, направленная в обратную от фотоприемного устройства сторону, при работе традиционных рентгеновских экранов для просвечивания обычно не используется (поглощается материалом подложки) [3]. Суть изобретения состоит именно в нахождении технического решения для использования данной компоненты излучения в выходном сигнале экрана.In the inventive screen, the course of electromagnetic radiation has the opposite direction in [8]. The incoming x-ray radiation passes sequentially through reflective metal and optically transparent organic films, penetrates into the next layer of powdered x-ray phosphor in the binder, where the x-ray shadow image is directly converted to visible, which enters the photodetector through an optically transparent substrate both directly and back reflecting off a mirrored metal film. It must be emphasized that the component of the X-ray luminescent photostream directed to the opposite side from the photodetector is not usually used for transmission through traditional X-ray screens (absorbed by the substrate material) [3]. The essence of the invention consists precisely in finding a technical solution for using this radiation component in the output signal of the screen.

Предлагаемая нами конструкция рентгенопреобразующего экрана позволяет существенно повысить его эффективность за счет использования отраженного от зеркальной металлической пленки рентгенолюминесцентного фотоизлучения, направленного в противоположную от фотоприемного устройства сторону.The design of the X-ray transforming screen that we propose allows us to significantly increase its efficiency due to the use of X-ray fluorescence reflected from the mirror metal film, directed in the direction opposite to the photodetector.

Нами экспериментально установлено, что алюминирование позволяет повысить светоотдачу рентгенопреобразующего экрана на 40-80%. Исследование зависимости яркости свечения (в относительных единицах) было проведено для рентгеновского люминесцентного экрана, изготовленного на основе сульфида цинка-кадмия, активированного серебром, с гранулометрическим составом 7-8 мкм и толщиной люминофорного слоя 28-35 мкм.We experimentally found that aluminization can increase the light output of an X-ray transforming screen by 40-80%. A study of the dependence of the brightness of the glow (in relative units) was carried out for an X-ray luminescent screen made on the basis of silver-activated zinc-cadmium sulfide with a particle size distribution of 7-8 μm and a phosphor layer thickness of 28-35 μm.

На фиг.1 изображена конструкция рентгеновского люминесцентного экрана с металлической светоотражающей пленкой, гдеFigure 1 shows the design of an x-ray fluorescent screen with a metal reflective film, where

1 - оптически прозрачная подложка,1 - optically transparent substrate,

2 - слой распределенного в связующем порошкообразного рентгенолюминофора,2 - layer distributed in a binder powdery X-ray phosphor,

3 - органическая пленка,3 - organic film,

4 - металлическая светоотражающая пленка.4 - metal reflective film.

На фиг.2 изображена система преобразования рентгеновского изображения на основе рентгеновского люминесцентного экрана, гдеFigure 2 shows a system for converting an x-ray image based on an x-ray fluorescent screen, where

1 - система видеорегистрации (фотоприемник),1 - video recording system (photodetector),

2 - рентгеновский экран,2 - x-ray screen,

3 - исследуемый объект.3 - the investigated object.

На фиг.3 изображена зависимость яркости свечения рентгеновского экрана от напряжения на рентгеновской трубке, гдеFigure 3 shows the dependence of the brightness of the x-ray screen on the voltage on the x-ray tube, where

1 - соответствует неалюминированному,1 - corresponds to non-luminated,

2 - алюминированному экранам.2 - aluminized screens.

Таким образом, предлагаемое конструктивное изменение устройства рентгеновского люминесцентного экрана в виде добавления тонкого светоотражающего слоя и применение оптически прозрачной подложки позволяют существенно поднять энергетическую эффективность экрана. Применение, например, алюминированных рентгенопреобразующих экранов в системах визуализации рентгеновских изображений, построенных, например, по схеме «экран-оптика-ПЗС матрица» позволяет поднять их чувствительность и снизить лучевую нагрузку на исследуемый объект на 40-80%.Thus, the proposed constructive change in the device of the X-ray fluorescent screen in the form of adding a thin reflective layer and the use of an optically transparent substrate can significantly increase the energy efficiency of the screen. The use, for example, of aluminized X-ray transforming screens in X-ray image visualization systems constructed, for example, according to the “screen-optics-CCD matrix” scheme, makes it possible to increase their sensitivity and reduce the radiation load on the studied object by 40-80%.

Источники информацииInformation sources

1. Гурвич A.M. Физические основы радиационного контроля и диагностики. - Энергоатомиздат, 1989.1. Gurvich A.M. Physical foundations of radiation monitoring and diagnostics. - Energoatomizdat, 1989.

2. Блинов Н.Н. Усиливающие рентгеновские экраны // Мед. техника. -1993. - №4.2. Blinov N.N. Amplifying X-ray screens // Honey. Technics. -1993. - No. 4.

3. Основы рентгенодиагностической техники / Под ред. Н.Н.Блинова: - М.: Медицина, 2002. - 392 с.3. Fundamentals of X-ray diagnostic technology / Ed. N.N. Blinova: - M .: Medicine, 2002 .-- 392 p.

4. Хоконов Х.Б., Карамурзов Б.С, Ширяев В.Т., Коков З.А., Забавин А.Н. Устройство для преобразования рентгеновского изображения в видеосигнал. Патент РФ №2163425 от 20.02.2001 г.4. Khokonov H.B., Karamurzov B.S., Shiryaev V.T., Kokov Z.A., Zabavin A.N. A device for converting an x-ray image into a video signal. RF patent №2163425 from 02.20.2001

5. Чикирдин Э.Г., Мишкинис А.Б. Техническая энциклопедия рентгенолога. МНПИ, 1996. С.450.5. Chikirdin EG, Mishkinis A.B. Technical encyclopedia of the radiologist. MNPI, 1996.S. 450.

6. АС №1753439 А1, 07.08.1992.6. AC No. 1753439 A1, 08/07/1992.

7. Эспе В. Технология электровакуумных материалов. Том III. Вспомогательные материалы. Пер. с нем. яз. М.-Л.: Энергия, 1969, 368 с.7. Espe V. Technology of electrovacuum materials. Volume III Supporting materials. Per. with him. lang M.-L.: Energy, 1969, 368 p.

8. Патент JP 4057316 B2 (HAMAMATSU PHOTONICS KK, JP), 05.03.2008.8. Patent JP 4057316 B2 (HAMAMATSU PHOTONICS KK, JP), 05.03.2008.

Claims (1)

Рентгеновский люминесцентный экран, содержащий подложку и нанесенный на нее слой распределенного в связующем люминофора, а также последовательно нанесенные на рентгенолюминесцентный слой оптически прозрачную органическую и тонкую светоотражающую металлическую пленки, отличающийся тем, что экран включает рентгенолюминофор с гранулометрическим составом 7-8 мкм и толщиной рентгенолюминесцентного слоя 28-35 мкм, рентгеновское излучение проходит последовательно через светоотражающую металлическую и органическую пленки, проникает в следующий за ними слой порошкообразного рентгенолюминофора в связующем, где непосредственно происходит преобразование рентгеновского теневого изображения в видимое, которое попадает в фотоприемное устройство через оптически прозрачную подложку как напрямую, так и обратно отразившись от зеркальной металлической пленки. An X-ray luminescent screen containing a substrate and a layer of a phosphor distributed in the binder, and also an optically transparent organic and thin reflective metal film successively deposited on the X-ray luminescent layer, characterized in that the screen includes an X-ray phosphor with a granulometric composition of 7-8 μm and a thickness of the X-ray luminescent layer 28-35 microns, x-ray radiation passes sequentially through reflective metal and organic films, penetrates into the wake the layer of powdery X-ray phosphor behind them in the binder, where the X-ray shadow image is directly converted to visible, which enters the photodetector through an optically transparent substrate both directly and backwardly reflected from the mirror metal film.

Images