Brevet FR2075856A1 — publié le 19711015

La présente invention concerne le, réalisation de scintillateurs pour rayons X et gamine.. Un cas l'application particulièrement important de ces ecin-tillateurs est celui dec? tubes intensificateurs d'inages en rayons X et gamma. 5 C'est pourquoi l'on a choisi,pour illustrer l'invention de ùé- crire l'un de ces tubes, étant bien entendu qu'un tel tube n'est considéré qu'a titre d'exemple non limitatif et qu'il ne constitue en aucune manière, comme cela sera précisé, la seule application possible des scintillateurs de l'invention. 10 On rappelle brièvement le principe de fonctionnement de ces tubes : Un tube intensificateur d'image en rayon X ou gamma comporte, dans une enveloppe à vide, deux écrans, généralement situés aux deux fcxtrémités de l'enveloppe, l'un dit écran détecteur et 15 l'autre dit écran d'observation. Sur le trajet du rayonnement utilisé, sont disposés sucessi-vement l'objet et le tube intensificateur d'images, l'écran détecteur du tube faisant face i. l'objet. Cet écran reçoit le rayonnement ajrant traversé l'objet. 20 L'écran détecteur comporte, du côtjî de l*obj«t, tojjo couche, dite couche luminescente ou scintillateur, capable d'émettre des photons dans la gamme des radiations lumineuses, dits photons lumineux, sour l'effet du rayonnement reçu de l'objet, et de l'autre une couche photosensible émettant des électrons sous 25 l'effet de ces photons, dite photocathode . Les moyens nécessaires sont en outre prévus dans le tube pour accélérer et focaliser vers l'écran d'observation les électrons énis par .la photocathode| on obtient ainsi, par bombardement de cet écran, une image de l'objet. 30 Diverses solutions ont été proposées dans le passé peur la réalisation ce tels écrans détecteurs, parmi lesquelles les principales prévoyaient, les unes un support contrai transparent de part et d'autre duquel étaient disposées les ccuches luminescente et photosensible^et les autres le dépôt direct de BAD ORIGINAL 69 45437 2 2075856 la couche photosensible sur la couche luminescente» Quelle eue soit le, conception adopté et la nature du matériau employé ZnS, ZaCclS , ISTa , ICs, Ca ¥0^ ... ries difficultés ap- -paraissent en ce oui concerne l'adhérence de la couche luaines-5 cente sur le support et sa tenue sous l'effet des dilatations pouvant affecter celui-ci. Ces difficultés sont évidemment, toutes choses égales, d'autant plus grandes, que l'épaisseur du scintillateur est plus grande. 10 Or, il est bien connu^dans la technique de ces tubes,qu'il y a intérêt à augmenter 1'absorption des photons S eu gamma et par Stiite^pour un Eatériau donné^à augmenter l'épaisseur de la couche luminescente afin d'améliorer l'efficacité du tube, c'est-à-dire son rendement quantieue ou encore la .luainosité de l'image finale '5 délivrée par l'écran d'observation. Il va sans dire qu'on ne peut non plus augmenter cette épais&eur au-delà d'une certaine limite sans risquer de nuire a la résolution spatiale de l'inage: lorsque cette épaisseur est trop grande l'image d'xui point sur l'écran d'observation n'est plus rigoureusement ponctuelle par suite de la 20 diffusion des photons lumineux dans l'épaisseur du scintillateur. L'objet de l'invention est la réalisation de scintillateurs, en halogénures alcalins, plus épais que ceux de l'art connu et présentant néanmoins une bonne adhérence sur leur support et une bonne tenue en fonctionnement. 25 L'invention est applicable, entre autres, aux écrans détec teurs composites de tubes intensificateurs d'images en rayons jI et gamma décrits plus haut, comprenant une couche luminescente d'hologénures alcalins tels que par exemple l'iodure de césium, 1'iodure de potassium, sodium ..comportant un ou plusieurs ac— 30 tivateurs teis que thallium, ou sodium déposés par évapora-tien scus vide sur un support, et à couché photosensible en l'un des matériaux connus, tels eue les composés complexes de l'antimoine et des métaux alcalins, césium, potassium, socium, rubidium . 8AD ORIGINAL 69 45437 3 2075856 L'invention est basée sur la constatation^résultant des travaux faits dans les laboratoires de la Demanderesse^ que l'adhérence de la couche de scintillateur sur son support est meilleure lorsque celui-ci présente me structure fibreuse obtenue en pro-5 cédant par évaporations successives sous vide de la aatière le constituant sur un support maintenu h basse tè.ipérature, chacune de ces évaporations donnant lieu au dépôt d'un fragment d'épaisseur de la couche définitive, les fibres de la structure ainsi obtenue s * orientant^ naturellement^sensiblement perpendiculaire-10 ment à la surface du support. Les mêmes travaux ont permis de reconnaître, que toutes choses égales, cette adhérence est encore améliorée lorsque le support est recouvert, préalablement au dépôt de la couche luminescente d^une couche intermédiaire poreuse dont la nature et l'épaisseur seront précisées ultérieurement 15 sur des exemples. Cette structure présente par ailleurs divers avantages sur lesquels il sera revenu par la suite. La présente invention concerne un scintillateur pour rayons X ou gamma constitué d'une couche luminescente activée à base d'ha-20 logénures alcalins déposée sur un support, caractérisé en ce que la dite couche luminescente est essentiellement constituée par des aiguilles sensiblement perpendiculaires audit support» L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent : 25 ' Figure 1 : une vue schématique en coupe montrant les éléments principaux d'un tube intensificateur d'images en rayons X ou gamma. Figure 2 : une vue schématique en coupe montrant les principaux éléments d'une installation utilisée dans la fabrication selon l'invention de l'écran détecteur du tube de la figure 1. 30 Figure 3 : une vue en coupe à échelle agrandie d'une portion de l'écran détecteur de la figure 2. Sur la figure 1, donnée à titre d'exemple d'application de l'invention, on distingue h l'intérieur d'une enveloppe à vide 1, situés au voisinage des extrémités de celle-ci, un écran détec-35 teur 2, un écran d'observation 3 et entre les deux des électrodes 4 BAD ORDINAL 5 69 45437 4 2075856 4, 5, 6 pour la commande et la focalisation du faisceau d'électrons, symbolisé par les lignes obliques, issu, en fonctionnement de 1*écran 2 et se dirigeant vers l'écran 3. Les sources de tension auxquelles sont reliées les diverses 5 électrodes du tube ne sont pas représentées. L'écran 2 est disposé sur le trajet du rayonnement X ou gamma, flèches, face à l'objet 7 dont on veut observer l'image sur l'écran 3. L'écran détecteur 2 auquel s'applique l'invention comprend essentiellement sur un support, dit support d'écran, une couche 10 luminescente, sensible au rayonnement incident, du côté objet, et une couche photosensible tournée vers l'écran fluorescent d'observation et émettant des électrons vers celui-ci,comme déjà indiqué plus haut. Dans une variante classique, non représentée, le support 15 de l'écran 2 est confondu avec la face avant 10 de l'enveloppe 1. Toutes les caractéristiques de l'invention sont valables dans un cas comme dans l'autre. La figure 2 montre le schéma d'une installation de dépôt par évaporation sous-vide utilisée pour la fabrication,selon l'in -20 vention^des écrans détecteurs des tubes tels que celui de la figure 1 : à 1*intérieur d'une enveloppe 20, dans laquelle le vide est entretenu par une pompe 21, sont placés un support d'écran 30, en forme de calotte sphérique, portant un revêtement 32 dont il sera question plus en détail plus loin, et dont l'épaisseur 25 a été fortement exagérée, et un évaporateur consistant en un creuset 22 contenant la matière constitutive 24 de la couche luminescente de l'écran à réaliser, un halogénure alcalin, entouré d'une résistance chauffante 23 pour l'obtention de la température d'évaporation désiréej la matière évaporée se condense sur le 30 support d'écran 30, 32. Le dépôt de la couche luminescente 31 , également fortement grossie, a lieu par évaporations successives limitées dans le temps afin de limiter la température atteinte par le support 30, 32 sous-l'effet du rayonnement de 1'évaporateur 22, 23 et du 35 condensât . L'élévation de température maximale tolérée selon 69 45437 5 2075856 l'invention sur le support d'écran au cours de ces opérations est de 150*C. environ. Pour réaliser cette condition on dispose par exemple sur l'écran, en contact intime avec celui-ci, une pièce ayant laforae de celle représentée en 25 perche de canaux 26 5 dans lesquels est établie une circulation de fluide réfrigérant. On obtient par ce procédé une couche d'Iialojénures alcalins 31 à structure fibreuse forme des aiguilles représentées en 4G, sur la figure 3 à grande échelle, normales à la surface du support dans la direction des hachures de la figure 2. Ces aiguilles qui '.0 présentent un diamètre de 5 à 10 yum à leur base sont juxtapo-qées au niveau de celle-ci et séparées par des vides 41 inférieurs à 1 ^um, comme le montre l'examen au microscope. Leur densité est, selon la vitesse d'évaporation adoptée de 85 à 95$ de celle du produit brut 24. 15 La couche 32 est destinée s favoriser l'accrochage des aiguilles 40 de la couche d'halogénure 31. Elle est réalisée suivant une méthode qui dépend de la nature de l'élément qui la constitue ainsi que de la nature du support 30. Elle x^eut en particulier être elle aussi obtenue par évapora-20 tion, en utilisant la même installation. Ci-dessous sont données à titre d'exemple les caractéristiques de réalisation d'un écran suivant l'invention î Couche luminescente au scintillateur (31) s - Surrport d'écran (30) ï calotte aphérique en verre de _JL_ na, • 10 25 d'épaisseur et de iô0 mm de rayon - 3 a 4 ors®13613 de ICs activés à 2"/<> de thallium, dans une nacelle de tantale disposée à 200 ma du support d'écran. _4 - évaporation scus un vide de l'ordre 10 ïcrr - température de la nacelle maintenue à 620°C pendant deux niinu-30 tes environ lorsque le vide c.s 10"*"' Torr est atteint, - 3 à 10 évaporations successives - épaisseur obtenue à chaoue .fra-ooration : 7 à 11 /ura 1 Couche intermédiaire (32) : - Matériau : ni chcl 35 — ."ivaporation sous vicie - Epaisseur 200 à 1000 nm déposé en une seule foin BAD ORIGINAL 69 45437 6 2075856 •• L8 accrochage du nickel sur ie support 3C en Terre peut être-favoris é par trempage de la- lamé de- verre dans -tin bain fluorby« ûrique à 10$ de -SE ou de HHE^ • • Dans l'exemple de la figure 1, la couche photosensible 34 5 naest déposée sur la couche du scintillateur 31 qu'après l'incorporation de 1récran?comprenant à ce stade le support, la couche intermédiaire et la couche de scintillateur, dans le tube déjà muni de 18écran d'observation et de toutes les autres électrodes» 311e se fait elle-même par évaporation d'antimoine et de métaux 10 alcalins à une température de 100°0® environ. Naturellement diverses autres variantes sont également possibles ; par exemple le support 30 peut être en métal au lieu d'être en verre, en aluminium ou en béryllium par exemple, d'une épaisseur du même ordre que dans le cas du verre, recouvert sur sa face en 15 contact avec le scintillateur par une couche d'oxyde do 5 à lOyum d'épaisseur obtenue dons ce cas par anodisationj ou encore, dans le cas d'un support en verre, la couche intermédiaire 32 peut être en un alliage de î?e, Ni, Ce connu dans la technique des tubes électroniques sous le nom de PSEIHCO, en acier inoxydable, en 20 nickel-chrome à 80-20 d'tme épaisseur du même ordre que celle de la couche de nickel de l'exemple ci-dessus. Les' avantages des écrans détecteurs réalisés conformément à l'invention par rapport à ceux de l'art connu sont nombreux : La structure fibreuse de la couche d'halogénure constituant 25 le scintillateur présente une souplesse mécanique, c'est-à-dire une aptitude à se prêter aux déformation du support pouvant intervenir en cours de fonetionnement, qui est très grande. Grâce à leur structure fibreuse les scintillateurs de l'invention tolèrent en effet* sans détérioration une bien plus grande épaisseur, 30 de même qu'une plus grande différence de température entre Ieensemble support, couche intermédiaires, 30—32, et la couche d'halogénure que les écrans de l'art connu, toutes deux recherchées couse de;; à souligné plus haut» 3e même ils tolèrent un bien plus grand écart entre les ccef-35 ficients de dilatation du support et du la jsq&tiirr® ds la BAD ORIGINAL 69 45437 7 2075856 couche luminescente; ils permettent ainsi un plus large choix du matériau constitutif du support . En particulier, avec les couches d'halogénure à aiguilles de l'invention, il est possible d# choisir des supports en matière plastique présentent un coefficient —7 5 de dilatation de l'ordre de 1000 x 10"" /°C., valeur sensiblement plus élevée que celle du coefficient de dilatation du Iodure de césium qui est de l'ordre de 570 x 10" /°C. environ, sans incon-. vénient pour la couche luminescente. Or, l'emploi de matières plastiques a l'avantage de permettre la réalisation d'écrans de 10 grandes dimensions et présentant un profil géométrique donné à l'avance^mis en forme par polymérisation ou pressage dans un moule. Dans ce cas, il est bien entendu nécessaire de réduire le choix à des matières plastiques présentant une faible tension de 15 vapeur et ne se décomposant pas aux températures d'étuvage du tube. Le polytétrafluoéthylène et les résines silicone type SI 804 et SI 808 de la Société Industrielle des Silicones répondent particulièrement bien à ces conditions. Les écrans de l'invention assurent par ailleurs une résolution 20 spatiale meilleure, la lumière produite par l'excitation du rayonnement X ou gamma dans la couche luminescente étant en grande partie canalisée dans les aiguilles à l'exclusion de toute diffusion. de surface. Dans le cas des scintillateurs des tubes intensificateurs 25 d'images comme celui représenté en figure 1, la réalisation de la couche photosensible 34, figure 3, de l'écran détecteur se trouve enfin elle-même facilitée par la structure de la couche luminescente 31, même figure ! le matériau photosensible vient enrober les extrémités 42 des aiguilles 40 ce qui favorise son accrocha— 3C ge sur la couche luminescente 31. La oouche 34 se dépose dans les interstices 43 entre les aiguilles 40. 3n même temps la probabi — lité de collection,par la couche photosensible^ des photons lumineux engendrés dans la couche luminescente, se trouve accrue. L'invention, décrite dans le cas d'un scintillateur^ partie 35 intégrante d'un écran à couche photosensible photoémettrice} 69 45437 8 2075856 incorporé lui-même à un tube intensificateur d'images en rayons X ou gamme, couvre de façon plus générale tous les dispositifs incorporant un scintillateur réalisé conformément à l'invention» Elle couvre toutes les utilisations d'un tel scintillateur 5 qu'il soit ou non incorporé à un tube ou qu'il soit pris isolément. Dans le cas où le scintillateur est incorporé à un écran comportant par ailleurs une couche photosensible, elle couvre aussi bien le cas où celle-ci est photoénétricce que celui où. elle est 10 photoconductrice. Enfin relèvent également de l'invention, tous les tubes pour rajrons X ou gamma qui, incorporant un écran comprenant un scintillateur de l'invention, sont destinés Con plus à l'observation, comme dans l'exemple décrit, mais à l'enregistrement ou au stoc-15 kage de signaux fournis par cet éoïaô en vue de leur restitution ultérieure. De façon générale, l'invention admet d'autres variantes, accessibles à l'homme de l'art, que celles décrites et représentées• Toutes ces variantes sont comprises dans l'invention. 69 45437 9 2075856 ngraïaicAgioas '• Sciatillateur pour rayons Z ou gamme constitué d'une couche luminescente activée h base d'halogénurefs alcalins dépesée sur un support, caractérisé en ce que ladite couche luminescente est essentiellement constituée par des aiguilles 5 sensiblement perpendiculaires audit support» 2. Procédé de réalisation d'un scintillateur suivant la revendication 1, par dépôt suivant le processus connu en soi d'évaporation sous vide fractionnée, donnant lieu au dépôt de plusieurs couches superposées, caractérisé en ce que une couche 10 intermédiaire est formée, préalablement audit dépôt, sur ledit support et en ce que ledit support est maintenu au cours dudit dépôt à une température ne dépassant pas 150°G. grâce à un système de refroidissement» 3. Scintillateur suivant la revendication 1 obtenu par 1» 15 procédé de réalisation suivant la revendication 2. 4. Ecran détecteur pour tubes intensificateurs d'inages en rayons X ou gamma comprenant, sur un support, un scintillateur suivant la revendication 3 et directement déposé sur ledit scintillateur une couche photosensible. 20 5. Ecran suivant la revendication 4 dans lequel ladite couche photosensible est une couche phctoémettrice. 6. Scran suivant la revendication 4 dans lequel ladite couche photosensible est une couche photoconductrice. 7. Tube intensificateur d'images en rayons X ou gamma comprenant, 25 dans une enveloppe sous vide, un écran détecteur, un écran d'observation et des moyens pour accélérer et focaliser 5en fonctionnement- f un faisceau d'électrons issu dudit écran détecteur vers ledit écran d'observation, dans lequel ledit écran détecteur est un écran détecteur suivant la revendication 4. S s BADORKâlNAt ! 69 45437 10 2075856 8® 2ube intensificateur d'images en rayons X ^u gamma suivant la revendication 7, dans lequel le support ducit écran détecteur est confondu avec «no partie de la-paroi de ladite enveloppe» 9. "eut dispositif pour l'observation, 3.'enregistrement ou 5 le stockage d'images en rayons X.ou gomma incorporant un scintillateur suivant la revendication 3. BAD ORIGINAL