Brevet FR2479559A1 — publié le 19811002

L'invention concerne des écrans luminescents à résolution élevée pour tubes électroniques reproducteurs d'images, tels que les tubes intensificateurs d'images de rayons X, ainsi qu'un procédé de fabrication de ces écrans. Un tube intensificateur d'images de rayons X se compose essentiellement d'une enceinte sous vide dans laquelle sont montés un écran de réception des images de rayons X, à une ex- trémité, et un écran luminescent d'affichage à l'autre extré- mité. L'écran de réception est constitué par une couche d'un - 10 matériau qui émet des rayonnements lumineux par absorption différentielle des rayons X d'un faisceau porteur d'une image. Une photocathode, sous forme d'un film mince émetteur d'élec- trons, recouvre le matériau précité et émet des photoélectrons en quantités dépendant de la répartition des rayonnements lu- mineux émis par ce matériau. Des électrodes annulaires de focalisation sont disposées entre la photocathode et l'écran luminescent qui joue le rôle d'anode. Un potentiel élevé est appliqué sur cette anode, po- sitif par rapport à la photocathode, et, sous l'impact du faisceau d'électrons focalisé, l'écran luminescent émet des rayonnements lumineux sous forme d'une image optique, de di- mensions réduites mais brillante, de l'image de rayons X re- çue en entrée. Dans les appareils de diagnostic à rayons X, il est courant de placer un objectif sur l'axe optique de l'é- cran d'affichage et, par l'intermédiaire d'un répartiteur, de diriger l'image vers divers appareillages tels qu'un appareil photographique, une caméra de télévision, ce qui permet de reproduire cette image sous différentes formes. L'écran luminescent des tubes électroniques doit être à résolution élevée, notamment s'il s'agit de tubes images. Di- verses études ont été faites de l'influence sur la résolution de la dimension des grains ou particules de luminophore, du poids, de la densité de tassement et du procédé de fabrication de l'écran. Normalement, on obtient une résolution élevée aux dépens d'autres caractéristiques de l'écran telles que le ren- dement de conversion électrons-lumière, la luminosité, la péné- tration des électrons, la longévité de l'écran. Dans les tubes images tels que les tubes intensificateurs d'images de rayonsX, une luminosité élevée et une résolution élevée sont primordia- les puisque, en dernière analyse, c'est de ces caractéristi- ques que dépend la qualité d'informations pouvant être obte- nues du système pour établir un diagnostic. On peut accroître la luminosité en augmentant la diffé- rence de potentiel entre photocathode et anode, afin d'accroî- tre la vitesse des électrons, ce qui permet d'obtenir des scin- tillations lumineuses plus intenses pour chaque électron absor- bé. Mais, lorsqu'on accroît la différence de potentiel entre photocathode et anode, il est nécessaire de prévoir une couche plus épaisse de luminophore pour éviter la traversée du lumi- nophore par les électrons à plus forte pénétration et, par suite, un bruit excessif. Jusqu'à présent, avec les écrans lu- minescents minces fabriqués par des procédés classiques, la différence de potentiel est limitée à 25 kV environ, afin de réduire la diffusion ionique, d'éviter une pénétration exces- sive des électrons et un fort niveau de bruit. La luminosité n'est donc pas optimum. Si, par ailleurs, on accroît l'épais- seur de la couchi de luminophore ainsi que la dimension des grains de luminophore, la résolution de l'image n'est pas op- timum. Le meilleur écran luminescent reste néanmoins un écran dont la couche de luminophore serait suffisamment épaisse pour que, les électrons ayant des énergies suffisamment élevées, on puisse obtenir une forte luminosité sans sacrifier la résolu- tion. Le procédé qui va être décrit permet d'atteindre cet ob- jectif. L'un des procédés utilisés pour déposer un luminophore à la surface d'un substrat transparent d'écran consiste à centri- fuger une suspension de luminophore sur ce substrat afin d'aug- menter la densité de tassement du produit et, par suite, d'en réduire l'épaisseur. Avec ce procédé, on obtient des fonctions de transfert modulaire de l'ordre de 45 % à 40 paires de lignes par millimètre. Ce chiffre élevé provient de l'utilisation de luminophores à grains fins, de poids plus faibles d'écran et de divers autres paramètres. Mais le rendement de l'écran est plus faible, le bruit et la pénétration des électrons étant nécessairement accrus. Des écrans minces de ce type ne sont pas satisfaisants pour les tubes intensificateurs d'images de rayons X dont le potentiel d'anode devrait être de l'ordre de kV, et non réduit à 25 kV et même moins comme cela a été le cas dans le passé. On trouvera, dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N0 2.119.309, la description d'un procédé qui consiste à utiliser un substrat avec parois latérales pour contenir une suspension liquide de luminophore, ce substrat étant entraîné en mouvement circulaire à grande vitesse autour d'un axe parallèle à son plan, de manière à créer une compo- sante radiale de force qui tasse le luminophore et tent à l'é- taler uniformément. Le substrat est parfois entraîné lui-même en rotation de manière à répartir le luminophore. Cette opéra- tion consiste à entraîner en rotation le substrat qui a été revêtu d'une suspension liquide de luminophore, à vitesse re- lativement faible, autour d'un axe perpendiculaire au plan de ce substrat, afin de provoquer l'étalement uniforme du lumino- phore sans nécessairement le tasser. On trouvera une explica- tion de ce procédé dans le brevet des Etats Unis d'Amérique No 4.025.662. Un autre procédé de dépôt est décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique NI 2.798.821. Ce procédé consiste à é- tendre à la brosse un luminophore à. grains fins sur un subs- trat qui a été revêtu d'un matériau thermoplastique ayant été chauffé à une température proche de son point de fusion, puis à laisser la couche se former, l'excédent de luminophore non collé étant ensuite éliminé. On obtient de la sorte des écrans lisses à résolution élevée avec des fonctions de transfert mo- dulaire de plus de 80 % à 40 paires de lignes par millimètre. Mais les écrans minces obtenus avec ce procédé ne peuvent pas être utilisés pour des tubes intensificateurs d'images de rayons X avec des potentiels de fonctionnement de 30 kV, la pénétration des électrons étant trop élevée au-dessus de 20 kV. Conformément à l'invention, on forme un écran à couches multiples de luminophore en formant, sur un substrat transpa- rent, une couche de luminophore à grains fins, et en formant, sur cette couche, une autre couche à grains plus gros. Un film conducteur, par exemple de l'aluminium vaporisé, est ensuite formé sur la couche à gros grains. L'épaisseur de la couche à gros grains est suffisante pour moduler la pénétration des électrons, et la couche à grains fins formant la face d'affi- chage de l'écran a un aspect lisse et homogène et la résolu- tion élevée souhaitée. En résumé et conformément à l'invention, on revêt un sub- strat transparent d'un matériau thermoplastique fluide saturé d'un luminophore à grains fins. La couche formée est séchée par entraînement en rotation. La couche est chauffée à une température proche de son point de fusion, puis, à l'aide d'une éponge, on force un luminophore à grains fins en excès à pénétrer dans la couche fondue, et cette dernière retient ainsi une couche uniforme de fines particules. Après refroi- dissement et oxydation du revêtement thermoplastique par étu- vage, on répartit sur ce revêtement, par centrifugation, un mélange de silicate et d'un luminophore à grains plus gros en suspension dans un électrolyte aqueux' à base, par exemple, de bicarbonate de sodium. Le deuxième revêtement à grains plus gros formé sur le revêtement déposé à l'aide d'une éponge conduit à des poids d'écran corrects qui permettent d'éviter les problèmes de pénétration d'électrons sous des potentiels d'anode élevés. L'écran obtenu est remarquable, sa résolution étant amé- liorée par rapport aux écrans fabriqués en faisant appel exclu- sivement au procédé de centrifugation. On obtient des fonc- tions de transfert modulaire de 75; à 40 paires de lignes par millimètre, La face d'affichage de l'écran est lisse et son aspect est comparable à celui des écrans fabriqués par centri- fugation. Le silicate utilisé comme liant améliore également la résistance de l'écran par rapport à ceux fabriqués par dé- pôt à l'aide d'une éponge. On peut utiliser des potentiels d'a- node plus élevés que ceux utilisables avec les écrans précédem- ment fabriqués. L'écran se compose donc de fines particules de luminophore au niveau du substrat donnant à cet écran son as- pect lisse, ces fines particules étant recouvertes d'une cou- che de particules plus grosses de luminophore grâce à laquelle on améliore l'absorption des électrons et le rendement de conversion. L'invention sera maintenant décrite en se reportant aux dessins annexés qui représentent: - Fig. 1, une coupe longitudinale d'un tube intensifica- teur d'images de rayons X, cette vue illustrant une utilisa- tion de l'écran à résolution élevée conforme à l'invention, - Fig. 2, une vue en coupe d'un-écran luminescent confor- me à l'invention, et - Fig. 3, le diagramme des étapes de fabrication de l'é- cran conforme à l'invention. On a illustré figure 1 un tube intensificateur d'image qui constitue un exemple de tube électronique pour la conver- sion d'une image de rayonnements invisibles en une image visi- ble. Le tube représenté se compose d'une enceinte en verre 10 avec une face d'entrée 11 de l'images L'image incidente de rayons X est illustrée par les flèches, La surface interne de la face avant 11 peut comporter un revêtement 12 transmetteur des rayons X mais opaque à la lumière, Sur ce revêtement est formée une couche 13 qui émet des rayonnements visibles sous l'impact des rayons X. Enfin, sur la couche luminescente 13, est formée une couche 14 de matériau photo-émissifq La densi- té des électrons émis en une zone donnée de la couche photo- émissive 14 est proportionnelle à la luminosité de la zone correspondante de la couche luminescente. La couche photo- émissive 14 est utilisée comme photocathode et se trouve à un potentiel négatif par rapport à l'écran luminescent de sor- tie 15 qui est porté au potentiel d'anode. L'écran 15 conver- tit l'image électronique en une image visible qui peut être observée au travers de la paroi d'extrémité 16 du tube image. L'écran 15 se compose d'un substrat 17, généralement une fine plaquette de verre, comportant une ou des couches de lumino- phore 18i. Le procédé de fabrication de l'écran sera décrit dans ce qui suit. L'écran luminescent 15 est monté dans une électrode de focalisation 19 portée à un potentiel élevé, positif par rap- port à la photocathode 14, lorsque le tube est en fonctionne- ment. Le tube comporte des électrodes annulaires 20 et 21 por- tées à des potentiels de valeurs croissantes, positifs par rapport à la photocathode. Les électrodes 20 et 21 créent, avec l'anode 19, un champ électrostatique d'accélération et de focalisation du faisceau d'électrons. Les limites de l'ima- ge électronique sont illustrées par les lignes en traits in- terrompus 23 et 24. Bien entendu, l'image formée sur l'écran est inversée par rapport à l'image électronique émise de- puis la photocathode. On n'a pas représenté la source d'alimentation de la ca- thode et de l'anode du tube. En général, la tension de fonc- tionnement pour les tubes intensificateurs d'images de rayons X, pourvus d'écrans luminescents tels qu'ils étaient fabriqués jusque là, était limitée à 25 kV, et moins dans certains cas. Comme on l'a dit précédemment, on pourrait obtenir des niveaux plus élevés de luminosité avec des potentiels plus élevés. Mais cela n'était pas jusque là possible en raison du problème d'une pénétration excessive des électrons, du bruit qui en ré- sulte et se traduit par une perte de la résolution d'image. On a illustré figure 2, une vue en coupe agrandie d'une partie de l'écran luminescent de sortie. Cet écran se compose d'un substrat transparent 17, en verre par exemple, et d'une ou plusieurs couches de luminophore que l'on a référencées en 18. La première couche est faite d'un luminophore à grains fins; elle est référencée en 30 et peut d'ailleurs être elle- même constituée par plusieurs couches discrètes; la deuxième couche 31 est faite d'une ou plusieurs couches de luminophore à grains plus gros. Les couches de luminophore sont recouver- tes d'un film métallique mince 33, généralement de l'aluminium déposé par vaporisation. L'image électronique émise par la pho- tocathode 14 est représentée par les lignes fléchées de la par- tie supérieure de la figure, et l'image visible formée sur l'écran 15 est représentée par les lignes fléchées de la par- tie inférieure de la figure. On se reportera maintenant figure 3 pour décrire en dé- tails le procédé de fabrication de l'écran 15. La première étape consiste à former une boue ou suspen- sion d'un luminophore dont les grains présentent un premier degré prédéterminé de finesse, dans un matériau thermoplasti- que liquide. On peut utiliser comme luminophore de conversion de l'image électronique en image visible, le matériau Zn CdS: Ag (P-20), bien qu'on puisse en utiliser d'autres. Conformément à l'invention, on utilise, pour cette première couche de luminophore 30, un matériau avec une dimension moyenne de particule de l'ordre de 1 P, inférieure à 1,6 p. Une suspension thermoplastique convenable est constituée par de l'acétate de cellulose dissous dans du toluène, mais on peut utiliser d'autres matériaux thermoplastiques,par' exemple du chlorure de vinyle ou du polyéthylène dans des solvants appropriés. On peut voir qu'ensuite la suspension est versée sur le substrat 17 et ce dernier est soumis à un mouvement de rota- tion autour d'un axe perpendiculaire à son plan, pour élimi- ner le fluide en excès et réduire l'épaisseur à celle d'un film mince. Le mouvement de rotation est provisoirement arrê- té lorsque le film a l'épaisseur souhaitée, puis il est re- pris pour que le solvant volatil s'évapore le plus possible. On obtient donc un revêtement sec, mince et uniforme, en ma- tériau thermoplastique saturé de particules de luminophore. L'étape suivante consiste à placer le substrat revêtu sur une plaque chaude et à le chauffer jusqu'à ramollissement de la couche thermoplastique. Une température de l'ordre de 1200 C convient pour l'acétate de cellulose. L'étape suivante consiste à appliquer, sur le matériau thermoplastique ramolli, mais non fluide, un supplément de luminophore sec de dimension de grain égale à 1 p. Conformé- ment à l'invention, cette application se fait à l'aide d'une éponge extrêmement fine qui est utilisée très délicatement pour forcer le luminophore à la surface du matériau thermo- plastique ramolli. On peut entraîner l'éponge en mouvements circulaires à la surface pour que le luminophore soit unifor- mément réparti avant la fin de l'opération. Cette opération peut être répétée trois ou quatre fois jusqu'à obtention de l'épaisseur de couche souhaitée. Il y a bien entendu une li- mite à la quantité de luminophore pouvant être retenuepar le matériau thermoplastique. Finalement, le substrat est refroi- di et traité à l'azote sous pression pour éliminer le lumino- phore en excès. On obtient de la sorte une couche mince uni- forme de luminophore noyé dans la couche thermoplastique. Si l'on souhaite que la couche de luminophore à grains fins soit plus épaisse, on peut former un autre revêtement à partir de la boue thermoplastique que l'on sèche par entraînement en ro- tation du substrat, puis chauffer à nouveau l'ensemble pour une autre opération à l'éponge. On remarquera que l'on peut alors utiliser un luminophore ayant même dimension de grains, mais une composition chimique différente, comme il se trouve pour certains types d'écrans spéciaux; cette disposition n'est toutefois pas requise pour les écrans luminescents de sortie des tubes intensificateurs d'images-de rayons X. L'éponge utilisée pour l'étape qui vient d'être décrite a une dimension moyenne de pore ouvert de 0,25 mm, avec une dureté suffisante pour entraîner physiquement le luminophore dans le matériau thermoplastique sans toutefois entraîner des déformations ou des irrégularités dans la couche que consti- tue ce matériau. Au terme de cette étape, on étuve le substrat revêtu de matériau thermoplastique et de luminophore à une température de l'ordre de 3509C pour l'acétate de cellulose, de manière à éliminer tous les composants volatils. Le grain de l'écran est, à ce moment; extrêmement fin, et l'écran a l'aspect d'un diapositif. Il pourrait convenir pour des énergies de faisceau électronique de l'ordre de 20 kV, et même de 25 kV, cette der- nière valeur étant encore trop faible pour la luminosité et la résolution requises dans les tubes intensificateurs d'ima- ges. Le procédé qui vient d'être décrit ressemble assez au procédé décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N0 2.798.821, sauf que, dans ce dernier, on dénonce l'utili- sation d'un matériau thermoplastique ne contenant aucune par- ticule de luminophore en suspension pour la formation du pre- mier revêtement. Ensuite, on décrit dans ce brevet l'applica- tion à la brosse du luminophore alors que, conformément à l'invention, on applique, à l'aide d'une éponge, à la surface du matériau thermoplastique ramolli, un supplément de lumino- phore à grains fins. Lorsque les composants volatils ont été éliminés par étu- vage comme on vient de le dire, l'adhérence du revêtement for- mé sur le substrat est faible. Classiquement, on pourrait ap- pliquer une laque appropriée sur le revêtement, l'aluminiser et l'étuver pour renforcer l'adhérence. Mais ce procédé a ten- dance à perturber'l'uniformité de la répartition du luminopho- re. On améliore comme suit l'écran qui vient d'être décrit. Conformément à l'invention, on prépare une boue ou suspension de luminophore dans un mélange silicate-électrolyte dilué dans de l'eau distillée, les grains de luminophore ayant un deuxiè- me degré de finesse, en fait étant plus gros que ceux du pre- mier luminophore utilisé. Le silicate peut être du silicate de sodium, mais il est recommandé d'utiliser du silicate de potassium. Les bicarbonates conviennent comme électrolyte. Conformément à l'invention, la dimension des particules de ce deuxième luminophore est environ trois fois la dimension des particules du premier luminophore. La suspension préparée est soigneusement versée sur le premier revêtement formé sur le substrat et soumise à une centrifugation pour obtenir l'é- paisseur optimum pour l'énergie des électrons à laquelle on souhaite faire fonctionner le tube. Le fluide surnageant à la surface de la suspension est Alors soit décanté, soit aspiré, et le revêtement est séché. Là encore, le caractère universel du procédé est mis en évidence puisque la dimension des-particules de luminophore peut être choisie en fonction des caractéristiques que lon souhaite optimiser: résolution, arrêt des électrons, épais- seur. Pour des tubes intensificateurs d'images de rayons X destinés à fonctionner sous 30 kV ou plus, il est recommandé de choisir des dimensions de particules dont la valeur moyen- ne est de 2 p et dont la valeur maximum n'est pas supérieure à 4 p. Après séchage du revêtement de silicate de potassium, une laque de nitrocellulose est vaporisée, sous forme d'un film mince, ou déposée sur le deuxième revêtement, pour obtenir une surface glacée et lisse après séchage de cette laque. L'étape suivante consiste à déposer un film d'aluminium 33 par tout procédé connu, par exemple par vaporisation dans une enceinte sous vide. La présence d'un film mince métallique évite que le bombardement électronique et la diffusion ionique transversale résultante provoquent la dégradation du luminopho- re sous-jacent. Après dépôt du film d'aluminium, l'ensemble est étuvé à la température minimum requise pour l'élimination des consti- tuants du film de laque. Ces constituants se présentent sous forme de bioxyde de carbone et de méthane et pénètrent aisé- - ment dans le film d'aluminium. L'écran luminescent de sortie peut alors être monté dans un tube intensificateur d'images de rayons X ou tout autre tu- be, pour être excité par une image électronique incidente. En résumé, dans la structure et le procédé qui viennent d'être décrits, l'écran se caractérise en ce qu'il résoud les problèmes de pénétration des électrons sous des potentiels de l'ordre de 30 kV, et en ce qu'on a amélioré la liaison au substrat des couches de luminophore. Conformément au procédé selon l'invention, on obtient des écrans Multicouches avec des dimensions de grains de luminophore et des compositions différentes. Les dimensions de grains et compositions peuvent être choisies de manière à optimiser l'un et/ou l'autre de plusieurs paramètres: persistance, résolution de l'image, pé- nétration des électrons, etc... Il semble que, jusqu'à pré- sent, aucun procédé connu ne permettait ce choix. 247-9559 R E V E N D I C A T I O N S 1 - Procédé de fabrication d'écrans luminescents, carac- térisé en ce qu'il consiste: - à revêtir un substrat (17) d'une boue composée de par- ticules fines de luminophore sensiblement uniformes, présen- tant un premier degré de finesse et en suspension dans un fluide thermoplastique, - à entraîner le substrat en mouvement de rotation pour éliminer l'excédent de boue, réduire à une valeur souhaitée l'épaisseur du revêtement et stabiliser le fluide thermoplas- tique, - à chauffer le substrat et la couche de revêtement ainsi formée jusqu'à ce que le matériau thermoplastique ramollisse ou commence à fondre, - à presser sur le matériau thermoplastique ramolli, à l'aide d'une éponge fine et de dureté appropriée, un excédent de'luminophore présentant le premier degré de finesse précité, puis à éliminer les particules de luminophore qui n'ont pas été collées, - à chauffer le substrat et le revêtement formé pour éli- miner les composants volatils du matériau thermoplastique, - à déposer sur ce premier revêtemeét (30), un autre re- vêtement (31) à partir d'une boue faite de particules de lumi- nophore sensiblement uniformes, présentant un deuxième degré de finesse leur donnant une dimension plus élevée que celle des particules du premier luminophore utilisé, en suspension dans un mélange d'eau et de silicate, et à centrifuger le substrat pour réduire à la valeur souhaitée l'épaisseur de ce deuxième revêtement, - à sécher le deuxième revêtement, à y déposer une couche mince de laque et à sécher cette couche de laque, à déposer un film mince d'aluminium (33) sur la laque, et - à chauffer l'ensemble substrat-revêtements pour élimi- ner les constituants volatils de la laque, 2 - Procédé selon la revendication 1., caractérisé en ce que la première série d'étapes. définissant ce procédé, et qui consistent à former un premier revêtement de luminophore (30) par dépôt, entraînement en mouvement de rotation, pressage à l'éponge et étuvage pour élimination des composants volatils, est répétée une ou plusieurs fois afin d'amener à la valeur souhaitée l'épaisseur du revêtement contenant les particules de luminophore les plus fines. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première série d'étapes définissant ce procédé, et qui consistent à former un premier revêtement de luminophore (30) par dépôt, entraînement en mouvement de rotation, pressage à l'éponge et étuvage pour élimination des composants volatils, est répétée une ou plusieurs fois en utilisant des luminopho- res ayant des caractéristiques d'absorption des électrons différentes de celles du premier luminophore utilisé. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide thermoplastique est constitué par de la cellu- lose dissoute dans- du toluène. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le silicate est choisi dans le groupe constitué par les silicates de sodium et de potassium. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le luminophore à grains plus gros a des caractéristiques différentes de celles du luminophore utilisé pour le premier revêtement (30). 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'après la deuxième série d'étapes définissant ce procédé, et qui consistent à déposer une deuxième boue de particules plus grosses de luminophore en suspension dans un mélange de silicate et d'eau, puis à sécher le deuxième revêtement ainsi formé, on répète une ou plusieurs fois cette deuxième série d'étapes. 8 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la dimension des particules ayant le premier degré de finesse est de l'ordre de 1 p, la dimension moyenne des particules ayant le deuxième degré de finesse é- tant de l'ordre de 3 à 4 p.