РЕНТГЕНОВСКИЙ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ЭКРАН
X-RAY LUMINESCENT SCREEN

Изобретение относится к устройствам преобразования пространственно распределенных рентгеновских лучей в видимое изображение - рентгеновским люминесцентным экранам, широко применяемым в медицинской рентгенографии и промышленной дефектоскопии.
Назначение рентгеновских люминесцентных экранов заключается в преобразовании коротковолнового рентгеновского излучения в более длинноволновое световое, приближенное к спектральной чувствительности глаза или приемника излучения.
Люминесцентные рентгеновские экраны представляют собой слой рентгенолюминофора, нанесенного с помощью прозрачного связующего на подложку (из картона, лавсана, стекла и др.).
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.
2
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/см 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Задачей изобретения является улучшение светотехнических характеристик рентгеновских экранов путем внесения изменений в их конструкцию.
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].
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.
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.
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.
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.
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.
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.
На фиг.1 изображена конструкция рентгеновского люминесцентного экрана с металлической светоотражающей пленкой, где
1 - оптически прозрачная подложка,
2 - слой распределенного в связующем порошкообразного рентгенолюминофора,
3 - органическая пленка,
4 - металлическая светоотражающая пленка.
На фиг.2 изображена система преобразования рентгеновского изображения на основе рентгеновского люминесцентного экрана, где
1 - система видеорегистрации (фотоприемник),
2 - рентгеновский экран,
3 - исследуемый объект.
На фиг.3 изображена зависимость яркости свечения рентгеновского экрана от напряжения на рентгеновской трубке, где
1 - соответствует неалюминированному,
2 - алюминированному экранам.
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%.
Источники информации
1. Гурвич A.M. Физические основы радиационного контроля и диагностики. - Энергоатомиздат, 1989.
2. Блинов Н.Н. Усиливающие рентгеновские экраны // Мед. техника. -1993. - №4.
3. Основы рентгенодиагностической техники / Под ред. Н.Н.Блинова: - М.: Медицина, 2002. - 392 с.
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.
5. Чикирдин Э.Г., Мишкинис А.Б. Техническая энциклопедия рентгенолога. МНПИ, 1996. С.450.
6. АС №1753439 А1, 07.08.1992.
7. Эспе В. Технология электровакуумных материалов. Том III. Вспомогательные материалы. Пер. с нем. яз. М.-Л.: Энергия, 1969, 368 с.
8. Патент JP 4057316 B2 (HAMAMATSU PHOTONICS KK, JP), 05.03.2008.