Lurnineszenz -Verstärker Die vorliegende Erfindung betrifft einen 1.iiiiiiiieszenz-Verstärker mit einem Leueht- seliii-iii, welcher bei Erregung durch von einer Energiequelle eintreffende Strahlung sieht- bares Liebt aussendet.
Lumineszierende feste Stoffe können durch den Einfall von Strahlungsenergie, z. B. in Vorm von Röntgenstrahlen oder ultraviolet- tein Licht, zum Leuchten gebracht werden. Bildwiederg,abesysteme, bei welchen feste luinineszierende Materialien durch Strahlungs- ener-ie in der oben erwähnten.
Weise zür Lumineszenz erregt werden, haben den Nach teil, dass die Intensität des von den Inmines- zierenden Stoffen emittierten Lichtes insofern beschränkt ist, als die abgegebene Energie stets kleiner ist als die aufgenommene. Diese Beschränkung hat ihren Grund darin, dass die Energie, welche die Lumineszenz hervorruft, iri bekannten Systemen von der Energiequelle, bezogen. wird.
Da der Vorgang der Lumines zenz von festen Stoffen immer einen Wir- kungsgrad von weniger als 100% besitzt, ist es unmöglich, eine Verstärkung mit einem festen lumineszierenden Stoff zu erhalten, wenn mit bekannten<B>E</B> inriehtungen gearbeitet wird.
Der Emission bzw. der Intensität des emittierten Lichtes, welches durch mit Strah- Itingsenergie arbeitende Bildwiedergabesy- sieme erzeuot werden kann, sind zusätzliche (Irenzen gezogen.
Im Falle von durch Rönt- o- enstrahlen erregten lumineszierenden Ein- richtungen mu## die Röntgenstrahlung, welche den menschlichen Patienten durehdringt, not wendigerweise bei kleiner<B>-</B>Intensität gehalten werden, um eine Schädigung des Patienten zu verhindern. Im Falle von durch Kathoden strahlen erregter Lamineszenz können die auf einen festen lumineszierenden Stoff gerielite- ten Elektronenstrahlen von hoher Intensität zu Zerstörungen des lumineszierenden Schir mes führen.
Zudem muss bei Erregung durch Kathodenstrahlen, wie z. B. in Televisions- oder Radareinriehtungen, Hochspannung ver wendet werden, welche bei Megahertzfrequen- zen moduliert werden kann; dabei benötigen Systeme, welche mit hoher Intensität erregt werden sollen, komplizierte Speiseanlagen. Die Intensität, welche durch Erregung mittels ultraviolettem und sichtbarem Licht erzeugt werden kann, ist dadurch beschränkt, dass es äusserst schwierig ist, Licht mit der notwen digen sehr hohen Intensität zu erzeugen.
Zu dem ist es notwendig, die Quellen von ultra violettem oder sichtbarem Licht mittels kom plizierten Kühlsystemen zu kühlen, wenn bei hohein Leistungsbedarf Beschädigungen in folge überhitzung der Einrichtung vermieden werden sollen.
Die Erfindung bezweckt, eine Einrichtung zu schaffen, wodurch die Lumineszenz von durch Strahlungsenergie erregten festen Stof fen verstärkt werden kann, und mit welcher Signale mit verstärkter Leuehtkraft wieder- gegeben werden können bei geringer Inten sität der die Lumineszenz erregenden Strah lung. Der erfindungsgemässe Verstärker ist dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Leuchtschirm eine durchgehende Schicht eines Leuehtphosphors aufweist, welche Schicht un mittelbar zwischen zwei Elektroden angeord net ist, die zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen den einander gegenüberlie genden Oberflächen der Phosphorschicht die. nen.
Das sichtbare Licht von hoher Intensität kann durch einen lumineszierenden festen Halbleiterstoff erzeugt werden, -,veleher mit tels Röntgenstrahlen, ultraviolettem Licht, sichtbarem Licht oder Katliodenstrahlen von geringer Intensität bestrahlt wird.
Ein Halb leiterphosphor wird in ein elektrisches Feld gebracht, welcher das Energieniveau des Phosphors bis knapp unter die Lumineszenz- gTenze ansteigen lässt. Wenn Strahlungsener gie in der Form von Röntgenstrahlen, ultra violettem Licht, sichtbarem Licht oder Katho denstrahlen auf die Kathode oder photoluml- neszierende Phosphorsehiellt einfällt, so be wirkt sie eine Erhöhung des Energieniveaus der Phosphorschicht Über die Lumineszenzgrenze, wodureh eine Lichtemission von grosser Inten sität in derselben stattfindet.
Die Verstärkung der Lichtintensität wird dadurch erreicht, dass die einfallende Strahlungsenergie nur als Aus- lösesignal zur Steuerung der Lumineszenz wirkt, anstatt als Energiequelle für die Erre gung zur Lumineszenz. Die Energie zur Auf rechterhaltung der Lumineszenz wird dem an gelegten- elektrischen Feld entnommen. Mit Strahlungsenergie sollen nachfolgend Röntgen strahlen, ultraviolettes oder sichtbares Licht und Kathodenstrahlen bezeichnet sein. Die Schirme können entweder photolumineszie rend oder kathodolumineszierend sein.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemässen Ver stärkers dargestellt. Es zeigen: Fig. <B>1</B> den Verstärker in schematischer -Darstellung, Fig. 2 einen Teilselinitt durch den Schirm des Verstärkers gemäss Fig. <B>1</B> und Fig. <B>3),</B> 4.<B>5, 6</B> und<B>7</B> Li'ilergieiliveau-Dia- gramme.
Bei bekannten Einrichtungen, welehe vom Vorgang der Kathodoluinineszenz Grebraueli machen, wird ein lumineszierender Phosphor schirm, welcher eine Anzahl von Aktivierungs- zentren besitzt, durch die einfallenden Ka thodenstrahlen direkt bombardiert. Der Strom der einfallenden Kathodenstrahlen trifft auf den kathodolliinineszierenden Phosphor auf., und die Energie der auftreffenden Elektro nen wird durch die Elektroneneinwirkung an die Aktivierungszentren übertragen.
Wenn ein Aktivierungszentruin durch ein auftreffendes Elektron beeinfluisst wird, ändert sich die Elektronenanordnung des Aktivierungszen- trums entsprechend einem höheren Energie niveau. Nach einer gewissen Zeit sinkt die Energie des Aktivierungszentrums auf ein tieferes Energieniveau, und es wird ein Pho- ton. von sichtbarem Licht ausgestrahlt.
Diese Art der Kathodolumineszenzerregung ist in ihrem Wirkungsgrad begrenzt, indem jedes auftreffende Elektron nur eine relativ kleine Anzahl von Aktivierungs7entren erregt, und zwar in Abhängigkeit von der kinetisehen Energie des auftreffenden Elektrons. Zudem, ist infolge der besehränkten Leistungsfähig keit der bekannten kathodolumineszierenden Schirme die abgegebene Energiemenge beden- tend kleiner als die durch den<B>E</B> lektronen- strahl zugeführte.
Der Wirkungsgrad der r-mwandlung der einfallenden Strahlungsenergie, in Lumines- zenzstrahlung kann durch Anlegen eines elek trischen Feldes an der Phosphorsehieht, wel- ehe einen Teil des lumineszierenden Sehirmes bildet, stark erhöht werden. Das Feld kann entweder durch Gleich- oder Weehselspan- nung erzeugt werden.
Die Phosphorsehieht wird dabei genügend dick gehalten, so dass die Elektronen, deren Energie durch die auf treffende Strahlung erhöhtwarde, durch eine Phosphorsehicht hindurehtreten, wobei sie vom angelegten Feld genügend Energie auf nehmen, um die Ionisierung von andern Ato- ineil zu bewirken und dadureh die Bildung einer grösseren Anzahl von freien Elektronen züi veranlassen.
Diese grössere Anzahl von freien Elektronen wirkt schliesslich auf die Aktivieru-ngszentren ein und ruft daduLreh die Emission einer grossen Anzahl von Photonen von sichtbarem Licht hervor.
Der lumineszie rende Schirm der Einrichtung weist, trotzdern er aus einer einzigen durchgehenden Phos- phorsehieht gebildet ist, vorzugsweise drei Zonen auf, von denen jede unterschiedliche elektrische und optische Eigenschaften besitzt und speziell geeignet ist, einenbestimmten Zweck beim Vorgang der Transformierung von Energie der auftreffenden Elektronen und des elektrischen Feldes in lumineszierende Ener-ie zu erfüllen.
<B>b</B> Die erste Zone der Phosphorsehieht weist eine dünne Teilschicht von einem Phosphor auf, welcher einen hohen Wirkungsgrad in der Umwandlung von auftreifenden Elektro nen in Elektronenloehpaare besitzt. Es sind deshalb viele der auftreffenden Elektronen bei der Umwandlung in Elektronenlochpaare in der ersten Zone wirksam. Die zweite Zone besteht aus einem, Phosphor von hohem Rein- lieitsgrad und hohem elektrischem Widerstand, so dass das an der Phosphorsehicht angelegte Feld auf diese zweite Zone konzentriert ist.
Die Elektronen, welche in der ersten Zone ausge löst werden, wandern infolge des Einflusses des elektrischen Feldes durch die zweite Zone, und rufen dort infolge von unelastisehen Zu- saminenstössen einen Strom von freien Elek tronen hervor, wodurch deren Zahl um einen wesentlichen Faktor erhöht wird. Der Elek tronenstrom, welcher sieh innerhalb der zwei ten Zone bildet, gelangt unter dem Einfluss des elektrischen Feldes in die dritte Zone, welche eine hohe Konzentration an Lumines- zenz-Aktivierungszentren besitzt.
Die Elek tronen, welche innerhalb der zweiten Zone <B>i</B> aus-elöst werden, wirken auf die Aktivie- rungszentren in der dritten Zone ein, und be wirken die Erregung dieser Aktivierungszen- tren und die nachfolgende Emission einer gro ssen Anzahl von Photonen sichtbaren Lichtes.
Dadurch wird durch jedes auf der ersten Zone der Phosphorsehieht auftreffende Elektron eine grosse Zahl. von Aktivierungszentren der dritten Zone zur Lumineszenz angeregt, und die Nachricht, welehe dem auftreffenden Elek tronenstrom aufgeprägt ist, wird in sichtbares Licht von grosser Intensität bzw. in ein sieht- bares Bild umgewandelt.
Damit die Elektronen, welche in der ersten Zone ausgelöst werden, sieh frei durch den Phosphor bewegen können, um darauf die Aktivierungszentren zu erregen, ist es not wendig, dass sieh in den elektrischen Eigen schaften in der Phosphorsehicht keine grossen Unstetigkeiten befinden. Während die elektri- sehen Eigenschaften der Phosphorsehieht von Zone zu Zone variieren, muss die Veränderung allmählich sein, um die Wanderung der Elek tronen durch die Phosphorschieht nicht zu behindern.
Dies kann dadurch erreicht wer den, dass die Veränderung der elektrischen Eigenschaften durch die Phosphorzonen eine stetige ist. Die Bedingungen einer stetigen Veränderung der elektrischen Eigenschaften sind folgende zwei: erstens, dass die Anzahl der Elektronenzustände einer bestimmten Energiemenge pro Volumeneinheit als Funk tion der Energie sich stetig mit der Lage än dert, und zweitens, dass die Anzahl der Elek tronen pro Volumeneinheit sich ebenfalls ste tig ändert. Wenn diese Forderungen erfüllt sind, ergeben sieh keine Unstetigkeiten im Verlauf des Widerstandes von Zone zu Zone der Phosphorschicht.
Wenn die Veränderung der elektrischen Eigenschaften, und demzu folge diejenigen des Widerstandes von einer Zone der Phosphorsehicht zür andern nicht stetig vor sich geht, sind die Elektronen nicht in der Lage, von einer Zone in die andere zu wandern, und es ergibt sich keine resultie rende Vergrösserung der Ladung an der Trenze zwischen benachbarten Zonen, so dass, wenn überhaupt, nur wenig Lumineszenz er zeugt wird.
Daraus gelit hervor, dass keine wesentlichen Unstetigkeiten in den elektri- sehen Eigenschaften, einschliesslich Wider stand dieser Zonen vorhanden sein dürfen. Deshalb können Phosphorschichten, welche aus in bekannter Weise gebildeten Suspensio nen erzeugt werden, keine Verwendung fin- den. Die vorliegende Einriehtung arbeitet nur mit durchgehenden Phosphorschiehten.
In Fig. <B>1</B> ist mit<B>1</B> eine Kathodenstrahl röhre bezeichnet, welche eine Elektronen kanone 2 aufweist, die innerhalb des Hals stückes<B>3</B> des Glaskolbens 4 angeordnet ist. Der katliodolumilieszierende Schirm<B>5,</B> wel- eher durch Bombardierung mit Kathoden strahlen bzw. Elektronen aus der Elektronen kanone 2 erregt werden kann, ist am Ende des Glaskolbens 4 auf der entgegengesetzten Seite der Elektronenkanone 2 angeordnet.
Fig. 2 zeigt einen vergrösserten Querschnitt eines Teils des Leuchtschirmes<B>5,</B> welcher eine Glasplatte<B>6,</B> eine transparente leitende Schicht <B>7,</B> eine lumineszierende Phosphorsehieht <B>8</B> und einen dünn(--ii,metalliseli leitenden Film<B>9</B> auf weist. Die Schicht<B>8</B> weist eine durchgehende Schicht aus fein pulverisiertem kathodolumi- neszentem Phosphor auf, welcher beispielsweise aus Zink-Sulfid gebildet sein kann, wobei diese Schicht drei Zonen von unterschiedlichen elektrischen.
Eigenschaften aufweist, und wo bei der Übergang der elektrischen Eigensehaf- ten von Zone zu Zone ein stetiger ist, so dass in den elektrischen Eigenschaften keinerlei Unstetigkeit vorhanden ist. Dies gilt auch be züglich des Widerstands durch die Phosphor- sehieht von der Oberfläche<B>10</B> zur gegenüber liegenden Oberfläche<B>1.1.</B> In Fig. 2 sind die Grenzen zwischen benachbarten Zonen als gestriehelte Linien dargestellt, da wie gesagt, keine scharfen Grenzen zwischen benaelibar- ten Zonen vorhanden sind.
Die Zone 12 kann eine aus Zink-Sulfid gebildete Schicht sein, welche in hoher Konzentration Verunreinigun gen enthält, die in einer Mehrzahl von zer streuten Silberatomen bestehen, wobei die Konzentration der Silberatonie in der Nach- barsehaft der Oberfläche<B>10</B> am grössten ist. Die Abnahme der Konzentration der Silber atome in von der Oberfläche<B>10</B> entfernter Riehtung ergibt eine progressive Erhöhung des Widerstandes in der Zone 12. Die Zone<B>13</B> kann durch eine Lage von Zink-S-Lillid von hoher Reinheit und hohem Widerstand gebil det sein.
Die Zone 14 kann durch Zink-Sulfid gebildet sein, welehes eine grosse Zahl von Lu- iiiiii(#b.,zeiiz-.t#ktivierttil"szeiitreii enthält. Diese können in einer Mehrzahl von zerstreuten Kupferatomen bestehen,. wobei die höchste Konzentration dieser Atome in der Nachbar schaft der Oberfläehe <B>111</B> der Schicht<B>8</B> liegt.
Infolge der vorhandenen Aktivierungszentren innerhalb der Zone 14 ist der Widerstand der selben an der Oberfläche<B>11</B> am kleinsten und nimmt, von dieser Oberfläche mit zuneh mender Distanz züi. Die Veränderting der elek- trisehen I,igensehaften und das Vorhanden sein der -verschiedenen Verunreinigunggen kann durch bekannte Verfahren erzeugt wer den,
indem zuerst ein dünner Film in der Grössenordnung von<B>10-5</B> niiii Dicke aus Kup- ferehlorid auf die Oberfläche der Glasplatte<B>6</B> aufgedampft wird, bevor die Phosphorsehieht <B>8</B> gebildet wird.
Die Phosphorschieht <B>8</B> kann hernach auf der Kupferehloridsehicht durch das Verfahren gemäss dein USA-Patent Nr. <B>9-675331</B> von Cusano und Studer aufgetra gen werden. (,remäss diesem Verfahren kann ein dünner, durehgehender transparenter Film aus Zink-Sulfid-Phosphor durch die Zusam menwirkung von Zink-Sulfid-Dampf und Schweielwasserstoffgas auf der Glasplatte<B>6</B> abgelagert werden.
Nach dein Aufbringen der Phosphorsehicht <B>8</B> kann auf die Oberfläche<B>10</B> der Phosphorsehieht <B>8</B> ein dünner Überzug aus Silber auf-gespritzt oder aufgedampft wer den. Nach der Bildung der verschiedenen Filme auf der Glasplatte wird diese in einen Ofen gebracht und während einer genügenden Zeit erwärmt, uni den Kapferaktivierungs- Atomen Zeit zu geben, von der Oberfläche<B>11</B> in die Zone 14 der Phosphorsehieht <B>8</B> zu dif fundieren (wobei der dünne Kupferehlorid- film durch die Phosphorsehieht <B>8</B> absorbiert wird),
und damit auch die Silberatoine vom Überzug,<B>9</B> durch die Oberfläche<B>10</B> in die Zone 12 der Phosphorschicht<B>8</B> eindiffundiert werden. Dieser Vorgang kann ungefähr wäh rend einer halben Stunde bei einer Tempe ratur von etwa 50011 C durehgeführt werden.
Die elektrischen 12',igensehaften der Phos- phorsellieht <B>8</B> gemäss Fig.'-) sind in den Fig. <B>3</B> bis<B>7</B> -raphiseh dargestellt, welche die Ener- gieniveau-Diagramme der Phosphorschieht <B>8</B> zeigen.
Fig.3 zeigt ein Energieniveau-Dia,-,ramin für einen zusammengesetzten Zink-Sulfid- Film mit drei Zonen 1.2, <B>13,</B> 14, wie zuvor beschrieben. Dieses Diagranim stellt die elek- tronisehen Leiteigensehaften des Films ohne angelegtes elektrisehes Feld dar.
Die Zone 12 ist mit Silberaktivierungsatomen in veränder- lieher Konzentration imprägniert, und die Zone 14 ist mit einer -unterschiedlichen Kon zentration von Kupferaktivierungsatomen im prägniert. Wie ersichtlich ist, bilden die Sil ber- und Kupferatome<B>je</B> zwei Energieniveaus Y., bzw. NK innerhalb des verbotenen Bandes BN, welehe Niveaus zwischen dem Leitungs band BL und dem Valenzband Bv liegen.
In folge der kontinuierlichen Veränderung der elektrischen Eigenschaften über die drei Zo nen der Phosphorsehieht sind zwischen den Zonen 12,<B>13</B> und 14 keine Unstetigkeiten vor- lianden, welche den freien Durchgang von Leitinigselektronen von, einer Zone zur andern verhindern. Das untere der beiden indl--Lzierten Energieniveaus, welches durch die Silberatome in der Zone 12 gebildet wird, liegt dem Valenz- band Bv relativ nahe.
Ein solcher Energie zustand stellt ein hohes Erregungspotential für die Aktivierungszentren dar. Diese Anord nung von induzierten unreinen Niveaus ist für die Bildung von Elektronenloehpaaren durch das Auftreffen von Strahlungsenergie sehr gut geeignet.
Die Niveaus, welche durch die Kupferatome in der Zone 14 gebildet wer den, stellen ein tieferes Erregungspotential dar, und währenddem sie für die Bildung von Elektronenlochpaaren nicht sehr geeignet sind, dienen diese der Absorption von Energie und der naehfolgenden Emission derselben in Form von Photonen von. sichtbarem Licht vorzü'-- lieh.
Fig. 4 zeigt den Verlauf des Widerstandes hi der Phosphorsellieht <B>8</B> von der Oberfläche <B>10</B> zur Oberfläche<B>11.</B> An der Oberfläche<B>10,</B> welche durch den Abstand<B>0</B> in der Phosphor- sellieht bezeichnet ist, hat der spezifische Wi derstand des Phosphors den kleinsten Wert und liegt dabei in der Grössenordnung von 1012 P,<B>-</B> cm, infolge der vorhandenen hohen Konzentration von Silberatomen. Im Innern der Phosphorsehieht <B>8</B> nimmt der Widerstand der Zone 12 infolge der abnehmenden Konzen tration an Silberaktivierungsatomen zu.
An der Grenze zwischen den Zonen 12 und<B>13</B> hat der Widerstand ein Maximum in der Grö- ssen-ordnung von 1020<B><I>Q</I> -</B> cm erreicht, wobei dieser Wert über die ganze Zone<B>13</B> konstant 'C ist.
Bei der dargestellten Grenze zwischen den Zonen<B>13</B> und 14 fängt der Widerstand an abzunehmen, und zwar infolge der in der Zone 14 vorhandenen Kupferaktivierungs- atome. Der Widerstand erreicht sein Minimum beim Abstand 40 y an der Oberfläche<B>11</B> der Phosphorschieht. Wenn auch eine Verände rung des 'vViderstandes über die Phosphor- sehieht vorhanden ist, so ist diese allmählich und es sind keine wesentlichen Unstetig#Keiten vorhanden, welche das Wandern der Elek tronen durch die Schicht unter dem Einfluss des angelegten elektrischen Feldes verhindern.
Fig. <B>5</B> ist ein Energieniveau-Diagramm der zusammengesetzten Phosphorsehieht, wenn zwischen deren entgegengesetzte Oberflächen ein elektrisches Feld aufrechterhalten wird. Die Niveaus der Valenz- und der Leitunas- bänder an der Grenze 7wisehen den Zonen 12 und<B>13</B> sind von den Niveaus der Valenz- und Leitungsbänder an der Grenze zwischen den Zonen<B>1.3</B> und 14 dureh eine Distanz V ge trennt, welche die Spannung über der Zone<B>13</B> darstellt.
Wenn ein Photon oder ein Elektron in das Gitterwerk der Zone 12 eintritt -und an ein Elektron in einem der silberaktivierten Niveaus innerhalb des verbotenen Bandes Energie überträgt, erhält das Elektron auf diesem Niveau genügend kinetische Energie, um in das Leit-Lingsband einzutreten und sein Aktivierungszentrum zu verlassen. Unter dem Einfluss des angelegten elektrischen Feldes wandert das befreite Elektron dem Potential gradienten entlang abwärts von der Zone 12 durch die Zone<B>13</B> und in die Zone 14, wobei dieses eine Energiemenge aufnimmt, welche der Potentialdifferenz zwischen dem Aus-- gangspunkt und dem Endpunkt desselben äquivalent ist.
In der Zeichnung ist diese Potentialdifferenz durch den vertikalen<B>Ab-</B> stand zwischen den Punkten ei und e. dar gestellt. Während dessen Durchgang durch die Zone<B>13</B> kann. das Elektron mit, den Atomen des Gitterwerkes elastische Zusam menstösse haben, wodurch aus diesen weitere Elektronen gelöst werden und ein Strom von leitenden Elektronen gebildet wird. Das Elek tron kann seine volle Energie aber auch be halten, bis es in die Zone 14 eintritt. Es ist jedoch sehr wahrscheinlich, dass auf dessen Weg infolge unelastisehen Zusammenstösse eine grosse Anzahl von Elektronen befreit wer den.
Wenn diese befreiten Elektronen in die Zone 14 eingetreten sind, können sie wieder auf die Aktivierungszentren einwirken und dabei Energie abgeben, wobei die Energie der Kupferaktivierungszentren auf das höhere Energieniveau erhöht wird. Wenn darnaeh die Aktivierungszentren wieder das untere Energieniveau annehmen, wird ein Photon von sichtbarem Licht emittiert, welches dem Energieunterschied zwischen dem obern und dem untern Kupferenergieniveau entspricht.
Die Vervielfältigung der elektronischen Ladung innerhalb der Phosphorschieht, wie diese an Hand der Diagramine Fig. <B>3-5</B> be schrieben ist, ist nur dann möglich, wenn zwi- sehen benachbarten Zonen 12,<B>13</B> und 14 keine elektrischen Unstetigkeiten bestehen.
Falls eine solche Unstetigkeit vorhanden ist, wie in Fig. <B>7</B> gezeigt, wo<B>je</B> zwei ungleiche Sehieh- ten aneinander anstossen, wird ein Hindernis <B>D</B> zwischen den angrenzenden Zonen gebildet, das die Wanderung der Elektronen von der einen Zone zur andern verhindert. Fig. <B>6</B> zeigt ein Energieniveau-Diagramm einer Schicht, in welcher der Wechsel von einer Zone zur andern auch einen Wechsel im Material ein schliesst.
Gemäss Fig. <B>6</B> kann die Zone 12' Kadmium-Sulfid, die Zone<B>13'</B> eine prozentual veränderliche Misehunc von Kadmium-Sulfid und Zink-Sulfid und die Zone 14' Zink-Sulfid enthalten. Wenn an den.
Phosphor kein elek trisches Feld angelegt ist, liegt das Niveau des Valenzbandes in der Kadmium-Sulfid-Zone höher als das Niveau des Valen7bandes in der Zink-Sulfid-Zone. Jedoch ist innerhalb der Zone 131 ein allmählicher (bergang vorhan den, so dass kein Hindernis besteht, welches die Wanderung der Elektronen unter dem Einfluss eines angelegten elektrischen Feldes behindern könnte.
Der Leuehtsehirm, welcher an Hand von Fig.2 beschrieben ist und die Eigenschaften aufweist, die mit Bezug auf Fig. <B>3-6</B> besehrie- ben sind, kann an einer Kathodenstrahlröhre<B>1</B> gemäss Fig. <B>1.</B> angebracht werden. Zwischen der leitenden Schiebt<B>7</B> und der metallischen Schicht<B>9</B> wird eine Potentialdifferenz auf- reellterhalten, so dass in der Phosphorsehicht ein Gleich- oder ein Weeliselfeld besteht.
An die Elektronenkanone 2 werden die übliehen Rieht- und Beschleunigungspotentiale ange legt, um einen auf den Schirm<B>5</B> der Katho denstrahlröhre<B>1</B> geriehteten Elektronenstrom zu erzeugen. Die auftreffenden Elektronen treten durch den dünnen metallischen Film<B>9,</B> welcher für Elektronen. transparent ist, und treffen auf die Zone 12 der Phosphorsehieht <B>8</B> auf, welche zweeknlässigerweise aus Zink- Sulfid, das mit bis zu<B>0,01</B> Gewiehtsprozent Silber durchsetzt ist.
gebildet ist, wodureh eine Mehrzahl von Elektronenloehpaaren ent steht. Die Elektronen, welche dadurch befreit werden, gelangen in das Leitungsband und können mit dem angelegten Feld wandern. Die Elektronen, welche in der Zone 1.2 befreit werden, erhalten eine Beschleunigung geg ge n die Zone<B>13</B> unter dem Einfluss des Feldes, das in der Grrössenordnung von 10-1-107 V/eM liegt.
Elektrische Felder, welche schwächer sind als<B>10,1</B> V/em, sind ungenügend, um den Elektronen die notwendige Energie zu er teilen. Wenn die Stärke des Feldes höher ist i als<B>107</B> V/em, besteht die Gefahr eines dielek- trisehen Zusammenbrziehes der Phosphor- .schiebt. Die Zone<B>13</B> enthält zweckmässiger- weise reines Zink-Sulfid, und der grössere Teil des Feldes ist in dieser Zone konzentriert.
Un- i ter dem Einfluss des angelegten Feldes wer den die befreiten Elektronen zu unelastisehen Zusammenstössen mit den Atomen des Kri stallgitters der Zone<B>1.3</B> veranlasst, wodurch eine grosse Anzahl von freien Elektronen mit hoher Energie erzeugt werden, welche sieh dann unter dem Einfluss des Feldes vorwärts beweg, n und weitere Zusammenstösse verur- .e saehen, um weitere freie Elektronen zu erzeu gen.
VN lederholte unelastisehe Zusammenstösse er-eben einen lawinenarti- anwaebsenden Strom von Elektronen, die unter dem Einfluss des Feldes in die Zone 14 der Schicht<B>8</B> wan- (lern. Die Zone 14 besteht zweekmässigerweise aus mit bis zu<B>0,01</B> Gewiehtsprozent Kupfer durehsetztem Zink-Sullid,
wobei die Konzen tration der Aktivierungszentren in der -Nach- barsehaft der Oberfläche<B>1.1</B> der Phosphor- sehieht <B>8</B> am grössten ist. Die Elektronen, wel- ehe durch den'Iawinenartigen Strom in der Zone<B>13</B> befreit werden, wirken auf die Akti- vierungszentren innerhalb der Zone 14 ein und erhöhen deren Energieniveau, wodurch nachfolgend die Emission von sichtbarem Lieht verursacht wird.
Die Erregung der Aktivierungszentren kann entweder durch Zu- sanimenstösse von Elektronen hoher kineti- seher Energie, oder durch das Einfangen von Leitungselektronen aus dem ValenAand ge- sellehen.
Währenddem die maximale Anzahl Pho- tonen, welche in einem bekannten, aus festem Stoff gebildeten lumineszierenden Schirm un ter der Einwirkung von Kathodenstrahlen <B>--</B> löst werden, durch die kinetisehe Energie # ans,e dieser Kathodenstrahlen begrenzt ist, ist die Anzahl Photonen, welche durch ein auftref- fendeq Elektron zür Einission gebracht wer den können, in den oben beschriebenen zusam mengesetzten Phosphorsehichten praktisch un begrenzt.
Die Erhöhung des Wirkungsgrades ist dadurch möglich, dass die zugeführte Energie, die für die Lumineszenz notwendig ist, nicht dem Kathodenstrahl entnommen wird, sondern dem elektrischen Feld, welches an der Phosphorsehieht angelegt ist.
Die Erregung der Lumineszenz bzw. die Bildung von Elektronenloehpaaren innerhalb der Zone 12 der Phosphorschieht <B>8</B> kann auch durch Röntgenstrahlen, ultraviolettes und sichtbares Licht geschehen. Zür Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades ist es zweek- mässig, die Phosphorzusammensetzung der Zone 12 der entsprechenden Bestrahlungsart anzupassen, so, dass eine möglichst grosse Er zeugung von Elektronenloehpaaren gesichert z ist.
Wenn beispielsweise sichtbares Licht als Erregungsstrahlung verwendet werden soll, kann die Phosphorsehicht <B>8</B> eine Mischung von Zink-Sulfid- und Kadmium-Sulfid-Kri- stallen enthalten, wobei die Zone 12 aus schliesslich durch silberaktiviertes Kadmi-Lim- Sulfid, die Zone<B>13</B> durch eine Mischung von nicht aktivierten Zink-Sallid- und Kadmium- Sulfid-Kristallen, und die Zone 14 durch mit Mangan-Kupfer aktivierte Zinl-,-Sullid-Kri-, stalle gebildet ist.
Die Kadmi-Lim-Sullid-Kri- stalle sind speziell leistungsfähige Quellen von Elektronenloehpaaren bei der Bestrahlung mit sichtbarem Licht. Das Energienivea-LL-Dia- gramm dieses Systems ist in Fig. <B>6</B> gezeigt. Die Veränderung der elektrischen Eigenschaf ten und chemischen Zusammensetzungen der Phosphorsehieht <B>8</B> ist von einer Oberfläche der Phosphorsehieht zur andern stetig, so dass die Impedanz für die von einer Zone zur andern wandernden Elektronen ein Minimum ist.
Wenn als Strahlungsenergie Röntgenstrah len verwendet werden, besteht die Phosphor- sehielit vorzugsweise aus einem Einkristall oder eine Mehrzahl von geeignet orientierten Zink-Sulfid-Einkristallen in der Grössenord nung von<B>0,1-1,0</B> mm Dicke.
Diese Kristall- phospliorsehiebt ist an der Oberfläche<B>10</B> vor zugsweise mit bis zu<B>0,01</B> % Silberaktivierungs- atomen und an der Oberfläche<B>11</B> mit bis zu 0,01% Kupferaktivierungsatomen durchsetzt, wodurch drei Zonen mit unterschiedlichen elektrischen Eicensehaften, jedoch mit einem stetigen Übergang von silberaktiviertem Zink:
- Sulfid mit niedrigem Widerstand zu an nähernd reinem Zink-Sulf-id mit hohem Wider stand und weiter züi kupferaktiviertem Zink- Sulfid mit niedrigem Widerstand vorhanden sind.
Wenn die Bestrahlung durch ultraviolet tes Licht geschieht,<B>7.</B> B. mit einer Wellen länge von etwa<B>3650 A,</B> kann die Phosphor- schiebt <B>8</B> ungefähr gleich sein wie diejenige, welche im Zusammenhang mit Kathodenstrah len verwendet -wurde, nämlich mit silberakti- vierrem Zink-Sulfid in der Zone 12, an- nähernd reinem Zink-Suliid in der Zone<B>18,</B> und Impferaktiviertem Zink-Sulfid in der Zone 14.
In allen Fällen, unabhängig von der Art der Strahlungsenergie, welche die Bildung von Elektronenlochpaaren bewirkt, muss der über- olang der elektrischen Eigenschaften und des elektrischen Widerstandes von Zone zu Zone allmählich erfolgen und darf keine wesentlichen Unstetigkeiten bilden, -um für den Elektronen- fluss vom Punkt der Bildung der Elektronen- lochpaare zum Punkt, an welchem die Elek tronen schliesslich die Aktivierungszentren be einflussen, ein Minimum an Impedanz zu bil den.
Der vorbesehriebene Vorgang der Verviel- faehung der freien Elektronen durch eine Phosphorzone mit hohem Widerstand und die nachfolgende Erregung der Aktivierungszen- tren unter dem Einfluss der befreiten Elek tronen kann ebensogut mit positiven Löchern ausgeführt werden.
Wenn dabei die Elek- tronenlochpaare in der ersten Zone der Phos- phorschieht gebildet werden, kann die Polari tät des angelegten Feldes so gewählt werden, dass positive Löcher in die Phosphorzwiselien- zone von hohem Widerstand gezogen werden, so dass ein Strom von positiven Löchern ge bildet wird, welche schliesslich die Aktivie- rungszentren zur Lumineszenz anregen.
Wäh renddem die besten Resultate im Betrieb da durch erreicht werden können, dass jeder der drei Zonen der zusammengesetzten Phosphor schicht eine spezifische Funktion zugeordnet wird, ist es möglich, die Bildung der Elek- tronenlochpaare, Wanderung der Elektronen oder positiven Löcher, unter dem Einfluss des angelegten Feldes die Verursachung eines Stronies von Elektronen oder positiven Lö chern und endlich die Erregung der Aktivie- rungszentren mit einer einzigen chemisch homogenen Phosphorsehieht zu bewirken.
Eine solche honiogene Phosphorschieht würde die vorbeschriebenen Funktionen nicht mit dem Wirkungsgrad durchführen wie eine zusam mengesetzte Schicht,<B>jedoch</B> würde der Be trieb derEinriehtung der gleichebleiben'. Eine solche chemisch homogene Schicht würde zu- dein infolge von Defekten des Kristallgitters an der Oberfläche der Schicht elektrisch nicht homogen sein.
Als Beispiel dieses Verfahrens wird die mit einer Schicht aus Titan-Dioxyd überzogene Glasplatte auf ungefähr<B>500-7000 C,</B> aber vor zugsweise<B>6200 C</B> erwärmt" und wird einem evakuierten Kolben mit einer erwärmten Mi schung von Dampf aus Zink oder einer Zink verbindung, wie z. B. Zink-Chlorid, und einem gasförmigen seliwefligen Stoff, wie z. B. Schwefelwasserstoffgas in Berührung ge bracht.
Der Verdampfungsvorgang wird in einer sauerstofffreien Atmosphäre durelige- führt. Eine solche Atmosphäre wird durch den Schwefelwasserstoff. selbst gebildet, wenn dieser den schwefelhaltigen Teil bildet. Ein zweckmässiger, Zink enthaltender Dampf,<B>7.</B> B.
metallisches Zink oder Zink-Chlorid, in Zusam- iiiensetzung mit einem kleineren Teil eines lumineszierenden Aktivierungsstoffes wird zu- saminen mit Sehwefelwasserstoff oder einem andern geeigneten sehwefligen Stoff bei Re aktionstemperatur in einer sauierstofffreien Atmosphäre zugeführt. Ein Aktivierungsstoff, z. B. Mangan, sollte dem metallischen Phos phorteil in kleinen Mengen zugefährt werden.
Dieser Vorgang wird über eine vorbe stimmte Zeitdauer bei gesteuerter Intensität durchgeführt und ergibt eine transparente, homogene, nicht körnige Schicht aus Zink oder KadmiLim, oder Zink-Kadmium-Sullid oder Selenid, welche mit einem ausgewählten Aktivierungselement aktiviert ist, wobei diese Schicht sieh auf der mit Titan-Dioxyd über zogenen Glasplatte befindet. Die Dicke der Ablagerung bzw. der Schicht wird durch die Zeitdauer bestimmt, während welcher die Re aktion anhält.
Beispielsweise ergibt bei einer Cylastemperatur von -ungefähr 62011 <B>C</B> und einem Zufluss von Sehwefelwasserstoff bei einem Druck von<B>1</B> mm 1-Ig die allmähliche Zusetzung von<B>25 g</B> Zink,<B>12,5 g</B> ZnC12 und <B>0,97 g</B> 31nCl. in die Verdampfungskammer während einer Zeitdauer von -ungefähr 45 Mi nuten eine gleichmässige Schicht von ungefähr 0,02 mm.
Die Leuelitfähigkeit des resultieren- den Phosphors kann durch geeignete Wahl einer VIerzugsatmosphäre und eines Aktivie- i#itno,3e]ementes gesteuert werden, wie dies bei übliehen Phosphorpräparaten der Fall ist.
Bei der Bildung der Schicht durch Verdampfung von aktiviertem Zink-Sulfid oder Kadmium- Sulfid oder einer Misehung von Zink und Kadmium-Sulfiden oder Seleniden auf der Titan-Dioxyd-Sehieht wird der Widerstand der letzteren auf einen Wert von ungefähr <B>1000</B> Ohm/MM2 reduziert.
Dieser Wert ist im Vergleich züm Widerstand der Phosphor- sphieht sehr klein und ermöglicht die Verwen dung der durchsichtigen leitenden Schicht als Elektrode, wie nachfolgend beschrieben ist.
Nach der Ablagerung der Phosphorschicht wird eine dünne Schicht eines geeigneten lei tenden Materials aufgetragen, wobei die Sehiehtdieke so gewählt ist, dass die Schicht für die einfallende Strahlung durchsichtig ist. Diese Schicht wird über der Phosphorsehieht aufgebracht. Die leitende Schicht enthält zweekmässigerweise ein leicht verdampfendes Metall, wie z. B. Aluminium, Silber oder Gold. Wenn solche metallische Filme verwendet wer den, kann die Dicke ungefähr<B>10-5</B> mm betra- ffen. Solehe Metalle können durch Vakuum verdampfung aufgetragen werden.