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.
Lurninescence amplifier The present invention relates to a 1.iiiiiiiieszenz amplifier with a leukinescence amplifier which, when excited by radiation arriving from an energy source, emits a love that can be seen.
Luminescent solid substances can be caused by the incidence of radiation energy, e.g. B. in front of X-rays or ultraviolet light are made to glow. Image display systems in which solid luininescent materials are caused by radiation energy in the above-mentioned.
Ways to be excited for luminescence have the disadvantage that the intensity of the light emitted by the imminescent substances is limited insofar as the energy emitted is always less than that absorbed. This limitation is due to the fact that the energy which causes the luminescence is obtained in known systems from the energy source. becomes.
Since the process of luminescence of solid materials always has an efficiency of less than 100%, it is impossible to obtain reinforcement with a solid luminescent material when working with known <B> E </B> devices.
The emission or the intensity of the emitted light, which can be generated by image display systems working with radiation energy, are drawn additional (irrelevant.
In the case of luminescent devices excited by X-rays, the X-ray radiation which penetrates the human patient must necessarily be kept at a low intensity in order to prevent damage to the patient. In the case of laminescence excited by cathode rays, the electron beams of high intensity directed onto a solid luminescent substance can lead to destruction of the luminescent screen.
In addition, when excited by cathode rays, such. B. in Televisions- or Radareinriehtungen, high voltage are used ver, which can be modulated at megahertzfrequen- zen; systems that are to be excited with high intensity require complicated feeding systems. The intensity that can be generated by excitation using ultraviolet and visible light is limited by the fact that it is extremely difficult to generate light with the necessary very high intensity.
In addition, it is necessary to cool the sources of ultra violet or visible light by means of complex cooling systems if damage due to overheating of the device is to be avoided when the power requirement is high.
The aim of the invention is to create a device whereby the luminescence of solid substances excited by radiant energy can be amplified, and with which signals with amplified luminosity can be reproduced at a low intensity of the radiation which excites the luminescence. The amplifier according to the invention is characterized in that said luminescent screen has a continuous layer of a light phosphor, which layer is arranged directly between two electrodes that are used to generate an electric field between the opposing surfaces of the phosphor layer. nen.
The visible light of high intensity can be generated by a luminescent solid semiconducting material, - or is irradiated by means of X-rays, ultraviolet light, visible light or cathode rays of low intensity.
A semiconductor phosphor is brought into an electric field, which causes the energy level of the phosphor to rise to just below the luminescence gTenze. When radiation energy in the form of X-rays, ultra violet light, visible light or cathode rays falls on the cathode or photoluminescent phosphor, it causes an increase in the energy level of the phosphor layer beyond the luminescence limit, resulting in a light emission of great intensity same takes place.
The amplification of the light intensity is achieved in that the incident radiation energy only acts as a trigger signal for controlling the luminescence, instead of as an energy source for the excitation of the luminescence. The energy to maintain the luminescence is taken from the applied electrical field. Radiation energy is used below to refer to x-rays, ultraviolet or visible light and cathode rays. The screens can be either photoluminescent or cathodoluminescent.
In the drawing, an example embodiment of the inventive United amplifier is shown. They show: FIG. 1 the amplifier in a schematic representation, FIG. 2 a partial line through the screen of the amplifier according to FIG. 1 and FIG. 3), </B> 4. <B> 5, 6 </B> and <B> 7 </B> Li'ilergieil level diagrams.
In known devices, which make the process of cathodoluininescence Grebraueli, a luminescent phosphor screen, which has a number of activation centers, is bombarded directly by the incident cathode rays. The current of the incident cathode rays strikes the cathodollininescent phosphorus, and the energy of the incident electrons is transferred to the activation centers by the action of the electrons.
If an activation center is influenced by an impacting electron, the electron arrangement of the activation center changes according to a higher energy level. After a certain time the energy of the activation center sinks to a lower energy level and it becomes a photon. emitted by visible light.
This type of cathodoluminescence excitation is limited in its efficiency, since each striking electron excites only a relatively small number of activation centers, depending on the kinetic energy of the striking electron. In addition, as a result of the reduced efficiency of the known cathodoluminescent screens, the amount of energy emitted is significantly smaller than that supplied by the electron beam.
The efficiency of the r-conversion of the incident radiant energy into luminescent radiation can be greatly increased by applying an electrical field to the phosphor screen, which forms part of the luminescent screen. The field can be generated either by direct or alternating voltage.
The phosphorus layer is kept sufficiently thick so that the electrons, whose energy is increased by the incident radiation, pass through a phosphor layer, taking in enough energy from the applied field to cause the ionization of other atoms and thereby the Induce the formation of a larger number of free electrons.
This larger number of free electrons finally acts on the activation centers and thus causes the emission of a large number of photons of visible light.
The luminescent screen of the device, although formed from a single continuous phosphor screen, preferably has three zones, each of which has different electrical and optical properties and is particularly suitable for a particular purpose in the process of transforming energy from the impinging electrons and the electric field in luminescent ener-ie.
<B> b </B> The first zone of the phosphor has a thin partial layer of a phosphor, which has a high degree of efficiency in converting electrons that strike into electron pairs. Many of the impinging electrons are therefore effective in converting into electron hole pairs in the first zone. The second zone consists of a phosphor of a high degree of purity and high electrical resistance, so that the field applied to the phosphor layer is concentrated on this second zone.
The electrons that are released in the first zone migrate through the second zone as a result of the influence of the electric field, where they cause a flow of free electrons due to inelastic collisions, increasing their number by a significant factor . The electron current, which is formed within the second zone, reaches the third zone under the influence of the electric field, which has a high concentration of luminescence activation centers.
The electrons which are triggered within the second zone act on the activation centers in the third zone and cause these activation centers to be excited and the subsequent emission of a large one Number of photons of visible light.
As a result, each electron striking the first zone of the phosphor becomes a large number. stimulated to luminescence by activation centers of the third zone, and the message, which is impressed on the impinging electron stream, is converted into visible light of great intensity or into a visible image.
So that the electrons that are released in the first zone can move freely through the phosphor in order to excite the activation centers, it is necessary that there are no major discontinuities in the electrical properties in the phosphor layer. While the electrical properties of phosphorus vary from zone to zone, the change must be gradual so as not to hinder the migration of electrons through the phosphorus layer.
This can be achieved by the fact that the change in the electrical properties through the phosphor zones is constant. The conditions for a continuous change in electrical properties are as follows: first, that the number of electron states of a certain amount of energy per unit of volume as a function of the energy changes continuously with the position, and second, that the number of electrons per unit of volume also changes is constantly changing. If these requirements are met, there are no discontinuities in the course of the resistance from zone to zone of the phosphor layer.
If the change in the electrical properties, and consequently those in the resistance, does not proceed continuously from one zone of the phosphorus layer to another, the electrons are unable to migrate from one zone to the other and there is no resultant change Enlargement of the charge at the boundary between adjacent zones so that only little luminescence, if any, is generated.
This shows that there must be no significant discontinuities in the electrical properties, including resistance, in these zones. For this reason, phosphor layers which are produced from suspensions formed in a known manner cannot be used. The present arrangement only works with continuous phosphor layers.
In FIG. 1, <B> 1 </B> denotes a cathode ray tube which has an electron cannon 2 which is arranged within the neck piece <B> 3 </B> of the glass bulb 4 is. The cathode-luminescent screen <B> 5 </B> which can be excited by bombardment with cathode rays or electrons from the electron gun 2 is arranged at the end of the glass bulb 4 on the opposite side of the electron gun 2.
2 shows an enlarged cross section of a part of the luminescent screen <B> 5 </B> which comprises a glass plate <B> 6, </B> a transparent conductive layer <B> 7, </B> a luminescent phosphor > 8 </B> and a thin (- ii, metalliseli conductive film <B> 9 </B>. Layer <B> 8 </B> has a continuous layer of finely powdered cathodoluminescent phosphorus , which can be formed for example from zinc sulfide, this layer having three zones of different electrical.
Has properties, and where the transition of the electrical properties from zone to zone is continuous, so that there is no discontinuity in the electrical properties. This also applies to the resistance due to the phosphor from the surface <B> 10 </B> to the opposite surface <B> 1.1. </B> In FIG. 2, the boundaries between adjacent zones are shown as dashed lines because, as I said, there are no sharp boundaries between Benaeli zones.
The zone 12 can be a layer formed from zinc sulfide, which contains impurities in high concentration, which consist of a plurality of scattered silver atoms, the concentration of the silver atony in the vicinity of the surface <B> 10 </ B > is the largest. The decrease in the concentration of silver atoms in the direction away from the surface <B> 10 </B> results in a progressive increase in the resistance in zone 12. Zone <B> 13 </B> can be replaced by a layer of zinc-S -Lillid be of high purity and high resistance.
The zone 14 can be formed by zinc sulfide, which contains a large number of Lu- iiiiii (# b., Zeiiz-.t # ktivierttil "szeiitreii. These can consist of a plurality of scattered copper atoms, the highest concentration of these Atoms in the vicinity of the surface <B> 111 </B> of the layer <B> 8 </B>.
As a result of the existing activation centers within zone 14, the resistance of the same is smallest at the surface 11 and increases with increasing distance from this surface. The change in the electrical properties and the presence of the various impurities can be produced by known methods,
by first evaporating a thin film in the order of <B> 10-5 </B> niiii thickness made of copper chloride onto the surface of the glass plate <B> 6 </B> before the phosphor is visible <B> 8 </ B> is formed.
The phosphor layer <B> 8 </B> can then be applied to the copper chloride layer by the method according to your USA patent number <B> 9-675331 </B> by Cusano and Studer. According to this process, a thin, continuous, transparent film of zinc sulfide phosphorus can be deposited on the glass plate <B> 6 </B> by the interaction of zinc sulfide vapor and hydrogen sulfide gas.
After you have applied the phosphor layer <B> 8 </B>, a thin coating of silver can be sprayed or vapor-deposited onto the surface <B> 10 </B> of the phosphorus <B> 8 </B>. After the various films have been formed on the glass plate, it is placed in an oven and heated for a sufficient time to give the caper activation atoms time from the surface 11 to the zone 14 of the phosphorus layer > 8 </B> to diffuse (whereby the thin copper chloride film is absorbed by the phosphorus <B> 8 </B>),
and thus also the silver atoms from the coating <B> 9 </B> are diffused through the surface <B> 10 </B> into the zone 12 of the phosphor layer <B> 8 </B>. This process can be carried out for about half an hour at a temperature of about 50 011 C.
The electrical 12 'properties of phosphorus (8) according to FIG. 1) are shown in FIGS. 3 to 7 graphs, which show the energy level diagrams of the phosphorus layer <B> 8 </B>.
FIG. 3 shows an energy level slide, -, ramin for a composite zinc sulfide film with three zones 1.2, 13, 14, as previously described. This diagranim shows the electronic conduction properties of the film without an applied electrical field.
Zone 12 is impregnated with silver activation atoms in variable concentrations, and zone 14 is impregnated with different concentrations of copper activation atoms. As can be seen, the silver and copper atoms each form two energy levels Y. or NK within the forbidden band BN, which levels lie between the conduction band BL and the valence band Bv.
As a result of the continuous change in the electrical properties over the three zones of the phosphorus layer, there are no discontinuities between zones 12, 13 and 14 that prevent the free passage of conductive electrons from one zone to another . The lower of the two indelated energy levels, which is formed by the silver atoms in zone 12, is relatively close to the valence band Bv.
Such an energy state represents a high excitation potential for the activation centers. This arrangement of induced impure levels is very well suited for the formation of electron hole pairs through the impact of radiant energy.
The levels which are formed by the copper atoms in zone 14 represent a lower excitation potential, and while they are not very suitable for the formation of electron hole pairs, they serve the absorption of energy and the subsequent emission thereof in the form of photons of . excellent for visible light.
4 shows the course of the resistance hi of the phosphorus leaks <B> 8 </B> from the surface <B> 10 </B> to the surface <B> 11. </B> On the surface <B> 10, < / B> which is indicated by the distance <B> 0 </B> in the phosphorus layer, the specific resistance of the phosphorus has the lowest value and is in the order of magnitude of 1012 P, <B> - </ B > cm, due to the high concentration of silver atoms present. Inside the phosphorus layer, the resistance of zone 12 increases as a result of the decreasing concentration of silver activation atoms.
At the border between zones 12 and <B> 13 </B>, the resistance has reached a maximum in the order of magnitude of 1020 <B> <I> Q </I> - </B> cm, where this value is constant 'C over the entire zone <B> 13 </B>.
At the boundary shown between zones <B> 13 </B> and 14, the resistance begins to decrease due to the copper activation atoms present in zone 14. The resistance reaches its minimum at a distance of 40 y on the surface <B> 11 </B> of the phosphor layer. Even if there is a change in the resistance across the phosphor layer, it is gradual and there are no essential discontinuities which prevent the electrons from migrating through the layer under the influence of the applied electric field.
Fig. 5 is an energy level diagram of the composite phosphorus when an electric field is maintained between their opposing surfaces. The levels of the valence and conduction bands at the border 7wis zones 12 and 13 are of the levels of the valence and conduction bands at the border between zones 1.3 and 14 separated by a distance V, which represents the voltage across zone <B> 13 </B>.
When a photon or electron enters the latticework of zone 12 - and transfers energy to an electron in one of the silver activated levels within the forbidden band, the electron at that level receives enough kinetic energy to enter the Leit-Lingsband and its activation center to leave. Under the influence of the applied electric field, the released electron migrates along the potential gradient downwards from zone 12 through zone 13 and into zone 14, this absorbing an amount of energy which corresponds to the potential difference between the - the starting point and the end point of the same is equivalent.
In the drawing, this potential difference is given by the vertical distance between points ei and e. represented. During its passage through zone <B> 13 </B>. the electron with the atoms of the latticework have elastic collisions, as a result of which further electrons are released from them and a stream of conductive electrons is formed. However, the electron can also hold its full energy until it enters zone 14. However, it is very likely that a large number of electrons will be liberated on its way as a result of inelastic collisions.
When these liberated electrons have entered the zone 14, they can act again on the activation centers and in the process give off energy, the energy of the copper activation centers being increased to the higher energy level. When the activation centers assume the lower energy level again, a photon of visible light is emitted, which corresponds to the energy difference between the upper and lower copper energy level.
The duplication of the electronic charge takes place within the phosphorus, as it is described on the basis of the diagrams Fig. 3-5 </B>, is only possible if between adjacent zones 12, <B> 13 </ B> and 14 there are no electrical discontinuities.
If there is such a discontinuity, as shown in FIG. 7, where each two unequal lines of sight abut one another, an obstacle is created between formed in the adjacent zones, which prevents the migration of electrons from one zone to the other. Fig. 6 shows an energy level diagram of a layer in which the change from one zone to the other also includes a change in the material.
According to Fig. 6, zone 12 'cadmium sulphide, zone <B> 13' </B> can have a percentage variable mix of cadmium sulphide and zinc sulphide and zone 14 'zinc sulphide Contain sulfide. When to the.
If no electrical field is applied to phosphorus, the level of the valence band in the cadmium sulfide zone is higher than the level of the valence band in the zinc sulfide zone. However, there is a gradual transition within zone 131, so that there is no obstacle which could hinder the migration of electrons under the influence of an applied electric field.
The light screen, which is described with reference to FIG. 2 and has the properties which are described with reference to FIGS. 3-6, can be mounted on a cathode ray tube <B> 1 </B> be attached according to Fig. 1. </B>. A potential difference is maintained between the conductive slide <B> 7 </B> and the metallic layer <B> 9 </B>, so that there is a constant field or a white field in the phosphor layer.
The usual directional and acceleration potentials are applied to the electron gun 2 in order to generate an electron stream directed onto the screen <B> 5 </B> of the cathode ray tube <B> 1 </B>. The impinging electrons pass through the thin metallic film <B> 9 </B> which is for electrons. is transparent, and hit the zone 12 of the phosphorus <B> 8 </B>, which is usually made of zinc sulfide, which is interspersed with up to <B> 0.01 </B> weight percent silver.
is formed, whereby a plurality of electron hole pairs is ent. The electrons that are freed as a result enter the conduction band and can migrate with the applied field. The electrons that are released in zone 1.2 are accelerated against zone <B> 13 </B> under the influence of the field, which is in the order of magnitude of 10-1-107 V / eM.
Electric fields that are weaker than <B> 10.1 </B> V / em are insufficient to give the electrons the necessary energy. If the strength of the field is higher than 107 V / em, there is a risk of dielectric collapse of the phosphor. Zone <B> 13 </B> suitably contains pure zinc sulphide, and the greater part of the field is concentrated in this zone.
Under the influence of the applied field, the released electrons are caused to inelastic collisions with the atoms of the crystal lattice of zone <B> 1.3 </B>, as a result of which a large number of free electrons with high energy are generated, which see then move forward under the influence of the field, causing n and further collisions. e saw to generate more free electrons.
VN lederholte inelastic collisions caused an avalanche-like flow of electrons that migrate into zone 14 of layer <B> 8 </B> under the influence of the field. Zone 14 consists of up to < B> 0.01 </B> percent by weight of copper hardened zinc sulphide,
the concentration of the activation centers in the vicinity of the surface <B> 1.1 </B> of the phosphorus layer <B> 8 </B> is greatest. The electrons, which are liberated by the avalanche-like current in zone 13, act on the activation centers within zone 14 and increase their energy level, which subsequently causes the emission of visible light .
The excitation of the activation centers can occur either through collisions of electrons of high kinetic energy, or through the trapping of conduction electrons from the ValenAand.
While the maximum number of photons which are released in a known luminescent screen made of solid material under the action of cathode rays is limited by the kinetic energy of these cathode rays, the number of photons that can be brought to emission by an incident electron is practically unlimited in the composite phosphor layers described above.
The efficiency can be increased in that the energy supplied, which is necessary for the luminescence, is not taken from the cathode ray, but from the electric field that is applied to the phosphor.
The excitation of the luminescence or the formation of electron hole pairs within the zone 12 of the phosphor layer <B> 8 </B> can also take place by means of X-rays, ultraviolet and visible light. To achieve maximum efficiency, it is useful to adapt the phosphorus composition of zone 12 to the corresponding type of irradiation, so that the greatest possible generation of electron pairs is ensured.
If, for example, visible light is to be used as excitation radiation, the phosphor layer <B> 8 </B> can contain a mixture of zinc sulphide and cadmium sulphide crystals, the zone 12 being composed exclusively of silver-activated Kadmi-Lim- Sulphide, zone <B> 13 </B> is formed by a mixture of non-activated zinc sallide and cadmium sulphide crystals, and zone 14 is formed by zinl -, - sullide crystals activated with manganese-copper is.
The Kadmi-Lim-Sullid crystals are especially powerful sources of electron pairs when irradiated with visible light. The energy level LL diagram of this system is shown in Fig. 6. The change in the electrical properties and chemical composition of the phosphor is constant from one surface of the phosphor to the other, so that the impedance for the electrons migrating from one zone to the other is a minimum.
If X-rays are used as the radiation energy, the phosphor sehielite preferably consists of a single crystal or a plurality of suitably oriented zinc sulfide single crystals in the order of magnitude of 0.1-1.0 mm thickness.
This crystal phosphor is preferably <B> 10 </B> with up to <B> 0.01 </B>% silver activation atoms on the surface and up to <B> 11 </B> on the surface 0.01% copper activation atoms permeated, creating three zones with different electrical Eicensehaften, but with a constant transition from silver-activated zinc:
- Sulphide with low resistance to almost pure zinc sulphide with high resistance and there are also copper-activated zinc sulphide with low resistance.
If the irradiation is by ultraviolet light, <B> 7. </B> B. with a wavelength of about <B> 3650 A, </B> the phosphor slide <B> 8 </B> can approximately be the same as that which was used in connection with cathode rays, namely with silver-activated zinc sulfide in zone 12, almost pure zinc sulfide in zone 18, and vaccine-activated zinc -Sulfide in zone 14.
In all cases, regardless of the type of radiant energy that causes the formation of electron hole pairs, the excess of electrical properties and electrical resistance must take place gradually from zone to zone and must not form any significant discontinuities - in order for the electron flow from the point at which the electron hole pairs are formed to the point at which the electrons finally influence the activation centers to form a minimum of impedance.
The previously described process of multiplying the free electrons through a phosphor zone with high resistance and the subsequent excitation of the activation centers under the influence of the liberated electrons can just as well be carried out with positive holes.
If the electron hole pairs are formed in the first zone of the phosphor layer, the polarity of the applied field can be chosen so that positive holes are drawn into the phosphorus double zone of high resistance, so that a current of positive holes is generated which ultimately stimulate the activation centers to luminescence.
While the best results in operation can be achieved by assigning a specific function to each of the three zones of the composite phosphor layer, it is possible to prevent the formation of electron hole pairs, migration of electrons or positive holes, under the influence of the applied field to cause stronies of electrons or positive holes and finally to cause the excitation of the activation centers with a single chemically homogeneous phosphorus.
Such a honeycomb phosphor layer would not perform the functions described above with the same efficiency as a composite layer, <B> however </B> the operation of the unit would remain the same. Such a chemically homogeneous layer would also be electrically not homogeneous as a result of defects in the crystal lattice on the surface of the layer.
As an example of this method, the glass plate coated with a layer of titanium dioxide is heated to approximately <B> 500-7000 C, but preferably <B> 6200 C </B> and is an evacuated flask with a heated mixture of steam from zinc or a zinc compound, such as zinc chloride, and a gaseous sulphurous substance, such as hydrogen sulfide gas.
The evaporation process is carried out in an oxygen-free atmosphere. Such an atmosphere is created by the hydrogen sulfide. even formed when this forms the sulfur-containing part. A convenient zinc-containing steam, <B> 7. </B> B.
metallic zinc or zinc chloride, in combination with a smaller part of a luminescent activating substance, is added together with hydrogen sulphide or another suitable sulphurous substance at the reaction temperature in an oxygen-free atmosphere. An activating agent, e.g. B. Manganese, the metallic Phos phorteil should be supplied in small amounts.
This process is carried out over a predetermined period of time at a controlled intensity and results in a transparent, homogeneous, non-grainy layer of zinc or KadmiLim, or zinc-cadmium sullide or selenide, which is activated with a selected activating element, which layer can be seen on the with titanium dioxide over drawn glass plate. The thickness of the deposit or layer is determined by the period of time during which the reaction lasts.
For example, at a cylast temperature of -approximately 62011 C and an influx of hydrogen sulfide at a pressure of 1 mm 1-Ig results in the gradual addition of 25 g > Zinc, <B> 12.5 g </B> ZnC12 and <B> 0.97 g </B> 31nCl. in the evaporation chamber for a period of -approximately 45 minutes a uniform layer of approximately 0.02 mm.
The conductivity of the resulting phosphorus can be controlled by a suitable choice of a pull-out atmosphere and an activation element, as is the case with conventional phosphorus preparations.
When the layer is formed by evaporation of activated zinc sulfide or cadmium sulfide or a mixture of zinc and cadmium sulfides or selenides on the titanium dioxide layer, the resistance of the latter is set to a value of approximately <B> 1000 </ B> Ohm / MM2 reduced.
This value is very small compared to the resistance of the phosphorus sphere and enables the transparent conductive layer to be used as an electrode, as described below.
After the deposition of the phosphor layer, a thin layer of a suitable conductive material is applied, the visual thickness being selected so that the layer is transparent to the incident radiation. This layer is applied over the phosphor layer. The conductive layer contains two easily evaporating metal, such as. B. aluminum, silver or gold. When such metallic films are used, the thickness can be about 10-5 mm. Brine metals can be applied by vacuum evaporation.