X線

X線は、もともと放電管から放出される未確認放射線の一種として科学界で注目されました。これは、1869年に初めて観測された高エネルギー電子ビームである陰極線を研究していた実験者たちによるものでした。初期の研究者たちは、初期のクルックス管（1875年頃に発明）の多くで、X線に起因すると思われる効果に気づきました。クルックス管は、管内の残留空気を数キロボルトから100キロボルトまでの高直流電圧で電​​離することにより自由電子を生成しました。この電圧により、陰極から出てくる電子は、陽極または管のガラス壁に衝突したときにX線を生成するのに十分な速度まで加速されました。 ^{[ 6 ]}

（知らず知らずのうちに）X線を発生させたと考えられている最初期の実験者はウィリアム・モーガンである。1785年、彼はロンドン王立協会に論文を発表し、部分的に真空にしたガラス管に電流を流すとX線によって光が発生することを説明した。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}この研究はハンフリー・デービーと彼の助手マイケル・ファラデーによってさらに研究された。

1888年からフィリップ・レナードは、陰極線がクルックス管から空気中に透過するかどうかを調べる実験を行った。彼は、陰極に面した薄いアルミニウム製の「窓」を端に付けたクルックス管を作り、陰極線が陰極に当たるようにした（後に「レナード管」と呼ばれる）。彼は、写真乾板を感光させ、蛍光を発する何かが通過することを発見した。彼は、これらの光線がさまざまな物質を透過する力を測定した。これらの「レナード線」の少なくとも一部は実際にはX線であったと示唆されている。^{[ 10 ]}

ヘルマン・フォン・ヘルムホルツはX線に関する数式を定式化した。彼はレントゲンが発見と発表を行う前に分散理論を提唱した。彼はそれを光の電磁気理論に基づいていた。^{[ 11 ]}しかし、彼は実際のX線を扱ったことはなかった。

1890年初頭、写真家のウィリアム・ジェニングスとペンシルベニア大学准教授のアーサー・W・グッドスピードは、電気火花を使って硬貨の写真を撮っていた。2月22日、実験終了後、グッドスピードがジェニングスにクルックス管の動作を実演する前に、2枚の硬貨が写真乾板の上に残された。乾板を現像している最中、ジェニングスは乾板の一部に正体不明の円盤があることに気づいたが、誰もそれを説明できず、彼らは研究を続けた。1896年になって初めて、彼らは偶然にもX線写真を撮っていたことに気づいた（彼らは発見を主張しなかった）。^{[ 12 ]}

また1890年には、レントゲンの助手ルートヴィヒ・ツェンダーが、自分がスイッチを入れた蛍光灯の覆いが破れる直前に、蛍光スクリーンから閃光が走るのを目撃した。^{[ 13 ]}

スタンフォード大学の物理学教授フェルナンド・サンフォードは、 1891年から1893年にかけて、電気火花の光でコインを撮影する「電気写真」実験を行った際、ジェニングスやグッドスピードと同様に、知らず知らずのうちにX線を発生させ、検出していた可能性がある。[14] 1893年1月6日付の彼のPhysical Reviewへの手紙^は正式に掲載され、^{[ 14 ]}「レンズも光も使わずに、暗闇の中で乾板と被写体を使って撮影した写真」というタイトルの記事がサンフランシスコ・エグザミナーに掲載された。^{[ 15 ]}

1894年、ニコラ・テスラは研究室でクルックス管の実験に関連していると思われる損傷したフィルムに気づき、この目に見えない放射エネルギーの調査を開始しました。^{[ 16 ] [ 17 ]}レントゲンがX線を特定した後、テスラはクルックス管だけでなく、高電圧と彼自身が設計した管を使用して独自のX線画像を作成し始めました。 ^{[ 18 ]}

1895 年 11 月 8 日、ドイツの物理学者ヴィルヘルム・レントゲンは、レナード管とクルックス管を使った実験中に X 線を発見し、その研究を始めた。彼は最初の報告書「新しい種類の光線について：予備報告」を書き、1895 年 12 月 28 日にヴュルツブルクの物理医学会誌に投稿した。^{[ 19 ]}これは X 線について書かれた最初の論文だった。レントゲンは、未知の種類の放射線であることを示すために、この放射線を「X」と呼んだ。初期の文献の中には、「X」をギリシャ文字の大文字カイ、Χと解釈して、カイ線と呼ぶものもある。^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

レントゲンは死後、実験ノートを焼却したため、彼の発見に関する記述は矛盾しているが、伝記作家による推​​定される再構築は以下の通りである。 ^{[ 23 ] [ 24 ]}レントゲンは、白金シアン化バリウムを塗布した蛍光スクリーンを用いて、管からの可視光が干渉しないように黒い厚紙で包んだクルックス管からの陰極線を調べていた。彼は約1メートル（3.3フィート）離れたスクリーンからかすかな緑色の光が見えることに気づいた。レントゲンは、管から発せられる目に見えない光線が厚紙を透過してスクリーンを光らせていることに気づいた。彼は、それらの光線が机上の本や書類も透過できることを発見した。レントゲンは、これらの未知の光線を体系的に調査することに没頭した。最初の発見から2か月後、彼は論文を発表した。^{[ 25 ]} 

レントゲンは、妻アンナ・ベルタ・ルートヴィヒの手をX線で撮影した写真乾板に写し取った際に、その医学的用途を発見した。妻の手の写真は、X線を用いて撮影された人体部位の最初の写真であった。彼女はその写真を見て「私は自分の死を見た」と言った。^{[ 28 ]}

X線の発見は大きな関心を集めた。レントゲンの伝記作家オットー・グラッサーは、 1896年だけで、この新しい光線に関する論文が49本、記事が1044本も出版されたと推定している。 ^{[ 29 ]}世界中のほぼすべての新聞がこの新しい発見について大々的に報道し、サイエンス誌のような雑誌は、その年だけで23もの記事を掲載したことを考えると、これはおそらく控えめな推定だろう。^{[ 30 ]}この新しい発見に対するセンセーショナルな反応には、この新しい種類の光線をテレパシーなどのオカルトや超常現象の理論と結びつける出版物も含まれていた。^{[ 31 ] [ 32 ]}

X線という名称は定着したが、（レントゲンの強い反対にもかかわらず）彼の同僚の多くはレントゲン線と呼ぶことを提案した。現在でも、ドイツ語、ハンガリー語、ウクライナ語、デンマーク語、ポーランド語、チェコ語、ブルガリア語、スウェーデン語、フィンランド語、ポルトガル語、エストニア語、スロバキア語、スロベニア語、トルコ語、ロシア語、ラトビア語、リトアニア語、アルバニア語、日本語、オランダ語、グルジア語、ヘブライ語、アイスランド語、ノルウェー語など、多くの言語でそのように呼ばれている。

レントゲンはその発見により、第1回ノーベル物理学賞を受賞した。 ^{[ 33 ]}

レントゲンはすぐに、X線が医療に応用できる可能性があることに気づいた。12月28日の物理医学会への投稿とともに、彼はヨーロッパ中の知り合いの医師たちに手紙を送った（1896年1月1日）。^{[ 34 ]}ニュース（および「シャドウグラム」の作成）は急速に広まり、スコットランドの電気技師アラン・アーチボルド・キャンベル＝スウィントンがレントゲンに次いで最初にX線写真（手）を作成した。2月までに、北米だけでも46人の実験者がこの技術に取り組んでいた。^{[ 34 ]}

臨床条件下でのX線の最初の使用は、 1896年1月11日にイギリスのバーミンガムでジョン・ホール＝エドワーズが同僚の手に刺さった針をレントゲン撮影した時であった。1896年2月14日、ホール＝エドワーズはまた外科手術でX線を使用した最初の人物でもあった。^{[ 35 ]}

レントゲンの発見から数週間後の1896年初頭、イワン・ロマノヴィチ・タルハノフはカエルや昆虫にX線を照射し、X線は「撮影するだけでなく、生体機能にも影響を与える」と結論付けた。^{[ 36 ]}ほぼ同時期に、動物図鑑のジェームズ・グリーンは、壊れやすい標本を調べるためにX線を使用し始めた。ジョージ・アルバート・ブーレンジャーは、 1896年5月にロンドン動物学会で行った論文でこの研究について初めて言及した。グリーンとジェームズ・H・ガーディナーによる著書『Sciagraphs of British Batrachians and Reptiles』（SciagraphはX線写真の古い名称）は、ブーレンジャーによる序文付きで1897年に出版された。^{[ 37 ] [ 38 ]}

米国で最初に撮影された医療用X線は、イワン・プルイの設計による放電管を使用して得られた。^{[ 39 ]} 1896年1月、レントゲンの発見を読んだダートマス大学のフランク・オースティンは、物理学実験室にあるすべての放電管をテストし、プルイ管だけがX線を発生させることを発見した。これは、プルイが蛍光物質のサンプルを保持するために使用する雲母の斜めの「ターゲット」を管内に組み込んだ結果である。1896年2月3日、同大学の医学教授ギルマン・フロストと物理学教授の弟エドウィン・フロストは、数週間前にギルマンが骨折の治療を行ったエディ・マッカーシーの手首にX線を照射し、レントゲンの研究にも関心を持っていた地元の写真家ハワード・ランギルから入手したゼラチン写真乾板に、骨折した骨の画像を収集した。^{[ 40 ]}

レントゲン自身も最初の実験で、多くの実験者が何らかの発光スクリーンを使ってX線画像を「リアルタイム」で見る方法を考案した。^{[ 34 ]}レントゲンは白金シアン化バリウムでコーティングしたスクリーンを使用した。1896年2月5日、イタリアの科学者エンリコ・サルヴィオーニ（彼の「クリプトスコープ」）とプリンストン大学のウィリアム・フランシス・マギー（彼の「スキアスコープ」）の両名が、白金シアン化バリウムを使用してライブイメージング装置を開発した。アメリカの発明家トーマス・エジソンはレントゲンの発見後すぐに研究を開始し、X線にさらされたときの物質の蛍光能力を調査し、タングステン酸カルシウムが最も効果的な物質であることを発見した。1896年5月、彼は最初の量産型ライブイメージング装置である「ビタスコープ」を開発し、後にフルオロスコープと呼ばれるようになり、医療用X線検査の標準となった。^{[ 34 ]}エジソンは、ガラス職人の一人であるクラレンス・マディソン・ダリーが亡くなる前の1903年頃にX線研究を中止した。ダリーは自分の手でX線管をテストする癖があり、手に非常にしつこい癌を発症したため、命を救おうとする無駄な試みで両腕を切断した。1904年、彼はX線被曝による死亡が知られている最初の人物となった。 ^{[ 34 ]}透視装置が開発されていた時期に、セルビア系アメリカ人の物理学者ミハイロ・プピンは、エジソンが開発したタングステン酸カルシウムスクリーンを使用して、蛍光スクリーンを使用すると、医療画像用のX線を作成するのにかかる露光時間が1時間から数分に短縮されることを発見した。^{[ 41 ] [ 34 ]}

1901年、アメリカ合衆国大統領ウィリアム・マッキンリーは、ニューヨーク州バッファローで開催されたパンアメリカ博覧会に出席中に、暗殺未遂事件で2発の銃弾を受けた。1発は胸骨をかすめただけだったが、もう1発は腹部の奥深くに留まり、見つからなかった。心配したマッキンリーの側近は、発明家トーマス・エジソンに連絡を取り、流れ弾を探すためにX線装置をバッファローに急送するよう依頼した。装置は到着したが、使用されなかった。銃撃自体は致命傷ではなかったものの、銃弾の経路に沿って壊疽が発生し、マッキンリーは6日後に細菌感染による敗血症性ショックで死亡した。 ^{[ 42 ]}

1895年に科学者、医師、発明家によってX線が発見されて以来、広く実験が行われるようになり、当時の技術雑誌には火傷、脱毛、さらにひどい症状に関する多くの話が寄せられた。1896年2月、ヴァンダービルト大学のジョン・ダニエル教授とウィリアム・ロフランド・ダドリーは、ダドリーがX線検査を受けた後に脱毛したと報告した。1896年、頭を撃たれた子供がヴァンダービルト大学の研究室に連れてこられた。弾丸を探す前に、実験が試みられ、ダドリーは「科学に対する彼特有の献身」^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]}で志願した。ダニエルは、ダドリーの頭蓋骨の写真を撮影してから21日後（露光時間1時間）、 X線管に最も近い頭部の部分に直径5センチメートル（2インチ）の禿げた部分があることに気づいたと報告した。「プレートホルダーをプレートが頭蓋骨の横に向くように固定し、頭蓋骨と頭部の間にコインを置いた。管は反対側で髪の毛から1.3センチメートル（0.5インチ）離れたところに固定した。」^{[ 46 ]}  

1896 年 8 月、コロンビア大学卒業生の HD ホークスは、X 線実験で手と胸に重度の火傷を負った。これはElectrical Reviewで報告され、X 線に関連する問題に関する他の多くの報告が同誌に寄せられるきっかけとなった。^{[ 47 ]}エジソンの研究所のエリフ トムソン、ウィリアム J. モートン、ニコラ テスラなど、多くの実験者も火傷を報告した。エリフ トムソンは、意図的に指を一定時間 X 線管にさらし、痛み、腫れ、水ぶくれに苦しんだ。^{[ 48 ]}紫外線や (テスラによれば) オゾンなど、他の影響が損傷の原因とされることもあった。^{[ 16 ]}多くの医師は、X 線被曝による影響は全くないと主張した。^{[ 48 ]} 1905 年 8 月 3 日、カリフォルニア州サンフランシスコで、アメリカの X 線パイオニアであるエリザベス フライシュマンが、X 線を使った研究の結果の合併症で亡くなった。^{[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]}

ホール＝エドワーズは癌（当時はX線皮膚炎と呼ばれていた）を発症し、1904年までに進行したため、X線の危険性について論文を書いたり講演を行ったりするようになった。1908年には左腕を肘から切断し^{[ 52 ]}、その後まもなく右腕の指4本も切断され、親指だけが残った。切断された左手は標本としてバーミンガム大学に保管された^{[ 53 ]} 。彼は1926年に癌で亡くなった。

X線の多くの応用はすぐに大きな関心を集めた。工房ではX線発生用の特殊なクルックス管の製造が始まり、これらの第一世代の冷陰極管またはクルックスX線管は1920年頃まで使用された。^{[ 54 ]}

20世紀初頭の典型的な医療用X線システムは、冷陰極クルックスX線管に接続されたルムコルフコイルで構成されていた。通常、高電圧側に管と並列に接続され、診断目的で使用された。^{[ 55 ]}スパークギャップは、火花の極性を検出し、火花の長さによって電圧を測定して管の真空の「硬さ」を決定し、X線管が切断された場合に負荷を提供する役割も果たした。管の硬さを検出するために、スパークギャップは最初に最も広い設定に開かれた。コイルが動作している間、オペレーターは火花が現れ始めるまでギャップを小さくした。スパークギャップが約6.4センチメートル（2.5インチ）で火花を出し始めた管は、柔らかい（真空度が低い）とみなされ、手や腕などの薄い身体部位に適していると考えられた。13センチメートル（5インチ）の火花は、管が肩や膝に適していることを示した。 18 ～23センチメートル（7～9インチ）の火花は、より大きな個体の腹部を撮影するのに適したより高い真空度を示している。火花ギャップは管と並列に接続されているため、撮影のために管を動作させるには、火花が止まるまで火花ギャップを開く必要があった。写真乾板の露光時間は、手で約30秒、胸部で数分であった。乾板には、露光時間を短縮するために少量の蛍光塩が添加されている場合がある。^{[ 55 ]}   

クルックス管は信頼性に欠けていた。管内を完全に真空にすると電流が流れないため、少量のガス（必ず空気）を封入する必要があった。しかし、時間が経つにつれて、X線によってガラスがガスを吸収し、管から発生するX線が「硬く」なり、やがて動作しなくなった。より大型で頻繁に使用される管には、空気を補充するための装置、いわゆる「軟化装置」が備えられていた。これは多くの場合、小さな側管の形をしており、その中に雲母の小片が入っていた。雲母は、その構造内に比較的多くの空気を閉じ込める鉱物である。小型の電気ヒーターで雲母を加熱すると、少量の空気が放出され、管の効率が回復した。しかし、雲母の寿命は限られており、回復プロセスを制御するのは困難だった。

1904年、ジョン・アンブローズ・フレミングは、最初の真空管である熱電子ダイオードを発明した。^{[ 56 ]}これは、真空中に電流を流す熱陰極を使用した。このアイデアはすぐにX線管に応用され、その結果、「クーリッジ管」と呼ばれる加熱陰極X線管[57]が、^{1920年頃まで}に問題の多い冷陰極管を完全に置き換えた。^{[ 58 ]}

1906年頃、物理学者のチャールズ・バークラは、X線が気体によって散乱されること、そして各元素が固有のX線スペクトルを持つことを発見した。彼はこの発見により1917年のノーベル物理学賞を受賞した。^{[ 59 ]}

1912年、マックス・フォン・ラウエ、ポール・クニッピング、ウォルター・フリードリヒは、結晶によるX線の回折を初めて観測した。この発見は、ポール・ピーター・エヴァルト、ウィリアム・ヘンリー・ブラッグ、ウィリアム・ローレンス・ブラッグの初期の研究とともに、X線結晶学の分野を生み出した。^{[ 60 ]}

1913年、ヘンリー・モーズリーは様々な金属から放出されるX線を用いた結晶学実験を行い、X線の周波数と金属の原子番号の関係を示すモーズリーの法則を定式化した。 ^{[ 61 ]}

クーリッジX線管は、ウィリアム・D・クーリッジによって同年発明されました。これにより、X線の連続放出が可能になりました。現代のX線管はこの設計に基づいており、多くの場合、回転ターゲットを使用することで、静止ターゲットよりもはるかに高い放熱性を実現し、回転式CTスキャナーなどの高出力用途において、より多くのX線を出力できるようになっています。

医療目的でのX線の使用（放射線療法の分野に発展）は、イギリスのバーミンガムのジョン・ホール＝エドワーズ少佐によって開拓されました。その後、1908年に、腕にX線皮膚炎が広がったため、左腕を切断しなければなりませんでした。 ^{[ 62 ]}

医学でも人間の生理学の研究に動画が使われた。1913年、デトロイトで人間の胃の中にゆで卵が入っている様子を映した動画が作られた。この初期のX線動画は4秒ごとに1枚の静止画を撮影した。^{[ 63 ]}ニューヨークのルイス・グレゴリー・コール博士はこの技術の先駆者で、これを「連続放射線撮影」と呼んだ。^{[ 64 ] [ 65 ]} 1918年には、動画カメラとX線を組み合わせて人間の骨格の動きを撮影した。^{[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]} 1920年には、イギリスの音声学研究所が言語研究で舌と歯の動きを記録するために使用した。^{[ 69 ]}

1914年、マリー・キュリーは第一次世界大戦で負傷した兵士を支援するために放射線治療車を開発した。この車によって負傷した兵士のX線画像を迅速に撮影できるようになり、戦場の外科医はより迅速かつ正確に手術を行うことができた。^{[ 70 ]}

1920年代初頭から1950年代にかけて、靴のフィッティングを補助するためにX線装置が開発され^{[ 71 ]}、靴の小売店に販売された^{[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]} 。 1950年代には、頻繁な使用や管理が不十分な使用の影響に関する懸念が表明され^{[ 75 ] [ 76 ]}、最終的にこの慣行は衰退した。キャンベラは1957年に禁止を提案し^{[ 77 ]} 、スイスは1989年にこの装置を禁止した^{[ 78 ]。}

X線顕微鏡は1940年代後半から1950年代前半にかけて開発された。^{[ 79 ] [ 80 ] [ 81 ]}

1999年7月23日に打ち上げられたチャンドラX線観測衛星は、宇宙で発生するX線を生み出す非常に激しい現象の探査を可能にしてきた。比較的安定した宇宙像を捉える可視光とは異なり、X線宇宙は不安定である。そこでは、ブラックホールによって引き裂かれる星、銀河の衝突、新星爆発、そしてプラズマ層を形成して宇宙空間に爆発する中性子星などが存在する。

1980年代、レーガン政権の戦略防衛構想の一環としてX線レーザー装置が提案されたが、この装置（熱核爆発を動力源とする一種のレーザー「ブラスター」または死の光線）の唯一の試験結果は決定的なものではなかった。技術的および政治的な理由から、このプロジェクト全体（X線レーザーを含む）は予算が打ち切られた（ただし、後にブッシュ政権（2代目）によって異なる技術を用いた国家ミサイル防衛として復活した）。

位相コントラスト X 線イメージングとは、X 線ビームの位相情報を使用して画像を形成するさまざまな技術を指します。密度差に対する感度が高いため、軟組織のイメージングに特に有用です。幅広い生物学的および医学的研究において、細胞構造や組織構造を可視化するための重要な方法となっています。X 線位相コントラストイメージングにはいくつかの技術が使用されており、いずれも物体から放出される X 線の位相変化を強度変化に変換する異なる原理を使用しています。^{[ 82 ] [ 83 ]}これらには、伝播ベースの位相コントラスト、^{[ 84 ]}タルボット干渉法、^{[ 83 ]}屈折強調イメージング、^{[ 85 ]}および X 線干渉法が含まれます。^{[ 86 ]}これらの方法は、通常の吸収ベースの X 線イメージングと比較して高いコントラストを提供し、密度がほぼ同じ詳細を互いに区別することを可能にします。欠点としては、これらの方法には、シンクロトロンやマイクロフォーカスX線源、X線光学系、高解像度X線検出器など、より高度な装置が必要となる点が挙げられる。

5～10 keVを超える高エネルギーの光子 X 線(波長 0.2～0.1 nm 未満) は硬 X 線と呼ばれ、エネルギーが低く波長が長いX 線は軟 X 線と呼ばれます。^{[ 87 ]}数 keV の光子エネルギーの中間領域は、軟 X 線と呼ばれることがよくあります。硬 X 線は透過力があるため、物体の内部を画像化するために広く使用されています (たとえば、医療放射線撮影や空港のセキュリティ)。X線という用語は、この方法自体に加えて、この方法を使用して生成された放射線画像を指すために換喩的に使用されます。硬 X 線の波長は原子の大きさに似ているため、X 線結晶学によって結晶構造を決定するのにも役立ちます。対照的に、軟 X 線は空気中で容易に吸収されます。600 eV (~2 nm)のX 線の水中での減衰長は 1 マイクロメートル未満です。^{[ 88 ]}     

X線とガンマ線を区別する定義については合意が得られていない。一般的な方法の一つは、2種類の放射線をその発生源に基づいて区別することである。X線は電子の脱励起によって放出され、ガンマ線は原子核の崩壊によって放出される。^{[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ] [ 92 ]}この定義にはいくつかの限界がある。例えば、ガンマ線とX線のエネルギー範囲には重複があるため、光子の発生源が不明な場合、その光子を何に分類すべきかが明確でない可能性がある。別の方法として、波長（または同等に周波数または光子エネルギー）に基づいてX線とガンマ線を区別する方法があり、10⁻¹¹ m（0.1 Å）などの任意の波長よりも短い放射線を^ガンマ線と定義する。^{[ 93 ]}この基準は光子を明確なカテゴリーに割り当てるが、波長が既知の場合にのみ可能である。 （一部の測定技術では、検出された波長を区別しません。）しかし、X線管から放出される電磁放射線は、一般的に放射性原子核から放出される放射線よりも波長が長く、光子エネルギーが低いため、これら2つの定義はしばしば一致します。^{[ 89 ]}場合によっては、歴史的な前例、測定（検出）技術に基づく、または波長や発生源ではなく意図された用途に基づいて、特定の文脈でどちらかの用語が使用されることがあります。したがって、例えば放射線療法などの医療および産業用途で生成される6～20 MeVの範囲のガンマ線は、この文脈ではX線とも呼ばれます。^{[ 94 ]}   

単位質量あたりの光電吸収の確率は、おおよそ次の値に比例する。$\textstyle Z^{3}/E^{3}}$、 どこ${\textstyle Z}$は原子番号であり、${\textstyle E}$は入射光子のエネルギーです。^{[ 98 ]}この規則は、相互作用確率が急激に変化する吸収端と呼ばれる内殻電子結合エネルギー付近では有効ではありません。しかし、光子エネルギーが低く原子番号が大きいほど吸収係数が高くなり、したがって浸透深さが短くなるという一般的な傾向は非常に強いです。軟組織では、光吸収が約26 keVの光子エネルギーまで支配的で、その後コンプトン散乱が支配的になります。原子番号が大きい物質では、この限界は高くなります。カルシウム の量が多い（${\textstyle Z=20}$骨に含まれるこれらの物質は、その高い密度と相まって、医療用レントゲン写真に非常に鮮明に写る理由となっている。

光吸収された光子は、相互作用する電子にそのエネルギーをすべて伝達し、電子が結合していた原子をイオン化するとともに、経路上の他の原子をイオン化する可能性のある光電子を生成します。外殻電子は空いた電子位置を埋め、特性X線またはオージェ電子を生成します。これらの効果は、X線分光法またはオージェ電子分光法による元素検出に利用できます。

コンプトン散乱は、医療画像診断においてX線と軟組織の間で最もよく起こる相互作用です。^{[ 99 ]}コンプトン散乱は、外殻電子によるX線光子の非弾性散乱です。光子のエネルギーの一部が散乱電子に伝達され、それによって原子が電離し、X線の波長が増加します。散乱光子はどの方向にも進むことができますが、特に高エネルギーX線の場合、元の方向と似た方向に進む可能性が高くなります。異なる散乱角の確率は、クライン-仁科の公式で表されます。伝達されたエネルギーは、エネルギーと運動量の保存則から散乱角から直接得ることができます。

レイリー散乱は、 X線領域における主要な弾性散乱機構である。 ^{[ 100 ]}非弾性前方散乱は屈折率を生じさせ、X線の場合、屈折率は1よりわずかに小さいだけである。^{[ 101 ]}

X線は、 X線管によって生成されます。X線管は、熱陰極から放出された電子を高電圧で高速に加速する真空管です。高速の電子が金属ターゲット（陽極）に衝突し、 X線が生成されます。^{[ 104 ]}医療用X線管では、ターゲットは通常タングステン、またはレニウム（5%）とタングステン（95%）のより耐亀裂性の高い合金ですが、マンモグラフィーのように軟X線が必要な場合など、より特殊な用途ではモリブデンが使用されることもあります。結晶学では、銅ターゲットが最も一般的ですが、サンプル中の鉄含有量による蛍光が問題となる可能性がある場合は_、コバルトがよく使用されます。X線光電子分光法のように、さらに低いエネルギーが必要な場合は、アルミニウムまたはマグネシウムターゲットからのKα X線がよく使用されます。

生成されるX線光子の最大エネルギーは、入射電子のエネルギーによって制限されます。入射電子のエネルギーは、管電圧と電子電荷の積に等しいため、80  kVの管では80 keVを超えるエネルギーのX線を生成することはできません 。電子がターゲットに衝突すると、2つの異なる原子過程によってX線が生成されます。

1. 特性X線発光（X線エレクトロルミネッセンス）：電子が十分なエネルギーを持つと、標的原子の内殻電子軌道から電子をはじき出すことができます。その後、より高いエネルギー準位の電子が空いた電子軌道を埋め、X線光子が放出されます。この過程により、いくつかの離散的な周波数でX線の発光スペクトルが生成されます。これらはスペクトル線と呼ばれることもあります。通常、これらは上殻からK殻（K線）、L殻（L線）などへの遷移です。2pから1sへの遷移はKα線、3pから1sへの遷移はKβ線と呼ばれます。これらの線の周波数は標的の物質に依存するため、特性線と呼ばれます。Kα線は通常Kβ線よりも強度が大きく、回折実験ではより望ましいです。そのため、Kβ線はフィルターによって除去されます。フィルターは通常、陽極材料よりも陽子数が1つ少ない金属で作られる（例えば、銅陽極にはニッケルフィルター、モリブデン陽極にはニオブフィルター）。
2. 制動放射：これは、原子核付近の強い電場によって電子が散乱される際に放出される放射線です。これらのX線は連続スペクトルを持ちます。制動放射の周波数は、入射電子のエネルギーによって制限されます。

したがって、管の出力は、管電圧でゼロに減衰する連続制動放射 スペクトルと、特性線上のいくつかのスパイクから構成されます。診断用X線管で使用される電圧は、およそ20 kVから150  kVの範囲であり、したがってX線光子の最高エネルギーは、およそ20  keVから150  keVの範囲です。^{[ 105 ]}

これらのX線生成プロセスはいずれも非効率的で、管が消費する電気エネルギーのうちX線に変換されるのはわずか約1%に過ぎず、そのため管が消費する電力の大部分は廃熱として放出される。実用的なX線束を生成するためには、X線管は余剰熱を放散するように設計されなければならない。

研究で広く使われるようになっている特殊なX線源は、粒子加速器によって生成されるシンクロトロン放射である。その特徴は、X線管よりも何桁も大きいX線出力、広いX線スペクトル、優れたコリメーション、直線偏光である。^{[ 106 ]}

 適度な真空中で感圧粘着テープを台紙から剥がすことで、エネルギーが15 keVでピークに達する短いナノ秒のX線バーストを確実に生成できる。これは摩擦帯電によって生成された電荷の再結合の結果であると考えられる。X線摩擦発光の強度は、X線イメージングの光源として使用するのに十分である。^{[ 107 ]}

X線は、高速陽子やその他の正イオンによっても生成される。陽子誘起X線放出または粒子誘起X線放出は、分析手順として広く使用されている。高エネルギーの場合、生成断面積はZ ₁ ² Z ₂ ⁻⁴に比例する。ここで、Z ₁はイオンの原子番号、 Z ₂は標的原子の原子番号を表す。[ ^{108 ]これら}の断面積の概要は、同じ文献に記載されている。

地上のガンマ線フラッシュに伴う雷でもX線が発生する。その根本的なメカニズムは、雷に関連する電場における電子の加速と、それに続く制動放射による光子の生成である。^{[ 109 ]}これにより、数keVから数十MeVのエネルギーを持つ光子が生成される。^{[ 110 ]}ギャップサイズが約1 メートル、ピーク電圧が1MVの実験室放電では 、特性エネルギー160keVのX線 が観測されている。^{[ 111 ]}考えられる説明としては、2つのストリーマーの遭遇と高エネルギーの暴走電子の生成が挙げられる。^{[ 112 ]}しかし、微視的シミュレーションでは、2つのストリーマー間の電場増強の持続時間が短すぎて、かなりの数の暴走電子が生成されないことが示されている。^{[ 113 ]}最近、ストリーマー付近の空気の擾乱が暴走電子の生成を促進し、それによって放電からのX線の生成を促進する可能性があると提案されている。^{[ 114 ] [ 115 ]}

投影放射線撮影は、X線放射線を使用して2次元画像を生成する手法です。骨にはカルシウムが高濃度で含まれており、カルシウムは原子番号が比較的高いため、X線を効率的に吸収します。これにより、骨の影の部分で検出器に到達するX線の量が減り、X線写真上で骨がはっきりと見えるようになります。肺や閉じ込められたガスも、組織に比べて吸収率が低いためはっきりと映りますが、組織の種類による違いは見えにくくなります。^{[ 120 ]}

投影X線写真は、骨格系の病変の検出だけでなく、軟部組織の疾患過程の検出にも有用です。代表的な例としては、肺炎、肺がん、肺水腫などの肺疾患の特定に用いられる非常に一般的な胸部X線写真や、腸閉塞、遊離ガス（内臓穿孔による）、遊離液（腹水）の検出に用いられる腹部X線写真などがあります。また、胆石（X線不透過性であることはまれ）や腎結石（多くの場合（常にではないが）視認可能）などの病変の検出にもX線が用いられます。従来の単純X線写真は、脳や筋肉などの軟部組織の画像化にはあまり有用ではありません。投影X線写真が広く用いられている分野の一つは、膝、股関節、肩関節などの整形外科用インプラントが周囲の骨に対して体内でどのような位置にあるかを評価することです。これは、単純X線写真から2次元で評価することも、または「2Dから3Dへの位置合わせ」と呼ばれる技術を使用すれば3次元で評価することもできます。この技術は、単純X線写真からインプラントの位置を評価する際に生じる投影誤差を解消するとされています。^{[ 121 ]}

歯科放射線撮影は、虫歯などの一般的な口腔疾患の診断によく用いられる。^{[ 122 ]}

医療診断用途では、低エネルギー（軟X線）は、画像に寄与することなく人体に完全に吸収され、放射線量を増加させるため、不要です。そのため、 X線管の窓の上に、 X線フィルターと呼ばれる薄い金属板（多くの場合アルミニウム製）が通常配置され、スペクトルの低エネルギー部分を吸収します。これは、スペクトルの中心を高エネルギー（または硬い）X線の方にシフトさせるため、ビームの硬化と呼ばれます。 ^{[ 123 ] [ 124 ]}

動脈や静脈を含む心血管系の画像（血管造影）を作成するには、まず対象となる解剖学的領域の画像を取得します。次に、この領域の血管にヨード造影剤を注入した後、同じ領域の2枚目の画像を撮影します。これらの2枚の画像をデジタル的に差し引くことで、血管の輪郭を示すヨード造影剤のみの画像が得られます。放射線科医または外科医は、得られた画像を正常な解剖学的画像と比較し、血管に損傷や閉塞がないかどうかを判断します。

コンピュータ断層撮影（CTスキャン）は、さまざまな方向から撮影された多数の二次元X線画像から、身体の特定部位の断層画像または断面画像を取得する医療画像診断法です。 ^{[ 125 ]}これらの断層画像を組み合わせることで、身体内部の三次元画像を作成できます。 ^{[ 126 ]} CTスキャンは、さまざまな医療分野で診断や治療に使用できる、より迅速で費用対効果の高い画像診断法です。^{[ 126 ]}

透視検査は、医師や放射線治療医が透視装置を用いて患者の体内構造のリアルタイムの動画像を取得するために一般的に使用する画像診断技術です。^{[ 127 ]}最も単純な形の透視装置は、X線源と蛍光スクリーンで構成され、その間に患者が配置されます。しかし、最新の透視装置はスクリーンをX線イメージインテンシファイアとCCDビデオカメラに接続し、画像を記録してモニターで再生できるようにしています。この方法では造影剤を使用する場合があります。例としては、心臓カテーテル検査（冠動脈閉塞の検査）、塞栓術（痔動脈塞栓術中の出血を止めるため）、バリウム嚥下検査（食道疾患や嚥下障害の検査）などがあります。最近では、最新の透視検査では、連続ビームではなく短いX線バーストを使用することで、患者と術者の両方の放射線被曝を効果的に低減しています。^{[ 127 ]}

X線を用いた治療法は放射線療法として知られており、主にがんの管理（緩和を含む）に用いられます。放射線療法では、画像診断のみの場合よりも高い放射線量が必要となります。皮膚がんの治療には低エネルギーのX線ビームが用いられ、脳、肺、前立腺、乳房などの体内のがんの治療には高エネルギーのビームが用いられます。^{[ 128 ] [ 129 ]}