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X線管は、入力された電気エネルギーをX線に変換する真空管です。[ 1 ]この制御可能なX線源が利用可能になったことで、透過性放射線で部分的に不透明な物体を画像化する放射線撮影の分野が生まれました。他の電離放射線源とは異なり、X線はX線管にエネルギーが供給されている間だけ生成されます。X線管は、 CTスキャナー、空港の手荷物スキャナー、X線結晶学、材料および構造分析、および工業検査にも使用されます。
高性能なコンピュータ断層撮影（CT）スキャンおよび血管造影システムに対する需要の高まりが、超高性能な医療用X線管の開発を促進してきた。
X線管は、1895年11月8日にドイツの物理学者ヴィルヘルム・コンラート・レントゲンによって初めてX線が発見された実験的なクルックス管から発展しました。第一世代の冷陰極管またはクルックスX線管は1920年代まで使用されました。これらの管は、管内の残留ガスのイオン化によって動作します。正イオンが管の陰極に衝突して電子を放出し、電子は陽極に向かって加速され、陽極に衝突したときにX線を生成します。[ 2 ]クルックス管は1913年にウィリアム・クーリッジによって改良されました。 [ 3 ]クーリッジ管（熱陰極管とも呼ばれる）は熱電子放出を利用し、タングステン陰極を十分に高い温度に加熱して電子を放出し、ほぼ完全な真空中で陽極に向かって加速します。[ 2 ]
1980年代後半まで、X線発生装置は単なる高電圧の交流から直流への可変電源でした。1980年代後半になると、高速スイッチングと呼ばれる異なる制御方式が登場しました。これはスイッチング電源（別名：スイッチングモード電源）の電子技術に続くもので、X線装置のより正確な制御、より高品質な結果、そしてX線被曝量の低減を可能にしました。
他の真空管と同様に、真空中に電子を放出する陰極と、電子を収集する陽極があり、これにより管内を流れる電流（ビームと呼ばれる）が確立されます。管電圧と呼ばれる、例えば30～150キロボルト（kV）の高電圧電源が陰極と陽極の間に接続され、電子を加速します。X線スペクトルは、陽極の材料と加速電圧に依存します。[ 4 ]
陰極からの電子は陽極材料（通常はタングステン、モリブデン、または銅）と衝突し、陽極材料内の他の電子、イオン、および原子核を加速します。生成されたエネルギーの約 1% は、通常は電子ビームの経路に垂直な方向に X 線として放出/放射されます。残りのエネルギーは熱として放出されます。時間が経つにつれて、タングステンはターゲットから管の内面（ガラス面を含む）に堆積します。これにより管は徐々に黒くなり、X 線ビームの品質が低下すると考えられていました。蒸発したタングステンは「窓」の上のエンベロープの内側に凝縮し、追加のフィルターとして機能し、管の熱放射能力を低下させます。[ 5 ]最終的に、タングステンの堆積物は十分に導電性になり、十分な高電圧でアーク放電が発生する可能性があります。アークは陰極からタングステンの堆積物に飛び、次に陽極に飛びます。このアーク放電によって、X線窓の内側ガラスに「クレイジング」と呼ばれる現象が発生します。時間が経つにつれて、X線管は低電圧でも不安定になり、交換が必要になります。この時点で、X線管アセンブリ（「管ヘッド」とも呼ばれます）をX線システムから取り外し、新しい管アセンブリと交換します。古い管アセンブリは、新しいX線管を組み込む会社に送られます。
X線光子を生成する2つの効果は一般に「特性効果」と「制動放射効果」と呼ばれ、制動放射効果はドイツ語のbremsen（ブレーキをかける）とStrahlung（放射線）の合成語である。[ 6 ]
システムから放出される光子エネルギーの範囲は、印加電圧を変更したり、厚さの異なるアルミフィルターを取り付けたりすることで調整できます。アルミフィルターは、X線ビームの経路に設置され、「軟X線」（透過性の低いX線）を除去します。放出されるX線光子の数、すなわち線量は、電流と照射時間を制御することで調整されます。
陽極の焦点で熱が発生する。電子エネルギーのごく一部（1%以下）がX線に変換されるため、熱計算では無視できる。[ 7 ] 焦点で発生する熱量（ジュール）は次式で与えられる 。
熱量単位（HU）は、過去にはジュールに代わるものとして使用されていました。これは、単相電源がX線管に接続されている場合に便利な単位です。[ 7 ]正弦波の全波整流により、=したがって、熱量単位は次のようになります。
クルックス管は、加熱されたフィラメントではなく、管内の残留空気の電離によってX線生成に必要な電子を生成したため、管内は部分的に真空にされていたが、完全に真空にされていたわけではなかった。管は、約10⁻⁶～5×10⁻⁸気圧（0.1～0.005 Pa）の空気圧のガラス球で構成されていた。管の一端にはアルミニウム製の陰極板があり、もう一端には白金製の陽極ターゲットがあった。陽極表面は、X線が管の側面から放射されるように角度がつけられていた。陰極は凹面状になっており、電子が陽極上の小さな（約1 mm）スポットに集束され、点状のX線源に近い状態になるため、より鮮明な画像が得られた。管には、陽極に接続された第3の電極である反陰極があった。これはX線出力を向上させたが、そのメカニズムは解明されていない。より一般的な構成では、陽極と一直線上に銅板製の対陰極（構造は陰極に類似）を配置し、陽極が陰極と対陰極の間にあるようにした。
動作させるには、数キロボルトから最大100キロボルトの直流電圧を陽極と陰極の間に印加する必要があり、これは通常、誘導コイルによって生成されるが、大型の真空管の場合は静電発電機が使用される。
クルックス管は信頼性に欠けていた。時間が経つにつれて、管壁に残留空気が吸収され、圧力が低下する。これにより管にかかる電圧が上昇し、「硬い」X線が発生し、最終的には管が機能しなくなる。これを防ぐために、「軟化装置」が使用された（図参照）。主管の側面に取り付けられた小さな管には、加熱すると少量のガスを放出するマイカ製のスリーブまたは化学物質が含まれており、これにより適切な圧力が回復する。
X線が管の構造に影響を与えるため、使用に伴い管のガラス管は黒ずんでくる。
クーリッジ管では、電流によって加熱されたタングステンフィラメントからの熱電子放出によって電子が生成されます。このフィラメントは管の陰極です。陰極と陽極の間には高電圧がかかっており、電子はそれによって加速され、陽極に衝突します。
設計には、エンドウィンドウ型とサイドウィンドウ型の2種類があります。エンドウィンドウ型は通常、「透過ターゲット」と呼ばれる薄いX線透過ターゲットを備えています（X線は電子の移動方向と同じ方向に放出されます）。一般的なエンドウィンドウ型では、フィラメントが陽極の周囲（環状）に配置され、電子は湾曲した経路（トーラスの半分）を通ります。
サイドウィンドウ型X線管の特徴は、静電レンズを用いてビームを陽極上の非常に小さなスポットに集束させる点です。陽極は、この集中した電子の集中照射によって生じる熱と摩耗を放散するように特別に設計されています。陽極は、電子電流の方向に対して垂直方向から1～20度の角度で精密に配置されており、電子電流の方向に対して垂直方向に放出されるX線光子の一部が外部へ逃げるようになっています。陽極は通常、タングステンまたはモリブデンでできています。管には、発生したX線光子を外部へ逃がすための窓が設けられています。
クーリッジ管の出力は通常0.1～18kWの範囲である。
静止した陽極では、焦点（陰極から来る電子ビームが当たる領域）でかなりの量の熱が発生します。一方、回転陽極では、電子ビームが陽極のより広い領域を掃引できるため、放出される放射線の強度が高くなるという利点が得られるとともに、静止状態に比べて陽極への損傷が軽減されます。[ 9 ]
照射中の焦点温度は2,500 ℃（4,530 °F）に達することがあり、一連の大きな照射後には陽極アセンブリは1,000 ℃（1,830 °F）に達することがあります。一般的な陽極は、モリブデンコア上にタングステン・レニウムターゲットを配置し、グラファイトで裏打ちしたものです。レニウムはタングステンの延性を高め、電子ビームの衝撃による摩耗に対する耐性を向上させます。モリブデンはターゲットから熱を伝導します。グラファイトは陽極の蓄熱体として機能し、陽極の回転質量を最小限に抑えます。
一部のX線検査（例えば、非破壊検査や3Dマイクロトモグラフィーなど）では、非常に高解像度の画像が必要となるため、 直径50μm以下の非常に小さな焦点スポットサイズを生成できるX線管が必要となります。このようなX線管は、マイクロフォーカスX線管と呼ばれます。
マイクロフォーカスX線管には、固体陽極管と金属ジェット陽極管の2つの基本的なタイプがある。
固体陽極マイクロフォーカスX線管は、原理的にはクーリッジ管と非常によく似ているが、電子ビームを陽極上の非常に小さなスポットに集束できるように設計されている点が重要な違いである。多くのマイクロフォーカスX線源は5～ 20μmの範囲の集束スポットで動作するが、極端な場合には1μm未満のスポットを 生成することも可能である。
固体陽極マイクロフォーカスX線管の主な欠点は、動作電力が非常に低いことです。陽極の溶融を避けるため、電子ビームの電力密度は最大値以下にする必要があります。この値は、陽極材料によって異なりますが、0.4～0.8 W/μm の範囲です。[ 10 ]これは、電子ビームの焦点が 10 μm の固体陽極マイクロフォーカス光源は、 4～8 W の範囲の電力で動作できることを意味します。
金属ジェット陽極マイクロフォーカスX線管では、固体金属陽極が液体金属のジェットに置き換えられ、これが電子ビームのターゲットとして機能します。金属ジェット陽極の利点は、最大電子ビーム出力密度が大幅に増加することです。さまざまな陽極材料（ガリウムとスズ）で3～6 W/μmの範囲の値が報告されています。[ 11 ] [ 12 ]電子ビームの焦点が10 μmの場合、 金属ジェット陽極マイクロフォーカスX線源は30～60 Wで動作する可能性があります。
金属ジェットX線管の出力密度レベルの向上による主な利点は、焦点スポットを例えば5μmといったより小さなサイズにすることで 画像解像度を向上させることができ、同時に、出力が10μmの 焦点スポットを持つ固体陽極管よりも高い（15～30W）ため、より高速に画像を取得できることである。
数千ボルト以上の電圧で動作する真空管は、望ましくない副産物としてX線を発生させ、安全上の問題を引き起こす可能性がある。 [ 13 ] [ 14 ]電圧が高いほど、発生する放射線の透過性が高まり、危険性も高くなる。かつてカラーテレビやコンピューターディスプレイで一般的だったCRTディスプレイは、サイズに応じて3～40キロボルトで動作し、 [ 15 ]家庭用電化製品の中では主な懸念事項となっている。歴史的に、CRTの厚いガラス管には遮蔽のために数ポンドの鉛が埋め込まれているため、CRT自体よりも、初期のテレビ内部の高電圧（HV）整流管や電圧レギュレータ管の方が懸念の対象となっていた。1960年代後半、ゼネラル・エレクトリック製テレビの一部のHV電源回路の故障により、レギュレータ管に過電圧がかかり、X線が発生することが判明した。同じ故障モードは、GP-5電圧レギュレータ管を搭載したソ連製ルービンテレビの初期バージョンでも確認されている。当該モデルは回収され、その後のスキャンダルにより、この危険性を規制する責任を負う米国の機関である食品医薬品局（FDA）の医療機器・放射線保健センターは、すべてのテレビに故障時に過電圧を防ぐ回路を搭載することを義務付けた。[ 16 ]過電圧に関連する危険性は、CRT以外の管を持たない全固体テレビの登場により解消された。1969年以来、FDAはテレビのX線放出を1時間あたり0.5ミリレントゲンに制限している。1990年代から他のスクリーン技術が進歩するにつれて、CRTの生産は徐々に段階的に廃止された。LED 、LCD、OLEDなどのこれらの他の技術は、高電圧トランスがないため、X線を発生させることができない。[ 17 ]
