X線

X線（エックス線）は、高エネルギーの電磁放射線の一種です。多くの言語では、ドイツの科学者ヴィルヘルム・コンラート・レントゲンにちなんでレントゲン放射線と呼ばれています。レントゲンは1895年にこれを発見し^[1] 、未知の種類の放射線を意味するためにX線と名付けました^{[2] 。}

X 線の波長は紫外線よりも短く、ガンマ線よりも長い。X 線帯域の境界については、普遍的に受け入れられている厳密な定義はない。おおよそ、X 線の波長は10 ナノメートルから10 ピコメートルの範囲で、 30ペタヘルツから 30 エクサヘルツの範囲の 周波数に相当します(3 × 10 ¹⁶  Hzから3 × 10 ¹⁹  Hz ）および光子エネルギーはそれぞれ100 eV～ 100  keVの範囲です 。

X線は建築材料や生体組織など多くの固体物質を透過できるため、X線透視撮影は医療診断（骨折 のチェックなど）や材料科学（一部の化学元素の特定や建築材料の弱点の検出など）で広く使用されています。 ^[3] しかし、X線は電離放射線であり、高強度の放射線にさらされると健康に有害であり、DNAの損傷、がん、高線量では火傷や放射線病を引き起こす可能性があります。その生成と使用は公衆衛生当局によって厳しく管理されています。

1895 年に発見されるまで、X 線は実験用放電管から発せられる未確認放射線の一種に過ぎませんでした。X 線は、そのような放電管から発生する陰極線を調査していた科学者によって注目されました。陰極線は1869 年に初めて観測された高エネルギー電子ビームです。初期のクルックス管( 1875年頃に発明) の多くは間違いなく X 線を放射していました。これは、以下に詳述するように、初期の研究者が X 線に起因する効果に気付いていたためです。クルックス管は、数キロボルトから 100 kV までの高DC電圧によって管内の残留空気をイオン化することで自由電子を生成します。この電圧によって陰極から来る電子が十分に高速になり、陽極または管のガラス壁に衝突したときに X 線が生成されます。 ^[4]

（無意識のうちに）X線を発生させたと考えられる最古の実験者はウィリアム・モーガンである。1785年に彼はロンドン王立協会に、部分的に真空にしたガラス管に電流を流すとX線による輝きが生じるという効果を説明した論文を提出した。 ^{[5] [6]この研究は}ハンフリー・デービーと助手のマイケル・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・レーナードはクルックス管から陰極線が空気中に抜け出せるかどうかを調べる実験を行った。彼はクルックス管を製作し、その先端に薄いアルミニウムでできた「窓」を陰極に向け、陰極線が当たるようにした（後に「レーナード管」と呼ばれる）。彼は何かが通り抜け、写真乾板を感光させて蛍光を発することを発見した。彼はさまざまな物質に対するこれらの線の透過力を測定した。これらの「レーナード線」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。^[7]

ヘルムホルツはX線の数式を定式化した。彼はレントゲンが発見して発表する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たものにした。^{[8] [全文引用が必要]}しかし、彼は実際のX線を扱ったわけではない。

1890年初頭、写真家のウィリアム・ジェニングスとペンシルバニア大学の准教授アーサー・W・グッドスピードは、電気火花でコイン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、写真乾板の山の上に2枚のコインが残されていた。乾板を現像しているときに、ジェニングスは乾板のいくつかに起源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、彼らは先へ進んだ。1896年になってようやく、彼らは偶然X線写真を撮ったことに気づいた（彼らは発見を主張しなかった）。^[9]

また1890年、レントゲンの助手ルートヴィヒ・ツェンダーは、電源を入れていた蛍光管が破れる直前に蛍光スクリーンから閃光が放たれるのに気づいた。^[10]

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、電気火花の光の中で硬貨を撮影する「電気写真」の実験を行ったが、[ ^11]ジェニングスやグッドスピードと同様に、彼も知らないうちにX線を生成し、検出していた可能性がある。1893年1月6日のフィジカル・レビューへの手紙は正式に出版され、 ^[11]レンズや光なしで、暗闇の中で乾板と物体を使って撮影した写真と題する記事がサンフランシスコ・エグザミナーに掲載された。^[12]

1894年、ニコラ・テスラは研究室でクルックス管の実験に関係するもの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始めました。^{[13] [14]}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、 高電圧と独自に設計した管を使用して独自のX線画像を作り始めました。 ^[15]

1895年11月8日、ドイツの物理学教授ヴィルヘルム・レントゲンは、レナード管とクルックス管の実験中に偶然X線を発見し、研究を始めた。彼は最初の報告書「新しい種類の放射線について：予備的な報告」を書き、1895年12月28日にヴュルツブルクの物理医学協会誌に投稿した。^[16]これはX線について書かれた最初の論文であった。レントゲンは、それが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、この放射線をカイ線と呼んでいるものがあり、「X」をギリシャ語の大文字のカイ、Χと解釈している。^{[17] [18] [19] X線という名前は定着したが、（レントゲンの強い反対にもかかわらず）同僚の多くがこれを}レントゲン線と呼ぶことを提案した。これらは、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、多くの言語で今でもそのように呼ばれています。レントゲンは、この発見により最初のノーベル物理学賞を受賞しました。 ^[20]

レントゲンは死後研究ノートを焼却したため、彼の発見については矛盾した話があるが、伝記作家による再構成は次の通りである: ^{[21] [22]}レントゲンはクルックス管からの陰極線を調べていた。クルックス管は、管からの可視光線が干渉しないように黒いボール紙で包んでおり、白金シアン化バリウムを塗った蛍光板を使用していた。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発せられていることに気づいた。レントゲンは、管から発せられる目に見えない光線がボール紙を通り抜けてスクリーンを光らせていることに気づいた。また、それらの光線が机の上の本や書類も通り抜けられることも発見した。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。^[23]

レントゲンは、X線によって形成された写真乾板に妻の手の写真を撮ったときに、その医療用途を発見しました。妻の手の写真は、X線を使用して人体の一部を撮影した最初の写真でした。妻はその写真を見たとき、「私は自分の死を見た」と言いました。^[26]

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、この新しい放射線に関する論文が49本、記事が1044本出版されたと推定している。^[27]世界中のほぼすべての新聞がこの新しい発見について詳細に報道し、サイエンス誌のような雑誌がこの年だけで23本の記事を割いたことを考えると、これはおそらく控えめな推定値だっただろう。^[28]この新しい発見に対するセンセーショナルな反応には、テレパシーなどのオカルトや超常現象の理論と新しい種類の放射線を結びつける出版物も含まれていた。^{[29] [30]}

レントゲンはすぐにX線が医療に応用できることに気づいた。12月28日の物理医学会への提出書類に加え、彼はヨーロッパ各地の知り合いの医師たちに手紙を送った（1896年1月1日）。^[31]このニュース（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初めて（手の）X線写真を作成した。2月までに、北米だけで46人の実験者がこの技術を採用した。^[31]

臨床現場での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ときでした。1896年2月14日、ホール＝エドワーズは外科手術でX線を使用した最初の人物でもありました。^[32]

1896年初頭、レントゲンの発見から数週間後、イヴァン・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、その放射線は「写真を撮るだけでなく、生物の機能にも影響を与える」という結論に達した。^[33]同じ頃、動物学のイラストレーター、ジェームズ・グリーンはX線を使って壊れやすい標本を調べ始めた。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発表した論文の中で初めてこの研究について言及した。グリーンとジェームズ・H・ガーディナーによる「英国の両生類と爬虫類のSciagraphs」 （SciagraphはX線写真の旧称）という本は、ブーレンジャーの序文とともに1897年に出版された。^{[34] [35]}

米国で最初に作られた医療用X線は、プルーイの設計した放電管を使って撮影された。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、物理学研究室の放電管をすべてテストし、プルーイの管だけがX線を発していることを発見した。これは、プルーイが蛍光物質のサンプルを保持するために使用した雲母の斜めの「ターゲット」を管内に組み込んだ結果であった。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したエディ・マッカーシーの手首をX線にさらし、骨折した骨の画像を、レントゲンの研究にも興味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集めた。 ^[36]

レントゲン自身の最初の実験を含め、多くの実験者が、何らかの発光スクリーンを使用してX線画像を「ライブ」で見る方法を考案した。^{[31]レントゲンはバリウム}白金シアン化物でコーティングされ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・サルビオーニ（彼の「暗号鏡」）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」）の両者が、どちらもバリウム白金シアン化物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の直後に研究を開始し、X線にさらされたときに物質が蛍光を発する能力を調査し、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、彼は最初の量産ライブイメージング装置「ヴィタスコープ」を開発し、後に透視鏡と呼ばれ、医療用X線検査の標準となった。^[31]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、手にがんができ、命を救おうと無駄な試みで両腕を切断するほどだった。1904年、彼はX線被曝が原因で死亡した最初の人物となった。 ^[31]透視装置が開発されていた頃、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用画像用のX線を作成するのにかかる露出時間が1時間から数分に短縮されることを発見した。^{[37] [31]}

1901年、米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かれたパンアメリカン博覧会に出席中、暗殺未遂事件で2度銃撃された。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突き刺さり、発見できなかった。心配したマッキンリーの補佐官は、発明家トーマス・エジソンに、流れ弾を探すためにバッファローにX線装置を急送するよう伝えた。装置は到着したが、使用されなかった。銃撃自体は致命的ではなかったが、銃弾の進路に沿って壊疽が進行し、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。 ^[38]

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、X線を使った実験が広く行われ、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記事が数多く掲載された。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が起きたと報告した。1896年、頭を撃たれた子供がヴァンダービルト研究所に運ばれてきた。弾丸を探す前に実験が行われ、ダドリーは「科学に対する彼の特徴的な献身」^{[39] [40] [41]}をもってこれに志願した。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（露出時間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ている。「プレートを頭蓋骨の側面に向けてプレートホルダーを固定し、頭蓋骨と頭の間にコインを置いた。管は髪の毛から0.5インチ（1.3センチ）離れた反対側に固定した。」^[42]火傷、脱毛、ガン以外にも、X線は使用される放射線の量によっては男性の不妊症につながる可能性がある。

1896年8月、コロンビア大学卒業生のH.D.ホークスは、X線デモンストレーションで手と胸に重度の火傷を負った。これはElectrical Review誌に報告され、同誌にはX線に関連する問題に関する多くの報告が寄せられることになった。^[43]エジソン研究所のエリヒュー・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ている。エリヒュー・トムソンは、一定期間にわたって意図的に指をX線管にさらし、痛み、腫れ、水ぶくれを経験した。^[44]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であるとされることもあった。^[13]多くの医師は、X線曝露による影響は全くないと主張した。^[44] 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線研究の先駆者であるエリザベス・フライシュマンが、X線研究による合併症で亡くなった。^{[45] [46] [47]}

ホール・エドワーズは1904年までに癌（当時はX線皮膚炎と呼ばれていた）を発症し、X線の危険性について論文を書いたり演説したりするほど進行した。1908年に左腕を肘から切断し^{[48] [49] 、その後すぐに右腕の4本の指を切断し、親指のみを残した。彼は1926年に癌で亡くなった。彼の左手は}バーミンガム大学に保管されている。

X 線のさまざまな用途は、すぐに大きな関心を集めました。工房では、X 線を生成するための特殊なバージョンのクルックス管の製造が開始され、これらの第 1 世代の冷陰極管、つまりクルックス X 線管は 1920 年頃まで使用されました。

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ームコルフ コイルで構成されていました。スパーク ギャップは通常、管と並列に高電圧側に接続され、診断目的で使用されました。^[50]スパーク ギャップにより、スパークの極性を検出し、スパークの長さで電圧を測定することで管の真空の「硬さ」を決定できます。また、X 線管が切断された場合に負荷を提供します。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ます。コイルの動作中、オペレーターはスパークが現れ始めるまでギャップを狭めます。スパーク ギャップが約 6.4 センチメートル (2.5 インチ) でスパークし始めた管は柔らかく (低真空)、手や腕などの細い体の部分に適していると考えられました。13 センチメートル (5 インチ) のスパークは、管が肩や膝に適していることを示しています。 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高真空状態であることを示す。火花ギャップは管と並列に接続されているため、火花が止まるまで火花ギャップを開いて管を作動させ、撮影する必要がある。写真乾板の露光時間は、手の場合は約30秒、胸部の場合は数分であった。露光時間を短縮するために、乾板に少量の蛍光塩が添加されていることもある。^[50]

クルックス管は信頼性に欠けていた。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）を封じ込める必要があった。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、管は「より硬い」X 線を発生するようになり、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、空気を回復させる「軟化装置」と呼ばれる装置が備えられていた。これらは多くの場合、小さな側管の形をしており、その中には比較的大量の空気を内部に閉じ込める鉱物である雲母の小片が入っていた。小さな電気ヒーターが雲母を加熱し、雲母から少量の空気を放出させて管の効率を回復させた。しかし、雲母の寿命には限りがあり、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、最初の種類の真空管である熱電子ダイオードを発明しました。これは、真空中に電流を流す熱陰極を使用しました。このアイデアはすぐに X 線管に適用され、1920 年頃までに「クーリッジ管」と呼ばれる加熱陰極 X 線管が、問題の多い冷陰極管に完全に取って代わりました。

1906年頃、物理学者チャールズ・バークラは、 X線がガスによって散乱されること、そして各元素が特徴的なX線スペクトルを持つことを発見しました。彼はこの発見により1917年 のノーベル物理学賞を受賞しました。

1912年、マックス・フォン・ラウエ、パウル・ニッピング、ウォルター・フリードリヒが初めて結晶によるX線の回折を観察した。この発見は、パウル・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。^[51]

1913 年、ヘンリー・モーズリーはさまざまな金属から放射される X 線を用いた結晶学の実験を行い、X 線の周波数と金属の原子番号を関連付ける モーズリーの法則を定式化しました。

クーリッジX線管は、同年にウィリアム・D・クーリッジによって発明されました。これにより、X線の連続放射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、静止ターゲットよりも大幅に高い熱放散を可能にする回転ターゲットを使用しており、回転CTスキャナなどの高出力アプリケーションで使用するために、より大量のX線出力を可能にしています。

医療目的でのX線の使用（放射線治療の分野に発展）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年に彼は腕に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。 ^[52]

医学も映画を利用して人間の生理学を研究した。1913年、デトロイトで人間の胃の中に固ゆで卵が入っている映画が作られた。この初期のX線映画は4秒ごとに1枚の静止画像が記録された。^[53]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あり、彼はこれを「連続放射線撮影法」と呼んだ。^{[54] [55]} 1918年、X線は映画カメラと組み合わせて人間の骨格の動きを撮影するために使用された。^{[56] [57] [58]} 1920年、イギリスの音声学研究所は言語研究で舌と歯の動きを記録するためにX線を使用した。^[59]

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車を開発しました。この車により、戦場での外科医が迅速かつ正確に手術を行えるよう、負傷した兵士のX線画像を迅速に撮影することが可能になりました。^[60]

1920年代初頭から1950年代にかけて、靴のフィッティングを支援するためにX線装置が開発され^[61]、商業的な靴店に販売されました。^{[62] [63] [64]}頻繁な使用や管理の不十分な使用の影響に関する懸念が1950年代に表明され、^{[65] [66]}その10年間で最終的にX線検査は終了しました。^[67]

X線顕微鏡は1950年代に開発されました。

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X線を発生させる非常に激しいプロセスの探査を可能にしてきました。比較的安定した宇宙の姿を示す可視光とは異なり、X線宇宙は不安定です。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、そしてプラズマの層を形成して宇宙空間に爆発する中性子星が特徴です。

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（熱核爆発で駆動する一種のレーザー「ブラスター」または殺人光線）の唯一のテストでは決定的な結果は得られなかった。技術的および政治的な理由から、プロジェクト全体（X線レーザーを含む）の資金は打ち切られた（しかし、後に第2次ブッシュ政権によって異なる技術を使用し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。密度の違い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。これは、幅広い生物学および医学研究で細胞および組織学的構造を視覚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いますが、すべて異なる原理を使用して、物体から発生するX線の位相変化を強度変化に変換します。^{[68] [69]}これらには、伝播ベースの位相コントラスト、^[70] タルボット干渉法、^[69]屈折強調イメージング、^[71]およびX線干渉法が含まれます。^[72]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コントラストが高く、ほぼ同じ密度の詳細を互いに区別することができます。欠点は、これらの方法には、シンクロトロンまたはマイクロフォーカスX 線源、X 線光学系、高解像度 X 線検出器などのより高度な機器が必要になることです。

5～10 keVを超える（波長0.2～0.1 nm未満）高光子エネルギーのX線は硬X線と呼ばれ、より低いエネルギー（およびより長い波長）のX線は軟X線と呼ばれます。^[73]光子エネルギーが数keVの中間範囲は、しばしば柔らかいX線と呼ばれます。 硬X線は透過能力があるため、物体の内部を画像化するために広く使用されています（例：医療用X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、この方法で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線結晶構造解析によって結晶構造を決定するためにも役立ちます。 対照的に、軟X線は空気中で容易に吸収されます。 600 eV（約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。^[74]

X線とガンマ線を区別する定義についてはコンセンサスが得られていない。一般的な方法は、発生源に基づいて2種類の放射線を区別することである。X線は電子によって放射され、ガンマ線は原子核によって放射される。^{[75] [76] [77] [78]}この定義にはいくつかの問題があり、他のプロセスでもこれらの高エネルギー光子が発生する可能性があり、発生方法が不明な場合もある。一般的な代替案の1つは、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ことであり、10 ⁻¹¹  m（0.1  Å）などの任意の波長よりも短い放射線はガンマ線と定義される。^[79]この基準は光子を明確なカテゴリに割り当てるが、波長がわかっている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つの定義は一致することがよくあります。^[75]歴史的な前例、測定（検出）技術、または波長や発生源ではなく使用目的に基づいて、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、医療用および産業用に生成される、たとえば放射線治療用の6～20 MeVの範囲の ガンマ線も、この文脈ではX線と呼ばれることがあります。^[80]

X 線光子は、原子をイオン化し、分子結合を破壊するのに十分なエネルギーを持っています。そのため、X 線は電離放射線の一種であり、生体組織に有害です。短期間に非常に高い放射線量を受けると、火傷や放射線病を引き起こし、一方、低線量では放射線誘発性癌のリスクが高まります。医療用画像診断では、この癌リスクの増加は、検査の利点によって一般的に大幅に上回られます。X 線の電離能力は、放射線療法を使用して悪性細胞を殺す癌治療に使用できます。また、 X 線分光法を使用した材料特性評価にも使用されます。

硬X線は、比較的厚い物体をあまり吸収または散乱されることなく透過できます。このため、X線は視覚的に不透明な物体の内部を画像化するために広く使用されています。最もよく見られる用途は医療用X線撮影と空港のセキュリティスキャナーですが、同様の技術は産業（工業用X線撮影や工業用CTスキャンなど）や研究（小動物CTなど）でも重要です。透過深度は、X線スペクトル全体で数桁異なります。これにより、光子エネルギーを用途に合わせて調整して、物体を十分に透過させ、同時に画像の コントラストを良好にすることができます。

X 線は可視光よりも波長がはるかに短いため、通常の顕微鏡で見えるよりもはるかに小さな構造を調べることができます。この特性は、高解像度の画像を取得するためにX 線顕微鏡で使用され、結晶内の原子の位置を決定するためにX 線結晶構造解析でも使用されます。

X 線は、光吸収、コンプトン散乱、レイリー散乱という 3 つの主な方法で物質と相互作用します。これらの相互作用の強さは、X 線のエネルギーと物質の元素組成に依存しますが、X 線光子エネルギーは化学結合エネルギーよりもはるかに高いため、化学的性質にはあまり依存しません。光吸収または光電吸収は、軟 X 線領域および低エネルギーの硬 X 線における主要な相互作用メカニズムです。高エネルギーでは、コンプトン散乱が優勢になります。

単位質量あたりの光電吸収の確率は、おおよそ に比例します。ここでは原子番号、 は入射光子のエネルギーです。^[81]この規則は、相互作用確率が急激に変化する、いわゆる吸収端 がある内殻電子結合エネルギーの近くでは有効ではありません。しかし、低い光子エネルギーと高い原子番号に対しては、吸収係数が高く、したがって浸透深度が短くなるという一般的な傾向は非常に強いです。軟組織の場合、コンプトン散乱が優位になる約 26 keV の光子エネルギーまで光吸収が支配的です。原子番号が高い物質の場合、この制限は高くなります。骨にはカルシウム( ) が多く含まれており、密度が高いため、医療用レントゲン写真で骨がはっきりと写ります。 ${\textstyle Z^{3}/E^{3}}$${\textstyle Z}$${\textstyle E}$${\textstyle Z=20}$

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、その結果、電子が結合していた原子がイオン化され、その経路にあるより多くの原子をイオン化する可能性のある光電子が生成されます。外側の電子が空いている電子の位置を埋め、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使用できます。

コンプトン散乱は、医療用画像診断においてX線と軟部組織の間で支配的な相互作用である。^[82]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ある。光子のエネルギーの一部は散乱電子に伝達され、それによって原子がイオン化され、X線の波長が増加する。散乱光子はどの方向に進むこともできるが、特に高エネルギーX線の場合は、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–仁科の式で説明されます。伝達されたエネルギーは、エネルギーと運動量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メカニズムである。 ^[83]非弾性前方散乱は屈折率を生じ、X線の場合、屈折率は1をわずかに下回る。^[84]

十分なエネルギーを持つ荷電粒子（電子またはイオン）が物質に衝突すると、X 線が発生します。

X線はX線管によって発生させることができる。X線管は高電圧を用いて熱陰極から放出された電子を高速に加速する真空管である。高速電子は金属ターゲットである陽極に衝突し、X線を発生させる。^[87]医療用X線管では、ターゲットは通常タングステンか、より割れにくいレニウム（5%）とタングステン（95%）の合金であるが、マンモグラフィーのようにより軟らかい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る。結晶学では銅ターゲットが最も一般的であるが、サンプル中の鉄含有量からの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る。

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、管の電圧と電子の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当たると、2 つの異なる原子プロセスによって X 線が生成されます。

1. 特性 X 線放出(X 線エレクトロルミネセンス): 電子が十分なエネルギーを持っている場合、ターゲット原子の内電子殻から軌道電子を叩き出すことができます。その後、より高いエネルギー レベルの電子が空孔を埋め、X 線光子が放出されます。このプロセスにより、いくつかの離散周波数で X 線の放出スペクトルが生成されます。これはスペクトル線と呼ばれることもあります。通常、これらは上部殻から K 殻 (K 線と呼ばれる)、L 殻 (L 線と呼ばれる) などへの遷移です。2p から 1s への遷移は Kα と呼ばれ、3p から 1s への遷移は Kβ と呼ばれます。これらの線の周波数はターゲットの材料によって異なるため、特性線と呼ばれます。Kα 線は通常、Kβ 線よりも強度が高く、回折実験ではより望ましいものです。したがって、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が 1 つ少ない金属で作られています (例: Cu 陽極の場合は Ni フィルター、Mo 陽極の場合は Nb フィルター)。
2. 制動放射線: これは、原子核付近の強い電界によって散乱された電子から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。制動放射線の周波数は、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、管電圧でゼロに低下する連続的な制動放射線スペクトルと、特性線でのいくつかのスパイクで構成されます。診断用X線管で使用される電圧はおよそ20kVから150kV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20keVから150keVの範囲です。^[88]

これらの X 線生成プロセスは両方とも非効率的で、管が使用する電気エネルギーの約 1 パーセントのみが X 線に変換されるため、管で消費される電力のほとんどが廃熱として放出されます。使用可能な X 線束を生成する場合、X 線管は余分な熱を放散するように設計する必要があります。

研究で広く利用されつつある特殊な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。そのユニークな特徴は、X線管よりも桁違いに大きい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。^[89]

適度な真空中で粘着テープを裏紙から剥がすと、ピークエネルギーが15 keVのX線の短いナノ秒バーストを確実に生成できる可能性がある。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可能性が高い。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。^[90]

X線は高速陽子や他の陽イオンによっても生成される。陽子誘起X線放出や粒子誘起X線放出は分析手法として広く用いられている。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。 ^[91]これらの断面積の概要は同じ参考文献に記載されている。

X線は、地上ガンマ線閃光を伴う雷でも生成される。その基本的なメカニズムは、雷に関連する電場で電子が加速され、続いて制動放射線によって光子が生成されることである。^[92]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。^[93]ギャップサイズが約1メートルの長さでピーク電圧が1MVの実験室放電では、160keVの特性エネルギーを持つX線が観測されている。^[94]考えられる説明は、2つのストリーマーが遭遇し、高エネルギーの逃走電子が生成されることである。^[95]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は短すぎるため、かなりの数の逃走電子が生成されないことが示されている。^[96]最近、ストリーマー付近の空気の擾乱が逃走電子の生成を促進し、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。^{[97] [98]}

X線検出器は、その目的に応じて形状や機能が異なります。放射線写真に使用されるような画像検出器は、もともと写真乾板、後に写真フィルムに基づいていましたが、現在では主に画像プレートやフラットパネル検出器などのさまざまなデジタル検出器に置き換えられています。放射線防護では、直接被ばくの危険性は電離箱を使用して評価されることが多く、線量計は人が被ばくした放射線量を測定するために使用されます。X線スペクトルは、エネルギー分散型または波長分散型分光計のいずれかで測定できます。X線結晶構造解析などのX線回折アプリケーションでは、ハイブリッド光子計数検出器が広く使用されています。^[99]

レントゲンがX線で骨の構造を識別できることを発見して以来、X線は医療用画像診断に利用されてきた。^[100]最初の医療用利用は、このテーマに関する彼の論文発表から1か月も経たないうちに行われた。^[36] 2010年までに、世界中で50億件の医療用画像診断が実施された。^[101] 2006年の医療用画像診断による放射線被ばくは、米国における総電離放射線被ばくの約50％を占めた。^[102]

投影放射線撮影法は、 X線放射を使用して2次元画像を作成する方法です。骨にはカルシウムが高濃度で含まれており、その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、骨の影にある検出器に到達するX線の量が減り、骨がレントゲン写真ではっきりと見えるようになります。肺と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し出されますが、組織の種類の違いは見にくくなります。^[103]

投影レントゲン写真は、骨格系の病変の検出や、軟部組織の一部の疾患プロセスの検出に有用である。注目すべき例としては、肺炎、肺がん、肺水腫などの肺疾患の特定に使用できる非常に一般的な胸部X線検査や、腸閉塞、遊離ガス（内臓穿孔による）、遊離液（腹水内）を検出できる腹部X線検査がある。また、X線検査は、胆石（放射線不透過性であることはまれ）や腎結石など、多くの場合（常にではないが）目に見える病変の検出にも使用されることがある。従来の単純X線検査は、脳や筋肉などの軟部組織の画像化にはあまり有用ではない。投影レントゲン写真が広く使用されている分野の1つは、膝関節、股関節、肩関節の置換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に配置されているかを評価することである。これは、単純レントゲン写真から2次元的に評価できるほか、「2Dから3Dへの登録」と呼ばれる技術を使用すれば3次元的に評価できる。この技術は、単純レントゲン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排除できると言われている。^[104]

歯科用放射線検査は、虫歯などの一般的な口腔疾患の診断によく使用されます。

医療診断用途では、低エネルギー（ソフト）X線は人体に完全に吸収され、画像に寄与することなく放射線量を増加させるため、望ましくありません。したがって、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、X線管の窓の上に置かれ、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線の方へシフトするため、ビームの 硬化と呼ばれます。

動脈と静脈を含む心臓血管系の画像を生成するには(血管造影)、まず関心のある解剖学的領域の画像が撮影されます。次に、この領域内の血管にヨード造影剤を注入した後、同じ領域の 2 番目の画像が撮影されます。次に、これら 2 つの画像をデジタル減算し、血管の輪郭を描くヨード造影剤のみの画像を残します。次に、放射線科医または外科医は、取得した画像を通常の解剖学的画像と比較して、血管の損傷や閉塞がある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大量の2次元X線画像から、体の特定の領域の断層画像またはスライスを取得する医療用画像診断法です。 ^[105]これらの断面画像は、体の内部の3次元画像に組み合わせることができます。 ^[106] CTスキャンは、さまざまな医療分野で診断および治療の目的で使用できる、より迅速でコスト効率の高い画像診断法です。^[106]

透視法は、医師や放射線治療師が透視装置を使用して患者の内部構造のリアルタイムの動画を取得するために一般的に使用する画像技術です。 ^[107]最も単純な形態では、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。ただし、現代の透視装置は、スクリーンをX線画像増強装置と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ます。この方法では、造影剤が使用される場合があります。例としては、心臓カテーテル法（冠動脈閉塞の検査）、塞栓術（痔核動脈塞栓術中の出血を止める）、バリウム嚥下（食道障害および嚥下障害の検査）などがあります。最近では、現代の透視法では、連続ビームではなく、X線の短いバーストを使用して、患者とオペレータの両方の放射線被ばくを効果的に低減しています。^[107]

治療としてX線を使用することは放射線療法として知られており、主に癌の管理（緩和療法を含む）に使用されています。画像診断のみで受ける放射線量よりも高い放射線量が必要です。X線ビームは、低エネルギーX線ビームを使用して皮膚癌を治療するために使用されますが、高エネルギービームは脳、肺、前立腺、乳房などの体内の癌の治療に使用されます。^{[108] [109]}

X線は電離放射線の一種で、世界保健機関の国際がん研究機関と米国政府の両方から発がん性物質として分類されています。 ^{[101] [110]} 診断用X線（主にCTスキャンによるもので、大量の放射線が使用されるため）は、被ばくした人の発達障害やがんのリスクを高めます。^{[111] [112] [113]} 米国における現在のがんの0.4％は、過去に行われたコンピューター断層撮影（CTスキャン）によるものであり、2007年のCT使用率では1.5～2％にまで増加する可能性があると推定されています。^[114]

実験的データと疫学的データは、現在のところ、それ以下では癌のリスクが増加しない閾値放射線量が存在するという命題を支持していない。 ^[115]しかし、これはますます疑問視されている。^[116]癌のリスクは、1100 mGyの被曝から始まる可能性がある。^[117]診断用X線による追加放射線により、平均的な人が75歳までに癌になる累積リスクが0.6～3.0％増加すると推定されている。^[118]吸収される放射線の量は、X線検査の種類と関与する体の部位によって異なる。^[114] CTと透視検査では、通常のX線よりも高い放射線量を伴います。

リスク増加の全体像を把握するために、通常の胸部X線検査では、人が10日間にわたって毎日浴びる（場所による）背景放射線と同量にさらされるが、歯科用X線検査の被ばくは、環境背景放射線1日分とほぼ同等である。 ^[119]このようなX線検査1回あたり、生涯のがんリスクは100万人に1人未満しか追加されない。腹部または胸部CT検査は、全身の背景放射線2～3年分、腹部または胸部の背景放射線4～5年分に相当し、生涯のがんリスクは1,000人に1人から1万人に1人増加する。^[119]これは、米国民が生涯でがんを発症する確率が約40％であることと比較される。^[120]たとえば、胸部CTスキャンによる胴体への実効線量は約5 mSvで、吸収線量は約14 mGyである。^[121]造影剤ありとなしで1回ずつ実施された頭部CTスキャン（1.5mSv、64mGy）^[122]は、頭部への40年間の背景放射線に相当する。CTによる実効線量の正確な推定は困難であり、成人の頭部スキャンでは、使用される方法に応じて推定不確実性の範囲が約±19％から±32％である。^[123]

放射線のリスクは胎児にとってより大きくなるため、妊娠中の患者では、検査（X線）の利点と胎児への潜在的な危険性とのバランスを取る必要があります。^{[124] [125]} 9か月に1回のスキャンでは、胎児に有害となる可能性があります。^[126]そのため、妊娠中の女性は、放射線を使用しない超音波検査を画像診断として受けます。 [ ^126]放射線被ばくが多すぎると、胎児または母親の生殖器に有害な影響が出る可能性があります。^[126]米国では、年間6,200万件のCTスキャンが行われており、そのうち400万件以上が子供に対するものです。^[114]不必要なX線（特にCTスキャン）を避けることで、放射線量とそれに伴うがんのリスクが軽減されます。^[127]

医療用X線は、人為的放射線被曝の重要な発生源である。1987年には、米国における人為的発生源からの被曝の58%を占めた。人為的発生源は総放射線被曝のわずか18%を占め、そのほとんどは自然発生源（82%）に由来するため、医療用X線は米国の総放射線被曝の10%を占めるに過ぎず、医療処置全体（核医学を含む）は総放射線被曝の14%を占めた。しかし、2006年までに、米国の医療処置は1980年代初頭よりもはるかに多くの電離放射線を放出するようになった。2006年には、医療被曝は米国人口の全発生源からの総放射線被曝のほぼ半分を占めた。この増加は、医療用画像診断処置、特にコンピューター断層撮影（CT）の使用の増加と核医学の使用の増加に起因する。^{[102] [128]}

歯科用X線による被ばく量は、手順と技術（フィルムまたはデジタル）によって大きく異なります。手順と技術によって異なりますが、人間の歯科用X線撮影1回あたりの被ばく量は5～40μSvです。口全体のX線撮影では、最大60μSv（デジタル）～180μSv（フィルム）の被ばく量となり、年間平均では最大400μSvになります。^{[129] [130] [131] [132] [133] [134] [135]}

金銭的インセンティブは、X線撮影ごとに別途料金が支払われる医師がより多くのX線撮影を行うことで、X線撮影の使用に大きな影響を与えることが示されています。^[136]

初期光子トモグラフィー（EPT）^[137]（2015年現在）は、他の技術^[138]とともに、イメージングアプリケーションにおけるX線の潜在的な代替手段として研究されています。

X 線のその他の注目すべき用途は次のとおりです。

• X線結晶構造解析では、結晶内の原子の密集した格子を通過するX線の回折によって生成されるパターンを記録し、分析してその格子の性質を明らかにします。関連する技術である繊維回折は、ロザリンド・フランクリンがDNAの二重らせん構造を発見するために使用されました。^[139]
• X線天文学は天文学の観測分野であり、天体からのX線放射の研究を扱っています。
• X 線顕微鏡分析は、軟 X 線帯域の電磁放射を使用して非常に小さな物体の画像を生成します。
• 蛍光X線分析は、試料内でX線を発生させ、それを検出する技術です。X線の放出エネルギーを利用して、試料の組成を特定することができます。
• 工業用放射線検査では、工業部品、特に溶接部の検査に X 線を使用します。
• 文化財のレントゲン写真。ほとんどの場合、絵画のレントゲン写真で下絵、絵画制作中または後の修復者によるペンティメントの変更、そして時には支持体上の以前の絵画を明らかにする。鉛白などの多くの顔料はレントゲン写真でよく見える。
• X線分光顕微鏡法は、絵画中の顔料の反応を分析するために使用されてきました。例えば、ゴッホの絵画における色の劣化を分析する際に使用されています。^[140]

• 梱包された品物の認証と品質管理。
• 工業用 CT (コンピュータ断層撮影) は、X 線装置を使用してコンポーネントの外部と内部の両方の 3 次元表現を作成するプロセスです。これは、スキャンされたオブジェクトの投影画像をさまざまな方向からコンピュータ処理することで実現されます。
• 空港のセキュリティ荷物スキャナーは、航空機に積み込む前に、X 線を使用して荷物の内部を検査し、セキュリティ上の脅威がないか確認します。
• 国境管理トラックのスキャナーと国内警察は、トラックの内部を検査するためにX線を使用しています。

• X線アートと美術写真、X線の芸術的利用、例えばスタネ・ヤゴディッチの作品
• X線脱毛は1920年代に人気があったが、現在はFDAによって禁止されている方法である。^[142]
• 靴に合わせる透視装置は1920 年代に普及しましたが、1960 年代に米国で、1970 年代に英国で、その後はヨーロッパ大陸で禁止されました。
• レントゲン立体写真測量は、マーカーの埋め込みに基づいて骨の動きを追跡するために使用される。
• X 線光電子分光法は、光電効果を利用した化学分析技術であり、通常は表面科学で使用されます。
• 放射線爆縮とは、核分裂爆発（原爆）から発生する高エネルギーX線を利用して、核燃料を核融合点火点まで圧縮する（水素爆弾）ことである。

一般的に人間の目には見えないと考えられているが、特殊な状況下ではX線は見えることがある。1895年のレントゲンの画期的な論文の少し後に行われた実験で、ブランデスは暗順応後に目をX線管に近づけると、目自体から発せられているように見えるかすかな「青灰色」の輝きを見たと報告している。 ^[143]これを聞いたレントゲンは記録簿を調べ直し、自分もその効果を見たことがあることを発見した。レントゲンは木製のドアの反対側にX線管を置いたとき、目自体から発せられているように見える同じ青い輝きに気づいたが、その効果を見たのは1種類の管を使ったときだけだったので、自分の観察は偽物だと思った。後に彼は、その効果を生み出した管だけが輝きをはっきりと見えるほど強力であることに気づき、その後の実験は容易に再現可能になった。X線が暗順応した肉眼で実際にかすかに見えるという知識は、今日ではほとんど忘れられている。これはおそらく、現在では無謀に危険で潜在的に有害な電離放射線の実験と見なされているものを繰り返さないという願望によるものでしょう。眼の中でどのようなメカニズムで可視光が生成されるかはわかっていません。従来の検出（網膜のロドプシン分子の励起）、網膜神経細胞の直接励起、または、たとえば眼球内でのリン光のX線誘導と二次的に生成された可視光の従来の網膜検出による二次検出によるものである可能性があります。

X線は目に見えないが、X線ビームの強度が十分に高ければ空気分子の電離を見ることができる。欧州シンクロトロン放射施設の ウィグラーからのビームライン^[144]はそのような高強度の一例である。^[145]

X 線の電離能力の尺度は、露出と呼ばれます。

• クーロン/キログラム(C/kg) は、電離放射線被曝のSI単位で、1 キログラムの物質に各極性の 1 クーロンの電荷を生成するために必要な放射線の量です。
• レントゲン（R）は、1立方センチメートルの乾燥空気中に各極性の1静電電荷単位を生成するために必要な放射線量を表す、現在は使われていない伝統的な放射線単位です。1レントゲン = 2.58 × 10 ⁻⁴  C/kg。

しかし、電離放射線が物質（特に生体組織）に与える影響は、発生した電荷よりも、物質に蓄積されたエネルギーの量に密接に関係しています。吸収されたエネルギーのこの測定値は、吸収線量と呼ばれます。

• グレイ(Gy)は(ジュール/キログラム) の単位で、吸収線量の SI 単位で、あらゆる種類の物質 1 キログラムに1ジュールのエネルギーを付与するために必要な放射線の量です。
• radは（廃止された）対応する従来の単位で、1 キログラムあたりに蓄積されるエネルギーの 10 ミリジュールに相当します。100 rad = 1 グレイです。

等価線量とは、放射線が人体組織に及ぼす生物学的影響の尺度です。X 線の場合、等価線量は吸収線量に等しくなります。

• レントゲン当量マン（レム）は等価線量の伝統的な単位です。X 線の場合、これはラドに等しく、言い換えると、1 キログラムあたり 10 ミリジュールのエネルギーが蓄積されることになります。100 レム = 1 Sv です。
• シーベルト(Sv) は、等価線量および実効線量の SI 単位です。X 線の場合、「等価線量」は数値的にグレイ(Gy) に等しくなります。1 Sv = 1 Gy。X 線の「実効線量」は、通常グレイ (Gy) に等しくありません。

• 「新しい種類の光線について」。ネイチャー。53 (1369): 274–276。1896年1月。Bibcode :1896Natur..53R.274.. doi : 10.1038 / 053274b0。
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• 「X 線結晶構造解析」。X線が結晶内部を「見る」仕組みを学ぶための Web サイトです。