X線発生装置の全体構造
X線発生装置は大きく3つに分類される。
1．X線源装置
・X線管装置
・照射野限定器
2．X線用高電圧ケーブル
3．X線高電圧装置
・高電圧発生装置
・X線制御装置
1．X線源装置
X線源装置は、実際にX線を発生・照射する部分である。
構成：
・X線管装置
・照射野限定器
X線管装置
陰極から放出された熱電子を陽極に衝突させ、X線を発生させる
照射野限定器
照射範囲を制限し、不要な被ばくを防ぐ。
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2．X線用高電圧ケーブル
高電圧発生装置で生成された高電圧をX線管へ送る経路である。
高電圧を安全に伝達する役割を持つ。
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3．X線高電圧装置
電子を加速させるための高電圧を発生・制御する部分である。
構成：
・高電圧発生装置
・X線制御装置
・高電圧発生装置
管電圧を発生させる。
X線の「質（線質）」に関与する。
X線制御装置
管電圧・管電流・照射時間などを制御する。
X線の「量」に関与する。
X線管の構造
1．固定陽極X線管
陽極が固定された構造をもつX線管である。
特徴：
・熱容量が小さい
・構造が簡単
・焦点外X線の発生が少ない
用途：
歯科用装置、携帯型などの小容量X線装置に使用される。
【理解ポイント】
熱が一箇所に集中するため、連続高出力撮影には不向きである。
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2．回転陽極X線管
陽極（ターゲット）が高速回転する構造をもつX線管である。
特徴：
・熱容量が大きい
・高出力撮影が可能
【理解ポイント】
回転により電子衝突位置が分散し、熱を広い面積に分散できる。
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回転陽極X線管の構成
① ガラスバルブ
真空を維持し、高電圧の絶縁を行う外囲器である。
材質は耐熱性・絶縁性に優れた硼珪酸硬質ガラスが用いられる。
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② 陰極（フィラメント・集束電極）
フィラメントを加熱し、熱電子を放出する。
集束電極により電子を細いビームに集束させる。
【試験ポイント】
管電流はフィラメント電流に依存する。
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③ ターゲット
傘形構造をもち、焦点面の材質はタングステンである。
タングステンの特性：
・高原子番号（Z＝74）
・高融点（約3450℃）
・蒸発しにくい
【理解ポイント】
高Z → 制動放射効率が高い
高融点 → 高温に耐える
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④ 陽極回転子（ロータ）
誘導電動機の原理によりターゲットを高速回転させる。
【理解ポイント】
回転速度は数千～一万rpm程度。
短時間許容負荷を増大させるための機構である。
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固定陽極と回転陽極の比較
固定陽極
・熱容量小
・低出力用
・構造簡単
回転陽極
・熱容量大
・高出力撮影可能
・熱分散可能
格子制御系X線管
① 定義
格子制御系X線管とは、格子電極（グリッド電極）によって電子の流れを制御し、X線の発生を開閉できるX線管である。
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② 全体構造
通常のX線管の陰極構造に、格子電極が付加された構造をもつ。
構成：
・フィラメント
・集束電極
・格子電極（グリッド）
・陽極（ターゲット）
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③ 各部説明（機能中心）
● 格子電極
陰極と陽極の間に配置される電極である。
負電位を与えることで電子の通過を抑制し、正方向に近づけることで電子を通過させる。
→ 管電流を電気的に制御できる。
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● 動作原理
通常のX線管では、X線のON/OFFは高電圧側で制御する。
格子制御系では、高電圧をかけたまま電子の流れを制御することでX線を開閉する。
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● 使用例
コンデンサ式X線装置と組み合わせて使用される。
理由：
コンデンサ式では高電圧が蓄積されているため、瞬時に電子流を制御できる機構が必要となる。
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④ 理解ポイント
・高電圧をON/OFFするのではない
・電子の流れを制御してX線を開閉する
・制御対象は管電流である
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⑤ 補足：暗電流
暗電流とは、格子電極で遮断しているにもかかわらず、すり抜けて陽極へ到達する熱電子ビームのことである。
→ 完全遮断はできないため、微弱なX線が発生することがある。
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⑥ 国家試験頻出ポイント
・格子電極は管電流を制御する
・コンデンサ式X線装置と併用される
・暗電流の定義
実焦点と実効焦点
① 定義
実焦点とは、ターゲット上で電子が実際に衝突している面積である。
実効焦点とは、実焦点をターゲット角により投影して見かけ上小さくした焦点である。
関係：
実効焦点 ＜ 実焦点
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② 全体構造（線焦点の原理）
ターゲット角を利用して、実焦点を小さく見せる原理を線焦点の原理という。
実焦点（実際の衝突面積）
↓ ターゲット角により投影
実効焦点（見かけ上の焦点）
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③ 実焦点
特徴
・管電圧が低い
・管電流が大きい
・ターゲット角が小さい
これらの場合、実焦点は大きくなる。
（※実効焦点を一定とした場合）
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物理的意味
実焦点面積が大きい
→ 電子衝突面積が広い
→ 熱分散が大きい
→ 短時間許容負荷が増す
→ 最大許容入力が大きくなる（比例関係）
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④ 実効焦点
実効焦点面積が小さい
→ 幾何学的半影が小さくなる
→ 画像のボケが小さくなる
→ 空間分解能が向上する
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⑤ ヒール効果
ターゲット内部での自己吸収により、
陽極側のX線強度 ＜ 陰極側のX線強度
となる現象をヒール効果という。
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ヒール効果が小さくなる条件
・ターゲット角度が大きい
・撮影距離が長い
→ 利用可能な放射角度が大きくなる
→ 最大照射野・有効照射野が大きくなる
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⑥ ビームハードニング
ターゲット内部での吸収により、
陽極側では低エネルギーX線がより吸収される
→ 線質は陽極側で硬くなる
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⑦ 理解ポイント
・実焦点＝熱の問題
・実効焦点＝画質の問題
ターゲット角を小さくすると
→ 実効焦点は小さくなる
→ しかし実焦点は大きくなる
つまり、
画質と熱容量はトレードオフ関係にある。
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⑧ 国家試験頻出ポイント
・実効焦点＜実焦点
・実焦点増大 → 短時間許容負荷増大
・ヒール効果の方向（陰極側＞陽極側）
・陽極側は線質が硬い
正焦点と副焦点
① 定義
X線管のターゲット上には、電子密度の違いにより正焦点と副焦点が形成される。
電子密度：
正焦点 ＞ 副焦点
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② 全体構造（焦点形成の原理）
フィラメントから放出された熱電子は、集束電極（集電子）によりターゲット上へ集束される。
しかし、電子密度は均等ではない。
その結果、
・電子密度が高い領域 → 正焦点
・電子密度が低い領域 → 副焦点
が形成される。
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③ 各部説明（機能中心）
正焦点
フィラメント前面付近から発生した熱電子によって形成される焦点である。
電子密度が高く、主焦点として機能する。
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副焦点
フィラメントの側方および後方から発生した熱電子によって形成される焦点である。
電子密度は低い。
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④ 理解ポイント
焦点は単一ではなく、電子分布により複数成分をもつ。
フィラメント形状
→ 電子放出分布
→ 焦点形状
という因果で理解する。
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⑤国家試験頻出ポイント
・電子密度は正焦点＞副焦点
・正焦点は前面由来
・副焦点は側方・後方由来
・焦点幅はフィラメント幅に比例
焦点外X線
① 定義（発生機序）
焦点外X線とは、焦点に衝突した高速電子によって生じた2次電子が、焦点面以外のターゲット面に衝突して発生するX線である。
すなわち、本来の焦点以外の位置から放射されるX線をいう。
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② 特徴
・焦点近傍で最も多く発生する
・焦点から離れるほど発生量は減少する
線質について：
・焦点近傍では軟質（低エネルギー成分が多い）
・焦点から離れるほど硬質（高エネルギー成分が多い）
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③ なぜ離れるほど硬線になるのか（理解ポイント）
陽極は正極、電子は負電荷である。
焦点から遠くまで到達する電子は、より高いエネルギーを持つ電子である。
エネルギーの弱い電子は近傍で減速・停止する。
その結果、
・焦点近傍 → 低エネルギー電子由来 → 軟線
・遠位部 → 高エネルギー電子由来 → 硬線
となる。
つまり、電子の到達距離とエネルギーは対応している。
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④ 作用
・画像全体に一様なかぶりを生じる
・コントラストを低下させる
→ 画質を劣化させる要因となる。
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⑤ 回転陽極管との関係
回転陽極管はターゲット面積が大きい。
→ 2次電子の衝突範囲が広がる
→ 焦点外X線の発生量は固定陽極管より多い
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⑥ 除去のための構造
・付加フィルタ
・X線可動絞りの奥羽根
・鉛コーン
不要な周辺X線を物理的に遮蔽する。
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⑦ 国家試験頻出ポイント
・2次電子が原因
・焦点近傍で多い
・近傍は軟線、遠位は硬線
・コントラスト低下
・回転陽極で多い
・除去方法
X線管の動作特性（二極管特性・V-I特性）
① 定義
X線管は二極管であり、管電圧（V）と管電流（I）の関係に特有の動作特性をもつ。
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② 公称最大電力（X線管入力）
定義
X線管入力とは、X線を発生させるために陽極に加えられる電力である。
すなわち、X線管に実際に投入される電力をいう。
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式
P ＝ U × I × f × 10⁻³
P：X線管入力［kW］
U：管電圧［kV］（最大値）
I：管電流［mA］（平均値）
f：リプル補正係数
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f の意味（ここが重要）
管電圧は理想的な直流ではなく、波形に脈動（リプル）がある。
リプルが大きい
→ 平均電圧が低下
→ 実際の有効電力が小さくなる
それを補正する係数が f である。
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f の値
・f = 1.0
（リプル10%以下：インバータ式・定電圧形・三相12ピーク）
・f = 0.95
（三相6ピーク）
・f = 0.74
（単相1・2ピーク）
→ 単相ほど f が小さく、入力効率が悪い。
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②-1 リプル百分率とは
定義
リプル百分率とは、管電圧波形の脈動の大きさを示す指標である。
電圧の最大値と最小値の差を、最大値に対する割合で表したものである。
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意味
理想的な直流であれば電圧は一定である。
しかし実際の装置では、
・単相装置 → 電圧が大きく上下する
・三相装置 → 脈動は小さい
・インバータ式 → ほぼ一定電圧
この“上下の揺れ”がリプルである。
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なぜ重要か
リプルが大きい
→ 瞬間的に電圧が低下する時間が長い
→ 平均電圧が下がる
→ 有効なX線出力が低下する
その補正が係数 f である。
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リプルと f の関係
・リプルが小さい → f は大きい
・リプルが大きい → f は小さい
つまり、
電圧が安定している装置ほど入力効率が良い。
③ V-I特性（二極管特性）
X線管は二極管であるため、管電圧と管電流には特有の関係がある。
基本原理
フィラメントから放出された熱電子は、
管電圧によって陽極へ引き寄せられる。
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イメージで理解する
管電流を増やす＝
フィラメントから放出される電子の数を増やすこと。
しかし、
管電圧が低いと
電子を十分に引き寄せる力が弱い。
その結果、
電子を増やしても
陽極まで引っ張り切れない。
→ 管電流は増加しない。
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つまり
・低電圧領域 → 空間電荷制限領域
（電圧が電子流を制限している）
・高電圧領域 → 飽和領域（温度制限領域）
（放出電子数が制限因子）
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④ 理解ポイント
管電流を増やすには、
① 電子を多く出す（フィラメント加熱）
② それを引き寄せる十分な管電圧
この両方が必要である。
電流だけ上げても、
電圧が足りなければ流れない。
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⑤ 国家試験頻出ポイント
・P＝U×I×f×10⁻³
・Uは最大値、Iは平均値
・単相は f が小さい
・低電圧では空間電荷制限領域
・高電圧では飽和領域（飽和領域）
V-I特性の詳細（飽和領域と空間電荷制限領域）
① 飽和領域（温度制限領域）
定義
比較的管電圧が高い領域では、
管電流はフィラメントから放出される熱電子量によって決まる。
これを飽和領域という。
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特徴
・管電圧：高い
・管電流：比較的低い
・焦点：大きい
管電流はフィラメント電流で決まる。
（飽和電流で動作する）
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理解イメージ
電子は十分に引き寄せられる。
つまり、
「引っ張る力」は十分ある。
だから制限因子は
→ どれだけ電子を出せるか（温度）
になる。
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② 空間電荷制限領域
定義
比較的管電圧が低い領域では、
電子は十分に陽極へ引き寄せられない。
これを空間電荷制限領域という。
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特徴
・管電圧：低い
・管電流：増えにくい
・焦点：小さい
電子が陰極付近に滞留し、
空間電荷を形成する。
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理解イメージ
電子を多く出しても、
管電圧が低い
→ 引っ張る力が弱い
→ 電子が渋滞する
結果として、
電流は電圧に依存する。
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③ チャイルド・ラングミュアの式
空間電荷制限領域では、
Ip ∝ V(3/2) / d²
V：管電圧
d：電極間距離
つまり、
電圧が上がると
電流は V(3/2) に比例して増加する。
電流は距離の二乗に反比例し、減少する。
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④ 理解ポイント
・低電圧 → 電圧が制限因子（空間電荷制限領域）
・高電圧 → 電子放出量が制限因子（飽和領域）
制限因子が何かを見極めることが重要。
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⑤ 国家試験頻出ポイント
・飽和領域＝温度制限
・空間電荷制限領域＝V(3/2)
・チャイルド・ラングミュアの式
・d が大きいと電流は2乗に反比例し現象
ろ過と各種特性
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① 固有ろ過・付加ろ過・総ろ過
定義
固有ろ過
固有ろ過とは、取り外しできない構造物によるろ過である。
具体例：
・外囲器（ガラス）
・絶縁油
・放射窓
・ベリリウム（Be）
これらにより低エネルギーX線が吸収される。
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付加ろ過
付加ろ過とは、意図的に挿入する金属板によるろ過である。
例：
・アルミニウム
・銅
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総ろ過
総ろ過 ＝ 固有ろ過 ＋ 付加ろ過
X線管から出射されるX線は、総ろ過を受けた状態で被写体に到達する。
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総ろ過が増加すると
・X線量は小さくなる
・実効エネルギーは大きくなる（線質が硬くなる）
低エネルギー成分が除去されるためである。
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理解ポイント
ろ過とは「線量を減らす」ことではなく、
不要な低エネルギー成分を除去し、
線質を硬化させる操作である。
低エネルギーX線は画像に関与せずただ被曝の増加になる。
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② フィラメント特性
フィラメントに加える電圧とフィラメント電流との関係を示す特性である。
フィラメント電圧を上げる
→ フィラメント温度上昇
→ 熱電子放出量増加
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③ 管電流特性（エミッション特性）
管電流とフィラメント電流の関係を示す特性である。
フィラメント電流が増加
→ 熱電子放出量増加
→ 管電流増加
ただし、
空間電荷制限領域では管電圧の影響を受ける。
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④ その他の特性（X線出力）
X線出力
X線出力 ∝ Vn × I × Z
V：管電圧
I：管電流
Z：ターゲット原子番号
X線出力 ∝ 管電圧n × 管電流 × ターゲット原子番号
n：管電圧指数（2～5）
で表される。
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全X線強度（線量）
全X線強度 ∝ 管電圧n × 管電流 × 照射時間 × ターゲット原子番号
全X線強度 ∝ Vⁿ × I × t × Z
V：管電圧
I：管電流
t：照射時間
Z：ターゲット原子番号
n：管電圧指数（2～5）
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n の意味
ターゲット直後では n ≈ 2
物質を透過するほど n は大きくなる。
これは低エネルギー成分が吸収され、
高エネルギー依存性が強まるためである。
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国家試験頻出ポイント
・総ろ過＝固有ろ過＋付加ろ過
・ろ過増加 → 線量減少・実効エネルギー増加
・フィラメント特性と管電流特性の違い
・X線強度は管電圧n に比例
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