X 線発生装置の原理と設計

解説

X 線発生装置の原理と設計
勝部祐一

The Elements and Design of X-Ray Generator
Yuichi KATSUBE
Kinki Roentgen Industrial Co.,Ltd.
Kamigyo-ku, Kyoto 602-8226, Japan(Received 9 October 2014, Revised 9 January 2015, Accepted 13 January 2015)

Kinki Roentgen Industrial is a manufacturer of X-ray apparatus. Here I introduce thedetails of X-ray generator (core part of X-ray device), of which in-house development is one of
the strongest points of our company. Insulation and heat-release techniques are important for
designing the generators, because the high voltage (~100 kV) for generating X-rays and the low
conversion efficiency (~1%) lead to considerable heat-load on an X-ray tube. This paper describes
also the grounding method and recent developments in high-voltage power supply.
[Key words] X-ray generator, High voltage power supply, Cockcroft-Walton generator
当社，近畿レントゲン工業社は X 線装置の専業メーカーである．当社の強みとして，装置のコア部品である X 線発生装置を自社開発していることから，今回は X 線発生装置の設計手法について紹介する．X 線の発生には 100 kV 前後の高電圧を印加する必要があり，かつ X 線の発生効率は 1% 程度と，エネルギーの大部分が熱に変換されることから，絶縁設計と放熱設計が重要となる．本稿では，これらを考慮した最適な接地方式の選び方について紹介するとともに，近年の半導体技術を利用した高電圧電源の構成についても紹介する．

［キーワード］X 線発生装置，高圧電源，コッククロフト回路

1.

は，医療用分野で培った技術を X 線発生装置と当社の歴史して工業用分野に展開し，主に食品や衣料品のX 線発生装置とは，医療用や工業用といったX 線異物検査装置に採用され，X 線発生装置とあらゆる X 線装置の心臓部である．近畿レント

しての累計出荷台数は 7,000 台に迫っている．

ゲン工業社は 1946 年の創業以来，X 線装置のこのように当社は X 線を透視用として用いて専業メーカーとして事業に取り組んできた．医おり，分析用としての開発経験はない．しかし療用レントゲン装置の保守業務から始まり，現ながら，透視用および分析用 X 線発生装置には在は自社ブランドとして歯科用レントゲン装置共通点が多いことから，X 線発生装置の原理との設計開発を行っている．また 2000 年代から設計方法について紹介することとした．

株式会社近畿レントゲン工業社 テクニカルセンター技術部
Ｘ線分析の進歩 46
Adv. X-ray. Chem. Anal., Japan 46, pp.27-31 (2015)京都府京都市上京区石薬師町 686〒 602-8226

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2.

X線発生の原理

本稿では，X 線発生原理の物理的な解説は省
略し，実務上必要な点に絞って解説する．

まず電子の発生源については，陰極に繋いだフィラメントがその役割を担う．フィラメントの両端に数 V の電位差を与えることで，フィラメントが約 2000℃まで加熱されると，そのエ一般的に X 線を発生させるには，図 1 に示す

ネルギーにより電子がフィラメントから飛び出X 線管と呼ばれる真空管に電気を加える．X 線す．これはエジソンが白熱電球の研究で発見し管内部には陽極，陰極と呼ばれる 2 つの電極がた熱電子放出の現象である．続いて，陰極側よあり，図 2 のように陽極表面にあるターゲットり発生した電子を高速で移動させるために，陰に高速で電子を衝突させると，ターゲットから極と陽極の間に数 kV から数百 kV の電位差をX 線が発生する．言い換えれば，X 線を発生さ加えて加速させる．

せるためには，電子を発生させ，高速で移動させる必要があるということである．

フィラメントを加熱する「フィラメント電源」と電子を加速する「高圧電源」，X 線発生に必要なこれら 2 つの電源を制御することで，発生する X 線を制御することができる．両極間にかける高圧電源の電圧（管電圧）を変えることで，X 線のエネルギーが変化する．そして，フィラメント電源の電圧を調整することで，フィラメントから飛び出す電子量（管電流）が変化し，それに伴って X 線の量が変化する．つまり，管電圧・管電流をコントロールすることで，X 線の透過像や分析結果を調整することができるということである．
これら 2 つの電源を X 線管とともにケースに

図 1 X 線管．

封入したものが X 線発生装置である．しかし，数十 kV の高圧電源を空気中で動作させるとすぐさま放電してしまい動作しなくなるため，一般的にケース内部は電気絶縁油で満たされているか，もしくは取り扱いの容易なエポキシ樹脂などでモールド処理されている．

3.

X線発生装置の設計

3.1 接地方法の選択
X 線発生装置の設計にあたって困難な点は，先述の通り数十 kV オーダーの高電圧の印加に
図 2 X 線発生装置の構成．
28

伴い，ケースとの電気絶縁を確保する必要があ
Ｘ線分析の進歩 46

X 線発生装置の原理と設計とし，陰極にマイナス，陽極にプラスを印加する．
（例）陽極： + 50 kV・陰極： − 50 kV
長所：陰極・陽極とケース間の電位差を半分ずつに分担できるので絶縁設計が容易．
短所：その他の接地方式のメリットを活かすことができない．
透視用 X 線発生装置の場合，管電圧は 100kV 前後のものが多いこともあり，絶縁設計が
図 3 高電圧の接地方式．

容易な中性点接地を用いるケースが多くみられることである．さらに，ターゲットに入力される．分析用装置の場合，管電圧は 50 kV 前後またエネルギーのうち X 線に変わるのはわずかでと比較的低いため，陽極の冷却性を考慮した

1% ほどで，残りの 99% は熱になってしまうこ

陽極接地型が多く見られるが，絶縁性の高いイとからターゲットが非常に高温になるため，陽オン交換水を用いる手間をいとわなければ陰極極部の冷却も必要となる．このような背景から，接地型 X 線管も使われる．

まず電気絶縁と放熱を考慮して，図 3 に示すよ
うに次の 3 種類の接地方法のうちいずれが最適かを検討する．

3.2 高圧電源の設計
高圧電源は X 線発生に欠かせない部分であるが，近年の半導体の技術進歩により，その構造（a）陽極接地：陽極をアースに落とす．

は大きく変化した．かつては図 4 のように，商（例）陽極：0 V・陰極： − 100 kV

用の AC 電源を高電圧トランスで kV オーダー

長所：発熱部である陽極がアースに落ちてまで一気に昇圧していたため，大型のトランスいるため，ダイレクトに冷却するこが必要となり，重量もかなりあった．しかし，とが可能．

1990 年代頃から大容量のトランジスタが普及す短所：陰極とケース間の絶縁設計が困難．

るようになると電源の高周波化が進み，その結陰極が高電圧になっている中でフィ果としてトランスを小型化できるようになった

ラメント電圧の数 V の制御をしなことで，図 6 に比較するように高圧電源は小さければならないため，特殊な絶縁設く軽くなった．

計が必要．

近年の高圧電源の原理を図 5 に示す．商用電（b）陰極接地：陰極をアースに落とす．

源を数十 kHz 前後まで高周波化するため，一旦（例）陽極： + 100 kV・陰極：0 V

商用電源を直流化し，再度高周波の交流に変換

長所：フィラメント電圧の制御が容易．

する．これをトランスで数 kV 程度に昇圧して短所：陽極とケース間の絶縁設計が困難．

高電圧の（c）中性点接地：両極の中間電圧をアースに落Ｘ線分析の進歩 46

種を作り，その後，コッククロフ

トウォルトン回路と呼ばれる昇圧回路につなげ29

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図 4 高電圧トランス方式による高圧電源．

図 5 コッククロフト方式による高圧電源．

る．この回路はコンデンサとダイオードだけで構成されるシンプルな回路でありながら，増やした段数に比例して出力電圧を増やせるため，バリエーションを持たせやすいという利点がある．
また，この方式の一番のメリットは，これまでの高電圧トランス方式では商用電源の周波数で変動していた管電圧を，一定の電圧に安定させることが可能になったことである．これにより医療用分野では，透視画像に寄与せず人体への無効被曝の原因となる，低管電圧領域の X線を低減できるようになった．また工業用の異図 6 高電圧トランス方式（写真左）とコッククロフト方式（写真右）の高圧電源の比較（赤枠内は高電圧トランス）．

物検査においても，X 線の強度を一定に保つこ分析用装置でもこのコッククロフト回路によとができるため，画像取得にラインセンサーをる定電圧方式が採用されているようだが，X 線用いた高速なインラインでの検査が可能になっの変動が少ないことによるメリットが同様に存た．

在するものと思われる．

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3.3 放熱設計

ラインナップの製品を自社京都工場にて設計・

先述の通り，X 線発生には発熱が伴うため，製造している．昨年には，X 線をパルス状に照高温によりターゲットが損傷しないよう，放熱射することで人体への被曝低減が可能となる新に気を配る必要がある．接地方式にもよるが，しい X 線発生装置（図 7）を開発した．これは，陽極が高電圧になっている場合は直接冷却でき最大約 100 Hz の周波数で X 線の ON/OFF を切ないため，間接的に冷却する．ファンによってり替えることができる，国内歯科用 X 線装置

ケース表面を強制冷却，絶縁油をポンプで循環メーカーで初となる技術である．

冷却するなど各社工夫を凝らしている．

4.

当社のX線発生装置

また，過去には歯科大学との共同開発や，宇宙関連ではロケット燃料の噴射状況の透視など，各種研究機関からのオーダーメイドにも対当社では医療用ならびに工業用の X 線発生装応してきた．今後も，様々なニーズに対応する置について，管電圧 20 kV-160 kV・管電流 0.5

高機能な X 線発生装置の研究開発に邁進する所

mA-10 mA・短時間から連続使用まで，幅広い存である．

図 7 パルス照射 X 線発生装置．

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