C05　X線管で生まれる制動放射線の仕組みを理解しよう！

「電子をぶつけるだけでX線が出る」――そう聞くと、ちょっと不思議に感じませんか。
しかも、そのX線には“いろんな波長”が混ざっていて、ひとつの線じゃなく連続した光の分布になるんです。

実はこれ、電子がターゲットにぶつかったときに減速してしまうことが原因。
そのとき失ったエネルギーが、そっくりそのままX線として放たれるんです。

この記事では、そんな制動放射線の仕組みをやさしくたどりながら、
クラマースの式やクーレンカンプの式が“何を教えてくれるのか”も一緒に見ていきます。

X線管の中で起きていることがわかると、装置の出力や撮影条件の意味も、きっと違って見えてくるはずです。

X線はどうやって生まれるの？

X線管の中では、目に見えない世界で壮大なエネルギーの変換が起きています。
電気の力で電子を加速し、それがターゲットに衝突することで光が生まれる――。
ここでは、その一連の流れを順を追って見ていきましょう。

電子を加速してターゲットへ

X線が生まれる最初の舞台は、陰極（フィラメント）です。
ここに電流を流すと熱せられ、表面から電子が飛び出します。
このように、熱によって放出される電子を熱電子と呼びます。

放たれた熱電子は、真空中を漂う間もなく、強力な電場に引き寄せられます。
その電場を生み出しているのが、反対側の陽極（ターゲット）です。
陰極と陽極のあいだには高い電圧（管電圧）がかかっており、
電子はその電位差によって一気に加速されていきます。

たとえば管電圧が100 kVなら、1個の電子が得るエネルギーは100 keVになります。
この関係については、A2の記事「放射線物理に必要な物理単位まとめ｜速度・圧力・電気など12個を簡単整理」で扱いましたね。
加速された熱電子は光速の半分ほどの速さにまで達し、そのままターゲット金属へ突っ込んでいきます。

つまり、陰極で生まれた熱電子が、陽極へ向かって走る――
この“走るエネルギー”こそが、のちにX線のもとになる運動エネルギーなのです。

減速すると光る？ 制動放射の基本原理

陽極ターゲットに突っ込んできた（入射した）電子たちは、そこでいきなりブレーキをかけられます。
ターゲット内部には原子核がぎっしり詰まっており、その正の電荷が電子を強く引き寄せるからです。
電子はその引力に引かれながら進路を曲げられ、まるで急カーブを切る車のように減速します。

このとき、電子は“進む力”を少し失い、そのエネルギーが電磁波（＝X線）に変わります。
これが制動放射（Bremsstrahlung）という現象で、このときに放出されたX線は制動放射線と呼ばれます。
ドイツ語で「ブレーキ放射」という意味の通り、電子がブレーキを踏むたびに光が生まれる――そんな現象です。

ただし、「止まったとき」ではなく、「曲げられた瞬間」に放射されることがポイントです。
電子がどれくらい強く引き寄せられたか、つまりどれだけ急に方向を変えたかによって、
放たれるX線のエネルギー（＝波長の短さ）が変わります。

たとえば、ほとんど減速せずに通り過ぎた電子は、低エネルギーのX線しか出しません。
一方で、原子核のすぐそばを通って大きく減速した電子は、
持っていた運動エネルギーをほぼすべて放出してしまい、高エネルギーのX線を放ちます。

このように、電子ごとに減速の度合いが違うため、
X線（制動放射線）のエネルギーも一様ではなく、様々はエネルギーが連続的に混在する連続スペクトルとして現れるのです。
だから制動放射線は、波長の幅を持った“なだらかな山形”のグラフを描きます。

制動放射の性質をつかもう

制動放射線は“減速の度合い”によって生まれるエネルギーが変わるため、
一つひとつの電子が放つX線にばらつきがあります。
その結果として現れるのが、連続的に広がるスペクトル。
ここでは、その性質とエネルギーの上限を決める法則を見ていきましょう。

なぜ連続スペクトルになるのか

X線管で発生した制動放射線を波長ごとに分析すると、
山のように滑らかに連なるグラフが現れます。
これが連続スペクトルです。

原因はシンプルで、電子が減速する程度が毎回異なるからです。
原子核のすぐそばをかすめて一気に減速する電子もあれば、
遠くを通ってほとんどスピードを落とさない電子もあります。

たとえば、高速道路でいろんな車がそれぞれのタイミングでブレーキを踏むようなもの。
ブレーキの強さがバラバラなら、減速の仕方も、放たれる光（X線）のエネルギーもまちまちになります。
その結果、波長が短いX線から長いX線まで、連続的に分布するのです。

このグラフの形は、ターゲットの材質によって大きく変わることはありません。
銅でもタングステンでも、基本の形は同じです。
つまり制動放射の連続スペクトルは、「電子が減速するという現象そのもの」によって決まっているのです。

最短波長とデュアン・ハントの法則

制動放射のスペクトルには、右端に“打ち止め”のような位置があります。
これより高いエネルギーのX線は出ません。
ここが制動放射線の最大エネルギーとなります。
また、エネルギーと波長の関係式は以下のようになっています。

$$ E=\frac{hc}{λ} $$

ここで、h：プランク定数、c：光速、E：制動放射線のエネルギー、λ：波長です。

つまり、制動放射線のエネルギーが最も高いとき、波長は最も短くなります。
これを最短波長と呼び、その位置を決めるのがデュアン・ハントの法則です。

法則の内容はとても単純で、
「電子の持っていた全エネルギー（＝加速電圧）を、まるごと1個のX線に変えたとき」
そのX線の波長が最短になる、というものです。

式で書くと次のようになります。

$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
\lambda_{\min} &= \frac{hc}{eV} \\[6pt]
&= \frac{1.24}{V}
\end{aligned}
}
}
$$

ここで、
h：プランク定数、c：光速、eV：電子のエネルギー（加速電圧×電荷）、V：kV単位の管電圧です。
この式で求められるのはnm単位の最短波長です。

たとえば管電圧を2倍にすると、電子のエネルギーも2倍になります。
すると最短波長は半分になり、より高エネルギー側までX線が広がります。
つまり、管電圧が高いほど硬い（エネルギーの高い）X線が得られるわけです。

この最短波長は、後で扱う「クラマースの式」や「クーレンカンプの式」のグラフでも、
スペクトルの端を決める重要な基準になります。

※スペクトルの端：スペクトルの横軸が波長なら左端、エネルギーなら右端にあたります。
※上の図では横軸がエネルギーなので、右端となります。

制動放射の強度分布を理論で見る

前のセクションでは、「制動放射」がどうやって生まれるかを感覚的に見てきました。
ここではもう一歩踏み込んで、「その強さがどう変わるのか？」を理論的に考えてみましょう。

制動放射では、加速電圧が大きいほど高エネルギーのX線が出やすくなりますが、
その分、低エネルギーのX線もたくさん混ざっています。
この“分布の形”を説明するために生まれたのが、
クラマースの式やクーレンカンプの式といった理論です。

どちらも、
「電子がターゲットにぶつかって減速するとき、どんなエネルギーのX線をどれくらい出すのか」
を数学的に表すものです。

つまり、制動放射線のエネルギー分布（強度分布）を示しているのです。

ではまず、基礎となるクラマースの式から見ていきましょう。

クラマースの式でわかること

クラマース（Kramers）の式は、制動放射のX線強度を最もシンプルな形で説明する理論です。
シンプルとは、古典量子論でという意味です。
つまり、制動放射線のエネルギー分布を古典量子論的に説明した式をクラマースの式といいます。

電子が金属ターゲットの原子核の電場で減速されるとき、
どんなエネルギーのX線を出すのか――それを“理想的な条件”で近似したものなんですね。

式の形はおおよそ次のように表されます。あくまでおおよそです。

$$I(E)=K\cdot Z\cdot (E_0-E)$$

ここで、

• I(E)：エネルギーEのX線強度
• Z：ターゲット金属の原子番号
• E₀：電子が持っていた最大エネルギー（＝加速電圧に対応）
• K：定数（比例関係の係数）

つまり、電子が持つエネルギー E₀​ から実際に放射されるX線のエネルギー E を引いた分だけ、強度が変わるという考え方です。
このため、グラフにすると「高エネルギー側でゼロに近づく直線的なスペクトル」になります。

クラマースの式のすごいところは、
実際のスペクトルの“全体的な形”をかなりよく再現できる点です。
細かいピーク（特性X線）は含まれませんが、
制動放射の“山なりの分布”を理解するうえでの出発点になるんです。

クーレンカンプの式とのちがい

クラマースの式は「理想的な条件下での近似式」でした。
つまり、電子が金属ターゲットにぶつかって減速する際、
エネルギー損失がなめらかに起こると仮定しているわけです。

でも、実際のX線管の中ではそんなに単純ではありません。
電子は金属原子の電場の中で、
さまざまな距離や角度で減速されるため、
放射されるX線の強さには微妙なばらつきが生じます。

この“現実のずれ”を補正するように提案されたのが、クーレンカンプ（Coulomb–Kramers）実験式です。
クラマース式をベースにしつつ、電子の速度やクーロン力の影響を考慮して改良されたものなんです。
クラマースの式に「実際の測定結果」をもとに補正を加えたものです。
複雑になってくるので、紹介は割愛します。
つまり、国試で式の中身は問われないということ。

式の詳細は複雑ですが、ざっくり言えばこうです。

• クーレンカンプの式では、電子と原子核との相互作用の確率（断面積）を取り入れている
• その結果、低エネルギー側のX線強度がより実測値に近づく

グラフで比べると、クラマース式はやや単純な直線的な分布、
クーレンカンプ式は少し丸みを帯びて、低エネルギー側が高めに補正されたカーブになります。

つまり――
クラマース式は“理想のモデル”、
クーレンカンプ式は“実際に近づけたモデル”という関係なんですね。

電子エネルギーとX線強度の関係

ここまでで、「クラマースの式」と「クーレンカンプの式」が
それぞれどんな特徴を持っているかを見てきましたね。
では、加速電圧──つまり電子のエネルギー──を変えると、
制動放射の強度はどう変わるのでしょうか？

これは直感的にも理解しやすくて、
電子のエネルギーが高いほど、ターゲット原子の電場に突っ込む勢いも強くなります。
そのぶん、より多くのエネルギーが放射（＝X線）として放たれるわけです。

式で表すと、クラマース式にも出てきたように
エネルギーの上限 E₀​（＝加速電圧）によってスペクトルの右端が決まります。
電圧を上げれば、その端（最短波長の位置）は右側にずれていき、
全体の強度も大きくなるという関係です。

クーレンカンプの式で見ると、この関係はさらにリアルで、
低エネルギー成分の強度増加も一緒に再現されます。
つまり、電圧を上げると「山全体が持ち上がる」ような変化を示すんですね。

---

まとめるとこうです。

• 電子のエネルギー（加速電圧）を上げると、X線強度が全体的に増える
• 最短波長は短くなる（＝より高エネルギーのX線が出る）
• 低エネルギー側も、クーレンカンプの式で見るとより現実に近いカーブになる

---

実際の過去問を見てみよう。

2008年に実施された第60回国家試験からのご紹介。
ちょっと古いですが、現在でも出題される可能性が十分にある内容です。

答えを確認する。

正解は　4　です。

できましたか？
デュエンハントの法則を使えば何のことはない計算問題です。
注意しなければならないのは、波長と管電圧の単位を意識することです。

計算過程はこのようになります。

$$
\boldsymbol{
\begin{aligned}
V&=\frac{1.24}{λ_{\min}}\\[6pt]
&=\frac{1.24}{2\times10^{-2}}\\[6pt]
&=62[kV]
\end{aligned}
}
$$

医療現場でのかかわり

私たちが病院で使っているX線のほとんどは、
この制動放射によって生まれています。

撮影用のX線管の中では、電子がターゲット金属にぶつかって減速し、
そのときに放たれたエネルギーがX線となって飛び出しているんです。

つまり、「制動放射がわからないと、X線撮影の原理がわからない」というくらい、
この現象は医療現場の根本に関わっています。

どんな検査でも、その背景にはこの小さな減速の瞬間がある――
そう思うと、X線管の中も少し身近に感じられますね。

まとめ

制動放射は、熱電子がターゲットにぶつかって減速するときに放たれるX線のこと。
そのスペクトルは“連続的”で、最短波長はデュエンハントの法則から管電圧のみで決まります。
そのエネルギー分布は理論的にクラマースの式で近似され、より実測に近づけた補正版がクーレンカンプの式です。

医療現場で使われるX線の大部分は、この制動放射によるもの。
つまり、この現象を理解することが、X線撮影の原理を理解することにつながります。

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