産業用X線およびコンピューター断層撮影(CT)システムは、さまざまな業界での非破壊検査 (NDT) や品質保証に欠かせないツールです。これらの検査システムは材料やコンポーネントの内部構造を詳細に把握し、損傷を与えることなく欠陥を特定して完全性を検証するのに役立ちます。検査の要件に合った最も適切な産業用X線またはCTシステムを選択することは、正確で効率的かつ費用対効果の高い検査に不可欠です。この記事ではシステム内のさまざまなコンポーネントの種類、その主な特長、結果に与える影響について説明します。

X線源について

X線源は産業用X線システムおよびCTシステムの中心部です。検査要件が異なれば、X線源に求められる特性も異なります。

１. X線管とその特長

1-1. マイクロフォーカスX線管

マイクロフォーカスX線管は、焦点サイズが 1〜50µm(マイクロメートル)で、高解像度の画像を作成して小さな欠陥を検出できます。これらのX線管は非常に小さな焦点を生成するように設計されているため、結果としてX線画像やCTスキャンで高解像度の画像が得られます。研究開発環境では、複雑な小型電子部品、高度な半導体、さまざまな材料の検査に多く使用されます。一部のマイクロフォーカス管はサブミクロンレベル (0.3µm未満) まで詳細な検出が可能です。また、一部のモデルでは水冷が組み込まれて焦点の安定性が向上し、CT結果の改善と再現性の向上につながっています。

✔ 長所:
✅ 高解像度の画像 – 微細な欠陥検出に最適
✅ 焦点が小さい – 画像のぼやけを軽減し、鮮明度を向上
✅ 詳細な検査に最適 – コネクタやその他の電子部品、BGAボールやブラインドビアを含むPCB、小型の樹脂やアルミ鋳造部品向け

❌ 短所:
🚫 X線強度が低い – 厚い材料には不向き

1-2. ナノフォーカスX線管

ナノフォーカスX線管はマイクロフォーカス技術をさらに進化させ、焦点サイズが1µm未満で超高解像度の画像を実現します。これらの高度なX線源は、ナノメートル範囲 (例: ≥ 150 nm) まで詳細な可視性を実現し、非常に小さな欠陥の検出を可能にします。

✔ 長所:
✅ 非常に高い解像度 – 最小の欠陥を検出します
✅ 高度なマイクロ検査に最適 – 半導体の分析、高精度CTスキャン、マイクロエレクトロニクス向け

❌ 短所:
🚫 透過力が非常に低い – 厚い材料や高密度の材料には適していません
🚫 動作条件に敏感です

1-3. ミニフォーカスX線管

ミニフォーカスX線管の焦点サイズは 50〜500µmで、画像解像度と透過力のバランスが取れています。マイクロフォーカスオプションとは対照的に、ミニフォーカスX線管は通常、高い出力を持つため、より高密度で大きなサンプルの透過に適しています。マイクロフォーカス管に比べて焦点が大きいため、最終的な解像度がわずかに低下する可能性がありますが、透過力の向上は特定の用途にとって重要です。

✔ 長所:
✅ X線強度が高い – 厚い材料に適しています
✅ 産業用途に最適 – 溶接検査、鋳造品、大型構造部品に使用

❌ 短所:
🚫 マイクロフォーカスやナノフォーカスのチューブに比べて解像度が低い
🚫 非常に微細な欠陥の検出には適していません

1-4. メゾフォーカスX線管

メゾフォーカスX線管の焦点サイズは 50〜300µmです。メゾフォーカスX線管はマイクロフォーカス技術とミニフォーカス技術のギャップを埋めるようにパワーと解像度のバランスを持つ設計がされています。複数の焦点の選択が可能で、堅牢性、高エネルギーレベル、比較的優れた空間解像度というメリットを兼ね備えています。このバランスにより競争厳しい産業環境では特に有利であり、経験の浅いユーザーでも操作を簡素化できます。

✔ 長所:
✅ マイクロフォーカスよりも強いX線強度 – 中程度の厚さの材料に適しています
✅ ミニフォーカスよりも優れた解像度 – 解像度と透過力のバランスを提供します
✅ 鋳造品、複合材、中型工業用部品に最適です

❌ 短所:
🚫 マイクロフォーカスおよびナノフォーカス管よりも解像度が低い
🚫 非常に厚い材料ではミニフォーカスほど強力ではありません

1-5. マルチフォーカスX線管

多様な検査への適応性のため、一部の高度な産業用X線/CTシステムには、マルチフォーカスX線管が装備されており、ユーザーはさまざまな焦点スポットサイズを柔軟に切り替えることができます。この適応性により、特定の検査タスクに基づいて最適化が可能になり、高解像度の場合は小さな焦点を選択し、出力を高める場合は大きな焦点を選択できます。

X線管の構成

汎用性を高めるシングルX線管システムとデュアルX線管システム

高度な産業用CTシステムには、最大限の汎用性を提供するデュアルX線管構成が採用されています。これらのシステムでは、異なる種類のX線管 (例として、高解像度のナノフォーカス管と高出力のマイクロフォーカス管) を1台のマシン内で組み合わせることができます。この設計によりユーザーは複数のシステムを必要とせずに、X線源の特性を各固有の検査タスクの特定要件に合わせて正確に調整できます。

どのX線管を選ぶべき?

• 超高精度および微小欠陥検出用 → ナノフォーカス
• 高解像度の工業検査用 → マイクロフォーカス
• 解像度と透過性の両方を必要とする中厚材料用 → メゾフォーカス
• 厚くて密度がある材料を扱う一般工業用途 → ミニフォーカス

適切なX線管を選択することで、非破壊検査 (NDT) アプリケーションにおいて最適な画像品質、欠陥検出精度、効率を確実に維持できます。

２. X線管電圧(kV)、管電流(A)、電力(W)がX線検査結果に与える影響

2-1. X線管電圧(kV) – 透過力を制御

キロボルト(kV)はX線ビームのエネルギーレベルを表します。kVが高いほど、X線のエネルギーが高くなり、より厚く密度の高い材料を透過します。

✔ kVの増加による効果:
✅ 透過性の向上 – 肉厚または金属など高密度の材料に最適
✅ コントラストの低下 – 高エネルギーX線により材料の差が減少
✅ 露出時間の短縮 – 高スループット検査の効率化

✔ kVの低下による効果:
✅ コントラストの向上 – 薄い材料の微細な欠陥の検出に優れています
✅ 透過性の低下 – プラスチックや複合材などの低密度材料に適しています

2-2. X線管電流(A) – 画像の明るさと露出を制御

ミリアンペア(mA)やアンペア(A)で測定される管電流によって、生成されるX線光子の量が決まります。電流が高いほど画像は明るくなりますが、透過率は上がりません。

✔ mAの増加による効果:
✅ より高い線量による明るい画像
✅ 信号対雑音比 (SNR) が向上し、画像の粗さが低減
✅ より多くの光子が必要な厚い材料に適している

✔ mA の減少による効果:
✅ 被曝線量と発熱が減少
✅ コストが下がり、X線管の寿命が長くなる
✅ 被曝が多すぎると損傷する可能性のある材料に適している

2-3. X線管出力(W) – 露出時間と撮影速度に関係

出力 (W) は次のように計算されます:

電力 (W) = 電圧 (kV) × 電流 (mA)

出力が高いほど短い露出時間で撮影が可能となり、検査速度と効率が向上します。ただし電力が多すぎるとチューブが過熱し、冷却システムが必要になる場合があります。

✔ 出力増加の効果:
✅ イメージングの高速化とスキャン時間の短縮
✅ 高スループット検査に最適
✅ 深い透過を必要とする大型部品に必要

✔ 出力減少の効果:
✅ X線管の寿命が延びる
✅ 詳細な長時間露光した検査に最適
✅ X線システムへの熱影響を軽減

３. 透過型X線管と反射型X線管

3-1. 透過型X線管

透過型X線管は、薄いターゲットを通過することでX線を生成し、高解像度の画像化のために小さな焦点サイズを生成します。

✔ 長所:
✅ 高解像度 – 微細な欠陥の検出に最適
✅ 焦点サイズが小さい – 画像の鮮明度が向上
✅ 微細検査や精密検査に最適

❌ 短所:
🚫 透過力が低い – 厚い材料には効果が低い
🚫 反射型管に比べて寿命が短いのが一般的

3-2. 反射型X線管

反射型X線管は、厚いターゲットからX線を反射させることでX線を生成するため、より高いエネルギーとより大きな透過性が得られます。

✔ 長所:
✅ 高い透過力 – 厚い材料や高密度の材料に最適
✅ 長寿命 – 継続的に使用される産業用途でより耐久性が高い
✅ 過酷な検査に最適

❌ 短所:
🚫 焦点スポットが大きい – 画像の鮮明度が低下する可能性がある
🚫 高精度の小規模検査には適さない

どちらのX線管を選択すべき?

• 高解像度、微細な検査には → 透過型X線管
• 深い透過や大型工業品には → 反射型X線管

適切なX線源を選択することで画像の鮮明度が向上し、欠陥検出精度が向上、非破壊検査 (NDT) アプリケーションで最適なパフォーマンスが得られます。

X線 / CT検出器について

工業用X線システムまたはCTシステムの検出器は、サンプルを通過したX線を捕捉し、それを処理して画像を生成する信号に変換するという重要な役割を果たします。検出器の選択は、結果として得られる画像の品質、検査速度、およびさまざまな非破壊検査アプリケーションに対するシステムの全体的な適合性に大きな影響を与えます。

４. X線検出器の種類を理解する

4-1. フラットパネル検出器 (FPD)

フラットパネルディテクタ (FPD) は、最も先進的なデジタルX線ディテクタであり、広いダイナミックレンジで高解像度の画像を提供します。
ピクセルピッチとマトリックスサイズ: 画像の詳細を決定づけます。ピクセルピッチ (個々のセンサー要素のサイズ) が小さく、ピクセルマトリックス (ピクセルの総数) が大きいほど、空間解像度が高くなり、画像内のより細かい詳細を取得する能力が向上します。たとえば、一部の高度なFPDでは、ピクセルピッチが139µm以下になっています。
アクティブ領域/視野: より大きなサンプルの撮像。検出器のアクティブ領域は、1回のスキャンで撮像できるサンプルのサイズである視野 (FOV) を決定づけます。アクティブ領域が大きい検出器を使用すると、より大きな部品の検査や、1 回のパスでより包括的なデータの取得が可能になり、複数回のスキャンや部品の再配置の必要性が軽減される可能性があります。フラットパネル検出器の中には、430x430mm以上のアクティブ領域を持つものもあります。

✔ 長所:
✅ 高画質で詳細
✅ 高速デジタル出力で検査時間を短縮
✅ 2DのX線と3DのCTスキャンの両方に適しています

❌ 短所:
🚫 他の検出器に比べてコストが高い
🚫 ファイルサイズが大きいと、より多くのストレージと処理能力が必要になります

4-2. イメージインテンシファイア（II）

イメージインテンシファイア (II) は、真空管を用いたシステムによりX線を可視光に増幅しカメラで撮影する技術です。広く普及している技術ではありますが、画質上の制約が存在するため、近年では徐々にFPDへの移行が進んでいます。

✔ 長所:
✅ FPDに比べてコストが低い
✅ CRシステムよりも画像処理が速い

❌ 短所:
🚫 画像の解像度が低く、端が歪む
🚫 かさばり、定期的なメンテナンスが必要

4-3. コンピュータX線撮影（CR）システム

コンピュータX線撮影 (CR) システムでは、従来のフィルムの代わりに蛍光体イメージングプレートを使用します。プレートはX線画像をキャプチャし、スキャンしてデジタル変換する必要があります。CRはFPDよりもコスト効率に優れていますが、速度が遅く解像度も低くなります。

✔ 長所:
✅ FPDよりも手頃な価格
✅ プレートは再利用可能で持ち運び可能

❌ 短所:
🚫 デジタル検出器に比べて処理時間が長い
🚫 FPDに比べて解像度とダイナミックレンジが低い

4-4. ライン検出器 (LDA)

この検出器は、感知素子の線形配列で構成されています。これらの検出器は、高X線エネルギーで特に効率性を発揮し優れた信号対雑音比を提供できるため大型で高密度の物体の検査に適しています。LDAを使用するCTシステムでは、通常ファンビームCTが採用されており、平行化された扇形状のX線ビームが使用されます。
ピクセルピッチとピクセル数: 1次元の解像度。FPDと同様に、線形配列のピクセルピッチとピクセル数によって、LDAの1次元の解像度が決まります。
有効長: 直線視野の決定。検出器アレイの有効長によって、直線方向のFOVの範囲が決まります。
スキャンメカニズム: 3Dデータの取得。LDAでは、完全な3D CTデータセットを取得するには、検査対象のオブジェクトまたは検出器アレイ自体の機械的な移動と回転が必要です。

✔ 長所:
✅ 長い対象物スキャンに適しています
✅ 高エネルギーX線で厚い材料を処理できます

❌ 短所:
🚫 フルイメージを取得するには移動が必要です
🚫 FPDよりも遅いイメージング

複数の検出器を搭載したシステム

多様なニーズに対応する最大限の柔軟性。一部の高性能産業用CTシステムには、フラットパネル検出器とライン検出器の両方を搭載できる利点があります。この洗練された構成により、ユーザーは幅広い検査タスクに最適な検出器を選択できる究極の柔軟性が得られます。ユーザーは特定のアプリケーションではFPDの高速性と汎用性を活用し、他のアプリケーションではLDAの高いエネルギー効率を活用できます。異なる検出器タイプ間のシームレスな切り替えは、多くの場合、システムの統合ソフトウェアによって容易に行えます。

どの検出器を選ぶべき?

• X線(2D)撮影の場合、検査時間を短縮した速いCTスキャン出力 → FPD
• 特に肉厚があるか大きめなサイズの試料に対してノイズの少ない高品質な画像 → LDA

５. 検出器のグレースケール階調の違い

X線検出器のビット深度により取得できるグレースケール階調数が決まります

14ビット検出器: 16,384 (2¹⁴) 階調のグレースケールを取得できます
16ビット検出器: 65,536 (2¹⁶) 階調のグレースケールを取得できます

つまり、16ビット検出器は14ビット検出器に比べて4倍のグレースケール階調を提供し、次の効果が得られます：
✅ コントラスト解像度の向上 – 材料密度の微妙な変化や小さな欠陥の検出に役立ちます。
✅ 画質の向上 – 特に高精度アプリケーションで鮮明度が向上します。
✅ 画像処理用のデータ品質の向上 – CT再構成や欠陥検出などの高度な分析に役立ちます。

ただし、16ビット検出器では通常、より高いデータ処理能力が必要となりファイルサイズが大きくなる可能性があります。

焦点/検出器間の距離 (FDD) と焦点/試料間の距離 (FOD)

X線またはCT検査を実行する場合、画像倍率は欠陥の可視性、解像度、精度に影響を与える重要な要素です。焦点検出器距離 (FDD) と焦点試料距離 (FOD) は、X線画像の倍率に直接影響します。これらのパラメータを調整する方法を理解することで、さまざまな材料や欠陥のサイズに対する検査結果を最適化することができます。

６. FDDとFODが画像拡大に与える影響

X線倍率（M）は次の式で計算されます：

M=FDD/FOD

ここで:
M = 倍率
FDD (焦点検出器距離) = X線源から検出器までの距離
FOD (焦点試料距離) = X線源から試料までの距離

この式は、FODが減少するかFDDが増加すると倍率が増加することを示しています。

✔ 高い倍率 (FODが小さい、FDDが大きい)
✅ 細かい部分の視認性が向上する
✅ 小さな物体の欠陥検出が向上する
✅ マイクロフォーカスや高解像度のX線画像撮影に役立つ

❌ 潜在的な欠点:
🚫 画像の歪みや幾何学的な不鮮明さが生じる可能性がある
🚫 視野 (FOV) が狭くなり、検査領域が制限される可能性がある

✔ 低い倍率 (FOD が大きい、FDD が小さい)
✅ 物体のサイズをより正確に表現できる
✅ 幾何学的な歪みが軽減される
✅ 大きな物体や正確な寸法測定に適している

❌ 潜在的な欠点:
🚫 解像度が低いため、小さな欠陥を検出するのが難しくなる可能性がある
🚫 微細構造の詳細が少ない

実際の倍率調整

✔ 拡大率を最大化するには:
対象物をX線源に近づける (FODが小さい)
検出器をX線源から遠ざける (FDDが大きい)

✔ 拡大率を最小化するには (サイズに忠実な画像化のため):
対象物をX線源から遠ざける (FODが大きい)
検出器をX線源に近づける (FDDが小さい)

どのようなX線CT検査機器を選択すべき?

• 微細箇所の倍率拡大分析のため、FDDを充分に確保できるようにキャビネット内部に充分な長さを持つサイズのX線装置が必要です。

ソフトウェア機能: 分析とワークフローの強化

産業用X線/CTシステムに付属するソフトウェアは、画像取得の効率、再構成アルゴリズムの精度、分析ツールの有効性、レポート作成の容易さに大きく影響する重要なコンポーネントです。有用なソフトウェア機能には、画像強調フィルタ、アーティファクト削減アルゴリズム、自動検査ルーチンの作成機能などがあります。これらのソフトウェア機能は、X線CTシステムから抽出できる情報を最大限に活用するために不可欠です。

７. 画像強調とノイズ低減

X線画像には、欠陥検出を困難にするノイズ、散乱線、低コントラスト領域が含まれることがよくあります。画像処理ソフトウェアは、さまざまな強調技術を適用して視認性を向上させます。

✔ 主なソフトウェア機能:
ノイズ低減フィルター → 粗いテクスチャを除去して画像を鮮明にします
コントラスト調整 → 低密度領域の微妙な欠陥を強調します
エッジ強調 → 細かい部分を鮮明にして、亀裂検出を改善します

✔ 検査結果への影響:
✅ 欠陥の視認性を高め、小さな亀裂、空隙、介在物を検出しやすくします
✅ 誤検知や誤解釈につながる可能性のあるアーチファクトを減らします

X線CT検査システムにはどのようなソフトウェアを選択すべきか?

• 画像補正フィルターなどのソフトウェア機能は、出力結果に大きく影響します
• 検査要件に応じて、自動検査機能などのソフトウェア機能は、検査の生産性を大幅に向上させることができます

８. 大型試料向けの拡張CTスキャン

8-1. 拡張CTスキャンとは?

標準的なCTスキャンは、検出器の視野 (FOV)サイズと試料または検出器の物理的な移動範囲により制限があります。拡張CTスキャンでは、複数のスキャン、画像の合成、また強力な機構制御によりスキャン領域を拡大し画像の解像度を向上させることで、これらの制限を克服しています。

8-2. 拡張CTスキャンの種類

✅ ヘリカルスキャン (スパイラルスキャン)
オブジェクトは医療用CTスキャンと同様に、回転しながらX線ビーム内を連続的に移動していきます
従来のCTのような段階的なスキャンで生じるアーチファクトを排除します
効果: 画像つなぎ合わせのエラーが少なく、シームレスで高解像度の3D再構成が可能です
最適な用途: 航空宇宙部品、自動車の鋳造部品、パイプなどの長い円筒形の部品

✅ オフセットスキャン
検査対象物が検出器のFOVより大きい場合、CTシステムは複数の画像をキャプチャし、それらを 1 つに結合します。
この方法では、解像度を低下させることなく、有効なスキャン視野が拡大されます。
効果: 標準スキャン領域に収まらない大きな部品の検査が可能になります。
最適な用途: 大型プラスチックアセンブリ、鋳造品、自動車部品、航空宇宙部品。

どの拡張CTを使用するべき?

• 検査対象物が高さ方向に長めか円筒形状でシームレスなCT画像が必要な場合 → ヘリカルスキャンを使用
• 大きく複雑な対象物を検査する必要がある場合 → オフセットスキャンを使用

要約

産業用X線 / ​​CT検査システムを選択する際に考慮すべき重要な点

材質とサイズに合ったX線出力： 検査する試料の密度と物理的寸法が主に考慮が必要な事項です。密度が高く大きな部品では、十分な透過を得るために、より高いX線管電圧(kV)と場合によってはより大きな出力(W)をX線源から必要とします。さらに試料が大きい場合は、1回のスキャンでオブジェクト全体を取得するために、より広いアクティブ領域を持つ検出器、または拡張視野機能を使用したスキャンを実行する必要になる場合があります。

最小欠陥を検出するために必要な解像度と詳細検出能力： マイクロクラック、電子部品アセンブリ内の微細な空隙、または微妙な材料の変化など、非常に微細な特徴の検出が求められるアプリケーションでは、焦点が小さいX線源 (マイクロフォーカスまたはナノフォーカス管など)とピクセルピッチが小さい検出器を選択することが不可欠です。必要な詳細検出能力のレベルは、X線源と検出器の両方の仕様に直接影響します。

焦点/検出器間距離（FDD）と焦点/試料間距離（FOD）の考慮： 高倍率での検査が求められる際には、FODを縮小しFDDを拡大することが可能なX線検査装置を選定する必要があります。一方で、低倍率で広範囲を検査する場合には、FODを拡大しFDDを縮小することが可能な視野の広い装置が適切です。対象物の寸法や検査目的に適合する装置を選定することにより、欠陥検出の精度と効率を向上させることが可能となります。

ソフトウェアも解析精度や欠陥検出能力に影響： ソフトウェアの主要な機能としては、ノイズ低減フィルター、コントラスト調整、そしてエッジ強調等が挙げられ、これらは欠陥の視認性を著しく改善します。この結果、微小な亀裂や空隙の検出精度が向上し、誤検知を抑制することが可能となります。適切なソフトウェアの選定は、高品質な検査結果を得るための不可欠な要素となります。

拡張CTスキャン技術は、従来のCTスキャンにおける大型試料に対する複数のセクション分割スキャンの必要性を解消します。対象物を連続的に回転させつつ相対的に移動させることで、一度のCTイメージングにて検出器サイズを超える視野（FOV）の大幅な拡大を実現します。この高度な機能により、検出器サイズの制約を受けずに全体の検査時間を短縮することが可能となり、特に大型鋳造品、自動車部品、航空宇宙部品といった比較的大きな検査対象物を扱う産業用CTアプリケーションにおいて、その効果を発揮します。

適切な産業用X線/CTシステムを選択することは、特定の非破壊検査要件と主要なシステムコンポーネントの機能の十分な理解が必要な重要な投資です。このガイドで説明されているさまざまなタイプ、仕様、考慮事項を慎重に評価することで、十分な情報に基づいた決定を下し、現在および将来の品質保証とNDTのニーズを効果的に満たすシステムに投資することができます。弊社が提供できる製品範囲は、このガイドに記載されているすべてのタイプのシステムであるため、特定の製品を優先することなくお客様に適した非破壊検査システムについて一緒に話し合うことができます。また、システムのサンプル検査を実施して選択プロセスをご支援することもできます。

画像提供：コメット・エクスロン

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