独立行政机构国立产业技术综合研究所[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）测量前沿研究部[研究部主任山内幸彦]正电子探针组首席研究员兼研究组组长铃木亮一和正电子探针组研究员加藤秀俊正在与生命技术研究所有限公司[代表董事石黑义久]（以下简称“生命技研”）和筑波技术有限公司[代表董事合作王波】（以下简称“筑波科技”）开发小型轻量无损检测装置脉冲X射线源
新开发的X射线源是针叶碳纳米结构使用电子源，传统X射线管长10倍的寿命外，通过开发紧凑的驱动电路，我们还实现了厚度小于70毫米、重量小于25公斤的紧凑轻量化产品。该 X 射线源使得在密闭空间内进行检查成为可能，而这在以前是很困难的。此外，该X射线源可以产生短时间、高功率的脉冲X射线，通过将其安装在机器人等上，有望实现高效的无损检查，为实现安全放心的社会做出贡献。
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脉冲 X 射线源 (120 kV) 和 CD 盒（左）用于尺寸比较
金属阀门的X射线照片（中：阀门关闭，右：阀门打开） |
许多在经济高速增长时期建成的构成社会和工业基础的建筑物和构筑物（基础设施）至今仍在使用，越来越需要现场无损检测以确保其安全。例如，在经济高速增长时期建造和制造的化工厂和发电厂中，带有保温材料的管道腐蚀和变薄已成为问题，而采用X射线透射方法在不去除保温材料的情况下检查管道的腐蚀情况。然而，传统的X射线源由于体积大、重量重、需要电源布线等限制，很难在现场使用，很难在管道安装较多的狭窄空间内使用。因此，需要一种即使在有限空间内也能使用的紧凑型 X 射线源。此外，工厂等结构需要检查的物体数量巨大，为了减少工人的X射线照射并提高工作效率，需要一种小型轻量的X射线源，可以安装在机器人或其他车辆上并在移动时进行检查。此外，即使在对大量测试对象进行无损检查时，X射线源也需要具有较长的使用寿命，而无需在很长一段时间内更换，从而大量使用X射线源。
AIST 和生命研究所一直在开发使用针叶碳纳米结构电子源的 X 射线源，并于 2009 年开发了干电池供电的便携式 X 射线源（2009 年 3 月 19 日新闻公告）。此后，通过2010～2011年度经济产业省战略性基础技术推进支援项目“CNX冷阴极X射线管特有的真空环境优化及X射线发生器的开发”（项目管理：日本研究产业技术振兴协会）和共同研究，我们一直致力于X射线源的小型化、长寿命化、高性能化，以实现商品化。与此同时，筑波技术正在开发和商业化尖端无损检测设备，并在日本科学技术振兴机构委托项目“A-STEP全面研发阶段实用挑战型紧凑、轻型便携式X射线检测设备（2012-2012财年）”的支持下，与AIST合作开发可用于工厂管道检查等的便携式X射线无损检测设备。
新开发的 X 射线管使用针叶碳纳米结构向电子源施加高负电压场电子发射现象提取电子并将其注入目标以产生 X 射线。这种X射线管可以瞬间产生千瓦量级的强X射线，可用于无损检测。图 1 显示了针叶碳纳米结构的电子显微照片。尖端的曲率与碳纳米管相似，但它朝基底方向变厚，形成了一种高度抵抗电场产生的力破坏的结构。这次，在稳定过程中，去除了针叶碳纳米结构的薄弱部分，提高了作为电子源的输出稳定性。此外，还改善了X射线管内的真空环境，以减少针叶碳纳米结构的破损频率。经过这些处理后，我们以每次发射15 mW的输入功率产生X射线进行了寿命测试，结果如图2所示。当电子源劣化时，不再发射电子，引出电压增加，但即使产生1000万次发射X射线，电压增加也约为3%。 2009年发布新闻稿时，据说在相同输入功率下，寿命可以超过100万次，但这次我们确认寿命延长了10倍，超过1000万次。在作为便携式无损检测X射线源的典型使用条件下，该产品可持续使用10年以上而无需更换。
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| 图1 针叶碳纳米结构的电子显微照片 |
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| 图2 新开发的X射线管的寿命测试结果 |
这次，我们对使用针叶碳纳米结构电子源的X射线管的形状进行了优化，使其即使很小也能施加高电压，并开发了一种通过采取放电措施即使在小尺寸下也能产生高电压脉冲的驱动电路。当管电压为120 kV时，厚度为70 mm或更小，重量为25 kg或更小。当管电压为40 kV时，厚度为55 mm或更小，重量是700。我们已经实现了重量小于g的小型轻量X射线源。新开发的紧凑型轻型X射线源的体积比约为2009年新闻稿中宣布的同管电压X射线源的十分之一。这种紧凑型X射线源使得在以前难以检查的密闭空间中进行无损X射线检查成为可能。图 3 显示了金属灯泡的 X 射线照片。使用输入功率为 15 mW 的 X 射线进行拍摄，即使在密闭空间内也可以检查阀门的开闭状态和隔热管道的腐蚀状态。此外，该X射线源不需要备用电源，整体能耗低，因此可以通过USB电源或干电池供电，并且可以在没有商业电线等位置限制的情况下使用。
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图3金属灯泡的X射线照片
开发的X射线源（120 kV）产生的X射线穿过几毫米厚的金属管道。
您可以看到阀门内部的打开/关闭状态（左：阀门关闭，右：阀门打开）。 |
此外，该X射线源可以产生毫秒级的脉冲X射线。通过使用脉冲X射线，可以拍摄如图4所示的X射线透射照片。这些是在电动剃须刀工作时使用脉冲X射线拍摄的X射线照片。通过使用短脉冲宽度的 X 射线，可以看到刀片和支柱在剃须刀内移动的瞬时状态。此外，通过改变拍摄时机，还可以以慢动作捕捉高速现象。这样，即使被检物体在移动，也能确认瞬时情况。相反，由于即使X射线源和检测器移动也可以拍摄图像，因此可以想象，该X射线源可以安装在机器人上并在使用脉冲X射线的同时移动，以拍摄高速、高清图像。
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图4 用脉冲X射线拍摄的剃须刀内部刀片的脉冲X射线照片
（顶部：脉冲宽度 1 ms，底部：脉冲宽度 100 ms） |
新开发的X射线源体积小、重量轻，产生脉冲X射线以获得状态的瞬时图像，使得在狭窄空间和其他以前难以检查的地方进行无损检查成为可能。
未来，我们将进行高效无损检测的研发，包括提高X射线源的性能和开发安装在机器人上的自动检测系统。