JP2006284329A

JP2006284329A - 水平宇宙線ミュオン多重分割型検出手段による大型構造物の内部構造情報を得る方法

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Publication number: JP2006284329A
Application number: JP2005103681A
Authority: JP
Inventors: Kanetada Nagamine; 謙忠永嶺; Hiroyuki Tanaka; 宏幸田中
Original assignee: High Energy Accelerator Research Organization
Current assignee: High Energy Accelerator Research Organization
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP4106445B2

Abstract

【課題】強度としては弱いものの、物質透過性が高い水平ミュオンを用いて精度よく大型構造物の内部構造情報を得る方法を提供する。
【解決手段】大型構造物の測定対象部に対向する側方の有限間隔位置に位置敏感検出手段を配置し、位置敏感検出手段は、第１検出板と第２検出板とをもつ位置敏感検出器複合体を２基有し、前記位置敏感検出器複合体の間に鉄部材を配設し、前記測定対象部を貫通して第１位置敏感検出器複合体に到達する前方水平ミュオンが第２位置敏感検出器複合体に到達する際に、それぞれの到達位置をつないだ直線を逆にたどることで、前方水平ミュオンが貫通する前記測定対象部内の経路が特定され、前方水平ミュオンの強度と、第２位置敏感検出器複合体および金属部材を順次貫通して第１位置敏感検出器複合体に到達する後方水平ミュオンの強度の双方を同じ位置敏感検出手段で測定し、前方および後方水平ミュオンの強度比から大型構造物の内部構造情報を得ることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば製鉄用高炉、発電用ダム、橋脚、高架道路、船舶、車輌等の大型構造物の内部構造情報を、水平宇宙線ミュオン多重分割型検出手段を用いて得る方法に関する。

大型構造物、例えば高炉のような大型構造物は、一旦設置され定常運転に入ると解体でもしない限り内部構造情報を得ることは難しい。
このような内部構造情報を、大型構造物の形態を維持し運転中の状態で得ることができればきわめて有用である。

大型構造物の形態を維持した状態で内部構造情報を得るための従来法としては、例えば、本発明者らのうちの一人が提案した特許文献１の方法がある。この方法は、図１に示すように、宇宙から大気を通過して地表に降り注ぐミュオンを利用して、高炉２０１を貫通するミュオンの強度変化に基づいて炉壁２０２若しくは炉底部２０４の耐火物の厚さを非破壊で測定する方法であり、より具体的には、正方形状の測定面をもつ３枚の位置敏感検出器（シンチレーター）２１１〜２１３を間隔をあけて互いに平行に配置し、各位置敏感検出器２１１、２１２、２１３には、４隅に光電子増倍管を設置し、位置検出器２１１〜２１３の測定面をミュオンが貫通すると、貫通位置で光を発する。この発した光を前記測定面の４隅に設置した光電子増倍管で検知し、この検知した光情報をパルス信号に変換し、これら光電子増倍管で検知するまでの時間の差から、位置検出器２１１〜２１３の測定面をミュオンが貫通した位置を特定することができる。平行に配置した３枚の位置検出器２１１〜２１３の各測定面での貫通位置を求めることによって、ミュオンが高炉２０１を貫通したときの経路Ｈが算出でき、この経路ごとのミュオン強度の減衰を知ることによって、高炉の内部構造情報を得る方法である。
特開平８−２６１７４１号公報

しかしながら、本発明者らが上記従来法（アナログ法）についてさらに詳細に検討したところ、各光電子増倍管からのパルス波形が、測定する雰囲気温度等によって変化して長時間安定性が得られない場合があり、かかる場合には、高炉等の構造物の内部構造情報を精度よく得られないことが判明した。

また、大気中には、光や電子等のような軟成物宇宙線バックグラウンド成分が、水平ミュオンに対し数１０倍程度存在するため、ミュオンを用いて大型構造物の内部構造情報を正確に得るには、３枚のアナログ型検出器２１１〜２１３を用いたのでは不十分で、かかる軟成物バックグラウンド成分とミュオンとを区別できるような手段を講じる必要があった。

さらに、ミュオンを用いて大型構造物の内部構造情報を得る場合、大型構造物の測定対象部を貫通し位置敏感検出手段に到達するミュオンの強度変化から、大型構造物の内部構造情報を得ることを期待したが、長期安定低バックグラウンド測定が出来ないため、大型構造物の内部構造情報を精度よく得ることができないことが判明した。

さらにまた、宇宙から大気を通過して地表に降り注ぐミュオンの物質貫通力は、地表に降り注ぐ角度、即ち垂直方向に対する角度である天頂角によって異なり、特に、天頂角50〜90°の範囲で地表に降り注ぐ水平ミュオンは、強度としては弱いものの、物質を貫通する力、すなわち透過性が高いため、上記軟成物バックグラウンド成分を除去できる手段があれば、大型構造物の内部構造情報を得る上できわめて有用であり、また、水平に近い宇宙線ミュオンを用いることにより、対象物に対して検出器の設置が容易で、垂直方向のミュオンを用いる場合に必要なトンネル等の構築は不要である。

この発明の目的は、強度としては弱いものの、物質を貫通する力、すなわち透過性が高い水平ミュオンを用いて精度よく大型構造物の内部構造情報を得る方法を提供する。

上記目的を達成するため、この発明の要旨は以下のとおりである。
(I) 大型構造物の測定対象部に対向する側方の有限間隔位置に、測定系として位置敏感検出手段を配置し、宇宙からの１次宇宙線により大気でつくられ地表に降り注ぐ素粒子ミュオンが、大型構造物の測定対象部を貫通して、位置敏感検出手段を構成する測定系に到達したときのミュオン強度を所定時間間隔で測定し、前記ミュオン強度の通過経路ごとの分布を知ることによって大型構造物の内部構造情報を得る方法であって、位置敏感検出手段は、水平方向に沿って所定幅で多数のプラスチックシンチレーターの横長部材に区画された正方形状の第１検出板と、垂直方向に沿って所定幅で多数の縦長部材に区画された正方形状の第２検出板とをもつ位置敏感検出器複合体を2基有し、２基の位置敏感検出器複合体は所定間隔で配設され、各位置敏感検出器複合体は、第１および第２検出板に到達したミュオンを同時計測して横縦のｘｙ座標を特定するため、横長部材と縦長部材が直交するように配置され、前記位置敏感検出器複合体の間に、鉄または鉄よりも重い金属からなる金属部材を配設し、前記ミュオンのうち、天頂角50〜90°の範囲で地表に降り注ぐ高エネルギーの水平ミュオンを用い、大型構造物の測定対象部を貫通して第１位置敏感検出器複合体に到達する前方水平ミュオンが、つづいて第2位置敏感検出器複合体に到達する際に、それぞれの到達位置をつないだ直線を逆にたどることで、前方水平ミュオンが貫通する前記測定対象部内の経路が特定され、大型構造物の測定対象部、第１位置敏感検出器複合体および金属部材を順次貫通して第２位置敏感検出器複合体に到達する前方水平ミュオンの強度と、前記位置敏感検出手段を挟んで大型構造物とは反対側から第２位置敏感検出器複合体および金属部材を順次貫通して第１位置敏感検出器複合体に到達する後方水平ミュオンの強度の双方を同じ位置敏感検出手段で測定し、前方および後方水平ミュオンの強度比から大型構造物の内部構造情報を得ることを特徴とする多重分割水平ミュオン検出手段を用いて大型構造物の内部構造情報を得る方法。

(II)位置敏感検出手段は、大型構造物の側方であって、その周りに異なる角度間隔で複数基配設することを特徴とする上記(I)記載の大型構造物の内部構造情報を得る方法。

(III)大型構造物の内部構造が時間と共に変化する場合、測定される全てのデータに、コンピューターで記録する際に、絶対時間をマイクロ秒以下の精度で付記することにより、大型構造物の動的内部構造情報を得ることを特徴とする上記(I)または(II)記載の大型構造物の内部構造情報を得る方法。

この発明によれば、大型構造物の内部構造情報を非破壊で正確に得ることができる。
また、この発明では、真上から降り注ぐ垂直ミュオンを検出する場合のように、位置敏感検出手段を穴を掘って配置するなどの空間的制限が少なく、大型構造物の側方の有限間隔位置に配置することができる。このため、位置敏感検出手段の周りに、異なる角度間隔で複数基配設することも可能であり、このように複数基配設すれば、複数の異なる角度での切断面に対する密度長観測が可能で、測定物である大型構造物の３次元断層像を得ること(トモグラフィック観測)ができる。

さらに、位置敏感検出手段を構成する測定系（計測回路系）について、シンチレーターからの高速パルスに対して、ナノ秒以下の高速電子回路を使用することにより、対象物である大型構造物を貫通する前方水平ミュオンの信号(F)と、丁度反対側の観測角度を持つ「空」の部分を貫通する（、言い換えれば物体を貫通しないで直接到達する）後方水平ミュオンの信号(B)とを区別して測定することができる。また、前方水平ミュオンの信号(F)と後方水平ミュオンの信号(B)とを区別するための他の手段として、ミュオンが地表に対し上方から降り注ぐものに限られ、下方からくるミュオンが存在しないという現象を利用して、各位置敏感検出器複合体を構成する第2検出板を水平ミュオンが貫通するy座標（垂直座標）の位置の上下関係から両信号（ＦとＢ）を区別する方法を用いることもできる。この方法の場合、高速電子回路が不要となるという利点がある。かくして得られるF/B強度比をデータとして取り込むことにより、きわめて安定なデータ取得をすることが出来る。加えてマイクロ秒以下の精度で絶対時間を付記してデータ取得を行うことにより、数々の実時間変化の追跡や、周期的な内部構造の時間変動に同期したストロボスコピックな解析を可能にする。

この発明に従う実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。
図２は、この発明に従う大型構造物の内部構造情報を得る方法に用いるのに最適な位置敏感検出手段の配置構成を示す図である。
図２に示す位置敏感検出手段１は、２基の位置敏感検出器複合体２、３と、鉄または鉄のような重い金属からなる金属部材、図２では、２枚の金属部材４、４とで主として構成されている。

各位置敏感検出器複合体２、３は、第１検出板５と第２検出板６とで構成されている。
第１検出板５は、水平方向Ｈに沿って所定幅Ｗ１で多数の横長部材７、図２では１０個の1m長10cm幅の横長部材７に区画され、全体として正方形状をなす。
第２検出板６は、垂直方向Ｖに沿って所定幅Ｗ２で多数の縦長部材８、図２では１０個の1m長10cm幅の縦長部材８に区画され、全体として正方形状をなす。

前記横長部材７および縦長部材８は、それぞれ第１検出板５および第２検出板６の測定面が同一の場合、幅が狭く配設数が多いほど、ミュオンの貫通位置の測定精度が高まるため好ましいが、具体的には検出回路のコストや占有空間率などで制限がある。このため、各検出板５，６を構成する各部材７，８の配設数は、
５〜２０個の範囲がより好適である。

各横長部材７および各縦長部材８は、１個のプラスチックシンチレーター９と、該プラスチックシンチレーター９の一端に設けられた光電子増倍管１０とを有し、図２で示すように、これらのプラスチックシンチレーター９および光電子増倍管１０がアルミニウム製のケースに収納されている。

金属部材４は、光や電子等のような軟成物バックグラウンド成分を除去するため、位置敏感検出器複合体２および３の間に配設される。
金属部材４としては、軟成物バックグラウンド成分を除去する金属部材であればよく、特に限定はしないが、例えば、鉄または鉄よりも重い金属からなる金属部材が挙げられる。しかしながら、コストの点で鉄部材を用いるのが特に好ましい。なお、鉄部材を用いる場合には、鉄部材の厚さを２０〜２００ｍｍにすることが好ましい。鉄部材の厚さが２０ｍｍ未満だと、軟成物バックグラウンド成分除去効果が認められなくなり、２００ｍｍを超えると、水平ミュオンの強度が変化してしまう。

また、図２では、光電子増倍管１０からの情報が、配線を介してＮＩＭ高速回路、ＣＡＭＡＣ高速回路およびコンピューターに順次送られ、データ処理される場合を示すが、前方水平ミュオンの信号(F)と後方水平ミュオンの信号(B)とを区別するための手段として、各位置敏感検出器複合体２，３を構成する第2検出板６を水平ミュオンが貫通するy座標（垂直座標）の位置の上下関係から両信号（ＦとＢ）を区別する方法を用いる場合には、光電子増倍管１０からの情報を、配線を介し、時間分解能が比較的低速（例えば0.1〜１マイクロ秒）の電子回路を経て、コンピューターに送って、データ処理すればよい。

ところで、ミュオンは、宇宙から飛来する陽子を主体とする一次宇宙線がバーン・アレン帯及び大気を通過する際に発生して地表に降り注ぐ宇宙線の一種である。ミュオンは、中性子に次いで寿命が長く、重さは電子の約２０７倍で、＋及び−の電荷を有する素粒子であり、他の粒子との間で電磁気力のみ作用するだけで、強い相互作用（核力）がない。従って、パイオンや陽子、中性子などのように電磁気力と核力の双方の強度減衰をもつものに比べ、物質貫通力が高く、また相互作用の解析も容易である。加えて、電荷があるために、シンチレーターなどの検出器で、100 %の検出効率を持つ。電子は同じ性質を持つが質量が軽いため、物質中ですぐに光に変わり、厚い物体では利用できない。

本発明者らは、前記宇宙線ミュオンのうち、天頂角50〜90°の範囲で地表に降り注ぐ水平ミュオンの透過後の強度が、図３に示すように、他の天頂角のミュオンに比べて高いことを見出した。

しかしながら、大気中には、光や電子等のような軟成物バックグラウンド成分が、ミュオンに対し数１０倍程度存在し、さらに、水平ミュオンは、地表に降り注ぐ量が少ないため、水平ミュオンを用いて測定するには、軟成物バックグラウンド成分を除去する手段が必要である。

このため、軟成物バックグラウンド成分を除去する手段を検討したところ、位置敏感検出器複合体２，３の間に、鉄のような重い金属からなる金属部材４を配設すると、1個の軟成分が第１(第２)の検出器複合体２を貫通してから金属部材４を通過すると、複数個の信号が第２(第１)の検出器複合体３に発生するという事実を用いて、軟成物バックグラウンド成分を有効に除去できることを見出し、その結果、この発明では、量が少なくバックグラウンドが大きいものの、透過後の強度が高い水平ミュオンを用いることを可能にした。

次に、この発明に従う大型構造物１１の内部構造情報を得る方法について以下に説明する。
まず、図４に示すように、高炉等の大型構造物１１の測定対象部１２に対向する側方の有限間隔位置に位置敏感検出手段１を配置する。

位置敏感検出手段１は、宇宙から大気を通過して地表に降り注ぐミュオンのうち、水平ミュオンを用い、この前方水平ミュオンＭ_Ｆが、大型構造物１１の測定対象部１２を貫通してから位置検出手段１を構成する位置敏感検出複合体２、２枚の鉄部材４、４および位置検出複合体３を順次貫通するように配置する。図中、一点鎖線は、前方水平ミュオンＭ_Ｆの飛来軌跡である。

このとき、前方水平ミュオンＭ_Ｆは、貫通した第１検出板５および第２検出板６の位置から入射角αを算出し、この角度αから前方水平ミュオンＭ_Ｆの飛来軌跡が特定され、これにより、前方水平ミュオンＭ_Ｆの測定対象部での通過位置も特定される。

第１検出板５および第２検出板６に到達したときのミュオン強度を色々なαについて、所定時間、例えば500時間で測定する。

また、本発明では、前方水平ミュオンＭ_Ｆの強度(F)を測定すると同時に、前記位置敏感検出手段１を挟んで大型構造物１１とは反対側から、第２位置敏感検出器複合体３および金属部材４を貫通してから第１位置敏感検出器複合体２に到達する後方水平ミュオンＭ_Ｂの強度(B)も同様な色々なαについて測定し、これら前方および後方水平ミュオンの同じαについての強度比(F/B)から大型構造物１１の内部構造情報を算出することとした。これにより、高精度の内部構造情報を安定に得られる。

さらに、２基の位置敏感検知器複合体２，３からなる位置敏感検出手段１は、大型構造物１１の側方の有限間隔位置であって、その周りに異なる角度間隔で複数基、好適には90°間隔で２基配設すれば、トモグラフィックな観測が可能で、測定物である大型構造物の３次元断層像を得ることもできる。

次に、この発明に従う方法を用いて大型構造物である高炉の内部構造を調べたので以下に状況を説明する。
高炉の測定対象部である炉床部に対向する側方の位置に、図４に示すように、測定系として、第１及び第２位置敏感検出器複合体２，３と、それらの間に配置した２枚の鉄部材４，４とで構成される位置敏感検出手段１を配置する。各位置敏感検出器複合体２，３は、１ｍ長10ｃｍ幅の10枚の横長部材を水平方向に沿って配設した１ｍ角の正方形状の第１検出板と、１ｍ長10ｃｍ幅の10枚の縦長部材を垂直方向に沿って配設した１ｍ角の正方形状の第２検出板とを重ね合わせて構成した。各横長部材と各縦長部材は、１個のプラスチックシンチレーター（バイクロン社製、品番ＢＣ−４０８）と、該プラスチックシンチレーター９の一端に設けられた光電子増倍管（浜松ホトニクス社製、品番Ｈ７１９５）とをアルミニウム製のケースに収納することによって構成した。各鉄部材は、それぞれ板厚５ｍｍの鉄板を20枚重ねて総板厚10ｃｍとしたものを用いた。なお、本発明では、位置敏感検出器複合体２，３の間に配置する鉄部材４，４は、１枚で構成してもよいが、1枚で構成すると重量の点から設置作業性が悪いため、上述したように複数枚の鉄板を重ねて構成してなる2枚の鉄部材で構成することが好ましい。第１位置敏感検出器複合体２と第２位置敏感検出器複合体３との配設間隔は１５００ｍｍとした。前方および後方水平ミュオンの強度比（Ｆ／Ｂ）から、透過するミュオンの経路ごとの強度変化をＦ／Ｂ比で表示している。縦横座標を宇宙線経路の角度α（ｍｒａｄ）で表し、図５（ａ）〜（ｃ）に示す高炉の内部構造情報が得られることになる。
図５（ａ）〜（ｃ）は、炉底高さが、基準位置から垂直方向位置０ｃｍ、−５０ｃｍおよび−１００ｃｍの位置に変化したときに、位置敏感検出手段１でそれぞれ水平ミュオン強度をシュミレーション計算し、図４に示す高炉の中心線上の直角断面（紙面に対し直交する断面）で見て、垂直方向角度を縦軸とし、水平方向角度を横軸として、高炉の内部構造の変化に対応するＦ／Ｂ比のミュオン経路当りの強度分布を示したものである。図５（ｄ）は、それらをまとめて、平均Ｆ／Ｂ比と炉底高さとの関係を算出した結果をプロットしたものである。尚、図５（ｄ）中の黒塗り四角印は、実際の高炉の炉底部厚さの測定値をプロットしたものである。

図５に示す結果から、本発明の方法によって測定された高炉の炉底部厚さは、実際の高炉の炉底部厚さと一致しており、高炉の内部構造が非破壊で精度よく得られている。

尚、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。特に、本発明では、大型構造物として高炉を例にして述べてきたが、高炉だけには限定されず、発電用ダム、橋脚、高架道路、船舶、車輌など、種々の大型構造物の内部構造情報を得ることができるのは言うまでもない。

この発明によれば、大型構造物の内部構造情報を非破壊で正確に得ることができる。
また、この発明では、真上から降り注ぐ垂直ミュオンを検出する場合のように、位置敏感検出手段を穴を掘って配置するなどの空間的制限が少なく、大型構造物の側方の有限間隔位置に配置することができる。このため、1つの位置敏感検出手段の周りに、異なる角度間隔で複数基配設することも容易であり、このように複数基配設すれば、複数の異なる角度での切断面に対する密度長観測が可能で、測定物である大型構造物の３次元断層像を得ること(トモグラフィック観測)ができる。

さらに、位置敏感検出手段を構成する測定系（計測回路系）について、シンチレーターからの高速パルスに対して、ナノ秒以下の高速電子回路を使用することにより、対象物である大型構造物を貫通する前方水平ミュオンの信号(F)と、丁度反対側の観測角度を持つ「空」の部分を貫通する（、言い換えれば物体を貫通しないで直接到達する）後方水平ミュオンの信号(B)とを区別して測定することができる。かくして得られるF/B強度比をデータとして取り込むことにより、きわめて安定なデータ取得をすることが出来る。加えてマイクロ秒以下の精度で絶対時間を付記してデータ取得を行うことにより、数々の実時間変化の追跡や、周期的な内部構造の時間変動に同期したストロボスコピックな解析を可能にする。

特許文献１記載の従来法を説明するための図である。この発明に従う方法に用いるのに適した位置検出手段の概略構成例を示す斜視図である。種々のミュオンを用い、物体の透過厚さと透過後のミュオン強度を示すグラフである。測定対象物体である高炉と位置検出手段の相対的な位置関係を示した図である。この発明に従う方法によって、図４の測定状況での高炉の内部構造の測定のシュミレーションを示す図である。色々な炉底高さに対してのシュミレーション結果で、実験結果との比較から炉底高さが決まる。

符号の説明

１位置敏感検出手段
２第１位置敏感検出器複合体
３第２位置敏感検出器複合体
４金属部材
５第１検出板
６第２検出板
７横長部材
８縦長部材
９プラスチックシンチレーター
１０光電子増倍管
１１大型構造物
１２大型構造物の測定対象部

Claims

大型構造物の測定対象部に対向する側方の有限間隔位置に、測定系として位置敏感検出手段を配置し、宇宙からの１次宇宙線により大気でつくられ地表に降り注ぐ素粒子ミュオンが、大型構造物の測定対象部を貫通して、位置敏感検出手段を構成する測定系に到達したときのミュオン強度を所定時間間隔で測定し、前記ミュオン強度の通過経路ごとの分布を知ることによって大型構造物の内部構造情報を得る方法であって、
位置敏感検出手段は、水平方向に沿って所定幅で多数のプラスチックシンチレーターの横長部材に区画された正方形状の第１検出板と、垂直方向に沿って所定幅で多数の縦長部材に区画された正方形状の第２検出板とをもつ位置敏感検出器複合体を２基有し、
２基の位置敏感検出器複合体は所定間隔で配設され、
各位置敏感検出器複合体は、第１および第２検出板に到達したミュオンを同時計測して横縦のｘｙ座標を特定するため、横長部材と縦長部材が直交するように配置され、
前記位置敏感検出器複合体の間に、鉄または鉄よりも重い金属からなる金属部材を配設し、
前記ミュオンのうち、天頂角50〜90°の範囲で地表に降り注ぐ高エネルギーの水平ミュオンを用い、
大型構造物の測定対象部を貫通して第１位置敏感検出器複合体に到達する前方水平ミュオンが、つづいて第2位置敏感検出器複合体に到達する際に、それぞれの到達位置をつないだ直線を逆にたどることで、前方水平ミュオンが貫通する前記測定対象部内の経路が特定され、
大型構造物の測定対象部、第１位置敏感検出器複合体および金属部材を順次貫通して第２位置敏感検出器複合体に到達する前方水平ミュオンの強度と、前記位置敏感検出手段を挟んで大型構造物とは反対側から第２位置敏感検出器複合体および金属部材を順次貫通して第１位置敏感検出器複合体に到達する後方水平ミュオンの強度の双方を同じ位置敏感検出手段で測定し、前方および後方水平ミュオンの強度比から大型構造物の内部構造情報を得ることを特徴とする多重分割水平ミュオン検出手段を用いて大型構造物の内部構造情報を得る方法。
位置敏感検出手段は、大型構造物の側方であって、その周りに異なる角度間隔で複数基配設することを特徴とする請求項１記載の大型構造物の内部構造情報を得る方法。
大型構造物の内部構造が時間と共に変化する場合、測定される全てのデータに、コンピューターで記録する際に、絶対時間をマイクロ秒以下の精度で付記することにより、大型構造物の動的内部構造情報を得ることを特徴とする請求項１または２記載の大型構造物の内部構造情報を得る方法。