JP2008530581A - 宇宙線を用いた地質トモグラフィ - Google Patents

Abstract

本発明は、様々な軌道に沿って地下の評価領域を貫通している宇宙線ミュー粒子（ＣＲＭ）フラックスを検出し、上記ミュー粒子検出データを収集し、上記データを処理して、上記評価領域に応じた３次元密度分布イメージを形成するために構成されたシステムを開示する。上記システムを用いて、地表（または海底表面）のはるか下の高（または低）密度ミネラル堆積物または他の地質構造または地層の集中している場所を識別する。上記システムを利用して、数キロメータまたはそれ以上の深度を有する評価領域における、より高密度および／またはより低密度の地質物質および地質構造をイメージングする。

Description

発明の詳細な説明

［発明の技術分野］
本発明は、高エネルギー宇宙線ミュー粒子（「ＣＲＭ」）を検出し分析することによって、地質構造を確認、測定、および、イメージングすることに関する。さらに詳しく言うと、地表のはるか下の構造を有効にイメージングするための検出器の位置決めに関する。

［背景技術］
大気中に生成された高エネルギーＣＲＭは、地表に衝突し、地表の下深くに浸透する。地表における、これら粒子のフラックスおよび角度分布は、公知であり、地表下の様々な深度における、該これら粒子のフラックスおよび角度分布は、標準的な地質状況解明のために研究されている。地表における既定のエネルギーの任意の単一粒子が地下に浸透する深さは、その軌道の間に遭遇する物質の量とその組成とによって決定される。

本発明では、地表下の上記ＣＲＭフラックスおよび角度分布の測定値を用いて、地表の真下の密度が一定でない領域を補助領域として突き止め、ミネラル、または、他の堆積物、または、他の構造を調査する一般的なシステムを記載する。

地表近くの明確な方向に沿ったＣＲＭフラックスの測定は、Ｌ．Ｗ．Ａｌｖａｒｅｚ ｅｔ ａｌ．のＳｃｉｅｎｃｅ１６７（１９７０）８３２（「Ａｌｖａｒｅｚ」）によって、ピラミッド内の未発見の空洞痕跡を発見するため、および、Ｋ．Ｎａｇａｍｉｎｅ ｅｔ ａｌ．のＮＩＭＡ３５６（１９９５）３５８（「Ｎａｇａｍｉｎｅ」）およびＨ．Ｔａｎａｋａ ｅｔ ａｌ．のＮＩＭＡ５０７（２００３）６５７（「Ｔａｎａｋａ」）によって、火山の低密度領域を発見するために行われた。これらの開示を本明細書に含み、その全体を参照することにより、本願の一部とする。塊状の物体と検出器との間の所定の方向に沿ったＣＲＭの強度は、物質（Ｘ）の総量および組成に直接関連している。上記ＣＲＭは、上記検出器に到達する前に上記物質（Ｘ）を貫通する。この物体を貫通している上記ＣＲＭを、１以上の角度において観測することによって、火山のような物体の密度イメージを形成できる。

Ａｌｖａｒｅｚ、Ｎａｇａｍｉｎｅ、および、Ｔａｎａｋａによって開示された技術は、例えば、Ｋ．Ｋｌｉｎｇｅｎｂｅｃｋ−Ｒｅｇｎ ｅｔ ａｌ．による「Ｓｕｂｓｅｃｏｎｄ ｍｕｌｔｉ−ｓｌｉｃｅ ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ｂａｓｉｃｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」Ｅｕｒ．Ｊ．Ｒａｄｉｏｌ．３１（１９９９），１１０−１２４（「Ｋｌｉｎｇｅｎｂｅｃｋ−Ｒｅｇｎ」）に開示されているコンピュータトモグラフィ（ＣＴ）のような医療および産業上のイメージングにおいて行われる技術に、いくつかの点において類似している。この開示を本明細書に含み、その全体を参照することによって、本願の一部とする。これらの様々な視野方向に沿った粒子（ＣＴの場合におけるＸ線）の差分吸収を用いた技術を用いて、患者または物体の内部構造内の偏差を反映したイメージ「スライス」を構成する方法が、現在も研究中である。

Ａｌｖａｒｅｚ、Ｎａｇａｍｉｎｅ、および、Ｔａｎａｋａによって利用された上記測定技術は、地表近くに配置された位置および角度測定ＣＲＭ検出システムを用いて、上記検出器上に物体の大まかなイメージを得て、例えばピラミッドおよび火山のような物体内の低密度領域を検出する技術であり、これについては現在も研究中である。様々な角度（θ）における強度ｎ（θ）によって決定される、上記物体を突き抜けたＣＲＭの分布が分析され、大まかな密度イメージ投影が作成された。これは、測定された方向に沿って、ｎ（θ）と物質の量Ｘ（θ）との間に独自の関係が存在するためである。

従って、既定の角度θのｎ（θ）を測定して、Ｘ（θ）を決定することによって、低密度領域が明らかになりえる。ＮａｇａｍｉｎｅおよびＴａｎａｋａによって開示された技術では、上記火山を貫通しているほぼ水平のＣＲＭと、大気中を貫通しているＣＲＭとを比較して、既知の方向における低密度領域を突き止めている。Ａｌｖａｒｅｚによって開示された技術では、ほぼ垂直のＣＲＭを用いて、上記検出器上にピラミッドの構造を概観させた。

［発明の概要］
地中の物質の３次元密度分布を構成およびイメージングするための、ＣＲＭ利用システムおよびＣＲＭ利用方法を開示する。上記システムおよび方法を用いて、地表（または海底表面）のはるか下の、高（または低）密度ミネラル堆積物、または、他の地質構造または地層が集中している場所を識別する。上記システムおよび方法を利用して、数キロメータの深度を有する地質物質をイメージングすることもできる。上記システムおよび上記方法を利用して、周辺のバルク材と比較して、より高密度および／またはより低密度を示す堆積物または構造を識別してもよい。

本発明によるシステムの一実施形態は、鉱山、鉱泉、ボーリング穴、および、空洞のような地中の評価場所において実施するために配置され、地中の評価場所と関連したミュー粒子データを検出する複数のミュー粒子検出器と、上記ミュー粒子検出器が配置される上記評価場所の場所を割り出すための少なくとも１つの位置決め装置と、検出されたミュー粒子フラックスデータを受信または送信するために上記ミュー粒子検出器に接続された、例えば、導電性通信ケーブルまたは光ファイバーの通信ケーブル、もしくは、ＲＦ送信器のような通信装置と、上記検出されたミュー粒子データを受信し、上記検出されたミュー粒子データを操作するために設けられ、上記地中の評価場所に応じた３次元密度写像を作成するプロセッサとを含む。

本発明の一実施形態による方法は、上記評価領域に隣接する複数の地中の場所における複数のミュー粒子検出器を位置決めし、場合によっては再度位置決めする工程と、複数の横断軌道の上記検出器からのミュー粒子検出データを収集する工程と、この収集された上記ミュー粒子検出データを処理して、上記評価場所の３次元密度を形成する工程とを含む。

本発明による、調査領域における地中密度の写像方法の他の一実施形態は、例えば検出器および配置手段のようなものを含む、さらなるステップおよび／または特徴を含んでもよい。上記検出器および上記配置手段を、人間には容易に接近できない、鉱泉およびボーリング穴の中のような、例えばドリルで穴を開ける際に用いられるビットに応じて比較的小さい標準直径（例えば５−２０ｃｍ）を有し、同時に、例えば数キロメータの深度を有することもある場所において実施するために形成している。逆に言うと、通常、人間が接近しやすい、例えば鉱山および空洞のような場所においては、幅のより広い検出器および実施器具が用いられている。

収集されたデータの範囲を改良するために、上記検出器を、様々な場所から収集されたデータと組み合わせて、一回以上再度位置決めして、ＣＲＭフラックス測定が行われている各場所に検出器を有している対応するシステムによって得られた結果に近づけることもできる。当然ながら、全ての検出器を再度位置決めする必要はないが、既に収集したＣＲＭフラックスデータを分析することによって、上記検出器を再度位置決めし、上記評価場所のより興味がある場所において、選択的に、解像度を改良できることは明らかであろう。

添付した図面に明示したように、ミュー粒子検出器は、様々な構成に配置可能である。この場合、該様々な構成は、必要に応じて決定されるか、または、意図された測定場所と、検出器アセンブリ、関連するハードウェア、および、関連する周辺装置の寸法とにアクセスおよびサイジングすることによって決定される。一般的な発展構造は、ほぼ垂直に方向付けられた検出器のグループおよび／またはほぼ水平に方向付けられたグループを含んでいることが好ましい。しかしながら、慣性計測ユニットまたは他の配置装置を用いて、広範な配置および／または方位において配置された検出器からのＣＲＭフラックスデータに順応および調整できることは、明らかであろう。上記他の配置装置は、上記検出器上または検出器に設けられたか、または、検出器のグループに関連する装置である。

慣性計測ユニットまたは位置決めユニットの他の形態が用いられている場合には、上記位置決めユニットからのデータを、ＣＲＭフラックスデータとともに分析して、検出された軌道に関しての検出をさらに正確に行う。上記位置決め装置および／または上記プロセッサシステムの構成によっては、上記位置決めデータは、例えば、指定時刻に作動または引き起こされる爆発において、もしくは、上記ＣＲＭフラックスデータとともに位置決めされた後に、検出器が動作している間ずっと、連続的に届けられうる。同様に、上記ＣＲＭ検出器の構造および特徴のいくつかの点は、実施場所および実施状態によって決定される。上記ＣＲＭ検出器は、センサが上記検出器内において再方向付けされうるアセンブリを含んでもよく、このセンサアセンブリから「柔らかい」粒子を排除するシールディングを含んでもよく、局所磁場の測定および／または誘導装置を含んでもよい。該局所磁場は、検出粒子のエネルギーおよび運動量を評価する場合に利用されうる。複数の上記検出器が再方向付けされうるセンサユニットを含む場合、検出器の配列を、選択的に、より広大な評価領域内のより小さな興味のある所定の領域に「集中」させてもよい。上記評価領域の地形と基礎地層とに関するさらなるデータを広範囲に利用して、検出されたＣＲＭフラックスの軌道が上記検出器に到達する前に通過した、構造と特徴のような効果を補正して補ってもよい。

上記において説明した方法（下記にそのさらに詳細を請求の範囲に記載した）を実行するために、該方法を実施するシステムの一実施形態は、ミュー粒子フラックスデータを検出する地中の評価場所における実施に好適な１以上の構造を有する複数のミュー粒子検出器と、上記検出器が到達した上記評価場所を割り出す１以上の位置決め装置と、この検出されたミュー粒子フラックスデータを受信、記憶、および／または、送信するミュー粒子検出器に接続された１以上の通信装置と、該検出されたミュー粒子フラックスデータを受信し、該検出されたミュー粒子フラックスデータを操作して上記地中の評価領域に応じた密度写像を作成する１以上のプロセッサとを含む。上記システムの他の一実施形態は、各ミュー粒子検出器またはミュー粒子検出器の所定のグループと関連する１以上の慣性計測ユニットを含む位置決め装置と、検出されたミュー粒子フラックスデータを受信および記憶するために配置された１以上のメモリ装置と、上記検出器に少なくともいくつかの方向から入ってきた「柔らかい」粒子を抑えるための１以上のシールディングアセンブリまたはシャッタと、上記ミュー粒子検出器が配置された局所磁場を分析するために配置および構成された磁気検出器および／または上記ミュー粒子に入ってきたミュー粒子の運動量を評価するための局所磁場を生成するために構成された装置とを含む。

［図面の簡単な説明］
本発明は、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態に詳細を記載することによって、より明らかになろう。

図１は、地表に衝突し、様々な深度に浸透している宇宙線ミュー粒子（ＣＲＭ）を示す図である。上記深度は、上記宇宙線ミュー粒子のエネルギーおよびその軌道の間に遭遇した物質の量に応じて決定され、該物質は、高密度領域ＰＯＤを貫いて伸びている軌道１０２´および上記ＰＯＤを横断してない軌道１０２に沿って、垂直に配列された検出器Ａ、Ｂ、Ｃのグループに到達しているＣＲＭフラックスの低減をもたらしている。

図２は、検出器Ｂを中心とする極座標システムにおける高密度ｐｏｄの場所を示す図である。上記極座標システムは、ほぼ垂直な３つの検出器配置によって検出されるようなシステムである。該３つの検出器配置においては、検出器Ｂに達し上記ＰＯＤの領域Ｐを貫通しているＣＲＭフラックスが、θ_Ｂとφとに中心のある小範囲の角度において検出され、これと同時に、領域Ｐを貫通し検出器Ａおよび検出器Ｃに達したＣＲＭフラックスが、小範囲の角度θ_Ａと角度θ_Ｃとのそれぞれにおいて、および、ほぼ同一の角度φにおいて検出される。

図３は、多数の垂直の検出器配置を用いている極座標における、高密度ＰＯＤの場所を示す図である。該検出器配置においては、検出器Ａ、Ｂ，Ｃの第１グループに到達し、ＰＯＤの領域Ｐを貫通しているＣＲＭフラックスは、θ_Ａ、θ_Ｂ、および、θ_Ｃ、および、φに中心のある小範囲の角度において検出され、これと同時に、領域Ｐを貫通し検出器Ａ´、Ｂ´、および、Ｃ´の第２グループに到達している上記ＣＲＭフラックスが、θ_Ａ´、θ_Ｂ´、および、θ_Ｃ´、および、φ´に中心のある小範囲の角度において検出されている。

図４Ａは、多数の水平の検出器配置を用いて、高密度ｐｏｄの場所を示す図である。該多数の水平の検出器配置においては、検出器Ａ、Ｂ、Ｃの第１グループに到達し、ＰＯＤの領域Ｐを貫通しているＣＲＭフラックスは、第１小範囲角度において検出され、これと同時に、ＰＯＤの領域Ｐを貫通し、検出器Ａ´、Ｂ´、Ｃ´の第２グループに到達しているＣＲＭフラックスは、他の小範囲角度において検出される。

図４Ｂは、上記高密度ｐｏｄの場所を、多数の検出器配置を用いてさらに正確に突き止めるために、配慮する必要があるいくつかの非理想的状態を示す図である。上記多数の検出器配置は、上記検出器のＰＯＤに対する位置における偏差、分析および／または公知または推測される状態の上記領域の表面における偏差、または、上記検出器に到達した上記ＣＲＭフラックスを左右する傾向のある他の地質形成を含んでいる。

上記図面は、以下により詳細に記載した本発明の実施形態の理解を助長するために提供するものである。従って、上記図面は、本発明を不当に限定するものとしてみなされるものではない。特に、相対的な、空間、位置決め、本図面に示した様々な構成要素間の定寸および寸法は、スケールされるべきでないが、より明確にする目的で、強調、縮小、あるいはまた、変更されている。

より明確にするためおよび図面の数を減らすために、一連の選択的な構成が省かれていることは、当業者には明らかであろう。実施形態に関して記載し説明した特定の様々なプロセスステップを選択的および単独に組み合わせて、本開示の範囲および原理から逸脱することなく、半導体装置の製造に役立つ他の方法を作り出してもよいことは、同業者に明らかであろう。

［発明の詳細な説明］
本発明の実施形態は、ＣＲＭを用いて、地中の物質の３次元密度分布を形成およびイメージングするシステムおよび方法を含む。この技術は、地表（または海底表面）下の高（低）密度ミネラル堆積物または構造の、調査および配置のために用いられている。上記技術は、周囲の物質と比較した場合に高密度または低密度である、堆積物または構造を検出し場所を突き止めるために、数キロメータまでの深度において利用されうる。

図１および図２は、１以上のほぼ垂直な穴１００を地中にドリルによって開け、少なくとも１つのＣＲＭ検出器と、好ましくは一連のＣＲＭ検出器とを上記穴に挿入し、軌道１０２、１０２´の範囲に沿ったＣＲＭフラックスを検出する構想を一般的に示す図である。上記検出器の場所および／または方位が決定または設定されると、上記ミュー粒子が上記検出器に達する前に貫通する物質のイメージを形成するために検出された各ミュー粒子の移動の方向（極座標における角度θ、φ）と、追加的に近似エネルギーとが、収集および分析される。

一実施形態では、上記ＣＲＭ検出器は、いくつかの比較的高密度の物質によって、周りを囲まれ、包囲され、そうでなければ遮断され、上記検出器のミュー制動放射線から生じる電子のような、「柔らかい」または低エネルギーの粒子を検出する感度を低減する。この飛跡検出器によって得られたデータは、検出された粒子の軌道を決定するために必要な、上記検出器に入ってきた軌跡の３次元の位置と、２つの入射角θ、φとから構成されている。上記検出器の材料のエネルギー損失率も、粒子識別のために測定される。さらに、上記検出器近くの磁場の存在が、上記ＣＲＭの運動量の測定値を得るために用いられうる。

好適な観察期間の後、各検出器位置に設定され、ｎ（ｚ、θ、ψ）によって示されるデータと、深度ｚおよび角度θ、φにおいて観測される強度（または事象の数）とを分析して、地中の１つの検出器または複数の検出器を横断している軌道に沿った、ＣＲＭの相対（または局所的に違いのある）および絶対フラックス分布を示す。

研究領域における公知の地勢特徴および地質特徴を補正した後、例えば図１および図２に示した「ＰＯＤ」のような、隣接する領域と比べて極めて高い（または極めて低い）密度を有するこれらの領域は、結果として、各検出器の位置における同一の角度φにおいて検出された総数の不足（または過剰のそれぞれ）となり、様々な検出器に応じて、異なる角度θに交差する偏差を示す。この検出された偏差は、上記ＰＯＤを横断していない軌道と比較した深度によって決定される、上記検出器と上記ＰＯＤとの相対位置付けによって決定され、基準ＣＲＭフラックスを反映している。上記ＰＯＤを貫通した上記ＣＲＭフラックスは、上記基準ＣＲＭから外れている。

図１は、本発明による検出器システムの一実施形態を示す図である。図１では、地表に衝突している宇宙線ミュー粒子（ＣＲＭ）が、そのエネルギーとその通路の間に遭遇した物質の量とに応じた様々な深度に浸透している。残存ＣＲＭは、その後、ボーリング穴１００の中に設けられた、ほぼ垂直に配置された検出器Ａ、Ｂ、Ｃのグループのいずれかによって検出される。移動した距離と、上記ＣＲＭフラックスが各上記検出器に移動する場合に通り抜ける物質との両方における偏差は、結果として、異なる軌道１０２、１０２´に応じて検出器Ａ、Ｂ、Ｃによって観測された、上記ＣＲＭフラックスにおけるこれらの偏差となる。

図２は、検出器Ｂに中心をおいた極座標システムにおける高密度ｐｏｄの場所を示す図である。上記極座標システムは、ほぼ垂直の検出器配置を用いている。該配置では、検出器Ｂに到達しＰＯＤの領域Ｐを貫通しているＣＲＭフラックスは、θ_Ｂおよびφに中心のある小範囲の角度において検出され、同時に、領域Ｐを貫通して検出器Ａ、Ｃに到達しているＣＲＭは、小範囲の角度θ_Ａ、θ_Ｃにおいて、それぞれ検出される。様々な軌道に沿って検出された上記ＣＲＭフラックスを比較することによって、この検出された複数の上記ＣＲＭが通過した領域におけるイメージ、または、相対密度の関係を示す図を作成できる。

例えば、図２に示したように、上記様々な検出器によって収集されたデータを比較し、ＣＲＭフラックスにおける相対的な増加および減少を相互に関連付けることによって、角度幅Δθと、上記ＣＲＭフラックスにおける偏差の相対次数とを用いて、上記ＰＯＤの密度および寸法と、検出器配列によって定められた垂直の（ｚ）軸からの距離（ｒ）を決定できる。このデータを用いて、図示したＸ−Ｙ平面上のＰＯＤの位置の２次元映写を生成してもよい。図２に示したように、複数の検出器が利用されているが、１または少数の検出器を再度位置決めして、一連の位置から収集された上記ＣＲＭフラックスデータと組み合わせることによって、対応するデータを収集してもよいことは、明らかであろう。

同様に、図３に示したように、複数のボーリング穴に複数の検出器を、同時または順次に配列し、多数の軌道からのＣＲＭデータを収集する。図３に明示したように、第２次検出器グループＡ´Ｂ´Ｃ´は、上記ＰＯＤの点Ｐを、角度θ_Ａ´、θ_Ｂ´、θ_Ｃ´にそれぞれ通過しているＣＲＭを検出し、異なる角度φ´を反映させて、Ｚ´軸に方向をあわせた第２次Ｘ´−Ｙ´座標空間における点Ｐの位置を突き止められる。上記第２次検出器からのデータは、その後、第１次検出器からのデータと組み合わされ、および／または、相互に関連付けられ、上記ＰＯＤの場所、寸法、および／または、堆積をさらに正確に割り出すことができる。

本技術の用途の一例を、図１に示したように、地表（便宜上、平面の地勢と比較的画一的なバルク地質状態であると仮定して）の真下の特定の深度Ｌにおける局所的な高密度堆積物ＰＯＤを考慮することによって、説明する。上記検出器のいずれかに到達する前に上記ＰＯＤを貫通するようになっている複数の軌道を有するＣＲＭは、概して、より多くの物質を通過して、上記検出器に到達している。従って、このようなＣＲＭは上記検出器に到達しない可能性が増大する。これに応じて、上記軌道のＣＲＭフラックスは、関連ＣＲＭが上記検出器に達する前により高密度の上記ＰＯＤを通過する必要のない軌道のＣＲＭフラックスと比べて、低減されているか、または、抑えられている。

その反対に、低減された相対密度を有するか、または、空洞のような空間を含むＰＯＤは、関連ＣＲＭが上記ＰＯＤを貫通する軌道と比較する場合、より低密度の上記ＰＯＤを通過する軌道に沿った上記ＣＲＭフラックスを増大させる傾向があることは、明らかであろう。入射角および追加的に２つ以上の深度におけるエネルギーを含む、ＣＲＭ分布を計測することによって、上記ＣＲＭフラックスにおける偏差を関連付けて、可変密度領域のイメージを構成できる。

上記検出器近くの地球の領域を十分に露出させた完全な密度分布は、例えば、Ｋｌｉｎｇｅｎｂｅｃｋ−Ｒｅｇｎが記載しているようなＣＴトモグラフィにおいて行われる技術に似た技術を用いて得られる。多数の検出器および／または再度配置可能または再度位置決め可能な検出器を有する多数の穴は、検出器対応範囲および／またはデータ収集を向上させ、従って、密度イメージを得る統計上の正確さ、または、密度の局所的偏差を規定する正確さを強化するために用いられうる。

地質トモグラフィに有効な、上記した方法例を利用しているシステムの一実施形態は、地中に約１ｋｍドリルされた直径１０ｃｍの穴を含みうる。例えば、Ｃ．Ｈａｒｇｒｏｖｅ ｅｔ ａｌ．によるＮＩＭ２１９（１９８４）４６１によって記載されたような一連の直径７−８ｃｍのタイムプロジェクションチャンバ（飛跡検出器）（ＴＰＣ）について、この開示を、その全体を参照することによって、本願の一部とする。上記タイムプロジェクションチャンバは、約１ｍの長さを有し、１ｃｍ厚のプラスチックのシンチレーション計数管によって周りを囲まれおり、ドリル穴内部の様々な既知の深度に配置される。

本発明による方法を実施するために配置されたシステムにおいて、広範囲の検出器を用いても成功することは、明らかであろう。しかしながら、所望の検出器位置にアクセスすることによって生じる実施の限定は、特定のアプリケーションにより好適であるとみなされる検出器の種類の数を減少させる傾向にある。例えば、より大きな「シート」検出器が、表面測定に用いられているが、このような検出器は、標準的なボーリング穴内に位置決めすることには、全く適していない。しかしながら、ボーリング穴内に位置決めすることを意図した検出器に関しては、シールディング、例えば加速度計および／または磁気検出器のような追加機器、および／または、位置決めまたは照準メカニズムを連携させて、収集された上記データの品質を向上させてもよい。１以上の検出器配列内の検出器の方位および／または構成が、正しい位置にある複数の上記検出器によって修正される限り、上記配列の「焦点合わせ」を行い、特定の興味領域に関するデータ収集を改良するために、この修正を同時に行ってもよい。

一度配置され、始動されると、シンチレーション計数管によって起動された各ＴＰＣは（例えば、上記ＴＰＣの反対側における同一時間に）、上記検出器の気体中に生成されたイオン跡を用いて、通過しているＣＲＭの軌道をサンプリングする。上記したように、各検出器または検出器の各グループが設けられているか、または、１以上の正確な加速度計または他の好適な慣性計測ユニット（「ＩＭＵ」）または慣性計測装置につながって、既知の誤差の範囲内の上記検出器または検出器配列の位置および方位を割り出すことを可能にしている。

上記検出器の深度および方位を正確に決定することによって、上記検出器から生成された密度イメージまたは写像の精密さを向上できることは、明らかであろう。例えば、ドリル穴またはボーリング穴は、完全に垂直であることはめったになく、あるとしてもまれである。上記加速度計からのデータおよび／または他のＩＭＵからのデータを、ＧＰＳ装置および／または従来技術の地図製作道具と組み合わせて用いて、各上記検出器の位置決め情報をより精密にできる。その結果、ドリル穴偏差または、「傾斜」穿孔によって形成された「移動」および／または意図的な非垂直の穴を償うこともできる。このような技術を用いることによって、上記検出器の位置決めは、１０ｍｒａｄオーダ以上の正確さを伴って行われうる。従来技術の加速度計および他のＩＭＵは、多数の商業的製造者から容易に入手可能であり、当業者はこれに容易にアクセスできる。例えば、ＭＥＭＳＩＣ社は、加速度計とセンサ、特にＣＭＯＳに基づいたＭＥＭＳ加速度計／センサのプロバイダであり、当業者に、特定のアプリケーションに好適な１以上の装置を識別するための様々な道具を提供している。

上記した実施例の方法を用いている地質トモグラフィに有効であるシステムの図４Ａに示した他の実施形態は、１以上の（例えば２ｍ×２ｍのような）広範囲のＴＰＣ検出器システムを含んでもよい。上記ＴＰＣ検出器システムは、鉱山内または地下の他の空洞内に水平に配置されたプラスチックシンチレーション誘発検出器を有している。例えばＣ．Ｈａｒｇｒｏｖｅ ｅｔ ａｌ．によってＮＩＭ２１９（１９８４）４６１において開示されたタイムプロジェクションチャンバ（ＴＰＣ）を、その全体を参照することによって、本願の一部とする。上記タイムプロジェクションチャンバ（ＴＰＣ）は、約１ｍの長さを有し、１ｃｍ厚のプラスチックシンチレーション計測器に周りを囲まれ、様々な深度または様々な水平の場所に配置されている。上記プラスチックシンチレーション計測器によって誘発された各ＴＰＣは、（おそらく、上記ＴＰＣの反対側においても同時間に）、上記したようなミュー粒子によって上記検出器の気体中に生成されたイオン跡を用いて、検出されたミュー粒子の軌道をサンプリングし、上記検出されたミュー粒子の方向を割り出す。当然ながら、水平の検出器配列と垂直の検出器配列とからのデータを組み合わせて、位置制限によって許容されるスキャンの正確さを向上させ、システム柔軟性および適応性を向上させてもよい。

図４Ｂは、追加的な変数を示した実施形態を示す図であり、不規則表面地勢、不統一性を有する地層、および、オフセット検出器配列を有している。様々な検出器および検出器配列からのＣＲＭフラックスデータが分析されている間に、入手可能なデータに基づいて、これらの各変数が考慮される。上記入手可能なデータは、例えば、地勢プロファイル、正確な検出器の位置決めおよび方向付けを行うデータ、および、地層データである。上記地層データは、コアサンプリングによって、および／または、生成されたショック波を調査場所領域に与える活性弾性波トモグラフィによって供給され、変速度における基層岩層に反射され、上記調査場所の表面を横切って配列されているジオフォンの配列によって検出されるデータである。当然ながら、垂直の検出器設備に利用されるボーリング穴をドリルする間に、基質の初期組成データを得ることもできる、および／または、例えば図４Ａおよび図４Ｂに明示した鉱山の中に検出器を、例えば水平の構成に配置し、より大きな（例えば１ｍ^２を超える）開口部またはチャンバを掘削する間に、基質の初期組成データを収集することもできる。

上記ＴＰＣでは、１０以上の３次元の軌跡座標は、各座標につき３００μｍ（またはそれ以上）の精度に記録されうる。従って、各ミュー粒子軌跡に得られた角分解能は、典型的に、１０ｍｒａｄ以上である。従って、上記検出器から１００ｍに位置している構造にとって、密度偏差の位置検出は、１ｍオーダである。当業者にとって、システムが局所的な密度変化の境界線を定義または規定する実際の正確さは、様々な要因によって決定されることは、明らかであろう。上記要因は、例えば、調査が行われている領域におけるバルク材の露出時間および均一性と、上記検出器の場所および方位が決定される正確さと、「柔らかい」粒子の検出を抑えてシールディングする検出器の存在または効果とを含んでいる。

地表および幾キロメータにおよぶ深度におけるＣＲＭエネルギーおよびＣＲＭの角度分布は、比較的公知であり、ＮａｇａｍｉｎｅとＴａｎａｋａによって開示されたように、既に測定されている。同様に、Ｒ．Ｋ．ＡｄａｉｒおよびＨ．Ｋａｓｈａの「Ｍｕｏｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ」ｅｄｓ．Ｖ．Ｗ．Ｈｕｇｈｅｓ ａｎｄ Ｃ．Ｓ．Ｗｕ、ｖｏｌ．１（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、１９７６）ｐ．３２３において、および、粒子データグループによる、Ｐｈｙ．Ｌｅｔｔ．Ｂ５９２（２００４）１でも、同様に開示されている。これらの開示を参照して、その全体を本願の一部とする。求められる直径および深度を有するドリル穴は、現在、地質調査の際に行われる、従来のドリル方法およびドリル技術の範囲内である。

シンチレータによって誘発されたＴＰＣは、追跡装置であり、上記した特性を有することが知られている。しかしながら、シンチレーション計測器によって誘発されたＴＰＣは、通常、粒子および原子力物理実験において用いられる、好適な小型位置感知追跡検出器システムのほんの一例を代表している。従って、当業者にとって、上記したＴＰＣを、配置しなおすか、または、他の種類の好適な寸法および感度を有する、本発明において用いられうる放射線検出器と併せて用いてもよいことは、明らかであろう。

従って、本発明は、全ての可能な角度に深く位置付けられた検出器に衝突している宇宙線ミュー粒子を用いた地質調査に関して、地球の地形上の構成を調査または評価するための、装置の配置および該装置の利用方法を含む。本技術では、あらゆる角度で上記検出器に衝突しているＣＲＭを用いて、異なる強度偏差ｎ（ｚ、θ、ψ）によって地球の付近領域を調査し、上記検出器の数と場所に応じて、地下の密度写像を現像できる。本装置と技術は、例えば、広範囲内のミネラルおよび／または石油地帯を識別してイメージングする場合に有効である。同様に、この装置と技術は、天然の洞窟または破棄された鉱山のような地下の空洞を識別してイメージングする場合にも有効である。

地表に衝突し、様々な深度に浸透している宇宙線ミュー粒子（ＣＲＭ）を示す図である。上記深度は、上記宇宙線ミュー粒子のエネルギーおよびその軌道の間に遭遇した物質の量に応じて決定され、該物質は、高密度領域ＰＯＤを貫いて伸びている軌道１０２´および上記ＰＯＤを横断してない軌道１０２に沿って、垂直に配列された検出器Ａ、Ｂ、Ｃのグループに到達しているＣＲＭフラックスの低減をもたらしている。 検出器Ｂを中心とする極座標システムにおける高密度ｐｏｄの場所を示す図である。上記極座標システムは、ほぼ垂直な３つの検出器配置によって検出されるようなシステムである。該３つの検出器配置においては、検出器Ｂに達し上記ＰＯＤの領域Ｐを貫通しているＣＲＭフラックスが、θ_Ｂとφとに中心のある小範囲の角度において検出され、これと同時に、領域Ｐを貫通し検出器Ａおよび検出器Ｃに達したＣＲＭフラックスが、小範囲の角度θ_Ａと角度θ_Ｃとのそれぞれにおいて、および、ほぼ同一の角度φにおいて検出される。 多数の垂直の検出器配置を用いている極座標における、高密度ＰＯＤの場所を示す図である。該検出器配置においては、検出器Ａ、Ｂ，Ｃの第１グループに到達し、ＰＯＤの領域Ｐを貫通しているＣＲＭフラックスは、θ_Ａ、θ_Ｂ、および、θ_Ｃ、および、φに中心のある小範囲の角度において検出され、これと同時に、領域Ｐを貫通し検出器Ａ´、Ｂ´、および、Ｃ´の第２グループに到達している上記ＣＲＭフラックスが、θ_Ａ、θ_Ｂ、および、θ_Ｃ、および、φに中心のある小範囲の角度において検出されている。 多数の水平の検出器配置を用いて、高密度ＰＯＤの場所を示す図である。該多数の水平の検出器配置においては、検出器Ａ、Ｂ、Ｃの第１グループに到達し、ＰＯＤの領域Ｐを貫通しているＣＲＭフラックスは、第１小範囲角度において検出され、これと同時に、ＰＯＤの領域Ｐを貫通し、検出器Ａ´、Ｂ´、Ｃ´の第２グループに到達しているＣＲＭフラックスは、他の小範囲角度において検出される。 上記高密度ｐｏｄの場所を、多数の検出器配置を用いてさらに正確に突き止めるために、配慮する必要があるいくつかの非理想的状態を示す図である。上記多数の検出器配置は、上記検出器のＰＯＤに対する位置における偏差、分析および／または公知または推測される状態の上記領域の表面における偏差、または、上記検出器に到達した上記ＣＲＭフラックスを左右する傾向のある他の地質形成を含んでいる。

Claims (20)

1. 複数のミュー粒子検出器を、評価領域に隣接する複数の地下の場所に位置決めする工程と、
   複数の横断軌道のための上記検出器から、ミュー粒子検出データを収集する工程と、
   収集されたミュー粒子検出データを処理して、上記評価領域の密度写像を形成する工程とを含む、調査領域における地下密度の写像方法。
2. 上記検出器を、地下の場所に手動によって位置決めしない、請求項１に記載の調査領域における地下密度の写像方法。
3. 上記地下の場所は、１２ｃｍを超える１次元寸法のみを有する物体を収容している、請求項１に記載の調査領域における地下密度の写像方法。
4. 上記複数のミュー粒子検出器を、上記評価領域に隣接する第２の複数の地下の場所に再位置決めする工程と、
   第２の複数の横断軌道のための上記検出器から、追加のミュー粒子検出データを収集する工程と、
   収集したミュー粒子検出データと追加ミュー粒子検出データとを処理して、上記評価領域の３次元密度写像を得る工程とをさらに含む、請求項１に記載の調査領域における地下密度の写像方法。
5. 上記複数のミュー粒子検出器を、ほぼ垂直に方向付けられたグループに配置する、請求項１に記載の調査領域における地下密度の写像方法。
6. 上記複数のミュー粒子検出器を、ほぼ水平に方向付けられたグループに配置する、請求項１に記載の調査領域における地下密度の写像方法。
7. 上記複数のミュー粒子検出器は、
   ほぼ水平に方向付けられたグループに配置された、第１の複数のミュー粒子検出器と、
   ほぼ垂直に方向付けられたグループに配置された、第２の複数のミュー粒子検出器とを含む、請求項１に記載の調査領域における地下密度の写像方法。
8. 上記複数のミュー粒子検出器を位置決めしている間に、検出器特有の慣性データを収集する工程と、
   上記慣性データを処理して、上記ミュー粒子検出器が到達した上記地下の場所を割り出す工程とをさらに含む、請求項１に記載の調査領域における地下密度の写像方法。
9. ミュー粒子検出器の関連グループを位置決めしている間に、検出器グループ慣性データを収集する工程と、
   上記慣性データを処理して、上記ミュー粒子検出器の関連グループが到達した上記地下の場所を割り出す工程とをさらに含む、請求項１に記載の調査領域における地下密度の写像方法。
10. 上記複数のミュー粒子検出器を、第１の構成に配置して、第１の複数の軌道に沿ったミュー粒子フラックスを検出する工程と、
    上記複数のミュー粒子検出器を、第２の構成に配置して、第２の複数の軌道に沿ったミュー粒子フラックスを検出する工程とをさらに含む、請求項１に記載の調査領域における地下密度の写像方法。
11. 上記第２の構成は、上記ミュー粒子検出器内のセンサモジュールを再方向付けすることによって達成される、請求項１０に記載の調査領域における地下密度の写像方法。
12. 上記第１構成と上記第２構成とを、単一の地下の場所において維持されている各ミュー粒子検出器によって得る、請求項１０に記載の調査領域における地下密度の写像方法。
13. 上記収集されたミュー粒子検出データを、地理上のデータとともに処理して、上記評価領域における表面の不規則性を補正する、請求項１に記載の調査領域における地下密度の写像方法。
14. 上記収集されたミュー粒子検出データを、地質上のデータとともに処理して、上記評価領域における地層の不規則性を補正する、請求項１に記載の調査領域における地下密度の写像方法。
15. 上記収集されたミュー粒子検出データを、地質上のデータとともにさらに処理して、上記評価領域における地層の不規則性を補正する、請求項１３に記載の調査領域における地下密度の写像方法。
16. 地下評価場所において実施して、地下評価領域と関係のあるミュー粒子フラックスデータを検出するために構成された複数のミュー粒子検出器と、
    上記評価場所の場所を割り出すための１つの位置決め装置と、
    上記ミュー粒子検出器に接続され、上記検出されたミュー粒子フラックスデータを受信および送信する１つの通信装置と、
    上記検出されたミュー粒子フラックスデータを受信し、上記検出されたミュー粒子フラックスデータを操作して、上記地下の評価領域に応じた密度写像を形成するために構成された１つのプロセッサとを含む、地下密度の写像システム。
17. 上記位置決め装置は、各ミュー粒子検出器に関連する慣性測定ユニットを含む、請求項１６に記載の地下密度の写像システム。
18. 上記位置決め装置は、１つのミュー粒子検出器グループに関連する慣性測定ユニットを含む、請求項１６に記載の地下密度の写像システム。
19. 少なくとも１つのミュー粒子検出器は、１つのグループから選択された追加アセンブリを有し、
    上記グループは、
    検出されたミュー粒子フラックスデータを受信し記憶するために構成されたメモリ装置と、
    柔らかい粒子の検出を抑えるシールディングアセンブリとからなる、請求項１６に記載の地下密度の写像システム。
20. 少なくとも１つのミュー粒子検出器は、１つのグループから選択された追加アセンブリを有し、
    上記グループは、
    上記ミュー粒子検出器が配置されている局所磁場を分析するために配置および構成された磁気探知器と、
    局所磁場を生成して、上記ミュー粒子検出器に入ってきたミュー粒子の運動量の値を計測するために構成された装置とからなる、請求項１６に記載の地下密度の写像システム。

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