JP5789133B2

JP5789133B2 - ミュー粒子を利用した三次元地盤探査システム

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Publication number: JP5789133B2
Application number: JP2011130969A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　敬一; 敬一鈴木; 寛大沼; 隆二久保田; 彰彦宮川; 忠彦奥村
Original assignee: KAWASAKI GEOLOGICAL ENGINEERING CO., LTD.
Current assignee: KAWASAKI GEOLOGICAL ENGINEERING CO., LTD.
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2031-06-13
Also published as: JP2013002830A

Description

本発明は、地盤探査システムに関し、特に地盤の密度分布を測定するミュー粒子を利用した三次元地盤探査システムに関する。

最近では、都市部におけるインフラストラクチャの老朽化等により、地盤中に空洞が発生し、社会問題となっている。そこで、従来、これらの空洞の存在を調査する地盤探査システムの研究が行われている。

たとえば特許文献１に記載の発明では、被探査地域の複数の測定地点で常時微動の時刻歴波形を測定した結果をスペクトル分析して、該複数の測定地点の各々のスペクトルを得て、前記測定地点の１つを基準点とし、その基準点と他の測定地点の振動数毎のスペクトル振幅値の比を算出し、該振幅値の比のバラツキを求め、そのバラツキが大きい程、空洞の存在の可能性が大きいと判定するようにしている。

また、出願人は、特許文献２において、シンチレーション検出器を用いて地盤を透過した宇宙線ミュー粒子を計数することで地盤探査を行う地盤探査システムを開示している。

特開２００６−２９２４１５号公報特開２０１０−２７１０５９号公報

ところで、都市部におけるインフラストラクチャの老朽化による空洞を調べるには、ノイズに影響されず、地表部を占有しないで行うことが重要である。

しかし、従来の調査方法を都市部で行うには、予測不可能な交通振動や工場の振動、あるいは送電線からの電気ノイズの影響により十分な成果をあげているとは言い難い。また、さらに地表部の道路などで行うには、その道路を占有するため交通規制が必須であり、交通渋滞などの発生が懸念される。

特許文献１に記載の発明においても、予測不可能な交通振動や工場の振動の影響を受けるため、精度の高い探知をするのは困難であるという問題があった。

特許文献２に記載のシンチレーション検出器を用いた地盤探査システムによれば、精度の高い探知が可能であるが、所定距離だけ離間して配置した２つのシンチレータを同時に通過した宇宙線ミュー粒子を計数するものであるため、２つのシンチレータの中心同士を結ぶ中心軸の方向に平行なものだけではなく、例えば各シンチレータの端部同士を対角に結ぶ方向など、中心軸に対して入射角を有する方向を進行経路とする宇宙線ミュー粒子も計数してしまう。

こうなると、宇宙線ミュー粒子の進行経路を正確に取り扱うことができず、地盤探査システムの精度をより高めることが困難であるという問題があった。

本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、簡単な構成で、宇宙線ミュー粒子の進行経路を三次元で正確に検出し、地盤探査の精度をより高めることができるミュー粒子を利用した三次元地盤探査システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、宇宙線ミュー粒子を検出する第１の検出器と、前記宇宙線ミュー粒子を検出する第２の検出器と、前記第１の検出器および前記第２の検出器の両方が同じタイミングで前記宇宙線ミュー粒子を検出した場合に、該宇宙線ミュー粒子が該第１の検出器と該第２の検出器とを結ぶ方向を進行経路とするものであるとして計数し、進行経路ごとの前記宇宙線ミュー粒子の数を求めて出力する宇宙線ミュー粒子計数手段と、前記宇宙線ミュー粒子計数手段の出力である進行経路ごとの宇宙線ミュー粒子の数に基づいて、前記宇宙線ミュー粒子の位置分布および角度分布を求める宇宙線ミュー粒子分布取得手段と、前記宇宙線ミュー粒子分布取得手段で求めた宇宙線ミュー粒子の位置分布および角度分布に基づいて三次元のトモグラフィ解析を行うトモグラフィ解析手段と、を備え、前記宇宙線ミュー粒子計数手段は、前記第１の検出器と前記第２の検出器とを通過する前記宇宙線ミュー粒子のうち、少なくとも前記第１の検出器の中心と前記第２の検出器の中心とを結ぶ中心軸と平行な経路を進行経路とするものと、前記中心軸と所定の入射角を有する経路を進行経路とするものとを区別し、該区別した進行経路の入射角ごとの前記宇宙船ミュー粒子の入射割合に基づいた重み係数を求め、前記重み係数を用いて、前記第１の検出器と前記第２の検出器とを通過した前記宇宙線ミュー粒子の総数を前記区別した進行経路のそれぞれに配分する、ことを特徴とする。

また本発明は、前記宇宙線ミュー粒子計数手段は、前記第１の検出器および前記第２の検出器の径および、前記第１の検出器と前記第２の検出器との距離を入力としたモンテカルロシミュレーションによって、前記第１の検出器と前記第２の検出器とを通過する前記宇宙線ミュー粒子の入射角依存性を求め、これによって前記重み係数を求める、ことを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で、宇宙線ミュー粒子の進行経路を三次元で正確に検出し、地盤探査の精度をより高めることができるミュー粒子を利用した三次元地盤探査システムを提供することができる。

本発明による地盤探査システムの一実施形態の構成を示す概略図である。図１に示した地盤探査システム１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示した地盤探査システム１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示した地盤探査システム１の原理を示すタイムチャートであり、（ａ）はシンチレータ２ａによる検出信号を示し、（ｂ）はシンチレータ２ｂによる検出信号を示し、（ｃ）はシンチレータ２ｃによる検出信号を示し、（ｄ）はマルチ同時計数回路１２ｂの計数を示し、（ｅ）はマルチ同時計数回路１２ｃの計数を示す。本発明による地盤探査システムの図１とは別の実施形態の構成を示す概略図であって、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は側面図である。（ａ）、（ｂ）は親シンチレータおよび子シンチレータの数のバリエーションを示す図である。シンチレータに入射するミュー粒子の透過経路の入射角について説明する図であって、（ａ）は入射角を示すシンチレータの概略側面図であり、（ｂ）はシンチレータに入射するミュー粒子の透過経路の、入射角ごとの入射割合に基づいた重み係数を示すグラフである。シンチレータに入射するミュー粒子の透過経路の入射角について三次元で説明する図であって、（ａ）は入射角を示す概略斜視図であり、（ｂ）はシンチレータに入射するミュー粒子の透過経路であって三次元の経路を点で示す親シンチレータの平面図である。シンチレータに入射するミュー粒子の透過経路を三次元で示す概略斜視図である。図１や図５、図６に示した本発明の実施形態に係る地盤探査システムによる測定範囲の一例を示す概略側断面図である。地盤中の空洞によるミュー粒子の角度分布依存性を示す図であり、（ａ）は地盤の様子を示す側断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示したＡ点の各角度位置での宇宙線ミュー粒子の同時通過数を示すグラフであり、（ｃ）は（ａ）に示したＢ点の各角度位置での宇宙線ミュー粒子の同時通過数を示すグラフである。本実施形態の地盤探査システム１のパソコン１４で実行されるトモグラフィ解析のフローチャートを示す図である。（ａ）は初期モデルの例を示す側断面図であり、（ｂ）は位置と角度を変えて宇宙線ミュー粒子の計数を行うすなわち宇宙線ミュー粒子の透過率を測定する様子を示す側断面図であり、（ｃ）はトモグラフィ解析を行った結果である地盤の密度分布を示す側断面図であり、（ｄ）は複数の断面で測定することによる三次元可視化への応用を示す斜視図である。本実施の形態による地盤探査の三次元解析の結果を示す図であり、（ａ）は三次元表示したものであり、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、（ａ）の断面図である。地下での実験の実験場所を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側断面図である。地下での実験の三次元トモグラフィ解析結果を示す図である。地下での実験の解析結果を示す図であって、（ａ）は図１５（ｂ）の側断面図に相当する位置の解析結果であり、（ｂ）は（ａ）を下水管の位置で切断して上から見た解析結果であり、（ｃ）は（ａ）を通路の位置で切断して上から見た解析結果である。地下での実験の三次元トモグラフィ解析結果を示す図であって、内部解析のため一部を切断して示しており、（ａ）は下水管の側から見た解析結果であり、（ｂ）は通路の側から見た解析結果である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明によるミュー粒子を利用した三次元地盤探査システムの一実施形態の構成を示す概略図である。

図１を参照して分かるように、本実施形態の地盤探査システム１は、台車６に搭載された６つのシンチレータ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅおよび２ｆを有して構成され、この６つのシンチレータ２ａ〜２ｆによって宇宙線ミュー粒子を検出する。

６つのシンチレータ２ａ〜２ｆのうちの１つであるシンチレータ２ａは親シンチレータとも呼び、他のシンチレータ２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅおよび２ｆは子シンチレータとも呼ぶ。

シンチレータ２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅおよび２ｆは、シンチレータ２ａを中心とした放射状位置に配置している。中心に配置するシンチレータ２ａは、例えば球状のプラスチックシンチレータであり、周囲に配置するシンチレータ２ｂ〜２ｆは、例えば円板（円柱）形状のプラスチックシンチレータであり、それぞれの円形の面がシンチレータ２ａに向くように配置している。また、球体であるシンチレータ２ａの直径と、円板（円柱）形状であるシンチレータ２ｂ〜２ｆの円形の面の直径とは、ほぼ等しい大きさにしている。本実施の形態では、シンチレータ２ａの直径および、シンチレータ２ｂ〜２ｆの円形の面の直径は、それぞれ２４．５ｃｍである。

シンチレータ２ａの中心位置には、軸８を設けており、この軸８を中心として放射状に配置したフレーム７の先端にシンチレータ２ｂ〜２ｆを、配置している。フレーム７は軸８において回動可能に軸支されている。本実施の形態では、シンチレータ２ａとシンチレータ２ｂ〜２ｆとの距離は１．４ｍであり、軸８を中心にフレーム７を回動し、シンチレータ２ａに対するシンチレータ２ｂ〜２ｆの周方向位置を変えた場合も、このシンチレータ２ａとシンチレータ２ｂ〜２ｆとの距離は一定に保たれる。

シンチレータ２ｂ〜２ｆは、シンチレータ２ａを中心として、例えば互いに１５°の角度間隔で配置している。

フレーム７を軸支する軸８は、台車６に搭載されて固定されており、台車６の例えば軸８近傍には、台車６の位置を検出する位置検出器４および、フレーム７の回動角度を検出する角度検出器５が搭載されている。

フレーム７は、図示しないモータ等の駆動手段によって軸８を中心にして回動させられる。このフレーム７の回動角度は角度検出器５で検出され、図示しない制御手段では、この検出結果に基づきモータの角度位置のフィードバック制御を行う。すなわち、制御手段は、フレーム７をモータによって回動させ、フレーム７を所定角度位置で停止させることができる。角度検出器５としてはモータのエンコーダやジャイロ等を用いることができる。

また、台車６は、図示しないモータ等の移動手段によって移動可能に構成されている。台車６の位置は位置検出器４によって検出される。位置検出器４としてはたとえばＧＰＳを用いることができる。

シンチレータ２ａ〜２ｆは宇宙線ミュー粒子の通過に応じて発光し、この発光は光電子増倍管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅおよび３ｆのそれぞれによって検出され、その検出結果はマルチディスクリミネータ１１によって分析される。すなわち、マルチディスクリミネータ１１は、発光の検出結果のうち所定のエネルギーよりも高いものを分別して、宇宙線ミュー粒子が通過したときのエネルギーを判別する。マルチディスクリミネータ１１は安定化電源１０から電源供給される。

マルチ同時計数回路１２は、マルチディスクリミネータ１１による判別結果に基づき、シンチレータ２ａと、シンチレータ２ｂ〜２ｆのいずれかと、を通過した宇宙線ミュー粒子を計数する。宇宙線ミュー粒子は直進するため、フレーム７を所定角度位置で停止させ、シンチレータ２ａと、シンチレータ２ｂ〜２ｆのいずれかと、を通過した宇宙線ミュー粒子を計数することにより、シンチレータ２ａと、シンチレータ２ｂ〜２ｆのいずれかと、を結んだ方向に直進する宇宙線ミュー粒子の数を調べることができ、フレーム７の角度位置を変えてその都度宇宙線ミュー粒子を計数することにより、宇宙線ミュー粒子の角度分布を求めることができる。

本実施の形態によれば、シンチレータ２ａと２ｂ、２ａと２ｃ、２ａと２ｄ、２ａと２ｅ、２ａと２ｆのそれぞれの方向に直進する宇宙線ミュー粒子を１度に計数することができ、計測にかかる時間を短縮することができる。

その後、フレーム７の角度位置を変える際には、上述のように子シンチレータ同士の角度間隔を１５°にした場合、例えば０°５°１０°と変化させることによって、すべてにおいて重複しない角度方向での宇宙線ミュー粒子を計数することができる。

また、台車６の位置を変えてその都度宇宙線ミュー粒子を計数することにより、宇宙線ミュー粒子の位置分布を求めることができる。パソコン１４では、収集したデータを保管するとともに、このような宇宙線ミュー粒子の各種分布を求めることができる。

地盤探査システム１の台車６は、探査対象の地盤の下方のトンネル（坑道）等に配置し、探査を行う。安定化電源１０、マルチディスクリミネータ１１、マルチ同時計数回路１２、パソコン１４のそれぞれは、台車６に搭載されて台車６とともにトンネル（坑道）等に配置してもよいし、台車６とは別に、トンネル（坑道）等の外たとえば地上に配置してもよい。

図２、図３は、図１に示した地盤探査システム１の構成の一例を示すブロック図である。

上述のようにシンチレータ２ａ〜２ｆとしては、たとえばプラスチックシンチレータを用いることができる。

マルチディスクリミネータ１１としては、光電子増倍管３ａ〜３ｆのそれぞれによる検出結果を分析するディスクリミネータ１１ａ〜１１ｆを設けるようにしてもよい。また、ディスクリミネータ１１ａ〜１１ｆのそれぞれには、信号を増幅する増幅器を内蔵するようにしてもよい。

ディスクリミネータ１１ａ〜１１ｆに電源供給する安定化電源１０は、たとえば高電圧回路および低電圧回路を有して構成される。

また、図１に示したマルチ同時計数回路１２は、図２に示すように、ディスクリミネータ１１ａおよびディスクリミネータ１１ｂの両方からほぼ同時に宇宙線ミュー粒子を検出する信号が入力されたときに、検出信号を出力するマルチ同時計数回路１２ｂと、マルチ同時計数回路１２ｂからの検出信号を計数するカウンタ１３ｂと、を有し、さらに、ディスクリミネータ１１ａおよびディスクリミネータ１１ｃの両方からほぼ同時に宇宙線ミュー粒子を検出する信号が入力されたときに、検出信号を出力するマルチ同時計数回路１２ｃと、マルチ同時計数回路１２ｃからの検出信号を計数するカウンタ１３ｃと、を有し、さらに、ディスクリミネータ１１ａおよびディスクリミネータ１１ｄの両方からほぼ同時に宇宙線ミュー粒子を検出する信号が入力されたときに、検出信号を出力するマルチ同時計数回路１２ｄと、マルチ同時計数回路１２ｄからの検出信号を計数するカウンタ１３ｄと、を有し、さらに、ディスクリミネータ１１ａおよびディスクリミネータ１１ｅの両方からほぼ同時に宇宙線ミュー粒子を検出する信号が入力されたときに、検出信号を出力するマルチ同時計数回路１２ｅと、マルチ同時計数回路１２ｅからの検出信号を計数するカウンタ１３ｅと、を有し、さらに、ディスクリミネータ１１ａおよびディスクリミネータ１１ｆの両方からほぼ同時に宇宙線ミュー粒子を検出する信号が入力されたときに、検出信号を出力するマルチ同時計数回路１２ｆと、マルチ同時計数回路１２ｆからの検出信号を計数するカウンタ１３ｆと、を有する構成であってもよい。

図４は、図１に示した地盤探査システム１の原理を示すタイムチャートであり、（ａ）はシンチレータ２ａによる検出信号を示し、（ｂ）はシンチレータ２ｂによる検出信号を示し、（ｃ）はシンチレータ２ｃによる検出信号を示し、（ｄ）はマルチ同時計数回路１２ｂの計数を示し、（ｅ）はマルチ同時計数回路１２ｃの計数を示す。

例えば、図２に示す宇宙線ミュー粒子２０がシンチレータ２ａおよび２ｂを通過すると、その旨が、光電子増倍管３ａおよび光電子増倍管３ｂ、ならびにディスクリミネータ１１ａおよびディスクリミネータ１１ｂを介してマルチ同時計数回路１２ｂに入力され、マルチ同時計数回路１２ｂでは、ディスクリミネータ１１ａからの検出信号とディスクリミネータ１１ｂからの検出信号とがほぼ同時に報告されたことから、ひとつの宇宙線ミュー粒子２０がシンチレータ２ａおよび２ｂを通過したとみなし、宇宙線ミュー粒子２０の検出信号をカウンタ１３ｂに出力し、カウンタ１３ｂではカウント数を１増加させる。

これに対し、マルチ同時計数回路１２ｂは、ディスクリミネータ１１ａからの検出信号またはディスクリミネータ１１ｂからの検出信号の一方のみが報告された場合には、その宇宙線ミュー粒子２０は、シンチレータ２ａまたは２ｂの一方のみを通過した、すなわち、現在のフレーム７の角度位置でのシンチレータ２ｂの角度位置とは異なる角度のものであるとみなし、カウンタ１３ｂによるカウント数は増加させない。

マルチ同時計数回路１２ｃないし１２ｆも同様に動作し、カウンタ１３ｂないし１３ｆにおいて同様にカウントを行う。

図５は、本発明による地盤探査システムの図１とは別の実施形態の構成を示す概略図であって、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は側面図である。図５において、図１に示した実施形態と同じ構成については同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。

図５を参照して分かるように、本実施形態の地盤探査システム１０１は、全体を収容する枠体１０７ａを有し、６つのシンチレータ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅおよび２ｆを有して構成され、この６つのシンチレータ２ａ〜２ｆによって宇宙線ミュー粒子を検出する。

シンチレータ２ａの中心位置には、軸１０８ａを設けており、この軸１０８ａを中心として放射状に配置したフレーム１０７ｂの径方向外側にシンチレータ２ｂ〜２ｆを、配置している。フレーム１０７ｂは軸１０８ａにおいて回動可能に軸支されている。

フレーム１０７ｂを軸支する軸１０８ａは、枠体１０７ａに搭載されて固定されている。

枠体１０７ａの例えば右下部には、軸１０８ａ中心としてフレーム１０７ｂを回動させるモータ等の駆動手段１０８ｂを備えている。このフレーム１０７ｂの回動角度は角度検出器１０５で検出され、図示しない制御手段では、この検出結果に基づきモータの角度位置のフィードバック制御を行う。すなわち、制御手段は、フレーム１０７ｂを駆動手段１０８ｂによって回動させ、フレーム１０７ｂを所定角度位置で停止させることができる。角度検出器１０５としてはモータのエンコーダやジャイロ等を用いることができる。

地盤探査システム１０１は、モータや車輪等の移動手段１０６を備え、枠体１０７ａはこの移動手段１０６によって移動可能に構成されている。枠体１０７ａの位置は、枠体１０７ａの例えば左下部に設けた位置検出器１０４によって検出される。位置検出器１０４としてはたとえばＧＰＳを用いることができる。

なお、上述の実施の形態では、１つの親シンチレータと複数の子シンチレータとを備える構成を開示したが、本発明はこれに限られるものではなく、１つの親シンチレータと１つの子シンチレータとを備える構成であってもよいし、複数（例えばｍ個）の親シンチレータと複数（例えばｎ個）の子シンチレータとを備える構成であってもよい（図６（ａ）参照）。この構成によれば、測定時間を短縮し、より効率化することができる。また、親シンチレータや子シンチレータは、平面上に備えるものに限られず、たとえば球面上に備えるものであってもよい（図６（ｂ）参照）。この構成によれば、例えば測定結果を三次元の表示する場合に、測定時間を短縮し、より効率化することができる。

次に、本実施形態の地盤探査システム１の動作について説明する。

図７は、シンチレータに入射するミュー粒子の透過経路の入射角について説明する図であって、（ａ）は入射角を示すシンチレータの概略側面図であり、（ｂ）はシンチレータに入射するミュー粒子の透過経路の、入射角ごとの入射割合に基づいた重み係数を示すグラフである。

本実施の形態では、２つのシンチレータをほぼ同時に通過したミュー粒子の透過経路を、その２つのシンチレータを結ぶ線としているが、２つのシンチレータを結ぶ線としては、２つの中心同士を結ぶ中心軸と平行な線のほかに、この中心軸と角度（入射角）を有する線も存在し、この入射角を有する線は、２つのシンチレータの断面積や、２つのシンチレータ同士の距離に依存する（図７（ａ）参照）。

また、ミュー粒子の、入射角（シンチレータの垂直からの角度）に対するカウント数は一定ではなく、入射角依存性がある。すなわち、どの入射角の透過経路のミュー粒子も同じ数ではなく、入射角ごとに入射割合が異なる。

そこで、本実施の形態では、２つのシンチレータの断面積や、２つのシンチレータ同士の距離を入力パラメータとして、モンテカルロシミュレーションを実行し入射角依存性を求め、これに基づいて重み係数を算出する。このミュー粒子の透過経路の入射角と重み係数との関係が、図７（ｂ）に示すグラフである。本実施の形態では、２つのシンチレータをほぼ同時に通過したミュー粒子の総数を、図７（ｂ）に示す重み係数を用いて、実際の透過経路に配分する。

なお、図７では、二次元で表しているが、本実施の形態では、これを三次元で行う。

図８は、シンチレータに入射するミュー粒子の透過経路の入射角について三次元で説明する図であって、（ａ）は入射角を示す概略斜視図であり、（ｂ）はシンチレータに入射するミュー粒子の透過経路であって三次元の経路を点で示す親シンチレータの平面図である。

また、図９は、シンチレータに入射するミュー粒子の透過経路を三次元で示す概略斜視図である。

ミュー粒子のカウント総数から計算される面密度（透過距離×密度）は検出器への入射角によって計数率が異なる。すなわちカウント数から計算した面密度には入射角による重みが含まれている。本実施の形態では、この重みを、立体的に例えば１５５０方向の経路を仮定してトモグラフィ計算（解析）を行う。

図１０は、図１や図５、図６に示した本発明の実施形態に係る地盤探査システムによる測定範囲の一例を示す概略側断面図である。以下では、図１に示した地盤探査システム１を例に説明する。

本実施形態では、地盤探査システム１を図１０に示す坑道内の３つの観測点に順次配置し、各観測点において、フレーム７の角度位置を異ならせながら、各角度位置での宇宙線ミュー粒子のシンチレータ２ａと、２ｂ〜２ｆのいずれかとの同時通過数をカウントする（角度分布測定）。

宇宙線ミュー粒子は地盤を通過する際に、その数が減少する特性が知られており、地表からの距離が長ければ宇宙線ミュー粒子の数は減る。ところが、その地盤中の通過経路に空洞があると、その分だけ宇宙線ミュー粒子の数が減らなくなる。

坑道内で測定位置（観測点）およびフレーム７の角度位置を変えることで、各位置、各方向での宇宙線ミュー粒子の数を得ることができ、これにより地盤の空洞との状態を解析するトモグラフィ解析に適用できるデータを取得することができる。

これは、通常のトモグラフィを９０度回転させたものと同様である。すなわち、本実施形態の地表と坑道が、通常のトモグラフィのボーリング孔に相当する。

宇宙線ミュー粒子の物質中の透過特性は、物質の密度と透過距離との積および天頂角に依存する。この特性は既知であるので、ここでは詳しい説明は省略する。

本実施形態の地盤探査システム１では、パソコン１４においてトモグラフィ解析を行う。

図１１は、地盤中の空洞によるミュー粒子の角度分布依存性を示す図であり、（ａ）は地盤の様子を示す側断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示したＡ点の各角度位置での宇宙線ミュー粒子の同時通過数を示すグラフであり、（ｃ）は（ａ）に示したＢ点の各角度位置での宇宙線ミュー粒子の同時通過数を示すグラフである。

図１１（ｂ）、（ｃ）のグラフは、縦軸が天頂角（真上をゼロ度としたときのミュー粒子の到来方向角度）であり、横軸がカウント率すなわち宇宙線ミュー粒子の同時通過数の１日の合計である。

宇宙線ミュー粒子は、密度と透過距離が増えると透過（カウント）率が減少する。逆に空洞があると（同じ透過距離でも密度が小さいので）透過率が増加する。

地盤内に空洞がなければ、図１１（ｂ）および（ｃ）に実線で示すような特性を示すわけだが、図１１（ａ）に示すような空洞があると、宇宙線ミュー粒子がその空洞を通る角度位置では、空洞がない場合よりも同時通過数が増える。すなわち、均質な地盤の場合、角度に応じて同時計数が変化するが、空洞のある場所では、宇宙線ミュー粒子の透過性が良いため、計数率が増加することが確認できる。

図１１（ｂ）に示すように、Ａ点では、天頂角２５度から５５度の範囲で、破線で示すように透過率が増加し、図１１（ｃ）に示すように、Ｂ地点では天頂角３０度から５０度の範囲で、破線で示すように透過率が増加している。このように位置を変えて観測することにより、空洞の位置をある程度まで絞り込むことができる。

この図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す例では、２点のみの測定結果を示しているが、より多くの測定点でデータを収集することにより、より精度の高いトモグラフィ解析が可能となる。

図１２は、本実施形態の地盤探査システム１のパソコン１４で実行されるトモグラフィ解析のフローチャートを示す図である。

本実施形態の地盤探査システム１では、台車６やフレーム７を動かして各位置でのデータを取得したならば、まず初期モデルを設定する（Ｓ−１）。ここで、初期モデルとは、事前に調査した地質断面図や土質試験の結果などに基づいて地盤の平均密度を仮定した、地盤の層構造のモデルである。

続いて、地盤が、ステップ（Ｓ−１）で設定したモデルであるとした場合に、観測されるであろう宇宙線ミュー粒子の理論値を計算する（Ｓ−２）。本実施の形態では、この理論値の計算を三次元で行う。

続いて、ステップ（Ｓ−２）で計算した理論値と、すでに取得した各位置でのデータとの差（残差）を計算する（Ｓ−３）。

続いて、ステップ（Ｓ−３）で計算した残差があらかじめ定めた許容範囲内であれば（Ｓ−４：Ｙｅｓ）、その結果を表示して（Ｓ−６）処理を終了する。

ステップ（Ｓ−４）において、ステップ（Ｓ−３）で計算した残差があらかじめ定めた許容範囲内でない場合には（Ｓ−４：Ｎｏ）、モデルを修正して（Ｓ−５）、ステップ（Ｓ−２）に戻り、処理を繰り返す。

本実施形態の地盤探査システム１によれば、宇宙線ミュー粒子の位置分布、角度分布測定技術と、トモグラフィの解析技術とを組み合わせることにより、地盤の密度を可視化することが可能となる。図１０は、地盤を可視化したものの一例であり、図１０の例では地盤の地質密度が均一で空洞がない場合を示している。

このような可視化の別の例について図１３を参照して説明する。

図１３（ａ）は初期モデルの例を示す側断面図であり、図１３（ｂ）は位置と角度を変えて宇宙線ミュー粒子の計数を行う、すなわち宇宙線ミュー粒子の透過率を測定する様子を示す側断面図であり、図１３（ｃ）はトモグラフィ解析を行った結果である地盤の密度分布を示す側断面図であり、図１３（ｄ）は複数の断面で測定することによる三次元可視化への応用を示す斜視図である。

図１３（ａ）は通常の地質調査によって得られる断面であり、なんらかの理由（たとえばトンネルの老朽化）により、空洞の発生が懸念される。そこで、図１３（ａ）を初期モデルとして、上述の宇宙線ミュー粒子の位置分布、角度分布測定およびトモグラフィ解析を行う（図１３（ｂ）、図１３（ｃ）参照）。

また、上述の図１２のステップ（Ｓ−２）において三次元の理論値の計算をしたり、複数の断面で測定したりすることで図１３（ｄ）に示すように三次元への拡張が可能である。

以下、三次元への適用結果について詳しく説明する。

図１４は、本実施の形態による地盤探査の三次元解析の結果を示す図であり、（ａ）は三次元表示したものであり、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、（ａ）の断面図である。

解析の条件は以下のとおりである。
・地盤の平均密度：2.0g/cm³
・土被り：10m
・縦断方向：20m
・横断方向：10m
・空洞の大きさ：直径2m
・空洞の位置：直方体の中心
本実施の形態による地盤探査の三次元解析によれば、図１４（ａ）〜（ｄ）に示すように、空洞の中央部の低密度が再現された。

また、本実施の形態の地盤探査システムを用いて三次元トモグラフィデータを取得するため，地下で実験を行った結果を以下に示す。

図１５は、地下での実験の実験場所を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側断面図である。

図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、この実験場所は、一番深いところに計測通路があり，地盤の厚さは11mである。その上部に通路と下水管がある。通路は、右端で折れ曲がっている。その下で，縦断方向15m、横断方向5m、鉛直方向11mの直方体部分を透過するミュー粒子をカウントした。

本実施の形態により取得した三次元トモグラフィデータを用いて解析した結果を図１６、図１７、図１８に示す。

図１６は、地下での実験の三次元トモグラフィ解析結果を示す図である。

図１７は、地下での実験の解析結果を示す図であって、（ａ）は図１５（ｂ）の断面図に相当する位置の解析結果であり、（ｂ）は（ａ）を下水管の位置で切断して上から見た解析結果であり、（ｃ）は（ａ）を通路の位置で切断して上から見た解析結果である。

図１８は、地下での実験の三次元解析結果を示す図であって、内部解析のため一部を切断して示しており、（ａ）は下水管の側から見た解析結果であり、（ｂ）は通路の側から見た解析結果である。

計測範囲の大きさは縦断方向15m、横断方向5m、鉛直方向11mである。図１６、図１７および図１８を参照して分かるように、本発明によれば、三次元解析を可能とし、地盤の密度分布（様子）を三次元で可視化することが可能である。

以上、本発明を説明したが、本発明は、この説明に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で数々の変形および組み合わせが出来ることは勿論である。

本発明は、たとえば空洞の探知など地盤探査を行うシステムに適用可能である。

１地盤探査システム
２ａ〜２ｆシンチレータ
３ａ〜３ｆ光電子増倍管
４位置検出器
５角度検出器
６台車
７フレーム
８軸
１０安定化電源
１１マルチディスクリミネータ
１２マルチ同時計数回路
１３カウンタ
１４パソコン

Claims

宇宙線ミュー粒子を検出する第１の検出器と、
前記宇宙線ミュー粒子を検出する第２の検出器と、
前記第１の検出器および前記第２の検出器の両方が同じタイミングで前記宇宙線ミュー粒子を検出した場合に、該宇宙線ミュー粒子が該第１の検出器と該第２の検出器とを結ぶ方向を進行経路とするものであるとして計数し、進行経路ごとの前記宇宙線ミュー粒子の数を求めて出力する宇宙線ミュー粒子計数手段と、
前記宇宙線ミュー粒子計数手段の出力である進行経路ごとの宇宙線ミュー粒子の数に基づいて、前記宇宙線ミュー粒子の位置分布および角度分布を求める宇宙線ミュー粒子分布取得手段と、
前記宇宙線ミュー粒子分布取得手段で求めた宇宙線ミュー粒子の位置分布および角度分布に基づいて三次元のトモグラフィ解析を行うトモグラフィ解析手段と、
を備え、
前記宇宙線ミュー粒子計数手段は、前記第１の検出器と前記第２の検出器とを通過する前記宇宙線ミュー粒子のうち、少なくとも前記第１の検出器の中心と前記第２の検出器の中心とを結ぶ中心軸と平行な経路を進行経路とするものと、前記中心軸と所定の入射角を有する経路を進行経路とするものとを区別し、該区別した進行経路の入射角ごとの前記宇宙船ミュー粒子の入射割合に基づいた重み係数を求め、前記重み係数を用いて、前記第１の検出器と前記第２の検出器とを通過した前記宇宙線ミュー粒子の総数を前記区別した進行経路のそれぞれに配分する、
ことを特徴とするミュー粒子を利用した三次元地盤探査システム。
前記宇宙線ミュー粒子計数手段は、前記第１の検出器および前記第２の検出器の径および、前記第１の検出器と前記第２の検出器との距離を入力としたモンテカルロシミュレーションによって、前記第１の検出器と前記第２の検出器とを通過する前記宇宙線ミュー粒子の入射角依存性を求め、これによって前記重み係数を求める、
ことを特徴とする請求項１に記載のミュー粒子を利用した三次元地盤探査システム。