JP6058565B2 - 内部構造イメージング装置及び内部構造イメージング方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、宇宙線ミュオンを用いて構造物の内部をイメージングする内部構造イメージング技術に関する。

構造物の内部を把握する従来の技術として、地表に到達するミュオンを観測して内部を透視する技術が知られている。
ミュオンとは、宇宙から地球に入射する一次宇宙線が地球の大気と反応する事により生じる二次宇宙線の一種である。ミュオンは、正または負の電荷を持ち、平均３〜４ＧｅＶの高いエネルギーを持つため、高い透過力を有する。

このミュオンの透過力を利用して構造物内を透視する技術は、例えば火山またはピラミッドなどの大型で内部への立ち入りが困難なものに対して好適に利用されてきており、事故が発生した原子力発電所など、高い放射線のため立ち入りが困難な構造物において、内部状況の監視のために外部から構造物の内部を正確に把握する技術としても着目されている。

ミュオンを用いて構造物の内部をイメージング（画像化）する方法として、ミュオンの粒子束の減衰を測定する透過法やミュオンのクーロン多重散乱角を測定する散乱法が知られている。また、散乱法においては、クーロン多重散乱による軌跡の変位を測定する変位法も知られている。

Ｈ．Ｍｉｙａｄｅｒａ，ｅｔａｌ．，ＡＩＰ Ａｄｖａｎｃｅｓ ３，０５２１３３（２０１３）．

前述の透過法は、ミュオンが構造物を通過した後の出射軌跡のみを検出し粒子束の減衰を測定するものである。このため、ミュオンが構造物を通過する際のクーロン多重散乱による影響は考慮されず、イメージングされる対象物の解像度が低いという問題があった。

一方、散乱法は、ミュオンの入射軌跡及び出射軌跡を検出しクーロン多重散乱による散乱角を測定する。しかし、クーロン多重散乱の散乱角は入射粒子のエネルギーに依存するため、エネルギーの変動分の影響を受けて散乱角から推定される対象物の分解能が低下するという問題があった。

このように、既存の方法には分解能を低下させる要因が含まれているため、原子力発電所等の大規模な構造物を高い解像度でイメージングすることは困難であった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、構造物の内部を高い解像度でイメージングすることが可能な内部構造イメージング技術を提供することを目的とする。

本実施形態の内部構造イメージング装置は、構造物に外設された第１軌跡検出器から前記構造物に入射するミュオンの入射軌跡及び前記第１軌跡検出器における通過時間を入力する第１入力部と、前記構造物に外設されるとともに前記第１軌跡検出器に対向して設けられた第２軌跡検出器から前記構造物を通過した後の前記ミュオンの出射軌跡及び前記第２軌跡検出器における通過時間を入力する第２入力部と、前記入射軌跡から想定される予想軌跡を計算して、この予想軌跡と前記出射軌跡とから前記ミュオンの軌跡変位を計算する変位計算部と、前記ミュオンの前記第１軌跡検出器における通過時間と前記第２軌跡検出器における通過時間との時間差に基づいて前記ミュオンの平均エネルギーを計算する平均エネルギー計算部と、前記ミュオンのそれぞれに対して計算された前記軌跡変位と前記平均エネルギーとの積を前記構造物の内部に設定された投影面に集積するデータ集積部と、前記投影面に集積された前記軌跡変位と前記平均エネルギーとの積を用いて物質の存在位置を判別して前記構造物の内部構造を画像化する画像化部と、を備えることを特徴とする。

本実施形態の内部構造イメージング方法は、構造物に外設された第１軌跡検出器から前記構造物に入射するミュオンの入射軌跡及び前記第１軌跡検出器における通過時間を入力するステップと、前記構造物に外設されるとともに前記第１軌跡検出器に対向して設けられた第２軌跡検出器から前記構造物を通過した後の前記ミュオンの出射軌跡及び前記第２軌跡検出器における通過時間を入力するステップと、前記入射軌跡から想定される予想軌跡を計算して、この予想軌跡と前記出射軌跡とから前記ミュオンの軌跡変位を計算するステップと、前記ミュオンの前記第１軌跡検出器における通過時間と前記第２軌跡検出器における通過時間との時間差に基づいて前記ミュオンの平均エネルギーを計算するステップと、前記ミュオンのそれぞれに対して計算された前記軌跡変位と前記平均エネルギーとの積を前記構造物の内部に設定された投影面に集積するステップと、前記投影面に集積された前記軌跡変位と前記平均エネルギーとの積を用いて物質の存在位置を判別して前記構造物の内部構造を画像化するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、構造物の内部を高い解像度でイメージングすることが可能な内部構造イメージング技術が提供される。

本実施形態に係る内部構造イメージング装置の構成図。 構造物の内部に設定された投影面を示した斜視図。 ミュオンの軌跡変位と平均エネルギーとの積が投影面に集積された状態を示す図。 本実施形態に係る内部構造イメージング装置の動作を示すフローチャート。 （Ａ）本実施形態により原子炉内部をイメージングした場合のシミュレーション結果、（Ｂ）従来技術の変位法により原子炉内部をイメージングした場合のシミュレーション結果。

以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示す本実施形態に係る内部構造イメージング装置１０（以下、イメージング装置１０とする）は、構造物１１に外設された第１軌跡検出器１２から構造物１１に入射するミュオンの入射軌跡及び第１軌跡検出器１２における通過時間を入力する第１入力部１３と、構造物１１に外設されるとともに第１軌跡検出器１２に対向して設けられた第２軌跡検出器１４から構造物１１を通過した後のミュオンの出射軌跡及び第２軌跡検出器１４における通過時間を入力する第２入力部１５と、入射軌跡から想定される予想軌跡を計算して、この予想軌跡と出射軌跡とからミュオンの軌跡変位を計算する変位計算部１７と、ミュオンの第１軌跡検出器１２における通過時間と第２軌跡検出器１４における通過時間との時間差に基づいてミュオンの平均エネルギーを計算する平均エネルギー計算部１８と、ミュオンのそれぞれに対して計算された軌跡変位と平均エネルギーとの積を構造物１１の内部に設定された投影面２２に集積するデータ集積部１９と、投影面２２に集積された軌跡変位と平均エネルギーとの積を用いて物質の存在位置を判別して構造物１１の内部構造物２１を画像化する画像化部２０と、を備える。
なお、図１では、上空から降り注ぐミュオンのうち２つのミュオンμ_ｉ、μ_ｋの飛行軌跡を例示している。

本実施形態は、ウラン燃料等の重元素物質から構成される内部構造物２１（例えば、原子炉格納容器等）をイメージングの対象とする。内部構造物２１は、鋼鉄あるいはコンクリートから成る構造物１１の内部に格納されている。

第１軌跡検出器１２及び第２軌跡検出器１４は、ミュオンの飛行軌跡を検出する軌跡検出器である。ミュオンの通過を検知するシンチレーション検出器あるいはドリフトチューブ検出器を用いて構成される。特に、ドリフトチューブ検出器を用いた軌跡検出器は、空間分解能及び角度分解能が高いため好適である。

第１軌跡検出器１２と第２軌跡検出器１４とは、構造物１１を挟んで対向する位置に設置される。

地上で検出されるミュオンは角度依存性があり、天頂角が０度に近づくほど大きな流束を持つ。天頂角０度での強度をＩ_ｖとすると、天頂角θでの強度Ｊ_θは次式（１）で表される。

Ｊ_θ＝Ｉ_ｖ×（ｃｏｓθ）^２・・・式（１）
θ：天頂角
Ｉ_ｖ：天頂角０度でのミュオン強度
Ｊ_θ：天頂角θでのミュオン強度

この性質のため、第１軌跡検出器１２と第２軌跡検出器１４とは、水平に設置するよりも、高さを変えて設置した方が大きな流束のミュオンを検出することができる。

第１軌跡検出器１２は、構造物１１に入射するミュオンの入射軌跡を検出する。そして、検出した入射軌跡及びミュオンの通過時間を第１入力部１３に出力する。
第１入力部１３は、入力した入射軌跡及び第１軌跡検出器１２における通過時間を同時計数部１６に出力する。

一方、第２軌跡検出器１４は、構造物１１を通過後のミュオンの出射軌跡を検出する。そして、検出した出射軌跡及びミュオンの通過時間を第２入力部１５に出力する。
第２入力部１５は、入力した出射軌跡及び第２軌跡検出器１４における通過時間を同時計数部１６に出力する。

同時計数部１６は、一定時間内に第１軌跡検出器１２及び第２軌跡検出器１４のそれぞれで検出された入射軌跡と出射軌跡とを同一のミュオンによる軌跡として選別するものである。なお、一定時間とは、同一のミュオンに関する軌跡であることが判定可能な時間を意味し、例えばミュオンが構造物１１の通過に要する時間として想定される時間のうち最大の時間等が考えられる。

同時計数部１６により、第１軌跡検出器１２及び第２軌跡検出器１４において大量に検出されるミュオンの軌跡について、同一のミュオンに関する入射軌跡と出射軌跡とが選別される。なお、同一のミュオンに関する入射軌跡と出射軌跡を十分に判別できる程度にイメージング装置１０側で軌跡検出の入力を制限した場合は、同時計数部１６を省略する構成としても良い。

ここで、構造物１１の内部に設定された投影面２２について説明する。
投影面２２とは、図２に示すように、内部構造物２１が存在すると想定される面に設定された、内部構造物２１の断層面をイメージングするための解析上の設定面である。この投影面２２は、任意の面に設定可能である。

投影面２２は、任意の大きさのセルで区切られており（図３参照）、各セルにはそれぞれのセルを識別するための散乱座標が割り当てられている。

ミュオンは、内部構造物２１を通過する際に、内部構造物２１を構成する原子との相互作用により、クーロン多重散乱を起こして偏向する。この結果、構造物１１に入射したミュオンの軌跡は変位する。

ここでは、クーロン多重散乱が投影面２２上の１点で起こるものと近似して計算を行い、第１軌跡検出器１２で検出されたミュオンの入射軌跡の延長線と投影面２２との交点を散乱点とする。

具体的に計算方法を説明するため、図１に示すミュオンμ_ｉについて検討する。
変位計算部１７は、同時計数部１６からミュオンμ_ｉの入射軌跡及び出射軌跡を入力する。そして、入射軌跡を延長してミュオンの偏向が無い場合に想定される予想軌跡（図中点線）を計算する。

そして、次式（２）に示すように、予想軌跡と出射軌跡との角度差θ_ｉ（散乱角）と投影面２２から第２軌跡検出器１４までの距離ｂとを用いて、ミュオンμ_ｉの軌跡変位Ｌ_ｉが導出される。

Ｌ_ｉ＝ｂ×θ_ｉ・・・式（２）
Ｌ_ｉ：ミュオンμ_ｉの軌跡変位［ｍ］
ｂ：投影面と第２検出器との距離［ｍ］
θ_ｉ：ミュオンμ_ｉにおける予想軌跡と出射軌跡との角度差（散乱角）

なお、ミュオンの偏向は透過する全ての物質中で起こるが、クーロン多重散乱の散乱角は物質の原子量が大きいほど影響が大きくなるため、軌跡変位の値は重元素物質ほど大きくなる。

一方、平均エネルギー計算部１８は、ミュオンμ_ｉの各検出器における通過時間を同時計数部１６から入力する。そして、これら通過時間の時間差に基づいてミュオンμ_ｉの平均エネルギーを計算する。

本実施形態では、飛行する粒子の平均エネルギーを測定する方法として、粒子の飛行距離と飛行時間を測定する事でエネルギーを導出する飛行時間測定法（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ法）を用いる。

ミュオンμ_ｉの第１軌跡検出器１２、第２軌跡検出器１４における通過時間をそれぞれｔ_１、ｔ_２とし、検出器の間の距離をＤとした場合、次式（３）〜（５）からミュオンμ_ｉの平均エネルギーＥ_ｉが導出される。

ΔＴ＝ｔ_２−ｔ_１・・・式（３）
ｖ＝Ｄ／ΔＴ・・・式（４）
Ｅ_ｉ＝１／２ｍｖ^２＝１／２ｍ（Ｄ／ΔＴ）^２・・・式（５）
ｔ_１：ミュオンμ_ｉの第１軌跡検出器における通過時間［ｓ］
ｔ_２：ミュオンμ_ｉの第２軌跡検出器における通過時間［ｓ］
ΔＴ：時間差［ｓ］
Ｄ：検出器間の距離［ｍ］
Ｅ_ｉ：ミュオンμ_ｉの平均エネルギー［Ｊ］
ｍ：ミュオンの質量［ｋｇ］
ｖ：ミュオンμ_ｉの飛行速度［ｍ／ｓ］

データ集積部１９は、変位計算部１７からミュオンμ_ｉの軌跡変位Ｌ_ｉと平均エネルギー計算部１８からミュオンμ_ｉの平均エネルギーＥ_ｉを入力する。

データ集積部１９は、ミュオンμ_ｉの散乱点に対応する投影面２２上の散乱座標（ｘｉ，ｙｉ）を求めて、散乱座標（ｘｉ，ｙｉ）に軌跡変位Ｌ_ｉと平均エネルギーＥ_ｉとの積を代入する。

同様に、データ集積部１９は、ミュオンμ_ｉ以外の各ミュオンに対して計算された軌跡変位Ｌと平均エネルギーＥとの積を入力する。そして、この積を投影面２２上の散乱座標に代入して、軌跡変位Ｌと平均エネルギーＥとの積を投影面２２に集積させる。

図３は、ミュオンの軌跡変位と平均エネルギーとの積が投影面２２に集積された状態を示す図である。ミュオンμ_ｉに対応する軌跡変位Ｌ_ｉと平均エネルギーＥ_ｉとの積は散乱座標（ｘｉ，ｙｉ）に代入されている。また、ミュオンμ_ｋ（図１）のように、軌跡変位が無い場合は、軌跡変位Ｌと平均エネルギーＥとの積が０となるため、散乱座標には０が代入される。

ミュオンの軌跡変位と平均エネルギーの積は、次式（６）に示すように、通過する内部構造物２１の厚さ及び物質固有の放射長の関数として表される。

放射長とは、粒子が物質中を通過する際に、エネルギーが１／ｅに減少するまでに通過する平均距離であり、物質ごとに固有の値である。そして、放射長は、次式（７）に示すように、原子番号Ｚの関数となる。

式（７）から、放射長はＺに逆比例する。代表的な物質の放射長は、水、コンクリート、鉄、ウランでそれぞれ約３．９３×１０^−１、１１．６×１０^−１、１．７６×１０^−２、３．１７×１０^−３ｍとなる。

したがって、軌跡変位Ｌと平均エネルギーＥとの積は、重元素が存在する位置ではより大きな数値となり、物質が存在しない又は軽元素が存在する位置ではより小さくなる性質を有する。

画像化部２０は、この性質を利用して、投影面２２に集積された軌跡変位Ｌと平均エネルギーＥとの積から物質の存在位置を判別して内部構造物２１の画像化を行う。

内部構造物２１の厚さａが既知の場合、前述の式（６）及び式（７）を用いて、軌跡変位Ｌと平均エネルギーＥとの積から物質の原子番号を判別することができる。画像化部２０は、軌跡変位Ｌと平均エネルギーＥとの積から物質の原子番号を判別し、この判別情報を反映させて内部構造物２１の画像化を行うことができる。

このように、軌跡変位及び平均エネルギーの２成分から物質の存在位置を判別することにより、軌跡変位のみでイメージングする場合と比較して位置分解能が向上するため、構造物１１の内部を高い解像度でイメージングすることができる。

なお、図１では、内部構造物２１の中心位置に投影面２２を設定しているが、投影面２２を連続的に変える事により、三次元的な断層画像を取得することも可能である。

図４は、内部構造イメージング装置１０の動作を示すフローチャートである（適宜、図１参照）。

第１入力部１３は、第１軌跡検出器１２からミュオンの入射軌跡及び第１軌跡検出器１２における通過時間を入力する（Ｓ１０）。
第２入力部１５は、第２軌跡検出器１４からミュオンの出射軌跡及び第２軌跡検出器１４における通過時間を入力する（Ｓ１１）。

同時計数部１６は、一定時間内に検出された入射軌跡と出射軌跡とを同一のミュオンに関する軌跡として選別する（Ｓ１２）。

変位計算部１７は、入射軌跡から予想軌跡を計算して、この予想軌跡と出射軌跡からミュオンの軌跡変位を計算する（Ｓ１３、Ｓ１４）。

平均エネルギー計算部１８は、各検出器における通過時間の時間差に基づいてミュオンの平均エネルギーを計算する（Ｓ１５）。

データ集積部１９は、入射軌跡から投影面上の散乱座標を求める（Ｓ１６）。そして、この散乱座標に軌跡変位と平均エネルギーとの積を代入する（Ｓ１７）。

データ集積部１９は、ミュオンが計数された分（ミュオンが入射された分）、散乱座標に軌跡変位と平均エネルギーとの積の代入を繰り返して、投影面２２に集積する（Ｓ１８：ＮＯ、Ｓ１３〜Ｓ１７）。

データの集積が完了したら、画像化部２０は、投影面２２に集積された軌跡変位と平均エネルギーを用いて物質の存在位置を判別して画像化を行う（Ｓ１８：ＹＥＳ、Ｓ１９）。

図５（Ａ）は、本実施形態により原子炉内部をイメージングした場合のシミュレーション結果を示している。図５（Ｂ）は、比較例として、従来技術の変位法により原子炉内部をイメージングした場合のシミュレーション結果を示している。

ここでは、モンテカルロコードＧＥＡＮＴ４を用いてシミュレーションを行い、原子炉圧力容器底部に直径６０ｃｍの溶融燃料が存在するモデルを作成している。なお、実施例、比較例ともに計算条件は同じにしている。

図５（Ａ）に示されるように、軌跡変位及び平均エネルギーの２成分を用いてイメージングすることにより、従来の変位法によるイメージングと比較して高い解像度が得られていることがわかる。

以上述べた内部構造イメージング装置によれば、構造物に入射するミュオンの軌跡変位と平均エネルギーとの積を用いて物質の存在位置を判別することにより、構造物の内部を高い分解能でイメージングすることが可能となる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。なお、本実施形態は、ミュオンに代えて数百ＭｅＶからＧｅＶ以上の高いエネルギーを持つ宇宙線を用いることも可能である。

１０ 内部構造イメージング装置
１１ 構造物
１２ 第１軌跡検出器
１３ 第１入力部
１４ 第２軌跡検出器
１５ 第２入力部
１６ 同時計数部
１７ 変位計算部
１８ 平均エネルギー計算部
１９ データ集積部
２０ 画像化部
２１ 内部構造物
２２ 投影面

Claims (4)

1. 構造物に外設された第１軌跡検出器から前記構造物に入射するミュオンの入射軌跡及び前記第１軌跡検出器における通過時間を入力する第１入力部と、
   前記構造物に外設されるとともに前記第１軌跡検出器に対向して設けられた第２軌跡検出器から前記構造物を通過した後の前記ミュオンの出射軌跡及び前記第２軌跡検出器における通過時間を入力する第２入力部と、
   前記入射軌跡から想定される予想軌跡を計算して、この予想軌跡と前記出射軌跡とから前記ミュオンの軌跡変位を計算する変位計算部と、
   前記ミュオンの前記第１軌跡検出器における通過時間と前記第２軌跡検出器における通過時間との時間差に基づいて前記ミュオンの平均エネルギーを計算する平均エネルギー計算部と、
   前記ミュオンのそれぞれに対して計算された前記軌跡変位と前記平均エネルギーとの積を前記構造物の内部に設定された投影面に集積するデータ集積部と、
   前記投影面に集積された前記軌跡変位と前記平均エネルギーとの積を用いて物質の存在位置を判別して前記構造物の内部構造を画像化する画像化部と、を備えることを特徴とする内部構造イメージング装置。
2. 前記画像化部は、前記軌跡変位と前記平均エネルギーとの積を用いて物質の存在位置を判別するとともに、この積と物質の放射長との関係に基づいて物質の原子番号を判別して前記構造物の前記内部構造を画像化することを特徴とする請求項１に記載の内部構造イメージング装置。
3. 一定時間内に記第１軌跡検出器及び前記第２軌跡検出器のそれぞれで検出された前記入射軌跡と前記出射軌跡とを同一の前記ミュオンによる軌跡として選別する同時計数部をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内部構造イメージング装置。
4. 構造物に外設された第１軌跡検出器から前記構造物に入射するミュオンの入射軌跡及び前記第１軌跡検出器における通過時間を入力するステップと、
   前記構造物に外設されるとともに前記第１軌跡検出器に対向して設けられた第２軌跡検出器から前記構造物を通過した後の前記ミュオンの出射軌跡及び前記第２軌跡検出器における通過時間を入力するステップと、
   前記入射軌跡から想定される予想軌跡を計算して、この予想軌跡と前記出射軌跡とから前記ミュオンの軌跡変位を計算するステップと、
   前記ミュオンの前記第１軌跡検出器における通過時間と前記第２軌跡検出器における通過時間との時間差に基づいて前記ミュオンの平均エネルギーを計算するステップと、
   前記ミュオンのそれぞれに対して計算された前記軌跡変位と前記平均エネルギーとの積を前記構造物の内部に設定された投影面に集積するステップと、
   前記投影面に集積された前記軌跡変位と前記平均エネルギーとの積を用いて物質の存在位置を判別して前記構造物の内部構造を画像化するステップと、を含むことを特徴とする内部構造イメージング方法。