JP6162610B2 - ミュオン軌跡検出器及びミュオン軌跡検出方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ミュオンの飛行軌跡を検出する技術に関する。

構造物内部をイメージングする技術として、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。この技術は、例えば火山やピラミッドなどの大型で内部への立ち入りが困難な構造物に対して好適に利用されてきた。

ミュオンを用いて構造物の内部を透視する方法として、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。

ミュオンによる透視技術では、透視の対象となる構造物にミュオン軌跡検出器が外設される。そして、この検出器によりミュオンの飛行軌跡を検出して、軌跡を解析することで構造物内部のイメージングが行われる。

ミュオン軌跡検出器は、ドリフトガスが封入されたドリフトチューブの配列が多層にして構成されている。ドリフトチューブは、その中心に陽極ワイヤが張られており、ミュオンのような荷電粒子がドリフトチューブ内を通過すると内部に封入されているガスが電離されて電子が発生する。この発生した電子が、陽極ワイヤに到達することでミュオンの通過が検出される。

電子が陽極ワイヤに到達するまでのドリフト時間からドリフト半径（陽極ワイヤからの距離）を換算することが可能である。１個のミュオンが通過した軌跡は一直線になるため、ミュオン軌跡検出器は、各々のドリフトチューブで求められたドリフト半径の共通接線を求めることでミュオンの飛行軌跡を検出する。

ところで、ミュオンの飛行軌跡を求めるためには、ミュオンがドリフトチューブを通過した時間が必要となる。従来では、ドリフトチューブ以外に通過時間を計測するための検出器が別途設けられて通過時間が計測されていた。
一方、ドリフトチューブ以外の検出器を必要とせず、ミュオン通過時間を“Ｔｉｍｅ−ｚｅｒｏ”という変数として扱い、ミュオン軌跡が一直線となる条件から軌跡を導出する技術も知られている。

特表２０１２−５０１４５０号公報 米国特許第７９０８１２１号明細書

前述の、ミュオン通過時間を“Ｔｉｍｅ−ｚｅｒｏ”という変数として扱い、ミュオン軌跡が一直線となる条件から軌跡を導出する技術は、ミュオンの通過時間を計測するための検出器を別途必要としないものの、ミュオン通過時間を求めるために複雑な計算が必要となる。このため、例えばミュオンの飛行軌跡をリアルタイムに検出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、簡易な構成で迅速にミュオンの飛行軌跡を検出することが可能なミュオン軌跡検出技術を提供することを目的とする。

本実施形態のミュオン軌跡検出器は、ミュオンの通過を検出するドリフトチューブを多層に配列させたドリフトチューブ検出器と、前記ミュオンの通過が検出された前記ドリフトチューブそれぞれの検出時間に基づいて前記ドリフトチューブ間の検出時間の時間差を計算する検出時間差計算部と、設定された前記ミュオンの軌跡のそれぞれに対応付けられた、前記ドリフトチューブ間の検出時間の時間差を時間差情報として予め保存する時間差情報保存部と、前記計算された前記時間差と前記時間差情報保存部で保存された前記時間差情報とを照合する時間差照合部と、合致する前記時間差情報に対応する前記ミュオンの前記軌跡を、前記ドリフトチューブ検出器で検出された前記ミュオンの飛行軌跡として出力するミュオン軌跡出力部と、を備えることを特徴とする。

本実施形態のミュオン軌跡検出方法は、ドリフトチューブを多層に配列させたドリフトチューブ検出器にミュオンを通過させて検出するステップと、前記ミュオンの通過が検出された前記ドリフトチューブそれぞれの検出時間に基づいて前記ドリフトチューブ間の検出時間の時間差を計算するステップと、設定された前記ミュオンの軌跡のそれぞれに対応付けられた、前記ドリフトチューブ間の検出時間の時間差を時間差情報として予め時間差情報保存部に保存するステップと、前記計算された前記時間差と前記時間差情報保存部で保存された前記時間差情報とを照合するステップと、合致する前記時間差情報に対応する前記ミュオンの前記軌跡を、前記ドリフトチューブ検出器で検出された前記ミュオンの飛行軌跡として出力するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で迅速にミュオンの飛行軌跡を検出することが可能なミュオン軌跡検出技術が提供される。

本実施形態に係るミュオン軌跡検出器の構成図。 本実施形態に適用されるドリフトチューブの断面図。 本実施形態に適用されるドリフトチューブの配置の一例を示す図。 各ドリフトチューブの検出時間から時間差を求める方法を説明する図。 設定されたミュオン軌跡に対応付けて保存される時間差情報を示す図。 対称の位置関係にあるドリフトチューブを示す図。 本実施形態に係るミュオン軌跡検出器の動作を示すフローチャート。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態に係るミュオン軌跡検出器１０は、ミュオンの通過を検出するドリフトチューブ１１を多層に配列させたドリフトチューブ検出器１２と、ミュオンの通過が検出されたドリフトチューブ１１それぞれの検出時間に基づいてドリフトチューブ１１間の検出時間の時間差を計算する検出時間差計算部１４と、設定されたミュオンの軌跡に対応付けられた、ドリフトチューブ１１間の検出時間の時間差を時間差情報として予め保存する時間差情報保存部１６と、計算された時間差と時間差情報保存部１６で保存された時間差情報とを照合する時間差照合部１５と、合致する時間差情報に対応するミュオンの軌跡を、ドリフトチューブ検出器１２で検出されたミュオンの飛行軌跡として出力するミュオン軌跡出力部１７と、を備える。

図２は、ドリフトチューブ１１の断面図を示している。
ドリフトチューブ１１は、アルミニウム製の円筒管であり、円筒管の中心に高電圧を印加した陽極ワイヤ１８が張られている。そして、ドリフトチューブ１１内には、希ガスを主成分とするドリフトガス１９が封入されている。

ミュオンが、ドリフトチューブ１１内を通過すると、ドリフトガス１９が電離されてイオンと電子に分離する。この電子が陽極ワイヤ１８に到達すると、ドリフトチューブ１１から電気信号が出力されて、ドリフトチューブ１１におけるミュオン通過が検出される。

ドリフトチューブ検出器１２は、ドリフトチューブ１１を多層に配列させたものである。なお、ミュオンの飛行軌跡を精度良く検出するためには、少なくとも３層以上でドリフトチューブ１１が配置されることが望ましい。

各ドリフトチューブ１１がミュオンの通過を検出する検出時刻（検出時間）は、実際にドリフトチューブ１１内をミュオンが通過しドリフトガス１９が電離されてイオンと電子に分離し、この電子が陽極ワイヤ１８に到達した時点であるため、ドリフトチューブ１１内をミュオンが実際に通過した時間（ミュオン通過時間）とミュオンの検出時刻（検出時間）には、ミュオンがドリフトチューブ１１内を通過した位置と陽極ワイヤ１８との距離に応じた時間差が生じるため、３層以上のドリフトチューブ１１でミュオンが検出されると、ミュオンの検出時刻（検出時間）に基づいて軌跡を定めることが可能となる。

図３は、ドリフトチューブ１１の配置の一例を示す図である。配列の方向を直交させたドリフトチューブ１１を２層ずつ交互に積み重ねて、あわせて１２層のドリフトチューブ１１で配置されている。このようにドリフトチューブ１１を組み合わせて積層することにより、ミュオンの軌跡が３次元的に検出可能となる。

ドリフトチューブ検出器１２は、ドリフトチューブ１１で検出された検出信号をドリフトチューブ１１の位置情報とともに軌跡解析装置１３に送信する。

軌跡解析装置１３は、検出時間差計算部１４、時間差情報保存部１６、時間差照合部１５、ミュオン軌跡出力部１７を備えている。

検出時間差計算部１４は、検出信号が出力された各ドリフトチューブ１１の検出時刻（検出時間）に基づいてドリフトチューブ１１間の検出時刻（検出時間）の時間差を計算する。ドリフトチューブ１１間の時間差は、任意に選択した１つのドリフトチューブ１１の検出時間を基準として各ドリフトチューブ１１の検出時間との差分を計算して求める。

図４は、各ドリフトチューブ１１の検出時間からドリフトチューブ１１間の検出時刻（検出時間）の時間差を求める方法を説明する図である。ここでは、ドリフトチューブ１１ａ〜１１ｄからミュオンの検出信号が出力され、各ドリフトチューブ１１の検出時間がそれぞれｔ_１〜ｔ_４であったとする。

図４では、時間差の取り方として２つ（パターン（１）、（２））を例示している。パターン（１）は、ドリフトチューブ１１ａの検出時間であるｔ_１を基準として各ドリフトチューブ１１との時間差を求めており、パターン（２）は、ドリフトチューブ１１ｂの検出時間であるｔ_２を基準として各ドリフトチューブ１１との時間差を求めている。また、この２つの例に限らず、ｔ_３、ｔ_４を基準して時間差を求めて良い。

時間差情報保存部１６は、ドリフトチューブ検出器１２において想定されるミュオンの軌跡パターンそれぞれに対応付けられた、ドリフトチューブ１１間の検出時間の時間差を時間差情報として予め保存するものである。

ここでの時間差は、軌跡解析装置１３上あるいは別の計算機上において、ミュオンの軌跡をシミュレーションして導出された各ドリフトチューブ１１の検出時間に基づいて計算されたものである。なお、この時間差は、検出時間差計算部１４で計算される時間差の取り方と同一の方法で計算される必要がある。

図５は、時間差情報保存部１６において、設定されたミュオン軌跡それぞれに対応付けて保存される時間差情報を示す図である。

２つの軌跡に対応付けられた時間差情報が例示されており、軌跡Ｌに対応付けてドリフトチューブ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ間の時間差情報ｔ_１’〜ｔ_４’が保存されており、軌跡Ｍに対応付けてドリフトチューブ１１ａ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ間の時間差情報ｔ_１”〜ｔ_４”が保存されている。

時間差照合部１５は、検出時間差計算部１４で計算された時間差と時間差情報保存部１６で保存された時間差情報とを照合するものである。そして、時間差が合致した場合に、時間差情報保存部１６に保存された時間差情報に対応するミュオンの軌跡をミュオン軌跡出力部１７に出力する。

図４で示したドリフトチューブ１１ａ〜１１ｄ間の時間差（０，ｔ_２―ｔ_１，ｔ_３―ｔ_１，ｔ_４−ｔ_１）が、図５で示したドリフトチューブ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ間の時間差情報ｔ_１’〜ｔ_４’と合致する場合は、図４で示されたミュオンの飛行軌跡は図５で示された軌跡Ｌであることが導出できる。

ミュオン軌跡出力部１７は、合致した時間差情報に対応するミュオンの軌跡をドリフトチューブ検出器１２で検出されたミュオンの飛行軌跡として表示装置、イメージング装置（図示省略）等に出力する。

このように、各ドリフトチューブ１１における検出時間の時間差を計算し、この時間差とミュオン軌跡に対応付けて予め保存された時間差情報とを照合するだけでミュオンの飛行軌跡を導出することができる。このため、複雑な計算をすること無く迅速にミュオンの飛行軌跡を検出でき、例えばリアルタイムのミュオンの飛行軌跡の検出も可能となり得る。

また、時間差情報保存部１６で設定するミュオンの軌跡の検出分解能は、ドリフトチューブ検出器１２の空間分解能及び角度分解能の少なくともいずれか以下に設定する。すなわち、時間差情報保存部１６で設定するミュオンの軌跡の検出分解能は、ドリフトチューブ検出器１２の空間分解能及び角度分解能の少なくともいずれかに等しく、あるいは、空間分解能及び角度分解能の少なくともいずれかよりも細かく設定する。

なお、ドリフトチューブ検出器１２で検出されるミュオン軌跡の空間分解能、角度分解能の典型的な値は、それぞれ０．０５ｍｍ程度および２ｍｒａｄ程度である。時間差情報保存部１６には、この空間分解能、角度分解能に基づいて定まる各ミュオン軌跡に対応するミュオン検出時間の時間差情報をそれぞれ保存している。

特に、空間分解能及び角度分解能の少なくともいずれかよりも細かく設定することにより、想定される全てのミュオン軌跡と照合させることができるため、高い精度でのミュオンの飛行軌跡の検出が可能となる。

なお、空間分解能、角度分解能よりも細かくミュオンの軌跡を設定する場合は、検出時間差計算部１４で計算される検出時間の時間差を補間して時間差情報保存部１６で保存された時間差情報と照合する必要がある。

また、時間差照合部１５は、検出時間差計算部１４で計算された時間差とミュオンの通過が検出されたドリフトチューブ１１と対称位置に存在するドリフトチューブ１１に関する時間差情報とを照合する構成としても良い。

図６を用いて具体的な例を挙げて説明する（適宜、図１参照）。ここでは、ミュオンの通過がドリフトチューブ１１ｈ〜１１ｋで検出された場合について検討する。

図６に示すように、ドリフトチューブ１１ｈ〜１１ｋは、ドリフトチューブ１１ａ〜１１ｄと対称の位置関係にある。

時間差照合部１５は、検出時間差計算部１４で計算した各ドリフトチューブ１１ｈ〜１１ｋの時間差と時間差情報保存部１６で保存されているドリフトチューブ１１ａ〜１１ｄに関する時間差情報とを照合する。

そして、ミュオン軌跡出力部１７は、合致するドリフトチューブ１１ａ〜１１ｄの時間差情報に対応するミュオンの軌跡Ｌを用いてドリフトチューブ１１ｈ〜１１ｋを通過したミュオンの飛行軌跡Ｌ’を出力する。

このように、ドリフトチューブ１１の対称性を利用してミュオンの飛行軌跡を導出することにより、時間差情報保存部１６で保存する軌跡のパターンを低減させることが可能となる。

図７は、ミュオン軌跡検出器１０の動作を示すフローチャートである（適宜、図１参照）。

検出時間差計算部１４は、ドリフトチューブ検出器１２からドリフトチューブ検出信号を入力する（Ｓ１０）。そして、検出時間差計算部１４は、各ドリフトチューブ１１の検出時刻（検出時間）に基づいてドリフトチューブ１１間の検出時間の時間差を計算する（Ｓ１１）。

時間差照合部１５は、検出時間差計算部１４で計算した時間差と時間差情報保存部１６で保存されている時間差情報とを照合する（Ｓ１２）。

ミュオン軌跡出力部１７は、合致する時間差情報に対応するミュオンの軌跡をドリフトチューブ検出器１２で検出されたミュオンの飛行軌跡として表示装置、イメージング装置等に出力する（Ｓ１３）。

以上述べたミュオン軌跡検出器によれば、各ドリフトチューブにおける検出時間の時間差を計算し、この時間差とミュオンの軌跡に対応付けて予め保存された検出時間の時間差情報とを照合してミュオンの飛行軌跡を導出することにより、ミュオンの通過時間を求めること無く、簡易な構成で迅速にミュオンの飛行軌跡を導出することができる。これにより、例えばミュオンの飛行軌跡のリアルタイムでの導出も可能となり得る。

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。

１０ ミュオン軌跡検出装置
１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉ、１１ｊ、１１ｋ） ドリフトチューブ
１２ ドリフトチューブ検出器
１３ 軌跡解析装置
１４ 検出時間差計算部
１５ 時間差照合部
１６ 時間差情報保存部
１７ ミュオン軌跡出力部
１８ 陽極ワイヤ
１９ ドリフトガス
２０ ドリフト半径

Claims (4)

1. ミュオンの通過を検出するドリフトチューブを多層に配列させたドリフトチューブ検出器と、
   前記ミュオンの通過が検出された前記ドリフトチューブそれぞれの検出時間に基づいて前記ドリフトチューブ間の前記検出時間の時間差を計算する検出時間差計算部と、
   設定された前記ミュオンの軌跡のそれぞれに対応付けられた、前記ドリフトチューブ間の検出時間の時間差を時間差情報として予め保存する時間差情報保存部と、
   前記計算された前記時間差と前記時間差情報保存部で保存された前記時間差情報とを照合する時間差照合部と、
   合致する前記時間差情報に対応する前記ミュオンの前記軌跡を、前記ドリフトチューブ検出器で検出された前記ミュオンの飛行軌跡として出力するミュオン軌跡出力部と、を備えることを特徴とするミュオン軌跡検出器。
2. 前記時間差情報保存部で設定される前記ミュオンの前記軌跡の検出分解能は、前記ドリフトチューブ検出器の空間分解能及び角度分解能の少なくともいずれか以下に設定されることを特徴とする請求項１に記載のミュオン軌跡検出器。
3. 前記時間差照合部は、前記計算された前記時間差と前記ミュオンの通過が検出された前記ドリフトチューブと対称位置に存在する前記ドリフトチューブに関する前記時間差情報とを照合し、
   前記ミュオン軌跡出力部は、合致する前記時間差情報に対応する前記ミュオンの飛行軌跡を用いて前記ドリフトチューブ検出器で検出された前記ミュオンの飛行軌跡を出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のミュオン軌跡検出器。
4. ドリフトチューブを多層に配列させたドリフトチューブ検出器にミュオンを通過させて検出するステップと、
   前記ミュオンの通過が検出された前記ドリフトチューブそれぞれの検出時間に基づいて前記ドリフトチューブ間の前記検出時間の時間差を計算するステップと、
   設定された前記ミュオンの軌跡のそれぞれに対応付けられた、前記ドリフトチューブ間の検出時間の時間差を時間差情報として予め時間差情報保存部に保存するステップと、
   前記計算された前記時間差と前記時間差情報保存部で保存された前記時間差情報とを照合するステップと、
   合致する前記時間差情報に対応する前記ミュオンの前記軌跡を、前記ドリフトチューブ検出器で検出された前記ミュオンの飛行軌跡として出力するステップと、を含むことを特徴とするミュオン軌跡検出方法。

Images