KR20070118226A

KR20070118226A - 우주광선을 이용한 기하학적 ｘ선 단층 촬영법

Info

Publication number: KR20070118226A
Application number: KR1020077018787A
Authority: KR
Inventors: 더글라스 브라이먼
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-12-14
Also published as: US7488934B2; EP2002289A4; AU2006336333A1; US20060180753A1; WO2007084149A3; CA2603829C; JP2008530581A; CA2603829A1; WO2007084149A2; EP2002289A2

Abstract

다양한 궤적을 따라 지하 검사 영역을 통과한 우주선 뮤온(CRM) 플럭스를 검출하고, 뮤온 검출 데이터를 수직하고, 뮤온 검출 데이터를 처리하여 검사 영역의 3차원적인 밀도 분포 이미지를 생성하기 위한 시스템이 개시된다. 시스템은 고(혹은 저)밀도 매장물 또는 다른 지질학적 구조물을 식별하거나 혹은 지구(또는 해저) 표면 아래의 형성을 식별하는데 사용될 수 있다. 본 시스템은 수킬로미터 혹은 그 이상의 깊이를 갖는 탐사 영역 내에서의 고밀도 및/또는 저밀도 구조물 및 지질학적 물질의 이미징에 사용될 수 있다.

Description

우주광선을 이용한 기하학적 Ｘ선 단층 촬영법{GEOLOGICAL TOMOGRAPHY USING COSMIC RAYS}

본 발명은 고에너지 우주광선 뮤온(CRM:cosmic ray muon)의 검출 및 분석을 통한 기하학적 구조의 식별(identification), 측정 및 이미징(imaging)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지구 표면 아래 구조의 효과적인 이미징을 위한 검출기의 배치에 관한 것이다.

대기 중에서 생성된 에너지 CRM은 지구표면에 충돌하여 표면 아래 깊숙히 침투한다. 표면에서의 이러한 입자들의 플럭스(flux) 및 각분포(angular distribution)는 잘 알려져 있으며 지구 표면 아래 다양한 깊이에서의 그들의 플럭스 및 각분포는 표준적인 기하학적 상황을 위해 연구되어 왔다. 표면에서 주어진 에너지를 갖는 단일 입자의 지구로의 침투 깊이는 궤적을 따라 그 입자가 마주치는 물질의 양과 조성에 의존하게 된다.

본 발명에서는, CRM의 플럭스와 각분포의 측정이 광물이나 다른 구조체의 탐사에 도움이 될 수 있도록 지표 아래의 불균일한 밀도 영역의 소재를 밝혀내는 데 사용될 수 있는 일반적인 시스템이 기술된다.

지표면 근처에서 잘 정의된 방향을 따른 CRM의 측정은 피라미드에서 발견되 지 않은 공동(cavity)을 탐사하는데(L.W. Alvarez et al. Science 167(1970) 832("알바레즈")와 화산에서 저밀도 영역을 탐사하는데(K. Nagamine et al. NIM A356(1995) 358("나가미네") and Tanaka et al., NIM A 507(2003)657("타나카") 사용되어 왔다. 왜냐하면 무거운 물체와 검출기 사이의 특정 방향을 따른 CRM의 강도(intensity)는 CRM이 검출기에 도달하기 전에 관통하는 물질(X)의 전체 양 및 조성에 직접적으로 관련되어 있기 때문이다. 하나 또는 다양한 각도로 동일 물체를 관통하는 CRM을 관측하여 화산과 같은 그 물체의 이미지를 형성할 수 있다.

알바레즈, 나가미네 및 타나카에 의해서 기술된 상기 테크닉은, 예컨대 K. Klingenbeck-Regn et al."Subsecond multi-slice computed tomography: basics and applications", Eur. J. Radiol. 31 (1999), 110-124 ("클리겐벡-렌")에서 기술된 컴퓨터 단층촬영(CT)과 같은 의학적 산업적 이미징과 어느 면에서 유사하다. 다른 종류 입자들의, 다양한 시선을 따른 흡수(예컨대 CT에서는 X 레이)를 이용하는 이러한 기술은, 환자 또는 연구 대상체의 내부 구조의 얇은 조각(slice)별로 이미지를 구성하는데 사용될 수 있다.

알바레즈, 나가미네 및 타나카에 의한 측정기술은, 가공되지 않은 대상체의 이미지를 얻기 위해서, 지표면에 가까이 배치된 CRM 검출기 시스템의 위치와 각 측정을 채택하였다. 상기 검출기는 피라미드와 화산의 대상물체의 저밀도 영역을 검출하기 위해 그 대상물체 상부에 배치된다. n(θ)와 측정 방향에 따른 물질의 양 X(θ)는 고유한 관계가 있기 때문에, 다양한 각도(θ)에서의 강도 n(θ)로 표현되는, 상기 대상체를 관통한 CRM의 분포는 분석되어 가공되지 않은 밀도 이미지를 생 성한다.

따라서, X(θ)를 결정하기 위해서 주어진 각도 θ에서의 강도 n(θ)를 측정함으로써, 저밀도 영역이 나타내질 수 있다. 나가미네와 타나카에 의해 기술된 경우에서, 화산을 통과한 거의 수평방향의 CRM은 미지의 방향으로 저 밀도 영역의 위치를 찾아내기 위해 대기를 통과한 CRM과 비교된다. 알바레즈에 의해 기술된 경우에서, 거의 수직방향 CRM은 검출기 위의 피라미드의 구조를 탐색하는데 사용되었다.

CRM을 이용하여, 지구 내부 물질의 3차원적 밀도분포를 생성하고 이미징하는 시스템 및 방법이 개시된다. 이러한 시스템과 방법은 고밀도 (혹은 저밀도) 광물 매장물 또는 다른 지질학적 구조물의 집단을 식별하거나 지구표면 (또는 해저 표면) 아래의 형상을 생성하는데 사용될 수 있다. 이러한 시스템과 방법은 수킬로미터의 깊이를 갖는 지질학적 물질을 이미징하기 위해서 이용될 수 있다. 이러한 시스템과 방법은 그 주위를 둘러싸는 부피를 갖는 물질에 비해서 고밀도 및/또는 저밀도을 보이는 매장물 또는 구조물을 식별하는데 이용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은, 예컨대 광산, 광천, 천공구멍 또는 동굴과 같은 지하 탐사 지역과 연관된 뮤온 플럭스 데이터를 검출하기 위해서 지하 탐사 위치들에 배치된 다수의 뮤온 검출기; 상기 뮤온 검출기들이 배치하기 위한 탐사 위치들의 위치를 결정하기 위한 배치 장치; 상기 검출된 뮤온 데이터를 수신하고 송신하기 위해서 상기 뮤온 검출기와 연결된 통신장치(예컨대, 도전성 또는 광섬유 통신케이블 또는 RF 트랜스미터); 및 상기 검출된 뮤온 데이터를 수신하고 상기 검출된 뮤온 데이터를 처리하여 상기 지하 탐사 지역에 대응하는 밀도 지도를 생성하기 위한 프로세서를 포함한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 방법은, 다수의 뮤온 검출기들을 테스트 지역과 인접한 다수의 지하 영역들에 배치하는 (때때로 재배치하는) 단계, 가로지르는 다수의 궤적을 위해서 상기 다수의 검출기로부터 뮤온 검출 데이터를 수집하는 단계, 그리고 상기 뮤온 검출데이터를 처리하여 상기 테스트 지역의 밀도 지도를 제작하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법에 있어서, 예컨대 검출기들과 사람에 의한 접근이 용이하지 않은 지역, 예컨대 평균적인 드릴용 날에 대응하는 약 5-20cm 정도의 지름을 갖고 또한 수킬로미터 또는 그 이상의 깊이를 갖는 우물 및 천공 구멍과 같은 지역에 배치하기 위한 배치 수단을 포함하는 추가적인 단계 및/또는 특징을 포함할 수 있다. 역으로, 검출기의 훨씬 광범위한 영역 및 배치 장치가 광산이나 동굴과 같이 사람이 접근할 수 있는 영역에도 사용될 수 있다.

수집된 데이터의 범위를 향상시키기 위해서, 상기 검출기들은 연관된 다양한 위치에서 수집된 데이터들을 수집하기 위해 일 회 또는 수 회 재배치되어, CRM 플럭스의 측정이 행해지는 각 위치의 검출기를 갖는 시스템으로부터 얻어진 결과의 근사치를 구할 수 있다. 인식되는 바와 같이, 모든 검출기들이 재배치를 요하는 것은 아니며, 탐사지역 내에서 선택적으로 보다 관심이 가는 지역에서의 분해능을 향상시키기 위해서 실제로 이미 수집된 CRM 플럭스 데이터의 분석을 통해서 검출기의 재배치를 가이드하는 것이 적절할 수도 있다.

첨부된 도면에서 도시된 바와 같이, 상기 뮤온 검출기는 의도된 탐사 지역의 크기 및 접근성, 검출기 어셈블리의 치수 및 연관된 하드웨어와 보조 장치에 따라 다양한 형상으로 배열될 수 있다. 통상의 배치 형상은 실질적으로 수직으로 배열된 검출기 그룹 및/또는 실질적으로 수평으로 배열된 검출기 그룹을 포함하는 것으로 예상된다. 그러나, 인식되는 바와 같이, 검출기들 또는 연관된 검출기 그룹에 제공된 이너셔(inertial)한 측정 유닛 또는 다른 배치장치는 광범위의 형상 및/또는 방향으로 배치된 검출기들로부터 얻어진 CRM 플럭스 데이터를 조절하고 조정하는데 사용될 수 있다.

이너셔 측정 유닛 또는 다른 형태의 배치 유닛이 사용되는 곳에서, 상기 배치 유닛으로부터의 데이터는, 관측된 궤적과 관련하여 검출 정확도를 향상시키기 위해서 CRM 플럭스 데이터와 관련하여 분석될 수 있다. 배치 장치 및/또는 처리 시스템의 형상에 의존하여, 배치 데이터는 검출기들의 배치 동안 또는 CRM 데이터 플럭스와 관련하여 배치가 완료된 후, 예컨대 계속적으로 전송될 수 있다. 유사하게, 상기 CRM 검출기들의 형상 및 특징의 일 측면은 배치 위치 및 조건에 의해 결정돌 것이다. 상기 CRM 검출기들은 검출기들 내부에서 센서들의 방향을 다시 바꾸는 어셈블리들을 포함할 수 있으며, 상기 센서로부터 소프트 입자들을 배제하기 위한 차폐물을 포함할 수 있으며, 검출된 입자들의 에너지 및 모멘텀을 평가하기 위해서 사용되는 국부 자기장을 측정하거나 유도할 수 있는 장비들을 포함할 수 있다. 다수의 검출기들이 새로운 방향으로된 센서를 포함하면, 검출기 배열은 선택적으로 광범위의 탐사 지역 내의 작은 특정한 관심 지역에 집중될 수 있다. 상기 탐사 지역의 단층 촬영과 관련된 추가적인 데이터 및 지하의 지층은, 상기 검출기에 도달하기 전에 CRM 플럭스가 가로지르는 궤적의 구조와 특징의 영향을 수정하거나 보상하는 데까지 사용될 수 있다.

위에서 언급되고 기술되고 또한 아래에서 보다 상세하게 청구된 상기 방법을 실행하기 위해서, 이러한 방법들을 실행하기 위한 시스템의 일 실시예는, 지하 테스트 지역에서 지하 테스트 영역과 관련된 뮤온 플럭스 데이터 검출에 적합한 하나 또는 그 이상의 배열 형상을 갖는 다수의 뮤온 검출기들, 검출기들이 배치될 테스트 위치를 결정하기 위한 하나 또는 그 이상의 배치 장치, 뮤온 검출기와 연결되어 검출된 이온 플럭스 데이터를 수신, 저장 및/또는 송신하는 하나 또는 그 이상의 통신 장치, 상기 검출된 뮤온 데이터를 수신하고 상기 검출된 뮤온 데이터를 처리하여 상기 지하 탐사 지역에 대응하는 밀도 지도를 생성하기 위한 하나 또는 그 이상의 프로세서를 포함한다. 시스템의 다른 실시예는 각 뮤온 검출기 또는 뮤온 검출기들의 그룹과 연관된 하나 또는 그 이상의 이너셔 측정 유닛을 포함하는 배치장치, 측정된 뮤온 플럭스 데이터를 수신하여 저장하는 하나 또는 그 이상의 기억장치, 적어도 일부 방향으로부터 소프트 입자가 검출기에 입사하는 것을 방지하는 하나 또는 그 이상의 차폐장치 또는 셔터(shutter), 상기 뮤온 검출기가 배치된 지역의 국부적인 자기장을 분석하기 위한 자력계, 및/또는 뮤온 검출기로 들어간 뮤온의 모멘텀 값을 평가하기 위한 국부 자기장을 생성하는 장치를 포함할 수 있다.

본 발명의 특징은 발명 자체와 마찬가지로 아래의 도면들로부터 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 그들의 에너지와 그들의 경로에서 마주치는 물질이 양에 의해서 강도가 감소하도록 다양한 각도로 지표면을 관통하는 우주선 뮤온(Cosmic Ray Muon:CRM)을 도시하며, 고밀도 영역(POD)를 관통하는 경로(102')와 고밀도 영역 (POD)를 관통하지 않는 경로(102)를 따라 진행하며 수직으로 배열된 검출기 그룹(A, B, C)에 도달하는 CRM의 강도는 감소된다.

도 2는 실질적으로 수직으로 배열된 검출기 그룹 중 가운데 배치된 검출기(B)를 중심으로 하는 구좌표계(sperical coordinate system)에서 고밀도 영역(POD)의 위치를 도시하며, 상기 좌표계에서, 고밀도 영역(POD)의 P지점을 통과하여 검출기(B)에 도달하는 CRM의 강도는 θ_B와 Φ를 중심으로 하는 작은 각도 범위 내에서 측정되는 반면, 상기 P지점을 통과하여 검출기(A,B)에 도달하는 CRM의 강도는 각각 θ_A, Φ_C 및 근본적으로 서로 동일한 Φ를 중심으로 하는 작은 각도 범위 내에서 측정된다.

도 3은 측정기의 다중 수직 배열을 적용한 구좌표계에서, 고밀도 영역(POD)를 도시하며, 상기 고밀도 영역(POD)의 P지점을 거쳐 제1 그룹의 검출기(A,B,C)에 도달하는 CRM의 강도는 각각 θ_A,θ_B,θ_C와 Φ를 중심으로 하는 작은 각도 범위 내에서 측정되는 반면, 상기 고밀도 영역(POD)의 P지점을 거쳐 제2 그룹의 검출 기(A',B',C')에 도달하는 CRM의 강도는 각각 θ_A',θ_B',θ_C'와 Φ'를 중심으로 하는 작은 각도 범위 내에서 측정된다.

도 4a는 측정기의 다중 수평 배열에서 고밀도 영역(POD)를 도시한 것으로, 상기 고밀도 영역(POD)의 P지점을 거쳐 제1 그룹의 검출기(A,B,C)에 도달하는 CRM의 강도는 제1 작은 각도 범위 내에서 측정되는 반면, 상기 고밀도 영역(POD)의 P지점을 거쳐 제2 그룹의 검출기(A',B',C')에 도달하는 CRM의 강도는 제2 작은 각도 범위 내에서 측정된다.

도 4b는 고려되어야 하는 이상적이지 않은 실제의 조건을 도시한 것으로, 고밀도 영역(POD)에 상대적인 검출기의 배열의 변동, 분석 대상영역의 표면의 변동, 알려진 또는 미지의 지층의 변동 또는 검출기에 도달되는 CRM 의 플럭스에 영향을 줄 수 있는 지질학적 구성물을 포함하는 다중 검출기의 배열 이용하여 고밀도 영역(POD)의 검출 정확도를 향상시킬 수 있다.

상기의 도면들은 아래에서 보다 상세히 기술된 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공되었을 뿐, 본 발명을 도면으로 한정해서는 아니된다. 특히, 도면에서 도시된 구성 요소의 상대적인 거리, 위치, 크기 및 차원은 스케일에 따라 정확하게 도시된 것이 아니며, 본 발명이 보다 명확히 이해될 수 있도록 과장된 것일 수 있고, 생략된 것일 수 있고 변형된 것일 수 있다.

명확성 및 도면의 수를 줄이기 위해서, 대안의 도면의 범위가 생략되었음을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이 다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 범위에 사상 내에서, 다른 방법들을 창조하기 위해서 도시된 도면들로부터 다양한 방법적인 단계들을 선택적으로 그리고 독립적으로 결합할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예는 지구 내의 물질의 분포의 삼차원 영상을 이미징하고 형성하기 위하여 CRM을 이용하는 시스템과 방법을 포함한다. 본 기술은 지구(또는 해저 바닥) 표면 아래의 구조나 광물의 고밀도(또는 저밀도) 영역의 위치를 탐사하기 위해서 사용될 수 있다. 본 기술은 주변 물질과 비교하여 상대적으로 고밀도 또는 저밀도를 갖는 구조체 또는 매장물을 탐지하고 그 위치를 알아내기 위해서 수 킬로미터의 깊이에 이르기까지 적용될 수 있다.

도 1 및 도 2는 일반적인 개념을 도시하는 것으로, 상기 개념에 의하면 경로(102, 102')에 따른 CRM 플럭스를 검출하기 위해서, 지면에 하나 또는 그 이상의 수직 구멍(100)을 뚫고 상기 구멍(100)에 적어도 하나, 바람직하게는 다수의 CRM 검출기가 연속적으로 삽입된다. 상기 검출기들의 위치 및/또는 방향이 결정되면 또는 설정되면, 각 검출기에 도달하기 전에 통과한 물체의 이미지를 만들기 위해서 각각의 검출된 뮤온의 이동 방향(각 구좌표계에서의 각 θ 및 Φ) 및 선택적으로 개략적인 에너지가 수집되어 분석된다.

예시적인 실시예에서, 뮤온의 제동 복사(bremsstrahlung)에 기인하여, 전자와 같은 '소프트' 또는 저에너지 입자에 대한 검출 감도를 감소시키기 위해서, 상 기 CRM 검출기는 상대적으로 밀도가 높은 물질로 둘러싸이거나, 밀폐되거나 차폐될 수 있다. 상기 검출기를 추적하여 얻은 데이터는 상기 검출기 안에서, 검출된 입자의 경로를 결정하는데 필요한 경로 엔트리의 3차원적 위치 및 θ 및 Φ의 두 개의 입사각도로 구성된다. 입자의 종류 확인을 위해서, 검출기 물질에서의 에너지 로스 비율 또한 측정될 수 있다. 또한, CRM 모멘텀의 계측을 위해서, 검출기 부근에서 유도된 자기장의 존재도 사용될 수 있다.

적절한 관측기간이 경과한 후에, n(z, θ, Φ) 및 상기 깊이(z) 및 각도(θ, Φ)에서 관측되는 세기(또는 이벤트의 수)로 특정되는 각 검출기 위치에의 데이터세트는 분석되어, 하나의 검출기 또는 다수의 검출기를 관통하여 지구를 통하는 경로를 따라서 상대적이고(또는 국부적으로 구분되고) 절대적인 CRM의 플럭스 분포를 나타낸다.

이미 알려진, 위상적이고 지리적인 피연구 대상 지역에 대한 특징에 대한 보정이 행해진 후에, 인근 지역과 비교하여 심하게 고밀 (또는 저밀)를 갖는 상기 지역(도 1 및 도 2에서 POD)은 각 검출기 위치에 대한 동일한 각도 Φ에서의 검출된 카운트의 결손(또는 과다)을 가져오며 또한 다양한 검출기에 대응하는 상이한 각도들 θ에 걸쳐 변화를 보여준다. 검출된 변화들은 상기 POD를 가로지르지 않는 궤적과 비교하여 깊이에 의존하는 검출기와 POD의 상대적인 위치에 의존하며, CRM 플럭스로부터 POD가 통하는 기준선 CRM 플럭스를 반영한다.

도 1은 본 발명에 따른 검출기 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다. 상기 도 1에서 지표면에 충돌하는 우주선 뮤온(CRM)은 그들의 에너지와 그들의 경로에서 마주치는 물질들의 양에 의존하는 다양한 깊이로 지구를 침투한다. 살아남은 CRM은 시추공(100)에 배치된 하나의 검출기 또는 실질적으로 수직하게 배열된 검출기(A, B, C) 그룹에 의해서 검출될 수 있다. 이동한 거리와 관측기에 도달할 때까지 상기 CRM이 관통하여 이동한 물질의 변동은 서로 다른 궤적(102, 102')에 대응하여 검출기 그룹(A, B, C)에 의해 관측된 대응되는 CRM의 변동을 유발한다.

도 2는 실질적으로 수직으로 배열된 검출기 그룹 중 가운데 배치된 검출기(B)를 중심으로 하는 구좌표계(sperical coordinate system)에서 고밀도 영역(POD)의 위치를 도시하며, 상기 좌표계에서, 고밀도 영역(POD)의 P지점을 통과하여 검출기(B)에 도달하는 CRM의 강도는 θ_B와 Φ를 중심으로 하는 작은 각도 범위 내에서 측정되는 반면, 상기 P지점을 통과하여 검출기(A,B)에 도달하는 CRM의 강도는 각각 θ_A, Φ_C를 중심으로 하는 작은 각도 범위 내에서 측정된다. 다양한 궤적을 따라 검출된 CRM 플럭스를 비교하여, CRM이 이동한 영역의 상대적인 밀도의 이미지 또는 플롯을 생성할 수 있다.

예컨대, 도 2에서 도시된 바와 같이, 다양한 검출기들에서 수집된 데이터들을 비교하고 CRM 플럭스의 상대적인 증가와 감소를 연관지어서, 각 폭(Δθ) 및 CRM 변화의 상대적인 정도를 이용하여 POD의 크기와 밀도 및 검출기 배열로 정의된 수직 축(Z)으로부터 거리(r)를 결정할 수 있다. 또한 이러한 데이터들은 도시된 바와 같이 POD의 X-Y 평면으로의 2차원 사영을 생성하기 위해서 사용될 수도 있다. 도 2에서 도시된 바와 같이, 비록 다수의 검출기가 사용되었지만, 하나 또는 적은 수의 검출기를 재배치시키고 연속적인 위치에서의 CRM 데이터의 관련을 이용하여, 대응하는 데이터가 수집될 수 있다.

유사하게, 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 궤적으로부터 CRM 데이터를 수집하기 위해서 다수의 시추공들에 다수의 검출기가 동시에 또는 순차적으로 배열될 수 있다. 도 3에서 제안된 것과 같이, 제2 그룹의 검출기들(A',B',C')은 상기 POD의 P지점을 각각 θ_A,θ_B,θ_C의 각도로 통과한 CRM들을 검출할 수 있으며, 상이한 Φ'를 반영할 수 있고, Z'축을 중심으로한 제2 X'-Y' 좌표공간에 상기 P지점을 위치시킬 수 있다. 이러한 제2 그룹의 검출기들(A',B',C')로부터 얻어진 데이터는 제1 그룹의 검출기들(A,B,C)로부터 얻어진 데이터들과 관련되고 연관지어져(또는 관련되거나 연관지어져), 상기 POD의 위치, 차원 및/또는 내용물을 결정하는 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 1에서 도시된 바와 같이(편의를 위해서 평평한 표면 지형도 및 상대적으로 균일한 부피의 지질학적 지층을 가정한다), 국부적인 고밀도 매장물, POD, 지면 아래로의 깊이(L)를 고려함으로써, 이러한 기술들의 예가 설명될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 검출기에 도달하기 전에 POD를 통과하도록 경로가 설정된 CRM들은, 평균적으로, 검출기에 도달하기 위해서 보다많은 물질들을 가로지르며, 그에 따라, 그러한 CRM은 상기 검출기에 도달하지 못할 것이라는 가능성을 증가시킨다. 따라서, 그러한 궤적의 CRM들은 감소되거나 혹은 검출기에 도달하기 전에 고밀도 영역(POD)을 통과하는 것을 회피하는 궤적에 비해 억제된다.

상대적으로 감소된 밀도를 갖는 POD 또는 동굴과 같은 빈공간을 포함하는 POD에서, POD를 가로지지 않는 관련된 CRM 궤적에 비해서 상기 POD를 가로지르는 궤적 CRM 플럭스가 증가하는 경향이 있다. 둘 또는 그 이상의 깊이에서, 입사각을 포함하는 CRM 분포를 측정함으로써, 또는 선택적으로 에너지를 측정함으로써, CRM플럭스의 변동은 변하기 쉬운 밀도 영역의 이미지를 생성하는데 연관지어질 수 있다.

예컨대 클리겐벡-렌에서 기술된, CT 단층촬영의 기술과 유사한 기술을 이용하여, 검출기 부근 지구 영역의 완전한 밀도 분포가 충분히 노출에 의해서 얻어질 수 있다. 다중의 검출기를 갖는 다중의 홀 및/또는 변경가능한 또는 재배치 가능한 검출기는 검출기 적용 범위 및/또는 데이터 수집을 증가시키며, 따라서 밀도 이미지를 얻거나 또는 밀도의 국부적인 변동을 정의하는 통계적인 정확도를 향상시키는데 사용될 수 있다.

위에서 기술된 방법을 이용하는 지질학적 단층 촬영에 유용한 시스템의 예시적인 실시예는 지구로 약 10cm의 지름 및 약 1km 정도의 깊이로 시추된 구멍을 포함한다. 예컨대, C. Hargrove et al., NIM 219(1984)461에 의해서 기술된 약 7-8cm 지름의 타임 프로젝션 챔버(TPC)가 설정된 다양한 깊이로 상기 구멍에 배치된다. 상기 TPC는 약 1cm 두께의 플라스틱 신틸레이션 계수기(scintillation counter)들에 의해 둘러싸인 약 1m 정도의 길이를 갖는다.

인식되는 것과 같이, 검출기들의 넓은 범위는 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위해서 배열된 장치에 성공적으로 채용될 수 있다. 그러나, 바람직한 검출기 위 치로의 접근에 의해 부과된 실제적인 한계는 특별한 어플리케이션에 바람직하다고 여겨지는 검출기의 수나 타입을 감소시킨다. 예컨대, 비록 큰 시트 검출기(sheet detector)가 표면 측정에 사용되어 왔지만, 그러한 검출기들은 평균적인 시추구멍에 사용되기에는 완전히 부적합하다. 그러나, 시추구멍에 배치되기 위한 검출기에 관해서는, 차폐, 예컨대 가속도계(accelerometer) 및/또는 자력계(magnetometer)와 같은 부가적인 장비 및/또는 배치 또는 조준 메커니즘이 수집된 데이터의 질을 향상시키기 위해 관련될 수 있다. 검출기 배열 안에서의 검출기의 방향 및/또는 형상이 제 위치의 검출기로 수정되는 정도로, 특별한 관심영역에 대한 데이터 수집을 향상시키기 위해서 상기 수정은 일치되어 상기 배열의 포커싱을 허용한다.

배치되어 활성화되면, 신틸레이션 계수기에 의해 동작이 유발되는 각각의 TPC는 검출기의 가스안에서 생성된 이온화 궤적을 이용하여, 가로지르는 CRM의 궤적을(예컨대, TPC의 양쪽 반대편에서 동시에) 샘플링한다. 위에서 언급된 바와 같이, 각각의 검출기 또는 검출기 그룹은 하나 또는 그 이상의 정밀 가속도계를 포함하거나 관련되거나, 혹은 상기 검출기 또는 검출기 그룹의 위치 또는 방향을 알려진 오차 범위 내에서 결정할 수 있는 다른 적절한 내부 측정 유닛(IMU: inertial measurement unit) 또는 장치를 포함하거나 결합될 수 있다.

위에서 알 수 있는 바와 같이, 검출기들의 깊이와 방향을 정밀하게 측정하면 검출기 데이터로부터 생성된 밀도 이미지 또는 지도의 정확성이 향상된다. 예컨대, 드릴에 의한 구멍 또는 시추공은, 가끔 존재할 수도 있겠지만, 완벽하게 수직인 경우가 거의 존재하지 않는다. 가속도계 및/또는 다른 IMU들로부터 얻어진 데이터는 각각의 검출기의 위치 정보의 정확성을 향상시켜, 꾸불꾸불하거나 혹은 고의로 기울게 시추된 수직이 아닌 시추구멍의 편차를 보상하기 위해서, GPS 및/또는 다른 일반적인 지도 제작을 위한 장비와 결합되어 사용될 수 있다. 이러한 테크닉을 사용하여, 상기 검출기의 위치는 약 10mrad 혹은 그보다 향상된 정확도로 결정될 수 있다. 일반적인 가속도계와 다른 IMU들은 수많은 상업적인 공급자들에 의해서 언제든지 이용할 수 있으며 본 기술이 속하는 당업자라면 용이하게 접근가능할 것이다. 예컨대, MEMSIC 회사는 가속도계 및 센서의 공급자로서, 특히 CMOS기반의 MEMS 가속도계/센서의 공급자로서, 본 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 하나 또는 그 이상의 장치를 식별할 수 있어 특정 장비 등에 적용가능한 도구를 제공한다.

위에서 언급된 본 발명에 의한 지질학적 단층 촬영에 유용한 시스템의 도 4A에서 도시된 다른 실시예는, 탄광 또는 다른 지하 동굴에 배치된 플라스틱 신틸레이터 트리거 검출기(plastic scintillator trigger detector)를 포함하는 하나 또는 그 이상의 대면적(예컨대 2m x 2m) TPC 검출기 시스템을 포함한다. 예컨대, 1cm 정도의 두께의 플라스틱 신틸레이션 계수기(scintillation counter)들에 의해 둘러쌓인 1m의 길이를 갖는, C. Hargrove et al., NIM 219(1984)461에 의해서 기술된 타임 프로젝션 챔버(TPC)는 다양한 깊이에 배치되거나 또는 다양한 수평 위치에 배치될 수 있다. (아마, 마주하는 양쪽 측면에서 동시에) 신틸레이션 계수기에 의해서 동작이 개시되는 각각의 TPC는, 검출된 뮤온의 방향을 결정하기 위해, 위에서 언급된 바와 같이 검출기의 가스 안에 생성된 이온화 궤적을 이용하여, 검출된 뮤 온의 궤적을 샘플링한다. 인식될 바와 같이, 수평 방향의 검출기 배열 또는 수평방향의 검출기 배열로부터 얻어진 데이터는, 장소에 따른 한계에 의해 허용된 바와 같이 스캔의 정확성을 향상시켜 시스템의 탄력성 및 적용성을 향상시키기 위해, 서로 연관될 수 있다.

불규칙한 표면 단층촬영, 불균일한 지층 및 검출기 배열의 오프셋을 포함하는 추가적인 변수가 나타난 예시적인 실시예가 도 4b에 도시되어 있다. 다양한 검출기 또는 검출기 배열로부터 얻어진 CRM 플럭스 데이터를 분석하는 동안, 이용가능한 데이터에 기초하여, 이러한 변수들 각각은 고려될 수 있다. 예컨대, 코어 샘플링에 의해 제공된 단층 촬영 프로파일, 정확한 검출기 위치 및 방향 데이터 및 지층 데이터 및/또는 충격파에 의해 생성된 액티브한 지진의 단층 촬영은 그 지역 정보를 탐색하기 위해 적용되고, 아래의 바위 지층을 반영하고 검사 지역의 표면에 걸쳐 배열된 수진계에 의해서 검출된다. 인식되는 바와 같이, 초기 지층판 구성요소 데이터 일부는 검출기를 수직으로 배열하기 위한 청공 구멍을 드릴링하는 과정에서 얻어질 수 있고/있거나, 예컨대 도 4a 및 도 4b에서 보여지는 바와 같이 검출기들을 수평으로 배열하기 위해 큰 사이즈(예컨대 1m² 이상)의 개구를 형성하거나 챔버를 형성하기 위해 땅을 굴착하는 과정에서 수집되어 있을 수도 있다.

TPC들 안에서, 10 또는 3차원 이상의 트랙 좌표가 각각의 좌표에 대해서 300μm(혹은 그 이상)의 정확도를 갖으며 기록될 수 있다. 각각의 뮤온에 대해 얻어진 각분해능(angular resolution)은 따라서 전형적으로 10mrad 이상으로 좋다. 따라 서, 검출기로부터 100m 거리의 구조체에 대해서, 밀도 변동에 대한 위치 감도는 약 1m 정도이다. 본 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식되는 바와 같이, 상기 시스템이 국부적인 밀도 경계를 정의하거나 구별할 수 있는 실제적인 정확도는, 예컨대 노출시간, 조사 대상지역의 부피를 갖는 물질의 균일도, 검출기들의 위치와 방향에 대한 정확도, '소프트' 입자들의 검출을 억제하기 위한 검출기 차폐의 존재 또는 효율성과 같은 다양한 요소들에 의존한다.

지구 표면에서 및 수킬로미터의 깊이에 이르기까지의 상기 CRM 에너지 및 CRM의 각분포는, 나가미네 및 타나카 뿐만 아니라, R.K. Adair 및 H.Kasha에 의한 Muon Physics, eds. V.W.Hughes and C.S. Wu, vol.1(Academic Press, 1976) 및 Particle Data Group에 의한 Phys. Lett. B592(2004) 1에 의해 기술된 바와 같이 상대적으로 잘 알려져 있으며 이전부터 측정되어 왔다. 요구되는 지름과 깊이를 갖는 천공구멍은 지질학적 탐사에 적용되는 종래의 천공 기술로 충분하다.

신틸레이터에 의해 동작이 개시되는 TPC들은 추적 장치이며 위에서 기술된 특성들을 갖는 것으로 알려져 있다. 신틸레이션 계수기에 의해 동작이 개시되는 상기 TPC들은, 그러나, 입자 및 핵물리 실험에 통상적으로 사용되는, 적절히 조밀한 위치 감지 추적 시스템의 한 예를 나타낼 뿐이다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들은, 이에 따라 위에서 기술된 TPC들이, 본 발명에 사용될 수 있는 적절한 크기와 감도를 갖는 다른 종류의 방사능 검출기와 대치될 수 있으며 또는 관련하여 사용될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다.

본 발명은, 따라서, 깊이 배치된 검출기에 다양한 각도로 충돌하는 우주선 뮤온을 이용하여 지질학적 탐사를 하기 위한 지구 단층촬영의 형상을 시험하고 평가하기 위해서, 장비의 형상과 그러한 장비를 이용하는 법을 포함하였다. 본 기술에서, 검출기에 모든 각도로 충돌하는 CRM들은, 강도변동 n(z,θ,Φ)을 이용하여 지구의 주위 영역을 탐사하는데 혹은 지하의 밀도 지도를 개발하는데 사용될 수 있다. 본 장비와 기술은, 예컨대, 광물을 식별하고 이미징하는데/하거나 넓은 범위 영역에서 석유가 풍부한 지역을 식별하거나 이미징하는데 유용할 것이다. 유사하게, 본 장비와 기술은 자연동굴이나, 버려진 광산과 같은 지하의 빈공간을 식별하거나 이미징하는데 사용될 수도 있다.

Claims

다수의 뮤온 검출기들을 테스트 지역과 인접한 다수의 지하 영역들에 배치하는 단계;

가로지르는 다수의 궤적들을 위해서 상기 다수의 검출기들로부터 뮤온 검출 데이터를 수집하는 단계; 및

상기 뮤온 검출 데이터를 처리하여 상기 테스트 지역의 밀도 지도를 제작하는 단계를 포함하는 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 검출기는 지하에 수작업에 의해 배치되지 않을 수 있는 것을 특징으로 하는 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 지하 영역은 12cm 이상의 1차원만을 갖는 물체를 수용하는 것을 특징으로 하는 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 다수의 뮤온 검출기들을 상기 테스트 지역에 인접한 다수의 제2 지하 영역들에 재배치하는 단계;

가로지르는 다수의 제2 궤적을 위해서 상기 다수의 검출기들로부터 추가적인 뮤온 검출 데이터를 수집하는 단계; 및

상기 뮤온 검출 데이터 및 추가적인 뮤온 검출 데이터를 처리하여 상기 테스트 지역의 밀도 지도를 제작하는 단계를 더 포함하는 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 다수의 뮤온 검출기들은 실질적으로 수직인 방향으로 배열된 것을 특징으로 하는 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 다수의 뮤온 검출기들은 실질적으로 수평한 방향으로 배열된 것을 특징으로 하는 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 다수의 뮤온 검출기들은

수평으로 배열된 다수의 제1 뮤온 검출기들; 및

수직으로 배열된 다수의 제2 뮤온 검출기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 다수의 뮤온 검출기들을 배치하는 동안 상기 검출기들의 특별한 고유 데이터를 수집하는 단계; 및

상기 검출기들의 고유 데이터를 처리하여 상기 뮤온 검출기가 배치될 지하위치를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 다수의 뮤온 검출기들의 연관된 그룹을 배치하는 동안 검출기 그룹의 고유 데이터를 수집하는 단계; 및

상기 검출기의 고유 데이터를 처리하여 상기 뮤온 검출기들의 상기 연관된 그룹이 배치될 지하 위치를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법.
제 1 항에 있어서,

다수의 제1 궤적을 따른 뮤온 플럭스를 검출하기 위해서 다수의 뮤온 검출기들을 제1 형상으로 배열하는 단계; 및

다수의 제2 궤적을 따른 뮤온 플럭스를 검출하기 위해서 다수의 뮤온 검출기들을 제2 형상으로 배열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 제2 형상은 상기 뮤온 검출기 내부의 센서모듈의 방향을 바꿈으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 제1 형상 및 상기 제2 형상은 단일 지하 위치에서 운용되는 각각의 뮤온 검출기에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 탐사 지역 내의 불규칙한 표면을 보정하기 위해서 상기 수집된 뮤온 검출 데이터는 지형학상의 데이터와 관련되어 처리되는 것을 특징으로 하는 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 탐사 지역 내의 불규칙한 지층을 보정하기 위해서 상기 수집된 뮤온 검출 데이터는 지질상의 데이터와 관련되어 처리되는 것을 특징으로 하는 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 수집된 뮤온 검출 데이터는 상기 탐사 지역 내의 불규칙한 지층을 보정하기 위해서 상기 수집된 뮤온 검출 데이터는 지질상의 데이터와 관련되어 더 처리되는 것을 특징으로 하는 탐사 지역 내에서의 지하 밀도를 매핑하는 방법.
지하 탐사 지역과 연관된 뮤온 플럭스 데이터를 검출하기 위해서 지하 탐사 위치들에 배치된 다수의 뮤온 검출기들;

상기 탐사 위치들의 위치를 결정하기 위한 배치 장치;

상기 검출된 뮤온 데이터를 수신하고 송신하기 위해서 상기 뮤온 검출기와 연결된 통신 장치; 및

상기 검출된 뮤온 데이터를 수신하고 상기 검출된 뮤온 데이터를 처리하여 상기 지하 탐사 지역에 대응하는 밀도 지도를 생성하기 위한 프로세서를 포함하는 지하 밀도 매핑을 위한 시스템.
제 16 항에 있어서, 상기 배치 장치는 각각의 뮤온 검출기와 연관된 이너셔 측정유닛(inertial measurement unit)을 포함하는 것을 특징으로 하는 지하 밀도 매핑을 위한 시스템.
제 16 항에 있어서, 상기 배치 장치는 뮤온 검출기 그룹과 연관된 이너셔 측정유닛(inertial measurement unit)을 포함하는 것을 특징으로 하는 지하 밀도 매핑을 위한 시스템.
제 16 항에 있어서, 상기 뮤온 검출기들 중 적어도 하나는,

검출된 뮤온 플럭스 데이터를 수신하여 저장하는 기억 장치; 및

소프트 입자들의 검출을 억제하기 위한 차폐 어셈블리로 구성된 그룹 중 선택된 추가적인 장치와 결합되는 것을 특징으로 하는 지하 밀도 매핑을 위한 시스템.
제 16 항에 있어서, 상기 뮤온 검출기들 중 적어도 하나는,

상기 뮤온 검출기가 배치된 지역의 국부적인 자기장을 분석하기 위한 자력계; 및

뮤온 검출기로 들어간 뮤온의 모멘텀 값을 평가하기 위한 국부 자기장을 생성하는 장치로 구성된 그룹 중 선택된 추가적인 장치와 결합되는 것을 특징으로 하는 지하 밀도 매핑을 위한 시스템.