JP6301745B2 - 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、宇宙線ミュオンの飛行軌跡を検出するミュオン軌跡検出技術に関する。

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。

一般的な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を多層に配列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。

そして、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り、検出器の大きさ以下の精度で通過位置を測定することが可能となる。

特開２０１２−５０１４５０号公報

ところで、ミュオンの通過位置を検出可能なミュオン検出器を用いてミュオンの飛行軌跡を導出するためには、一定時間内に複数の検出器で同時に発生した検出信号を１つの検出イベントとして測定する必要がある。

しかし、ミュオン検出器は、ミュオンだけでなくガンマ線等の放射線に対しても感度を有しているため、高い放射線環境下では、ガンマ線による検出信号とミュオンによる検出信号とが混在し、同一のミュオンによる検出イベントを正確に測定することが困難であった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、高い放射線環境下であっても、同一のミュオンによる検出イベントを正確に測定してミュオンの飛行軌跡を導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。

本発明の実施形態に係るミュオン軌跡検出器において、少なくとも３層以上に配置された複数のミュオン検出器のいずれかがミュオンの通過を検出して出力した検出信号に基づいて前記検出信号の測定を測定部に開始させる測定開始制御部と、測定の開始後に、設定されたリセット時間内に前記検出信号が出力されない場合には測定をリセットさせる一方、出力される場合には同一の前記ミュオンによる検出イベントとして識別するために設定されるゲート時間の間、前記検出信号の測定を前記測定部に実行させる測定終了制御部と、前記検出イベントのそれぞれに対して、前記ゲート時間内に測定された前記検出信号に基づいて求めた前記ミュオン検出器それぞれの通過位置から前記ミュオンの飛行軌跡を導出する軌跡導出部と、を備えて、前記リセット時間は、１つの前記ミュオンが前記ミュオン検出器のそれぞれに入射した際に、各ミュオン検出器の前記検出信号における検出時間差に基づいて設定される、ことを特徴とする。

本発明の実施形態に係るミュオン軌跡検出方法において、少なくとも３層以上に配置された複数のミュオン検出器のいずれかがミュオンの通過を検出して出力する検出信号に基づいて前記検出信号の測定を測定部に開始させるステップと、測定の開始後に、設定されたリセット時間内に前記検出信号が出力されない場合には測定をリセットさせる一方、出力される場合には同一の前記ミュオンによる検出イベントとして識別するために設定されるゲート時間の間、前記検出信号の測定を前記測定部に実行させるステップと、前記ゲート時間に基づいて識別された前記検出イベントのそれぞれに対して、前記ゲート時間内に測定された前記検出信号に基づいて求めた前記ミュオン検出器それぞれの通過位置から前記ミュオンの飛行軌跡を導出するステップと、を含み、前記リセット時間は、１つの前記ミュオンが前記ミュオン検出器のそれぞれに入射した際に、各ミュオン検出器の前記検出信号における検出時間差に基づいて設定される、ことを特徴とする。

本発明の実施形態により、高い放射線環境下であっても、同一のミュオンによる検出イベントを正確に測定してミュオンの飛行軌跡を導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。

第１実施形態に係るミュオン軌跡検出器の構成図。 ミュオン検出器にシンチレータ検出器を用いた場合のミュオン通過検出部の配置例。 ミュオン検出器にドリフトチューブを用いた場合のミュオン通過検出部の配置例。 （Ａ）ゲート時間を固定した場合における、ゲート時間とミュオンによる検出信号との関係を示すタイミングチャート、（Ｂ）ゲート時間を固定した場合において、ガンマ線を起因とする検出信号が出力された場合における、ゲート時間とミュオンによる検出信号との関係を示すタイミングチャート。 本実施形態に係るゲート時間とミュオンによる検出信号との関係を示すタイミングチャート。 （Ａ）ミュオンによる検出イベントの一例を示す説明図、（Ｂ）ガンマ線等のミュオン以外による検出イベントの一例を示す説明図。 本実施形態に適用されるノイズ除去部の構成図。 本実施形態に適用されるノイズ除去部の変形例を示す構成図。 第１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。 第２実施形態に係るミュオン軌跡検出器の構成図。 パターン一致評価部による照合の方法を説明する図。 第２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、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、第１実施形態に係るミュオン軌跡検出器１０は、複数層に（好ましくは少なくとも３層以上）配置された複数のミュオン検出器のいずれかがミュオンの通過を検出して出力した検出信号に基づいて検出信号の測定を測定部１２に開始させる測定開始制御部１４と、測定の開始後に、設定されたリセット時間内に検出信号が出力されない場合には測定をリセットさせる一方、出力される場合には同一のミュオンによる検出イベントとして識別するために設定されるゲート時間の間、検出信号の測定を測定部１２に実行させる測定終了制御部１５と、検出イベントのそれぞれに対して、ゲート時間内に測定された検出信号に基づいて求めたミュオン検出器それぞれの通過位置からミュオンの飛行軌跡を導出する軌跡導出部２０と、を備えている。

ミュオン通過検出部１１は、ミュオンを検出可能なミュオン検出器を複数配列させて、複数層、好ましくは少なくとも３層以上に配置させたものである。ここで、ミュオン検出器の１層は、それぞれ、互いに並列に配列された複数のミュオン検出器の列で構成されるミュオン検出器の群を指す。

ミュオン検出器のそれぞれは、ミュオンの通過を検出した際に検出信号を出力する。この検出信号には、ミュオン検出器を相互に識別するための検出器番号、検出された時刻情報等の検出器内におけるミュオンの通過位置を特定するために必要な情報が含まれる。

ミュオン検出器として、ミュオンによって発光するシンチレータ材を長尺状にして、光信号を検出するシンチレータ検出器や電離ガスを内部に封入して、ミュオンによってガスから電離された電子を電気信号として検出するドリフトチューブ等が例示される。このように、ミュオン検出器はそれぞれ長手方向に延びる形状となっていることから、ミュオン検出器の１層は、長手方向と直交する方向に互いに並列に配列された複数のミュオン検出器の群により平面状に構成される。

図２は、ミュオン検出器にシンチレータ検出器（２１ａ、２１ｂ）を用いた場合のミュオン通過検出部１１の配置例を示している。

それぞれがＹ方向を長手方向として延びＸ方向に複数が互いに並列に配列されたシンチレータ検出器２１ａとそれぞれＸ方向を長手方向として延びＹ方向に複数が互いに並列に配列されたシンチレータ検出器２１ｂとがそれぞれ３層に配置されている。これにより、Ｘ方向及びＹ方向におけるミュオンの通過位置を求めることが可能となる。

図３は、ミュオン検出器にドリフトチューブ（２２ａ、２２ｂ）を適用した場合のミュオン通過検出部１１の配置例を示している。

それぞれがＹ方向を長手方向として延びＸ方向に複数が互いに並列に配列されたドリフトチューブ２２ａの層を６層とそれぞれがＸ方向を長手方向として延びＹ方向に複数が互いに並列に配列されたドリフトチューブ２２ｂの層を６層とで合計１２層に配置されている。このようにドリフトチューブ２２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。

なお、図２および図３において、ミュオン検出器をＸ方向、Ｙ方向にそれぞれ３層や６層配置する例を示しているが、本実施の形態は最低限２層（複数層）のミュオン検出器を備えるミュオン軌跡検出器１０あるいはミュオン軌跡検出方法に適用可能である。

測定部１２は、ミュオン通過検出部１１から出力される検出信号を測定するものである。測定部１２において設定されるゲート信号が切り替えられることにより、測定の開始及び終了が制御される。ゲート信号がＯＮのときに測定が実行される一方、ゲート信号がＯＦＦのときには測定は実行されない。

ＯＲ信号生成部１３は、ミュオン通過検出部１１に接続されており、ミュオン通過検出部１１を構成する複数のミュオン検出器のいずれか１つから検出信号が出力された際に、成立信号を測定開始制御部１４に出力する。

測定開始制御部１４は、ＯＲ信号生成部１３から成立信号を入力したときに、測定部１２のゲート信号をＯＦＦからＯＮに切り替えて、検出信号の測定を測定部１２に開始させる。

ゲート時間設定部１６は、同一のミュオンによる検出イベントを識別するためのゲート時間が設定される。

ゲート時間は、１つのミュオンがミュオン通過検出部１１に入射した際に、入射から出射までに検出されうる最大の時間差が設定される。ミュオン検出器にドリフトチューブを適用した場合には、ミュオンがドリフトチューブに入射した瞬間から検出されるまでのドリフト時間（数１００ｎｓｅｃ〜数μｓｅｃ）に基づいてゲート時間が算出され設定される。なお、ゲート時間は、ミュオンのエネルギーやミュオン通過検出部１１の構成、大きさ等に合わせて適宜変更される。

リセット時間設定部１７は、連続して検出信号が出力されない場合に測定をリセットするためのリセット時間が設定される。リセット時間は、１つのミュオンがミュオン通過検出部１１に入射した際に、各ミュオン検出器の検出信号における検出時間差（タイムラグ）の分布の最大値あるいは平均値等が設定される。ミュオンのように複数のミュオン検出器で同時に検出される場合は、各ミュオン検出器の検出信号における検出時間差は、ゲート時間に比べて非常に短くなる。

例えば、図３に示すようなφ５０ｍｍのドリフトチューブを６層並べた構成をとった場合、ドリフト時間７５０ｎｓｅｃの条件で動作した場合であってもタイムラグの平均値は約１５０ｎｓｅｃであり、最大でも３００ｎｓｅｃ程度の時間差となる。なお、リセット時間は、ゲート時間と同様に、ミュオンのエネルギーやミュオン通過検出部１１の構成、大きさ等に合わせて適宜変更される。

測定終了制御部１５は、ゲート時間設定部１６及びリセット時間設定部１７のそれぞれからゲート時間及びリセット時間を入力する。

測定終了制御部１５は、測定の開始後に、リセット時間内にミュオン通過検出部１１から検出信号が出力されない場合には、測定部１２のゲート信号をＯＮからＯＦＦに切り替えて、測定部１２での測定をリセットさせる。

一方、リセット時間内にミュオン通過検出部１１から検出信号が出力される場合には、ゲート信号のＯＮ状態を維持して、ゲート時間の間、検出信号の測定を測定部１２に実行させる。そして、ゲート時間が経過したときに、測定部１２のゲート信号をＯＮからＯＦＦに切り替えて、測定部１２での測定を終了させる。

ここで、リセット時間を設ける効果について、リセット時間を設けずゲート時間を固定した場合の比較例を示しつつ具体的に説明する。

図４（Ａ）は、ゲート時間を固定した場合において、ゲート信号とミュオンの通過による検出信号ｓ_１〜ｓ_３とのタイミングチャートを示したものである。

検出信号ｓ_１が出力されたタイミングで、ゲート信号がＯＮに切り替えられて測定が開始される。ミュオンの通過による検出信号ｓ_２、ｓ_３はタイムラグ無く検出されるため、ゲート時間内に検出信号ｓ_１〜ｓ_３は測定される。

一方、図４（Ｂ）は、ゲート時間を固定した場合において、ゲート信号とガンマ線に起因による検出信号ｔ_１が検出された後にミュオンの通過によって検出される検出信号ｓ_１〜ｓ_３とのタイミングチャートを示したものである。

検出信号ｔ_１が出力されたタイミングで、ゲート信号がＯＮに切り替えられて測定が開始される。そして、時間差があった後に、ミュオンの通過による検出信号ｓ_１〜ｓ_３が出力されるため、検出信号ｓ_２の測定中にゲート信号がＯＦＦになり測定が終了する。このため、ゲート時間内に検出信号ｓ_１〜ｓ_３を正確に測定することができない。

このように、ゲート時間を固定した場合、ガンマ線に起因による検出信号によって測定が開始してしまうと、ミュオンの通過による検出信号はゲート時間内で正しく測定することができないおそれがある。そして、ゲート時間内にミュオンの通過により検出される検出信号を正確に測定することができなければ、ミュオンの軌跡を導出することはできない。

図５は、本実施形態に係るゲート信号とミュオンの通過による検出信号ｓ_１〜ｓ_３とのタイミングチャートを示したものである。

検出信号ｔ_１が出力されたタイミングで、ゲート信号がＯＮに切り替えられて測定が開始される。ガンマ線による検出信号ｔ_１が出力された後、リセット時間内に継続の検出信号が出力されないため、ゲート信号がＯＦＦに切り替えられて測定がリセットされる。

ガンマ線起因による検出信号は、イベントレートにのみ依存するため、例えば１Ｍ（ｃｏｕｎｔ／ｓｅｃ）の高レートのイベントであっても１ｕｓｅｃに１イベント程度となる。つまり、短い間隔でガンマ線起因による検出信号が出力される可能性は低いため、リセット時間を設けることにより、ガンマ線起因による検出信号が発生した際には測定をリセットすることができる。

そして、ミュオンによる検出信号ｓ_１が出力された際にゲートがＯＦＦからＯＮに切り替えられて測定が開始される。ミュオンの通過による検出信号ｓ_２はタイムラグ無くリセット時間内に検出されるため、リセットされること無くゲート時間が経過するまで測定が実行される。このため、ゲート時間内に検出信号ｓ_１〜ｓ_３は正確に測定することができる。

このように、ゲート時間を固定しないで、リセット時間内に検出信号が出力されない場合には測定をリセットする。これにより、測定対象であるミュオンの検出信号を減らす事無く、同一のミュオンによる検出信号をゲート時間内に正確に測定することができる。

図１に戻って説明を続ける。
測定部１２は、ミュオン通過検出部１１における全検出時間が終了後、同一のゲート時間内に検出された検出信号を同一のミュオンによる検出イベントとしてデータを整理し、各検出イベントの測定データをイベント抽出部１８に送信する。

イベント抽出部１８は、測定部１２から送信された各検出イベントの中から、検出信号に対応するミュオン検出器が所定の層以上、例えば全層数の３分の２以上で検出されているものをミュオンによる検出イベントして抽出するものである。

図６（Ａ）は、ドリフトチューブ２２を６層に配置した例を示しており、ミュオンによる検出イベントでは、各層のドリフトチューブ２２でそれぞれ１つずつミュオンの通過が検出されて、６層に渡って一直線上に形成される。一方、図６（Ｂ）は、ガンマ線等のミュオン以外による検出イベントを示しており、この場合は、少数のドリフトチューブ２２でランダムに検出される。

したがって、複数層のミュオン検出器で同時に計数された場合は、ミュオンによる検出イベントである可能性が高いことを意味する。

また、Ａ層でミュオン検出器を配置した場合、各層の検出確率がＸ、ゲート時間が１ｕ（ｓｅｃ）の場合、１ｕ（ｓｅｃ）の間にＢ層以上で検出される確率Ｐは次式（１）で求められる。

Ｐ＝Ｘ^Ｂ（１−Ｘ）^Ａ−Ｂ×_ＡＣ_Ｂ （１）
Ｐ：Ｂ層以上で検出される確率Ｐ
Ｘ：各層の検出確率
Ａ：全層数
Ｂ：検出される層数

例えば、Ｘ＝０．２、Ａ＝６、Ｂ＝４層以上で検出される確率Ｐは２％以下となる。したがって、複数層のミュオン検出器で同時に計数される確率は非常に低いため、複数層のミュオン検出器で同時に計数された場合はミュオンの通過によるものであると判断することが可能となる。

イベント抽出部１８は、ミュオンが通過した場合は複数層のミュオン検出器で同時に計数される性質を利用して、検出信号に対応するミュオン検出器が所定の層以上で検出されているものをミュオンによる検出イベントして抽出する。

これにより、リセット時間を設定した場合であっても、ガンマ線等の測定対象以外のみのイベントデータが生じるおそれがあるが、これらのイベントデータを除外して、ミュオンによる検出イベントを効率的に抽出することができる。

また、イベント抽出部１８は、予め設定されたミュオン通過軌跡のそれぞれに対応して通過が予想される検出器番号のパターンを求めておき、パターンと一致した検出イベントのみを抽出することでミュオンによる検出イベントを抽出する構成としても良い。

ノイズ除去部１９は、イベント抽出部１８から検出イベントを入力する。そして、検出イベント内の検出信号の中から、測定された検出信号に対応するミュオン検出器の検出器番号を用いて、ミュオン以外を起因として検出された信号をノイズ信号として除外するものである。

図７は、本実施形態に適用されるノイズ除去部１９の構成図を示している。

ノイズ除去部１９は、第１パターン記録部２３と、第１除去部２４と、を備えている。
第１パターン記録部２３は、予め設定されたミュオンの軌跡のそれぞれに対応して通過が予想される検出器番号の検出パターンを保存するものである。各検出パターンには、各層ごとに１つの検出器番号が保存されている。

第１除去部２４は、検出された（実測の）ミュオン検出器の検出器番号と第１パターン記録部２３に保存されている検出パターンとを照合する。そして、所定の条件以上、例えば検出された検出器番号の３分の２以上が合致する検出パターンを選択する。

そして、検出された検出器番号内で、選択された検出パターンに含まれない検出器番号に対応する検出信号をノイズ信号として除外する。

ミュオンによる検出イベントを抽出した場合でも、測定対象外の信号検出を防ぐことができない場合があるが、ノイズ除去部１９によりこれらの信号を除外することが可能となる。これにより、後述の軌跡導出部２０において高い精度でミュオンの軌跡を導出することが可能となる。

図８は、本実施形態に適用されるノイズ除去部１９の変形例を示す構成図である。なお、本変形例は、検出器の大きさ以上の位置分解能を有するドリフトチューブ等に適用可能となる。

ノイズ除去部１９は、軌跡推定部２５と、位置情報計算部２６と、第２除去部２７と、を備えている。

軌跡推定部２５は、検出されたミュオン検出器の検出器番号に基づいてミュオンの推定軌跡を求める。軌跡推定部２５は、ミュオン検出器の分解能程度で推定される全ての直線を求める。そして、位置情報計算部２６は、求めた推定軌跡のそれぞれに対してミュオン検出器の通過位置を計算する。

第２除去部２７は、計算された各推定軌跡に対応する通過位置と検出信号に基づいて求められたミュオン検出器通過位置とを比較する。そして、通過位置の偏差が最も小さくなる推定軌跡を選択する。そして、選択された推定軌跡を通過しないミュオン検出器の検出信号をノイズ信号として除外する。

実際の通過軌跡に近接しており、ノイズとして除外しにくい場合であっても、通過位置情報を比較することにより、測定対象外の検出信号をノイズ信号として除外できる。

軌跡導出部２０は、ノイズ抽出部から検出イベントを入力する。そして、検出イベントのそれぞれに対して、ゲート時間内に測定された検出信号に基づいて求めたミュオン検出器それぞれの通過位置からフィッティングの数値処理を用いてミュオンの飛行軌跡を導出する。通過位置を求める方法は、検出器の大きさ単位で求める方法であっても、検出器から得られる信号の到達時間差や信号量の大きさの差から算出する方法であっても良い。

なお、Ｘ方向に配列されたミュオン検出器とＹ方向に配列されたミュオン検出器とが独立している場合、同じゲート時間内に取得された検出信号を特定する。そして、１次関数によるｆｉｔｔｉｎｇでＸ―Ｚ直線およびＹ−Ｚ直線をそれぞれ算出して、これらの値から３次元の位置情報とベクトル情報を算出することでミュオンの飛行軌跡を導出する。

図９は、第１実施形態に係る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）。

ＯＲ信号生成部１３は、ミュオン通過検出部１１を構成するミュオン検出器のいずれか１つから検出信号の出力がされた際に、成立信号を測定開始制御部１４に出力する（Ｓ１０）。

測定開始制御部１４は、成立信号を入力したときに、測定部１２のゲート信号をＯＮに切り替える（Ｓ１１）。そして、測定部１２は、検出信号の測定を開始する（Ｓ１２）。

測定開始制御部１４は、リセット時間内に検出信号の出力が無い場合には、測定部１２のゲート信号をＯＦＦに切り替えて、測定をリセットさせる（Ｓ１３：ＹＥＳ、Ｓ１４）。
一方、リセット時間内に検出信号の出力が有る場合には、ゲート信号をＯＮ状態で維持して、ゲート時間の間、検出信号の測定を継続する（Ｓ１３：ＮＯ、Ｓ１５）。

測定終了制御部１５は、ゲート時間経過後、ゲート信号ＯＦＦして測定を終了させる（Ｓ１６：ＹＥＳ、Ｓ１７）。

そして、ミュオン軌跡検出器１０は、全検出時間が終了するまで、Ｓ１０〜Ｓ１７を繰り返す（Ｓ１８：ＮＯ）。測定部１２は、全検出時間終了後に、イベント抽出部１８に各検出イベントを送信する。

イベント抽出部１８は、測定部１２から送信された各検出イベントの中から、同一のミュオンによる検出イベントして抽出する（Ｓ１９）。

ノイズ除去部１９は、イベント抽出部１８から検出イベントを入力して、検出イベント内の検出信号の中から、ミュオン以外を起因として検出された信号をノイズとして除外する（Ｓ２０）。

軌跡導出部２０は、検出イベントのそれぞれに対して、ゲート時間内に測定された検出信号に基づいて求めたミュオン検出器それぞれの通過位置からミュオンの飛行軌跡を導出する（Ｓ２１）。

このように、ゲート時間を固定するのでは無く、設定されたリセット時間内にミュオン検出器から検出信号が出力されない場合には測定をリセットすることにより、高い放射線環境下であっても、同一のミュオンによる検出イベントを正確に測定してミュオンの飛行軌跡を導出することが可能となる。

（第２実施形態）
図１０は、本発明に係るミュオン軌跡検出器１０の第２実施形態を示す構成図である。なお、第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

測定開始制御部１４は、第２パターン記録部２８と、データ記録部２９と、パターン一致評価部３０と、を有している。

第２パターン記録部２８は、予め設定されたミュオンの軌跡のそれぞれに対応して通過が予想される検出器番号の検出パターンを保存するものである。各検出パターンには、各層ごとに１つの検出器番号が保存されている。また、ミュオンの飛行中における微少な変位を考慮して各層２つ〜３つの検出器番号を設定する構成にしても良い。

パターン一致評価部３０は、ミュオン通過検出部１１から順次出力される検出信号に対応する検出器番号と第２パターン記録部２８に記録されている検出パターンとを照合する。そして、所定の条件以上、例えば全層数の３分の２以上で合致した場合に、ゲート信号をＯＮに切り替えて、検出信号の測定を測定部１２に開始させる。

データ記録部２９は、ミュオン検出器から出力され、パターン一致評価部３０で照合される検出信号を一時的に記録するものである。パターン一致評価部３０で照合された結果、所定の条件に合致しない場合は記録していた検出信号に係るデータを削除する。

測定部１２は、ゲート時間の間、測定を実行する。測定終了後に、データ記録部２９に一時的に記録された検出信号と測定された検出信号とをあわせて同一のミュオンによる検出イベントとする。

図１１は、パターン一致評価部３０による照合の方法を説明する図である。
第２パターン記録部２８には、予め想定されるミュオンの軌跡のそれぞれに対応した検出器番号（ｃｈ）の検出パターンが別々のメモリに保存されている。

パターン一致評価部３０は、ミュオン通過検出部１１から出力される検出信号を入力して、この検出信号に対応する検出器番号と第２パターン記録部２８に保存されている検出パターンを照合する。

そして、パターン一致評価部３０は、ミュオン通過検出部１１から出力される検出信号について、順次照合していき、検出パターンと所定の条件以上（例えば、全層数の３分の２以上）一致した場合に、測定部１２のゲート信号をＯＮに切り替えて、検出信号の測定を測定部１２に開始させる。

これにより、予め設定された検出パターンにない検出信号が複数入ったとしても、ゲート信号がＯＮになることは無く測定は開始されない。検出パターンと所定の条件以上一致した場合のみゲート信号がＯＮに切り替わるため、ガンマ線などの測定対象外の信号によって測定が開始されることは無い。

図１２は、第２実施形態に係る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２参照）。

パターン一致評価部は、ミュオン通過検出部１１から順次出力される検出信号を入力する（Ｓ３０）。データ記録部２９は、ミュオン通過検出部１１から出力された検出信号を一時的に記録する（Ｓ３１）。

そして、パターン一致評価部３０は、検出信号の検出器番号と第２パターン記録部２８に記録されている検出パターンとを照合する。そして、所定の条件以上で合致した場合に、ゲート信号をＯＮに切り替える（Ｓ３２：ＹＥＳ、Ｓ３３）。パターン一致評価部３０は、検出信号の測定を測定部１２に開始させる（Ｓ３４）。

そして、測定部１２は、ゲート時間の間、検出信号の測定を継続する（Ｓ３５）。測定終了制御部１５は、ゲート時間経過後、ゲート信号ＯＦＦして測定を終了させる（Ｓ３６：ＹＥＳ、Ｓ３７）。

測定部１２は、ゲート時間の間、測定を実行する。測定終了後に、データ記録部２９に一時的に記録された検出信号と測定された検出信号とをあわせて同一のミュオンによる検出イベントとする（Ｓ３８）。

そして、ミュオン軌跡検出器１０は、全検出時間が終了するまで、Ｓ１０〜Ｓ１７を繰り返す（Ｓ３９：ＮＯ）。測定部１２は、全検出時間終了後に、イベント抽出部１８に各検出イベントを送信する。

イベント抽出部１８は、測定部１２から送信された各検出イベントの中から、同一のミュオンによる検出イベントして抽出する（Ｓ４０）。

ノイズ除去部１９は、イベント抽出部１８から検出イベントを入力して、検出イベント内の検出信号の中から、ミュオン以外を起因として検出された信号をノイズとして除外する（Ｓ４１）。

軌跡導出部２０は、検出イベントのそれぞれに対して、ゲート時間内に測定された検出信号に基づいて求めたミュオン検出器それぞれの通過位置からミュオンの飛行軌跡を導出する（Ｓ４２）。

このように、予め設定されたパターン化された軌跡情報と一部が一致した場合のみ、ゲートを開いて測定を開始させることで、ガンマ線等の測定対象外の信号でゲートＯＮされて測定が開始されることを抑制することが可能となる。これにより、同一のミュオンによる検出イベントを正確に測定してミュオンの飛行軌跡を導出することが可能となる。

放射線測定部３１は、ミュオン通過検出部１１の近傍に設けられ、ミュオン通過検出部１１の周囲に放射線の強度を測定する検出器である。放射線測定部３１は、ミュオン以外のガンマ線等にも感度を有する検出器であれば、いずれの放射線検出器を用いても良い。

本実施形態により、ガンマ線等の測定対象外の放射線によるイベントの影響を減らすことが可能となるが、宇宙から降り注ぐミュオンのフラックスはそれほど大きくないため、精度良い測定には時間がかかることが多い。

このため、測定中に測定環境の放射線線量が急激に変化した場合、本実施形態では対応しきれない可能性がある。この場合、ミュオン軌跡検出器１０で算出される軌跡の信頼性が低くなる。

放射線測定部３１は、本実施形態の適用範囲を超える線量を確認した場合、軌跡導出部２０にエラーを出力および表示する。これにより、信頼性の高い環境下でのみミュオンの軌跡検出が実行される。

以上述べた各実施形態のミュオン軌跡検出器によれば、ゲート時間を固定するのでは無く、設定されたリセット時間内にミュオン検出器から検出信号が出力されない場合には測定をリセットすることにより、高い放射線環境下であっても、同一のミュオンによる検出イベントを正確に測定してミュオンの飛行軌跡を導出することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら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。また、ミュオン軌跡検出器の構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能である。

１０ ミュオン軌跡検出器
１１ ミュオン通過検出部
１２ 測定部
１３ ＯＲ信号生成部
１４ 測定開始制御部
１５ 測定終了制御部
１６ ゲート時間設定部
１７ リセット時間設定部
１８ イベント抽出部
１９ ノイズ除去部
２０ 軌跡導出部
２１（２１ａ，２１ｂ） シンチレータ検出器
２２（２２ａ，２２ｂ） ドリフトチューブ
２３ 第１パターン記録部
２４ 第１除去部
２５ 軌跡推定部
２６ 位置情報計算部
２７ 第２除去部
２８ 第２パターン記録部
２９ データ記録部
３０ パターン一致評価部
３１ 放射線測定部

Claims (11)

1. 少なくとも３層以上に配置された複数のミュオン検出器のいずれかがミュオンの通過を検出して出力した検出信号に基づいて前記検出信号の測定を測定部に開始させる測定開始制御部と、
   測定の開始後に、設定されたリセット時間内に前記検出信号が出力されない場合には測定をリセットさせる一方、出力される場合には同一の前記ミュオンによる検出イベントとして識別するために設定されるゲート時間の間、前記検出信号の測定を前記測定部に実行させる測定終了制御部と、
   前記検出イベントのそれぞれに対して、前記ゲート時間内に測定された前記検出信号に基づいて求めた前記ミュオン検出器それぞれの通過位置から前記ミュオンの飛行軌跡を導出する軌跡導出部と、を備えて、
   前記リセット時間は、１つの前記ミュオンが前記ミュオン検出器のそれぞれに入射した際に、各ミュオン検出器の前記検出信号における検出時間差に基づいて設定される、
   ことを特徴とするミュオン軌跡検出器。
2. 前記ミュオン検出器のいずれか１つから前記検出信号が出力された際に成立信号を前記測定開始制御部に出力するＯＲ信号生成部をさらに備えて、
   前記測定開始制御部は、前記成立信号を入力したときに前記検出信号の測定を前記測定部に開始させ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. 前記検出イベントの中から、前記検出信号に対応する前記ミュオン検出器が所定の層以上で検出されている前記検出イベントを抽出するイベント抽出部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のミュオン軌跡検出器。
4. 前記検出イベント内の前記検出信号の中から、測定された前記検出信号に対応する前記ミュオン検出器の検出器番号を用いて前記ミュオン以外を起因として検出された前記検出信号を除外するノイズ除去部を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のミュオン軌跡検出器。
5. 前記ノイズ除去部は、
   予め設定された前記ミュオンの軌跡のそれぞれに対応する前記検出器番号を検出パターンとして保存する第１パターン記録部と、
   検出された前記ミュオン検出器の前記検出器番号と前記検出パターンとを照合して、所定の条件以上で合致する前記検出パターンに含まれない前記検出器番号に対応する前記検出信号を除外する第１除外部と、を備えること特徴とする請求項４に記載のミュオン軌跡検出器。
6. 前記ノイズ除去部は、
   検出された前記ミュオン検出器の前記検出器番号から前記ミュオンの推定軌跡を求める軌跡推定部と、
   前記推定軌跡のそれぞれに対して前記ミュオン検出器の前記通過位置を計算する位置情報計算部と、
   計算された前記通過位置と検出された前記検出信号に基づく前記通過位置とを比較し、最も偏差が小さくなる前記推定軌跡を求めて、この推定軌跡を通過しない前記検出器番号に対応する前記検出信号を除外する第２除外部と、を備えること特徴とする請求項４に記載のミュオン軌跡検出器。
7. 複数層に配置された複数のミュオン検出器のいずれかがミュオンの通過を検出して出力した検出信号に基づいて前記検出信号の測定を測定部に開始させる測定開始制御部と、
   測定の開始後に、設定されたリセット時間内に前記検出信号が出力されない場合には測定をリセットさせる一方、出力される場合には同一の前記ミュオンによる検出イベントとして識別するために設定されるゲート時間の間、前記検出信号の測定を前記測定部に実行させる測定終了制御部と、
   前記検出イベントのそれぞれに対して、前記ゲート時間内に測定された前記検出信号に基づいて求めた前記ミュオン検出器それぞれの通過位置から前記ミュオンの飛行軌跡を導出する軌跡導出部と、
   前記検出イベント内の前記検出信号の中から、測定された前記検出信号に対応する前記ミュオン検出器の検出器番号を用いて前記ミュオン以外を起因として検出された前記検出信号を除外するノイズ除去部と、を備え、
   前記ノイズ除去部は、
   検出された前記ミュオン検出器の前記検出器番号から前記ミュオンの推定軌跡を求める軌跡推定部と、
   前記推定軌跡のそれぞれに対して前記ミュオン検出器の前記通過位置を計算する位置情報計算部と、
   計算された前記通過位置と検出された前記検出信号に基づく前記通過位置とを比較し、最も偏差が小さくなる前記推定軌跡を求めて、この推定軌跡を通過しない前記検出器番号に対応する前記検出信号を除外する第２除外部と、を備えること特徴とするミュオン軌跡検出器。
8. 前記測定開始制御部は、
   予め設定された前記ミュオンの軌跡のそれぞれに対応する前記ミュオン検出器の検出器番号の検出パターンを保存する第２パターン記録部と、
   前記ミュオン検出器から出力される前記検出信号を一時的に記録するデータ記録部と、
   出力される前記検出信号に対応する検出器番号と前記検出パターンとを順次照合して、所定の条件以上で合致した場合に前記検出信号の測定を前記測定部に開始させるパターン一致評価部と、を有して、
   前記測定部は、データ記録部に一時的に記録された前記検出信号と測定された前記検出信号とをあわせて同一の前記ミュオンによる前記検出イベントとすることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のミュオン軌跡検出器。
9. 前記ミュオン検出器の近傍に設けられ、前記ミュオン検出器の周囲の放射線強度を測定する放射線測定部をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のミュオン軌跡検出器。
10. 少なくとも３層以上に配置された複数のミュオン検出器のいずれかがミュオンの通過を検出して出力する検出信号に基づいて前記検出信号の測定を測定部に開始させるステップと、
    測定の開始後に、設定されたリセット時間内に前記検出信号が出力されない場合には測定をリセットさせる一方、出力される場合には同一の前記ミュオンによる検出イベントとして識別するために設定されるゲート時間の間、前記検出信号の測定を前記測定部に実行させるステップと、
    前記ゲート時間に基づいて識別された前記検出イベントのそれぞれに対して、前記ゲート時間内に測定された前記検出信号に基づいて求めた前記ミュオン検出器それぞれの通過位置から前記ミュオンの飛行軌跡を導出するステップと、を含み、
    前記リセット時間は、１つの前記ミュオンが前記ミュオン検出器のそれぞれに入射した際に、各ミュオン検出器の前記検出信号における検出時間差に基づいて設定される、
    ことを特徴とするミュオン軌跡検出方法。
11. 複数層に配置された複数のミュオン検出器のいずれかがミュオンの通過を検出して出力する検出信号に基づいて前記検出信号の測定を測定部に開始させるステップと、
    測定の開始後に、設定されたリセット時間内に前記検出信号が出力されない場合には測定をリセットさせる一方、出力される場合には同一の前記ミュオンによる検出イベントとして識別するために設定されるゲート時間の間、前記検出信号の測定を前記測定部に実行させるステップと、
    前記ゲート時間に基づいて識別された前記検出イベントのそれぞれに対して、前記ゲート時間内に測定された前記検出信号に基づいて求めた前記ミュオン検出器それぞれの通過位置から前記ミュオンの飛行軌跡を導出するステップと、
    前記検出イベント内の前記検出信号に対応する前記ミュオン検出器の前記検出器番号から前記ミュオンの推定軌跡を求めるステップと、
    前記推定軌跡のそれぞれに対して前記ミュオン検出器の前記通過位置を計算するステップと、
    計算された前記通過位置と検出された前記検出信号に基づく前記通過位置とを比較し、最も偏差が小さくなる前記推定軌跡を求めて、この推定軌跡を通過しない前記検出器番号に対応する前記検出信号を除外するステップと、を含むことを特徴とするミュオン軌跡検出方法。

Images