特開 2025-9412 荷電粒子軌跡検出装置及び荷電粒子軌跡検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025009412

(43)【公開日】2025-01-20

(54)【発明の名称】荷電粒子軌跡検出装置及び荷電粒子軌跡検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01T 5/02 20060101AFI20250110BHJP

   G01T 1/172 20060101ALI20250110BHJP

   G01T 1/18 20060101ALI20250110BHJP

   G01T 1/20 20060101ALI20250110BHJP

   G01N 23/04 20180101ALN20250110BHJP

【ＦＩ】

G01T5/02

G01T1/172

G01T1/18 D

G01T1/20 G

G01N23/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023112407

(22)【出願日】2023-07-07

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮寺 晴夫

(72)【発明者】

【氏名】杉田 宰

(72)【発明者】

【氏名】中居 勇樹

(72)【発明者】

【氏名】藤牧 拓郎

(72)【発明者】

【氏名】野口 恭平

【テーマコード（参考）】

2G001

2G188

【Ｆターム（参考）】

2G001AA08

2G001BA11

2G001CA08

2G001DA01

2G001DA09

2G001FA21

2G188AA20

2G188AA21

2G188AA27

2G188BB01

2G188BB02

2G188BB04

2G188BB07

2G188BB09

2G188CC03

2G188CC10

2G188CC20

2G188DD05

2G188DD42

2G188EE02

2G188EE16

2G188EE25

2G188EE28

2G188EE29

2G188EE39

(57)【要約】

【課題】高放射線環境下で安定的にミュオンの軌跡を検出する荷電粒子軌跡検出技術を提供する。
【解決手段】荷電粒子軌跡検出装置１０は、複数の検出器２１が面状配列して成る検出層２２（２２_x1，２２_y1，２２_x2，２２_y2…）に荷電粒子が入射し出力された検出信号１２を読み取る読取回路１５と、荷電粒子１１の進行方向に沿って隣接する検出器２１が同時に電気信号を出力したときにコインシデンス信号を出力するコインシデンス回路２３と、一定時間内に別々の検出層２２から少なくとも２個以上のコインシデンス信号が出力された際にトリガー信号１４を出力する検定回路１６と、トリガー信号１４によって選定された検出信号１２のイベント情報２６をデータ保存させる選定回路１７と、を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の検出器が面状配列して成る検出層に荷電粒子が入射し出力された検出信号を読み取る読取回路と、
前記荷電粒子の進行方向に隣接する前記検出器が同時に電気信号を出力したときにコインシデンス信号を出力するコインシデンス回路と、
一定時間内に別々の前記検出層から少なくとも２個以上の前記コインシデンス信号が出力された際にトリガー信号を出力する検定回路と、
前記トリガー信号によって選定された前記検出信号のイベント情報をデータ保存させる選定回路と、を備える荷電粒子軌跡検出装置。

【請求項2】

請求項１に記載の荷電粒子軌跡検出装置において、
前記検出器は、ドリフトチューブ方式、マルチワイヤ方式、ＧＥＭ方式及びシンチレーション方式のいずれか一つである荷電粒子軌跡検出装置。

【請求項3】

請求項２に記載の荷電粒子軌跡検出装置において、
前記ドリフトチューブ方式、前記マルチワイヤ方式及び前記ＧＥＭ方式の前記検出器に封入されているガスは、希ガスを主成分とし炭化水素を含まない荷電粒子軌跡検出装置。

【請求項4】

請求項１又は請求項２に記載の荷電粒子軌跡検出装置において、
前記イベント情報は、選定された前記検出信号を出力した前記検出器の識別ＩＤ、出力時刻を含み、
これら前記検出器の識別ＩＤ及び前記出力時刻をデータ保存部にデータ送信させる送信回路を備える荷電粒子軌跡検出装置。

【請求項5】

請求項４に記載の荷電粒子軌跡検出装置において、
前記読取回路、前記検定回路、前記選定回路及び前記送信回路は、共通の基板に設けられている荷電粒子軌跡検出装置。

【請求項6】

複数の検出器が面状配列して成る検出層に荷電粒子が入射し出力された検出信号を読み取るステップと、
前記荷電粒子の進行方向に隣接する前記検出器が同時に電気信号を出力したときにコインシデンス信号を出力するステップと、
一定時間内に別々の前記検出層から少なくとも２個以上の前記コインシデンス信号が出力された際にトリガー信号を出力するステップと、
前記トリガー信号によって選定された前記検出信号のイベント情報をデータ保存させるステップと、を含む荷電粒子軌跡検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、地表に到達する宇宙線ミュオンを観測することができる荷電粒子軌跡検出技術に関する。

【背景技術】

【0002】

構造物内部を把握する方法として、地表に到達する宇宙線ミュオンを観測し、この構造物内部を透視する技術が知られている。具体的には、ミュオンの粒子束の減衰を測定する透過法、および測定対象となる構造物の前後でミュオンの飛行軌跡を観測しクーロン多重散乱角を画像化する散乱法などが知られている。

【0003】

そして、このミュオンの観測による構造物内部の透視技術を、高放射線環境の下でも適用することが提案されている（例えば、非特許文献１）。また、放射能を帯びた構造物を対象にした観測も提案されている（例えば、非特許文献２）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ｈ．Ｍｉｙａｄｅｒａ，ｅｔａｌ．，ＡＩＰ Ａｄｖａｎｃｅｓ 3,052133（2013）．

【非特許文献2】Ｈ．Ｍｉｙａｄｅｒａ，ｅｔａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ６１，Ｃ１５４（２０２２）．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ミュオンによる透視技術では、観測対象の構造物の外側に荷電粒子軌跡検出装置が設置される。そして、検出されたミュオンの飛行軌跡を検出し、この軌跡を解析することで、観測対象のイメージングが行われる。そのようなミュオンの軌跡を検出する荷電粒子軌跡検出装置としては、電離ガスを用いたドリフトチューブ検出器を積層させた装置や、マルチチャンネルのシンチレーション検出器を積層させたものが用いられる。

【0006】

ところで、環境におけるガンマ線量が高い場合、ガンマ線のコンプトン散乱の発生数も増加し、荷電粒子軌跡検出器において、ミュオンとは別にガンマ線に起因の検出が増加する。このため、高放射線環境下では、ガンマ線に起因する検出が、解析対象となるデータ量を増大させ、荷電粒子軌跡検出装置におけるミュオンの軌跡検出を不安定にする課題があった。

【0007】

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、高放射線環境下で安定的にミュオンの軌跡を検出する荷電粒子軌跡検出技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施形態に係る荷電粒子軌跡検出装置において、複数の検出器が面状配列して成る検出層に荷電粒子が入射し出力された検出信号を読み取る読取回路と、前記荷電粒子の進行方向に沿って隣接する前記検出器が同時に電気信号を出力したときにコインシデンス信号を出力するコインシデンス回路と、一定時間内に別々の前記検出層から少なくとも２個以上の前記コインシデンス信号が出力された際にトリガー信号を出力する検定回路と、前記トリガー信号によって選定された前記検出信号のイベント情報をデータ保存させる選定回路と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明の実施形態により、高放射線環境下で安定的にミュオンの軌跡を検出する荷電粒子軌跡検出技術が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る荷電粒子軌跡検出装置の構成図。

【図2】ドリフトチューブ型の検出器の検出層が成す積層体の斜視図。

【図3】（Ａ）検出層に荷電粒子が入射したとき検出信号を出力する検出器を示す図、（Ｂ）検出層にガンマ線が入射したとき検出信号を出力する検出器を示す図。

【図4】ドリフトチューブ型の検出器の動作説明図。

【図5】実施形態に係る荷電粒子軌跡検出方法を説明するフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（第１実施形態）
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は実施形態に係る荷電粒子軌跡検出装置１０の構成図である。図２はドリフトチューブ型の検出器２１の検出層２２が成す積層体２０の斜視図である。図３（Ａ）は検出層２２に荷電粒子１１が入射したとき検出信号１２を出力する検出器２１ａを示す図である。図３（Ｂ）は検出層２２にガンマ線が入射したとき検出信号１２を出力する検出器２１ｂを示す図である。

【0012】

図１に示すように荷電粒子軌跡検出装置１０は、複数の検出器２１が面状配列して成る検出層２２（２２_x1，２２_y1，２２_x2，２２_y2…）に荷電粒子１１（図３（Ａ））が入射し出力された検出信号１２を読み取りデジタル化する読取回路１５と、荷電粒子１１の進行方向に沿って隣接する検出器２１が同時に電気信号を出力したときにコインシデンス信号を出力するコインシデンス回路２３と、一定時間内に別々の検出層２２から少なくとも２個以上のコインシデンス信号が出力された際にトリガー信号１４を出力する検定回路１６と、トリガー信号１４によって選定された検出信号１２（１２_x，１２_y）のイベント情報２６をデータ保存させる選定回路１７と、を備えている。

【0013】

そして、読取回路１５、検定回路１６、選定回路１７及び送信回路１８は、共通の基板１９に設けられている。

【0014】

図２に示すように、検出層２２（２２_x1，２２_y1，２２_x2，２２_y2…）の各々は、互いに直交する方向に揃った検出器２１（２１_x，２１_y）が面状配列して成り、さらに交互に積層配置されている。それぞれの検出器２１は、長さ方向の入射位置に依存することなく、荷電粒子１１が一つ入射すると、パルス信号を一つ出力する。荷電粒子１１の進行方向に隣接する二つの検出器２１から同時にパルス信号が出力した場合、ガンマ線などのノイズではなく荷電粒子１１らしいシグナルだとコインシデンス回路２３で判定される。

【0015】

ここで図３（Ａ）に示すように、検出層２２への入射が正ミュオン、負ミュオン、電子又は陽電子のような荷電粒子１１である場合、高い貫通性を示す。一方において図３（Ｂ）に示すように、検出層２２への入射がＸ線、ガンマ線等の電磁波又は中性子である場合、コンプトン散乱などで発生した荷電粒子１１のエネルギーは低く、複数の検出器を貫通できない。

【0016】

このため、検出層２２への入射が荷電粒子１１であるか、もしくは電磁波又は中性子起因のイベントであるかは、それぞれの入射の貫通性を評価することで識別することができる。ただし、荷電粒子１１の進行方向に沿って隣接する検出器ペアが同時に別々のガンマ線により信号出力することもあるため、複数のコインシデンス信号の同時発生を取ることで荷電粒子１１の検出確度を向上させることができる。

【0017】

なお検出器２１は、荷電粒子１１、電磁波又は中性子に応答した直後は、短時間ながら不感期間が発生する。このため、荷電粒子１１が貫通した場合であっても、その軌道に沿った検出器２１のうちいくつかからは、検出信号１２が出力されない場合もある。

【0018】

また検出器２１として、ドリフトチューブ方式を例示しているが、その他にマルチワイヤ方式、ＧＥＭ方式及びシンチレーション方式のいずれかの方式を採用することもできる。シンチレーション方式は、プラスチックシンチレータ又はファイバシンチレータを採用することができる。

【0019】

またドリフトチューブ方式、マルチワイヤ方式及びＧＥＭ方式の検出器２１では、封入ガスは、一般的に採用される炭化水素系ガスでは高放射線環境で分解してしまうため、アルゴン等の希ガスを主成分としたものを用いるのが好ましい。

【0020】

図１に戻って説明を続ける。読取回路１５は、積層体２０を構成する全ての検出器２１（２１_x，２１_y）から随時出力される検出信号１２（１２_x，１２_y）を入力とし、これを発した検出器２１の識別ＩＤとその出力時刻の組み合わせを出力する。

【0021】

コインシデンス回路２３（２３_x1，２３_y1，２３_x2，２３_y2…）は、積層された複数の検出層２２（２２_x1，２２_y1，２２_x2，２２_y2…）の各々を単位として設けられている。もしくは図１に示すように、検出層２２を複数（図示は二つ）に分割したセグメント２５（２５_a，２５_b）を単位として、コインシデンス回路２３（２３_x1a，２３_x1b，２３_y1a，２３_y1b，２３_x2a，２３_x2b，２３_y2a，２３_y2b…）が設けられている。

【0022】

そして、このコインシデンス回路２３は、接続されている検出器２１のうち図３（Ａ）のようにペアとなる１組の検出器２１が検出信号１２を同時出力した場合、検出層２２に入射有りの検定結果を示すコインシデンス信号を出力する。

【0023】

そして検定回路１６は、積層体２０に配置される全てのコインシデンス回路２３（２３_x1a，２３_x1b，２３_y1a，２３_y1b，２３_x2a，２３_x2b，２３_y2a，２３_y2b…）から一定数以上（例えば４）のコインシデンス信号が同時入力された場合にトリガー信号１４を出力する。

【0024】

なお、コインシデンス回路２３及び検定回路１６における同時の時間間隔とは、荷電粒子の通過時間と、荷電粒子が通過し検出器が検出信号を出力するまでの時間の和である。

【0025】

このようにして検定回路１６は、それぞれの検出層２２（２２_x1，２２_y1，２２_x2，２２_y2…）又はセグメント２５（２５_a，２５_b）に分割された検出層２２（２２_x1a，２２_x1b，２２_y1a，２２_y1b，２２_x2a，２２_x2b，２２_y2a，２２_y2b…）におけるイベントが、ガンマ線などのノイズか荷電粒子１１によるものかを検定する。

【0026】

選定回路１７は、検定回路１６が出力するトリガー信号１４が入力された場合にのみ、読取回路１５が出力する一連の検出器の識別ＩＤと出力時刻の組み合わせを送信回路１８に出力する。トリガー信号１４が入力されなかった場合、検出器の識別ＩＤと出力時刻の情報は破棄される。

【0027】

送信回路１８は、一連の検出器の識別ＩＤと出力時刻の組み合わせを含むイベント情報２６を、データ保存部２７にデータ送信する。これにより、荷電粒子１１のイベント情報２６として一連の検出器ＩＤと出力時刻の組み合わせがデータ保存部２７に蓄積される。ガンマ線等の電磁波や中性子によるノイズイベントの大部分は排除される。

【0028】

そして、軌跡解析部２８は、データ保存部２７の一連の検出器ＩＤと出力時刻の組み合わせを含む荷電粒子１１のイベント情報２６から荷電粒子１１の軌跡を解析する。

【0029】

図４はドリフトチューブ型の検出器２１の動作説明図である。ドリフトチューブ検出器２１は、筒体として金属製円筒管内の中心位置に、正の高電圧が印加される芯線２９が張設されている。そして、検出器２１の円筒管内には、アルゴン等の希ガスを主成分とするガスが封入されている。

【0030】

宇宙線ミュオン等の荷電粒子１１がドリフトチューブ検出器２１を通過すると、ガスが電離されてイオンと電子に分離される。そして、分離した電子が移動して芯線２９に到達したとき、ドリフトチューブ検出器２１から検出信号１２が出力される。

【0031】

図４に示すようにドリフトチューブ検出器２１内で発生した電子の芯線２９まで移動するドリフト時間に基づいて、検出器２１内における荷電粒子１１の通過位置を検出できる。つまり、荷電粒子１１が通過し電子が発生する時刻と電子が芯線２９に到達する時間（検出信号の発生時刻）とから、電子が発生してから芯線２９に移動するまでの移動時間（ドリフト時間）が判明する。このドリフト時間に基づいて芯線２９までの電子の移動距離（ドリフト半径ｒ）を求めることで、ドリフトチューブ検出器２１内での荷電粒子１１の通過位置の検出分解能を向上させることができる。

【0032】

図５のフローチャートに基づいて、実施形態に係る荷電粒子軌跡検出方法を説明する（適宜、図１参照）。まず、検出層２２（２２_x1，２２_y1，２２_x2，２２_y2…）に荷電粒子１１（図３（Ａ））が入射すると（Ｓ１１）、検出器２１から検出信号１２が出力される（Ｓ１２）。

【0033】

次に、同時出力される一対の検出信号１２の組み合わせから、ペアとなる検出器２１が識別される（Ｓ１３）。そして、ミュオン通過らしいイベントの発生としてコインシデンス信号が発信される（Ｓ１４）。

【0034】

次に、同時に一定数以上のコインシデンス信号の発信があった場合（Ｓ１５、Ｙｅｓ）、ミュオンイベントとしてトリガー信号１４を出力し、検出信号１２（１２_x，１２_y）を発した一連の検出器の識別ＩＤと出力時刻の情報の組み合わせをデータ保存部２７に送信し（Ｓ１６）、イベント情報２６としてデータ保存する（Ｓ１７）。

【0035】

一方において、トリガー信号１４の発信と同時に識別されなかった検出信号１２（１２_x，１２_y）は（Ｓ１５、Ｎｏ）、ガンマ線等のノイズ成分の検出とみなされ、破棄される。そして、測定を終了するまで（Ｓ１１）から（Ｓ１７）までのフローが繰返される（Ｓ１８、Ｎｏ、Ｙｅｓ、ＥＮＤ）。

【0036】

実施形態で説明した荷電粒子軌跡検出技術を用いて、原子炉、乾式キャスク、燃料デブリ、コンテナ、車両、列車、船舶の何れかを、地表に到達する宇宙線ミュオン等の荷電粒子を用いて測定することができる。特に、原子炉、原子炉の構造物、核燃料、使用済み燃料、燃料デブリ、放射性廃棄物、特殊核物質等を対象とする場合等、ガンマ線または中性子等の高放射線環境下における荷電粒子の軌跡検出に好適である。

【0037】

以上述べた少なくともひとつの実施形態の荷電粒子軌跡検出装置１０によれば、異なる階層の検出層２２の間で、入射有りの検定結果を示すトリガー信号１４と同時に識別された一連の検出信号１２の組み合わせを選定することにより、高放射線環境下で安定的に荷電粒子１１の軌跡を検出することが可能となる。

【0038】

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、組み合わせ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同様に、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ものである。

【符号の説明】

【0039】

１０…荷電粒子軌跡検出装置、１１…荷電粒子、１２（１２_x，１２_y）…検出信号、１４…トリガー信号、１５…読取回路、１６…検定回路、１７…選定回路、１８…送信回路、１９…基板、２０…積層体、２１（２１_x，２１_y，２１ａ，２１ｂ）…検出器、２２（２２_x1，２２_y1，２２_x2，２２_y2…）…検出層、２３（２３_x1a，２３_x1b，２３_y1a，２３_y1b，２３_x2a，２３_x2b，２３_y2a，２３_y2b…）…コインシデンス回路、２５…セグメント、２６…イベント情報、２７…データ保存部、２８…軌跡解析部、２９…芯線。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】