(57)【要約】【課題】荷電粒子の飛跡を高い時間分解能で精度良く特定することができる荷電粒子飛跡検出器を提供する。【解決手段】荷電粒子飛跡検出器１０は、入射した荷電粒子と相互作用することによってチェレンコフ光を発生させる媒質からなるラジエータ１２と、二次元に配列された複数の画素１４ｂがラジエータ１２の裏面１２ｂに対応するように配置された光検出部１３と、光検出部１３から出力された信号に基づいて、チェレンコフ光を検出した複数の画素１４ｂの位置情報及びその時刻情報を取得し、取得した位置情報及び時刻情報、並びにラジエータ１２におけるチェレンコフ光の伝播軌跡に基づいて、荷電粒子の飛跡を求める制御部１５と、を備える。【選択図】図１
2018072114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した荷電粒子と相互作用することによってチェレンコフ光を発生させる媒質からなるラジエータと、
二次元に配列された複数の画素が前記ラジエータの所定面に対応するように配置された光検出部と、
前記光検出部から出力された信号に基づいて、前記チェレンコフ光を検出した複数の前記画素の位置情報及びその時刻情報を取得し、取得した前記位置情報及び前記時刻情報、並びに前記ラジエータにおける前記チェレンコフ光の伝播軌跡に基づいて、前記荷電粒子の飛跡を求める制御部と、を備える、荷電粒子飛跡検出器。
【請求項２】
前記制御部は、前記荷電粒子の速度を更に求める、請求項１に記載の荷電粒子飛跡検出器。
【請求項３】
前記所定面を除く前記ラジエータの外面に設けられ、前記チェレンコフ光を吸収する光吸収層を更に備える、請求項１又は２に記載の荷電粒子飛跡検出器。
【請求項４】
前記ラジエータは、前記所定面として、互いに対向する第１面及び第２面を有し、
前記光検出部は、二次元に配列された複数の前記画素が前記第１面に対応するように配置された第１光検出器、及び、二次元に配列された複数の前記画素が前記第２面に対応するように配置された第２光検出器を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の荷電粒子飛跡検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子飛跡検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、リングイメージ型のチェレンコフ検出器が開示されている。この検出器は、加速器によって運ばれる荷電粒子の軌道上に配置されたラジエータ（媒質）と、ラジエータの後方に配置された光検出器と、を備えている。この検出器では、ラジエータに荷電粒子が入射した際に発生するチェレンコフ光が光検出器によって検出され、検出されたリングの大きさに基づいて荷電粒子の種類が特定される。
【０００３】
非特許文献２には、複数のワイヤーが２枚の平面状の電極の間に配置されたワイヤーチェンバーが開示されている。この装置では、荷電粒子がガス中の分子を電離させるという作用に基づいて荷電粒子の飛跡が特定される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】S.Iwata et al., "Development of Ring Imaging Cherenkov counterfor Belle II experiment at super KEKB"Phys. Proc., vol.37, (2012) p.820-829
【非特許文献２】G.Charpak et al., "THE USE OF MULTIWIRE PROPORTIONAL COUNTERSTO SELECT AND LOCALIZE CHARGED PARTICLES", Nucl. Instrum. Meth. 62, (1968)p.262-268
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
荷電粒子の飛跡の検出は、加速器のビームラインにおけるトリガーカウンタとしての利用、ビームラインにおける荷電粒子の飛跡検出器としての利用、及び、宇宙線中の荷電粒子を利用したイメージングを行う断層撮像装置等、様々な技術への応用が期待されている。
【０００６】
本発明は、荷電粒子の飛跡を高い時間分解能で精度良く特定することができる荷電粒子飛跡検出器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】
【０００７】
一形態の荷電粒子飛跡検出器は、入射した荷電粒子と相互作用することによってチェレンコフ光を発生させる媒質からなるラジエータと、二次元に配列された複数の画素がラジエータの所定面に対応するように配置された光検出部と、光検出部から出力された信号に基づいて、チェレンコフ光を検出した複数の画素の位置情報及びその時刻情報を取得し、取得した位置情報及び時刻情報、並びにラジエータにおけるチェレンコフ光の伝播軌跡に基づいて、荷電粒子の飛跡を求める制御部と、を備える。
【０００８】
この荷電粒子飛跡検出器では、ラジエータに荷電粒子が入射すると、荷電粒子が媒質と相互作用してチェレンコフ光が放出される。チェレンコフ光は、指向性が高いため、ラジエータ内で一方向に伝播する。チェレンコフ光は、光検出部を構成する複数の画素によって検出される。そのため、チェレンコフ光を検出した複数の画素の位置情報及びその時間情報、並びにチェレンコフ光の伝播軌跡から、荷電粒子の飛跡を幾何学的に求めることができる。この荷電粒子の飛跡は、チェレンコフ光を利用しているため、時間分解能が高い。したがって、荷電粒子の飛跡を高い時間分解能で精度良く特定することができる。
【０００９】
また、制御部は、荷電粒子の速度を更に求めてもよい。これにより、荷電粒子の飛跡に加えて、荷電粒子の速度を特定することができる。
【００１０】
また、荷電粒子飛跡検出器は、所定面を除くラジエータの外面に設けられ、チェレンコフ光を吸収する光吸収層を更に備えてもよい。これにより、媒質表面でのチェレンコフ光の反射を抑制し、ノイズを低減することができる。
【００１１】
また、ラジエータは、所定面として、互いに対向する第１面及び第２面を有し、光検出部は、二次元に配列された複数の画素が第１面に対応するように配置された第１光検出器、及び、二次元に配列された複数の画素が第２面に対応するように配置された第２光検出器を有してもよい。これにより、第１面側からラジエータに入射した荷電粒子、及び第２面側からラジエータに入射した荷電粒子の両方について、荷電粒子の飛跡を高い時間分解能で精度良く特定することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る荷電粒子飛跡検出器によれば、荷電粒子の飛跡を高い時間分解能で精度良く特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、第１実施形態の荷電粒子飛跡検出器の構成図である。
【図２】図２の（ａ）及び（ｂ）は、媒質内で放出されるチェレンコフ光を説明するための模式図である。
【図３】図３の（ａ）及び（ｂ）は、荷電粒子の飛跡を特定する原理を説明するための図である。
【図４】図４の（ａ）及び（ｂ）は、荷電粒子の飛跡を特定する原理を説明するための図である。
【図５】図５の（ａ）及び（ｂ）は、荷電粒子の速度を特定する原理を説明するための図である。
【図６】図６は、制御部の処理を示すフローチャートである。
【図７】図７は、第２実施形態の荷電粒子飛跡検出器の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。便宜上、実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
【００１５】
［第１実施形態］
図１は、荷電粒子飛跡検出器の構成を示すブロック図である。図１に示されるように、荷電粒子飛跡検出器１０は、ラジエータ１２及び光検出部１３を有する検出部１１と、信号処理回路１６、記憶媒体１７及び算出回路１８を有する制御部１５と、を備えている。荷電粒子飛跡検出器１０は、ラジエータ１２の媒質に入射した荷電粒子の飛跡及び速度を特定する。
【００１６】
ラジエータ１２は、入射した荷電粒子と相互作用することによってチェレンコフ光を発生させる媒質からなる。ラジエータ１２は、互いに対向する表面１２ａ及び裏面（所定面）１２ｂと、表面１２ａと裏面１２ｂとを接続する側面１２ｃと、を有する平板状をなしている。ラジエータ１２内では、入射した荷電粒子の相互作用によってチェレンコフ光が生じる。例えばラジエータ１２の密度が小さい場合、荷電粒子はラジエータ１２中において直進しやすい。また、ラジエータ１２内におけるシンチレーション光の発生はノイズの原因となり得る。そこで、ラジエータ１２は、密度が小さく、シンチレーション光を発生し難いシリカエアロゲル（ＳｉＯ２）やアクリル等の媒質によって形成され得る。
【００１７】
ラジエータ１２の裏面１２ｂを除く外面である表面１２ａ及び側面１２ｃには、ラジエータ１２内で発生したチェレンコフ光を吸収する光吸収層１２ｄが設けられている。光吸収層１２ｄは、例えば表面１２ａ及び側面１２ｃに貼着されたブラックテープである。また、光吸収層１２ｄは、表面１２ａ及び側面１２ｃに塗布された黒色の塗布膜であってもよい。光吸収層１２ｄは、チェレンコフ光以外の光を吸収してもよい。
【００１８】
光検出部１３は、第１光検出器１４を有している。第１光検出器１４は、ラジエータ１２の裏面１２ｂに設けられており、ラジエータ１２内で発生したチェレンコフ光を検出する。第１光検出器１４は、光電変換を行う複数の画素１４ｂが二次元に配列された検出面１４ａを有している。複数の画素１４ｂは、ラジエータ１２の裏面１２ｂに対応するように配置されている。より具体的には、第１光検出器１４は、裏面１２ｂと検出面１４ａとが互いに対面するように、ラジエータ１２にカップリングされている。これらの各画素１４ｂは、検出面１４ａにおける画素１４ｂの位置情報の一部であるセグメントアドレスと、当該セグメントアドレスでチェレンコフ光が検出された検出時刻と、を保持することができる。この検出時刻は、第１光検出器１４から出力された信号に基づいて取得される時刻情報である。第１光検出器１４は、セグメントアドレスと、検出時刻を示す時刻情報と、をリストデータとして制御部１５に出力する。各画素１４ｂは、例えばＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）によって構成され得る。
【００１９】
図２は、ラジエータ１２内で放出されるチェレンコフ光を説明するための模式図である。図２の（ａ）は、ラジエータ１２及び第１光検出器１４が断面視で模式的に示され、図２の（ｂ）では、第１光検出器１４が平面視で模式的に示されている。図２の（ａ）に示されるように、ラジエータ１２の表面１２ａに荷電粒子Ｐが入射すると、荷電粒子Ｐがラジエータ１２内で相互作用し、チェレンコフ光Ｃが放出される。チェレンコフ光Ｃは、荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴを中心として円錐状に広がる伝播軌跡ＣＴを描く。荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴが検出面１４ａに対して傾斜している場合、図２の（ｂ）に示されるように、チェレンコフ光Ｃを検出する画素１４ｂの位置Ｓの輪郭が楕円Ｎを形成する。一例として、荷電粒子Ｐは、ラジエータ１２における飛跡ＰＴが直線状となると共にその速度が略一定となるような十分高いエネルギーを有する。荷電粒子Ｐがラジエータ１２内を進むにつれて、荷電粒子Ｐがラジエータ１２内で相互作用することが繰り返される。したがって、荷電粒子Ｐがラジエータ１２内を進むにつれてチェレンコフ光Ｃが放出される。
【００２０】
図１に示されるように、制御部１５は、第１光検出器１４から出力された信号に基づいて、チェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１４ｂの位置情報及び時刻情報を取得する。制御部１５は、取得した位置情報及び時刻情報、並びにラジエータ１２におけるチェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴに基づいて、荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴを求める。
【００２１】
信号処理回路１６は、第１光検出器１４からリストデータを複数取得し、取得したリストデータを時刻情報に基づいてソートする。更に、信号処理回路１６は、取得したリストデータが有効であるか否かを判定する。そして、リストデータが有効であると判定された場合、信号処理回路１６は当該リストデータを記憶媒体１７に記憶させる。リストデータの有効性は、同じ荷電粒子に起因して放出されたチェレンコフ光Ｃを検出した画素１４ｂのリストデータの数が所定数以上であるか否かによって判定される。例えば、所定の時間幅をもったタイムウィンドウ内に入るリストデータの数が所定数以上であるか否かによってリストデータの有効性を判定することができる。この場合、タイムウィンドウの時間幅は、同時刻にチェレンコフ光Ｃを検出した画素１４ｂのみがタイムウィンドウ内に入るように設定されるものであり、例えば５００ｐｓである。
【００２２】
算出回路１８は、信号処理回路１６によって有効であると判定された複数のリストデータを記憶媒体１７から取得する。そして、ラジエータ１２中におけるチェレンコフ光の伝播軌跡に基づいて、複数のリストデータから荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴ及び速度が算出される。算出回路１８は、例えば演算処理が行われるＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）といったメモリにより構成される記憶装置と、入出力装置と、を含むコンピュータである。また、算出回路１８は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）回路で構成されてもよい。算出回路１８では、後述する原理に基づいて荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴ及び速度を特定する処理が実行される。
【００２３】
図３及び図４を参照しつつ、ラジエータ１２内において荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴを特定する原理について説明する。図３及び図４は、荷電粒子の飛跡を特定する原理を説明するための図である。図３の（ａ）の例では、検出面１４ａが実線で示され、荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴが太い実線で示されている。また、チェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴが二点鎖線で示されている。また、検出面１４ａの法線Ｈと荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴとのなす角度（入射角）はθｉであり、チェレンコフ光Ｃの放出角度はθｃである。図３の（ａ）では、チェレンコフ光Ｃを検出した第１光検出器１４の画素１４ｂの位置の輪郭が形成する楕円Ｎの長軸及び法線Ｈに沿った平面が示されている。
【００２４】
図３の（ｂ）の例では、第１光検出器１４の検出面１４ａ上の任意の位置に原点が設定されている。直交座標系ＸＹＺは、検出面１４ａ上に設定されたＸ軸及びＹ軸と、ラジエータ１２側に延びるＺ軸と、によって構成されている。図３の（ｂ）では、Ｘ−Ｙ平面が示されている。この場合、第１光検出器１４の検出面１４ａの法線Ｈは、Ｚ軸方向に沿っている。
【００２５】
図３の（ｂ）に示されるように、チェレンコフ光Ｃを検出した画素１４ｂの位置の輪郭にフィッティングする楕円Ｎは、円錐状をなすチェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴを入射角度θｉで切断した形状であり、長さをａとする長径と、長さをｂとする短径とを有する。図３の（ｂ）の例では、楕円Ｎの中心点の座標は（ｘ０，ｙ０）で示され、楕円Ｎの長軸とＸ軸とのなす角は角度θｅである。
【００２６】
このようなチェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴと、チェレンコフ光Ｃを検出した画素１４ｂの位置を示すセグメントアドレスと、に基づいて、チェレンコフ光Ｃの放出角度θｃと、荷電粒子Ｐの入射角度θｉと、を特定することができる。放出角度θｃは、ラジエータ１２の厚さをＺとし、楕円Ｎの長径の長さａ及び短径の長さｂを用いると、式（１）のように表される。
【数１】
2018072114.tif 000003
【００２７】
また、荷電粒子Ｐの入射角度θｉは、ラジエータ１２の厚さＺ、長径の長さａ、及び短径の長さｂを用いて、式（２）のように表される。
【数２】
2018072114.tif 000004
【００２８】
ラジエータ１２中での荷電粒子Ｐの速度の大きさをβとすると、チェレンコフ光Ｃの放出角度θｃと、荷電粒子Ｐの入射角度θｉと、楕円Ｎの長軸とＸ軸とのなす角度θｅと、を用いて、荷電粒子Ｐの速度ベクトルが求められる。ここで、速度ベクトルは、楕円Ｎの長軸とＸ軸とのなす角が角度θｅの場合だけでなく、角度θｅ＋πの場合も存在するため、以下の式（３）又は（４）の２通りの候補に決定される。
【数３】
2018072114.tif 000005
【数４】
2018072114.tif 000006
【００２９】
上記速度ベクトルを有する荷電粒子Ｐが、ラジエータ１２の裏面１２ｂの座標（ｘｐ，ｙｐ）で示される位置を通過する場合、ｘｐ及びｙｐは、楕円Ｎの中心点の座標（ｘ０，ｙ０）と、荷電粒子Ｐの入射角度θｉと、チェレンコフ光Ｃの放出角度θｃと、楕円Ｎの長軸とＸ軸とのなす角度θｅと、長径の長さａと、を用いて求められる。速度ベクトルが式（３）で表される場合、ｘｐ及びｙｐは、式（５）のように表される。
【数５】
2018072114.tif 000007
【００３０】
速度ベクトルが式（４）で表される場合、ｘｐ及びｙｐは、式（６）のように表される。
【数６】
2018072114.tif 000008
【００３１】
以上の式を用いることで、上記座標（ｘｐ，ｙｐ）を通って上記速度ベクトルの方向成分を有する直線の軌跡として、荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴが特定される。
【００３２】
ここで、速度ベクトルには、式（３）又は（４）によって決定される２通りの候補があることから、図４の（ａ）に示されるように、荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴも２通りの候補が存在する。具体的には、楕円Ｎの長軸方向の一方側から荷電粒子Ｐがラジエータ１２に入射した場合と、楕円Ｎの長軸方向の他方側から荷電粒子Ｐがラジエータ１２に入射した場合と、の２通りの飛跡ＰＴの候補が存在する。そのため、図４の（ｂ）に示されるような楕円Ｎの形状のみからでは、いずれが実際の飛跡ＰＴであるかを決めることは困難である。そこで、荷電粒子Ｐがラジエータ１２内を進むにつれてチェレンコフ光Ｃが放出され、楕円Ｎの内部の画素１４ｂがチェレンコフ光Ｃを検出していることを利用して、上記２通りの候補のうちのいずれの飛跡ＰＴが実際の飛跡ＰＴであるかを特定する。
【００３３】
図４の（ｂ）に示されるように、楕円Ｎの内部の画素１４ｂは、ラジエータ１２内を進む荷電粒子Ｐから放出されたチェレンコフ光Ｃを検出している。これにより、楕円Ｎの内部では、検出面１４ａにおけるチェレンコフ光Ｃの光子の密度（以下、単に「光子密度」ともいう）について、荷電粒子Ｐの入射角度θｉに応じた一定の分布が生じている。光子密度は、例えば同一のタイムウィンドウにおいてチェレンコフ光Ｃを検出した画素１４ｂの数及びセグメントアドレスに基づいて算出される。光子密度は、チェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１４ｂの位置情報の一部である。
【００３４】
例えば、図４の（ｂ）に示されるように、楕円Ｎの長軸方向に直交する面であって楕円Ｎの短軸を含む面で検出部１１を２つの領域Ａ１，Ａ２に仮想的に分割する。図４の（ｂ）の例では、領域Ａ１における光子密度が領域Ａ２における光子密度よりも高い。ここで、ラジエータ１２中を伝播する光子は、一定の確率で散乱又は吸収され得る。よって、飛跡ＰＴから検出面１４ａまでの光路が短いほど、画素１４ｂによる検出の確率が高くなるため、光子密度が高くなる。逆に、飛跡ＰＴから検出面１４ａまでの光路が長いほど、画素１４ｂによる検出の確率は低くなるため、光子密度が低くなる。したがって、上記２通りの候補のうち、領域Ａ１，Ａ２のうち光子密度が高い方の領域（ここでは領域Ａ１）に存在する飛跡ＰＴが実際の飛跡ＰＴであると特定することができる。
【００３５】
引き続いて、図５を参照しつつ、ラジエータ１２内での荷電粒子Ｐの速度を特定する原理について説明する。図５は、荷電粒子の速度を特定する原理を説明するための図である。図５では、説明の簡素化のために、荷電粒子Ｐがラジエータ１２の表面１２ａに垂直に入射する場合を例示している。図５では、荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴが破線で示され、チェレンコフ光Ｃの伝播軌跡が二点鎖線で示されている。
【００３６】
上述したように、チェレンコフ光Ｃは、飛跡ＰＴを中心として円錐状に広がる伝播軌跡ＣＴを描く。このようなチェレンコフ光Ｃの放出角度θｃは、ラジエータ１２の媒質の屈折率をｎとし、ラジエータ１２中での荷電粒子Ｐの速度をβとすると、式（７）の関係を満たす。
【数７】
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【００３７】
図５の（ａ）及び（ｂ）の例では、図５の（ａ）での放出角度θｃは、図５の（ｂ）での放出角度θ’ｃよりも大きい。この場合、図５の（ａ）での荷電粒子Ｐの速度は、図５の（ｂ）での荷電粒子Ｐの速度よりも速くなる。
【００３８】
次に、制御部１５による処理フローについて説明する。図６は、制御部１５の処理を示すフローチャートである。まず、信号処理回路１６が、第１光検出器１４の各画素１４ｂから出力されたリストデータを取得する（ステップＳ１）。リストデータは、画素１４ｂがチェレンコフ光を検出した時刻を示す時刻情報と、当該画素１４ｂの位置を示すセグメントアドレスとを含んでいる。
【００３９】
信号処理回路１６は、取得した複数のリストデータを時刻情報に基づいてソートする（ステップＳ２）。そして、信号処理回路１６は、ソートされたリストデータからタイムウィンドウ内に入るリストデータ群を取得し、取得されたリストデータ群を構成するリストデータの数を判定する（ステップＳ３）。この場合、リストデータ群を構成する各リストデータにおける互いの時刻情報の差は、タイムウィンドウの時間幅に収まっている。ステップＳ３において、リストデータ群を構成するリストデータの数が所定数以上の場合には、これらのリストデータが記憶媒体１７に転送され、記憶される（ステップＳ４）。所定数は、信号処理回路１６がリストデータを記憶媒体１７に転送させると共に記憶させるか否かを判定するためのリストデータの数の閾値である。また、リストデータ群を構成するリストデータの数が所定数未満の場合には、これらのリストデータは無効なデータとして処理される。この場合には、チェレンコフ光の発生位置を求めない。一例として、ステップＳ３では、リストデータの数が５つ以上のときに有効なデータであると判定しているが、実際上は、所定数は任意に決めることができる。
【００４０】
続いて、算出回路１８によって、記憶媒体１７に記憶されたリストデータ群に基づく楕円フィッティングが行われる（ステップＳ５）。すなわち、算出回路１８は、リストデータ群を構成する各リストデータのセグメントアドレスが示す位置の輪郭にフィッティングされる楕円を導出する。本実施形態では、リストデータ群を構成するリストデータの数が５つ以上であるため、楕円を一つに特定することができる。楕円フィッティングは、例えばロバスト推定を用いた近似によって求めることができる。算出回路１８は、導出された楕円の情報から、楕円の中心（ｘ０，ｙ０）の座標、長径の長さａ、短径の長さｂ、及び、楕円Ｎの長軸とＸ軸とのなす角度θｅを取得する。
【００４１】
そして、算出回路１８は、取得された楕円の情報を用いて、上記の決定原理に基づいて放出角度θｃを算出し（ステップＳ６）、この放出角度θｃを用いて飛跡ＰＴの候補を算出する（ステップＳ７）。算出回路１８は、記憶媒体１７に記憶されたリストデータ群に基づいて光子密度を取得し（ステップＳ８）、取得した光子密度に基づいて飛跡ＰＴを一意的に決定する（ステップＳ９）。その後、算出回路１８は、算出した放出角度θｃを用いて、荷電粒子Ｐの速度を算出する（ステップＳ１０）。
【００４２】
以上説明した荷電粒子飛跡検出器１０では、ラジエータ１２に荷電粒子Ｐが入射すると、荷電粒子Ｐが媒質と相互作用してチェレンコフ光Ｃが放出される。チェレンコフ光Ｃは、指向性が高いため、ラジエータ１２内で一方向に伝播する。チェレンコフ光Ｃは、光検出部１３の第１光検出器１４を構成する複数の画素１４ｂによって検出される。そのため、チェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１４ｂの位置情報及びその時間情報、並びにチェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴから、荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴを幾何学的に求めることができる。この荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴは、チェレンコフ光Ｃを利用しているため、時間分解能が高い。したがって、荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴを高い時間分解能で精度良く特定することができる。
【００４３】
荷電粒子飛跡検出器１０では、制御部１５は、荷電粒子Ｐの速度βを更に求める。これにより、荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴに加えて、荷電粒子Ｐの速度βを特定することができる。
【００４４】
荷電粒子飛跡検出器１０では、裏面１２ｂを除くラジエータ１２の外面である表面１２ａ及び側面１２ｃに設けられ、チェレンコフ光Ｃを吸収する光吸収層１２ｄを更に備える。これにより、媒質表面でのチェレンコフ光Ｃの反射を抑制し、ノイズを低減することができる。
【００４５】
なお、上述した荷電粒子飛跡検出器１０は、例えば加速器のビームラインに組み込むことで、荷電粒子の飛跡検出器として機能するだけでなく、トリガーカウンタとしても利用することができる。
【００４６】
また、荷電粒子飛跡検出器１０は、複数個（例えば２個）の荷電粒子飛跡検出器１０を組み合わせることで、宇宙線中の荷電粒子を利用したイメージングを行う断層撮像装置を構成することができる。具体的には、構造が未知の物体（未知物体）を挟むように一対の荷電粒子飛跡検出器１０を組み合わせる。このとき、一方の荷電粒子飛跡検出器１０におけるラジエータ１２の裏面１２ｂと、他方の荷電粒子飛跡検出器１０におけるラジエータ１２の表面１２ａと、で未知物体を挟むように、一対の荷電粒子飛跡検出器１０を配置する。
【００４７】
ここで、ある物質中を荷電粒子が通過するとき、その通過の前後で、通過前における荷電粒子の飛跡及び通過後における荷電粒子の飛跡が成す角（散乱角）は、当該物質の組成に依存する。したがって、あらゆる角度から未知物体に入射すると共に当該未知物体を通過する荷電粒子について、その通過前後の散乱角の分布を観測し、観測により得られた散乱角の分布情報を再構成することで、未知物体を構成する物質の組成を推測することができる。
【００４８】
［第２実施形態］
第２本実施形態の荷電粒子飛跡検出器１０Ａは、光検出部１３が第１光検出器１４に加えて第２光検出器１９を有している点で、第１実施形態の荷電粒子飛跡検出器１０と相違している。以下、主として第１実施形態と相違する点について説明し、同一の要素や部材については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４９】
図７に示されるように、第２光検出器１９は、ラジエータ１２の表面（所定面）１２ａに設けられている。つまり、第２本実施形態では、ラジエータ１２の裏面１２ｂが所定面としての第１面に相当し、ラジエータ１２の表面１２ａが所定面としての第２面に相当する。
【００５０】
第２光検出器１９は、ラジエータ１２内で発生したチェレンコフ光Ｃを検出する。特に、第２光検出器１９は、裏面１２ｂ側からラジエータ１２に入射した荷電粒子Ｐによってラジエータ１２内で発生したチェレンコフ光Ｃを検出する。第２光検出器１９は、光電変換を行う複数の画素１９ｂが二次元に配列された検出面１９ａを有している。複数の画素１９ｂは、ラジエータ１２の表面１２ａに対応するように配置されている。より具体的には、第２光検出器１９は、表面１２ａと検出面１９ａとが互いに対面するように、ラジエータ１２にカップリングされている。これらの各画素１９ｂは、検出面１９ａにおける画素１９ｂの位置情報の一部であるセグメントアドレスと、当該セグメントアドレスでチェレンコフ光Ｃが検出された検出時刻と、を保持することができる。この検出時刻は、第２光検出器１９から出力された信号に基づいて取得される時刻情報である。第２光検出器１９は、セグメントアドレスと、検出時刻を示す時刻情報と、をリストデータとして制御部１５に出力する。各画素１９ｂは、例えばＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）によって構成され得る。
【００５１】
ラジエータ１２の表面１２ａ及び裏面１２ｂを除く外面である側面１２ｃには、ラジエータ１２内で発生したチェレンコフ光Ｃを吸収する光吸収層１２ｄが設けられている。光吸収層１２ｄとしては、第１実施形態のものと同じ光吸収層１２ｄを用いることができる。
【００５２】
荷電粒子飛跡検出器１０Ａでは、裏面１２ｂ側からラジエータ１２に荷電粒子Ｐが入射すると、荷電粒子Ｐが媒質と相互作用してチェレンコフ光Ｃが放出される。チェレンコフ光Ｃは、指向性が高いため、ラジエータ１２内で一方向に伝播する。チェレンコフ光Ｃは、第２光検出器１９を構成する複数の画素１９ｂによって検出される。そのため、チェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１９ｂの位置情報及びその時間情報、並びにチェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴから、荷電粒子Ｐの飛跡ＰＴを幾何学的に求めることができる。飛跡ＰＴ及び速度βの特定の原理、並びに制御部１５による処理は、第１実施形態と同様である。
【００５３】
以上説明した荷電粒子飛跡検出器１０Ａでは、ラジエータ１２は、所定面として、互いに対向する表面（第２面）１２ａ及び裏面（第１面）１２ｂを有する。光検出部１３は、二次元に配列された複数の画素１４ｂが裏面１２ｂに対応するように配置された第１光検出器１４、及び、二次元に配列された複数の画素１９ｂが表面１２ａに対応するように配置された第２光検出器１９を有する。これにより、第１面側からラジエータに入射した荷電粒子、及び第２面側からラジエータに入射した荷電粒子の両方について、荷電粒子の飛跡を高い時間分解能で精度良く特定することができる。
【００５４】
荷電粒子飛跡検出器１０Ａは、所定面（表面１２ａ及び裏面１２ｂ）を除くラジエータ１２の外面である側面１２ｃに設けられ、チェレンコフ光Ｃを吸収する光吸収層１２ｄを更に備える。これにより、媒質表面でのチェレンコフ光Ｃの反射を抑制し、ノイズを低減することができる。
【００５５】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、２通りの候補のうちのいずれの飛跡ＰＴが実際の飛跡ＰＴであるかを特定する手法として、２通りの候補のうち楕円Ｎ内の光子密度が高い方の領域に存在する飛跡ＰＴが実際の飛跡ＰＴであると特定する例を示したが、その他の手法であってもよい。例えば、楕円Ｎの円周上における光子数が多い方の領域に存在する飛跡ＰＴが実際の飛跡ＰＴであると特定してもよい。
【００５６】
ラジエータ１２を構成する材料として、密度が小さく、シンチレーション光を発生し難いシリカエアロゲル（ＳｉＯ２）やアクリル等の媒質を挙げたが、これらに限定されない。検出の対象となる荷電粒子のエネルギーに応じて屈折率、密度等を考慮して上記以外の材料をラジエータ１２として使用してもよい。
【００５７】
光吸収層１２ｄは、例えば放出されるチェレンコフ光Ｃの拡がりに対してラジエータ１２が十分に平面状に広い場合には側面１２ｃによる光の反射を考慮せず、側面１２ｃの光吸収層１２ｄを省略してもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１０…荷電粒子飛跡検出器、１２…ラジエータ（媒質）、１２ａ…表面（所定面、第２面、外面）、１２ｂ…裏面（所定面、第１面）、１２ｃ…側面（外面）、１２ｄ…光吸収層、１３…光検出部、１４…第１光検出器、１４ｂ…画素、１５…制御部、１９…第２光検出器、１９ｂ…画素、Ｃ…チェレンコフ光、ＣＴ…伝播軌跡、ｎ…屈折率、Ｐ…荷電粒子、ＰＴ…飛跡、β…速度。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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