(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミュオンを利用して対象物の内部に存在する物質を特定する内部物質特定装置であって、
前記対象物を挟んで設けられて互いに対向する面が平面上に広がり該平面におけるミュオンの入射位置および入射方向を測定可能な２つのミュオン軌跡検出器と、
前記２つのミュオン軌跡検出器それぞれからの複数のミュオン検出信号を受けて内部物質を構成する元素を特定する解析コンピュータと、
を備え、
前記解析コンピュータは、
前記複数のミュオン検出信号を同一のミュオンにより発生した信号ごとにグループ化するグルーピング部と、
前記グループ化の結果、同一グループとされた複数の信号に基づいてミュオン散乱角を算出するミュオン散乱角算出部と、
既知の物質を収納した前記対象物を用いて、較正データを算出するミュオン散乱角較正部と、
前記較正データを用い前記ミュオン散乱角に基づいて内部物質を構成する元素を特定する内部物質特定部と、
を備えることを特徴とする内部物質特定装置。
【請求項２】
前記較正データは、次の式（１）における係数Ｃの値であることを特徴とする請求項１に記載の内部物質特定装置。
θ＝Ｃ・√（ｔ／Ｘ０）          …（１）
ただし、θはミュオン散乱角、Ｘ０は放射長、ｔは物質の厚さである。
【請求項３】
ミュオンを利用して対象物の内部に存在する物質を特定する内部物質特定方法であって、
前記対象物を挟んで設けられた２つのミュオン軌跡検出器によってミュオンの検出を行い複数のミュオン検出信号を取得する検出ステップと、
前記複数のミュオン検出信号を同一のミュオンにより発生された信号ごとにグループ化するグルーピングステップと、
前記グルーピングステップの後に、前記グループ化の結果、同一グループとされた複数の信号に基づいてミュオン散乱角を算出するミュオン散乱角算出ステップと、
既知の物質を収納した前記対象物を用いて、較正データを算出し出力するミュオン散乱角較正ステップと、
前記ミュオン散乱角較正ステップにおいて得られた前記較正データを用い前記ミュオン散乱角算出ステップにおいて得られた前記ミュオン散乱角に基づいてそれぞれのグループについての内部物質を構成する元素を特定する内部物質特定ステップと、
を有することを特徴とする内部物質特定方法。
【請求項４】
前記較正データは、次の式（２）における係数Ｃの値であることを特徴とする請求項３に記載の内部物質特定方法。
θ＝Ｃ・√（ｔ／Ｘ０）          …（２）
ただし、θはミュオン散乱角、Ｘ０は放射長、ｔは物質の厚さである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ミュオンを用いて対象物の内部物質を特定する内部物質特定装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物の内部をイメージングする方法として、ミュオンの散乱を測定するミュオントモグラフィ技術がある。例えば、地表に到達する宇宙線ミュオンの物質中におけるクーロン多重散乱角を観測して、車両や貨物用コンテナの内部を検査する技術が知られている。
【０００３】
ミュオントモグラフィによるイメージングでは、透視の対象となる構造物の上下、あるいは前後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、散乱前後の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。ミュオンのクーロン多重散乱は物質の原子番号に依存するため、平均散乱角から物質の原子番号を推定することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｃ．Ｍｏｒｒｉｓ，ｅｔ  ａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｇｌｏｒｂａｌ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ  １６，３７（２００８）．
【非特許文献２】Ｃ．Ｍｏｒｒｉｓ，ｅｔ  ａｌ．，ＡＩＰ  Ａｄｖａｎｃｅｓ  ２，０４２１２８（２０１２）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、遮へい物などの構造物が介在し、その構造物越しに測定対象物を観測する場合は、遮へい物などがない場合と比べて、ミュオンの散乱角が変化する。すなわち、ミュオンが、遮へい体を通過することに伴いミュオン粒子のエネルギーが低下する。一方、ミュオンのクーロン多重散乱角はミュオン粒子のエネルギーに反比例する。このため測定対象物でのミュオン多重散乱が変化することによる。
【０００６】
この結果、ミュオンの散乱角によって物質を特定しようとする上では、特定の誤差が大きくなる。このため、従来手法では遮へい物内の物質特定が困難であった。
【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、対象物の内部に存在する物質の構成元素を定量的に特定できることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本実施形態は、ミュオンを利用して対象物の内部に存在する物質を特定する内部物質特定装置であって、前記対象物を挟んで設けられて互いに対向する面が平面上に広がり該平面におけるミュオンの入射位置および入射方向を測定可能な２つのミュオン軌跡検出器と、前記２つのミュオン軌跡検出器それぞれからの複数のミュオン検出信号を受けて内部物質を構成する元素を特定する解析コンピュータと、を備え、前記解析コンピュータは、前記複数のミュオン検出信号を同一のミュオンにより発生した信号ごとにグループ化するグルーピング部と、前記グループ化の結果、同一グループとされた複数の信号に基づいてミュオン散乱角を算出するミュオン散乱角算出部と、既知の物質を収納した前記対象物を用いて、較正データを算出するミュオン散乱角較正部と、前記較正データを用い前記ミュオン散乱角に基づいて内部物質を構成する元素を特定する内部物質特定部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本実施形態は、ミュオンを利用して対象物の内部に存在する物質を特定する内部物質特定方法であって、前記対象物を挟んで設けられた２つのミュオン軌跡検出器によってミュオンの検出を行い複数のミュオン検出信号を取得する検出ステップと、前記複数のミュオン検出信号を同一のミュオンにより発生された信号ごとにグループ化するグルーピングステップと、前記グルーピングステップの後に、前記グループ化の結果、同一グループとされた複数の信号に基づいてミュオン散乱角を算出するミュオン散乱角算出ステップと、既知の物質を収納した前記対象物を用いて、較正データを算出し出力するミュオン散乱角較正ステップと、前記ミュオン散乱角較正ステップにおいて得られた前記較正データを用い前記ミュオン散乱角算出ステップにおいて得られた前記ミュオン散乱角に基づいてそれぞれのグループについての内部物質を構成する元素を特定する内部物質特定ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態によれば、対象物の内部に存在する物質の構成元素を定量的に特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る内部物質特定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態に係る内部物質特定装置のミュオン軌跡検出器の構成を示す斜視図である。
【図３】本実施形態に係る内部物質特定装置のミュオン軌跡検出器のドリフトチューブの構成を示す立断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線矢視部分断面図である。
【図５】散乱角のとり方を説明する概念的斜視図である。
【図６】本実施形態に係る内部物質特定方法の手順を示すフロー図である。
【図７】本実施形態に係る内部物質特定装置による内部物質特定方法をドライキャスクに適用した場合の例を説明する概念的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るミュオントモグラフィによる内部物質特定装置および方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る内部物質特定装置の構成を示すブロック図である。内部物質特定装置１００は、対象物の内部の物質の構成元素を特定するものであり、ミュオン軌跡検出器１０、解析コンピュータ２０、および出力部３０を有する。
【００１４】
ミュオン軌跡検出器１０は、第１ミュオン軌跡検出器１１および第２ミュオン軌跡検出器１２を含む。第１ミュオン軌跡検出器１１および第２ミュオン軌跡検出器１２のそれぞれは、対象物を挟んで設けられて互いに対向する面が平面上に広がっており、それぞれの面を通過したミュオンを、それぞれが検出する。ミュオン軌跡検出器１０は、通過したミュオンの通過部分におけるミュオンの入射位置および入射方向を測定可能である。
【００１５】
図２は、ミュオン軌跡検出器の構成を示す斜視図である。第１ミュオン軌跡検出器１１および第２ミュオン軌跡検出器１２のそれぞれは、円筒形状で軸方向に延びた位置敏感型のドリフトチューブ１５を複数有する。ユニット１６ａ、１６ｂ、１６ｃのそれぞれは、互いに平行に平面的に２段並べたドリフトチューブ１５を有する。ユニット１６ａ、１６ｂ、１６ｃのそれぞれは互いに、ドリフトチューブ１５が広がる平面に垂直な方向に配列されている。
【００１６】
図３は、ドリフトチューブの構成を示す立断面図である。ドリフトチューブ１５は、
円筒部１５ａ、芯線１５ｂ、端板１５ｃおよび端板１５ｄを有する。端板１５ｃおよび端板１５ｄは、円筒部１５ａの両端部をそれぞれ閉止している。端板１５ｃおよび端板１５ｄは電気的な絶縁機能を有する。円筒部１５ａと端板１５ｃおよび端板１５ｄとは密閉空間を形成し、この密閉空間内には、ミュオンにより電離するガス１５ｅが封入されている。
【００１７】
芯線１５ｂは、円筒部１５ａのほぼ軸中心に設けられて、端板１５ｃおよび端板１５ｄに両端を支持されている。芯線１５ｂは端板１５ｄを貫通している。芯線１５ｂが端板１５ｄの外部に出ている部分は直流電源１５ｆの一方の極性に接続されている。また、円筒部１５ａも直流電源１５ｆの他方の極性に接続されている。
【００１８】
ミュオンがドリフトチューブ１５の内部を通過して、ガス１５ｅの原子を電離してイオンが生ずると、イオンが芯線１５ｂ、円筒部１５ａのいずれかに移動し、パルス状に電流が流れることによりミュオンを検出する。また、電流は最短距離を流れるため、軸方向のいずれの位置で電離が発生したか、すなわち、ミュオンが通過したかを測定することができる。
【００１９】
図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線矢視部分断面図である。ミュオンが軌跡Ｍでミュオン軌跡検出器１０に入射した場合、その軌跡Ｍが通過するドリフトチューブ１５内で電離が発生し、イオンがたとえばそれぞれの芯線に移動する。
【００２０】
ここで、イオンの移動時間は、電離した個所から芯線への距離に依存する。実質、それぞれのドリフトチューブ１５からの信号が同時に発せられたとしても、この移動時間は、ドリフトチューブ１５間で極く微小な時間分が互いに異なっている。ある移動時間を生ずる個所は、芯線を中心にした同心円筒上のいずれかの点である。図４の断面図では、それぞれ破線で表示した円上のいずれかの点である。したがって、信号を発したそれぞれのドリフトチューブ１５での円に基づいて、ミュオンの軌跡を特定することができる。
【００２１】
以上のように、入射位置および入射方向を特定することができる。したがって、第１ミュオン軌跡検出器１１および第２ミュオン軌跡検出器１２はそれぞれ、入射位置および入射方向を特定することができる。
【００２２】
解析コンピュータ２０は、グルーピング部２１、ミュオン散乱角算出部２２、ミュオン散乱角較正部２３、および内部物質特定部２４を有する。
【００２３】
グルーピング部２１は、第１ミュオン軌跡検出器１１および第２ミュオン軌跡検出器１２それぞれからの複数のミュオン検出信号を入力として受け入れる。第１ミュオン軌跡検出器１１からのミュオン検出信号と、第２ミュオン軌跡検出器１２からのミュオン検出信号とが、同時に発生した場合は、同一のミュオンにより、それぞれミュオン検出信号が生じたと判断できる。従って、それぞれのミュオン検出信号の発生時刻を比較することによって、複数のミュオン検出信号を同一のミュオンにより発生された信号ごとにグループ化することができる。
【００２４】
ミュオン散乱角算出部２２は、グルーピング部２１によりグループ化の結果、同一グループとされた複数の信号に基づいてミュオン散乱角を算出する。図５は、散乱角のとり方を説明する概念的斜視図である。今、第１ミュオン軌跡検出器１１からのミュオン検出信号と、第２ミュオン軌跡検出器１２からのミュオン検出信号とが同時に発せられて、同一のミュオンからのミュオン検出信号グループとしてグルーピング部２１でグループ化された場合を例にとる。
【００２５】
第１ミュオン軌跡検出器１１からのミュオン検出信号は、第１ミュオン軌跡検出器１１におけるミュオンの通過位置と方向の情報を有する。同様に、第２ミュオン軌跡検出器１２からのミュオン検出信号は、第２ミュオン軌跡検出器１２におけるミュオンの通過位置と方向の情報を有する。
【００２６】
同一ミュオンにより発生した場合は、第１ミュオン軌跡検出器１１におけるミュオンの通過位置で軌跡方向を延長した直線Ｌ１０と、第２ミュオン軌跡検出器１２におけるミュオンの通過位置で軌跡方向と逆方向に延長した直線Ｌ２０とは、図５のように点Ａで交わる筈であり、このようにしてミュオンが散乱した散乱発生個所である点Ａの位置を算出することができる。
【００２７】
直線Ｌ１０と直線Ｌ２０とは点Ａで交わっていることから、直線Ｌ１０と直線Ｌ２０を含む平面Ｓが存在する。平面Ｓにおいて、直線Ｌ１０と直線Ｌ２０とがなす角度をθとする。角度θはミュオンの進行方向の変化する角度とする。この角度θが散乱角である。なお、ミュオン散乱角について平面Ｓの方向は問わない。すなわち、平面Ｓを、直線Ｌ１０を回転中心にして回転させてもよい。いいかえれば、図５の直線Ｌ１０の方向で入射して、点Ａで散乱した場合、直線Ｌ２０と同様に、点Ａから円Ｃ上の点を結ぶいずれの直線方向であっても、散乱角はθであるとする。ここで、円Ｃは、点Ｐを直線Ｌ１０を中心に回転させた場合の軌跡である。
【００２８】
ミュオン散乱角算出部２２は、この散乱角を算出する。また、このようにして、それぞれの座標位置（図５の点Ａ）についての複数のミュオン散乱角の結果を集積して保存し、集積した結果を時間的に平均した値を、散乱発生個所それぞれにおけるミュオン散乱角として出力する。
【００２９】
なお、ミュオン散乱角算出部２２からの出力は、それぞれの座標位置についての散乱角算出結果の集積をバッチ的に行い、たとえばその平均値など統計的処理をした結果を間欠的に出力することでもよい。あるいは、集積開始後の平均値を常時出力することでもよい。あるいは、所定の時間幅による移動平均を常時出力してもよい。
【００３０】
物質が複数種類の元素で構成されている場合は、同一箇所について、それぞれの元素に対応した散乱角の値が算出されることになる。このようにして算出した散乱発生個所の、対象物内における座標位置ごとのデータを集積することにより、座標位置ごとの頻度分布が求められる。この頻度分布から物質の形状が導き出される。また後述するように、内部物質特定部２４によって、それぞれの位置における構成元素の組成が導き出される。すなわち、ミュオントモグラフィが可能である。
【００３２】
ミュオン散乱角の分布は、０度を中心としておおよそガウス分布となる。ミュオン散乱角の頻度分布から標準偏差σを求める。なお、ミュオン散乱角の平均値θは、標準偏差σ程度である。ある物質の散乱角は、次の式（１）によって与えられる。
【００３３】
【数１】
0006567296.tif 000002
ただし、θ（ｒａｄ）は散乱角、１３．６は１３．６ＭｅＶ、Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）は速度、ｐ（ｋｇ・ｍ／ｓｅｃ）は運動量、Ｘ０（ｍ）は放射長であり物質に固有の値、ｔ（ｍ）は物質の厚さである。ｔは、ミュオントモグラフィで導出された物質の形状から求められる。
【００３４】
また、式（１）を変形して簡略化した次の式（２）は実用上、十分に良い近似を与える。
【００３５】
【数２】
0006567296.tif 000003
したがって、較正は、実質的には、式（２）の定数Ｃを求めることである。ミュオン散乱角較正部２３は、式（２）を算出し、その結果得られた定数Ｃを較正データとして出力する。定数Ｃを求めるいくつかの方法を以下に示す。
【００３６】
物質特定のために、形状と材質が既知の物体を容器内に予め入れておく。既知の物体について測定したミュオン散乱角と既知の物体固有の既知のパラメータ、すなわち放射長Ｘ０（ｍ）および物質の厚さｔ（ｍ）を用いて、式（２）によりＣを決定する。このＣを用いて、未知の物質についてのミュオン散乱角と未知の物質の厚さｔ（ｍ）によって、未知の物質の材質を求めることができる。これは、たとえば、ドライキャスクのように標準的な対象物に、標準的に既知の物質を入れておくなどの場合に有効である。
【００３７】
あるいは、較正用の物質を事前に対象物の内部に入れて較正用のデータを採っておけば、本測定の際には必ずしも対象物の中に較正用の物質を入れる必要はない。較正用のデータはシミュレーションで求めたり、乾式キャスクの壁面でのミュオン散乱を較正用のデータとして使うこともできる。
【００３９】
内部物質特定部２４は、ミュオン散乱角較正部２３で算出した定数Ｃを用い、散乱角θに基づいて、前述の式（１）あるいは式（２）を用いて、物質の元素を特定する。
【００４０】
物質の構成元素の特定のためには形状と材質が既知の物体を較正のため容器内に予め入れておき、測定したミュオン散乱角からＣを決定することによって、未知の物質での散乱角から未知の物質の材質を求めることでもよい。
【００４１】
出力部３０は、解析コンピュータ２０によって特定された対象物の内部物質の元素の構成を画像化して表示する。すなわち、出力部３０は、画像化部と表示部とを有する。表示部は、別置きのスクリーンでもよいし、あるいは、解析コンピュータに付属する液晶等の表示部であってもよい。
【００４２】
図６は、本実施形態に係る内部物質特定方法の手順を示すフロー図である。まず、ミュオン軌跡検出器１０によりミュオン検出信号を取得する（ステップＳ０１）。すなわち、第１ミュオン軌跡検出器１１および第２ミュオン軌跡検出器１２それぞれが、ミュオンを検出して、ミュオン検出信号を発生する。
【００４３】
次に、グルーピング部２１が、第１ミュオン軌跡検出器１１および第２ミュオン軌跡検出器１２が発生した複数のミュオン検出信号を受け入れて、同一タイミング同士の第１ミュオン軌跡検出器１１および第２ミュオン軌跡検出器１２信号のグルーピングを行う（ステップＳ０２）。すなわち、同時に発生した第１ミュオン軌跡検出器１１および第２ミュオン軌跡検出器１２からのミュオン検出信号を同一のミュオンにより発生された信号としてグループ化する。
【００４４】
次に、ミュオン散乱角算出部２２が、同一グループとされた複数の信号に基づいてミュオン散乱角を算出する（ステップＳ０３）。また、ミュオン散乱角算出部２２が、対象物の内部の座標位置ごとのミュオン散乱角データを保存し集積する（ステップＳ０４）。次に、ミュオン散乱角較正部２３が、較正の結果により算出した較正データである定数Ｃを内部物質特定部２４に出力する（ステップＳ０５）。次に、内部物質特定部２４が、ミュオン散乱角較正部２３によって与えられた定数Ｃを用い、ミュオン散乱角算出部２２によって算出された散乱角θに基づいて、対象物内のそれぞれの座標位置における物質の元素の構成および元素量を特定する（ステップＳ０６）。次に、出力部３０は、この結果を表示する（ステップＳ０７）。
【００４５】
図７は、本実施形態に係る内部物質特定装置による内部物質特定方法をドライキャスクに適用した場合の例を説明する概念的斜視図である。本例は、対象物であるドライキャスク５１内に、未知の物質５３および物質が既知である較正用物質５２が内蔵されている場合である。
【００４６】
第１ミュオン軌跡検出器１１は、ミュオンの通過位置の（Ｘ，Ｙ）座標および方向を測定する。同様に、第２ミュオン軌跡検出器１２は、ミュオンの通過位置の（Ｘ，Ｙ）座標および方向を測定する。
【００４７】
ミュオン散乱角算出部２２が、較正用物質５２についての散乱角をθ１と、また、未知の物質５３についての散乱角をθ２と算出する。この結果、たとえば、前述の式（２）内の、較正用物質５２についての放射長Ｘ０（ｍ）および厚さｔ（ｍ）は既知であるので、式（２）内の計数Ｃが求められる。また、未知の物質５３についての散乱角θ２が求められており、また、ミュオントモグラフィにより、未知の物質５３の厚さｔも求められる。
【００４８】
この結果、式（２）により、未知の物質５３の放射長Ｘ（ｍ）を算出することができる。放射長Ｘは物質すなわち元素に固有の値であるので、元素を特定することができる。また、それぞれの計測値の強度の比と、元素の量が分かっている較正用物質５２の強度に基づいて、未知の物質５３の元素の量を定量的に特定することができる。
【００４９】
以上のように、本実施形態によれば、対象物の内部に存在する物質の構成元素を定量的に特定することができる。
【００５０】
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、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。たとえば、ミュオン軌跡検出器は実施形態で示したものには限定されない。入射位置と入射方向が測定できるものであれば、たとえば、複数のミュオン軌跡検出器と同時計測回路を組み合わせた方式でもよい。
【００５１】
また、解析コンピュータについては、１台のコンピュータである必要はない。グルーピング部２１ないし内部物質特定部２４のそれぞれの機能を有する部分を有していればよい。
【００５２】
また、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。
【００５３】
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】
【００５４】
１０…ミュオン軌跡検出器、１１…第１ミュオン軌跡検出器、１２…第２ミュオン軌跡検出器、１５…ドリフトチューブ、１５ａ…円筒部、１５ｂ…芯線、１５ｃ、１５ｄ…端板、１５ｅ…ガス、１５ｆ…直流電源、２０…解析コンピュータ、２１…グルーピング部、２２…ミュオン散乱角算出部、２３…ミュオン散乱角較正部、２４…内部物質特定部、３０…出力部、５１…ドライキャスク、５２…較正用物質、５３…未知の物質、１００…内部物質特定装置
【図１】
0006567296.tif 000004
【図２】
0006567296.tif 000005
【図３】
0006567296.tif 000006
【図４】
0006567296.tif 000007
【図５】
0006567296.tif 000008
【図６】
0006567296.tif 000009
【図７】
0006567296.tif 000010