2023 年 4 月 1 日

富士山での宇宙線観測～CosmicWatch による連続的な測定～

平 悠人 1、帆足莉子 212

開成高等学校 1 年、東京都
東北大学、宮城県
小型で軽量な宇宙線検出器 CosmicWatch を携帯して富士山に登り高度による宇宙線到来頻度の変化を観測した。1 台の宇宙線検出器で測定すると、地上から 5 合目である標高 2300ｍまでの標高と宇宙線到来頻度の変化は見られなかったが、縦に重ねた 2 台の測定器を通過した宇宙線のみを検出する 2 台同時測定を行うと高度による宇宙線到来頻度の増加が見えた。そこで 2 台同時測定を行いながら地上から富士山頂上まで宇宙線到来頻度の測定を行い標高との相関を調べた。今回の研究を通じて、小型で軽量な宇宙線検出器を用いて宇宙線到来頻度の高度変化の連続的な実測データを得ることができた。

1. 背景
宇宙から地球に降り注ぐ高エネルギー粒子

2. 方法と結果である宇宙線は、連鎖的な大気粒子との相互作用と粒子の崩壊に伴い大気を通過する過程2.1. 実験装置

でその強度は減衰していく。そのため標高が宇宙線検出器は CosmicWatch(図 1：加速キ高くなるほど、宇宙線到来頻度が増加するこッチン合同会社より提供) を用いた。大きさとが一般的に知られている 1)。

は横 66.5 mm、高さ 52.0 mm、奥行 74.0 mm、今まで環境放射線による生体への被曝線量

重さは 125 g と小型で軽量である。とその影響を評価することを目的として、宇CosmicWatch はプラスチックシンチレーター

宙線強度の高度変化が測定されてきた 2、3）。と SiPM (シリコン光電子増幅器) で構成されこのとき使用された宇宙線測定器は重さや嵩ている。宇宙線がプラスチックシンチレータがあり持ち運びが容易とはいいがたいものでーを通過すると、シンチレーター内の原子のあった。またこれらの測定において高度別測軌道電子が、宇宙線のエネルギーによってよ定点の間隔は概して粗い。

りエネルギーが高い状態の電子軌道に遷移

加速キッチンが提供している小型で簡易に（励起）し、その電子が元の基底状態に戻る扱える宇宙線検出器 CosmicWatch4）を使用した

ときに、蛍光が発生し、これを SiPM によって実験では、新井が高度 10000m までの宇宙線到電気信号へと変換する。この電気信号はアン来頻度の変化を測定している 5）が、十分な高プ回路で増幅され, Arduino によって 10 bit度での解析が不十分であった。本研究では小のデジタル値に変換して「電気信号の波高」型で軽量であるため携帯に有利な宇宙線検出として USB-Micro B ケーブルを通して器である CosmcWatch を用いて宇宙線到来頻度Windows PC、または検出器付属の microSD カの高度変化を富士山に登り地上から頂上までードに保存される（図 2） 。経路や高度の測連続的に測定し、宇宙線の到来頻度の増加が定は小型軽量のアウトドア向け GPS 受信機で観測できるかを調べた。

ある GARMIN ETREX 32ｘを用いた。

1

上下両方の検出器を同時に通過した宇宙線到来数を測定することを今後 2 台同時測定という。2 台同時測定では図 4 のように青い円で示す立体角の範囲から入射した宇宙線のみを計測する。

図1

宇宙線検出器 CosmicWatch

図3

図2

車内に設置した計測装置

CosmicWatch の内部構造 4）

図 4 2 台同時測定の配置
プラスチックシンチレーターの大きさ
5×5×1 cm3
プラスチックシンチレータ―間の距離（中心線間）5.2 cm

2.3 実験 2
図3GPS 受信機 GARMIN ETREX 32ｘ

2.2 実験 1

2022 年 8 月 18 日に東京駅八重洲口前(標高3 m)をバスで出発し、富士宮口新 5 合目 2300ｍより登山を開始、8 合目で 1 泊した後、192022 年 4 月 29 日千葉県の自宅（標高 3 m）

日明け方に山頂（標高 3740 m）に至り、富士から富士スカイラインを通り富士宮口新 5 合

宮口新 5 合目に下山し往路を戻った。測定は目（標高 2300ｍ）まで車で往復し車内に固定

東京駅八重洲口前より開始し東京駅八重洲口

した CosmicWatch で宇宙線到来数を連続的に前に到着するまで連続的に行った。測定ルー測定した。CosmicWatch は図 3 のように 2 台を

トは図 8 に、携帯した測定装置は図 5 に示

縦に重ね、上の検出器を通過した宇宙線到来す。宇宙線到来数の測定は CosmicWatch を用数と上下両方の検出器を同時に通過した宇宙

い 2 台同時測定で行った。電源はモバイルバ線到来数を測定しそれぞれを PC に記録した。

ッテリーを使用した。データは 2 つ重なっている検出器のうち下の検出器に接続している2

microSD カードに記録した。測定点の標高はトの検出器を同時に通過した宇宙線のみを測定

レッキング用 GPS ナビゲーション Garmin32x

することで宇宙線以外のノイズを除く検出器により測定した。の 2 台同時測定を試みた。
図 6（A）が縦に重ねた検出器のうち上の 1 台での測定のときの宇宙線到来頻度と標高の関係をプロットしたものである。往路と復路のグラフを重ねて示している。宇宙線到来頻度
は宇宙線到来数を 15 分ごとに平均化し 1 分あたりの値とした。1 台で測定したときは宇宙線到来頻度の標高依存性は見えなかった。宇宙線到来頻度と標高の関係を直線で近似したが

図5

登山に携帯した計測装置高度依存性は見ることが出来なかった。往路での宇宙線到来頻度に比べ復路ではその数が増加した。このことについては、天候の違いによるものではないかと考えている。2022 年
4 月 29 日当日、朝は曇天であったがスカイラインの終点近くで雨が降り始め、復路はまとまった降雨があった。空間放射線率は大気中のラドン-222 子孫核種が降雨等により地表面に降下するため増加することが知られている
6）

。

図8

測定ルート

3

結果と考察
3.1

実験 1

実験 1 に先立ち 2021 年末に検出器 1 台で千葉県自宅から富士スバルライン 4 合目（標高2045 ｍ）までの宇宙線到来数の測定を行ったが、標高が上がることによる宇宙線到来頻度の増加傾向は観察することが出来なかった。
先行研究と照らし合わせて 2000 ｍ程度の標高であれば地上との差は見えるはずなので、変化が見えない原因としてノイズが高いため高度依存性が隠されてしまっているのではと考えた。ノイズとしては装置内の熱によって生じた微弱な電流(熱電流)などに由来する電気信号や周りの物質からの放射線が考えられた。より純度の高い宇宙線由来のデータを解

図 6 2300 m までの標高と宇宙線到来頻度(A): 1 台測定(B): 2 台同時測定

析するために 2 台の検出器を縦に重ねて両方3

表1

図 6（B）は 2 台同時測定を行ったときの宇測定法による検出数

宙線到来頻度と標高の関係をプロットしたものである。2 台同時測定を行い両方の検出器を通過した宇宙線のみを測定することにより、往路と復路での同標高での宇宙線到来頻度の違いは小さくなった。このことより往路と復路での同標高での宇宙線到来頻度の違いは宇宙線由来以外の電気信号であったと考えられ

図 7（A）は 1 台測定、図 7（B）は 2 台同る。2300 ｍでの宇宙線到来頻度は地上でのも時測定を行ったときの宇宙線到来数の ADC 値のに対し 2.1 倍となった。の分布をみたものである。全データに対する

CosmicWatch では宇宙線によってシンチレー

ADC 値 200 以下の電気信号は、１台測定でターで発光した光を電流に変換し、その電気43.6%、2 台同時測定で 5.55%となり 2 台同時信号を収集・解析する。この電気信号の強さ測定では大幅に減少した(表 1)。この結果よりを ADC 値という。CosmicWatch を用いた先行研

1 台測定では約 4 割が ADC 値 200 以下の電気信究において電気信号の ADC 値が 200 以下のイ号であり、1 台測定では ADC 値 200 以下の電気ベントはおおむね宇宙線由来ではないノイズ

信号が高度の増加による宇宙線到来頻度の増であると結論づけているものがある 7）。ADC

加が見えにくくしていることが明らかになっ値が 200 以下のイベントがノイズであるかをた。

調べるため、今回得られたデータから ADC 値200 以下の電気信号を排除して宇宙線到来頻度と高度の関係をみてみた。

3.2

実験 2

富士山頂上まで登った時の宇宙線到来頻度と標高の時間ごとの変化を示したのが図 9 である。地上レベルから富士山頂上まで連続的にデータを得た。GPS ナビゲーションの測定が停止したため帰路で一部標高データが取得できなかった区間があった。宇宙線到来頻度は高度を増すごとに大きくなり、山頂で最大となり地上の 3.1 倍となった。この結果は球形
NaI(Tl)シンチレーターを用いて富士山で宇宙線の測定を行った先行研究 2）で得られた 3.6倍と近い値となった。この差については本実
験では移動しながらの測定のため、標高の誤差とサンプリングの誤差も大きくなっているためと考えた。移動速度をさらに小さくする
かまたは測定時一定時間停止することにより誤差は小さく出来るだろう。また宇宙線の到来数は、入射する角度（天頂角）に依存する
ため、2 台同時測定の測定器の距離を離し宇宙
図 7 検出回数と ADC 値との関係(A): 1 台測定(B): 2 台同時測定

線入射の立体角を絞ることでより高度依存性が見やすくなるだろう。

4

標高と宇宙線到来頻度の関係をグラフにま4.結論

とめ、フィッティングを行った（図 10）。標準誤差を評価してエラーバーをつけた。相関を直線で近似すると
y=0.32*0.01x+5.72となりカイ 2 乗値は 3.29 となった。指数関数で近似すると
y=2.546*exp((0.05110*(0.01x-1.950))+4.233となりカイ 2 乗値は 2.2 となった。3740ｍま小型で軽量な検出器を携帯して連続的に 2台同時測定を行いながら富士山に登頂し高度3740 m までの宇宙線到来頻度の高度変化に関する連続的なデータを得た。今回得た結果は分かりやすく直観と一致しやすいため、公表していくことで宇宙線研究の裾野を拡大に貢献できると考えている。

でデータを取ることで、標高が高くなるにつれ宇宙線到来頻度増加の傾きが大きくなる傾5. 展望

向を見ることが出来た。気象庁の過去の気象データ検索によると 2022 年 8 月 18 から 19 日

宇宙線到来頻度の高度依存性に関する測定の間の宇宙線測定中の富士山周辺の大気圧は実験では気球を使っての観測の事例もあるた安定していた 8）。したがって、測定された宇め、CosmicWatch の小型軽量な特性を生かして宙線強度の変化は気圧の水平分布の変動にとさらに高高度での計測を行い宇宙線到来数がもなうものではないと判断される。以上のこ劇的に増加するさまを観測してみたいと考えとから測定結果は地上レベルから標高 3740mている。さらに機会があれば地磁気緯度によまでの区間における宇宙線強度の高度変化をる宇宙線強度の変化も見てみたい。また、降示していると考えられる。

雨による検出器の電気信号の検出頻度の変化についても興味がある。

6. 参考文献[1]高エネルギー加速器研究機構（KEK）,宇宙線を見る
https://www2.kek.jp/ja/newskek/2003/sepoct/sparkchamber.html(2022 年 12 月 15 日閲覧)

図9

富士山頂上までの標高と宇宙線到来頻度[2] 古川雅英,松本雅紀,床次眞司,藤高和信,岡野眞治, ”富士山における宇宙線強度の高度変化“RADIOISOTOPES, 44, 19-22 (1995)[3] 藤高和信, “航空機搭乗中の宇宙線被曝”, 保健物理, 31(4), 463-471 (1996)[4] 加速キッチン、http://accelkitchen.com/ (2022 年 11 月 20 日閲覧)
[5]新井詩乃, 末廣和夏, 森本結衣:”高度による宇宙線到来頻度の違い”
https://accel-kitchen.com/cosmicray/(2022 年 12 月 15 日閲覧)

図 10

富士山頂上までの標高と宇宙線到来頻度5[6] 吉本高志, 内田賢吾, “降雨による空間放射線量率の変動についての考察”, 石川保
環研報 第 58 号（2021）[7]澤井愛実, “霧箱と放射線検出器による放射線観測”, ハイスクール・ラジエーション
クラス発表会(2022 年 10 月 30 日)[8] 気象庁ホームページより過去の気象デー
タ,https://www.data.jma.go.jp/obd/stats/etrn/index.php(2022 年 11 月 20 日閲覧)

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