TRACERRRAAC
C EE RR

トレーサー

軽量高解像度ミュオグラフィ撮像装置
田中宏幸

Tanaka Hiroyuki

ンの到来方向の検出ができなかったが，ミュオグラ

1．はじめにフィのパイオニア的研究として重要である。1968 年

我が国で火山を透視する技術「ミュオグラフィ」

アルバレはジョージの実験を発展させ，エジプトのが世界で初めて実証され，その後急速に世界に広まピラミッドを対象にミュオグラフィ観測を挑んだ 2）。

りつつある。ミュオグラフィとはキロメートルにもチームは総重量 10 t を超えるスパークチェンバー

及ぶ岩盤を透過可能な高エネルギー素粒子，ミュオベースの装置をベルゾーニ玄室と呼ばれるほぼピランを利用することで，Ｘ線レントゲン写真撮影法でミッドベース中央部に位置する空洞に設置した。彼

は可視化が難しい，巨大な物体内部を撮影する方法

らは数か月間に渡る観測で，ピラミッドを上から下である。Ｘ線レントゲン写真撮影術は透視したい対に向けて通り抜けてきたミュオンの飛跡データが十象に照射されたＸ線の一部が物体内部に止まる性質分な量を記録した。この実験では未発見の構造を発を利用するが，ミュオグラフィも同様に，巨大物体見することはできなかったが，ミュオンを利用したを透過するミュオンが一部途中で止まることを利用イメージングという観点から，非常に重要な実験として，内部構造の影を映し出す。

言える。

ミュオンは銀河宇宙線がもととなって，地球の大その後 40 年近くが経過した 2006 年，我が国が世気中で二次的に生成される素粒子である。宇宙線は界に先駆けて火山内部を透視したことを契機に，今，主に超新星爆発によって，ほぼ光速まで加速される世界ではミュオグラフィの応用研究が急速に展開さが直進することはできず，銀河磁場の影響で複雑なれつつある 3）。ミュオグラフィの調査対象は我が国経路をたどりながら地球に到達する。すなわち，地の火山からベスビオ（伊）4），ストロンボリ（伊）5），球に到達する頃には，元々の進行方向に関する情報エトナ（伊）6，7），ピュイドドーム（仏）8），ラ・スは完全に失われており，地球から見ると，宇宙線がフリエール（仏）9），ラパルマ（西）10）など世界の等方的に降り注いでいるように見える。地球大気に火山へと広がり，更に火山だけでなく，洞窟 11），遺突入した宇宙線は窒素や酸素などの大気原子核との跡 12），CCS13），地下鉱山資源 14），産業プラント 15，16），反応の結果，パイオンやケイオンなどのメソンを生地球外天体 17，18）などにも広がっている。

成するが，高度約 16 km でこれらのメソンが崩壊す2006 年，火山内部を撮影した際に用いた撮像装ることでミュオンとニュートリノが生成される。

置は原子核乾板の技術を応用したものであった。こミュオンは約 100 万分の 2 秒で崩壊するが，ローレの第 1 世代の撮像システムは高い角度分解能，電力ンツ因子が一般的に大きく，その多くが地表に到達不要などの火山観測に極めて適した特徴を持っていする。

たが，リアルタイムモニタリングの目的には使えな

今から 60 年ほど前の 1955 年，ミュオンの強い透過かったので，その後，Field Programmable Gate Array

力を利用した岩盤の密度測定を試みたのがオースト（FPGA）の技術を応用した第 2 世代の撮像システ

ラリアの物理学者 E.P. ジョージである 。ジョージがムが開発された 19）。この装置はプラスチックシンチ用いた測定装置はガイガーカウンターであり，ミュオレーターストリップを縦横に並べたシンチレーショ

1）20

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ン検出器複数台で構成されており，Wi-Fi 技術を適ことができない場合には，放射線シールドを厚くし用することで，遠隔地からリアルタイムモニタリンて散乱角を増大させる以外方法はない。このように，グを行うことが可能となった。2009 年 2 月に発生観測装置の角度分解能，放射線シールドの厚みノイした浅間山噴火では噴火前と噴火後の透視像が比較

ズ粒子の除去率にはトレードオフの関係がある。

され，火口底の一部が吹き飛んだことが確認され筆者らは上記の方法によって第 2 世代システムのノイズ低減能力を強化することで 2013 年に薩摩硫た 20）。
火山等巨大物体を透視撮像するためにはミュオン

黄島で発生した噴火において，マグマの昇降をとらのみをとらえる必要があるが，大気中にはミュオンえることに成功している 21）。ノイズの低減は透視画以外にも電子，陽電子，陽子，メソンなど様々な荷像の撮影にかかる時間の短縮に繋がるからである。

電粒子が存在している。これらがノイズ粒子となっこの改良型第 2 世代ミュオグラフィ観測装置は幅て，透過像のコントラストを下げる。

10 cm，長さ 1.5 m のプラスチックシンチレーター

ノイズ粒子を取り除く有効な手段は複数の粒子検ストリップを縦横に並べたシンチレーション検出器

出器を用いて直線性の良い粒子飛跡のみを取り出す

6 台で構成されており，有感面積約 2 m2，観測装置ことである。その際には，検出器の間に物質を挿入の角度分解能は 33 mrad であった。この角度分解能することでノイズ粒子の散乱を助長する。ミュオン

でノイズを十分に低減させるためには，総厚 50 cmとは異なり，ノイズ粒子は物質中で散乱しやすい性の鉛製放射線シールドを実装する必要があった。

質を持っているからである。複数の検出器を一直線放射線シールドには radiation length の観点から，上に通り抜けた粒子だけを選別して記録することで鉛を用いることで重量を軽量化することができる。

ミュオンだけを選択的に取り出すことが可能である

それでも鉛の密度は 11.2 g/cm3 もあり，鉛シールド（図 1）。この仕組みは，鉛直方向から同時入射するの総重量は 11 t を超えた（同じ radiation length の厚荷電粒子のシャワーが各々の検出器で生成する反応みを持つシールドを鉄で作ろうとすると 20 t を超え点が直線上に並ぶ可能性が低いことと，水平方向かる）。すなわち，それを支えるフレームも強固に作ら入射するミュオン以外の荷電粒子は図中 Radiationる必要があり，装置全体の重量は 16 t にも及んだ。

Shield によって阻止されるか散乱されるため，反応重厚長大な観測装置は運搬において，大型のクレー点が直線上に並ぶ可能性が低いことを利用していンを要する，小型フェリーのタラップの重量制限をる。このような目的で検出器の間に挿入する物質を超えるため，何台ものトラックに分載する必要があ放射線シールドと呼んでいる。

るなど，運搬を高コスト化する要因となっていた。

一方，この方法では，観測装置の角度分解能を下装置を軽量化することで，設置場所や運搬方法の選回る角度で散乱したイベントを除去することができ択肢が増え，より実用的な火山透視観測が可能となない。検出器の仕様上，装置の角度分解能を上げるるが，そのために必要となるのが，高い角度分解能

図1

複数の粒子検出器を用いてノイズ粒子を低減する仕組み

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を持つミュオグラフィ観測システムである。本報文

MWPC）である。

は，東京大学地震研究所とハンガリー科学アカデ

MWPC は日本語では多線式比例計数管とも呼ばミーウィグナー物理学研究センターとの共同開発にれるが，ワイヤーが張られたチェンバーの中を特殊よって（1）従来のミュオグラフィ観測システムの重なガスで満たして使用する（図 2）。その中をミュ量を大きく低減できたこと，（2）従来と同程度以上オンなどの荷電粒子が通過するとガス分子をイオンのノイズ低減能力が確認できたこと，そして（3）新化する。MWPC では細いワイヤーに高電圧を流す

たに開発された第 3 世代ミュオグラフィ観測システ

ことで，ワイヤー周辺に高い電場勾配を形成する。

ムの将来展望について論ずるものである。

ガスのイオン化で，できた電子がワイヤーに寄って来ると，電場からエネルギーをもらって加速される。

※電子の radiation length は鉄が 17 mm に比べて鉛は 6 mm である。

加速された電子は他のガス分子を電離することで更に多くの電子を発生させる。発生した電子はすぐさま電場からエネルギーをもらって加速され別の電子

2．MWPC-based Muography Observation System（mMOS）の開発を作る。このような過程を繰り返して電子を増幅（ガス増幅）させ，最終的に電流パルスとして取り出す

第 1 節で述べたように，観測装置全体の重量を低粒子検出器である。シンチレーション検出器とは異減するためには，その大部分を占める放射線シールなり，光センサーが不要なので，比較的安価に製作ドの量を減らす必要があるが，そのためには装置のすることが可能である。

角度分解能を向上させることが必須である。角度分

MWPC 自体はポーランド生まれのフランスの物理解能を向上させるためには粒子検出器間の距離を長学者ジョルジュ・シャルパックが開発して以来何十くする方法もあるが，これだと装置全体のボリュー年もの長い歴史と多くの実績を持つが，野外におけムが増大する。一方，検出器の位置分解能を向上さるミュオグラフィ観測への適用には長い時間を要しせることで，装置のボリュームを変えずに角度分解た。MWPC は従来振動に弱く運搬には細心の注意を能を上げることが可能である。第 2 世代で用いられ要したからである。また，イソブタンなどの可燃性たプラスチックシンチレーターを粒子検出器としてガスの利用が必須であったため，屋外，特に無人で利用する場合でも，チャージシェアリング技術 22）の長期観測を行うことが困難であった。この技術的などを応用することで，高い位置分解能を達成できバリアは，ハンガリー科学アカデミーウィグナー物る。だが，検出器そのものの重量を低減させる観点理学研究センターによって克服された。同研究センからは，ガス検出器を用いる方が理に適っている。

ターが開発に成功した MWPC は二酸化炭素とアル

そこで，注目されたのがマルチワイヤプロポーショゴンの混合ガスで動作可能でかつ衝撃に強い。このナルチェンバー（Multi Wire Proportional Chamber；

ようにして，MWPC を実装した低ノイズミュオグラ

図222

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MWPC の原理を示す図2017 年 10 月号

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図 3 駐日ハンガリー大使館において，日ハンガリーのミュオグラフィ研究開発についての協定書に調印する小原一成
東京大学地震研究所長（左）とピーター・レヴァイハンガリー
科学アカデミーウィグナー物理学研究センター長（右）図 5 桜島の観測風景（上）及び観測小屋内部に設置された観測装置（下）図 4 千葉ミュオグラフィ実験施設で組み上げられた第 3 世
代ミュオグラフィ観測システム試作機のサイズは 80 × 80 cm2 である。この検出器の重量は〜10 kg m-2 であり，第 2 世代システムで実装されフィ観測システムの実現可能性が広がった。

たシンチレーション検出器の重量〜100 kg m-2 の2015 年，東京大学地震研究所とハンガリー科学

1/10 で あ る。 す な わ ち，6 層 実 装 型 の MOS で はアカデミーウィグナー物理学研究センターは540 kg m-2 の重量削減となる。更に予備実験の結果，MWPC を活用した第 3 世代ミュオグラフィ観測シ

放射線シールドの厚みを従来の 50 cm からその 1/5ステムの開発に向けて国際協定を結び，日ハンガの 10 cm に低減できることが示唆された 23）。この差リー間で本格的な国際共同研究が始まった（図 3）。

は放射線シールドだけで 1 m2 当り 4 t もの削減に相

ハ ン ガ リ ー 製 の MWPC は ワ イ ヤ ー ピ ッ チ が当する。更にシールドの軽量化により，システム全12 mm と第 2 世代ミュオグラフィ観測装置のシン体を支えるフレームの強度も下げることができるのチレーターのストリップ幅と比べて 1/10 近く狭く，で，これも重量低減に繋がる。こうして，単位面積システム全体のボリュームを変えずに，ノイズ粒子当りのシステム重量を一桁近く低減することに成功除去用の放射線シールドを大きく低減できる見込みした。

があった。2016 年 9 月，既に薩摩硫黄島における予備実験終了後，2017 年 1 月，第 3 世代ミュオ

マグマ動態観測に実績がある第 2 世代システム

グラフィ観測システムは日本有数の活動的火山の（Scintillator-based Muography Observation System；sMOS）

1 つ鹿児島県桜島に移設され，第 3 世代装置を用いのプラスチックシンチレーター部分を MWPC に置た世界初の火山観測が始まった（図 5）。システム

き換えた第 3 世代システム（mMOS）が千葉県にあの有感面は現在も活発な噴火活動を続けている昭和

るミュオグラフィ実験施設で組み上げられ，装置の火口方向に向けられた。システムから昭和火口まで予備実験が進められた（図 4）。実装された MWPCの距離は〜2.8 km である。途中ガスの流量不足によIsotope News2017 年 10 月号

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る感度の低下があったが，それを除くとほぼ，問題を第 2 世代システムと同レベルにまで有感面積を強な く 安 定 的 に 動 作 し て い る。 ノ イ ズ レ ベ ル は化していくことで解決していく予定である。

10 gcm sr s と期待通りであり，位置分解能 10 cm

今後，第 3 世代ミュオグラフィ観測システムは火の第 2 世代システムと比べても同等かそれ以上の高山観測以外にも，より一般的な巨大物体の透視撮像いノイズ低減能力を示した。に広く活用されていくことが期待されている。シス-7-2-1-1

テムの軽量化は透視装置のポータブル性の向上に繋がることは言うまでもなく，粒子検出器の位置分解3．まとめ

能の向上は装置のダウンサイジングに直結するから第 3 世代ミュオグラフィ観測システムを火山観測である。前節でも述べたが，検出器の位置分解能がに投入することにより，第 2 世代システムと比べて高ければ，同じ角度分解能を達成するために必要な一桁近くの軽量化を実現しても，実用に十分耐える検出器間の距離を縮めることができるため，システ高いノイズ低減能力があることが実証された。
だが，ム全体のボリュームを下げられる。安価でかつポー

第 3 世代システムによる火山観測はまだ始まったばタブルなミュオグラフィ観測システムができれば，かりで，まだまだ未知な要素が存在する。例えば，これまで難しかった様々な場面での観測が可能とな筆者らはまだ夏季における観測を経験していない。

る。

40℃を超える環境下で観測装置がどのような振る舞いをするのか見当がつかない。また，台風シーズン謝辞到来に伴い，雷の発生が危惧される。雷サージに対本研究は東京大学地震研究所とハンガリー科学アカして，装置がどれほど脆弱なのかについても筆者らデミーウィグナー物理学研究センターとの国際共同には経験が無い。これは今後，1 年を通した観測で研究である。

明らかにされていくことだろう。
第 3 世代システムにも欠点はある。このミュオグ
ラフィ観測システムはガス検出器の技術を応用しているため，第 2 世代システムと違い，常に連続的なガスフローを必要とする。一旦設置すれば，ほぼメンテナンスフリーで運用できる第 2 世代システムだが，第 3 世代システムでは，定期的にボンベを交換する必要がある。現在，この交換頻度は 3 か月程度に 1 回である。一方，この欠点は火山観測において長所ともなり得る。活動的火山を観測する場合，常に火山灰の影響を考慮しなければいけない。火山灰が装置に入り込むと故障の原因となるが，それを防ぐためにシステムを完全密閉してしまうと今度は熱がこもる。システムを密閉する場合，第 2 世代システムでは何重ものフィルタ付きの空調が必要だったが，第 3 世代システムの場合，連続的なガスフローが常にシステム内部から外部への流体の流れを作るため，特別な空調が無くても熱がこもりにくくなる。
だが，桜島で運用されている第 3 世代システムの有感面積はまだ〜0.6 m2 である。既に設置されている
第 2 世代システムと比べても 1/4 程度しか無い。すなわち，同じ統計精度のデータを取得するのに 4 倍時間がかかる。この問題は今後，第 3 世代システム

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（東京大学地震研究所）

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