JP7585158B2 - 荷電粒子軌跡測定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、宇宙線ミュオン等の荷電粒子の軌跡を測定する荷電粒子軌跡測定装置及び荷電粒子軌跡測定方法に関する。

測定対象の内部をイメージングする技術として、ミュオンなどの荷電粒子を使用した透視技術が知られている。荷電粒子は、光や電磁波と同じ放射線とは異なり、物質中を散乱しながら透過する。そのため、荷電粒子により発生した電子の飛来方向やその散乱の度合いなどから、物質の密度及び平均原子番号などを推定できる特徴がある。

例えば、宇宙線ミュオンと呼ばれる宇宙に起因して発生する荷電粒子は、非常に高いエネルギを持ち、透過力が高いため、火山や、ピラミッド等の大型の構造物の内部のイメージングなどに適用されている。このようなイメージングを行う場合、荷電粒子の軌跡情報を精度良く取得することが重要であり、プラスチックシンチレータ、ファイバーシンチレータを使用した装置や、ドリフトチューブ検出器を用いたものが使用されている。

特許第５４７９９０４号公報 特許第６４６５８６７号公報

特許文献１では、ドリフトチューブ検出器を水平及び垂直方向に複数層配置し、ミュオンの軌跡を算出してイメージングを行う手法が提案されている。ここで提案されている技術は、複数本の検出器が必要であり、検出器自身や信号処理を行う回路なども大規模な装置になっている。特許文献２では、船などの大型の測定対象に対して検査ステーションを用いた大型システムであり、検出器を移動させる構造を備えた装置などが提案されている。

特許文献１及び２は、いずれも測定対象の両側に検出器を配置した測定例が示されており、特に、特許文献２では長さ５３フィート、幅８フィートと非常に大きな測定エリアが提案されている。この場合、装置に組み込まれる検出器は非常に大型なものを用意する必要があるため、据付現場で装置を組み立てる必要がある。しかし、軌跡を正しく測定するためには、検出器の１つ1つの位置を精度よく把握する必要があるが、据付工事における検出器の据え付け毎の位置把握が非常に困難であった。

更に、荷電粒子を測定する検出器は、得られる信号が非常に小さいため、専用の増幅回路を使用して計測するのが一般的である。この増幅回路は電磁ノイズの影響を受けやすく、ケーブルの種類や配線ルートなども、現場に合わせて細かく管理する必要がある。

上述のように特許文献１及び２の技術は、ミュオントモグラフィを精度よく行うための装置構成及び信号処理手法であり、これらの構成及び手法は、装置の設置時に発生する据付誤差の低減、更には電磁ノイズ対策など、高精度な測定のために非常に細かい調整が必要であった。

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、ノイズ、据付誤差及び設置スペースを低減して、荷電粒子の軌道を高精度に測定することができる荷電粒子軌跡測定装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態における荷電粒子軌跡測定装置は、荷電粒子の軌跡を測定する荷電粒子軌跡測定装置において、前記荷電粒子を検出して検出信号を発生する複数の検出器と、前記検出器からの前記検出信号を処理する信号処理回路と、前記信号処理回路から出力された信号に基づき前記検出器による前記検出信号の発生時刻を算出する時刻算出手段と、前記検出信号の前記発生時刻と前記荷電粒子を検出した前記検出器の位置情報とに基づいて前記荷電粒子の軌跡を算出する軌跡算出手段と、を有し、前記検出器は、筒体内に設けられた芯線がコネクタにより保持されて構成され、前記信号処理回路は、回路部品を備えた基板がケースに収容されて構成され、前記基板に突設されたピンが前記コネクタに嵌合して結合され、且つ前記ケースが前記筒体のグランドに結合されることで、前記検出器と前記信号処理回路とが一体に結合されて構成されたことを特徴とするものである。

本発明の実施形態における荷電粒子軌跡測定方法は、検出器が荷電粒子を検出したときに発生する検出信号に関する情報としての前記検出器の位置及び前記検出信号の発生時刻に基づいて、前記荷電粒子の軌跡を測定する荷電粒子軌跡測定方法であって、前記検出器は、筒体内に設けられた芯線がコネクタにより保持されて構成され、前記検出器からの前記検出信号を処理する信号処理回路は、回路部品を備えた基板がケースに収容されて構成され、前記基板に突設されたピンが前記コネクタに嵌合して結合され、且つ前記ケースが前記筒体のグランドに結合されることで、前記検出器と前記信号処理回路とが一体に結合され、積層状態に配置された複数の前記検出器のそれぞれから発生する前記検出信号のうち、同一時間内に発生したとみなせる複数の前記検出信号に関する前記情報に基づいて、前記荷電粒子の軌跡を算出して測定することを特徴とするものである。

本発明の実施形態によれば、ノイズ、据付誤差及び設置スペースを低減して、荷電粒子の軌道を高精度に測定することができる。

第１実施形態に係る荷電粒子軌跡測定装置の構成を示すブロック図。 図１の荷電粒子軌跡測定装置の検出器、信号処理回路及び時刻算出手段がフレームに支持されたモジュール構造体を示す斜視図。 図２のIII矢視図。 図１～図３の検出器による宇宙線ミュオンの検出状況を説明する説明図。 図１～図３の時刻算出手段の発生時刻測定手段と消失時刻測定手段の機能を説明するグラフ。 図１の荷電粒子軌跡測定装置の変形形態を示すブロック図。 図１の検出器と信号処理回路との結合状態を示す断面図。 図７の検出器と信号処理回路の結合前の状態を示す分解断面図。 第２実施形態に係る荷電粒子軌跡測定装置の構成を示すブロック図。 図９の荷電粒子軌跡測定装置による宇宙線ミュオンの軌跡の算出手順を示すフローチャート。

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１～図８）
図１は、第１実施形態に係る荷電粒子軌跡測定装置の構成を示すブロック図である。この図１に示す荷電粒子軌跡測定装置１０は、山などの自然物や大型の建造物などの内部をイメージングするために、荷電粒子（例えばミュオン、特に宇宙線ミュオン）の軌跡を測定するものであり、検出器１１、信号処理回路１２．時刻算出手段１３及び軌跡算出手段１４を有して構成される。

本荷電粒子軌跡測定装置１０は、加速器で発生させたミュオンや、電子などによる荷電粒子にも適用可能であるが、宇宙線ミュオンと呼ばれる粒子を想定して説明する。宇宙から飛来する宇宙線ミュオンは、非常に高いエネルギを有しており、Ｘ線などの放射線に比べて非常に高い物質中の透過力を持つ。

この特性を利用した透視技術として、透過法と呼ばれる宇宙線ミュオンの物質中の透過率で物質の密度を評価する手法や、散乱法と呼ばれる宇宙線ミュオンの物質中での散乱の度合いで物質の密度を評価する手法などが存在する。いずれの手法も、宇宙線ミュオンの高い透過力を利用して、非常に大きな構造物の内部の情報が取得可能になる。この内部情報を精度よく得るためには、宇宙線ミュオンの軌跡を精度よく測定する必要がある。しかし、宇宙線ミュオンの特性により測定対象が大きくなることや、宇宙線ミュオンが地表面に到達する数に制限があること等から、検出器は数ｍ以上の大きなものが使用される場合が多い。

このような状況の場合、非常に多くの検出器が必要になり、検出器を複数配置し、各検出器のうちで宇宙線ミュオンを検出した検出器の位置情報から、宇宙線ミュオンの軌跡を算出することになる。宇宙線ミュオンの検出器内での通過位置を特定し、且つ検出器の位置情報を取得する場合、検出器の大型の測定面積と、宇宙線ミュオンの高精度な通過位置測定とを両立させる必要があり、装置が非常に大規模になる。

本実施形態の検出器１１は、検出器１１内を宇宙線ミュオンが通過することにより発生した電子が移動するドリフト時間に基づいて、宇宙線ミュオンの検出器１１内での通過位置を検出するドリフトチューブ検出器が用いられる。この検出器１１としてのドリフトチューブ検出器は、図４に示すように、筒体としての円筒管１５内の中心位置に、高電圧が印加される芯線１６が張設されると共に、円筒管１５内に希ガスを主成分とする電離ガスが封入されている。宇宙線ミュオン１がドリフトチューブ検出器内を通過すると、電離ガスが電離されてイオンと電子に分離される。

分離した電子が移動して芯線１６に到達したとき、ドリフトチューブ検出器（検出器１１）から検出信号Ｓが出力されて、ドリフトチューブ検出器における宇宙線ミュオン１の通過が検出される。電離ガスの電離により電子が発生する時刻Ｔμと電子が芯線１６に到達する時間（検出信号Ｓの発生時刻Ｔｏ）とから、電子が発生してから芯線１６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１６までの電子の移動距離（ドリフト半径）を求めることで、ドリフトチューブ検出器内での宇宙線ミュオン１の通過位置が検出可能になる。

上述のドリフトチューブ検出器は、検出器のサイズよりも遥かに小さな１ｍｍ以下の分解能を得ることが可能である。例えば、円筒管１５の直径が５０ｍｍのドリフトチューブ検出器の場合、０．５ｍｍ未満の精度で宇宙線ミュオン１の通過位置を検出することが可能である。

なお、検出器１１は、荷電粒子を粒子単位で測定できるものであればよく、ドリフチューブ検出器のほか、比例計数管やマルチワイヤ方式、ＧＥＭ検出器などが適用可能である。検出方式や検出器の外形は問わない。また、１つの検出器で直交する２方向位置を特定できる方式のものも適用可能である。

宇宙線ミュオン１を検出して検出信号Ｓを出力する検出器１１は、図２及び図３に示すように、複数本がＸ方向に配列された層が４層以上（例えば６層）設けられて、宇宙線ミュオン１のＸ方向位置を検出するＸ方向算出部２０Ｘを構成すると共に、複数本がＸ方向に直交するＹ方向に配置された層が４層以上（例えば６層）設けられて、宇宙線ミュオン１のＹ方向位置を検出するＹ方向算出部２０Ｙを構成する。ここで、Ｘ方向算出部２０Ｘの検出器１１の層とＹ方向算出部２０Ｙの検出器１１の層とは、例えば２層毎に交互に配置されている。

Ｘ方向算出部２０Ｘは、上述の例えば６層の複数本の検出器１１のほか、各検出器１１にそれぞれが接続された複数個の信号処理回路１２と、複数個の信号処理回路１２にそれぞれが接続された複数の時刻算出手段１３と、を有して構成される。同様に、Ｙ方向算出部２０Ｙは、例えば６層の複数本の検出器１１のほか、各検出器１１にそれぞれが接続された複数個の信号処理回路１２と、複数個の信号処理回路１２にそれぞれが接続された複数の時刻算出手段１３と、を有して構成される。

上述のＸ方向算出部２０Ｘ及びＹ方向算出部２０Ｙをそれぞれ構成する検出器１１、信号処理回路１２及び時刻算出手段１３は、フレーム１７に支持されてモジュール構造体３４を構成する。このモジュール構造体３４において、フレーム１７の周囲はカバー１８に覆われる。このカバー１８には、カバー１８内で発生した熱を放熱する放熱手段としての放熱窓１９が形成されている。なお、上述のモジュール構造体３４の検出器１１、信号処理回路１２及び時刻算出手段１３は、Ｘ方向及びＹ方向に直交するＺ方向付近から入射する宇宙線ミュオン１を検出対象とする。

フレーム１７は、検出器１１、信号処理回路１２及び時刻算出手段１３を固定して支持するためのものであり、材質及び形状などは問わない。但し、フレーム１７は、荷重による撓みや温度変化による歪などによっても検出器１１の据付時の設置精度を確保し得る程度の剛性などの特性を有する必要がある。

図１に示す信号処理回路１２は、１本の検出器１１に１個が後述の如く一体に結合されて接続され、検出器１１からの検出信号Ｓを処理するものであり、信号増幅手段２１及びＡＤ変換手段２２を有して構成される。

信号増幅手段２１は、検出器１１からの検出信号Ｓを測定可能なレベルまで増幅させるものであり、例えばオペアンプ等が適用される。この信号増幅手段２１にて増幅された信号を、図５の下段に出力信号Ａとして示す。

図１に示すＡＤ変換手段２２は、信号増幅手段２１から出力された出力信号Ａを、図５に示すようにデジタル信号ＢにＡＤ変換する。このＡＤ変換手段２２は、コンパレータと称されるＩＣを用いた構造が適用される。コンパレータは、事前に設定した閾値以上の信号を検出した際に所定電圧のパルス状の信号を発生させるものであり、最もシンプルなＡＤ変換である。つまり、信号増幅手段２１からの出力信号Ａの電圧が所定の閾値を超えたときに、ＡＤ変換手段２２がパルス状のデジタル信号Ｂを発生する。また、信号増幅手段２１からの出力信号Ａの電圧が上記閾値以下に低下したときに、ＡＤ変換手段２２がパルス状のデジタル信号Ｂを消失させる。

上述のコンパレータの手法の場合、検出器１１で実際に検出信号Ｓが発生した時間と検出信号Ｓが閾値電圧を超えるまでの時間との差が、パルス状の波形などによって異なる場合がある。この差はタイムウォークと呼ばれており、この対策として図６に示すように、複数の閾値電圧を持つコンパレータ群(ＡＤ変換手段２２－１、２２－２、２２－３、及び信号変換部２３)で発生時刻を算出し、閾値電圧と発生時刻の相関から電圧ゼロの時刻を算出することも可能である。また、図示はしていないが、タイムウォークの補正として一般的であるコンスタントフラクション方式の回路や、ゼロクロス方式のコンパレータ、高速デジタイザなどで波形自体を取得する方法なども適用可能である。

なお、信号処理回路１２の信号増幅手段２１及びＡＤ変換手段２２は、検出器１１にて発生した検出信号Ｓをデジタル信号Ｂとして検出できるように増幅しＡＤ変換できるものであればよく、例えばＡＳＩＣなどのように信号増幅とＡＤ変換とが１つの電子回路に集積されていてもよい。

図１に示す時刻算出手段１３は、発生時刻測定手段２４及び消失時刻測定手段２５を有し、信号処理回路１２から出力された信号、即ち信号処理回路１２のＡＤ変換手段２２にて得られたデジタル信号Ｂに基づいて、図５に示すように、発生時刻測定手段２４が検出器１１からの検出信号Ｓの発生時刻Ｔｏを測定し、消失時刻測定手段２５が検出器１１からの検出信号Ｓの消失時刻Ｔｐを測定する。

この時刻算出手段１３は、ある基準のタイミングから開始した時間に対して検出器１１が信号を発生または消失した時刻を検出できれば手法は問わない。例えば、測定開始からの経過時間をカウントできる機能を有するＣＰＬＤ、ＦＰＧＡなどが適用可能である。また、発生時刻測定手段２４、消失時刻測定手段２５は、信号の波高値や変化量などを用いた一定の基準で信号の発生、消失を測定するものであり、信号検知及び時刻測定ができれば手法は問わない。

図１に示す軌跡算出手段１４は、時刻算出手段１３にて算出された検出信号Ｓの発生時刻Ｔｏと宇宙線ミュオン１を検出した検出器１１の位置情報とに基づいて、宇宙線ミュオン１の軌跡を算出する。

つまり、発生時刻測定手段２４により測定した検出信号Ｓの発生時刻Ｔｏは、ドリフチューブ検出器(検出器１１)の特性によって決まるドリフト時間に準じた時刻であり、このドリフト時間は、ドリフチューブ検出器(検出器１１)の芯線１６から宇宙線ミュオン１の通過位置までの距離に相関を持つ時間である。このため、軌跡算出手段１４は、発生時刻測定手段２４で測定した時間情報(検出信号Ｓの発生時刻Ｔｏ)と、ドリフト時間を移動距離に変換する関数と、ドリフチューブ検出器(検出器１１)の芯線１６の位置とがわかると、宇宙線ミュオン１がドリフチューブ検出器(検出器１１)を通過した通過位置を算出することが可能になる。

そして、軌跡算出手段１４は、同一の宇宙線ミュオン１を検出した複数のドリフトチューブ検出器（検出器１１）で得られた宇宙線ミュオン１の通過位置の共通接線を求めることで、宇宙線ミュオン１の軌跡を算出することが可能になる。本手法では、宇宙線ミュオン１が検出器１１を通過した時刻を明確に特定できない場合でも宇宙線ミュオン１の軌跡を算出することが可能であるが、宇宙線ミュオン１が検出器１１を通過した通過時間を別の検出器で測定し、その情報を用いて、宇宙線ミュオン１の検出器１１内の通過位置を評価することも可能である。

この軌跡算出手段１４は、検出器１１が設置されている位置情報と、検出器１１が検出信号Ｓを発生した発生時刻Ｔｏとに基づいて宇宙線ミュオン１の軌跡を算出するものであり、数値演算が可能な装置であれば適用可能である。また、軌跡算出方法としては、最小２乗法などによる評価や機械学習などによる評価のいずれも可能である。

ところで、ドリフトチューブ検出器と呼ばれる検出器１１は、一般に数ｋＶなどの高い電圧を印加することで電子を増幅させ、発生した電子を信号増幅手段２１で更に増幅して荷電粒子を測定する。このとき、検出器１１と信号処理回路１２は、高電圧に耐性のある同軸ケーブルや同軸コネクタを用いて接続して使用するのが一般的である。例えば、市販されている比例計数管では、コネクタがＭＨＶコネクタもしくはｐｉｎタイプのものであり、これらを適用する場合、同軸ケーブルを介して外付けのアンプに接続する。

同軸コネクタと同軸ケーブルを採用する場合、検出器１１の動作電圧と比較して十分な耐圧電圧がある同軸ケーブル及び同軸コネクタが採用される。これらの同軸ケーブル及び同軸コネクタは電磁シールドがあるため、外部からの電磁放射に対してノイズ対策が十分になる。しかしながら、同軸ケーブル自信が持つ静電容量が数１０ｐＦ/ｍほどあり、この静電容量がアンプの負荷となってノイズが増大してしまう。

一方、非同軸のケーブルを使用する場合には、非同軸ケーブルの静電容量は少なくて済むが、電磁気学的なシールドがないため、外部からの電磁波ノイズに対して影響を受け易くなる。

いずれ場合も、検出器１１と信号処理回路１２の信号増幅手段２１とを、ケーブルを用いて接続することになるが、ケーブル自体でも測定性能を悪化させる要因が生ずる。例えば、長尺なケーブルを使用する場合には、ケーブルが振動することで発生するわずかなノイズ信号が発生する可能性がある。逆に、ケーブルを短くする場合には、検出器１１と信号処理回路１２との双方に、高電圧に対応したコネクタを実装する必要があり、配線作業を考慮すると、必要なスペースが大きくなって、検出器１１を密に配置することが困難になってしまう。

そこで、本実施形態では、検出器１１と信号処理回路１２とが、ケーブルを介在させずに一体に結合されて構成されている。つまり、ドリフトチューブ検出器（検出器１１）は、図４、図７及び図８に示すように、円筒管１５内に電離ガスが封入されると共に、中心位置に芯線１６が張設される。この芯線１６は、円筒管１５のグランド（０Ｖ）２６に絶縁体２７を介して設置されたコネクタ２８により保持される。

また、信号処理回路１２は、信号増幅手段２１及びＡＤ変換手段２２を構成する回路部品２９を備えた基板３０が、スペーサー３１を用いてケース３２内に保持されて収容される。また、基板３０には裏面側に、剛性が高く振動が生じにくいピン３３が突設されている。そして、信号処理回路１２側のピン３３が検出器１１側のコネクタ２８に嵌合して結合され、且つ信号処理回路１２側のケース３２が検出器１１側の円筒管１５のグランド２６に嵌め込まれて結合されることで、検出器１１と信号処理回路１２とが一体に結合されて接続される。

以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）～（３）を奏する。
（１）図７及び図８に示すように、宇宙線ミュオン１を検出して検出信号Ｓを発生する検出器１１と、この検出器１１からの検出信号Ｓを処理する信号処理回路１２との間にケーブルが介在せず、両者が一体に結合されて構成されたので、ケーブルの静電容量に起因するノズルや外部からの電磁波ノイズが低減でき、更に検出器１１と信号処理回路１２との据付誤差及び設置スペースを低減できる。これらの結果、宇宙線ミュオン１の軌跡を高精度に測定することができる。

（２）図２及び図３に示すように、荷重による撓みや温度変化による歪が許容可能な値になるような剛性の高いフレーム１７に、複数の検出器１１、信号処理回路１２及び時刻算出手段１３が支持されて、荷電粒子軌跡測定装置１０の要部がモジュール構造体３４として構成されている。そして、荷電粒子軌跡測定装置１０を大型にする場合には、上記モジュール構造体３４を複数個並べることで、宇宙線ミュオン１の測定面積を増大させることができる。従って、モジュール構造体３４において検出器１１間の隙間を最小にし且つ検出器１１の位置精度を確保できるので、宇宙線ミュオン１の測定面積を増大させる場合であっても、宇宙線ミュオン１の設置精度を良好に確保することができる。

（３）上述のモジュール構造体３４では、複数の検出器１１、信号処理回路１２及び時刻算出手段１３を支持するフレーム１７の周囲が、放熱窓１９を備えたカバー１８により覆われたことで、モジュール構造体３４の輸送時や屋外での長時間の測定時においても、風雨及び猛暑の影響を抑制することができる。

［Ｂ］第２実施形態（図９、図１０）
図９は、第２実施形態に係る荷電粒子軌跡測定装置の構成を示すブロック図である。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。なお、複数の時刻算出手段４１を識別するために、ａ～ｆの添字を付して説明する場合がある。

第２実施形態の荷電粒子軌跡測定装置４０では、時刻算出手段４１は、発生時刻測定手段２４及び消失時刻測定手段２５のほかに、トリガ信号発生手段４２、トリガ信号受信手段４３及び同時計数手段４４を有して構成される。このうちトリガ信号発生手段４２は、信号処理回路１２からのデジタル信号Ｂの出力に基づき検出器１１からの検出信号Ｓの発生を知らせるトリガ信号Ｇを発生する。また、トリガ信号受信手段４３は、外部からのトリガ信号Ｇを受信する。

同時計数手段４４は、トリガ信号発生手段４２からのトリガ信号Ｇに応じた同一時間内(例えば、トリガ信号Ｇが出力されている時間と同一の時間内)に発生したとみなせる複数の検出信号Ｓに関する情報（即ち、宇宙線ミュオン１を検出した検出器１１の位置情報及び検出信号Ｓの発生時刻Ｔｏ情報）を軌跡算出手段１４へ出力し、上記同一時間外の情報を破棄する。軌跡算出手段１４は、トリガ信号Ｇに応じた同一時間内に発生したとみなせる複数の検出信号Ｓに関する上述の情報に基づいて、宇宙線ミュオン１の軌跡を算出する。

本第２実施形態について更に詳説する。宇宙線ミュオン１は透過力が高いことと、通過した物質内では何らかの相互作用があることが特徴になる。一方、γ線などは透過力が高いものの、透過した物質と相互作用を起こすことは確率で決まる。そのため、複数の検出器１１で信号が発生した場合、宇宙線ミュオン１による検出信号であるのか、それ以外の天然放射線などのノイズであるのかを区別することが可能になる。

そこで、本第２実施形態の時刻算出手段４１は、複数の検出器１１により検出された検出信号Ｓのうち、他の時刻算出手段４１で同一時間（例えば１秒間）に発生したとみなせる検出信号Ｓのみに関する情報（検出器１１の位置情報、検出信号Ｓの発生時刻Ｔｏ情報）を軌跡算出手段１４へ出力する。

例えば、図９に示すように、Ｘ方向算出部２０Ｘに属する時刻算出手段４１ａのトリガ信号発生手段４２で検出信号Ｓに応じてトリガ信号Ｇを発生し、このトリガ信号Ｇを、Ｙ方向算出部２０Ｙの時刻算出手段４１ｄ、４１ｅ及び４１ｆのトリガ信号受信手段４３で受信する。この場合、Ｘ方向算出部２０Ｘの時刻算出手段４１ａに属する複数の検出器１１のいずれか１つで検出信号Ｓが出力されていれば、時刻算出手段４１ａのトリガ信号発生手段４２がトリガ信号Ｇを発生させ、このトリガ信号Ｇを、Ｙ方向算出部２０Ｙの時刻算出手段４１ｄ、４１ｅ及び４１ｆのトリガ信号受信手段４３で受信させることで、Ｘ方向算出部２０Ｘにおいて宇宙線ミュオン１を検出して検出信号Ｓが出力されたか否かを判定することが可能になる。

同様に、Ｘ方向算出部２０Ｘにおける他の複数の時刻算出手段４１ｂ、４１ｃのトリガ信号発生手段４２からのトリガ信号ＧをＹ方向算出部２０Ｙの複数の時刻算出手段４１ｄ、４１ｅ及び４１ｆのトリガ信号受信手段４３に入力することで、装置全体で、複数の検出器１１で宇宙線ミュオン１を検出して検出信号Ｓが出力されたか否かを判定することが可能になる。

一方、トリガ信号Ｇは、検出器１１が実際に宇宙線ミュオン１を検出して検出信号Ｓを発生する発生時刻Ｔｏから一定時間経過した後に発生する。このため、Ｙ方向算出部２０Ｙでは、各検出信号Ｓの発生時刻Ｔｏを時刻算出手段４１の発生時刻測定手段２４が測定した後、トリガ信号Ｇが存在する場合に同時計数手段４４が、時刻算出手段４１ｄ、４１ｅ及び４１ｆで得た同一時間内に発生したとみなせる検出信号Ｓに関する情報を軌跡算出手段１４へ出力し、それ以外の情報を破棄する。これにより、軌跡算出手段１４には必要最小限の情報が出力されることになる。

つまり、図１０に示すように、Ｙ方向算出部２０Ｙでは、Ｘ方向算出部２０Ｘの検出器１１からの検出信号Ｓの出力によって、例えば時刻算出手段４１が、検出器１１毎に検出信号Ｓに関する情報（検出信号Ｓの発生時刻Ｔｏ、検出信号Ｓを出力した検出器１１の位置情報）を取得する（Ｓ１）。このとき、Ｙ方向算出部２０Ｙのトリガ信号受信手段４３が、例えばＸ方向算出部２０Ｘの時刻算出手段４１のトリガ信号発生手段４２からのトリガ信号Ｇを受信すると（Ｓ２）、このＹ方向算出部２０Ｙの同時計数手段４４は、ステップＳ１で取得した検出信号Ｓに関する情報の中で、トリガ信号Ｇに応じた同一時間内に発生したとみなせる検出信号Ｓに関する情報を軌跡算出手段１４へ出力する（Ｓ３）。軌跡算出手段１４は、Ｙ方向算出部２０Ｙの同時計数手段４４から出力された必要最小限の検出信号Ｓに関する情報に基づいて、宇宙線ミュオン１の軌跡を算出する（Ｓ４）。

上述の例では、Ｘ方向算出部２０Ｘに属する信号処理回路１２からの検出信号Ｓに対して時刻算出手段４１のトリガ信号発生手段４２がトリガ信号Ｇを発生し、このトリガ信号Ｇを、Ｙ方向算出部２０Ｙの時刻算出手段４１のトリガ信号受信手段４３が受信している。

これに対し、例えばＸ方向算出部２０Ｘに属する信号処理回路１２からの検出信号Ｓに対して時刻算出手段４１ａのトリガ信号発生手段４２がトリガ信号Ｇを発生し、このトリガ信号Ｇを、同じくＸ方向算出部２０Ｘにおける他の時刻算出手段４１ｂ、４１ｃのトリガ信号受信手段４３が受信し、これらの時刻算出手段４１ｂ、４１ｃの同時計数手段４４が、検出信号Ｓに関する情報を軌跡算出手段１４に出力してもよい。

以上のように構成されたことから、本第２実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）～（３）と同様な効果を奏するほか、次の効果（４）を奏する。

（４）時刻算出手段４１の同時計数手段４４は、トリガ信号発生手段４２からのトリガ信号Ｇに応じた同一時間内(例えば、トリガ信号Ｇが出力されている時間と同一の時間内)に発生したとみなせる複数の検出信号Ｓに関する情報（即ち、宇宙線ミュオン１を検出した検出器１１の位置情報及び検出信号Ｓの発生時刻Ｔｏ情報）を軌跡算出手段１４へ出力し、上記同一時間外の情報を破棄し、軌跡算出手段１４が、同時計数手段４４から出力された検出信号Ｓに関する上記情報のみに基づいて、宇宙線ミュオン１の軌跡を算出する。この結果、軌跡算出手段１４は、不要なノイズを削除できるので、宇宙線ミュオン１の軌跡をより一層高精度に算出することができる。

以上、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。これらの実施形態は、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、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

１…宇宙線ミュオン、１０…荷電粒子軌跡測定装置、１１…検出器、１２…信号処理回路、１３…時刻算出手段、１４…軌跡算出手段、１５…円筒管（筒体）、１６…芯線、１７…フレーム、１８…カバー、１９…放熱窓（放熱手段）、２０Ｘ…Ｘ方向算出部、２０Ｙ…Ｙ方向算出部、２１…信号増幅手段、２２…ＡＤ変換手段、２４…発生時刻測定手段、２５…消失時刻測定手段、２６…グランド、２８…コネクタ、２９…回路部品、３０…基板、３２…ケース、３３…ピン、４０…荷電粒子軌跡測定装置、４１…時刻算出手段、４２…トリガ信号発生手段、４３…トリガ信号受信手段、４４…同時計数手段、Ｓ…検出信号、Ｔｏ…発生時刻、Ｔｐ…消失時刻、Ｂ…デジタル信号、Ｇ…トリガ信号

Claims (8)

1. 荷電粒子の軌跡を測定する荷電粒子軌跡測定装置において、
   前記荷電粒子を検出して検出信号を発生する複数の検出器と、
   前記検出器からの前記検出信号を処理する信号処理回路と、
   前記信号処理回路から出力された信号に基づき前記検出器による前記検出信号の発生時刻を算出する時刻算出手段と、
   前記検出信号の前記発生時刻と前記荷電粒子を検出した前記検出器の位置情報とに基づいて前記荷電粒子の軌跡を算出する軌跡算出手段と、を有し、
   前記検出器は、筒体内に設けられた芯線がコネクタにより保持されて構成され、前記信号処理回路は、回路部品を備えた基板がケースに収容されて構成され、
   前記基板に突設されたピンが前記コネクタに嵌合して結合され、且つ前記ケースが前記筒体のグランドに結合されることで、前記検出器と前記信号処理回路とが一体に結合されて構成されたことを特徴とする荷電粒子軌跡測定装置。
2. 前記検出器は、複数本がＸ方向に配列された層が４層以上設けられて荷電粒子のＸ方向位置を検出するＸ方向算出部を構成すると共に、複数本が前記Ｘ方向に直交するＹ方向に配列された層が４層以上設けられて前記荷電粒子のＹ方向位置を検出するＹ方向算出部を構成することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子軌跡測定装置。
3. 前記信号処理回路は、検出器からの検出信号を増幅する信号増幅手段と、この信号増幅手段から出力された信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換手段と、を有して構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子軌跡測定装置。
4. 前記時刻算出手段は、信号処理回路のＡＤ変換手段にて得られたデジタル信号に基づいて、検出器からの検出信号の発生時刻を測定する発生時刻測定手段と、前記検出信号の消失時刻を測定する消失時刻測定手段と、を有して構成されたことを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子軌跡測定装置。
5. 前記時刻算出手段は、信号処理回路からのデジタル信号の出力に基づき検出器からの検出信号の発生を知らせるトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段と、外部からの前記トリガ信号を受信するトリガ信号受信手段と、前記トリガ信号に応じた同一時間内に発生したとみなせる複数の前記検出信号に関する情報を軌跡算出手段へ出力する同時計数手段と、を有して構成されたことを特徴とする請求項４に記載の荷電粒子軌跡測定装置。
6. 前記検出器、前記信号処理回路及び前記時刻算出手段を支持するフレームと、このフレームの周囲を覆うカバーと、を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の荷電粒子軌跡測定装置。
7. 前記カバーには、このカバーの内部で発生した熱を放熱する放熱手段が設けられたことを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子軌跡測定装置。
8. 検出器が荷電粒子を検出したときに発生する検出信号に関する情報としての前記検出器の位置及び前記検出信号の発生時刻に基づいて、前記荷電粒子の軌跡を測定する荷電粒子軌跡測定方法であって、
   前記検出器は、筒体内に設けられた芯線がコネクタにより保持されて構成され、前記検出器からの前記検出信号を処理する信号処理回路は、回路部品を備えた基板がケースに収容されて構成され、
   前記基板に突設されたピンが前記コネクタに嵌合して結合され、且つ前記ケースが前記筒体のグランドに結合されることで、前記検出器と前記信号処理回路とが一体に結合され、
   積層状態に配置された複数の前記検出器のそれぞれから発生する前記検出信号のうち、同一時間内に発生したとみなせる複数の前記検出信号に関する前記情報に基づいて、前記荷電粒子の軌跡を算出して測定することを特徴とする荷電粒子軌跡測定方法。

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