JP6282435B2 - Muon trajectory detector and muon trajectory detection method - Google Patents

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Description

本実施形態は、宇宙線ミュオンの飛行軌跡を検出する技術に関する。   The present embodiment relates to a technique for detecting a flight trajectory of a cosmic ray muon.

地震や津波により過酷事故が発生した原子力発電所など、高い放射線のため立ち入りが困難な構造物において、内部の様子を把握することが重要な課題となる。   In structures that are difficult to enter due to high radiation, such as nuclear power plants where severe accidents have occurred due to earthquakes and tsunamis, it is important to understand the inside.

構造物内部を把握する従来の方法として、地表に到達する宇宙線ミュオンを観測して内部を透視する技術が知られている。この技術は、例えば火山またはピラミッドなどの大型で内部への立ち入りが困難なものに対して好適に利用されてきた。   As a conventional method for grasping the inside of a structure, a technique for observing a cosmic ray muon reaching the ground surface and seeing through the inside is known. This technique has been suitably used for large-sized things that are difficult to enter, such as volcanoes or pyramids.

ミュオンを観測して構造物の内部状態を透視する方法として、ミュオンの粒子束の減衰を測定する透過法およびミュオンのクーロン多重散乱角を測定する散乱法などが知られている。また、散乱法においては、クーロン多重散乱による軌跡のずれを測定する変位法も知られている。   As a method of observing the muon and seeing through the internal state of the structure, a transmission method for measuring the attenuation of the muon particle bundle and a scattering method for measuring the Coulomb multiple scattering angle of the muon are known. As a scattering method, a displacement method for measuring a shift of a locus due to Coulomb multiple scattering is also known.

このミュオンを観測して内部状態を透視する技術を、高放射線環境下の構造物にも適用することが提案されている（例えば、非特許文献１）。ミュオンによる透視技術を過酷事故が発生した原子力発電所に適用することで、建屋外から圧力容器内の燃料棒集合体、溶融燃料の形状または質量のような具体的な情報が正確に把握されることが期待される。これらの具体的な情報を正確に把握することで、原子炉解体期間の大幅な短縮が見込め、解体費用と作業員の被曝量を低減することが可能となる。   It has been proposed to apply the technique of observing the muon and seeing through the internal state to a structure under a high radiation environment (for example, Non-Patent Document 1). By applying Muon's fluoroscopy technology to a nuclear power plant where a severe accident has occurred, specific information such as the fuel rod assembly in the pressure vessel and the shape or mass of the molten fuel can be accurately grasped from outside the building. It is expected. By accurately grasping such specific information, it is possible to significantly shorten the reactor dismantling period, and it is possible to reduce the dismantling cost and the exposure amount of workers.

ミュオンによる透視技術では、透視の対象となる構造物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、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。   In the muon fluoroscopy technique, a muon trajectory detector is externally provided on a structure to be fluoroscopically targeted. The detector detects the flight trajectory of muon and analyzes the trajectory, thereby imaging the inside of the structure.

ミュオン軌跡検出器は、ドリフトガスが封入されたドリフトチューブの配列を多層にして構成している。
ドリフトチューブは、その中心に陽極ワイヤが張られており、ミュオンの通過によって封入されたドリフトガスが電離されて電子が発生する。発生した電子が陽極ワイヤに到達することでミュオンの通過が検出される。そして、電子が陽極ワイヤに到達するまでのドリフト時間からミュオンの通過位置を求めることができる。 The muon locus detector has a multi-layered arrangement of drift tubes filled with drift gas.
The drift tube has an anode wire at its center, and the drift gas enclosed by the passage of the muon is ionized to generate electrons. The passage of muons is detected when the generated electrons reach the anode wire. The muon passage position can be obtained from the drift time until the electrons reach the anode wire.

そして、ミュオン軌跡検出器は、ミュオンが通過したドリフトチューブそれぞれの通過位置からミュオンの飛行軌跡を検出することができる。
なお、アルミ製のドリフトチューブで構成されるミュオン軌跡検出器の場合、空間分解能と角度分解能は典型的には０．５ｍｍ及び２ｍｒａｄ（全値半幅）程度で、ミュオンの検出効率は１００％近い。 The muon trajectory detector can detect the flight trajectory of the muon from each passing position of the drift tube through which the muon has passed.
In the case of a muon trajectory detector composed of an aluminum drift tube, the spatial resolution and the angular resolution are typically about 0.5 mm and 2 mrad (full width half value), and the muon detection efficiency is close to 100%.

Ｈ．Ｍｉｙａｄｅｒａ，ｅｔａｌ．，ＡＩＰ Ａｄｖａｎｃｅｓ ３，０５２１３３（２０１３）．H. Miyada, et al. , AIP Advances 3,052133 (2013).

しかしながら、過酷事故が発生した原子力発電所のような高放射線環境下では、高いガンマ線量により、ドリフトチューブの壁面の原子とガンマ線との間のコンプトン散乱による誤検出が増加する。ガンマ線とのコンプトン散乱で発生した電子が、陽極ワイヤに到達してミュオンの通過として検出されてしまうからである。   However, in a high radiation environment such as a nuclear power plant where a severe accident occurred, a high gamma dose increases false detection due to Compton scattering between atoms and gamma rays on the drift tube wall. This is because electrons generated by Compton scattering with gamma rays reach the anode wire and are detected as muon passage.

本来、ドリフトチューブはガンマ線に対する感度が低く、ガンマ線に由来する電子の発生は無視することができる。しかし、ガンマ線量が高い場合、ガンマ線とドリフトチューブの壁面の原子とのコンプトン散乱の発生数も増加し、ガンマ線起因による検出が増加する。   Originally, the drift tube has low sensitivity to gamma rays, and generation of electrons derived from gamma rays can be ignored. However, when the gamma dose is high, the number of occurrences of Compton scattering between gamma rays and atoms on the wall of the drift tube also increases, and detection due to gamma rays increases.

このため、高放射線環境下では、ドリフトチューブのガンマ線起因による検出により、解析対象となるデータ量が増大し、ミュオン軌跡検出器を安定的に動作させることが困難であった。   For this reason, in a high radiation environment, the amount of data to be analyzed increases due to the detection caused by the gamma rays of the drift tube, making it difficult to operate the muon locus detector stably.

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、高放射線環境下で安定的な動作を実現するミュオン軌跡検出器及びミュオン軌跡検出方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a muon locus detector and a muon locus detection method that realizes stable operation in a high radiation environment.

本実施形態のミュオン軌跡検出器は、宇宙線ミュオンの通過が検出された際に電気信号を出力するドリフトチューブを配列し、少なくとも３層に配置させたドリフトチューブ検出器と、予め保存された一直線となる前記ドリフトチューブの検出パターンを用いて、一定時間内に前記電気信号が出力された前記ドリフトチューブの中から、一直線上に位置しないものは除外する一方、一直線上に位置するものを選別するドリフトチューブ選別手段と、選別されたそれぞれの前記ドリフトチューブに対応する前記電気信号の立ち上がり時間に基づいて前記ドリフトチューブ内における前記宇宙線ミュオンの通過位置を計算する通過位置計算手段と、計算された前記通過位置を用いて前記宇宙線ミュオンの飛行軌跡を導出するミュオン軌跡導出手段と、を備えることを特徴とする。 The muon trajectory detector of the present embodiment includes a drift tube detector in which drift tubes that output an electrical signal when passage of a cosmic ray muon is detected are arranged and arranged in at least three layers, and a straight line stored in advance. Using the detection pattern of the drift tube, the drift tube from which the electrical signal is output within a predetermined time is excluded from the drift tube that is not on a straight line, while the one that is on a straight line is selected. Drift tube sorting means; passage position calculating means for calculating the passage position of the cosmic ray muon in the drift tube based on the rise time of the electrical signal corresponding to each of the sorted drift tubes; Muon locus deriving means for deriving a flight locus of the cosmic ray muon using the passing position. , Characterized in that it comprises a.

本発明によれば、高放射線環境下で安定的な動作を実現するミュオン軌跡検出器及びミュオン軌跡検出方法が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the muon locus detector and the muon locus detection method which implement | achieve stable operation | movement under a high radiation environment are provided.

本実施形態に係るミュオン軌跡検出器の構成図。The block diagram of the muon locus detector which concerns on this embodiment. 本実施形態に適用されるドリフトチューブの断面図。Sectional drawing of the drift tube applied to this embodiment. （Ａ）、（Ｂ）ドリフトチューブの配置例を示す図。(A), (B) The figure which shows the example of arrangement | positioning of a drift tube. 配列の方向を交差させた場合におけるドリフトチューブの配置例を示す図。The figure which shows the example of arrangement | positioning of the drift tube in the case of crossing the direction of an arrangement | sequence. （Ａ）本実施形態に適用される多閾値ディスクリミネータの回路図、（Ｂ）多閾値ディスクリミネータによる波高が異なる電気信号のパルス変換を示す図。(A) The circuit diagram of the multi-threshold discriminator applied to this embodiment, (B) The figure which shows the pulse conversion of the electric signal from which the pulse height by a multi-threshold discriminator differs. ガンマ線起因により電気信号が出力されたドリフトチューブを除外して、ミュオンの軌跡を導出する方法を説明する図。The figure explaining the method of deriving | leading-out a muon locus | trajectory except the drift tube from which the electrical signal was output by the gamma ray origin. 交差するドリフトチューブの位置情報により伝搬遅延を計算する方法を説明する図。The figure explaining the method of calculating a propagation delay by the positional information on the drift tube which crosses. 本実施形態に係るミュオン軌跡検出器の動作を示すフローチャート。The flowchart which shows operation | movement of the muon locus detector which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るミュオン軌跡検出器を原子炉に適用した場合の一例を示す図。The figure which shows an example at the time of applying the muon locus detector which concerns on this embodiment to a nuclear reactor.

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態に係るミュオン軌跡検出器１０は、宇宙線ミュオンの通過が検出された際に電気信号を出力するドリフトチューブ１１を配列し、少なくとも３層に配置させたドリフトチューブ検出器１２と、一定時間内に電気信号が出力されたドリフトチューブ１１の中から一直線上に位置するものを選別するドリフトチューブ選別手段１５と、選別されたそれぞれのドリフトチューブ１１に対応する電気信号の立ち上がり時間に基づいてドリフトチューブ１１内における宇宙線ミュオンの通過位置を計算する通過位置計算手段１９と、計算された通過位置を用いて宇宙線ミュオンの飛行軌跡を導出するミュオン軌跡導出手段２０と、を備える。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
A muon trajectory detector 10 according to the embodiment shown in FIG. 1 includes a drift tube detector 12 in which drift tubes 11 that output an electrical signal when passage of a cosmic ray muon is detected are arranged and arranged in at least three layers. And drift tube selecting means 15 for selecting the one located on a straight line from the drift tubes 11 from which the electric signal was output within a predetermined time, and the rise time of the electric signal corresponding to each selected drift tube 11 The passage position calculation means 19 for calculating the passage position of the cosmic ray muon in the drift tube 11 based on the above, and the muon locus derivation means 20 for deriving the flight locus of the cosmic ray muon using the calculated passage position. .

ミュオン軌跡検出器１０は、配列したドリフトチューブ１１を多層に構成したドリフトチューブ検出器１２、ＰＡＤボード２１（電子回路）、ＦＰＧＡボード２２（電子回路）、解析コンピュータ２３を備えている。   The muon locus detector 10 includes a drift tube detector 12 in which the arranged drift tubes 11 are formed in multiple layers, a PAD board 21 (electronic circuit), an FPGA board 22 (electronic circuit), and an analysis computer 23.

図２は、ドリフトチューブ１１の断面図を示している。
ドリフトチューブ１１は、アルミニウム製の円筒管であり、円筒管の中心に高電圧を印加した陽極ワイヤ２４が張られている。そして、ドリフトチューブ１１内には、希ガスを主成分とするドリフトガス２５が封入されている。 FIG. 2 shows a cross-sectional view of the drift tube 11.
The drift tube 11 is a cylindrical tube made of aluminum, and an anode wire 24 to which a high voltage is applied is stretched at the center of the cylindrical tube. A drift gas 25 containing a rare gas as a main component is sealed in the drift tube 11.

ミュオンが、ドリフトチューブ１１内を通過すると、ドリフトガス２５が電離されてイオンと電子に分離する。この電子が陽極ワイヤ２４に到達すると、ドリフトチューブ１１から電気信号が出力されて、ドリフトチューブ１１におけるミュオン通過が検出される。   When the muon passes through the drift tube 11, the drift gas 25 is ionized and separated into ions and electrons. When the electrons reach the anode wire 24, an electrical signal is output from the drift tube 11, and muon passage in the drift tube 11 is detected.

そして、電子が陽極ワイヤ２４に到達するまでのドリフト時間により、ドリフトチューブ１１内におけるミュオンの通過位置（陽極ワイヤ２４からの距離）を求めることができる。この電子のドリフト時間は、ドリフトチューブ１１から出力される電気信号の立ち上がり時間を示している。   The muon passage position (distance from the anode wire 24) in the drift tube 11 can be obtained from the drift time until the electrons reach the anode wire 24. This electron drift time indicates the rise time of the electrical signal output from the drift tube 11.

高放射線環境下では、ドリフトチューブ１１内で電離されたイオンの作る空間電化効果により電子のドリフト時間が変化するため、位置分解能が劣化する。
空間電化効果による位置分解能の劣化は、ドリフトチューブ１１内に封入されるドリフトガス２５を電子のドリフト時間が電場に依存しないリニアガスにすることで抑制することができる。 Under a high radiation environment, the position resolution deteriorates because the drift time of electrons changes due to the space electrification effect produced by the ions ionized in the drift tube 11.
The degradation of the position resolution due to the space electrification effect can be suppressed by making the drift gas 25 enclosed in the drift tube 11 a linear gas whose electron drift time does not depend on the electric field.

リニアガスは、主成分である希ガスに窒素、メタン、エタン、二酸化炭素、四フッ化メタンのうち２種類以上を添加することで生成することができる。特に、高放射線環境下での経時劣化を防ぐには、非炭化水素系ガスの添加が望ましい。   The linear gas can be generated by adding two or more of nitrogen, methane, ethane, carbon dioxide, and tetrafluoromethane to a rare gas that is a main component. In particular, it is desirable to add a non-hydrocarbon gas in order to prevent deterioration over time in a high radiation environment.

図３（Ａ）、（Ｂ）は、ドリフトチューブ１１の配置例を示している。ドリフトチューブ検出器１２では、ドリフトチューブ１１におけるミュオンの通過位置からミュオンの軌跡を導出するため、少なくとも３層でドリフトチューブ１１が配置される。   3A and 3B show an arrangement example of the drift tube 11. In the drift tube detector 12, the drift tube 11 is arranged in at least three layers in order to derive the muon trajectory from the muon passage position in the drift tube 11.

図３（Ａ）では、相互に接するように同方向に配列した複数のドリフトチューブ１１が、平行に３層で配置されている。
また、図３（Ｂ）では、中心位置をずらして近接させた２層のドリフトチューブ１１を１組とし、３組を平行にしてあわせて６層のドリフトチューブ１１で配置されている。これにより、ドリフトチューブ１１の故障等によるミュオンの検出漏れが防止される。 In FIG. 3A, a plurality of drift tubes 11 arranged in the same direction so as to be in contact with each other are arranged in three layers in parallel.
In FIG. 3B, the two layers of drift tubes 11 that are shifted from each other in the center position are set as one set, and the three sets are arranged in parallel, and the six layers of drift tubes 11 are arranged. As a result, muon detection omission due to failure of the drift tube 11 or the like is prevented.

図４は、ドリフトチューブ１１を交差させた場合の配置例を示している。
配列の方向を直交させたドリフトチューブ１１を２層ずつ交互に積み重ねて、あわせて１２層のドリフトチューブ１１で配置されている。これにより、ミュオンの軌跡が３次元的に導出される。 FIG. 4 shows an arrangement example when the drift tubes 11 are crossed.
Two layers of drift tubes 11 whose arrangement directions are orthogonal to each other are alternately stacked, and a total of 12 layers of drift tubes 11 are arranged. As a result, the muon trajectory is derived three-dimensionally.

図１に戻って説明を続ける。
ＰＡＤボード２１は、ドリフトチューブ１１に直結しており、前置増幅器１３、多閾値ディスクリミネータ１４を備えている。 Returning to FIG. 1, the description will be continued.
The PAD board 21 is directly connected to the drift tube 11 and includes a preamplifier 13 and a multi-threshold discriminator 14.

前置増幅器１３は、ドリフトチューブ１１から出力された電気信号を増幅して、多閾値ディスクリミネータ１４に出力する。   The preamplifier 13 amplifies the electrical signal output from the drift tube 11 and outputs it to the multi-threshold discriminator 14.

多閾値ディスクリミネータ１４は、設定された少なくとも２つの閾値を用いて、前置増幅器１３を介して増幅された電気信号をパルス信号に変換するものである。   The multi-threshold discriminator 14 converts the electric signal amplified through the preamplifier 13 into a pulse signal using at least two set threshold values.

図５（Ａ）は、本実施形態に適用される多閾値ディスクリミネータ１４を示している。
この多閾値ディスクリミネータ１４では、３つの閾値Ｔｈ１〜Ｔｈ３が設定されている。そして、論理回路で出力が１本の信号線に統合されており、電気信号ｓを入力して、一本のパルス信号に変換する。パルス信号の一連の立ち上がり及び立ち下がり時間を順次読み取ることで、閾値Ｔｈ１〜Ｔｈ３のそれぞれを通過する時間が特定可能となる。 FIG. 5A shows a multi-threshold discriminator 14 applied to this embodiment.
In this multi-threshold discriminator 14, three threshold values Th1 to Th3 are set. The output of the logic circuit is integrated into one signal line, and the electric signal s is input and converted into one pulse signal. By sequentially reading a series of rise and fall times of the pulse signal, it is possible to specify the time that passes through each of the threshold values Th1 to Th3.

通常、多閾値のディスクリミネータでは、設定する閾値の数に対応して伝送数が増加する。このように、論理回路により出力を１本に統合することにより、伝送線が増加することはないため、ミュオン軌跡検出器１０の装置構成を簡略化できるとともに製作コストを抑制することができる。   Usually, in a multi-threshold discriminator, the number of transmissions increases in correspondence with the number of threshold values to be set. Thus, since the number of transmission lines does not increase by integrating the outputs into one by the logic circuit, the device configuration of the muon locus detector 10 can be simplified and the manufacturing cost can be suppressed.

図５（Ｂ）は、多閾値ディスクリミネータ１４により波高が異なる電気信号ｓ（ｓ１、ｓ２）をパルス信号に変換した場合を示している。なお、電気信号ｓ１、ｓ２は、電気信号ｓの立ち上がり時間ｔ０は同一であるが、ドリフトチューブ１１へのミュオン入射角度の違い等により波高に差異が出ているものとする。 FIG. 5B shows a case where electrical signals s (s1, s2) having different wave heights are converted into pulse signals by the multi-threshold discriminator 14. The electric signals s1, s2 is the rise time t 0 of the electrical signal s is identical, it is assumed that the difference in height is out due to differences such as muon incident angle to the drift tube 11.

電気信号ｓ１では、閾値Ｔｈ１〜Ｔｈ３を通過する時間は、それぞれｔ１〜ｔ３となる。同様に、電気信号ｓ２では、閾値Ｔｈ１〜Ｔｈ３を通過する時間は、それぞれｔ１’〜ｔ３’となる。 In the electric signal s1, the time passing the threshold Th1~Th3 becomes t 1 ~t 3 respectively. Similarly, the electrical signals s2, time to pass through the threshold Th1~Th3 becomes t 1 '~t 3', respectively.

高放射線環境下で、放射線計数率が高くなると、ドリフトチューブ１１から出力される電気信号ｓのベースラインが不安定となり、電気信号ｓの立ち上がり時間ｔ０に揺らぎが生じる。また、波高が異なる電気信号ｓ１、ｓ２では、波高の違いによるタイムウォーク（読み取り誤差）が生じてしまう。このため、直接的に電気信号ｓの立ち上がり時間ｔ０を読み取ることは困難となる。 When the radiation count rate becomes high under a high radiation environment, the baseline of the electric signal s output from the drift tube 11 becomes unstable, and fluctuations occur in the rising time t 0 of the electric signal s. Further, in the electric signals s1 and s2 having different wave heights, a time walk (reading error) due to the difference in wave heights occurs. Therefore, it becomes difficult to read the rise time t 0 of the direct electrical signal s.

そこで、解析コンピュータ２３の補正手段１７（図１）は、多閾値ディスクリミネータ１４により変換されたパルス信号が、閾値のそれぞれを通過した時間情報に基づいて電気信号の立ち上がり時間を補正する。   Therefore, the correction means 17 (FIG. 1) of the analysis computer 23 corrects the rise time of the electric signal based on the time information when the pulse signal converted by the multi-threshold discriminator 14 passes each of the threshold values.

具体的に、電気信号ｓ１については、閾値Ｔｈ１〜Ｔｈ３を通過する時間情報ｔ１〜ｔ３を用いて最小二乗法等の波形フィティングを実行して、電気信号の立ち上がり時間ｔ０を補正する。同様に、電気信号ｓ２については、閾値Ｔｈ１〜Ｔｈ３を通過する時間情報ｔ１’〜ｔ３’を用いて電気信号の立ち上がり時間ｔ０を補正する。 Specifically, for the electrical signals s1, running waveform fitting such as the least squares method using the time information t 1 ~t 3 passing through the threshold Th1～Th3, corrects the rise time t 0 of the electric signal . Similarly, for the electrical signals s2, corrects the rise time t 0 of the electric signal with a time through the threshold Th1~Th3 information t 1 '~t 3'.

このように、パルス信号の時間情報に基づき補正を行うことで、時間分解能を数ｎｓレベルまで改善でき、電気信号の立ち上がり時間を高い精度で求めることができる。また、波高の違いによるタイムウォークの補正も可能となる。これにより、ドリフトチューブ１１におけるミュオン通過位置を高い精度で計算することができる。   Thus, by performing correction based on the time information of the pulse signal, the time resolution can be improved to several ns level, and the rise time of the electric signal can be obtained with high accuracy. It is also possible to correct the time walk due to the difference in wave height. Thereby, the muon passage position in the drift tube 11 can be calculated with high accuracy.

さらに、パルス信号の時間情報は、波高・波形の推定にも使うことができる。長期間にわたり波高推定を行うことで個々のドリフトチューブ１１のゲインの経時変化や、波形推定によるミュオン通過位置の概算に利用することが可能となる。   Further, the time information of the pulse signal can be used for estimating the wave height and waveform. By estimating the wave height over a long period of time, it is possible to use it for the time-dependent change of the gain of each drift tube 11 and for the estimation of the muon passage position by waveform estimation.

図１に戻って説明を続ける。
ＦＰＧＡボード２２は、ドリフトチューブ選別手段１５、時間デジタル変換手段１６を備えている。 Returning to FIG. 1, the description will be continued.
The FPGA board 22 includes a drift tube selection unit 15 and a time digital conversion unit 16.

ドリフトチューブ選別手段１５は、一定時間内に電気信号が出力されたドリフトチューブ１１の中から一直線上に位置するものを選別する。   The drift tube sorting means 15 sorts out the drift tubes 11 that output an electrical signal within a predetermined time and that are positioned on a straight line.

ガンマ線はドリフトチューブ１１を単発でヒットさせるのに対し、ミュオンは多層のドリフトチューブ１１を貫通する。この両者の性質の違いを利用して、ガンマ線起因のバックグランドを除去する。   Gamma rays hit the drift tube 11 in a single shot, whereas muons penetrate the multilayer drift tube 11. The background caused by gamma rays is removed by utilizing the difference between these two properties.

具体的には、一定時間内に電気信号が出力された多数のドリフトチューブ１１について位置関係を調べ、一直線上にあるドリフトチューブ１１のみを選別する。そして、一直線上にないドリフトチューブ１１は、ガンマ線起因により電気信号が出力されたドリフトチューブ１１として除外する。
なお、一直線上にあるドリフトチューブ１１の選別方法として、予め一直線となるドリフトチューブ１１のパターンを全て記憶しておき、このパターンに合致するドリフトチューブ１１を探索する方法等が考えられる。 Specifically, the positional relationship is examined for a number of drift tubes 11 for which electrical signals have been output within a predetermined time, and only the drift tubes 11 that are in a straight line are selected. And the drift tube 11 which is not on a straight line is excluded as the drift tube 11 from which the electric signal was output by the cause of a gamma ray.
As a method for selecting the drift tubes 11 on a straight line, a method of previously storing all the patterns of the drift tubes 11 that are in a straight line and searching for the drift tubes 11 that match the pattern can be considered.

このように、ガンマ線起因のバックグランドを除去することで、軌跡解析の対象となるデータ量を低減させることができるため、ミュオン軌跡検出器１０を安定的に動作させることができる。   In this way, by removing the background caused by gamma rays, the amount of data to be subjected to trajectory analysis can be reduced, so that the muon trajectory detector 10 can be operated stably.

さらに、ドリフトチューブ１１のデッドタイムや検出効率を考慮して、例えば一定時間内に６層中４本以上が一直線上に並んでいる、と緩和した条件を課すことでミュオンの検出効率を落とさずにガンマ線起因のバックグランドを除去できる。   Furthermore, in consideration of dead time and detection efficiency of the drift tube 11, for example, by imposing a relaxed condition that four or more of the six layers are aligned in a certain time, the detection efficiency of the muon is not lowered. In addition, the background caused by gamma rays can be removed.

また、一定時間、言い換えると同時計数を行う時間については、最大ドリフト時間（壁面から陽極ワイヤ２４までの電子のドリフト時間、典型的には１０−６（ｓ））にタイムウォーク（読み取り誤差）を加えた時間とするのが最適である。 In addition, for a certain time, in other words, the time for performing coincidence counting, a time walk (reading error) is set to the maximum drift time (the drift time of electrons from the wall surface to the anode wire 24, typically 10 −6 (s)). The added time is optimal.

時間デジタル変換手段１６は、ドリフトチューブ選別手段１５で選別されたドリフトチューブ１１のパルス信号の時間情報をデジタル化して、解析コンピュータ２３に転送する。   The time digital conversion means 16 digitizes the time information of the pulse signal of the drift tube 11 selected by the drift tube selection means 15 and transfers it to the analysis computer 23.

解析コンピュータ２３は、補正手段１７、伝搬遅延補正手段１８、通過位置計算手段１９、ミュオン軌跡導出手段２０、を備えている。なお、伝搬遅延補正手段１８については後述する。   The analysis computer 23 includes correction means 17, propagation delay correction means 18, passage position calculation means 19, and muon locus derivation means 20. The propagation delay correcting unit 18 will be described later.

補正手段１７は、選別されたドリフトチューブ１１のパルス信号の時間情報を入力する。そして、各ドリフトチューブ１１について、パルス信号が閾値のそれぞれを通過した時間情報に基づいて電気信号の立ち上がり時間を補正する。   The correction means 17 inputs time information of the selected pulse signal of the drift tube 11. And about each drift tube 11, the rise time of an electric signal is correct | amended based on the time information when the pulse signal passed each of the threshold value.

通過位置計算手段１９は、選別されたドリフトチューブ１１に対応する電気信号の立ち上がり時間を入力する。そして、各ドリフトチューブ１１について、電気信号の立ち上がり時間からドリフトチューブ１１におけるミュオンの通過位置を計算する。   The passage position calculation means 19 inputs the rise time of the electrical signal corresponding to the selected drift tube 11. And about each drift tube 11, the passage position of the muon in the drift tube 11 is calculated from the rise time of an electric signal.

ミュオン軌跡導出手段２０は、各ドリフトチューブ１１について計算された通過位置を用いて宇宙線ミュオンの飛行軌跡を導出する。   The muon trajectory derivation means 20 derives the flight trajectory of the cosmic ray muon using the passage position calculated for each drift tube 11.

図６は、ガンマ線起因によるバックグランドを除去し、ミュオンの軌跡導出する方法を説明する図である。   FIG. 6 is a diagram for explaining a method for deriving a muon locus by removing a background caused by gamma rays.

同時計数時に電気信号が出力されたドリフトチューブ１１の中から一直線上にあるドリフトチューブ１１を選別する。そして、一直線上にないドリフトチューブ１１はガンマ線起因によるバックグランドとして除外する。   The drift tubes 11 that are in a straight line are selected from the drift tubes 11 from which electrical signals are output during coincidence counting. The drift tube 11 that is not in a straight line is excluded as a background due to gamma rays.

一直線上にある各ドリフトチューブ１１について、電気信号の立ち上がり時間からミュオンの通過位置（陽極ワイヤ２４からの距離）を計算する。そして、各ドリフトチューブ１１における通過位置の共通接線を引くことでミュオンの飛行軌跡を導出することができる。   For each drift tube 11 on a straight line, the muon passage position (distance from the anode wire 24) is calculated from the rise time of the electrical signal. A muon's flight trajectory can be derived by drawing a common tangent of the passing position in each drift tube 11.

次に、伝搬遅延補正手段１８（図１）について説明する。なお、伝搬遅延補正手段１８は、図４に示すように配列の方向を交差させたドリフトチューブ１１を交互に積み重ねて多層に配置した場合に適用される。   Next, the propagation delay correcting means 18 (FIG. 1) will be described. The propagation delay correcting means 18 is applied when the drift tubes 11 whose arrangement directions are crossed are alternately stacked and arranged in multiple layers as shown in FIG.

原子炉のように大きな建造物をミュオンで透視するには、統計量を稼ぐために数１０ｍ２規模の大型なミュオン軌跡検出器１０が必要となる。この場合、ドリフトチューブ１１として、３ｍ以上の長さが必要となるため、陽極ワイヤ２４（図２）中を伝達する電気信号の伝搬遅延が無視できなくなる。この伝搬遅延は、電気信号の立ち上がり時間に付加されるため、ミュオンの通過位置の計算に影響を与える。 In order to see through a large building such as a nuclear reactor with muons, a large muon trajectory detector 10 with a scale of several tens of m 2 is required to earn statistics. In this case, since the length of 3 m or more is required for the drift tube 11, the propagation delay of the electric signal transmitted through the anode wire 24 (FIG. 2) cannot be ignored. Since this propagation delay is added to the rise time of the electric signal, it affects the calculation of the muon passage position.

伝搬遅延補正手段１８は、互いに交差するドリフトチューブ１１の位置情報を用いて電気信号の伝搬時間の遅れを計算し、電気信号の立ち上がり時間を補正するものである。   The propagation delay correcting means 18 calculates the delay of the propagation time of the electric signal using the position information of the drift tubes 11 intersecting each other, and corrects the rise time of the electric signal.

図７を用いて、伝搬遅延を計算する方法を具体的に説明する。
ｘ面に垂直なドリフトチューブ１１ａに、ミュオンが通過した場合について検討する。
このとき、ミュオンはドリフトチューブ１１ａの深い位置を通過するため、電気信号の伝搬遅延が発生する。 A method of calculating the propagation delay will be specifically described with reference to FIG.
Consider a case where a muon passes through the drift tube 11a perpendicular to the x-plane.
At this time, since the muon passes through a deep position of the drift tube 11a, a propagation delay of the electric signal occurs.

ｙ面に垂直なドリフトチューブ１１ｂは、ドリフトチューブ１１ａと交差する関係にあり、ドリフトチューブ１１ａの直前にミュオンが通過している。このドリフトチューブ１１ｂの位置情報からドリフトチューブ１１ａでミュオンが通過した位置が判明する。   The drift tube 11b perpendicular to the y plane intersects the drift tube 11a, and a muon passes immediately before the drift tube 11a. The position where the muon has passed through the drift tube 11a is determined from the position information of the drift tube 11b.

伝搬遅延補正手段１８は、ドリフトチューブ１１ｂの位置情報を用いて電気信号の伝搬時間の遅れを計算して、電気信号の立ち上がり時間を補正する。なお、ドリフトチューブ１１ｃの位置情報を用いて補正しても良い。これにより、ドリフトチューブ径の伝搬時間（典型的には０．３ｎｓ以下）の精度で伝搬遅延を補正することができる。   The propagation delay correction means 18 calculates the delay of the propagation time of the electric signal using the position information of the drift tube 11b, and corrects the rise time of the electric signal. In addition, you may correct | amend using the positional information on the drift tube 11c. Thereby, the propagation delay can be corrected with the accuracy of the propagation time of the drift tube diameter (typically 0.3 ns or less).

図８は、ミュオン軌跡検出器１０の動作を示すフローチャートである（適宜、図１参照）。
まず、ドリフトチューブ１１から発生した電気信号は、前置増幅器１３を介して増幅されて多閾値ディスクリミネータ１４に入力される（Ｓ１０）。
そして、多閾値ディスクリミネータ１４は、電気信号をパルス信号に変換する（Ｓ１１）。 FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the muon locus detector 10 (see FIG. 1 as appropriate).
First, the electrical signal generated from the drift tube 11 is amplified via the preamplifier 13 and input to the multi-threshold discriminator 14 (S10).
Then, the multi-threshold discriminator 14 converts the electric signal into a pulse signal (S11).

ドリフトチューブ選別手段１５は、一定時間内（同時計数時）に電気信号が出力されたドリフトチューブ１１の中から一直線上に位置するものを選別する（Ｓ１２）。一直線上に無いドリフトチューブ１１は、ガンマ線起因のイベントとして除去する（Ｓ１５）。   The drift tube sorting means 15 sorts the drift tubes 11 that have been output on the straight line from the drift tubes 11 from which the electrical signals have been output within a certain time (when simultaneously counting) (S12). The drift tube 11 that is not in a straight line is removed as an event caused by gamma rays (S15).

時間デジタル変換手段１６は、選別されたドリフトチューブ１１のパルス信号の時間情報をデジタル変換して、解析コンピュータ２３にデータ転送する（Ｓ１３、Ｓ１４）。   The time digital conversion means 16 digitally converts the time information of the selected pulse signal of the drift tube 11 and transfers the data to the analysis computer 23 (S13, S14).

解析コンピュータ２３では、ドリフトチューブ１１のｘ面・ｙ面のイベントを時間情報に基づきグループ化する（Ｓ１６）。
そして、補正手段１７は、選別されたドリフトチューブ１１について、パルス信号が閾値のそれぞれを通過した時間情報に基づいて電気信号の立ち上がり時間を補正する（Ｓ１７）。 The analysis computer 23 groups the x-plane and y-plane events of the drift tube 11 based on the time information (S16).
And the correction | amendment means 17 correct | amends the rise time of an electrical signal about the selected drift tube 11 based on the time information when the pulse signal passed each of a threshold value (S17).

さらに、伝搬遅延補正手段１８は、互いに交差するドリフトチューブ１１の位置情報を用いて電気信号の伝搬時間の遅れを計算し、電気信号の立ち上がり時間を補正する（Ｓ１８）。   Further, the propagation delay correcting means 18 calculates the delay of the propagation time of the electric signal using the position information of the drift tubes 11 intersecting each other, and corrects the rising time of the electric signal (S18).

通過位置計算手段１９は、選別されたドリフトチューブ１１のそれぞれについて、補正された電気信号の立ち上がり時間に基づいてドリフトチューブ１１内でのミュオンの通過位置を計算する（Ｓ１９）。   The passing position calculating means 19 calculates the muon passing position in the drift tube 11 based on the corrected rise time of the electrical signal for each of the selected drift tubes 11 (S19).

ミュオン軌跡導出手段２０は、計算された通過位置を用いて宇宙線ミュオンの飛行軌跡を導出する（Ｓ２０）。最後に、解析コンピュータ２３は、導出したミュオンの飛行軌跡を画像化する（Ｓ２１）。   The muon trajectory deriving means 20 derives the flight trajectory of the cosmic ray muon using the calculated passing position (S20). Finally, the analysis computer 23 images the derived muon flight trajectory (S21).

以上述べたミュオン軌跡検出器によれば、一定時間内に電気信号が出力されたドリフトチューブの中から一直線上に位置するものを選別するドリフトチューブ選別手段を備えることにより、高放射線環境下で安定的な動作を実現することが可能となる。   According to the muon trajectory detector described above, it is stable in a high radiation environment by providing a drift tube selection means for selecting a drift tube that has been output in an electrical signal within a certain time and that is positioned on a straight line. Can be realized.

図９は、本実施形態のミュオン軌跡検出器１０を原子炉２６に適用した場合の一例を示している。
原子炉建屋正面と、原子炉建屋に隣接するタービン建屋内にそれぞれミュオン軌跡検出器１０ａ、１０ｂを設置する。 FIG. 9 shows an example in which the muon locus detector 10 of the present embodiment is applied to the nuclear reactor 26.
Muon trajectory detectors 10a and 10b are installed in the reactor building front and in the turbine building adjacent to the reactor building, respectively.

このように、２基のミュオン軌跡検出器１０（１０ａ，１０ｂ）で原子炉２６を挟むことで、原子炉２６を通過する際のミュオンフラックスの減衰、ミュオンの散乱角、及びミュオン軌跡の変位を正確に求めることができ、原子炉２６の内部構造をイメージング可能となる。なお、ミュオンフラックスの減衰を利用する透過法については、１基のミュオン軌跡検出器１０のみで行うこともできるが、その場合は空間分解能が１桁劣化する。   In this way, by sandwiching the nuclear reactor 26 between the two muon trajectory detectors 10 (10a, 10b), the muon flux attenuation when passing through the nuclear reactor 26, the muon scattering angle, and the displacement of the muon trajectory are as follows. Therefore, it is possible to accurately determine the internal structure of the nuclear reactor 26. Note that the transmission method using the attenuation of the muon flux can be performed by only one muon locus detector 10, but in that case, the spatial resolution is deteriorated by one digit.

また、本実施形態のミュオン軌跡検出器１０は、通常環境下においても、乾式キャスク、車両、コンテナ、船舶、橋脚、高架道路など、少なくとも２種類以上の異質物から構成される複合構造物の内部構造推定に利用できる。   In addition, the muon locus detector 10 of the present embodiment is an interior of a composite structure composed of at least two kinds of heterogeneous materials such as a dry cask, a vehicle, a container, a ship, a bridge pier, and an elevated road even under a normal environment. It can be used for structure estimation.

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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

１０（１０ａ、１０ｂ） ミュオン軌跡検出器
１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ） ドリフトチューブ
１２ ドリフトチューブ検出器
１３ 前置増幅器
１４ 多閾値ディスクリミネータ
１５ ドリフトチューブ選別手段
１６ 時間デジタル変換手段
１７ 補正手段
１８ 伝搬遅延補正手段
１９ 通過位置計算手段
２０ ミュオン軌跡導出手段
２１ ＰＡＤボード
２２ ＦＰＧＡボード
２３ 解析コンピュータ
２４ 陽極ワイヤ
２５ ドリフトガス
２６ 原子炉
ｓ（ｓ１、ｓ２） 電気信号 10 (10a, 10b) Muon locus detector 11 (11a, 11b, 11c) Drift tube 12 Drift tube detector 13 Preamplifier 14 Multi-threshold discriminator 15 Drift tube selection means 16 Time digital conversion means 17 Correction means 18 Propagation Delay correction means 19 Passing position calculation means 20 Muon trajectory derivation means 21 PAD board 22 FPGA board 23 Analysis computer 24 Anode wire 25 Drift gas 26 Reactor s (s1, s2) Electrical signal

Claims (6)

宇宙線ミュオンの通過が検出された際に電気信号を出力するドリフトチューブを配列し、少なくとも３層に配置させたドリフトチューブ検出器と、
予め保存された一直線となる前記ドリフトチューブの検出パターンを用いて、一定時間内に前記電気信号が出力された前記ドリフトチューブの中から、一直線上に位置しないものは除外する一方、一直線上に位置するものを選別するドリフトチューブ選別手段と、
選別されたそれぞれの前記ドリフトチューブに対応する前記電気信号の立ち上がり時間に基づいて前記ドリフトチューブ内における前記宇宙線ミュオンの通過位置を計算する通過位置計算手段と、
計算された前記通過位置を用いて前記宇宙線ミュオンの飛行軌跡を導出するミュオン軌跡導出手段と、を備えることを特徴とするミュオン軌跡検出器。 A drift tube detector in which a drift tube that outputs an electrical signal when passage of a cosmic ray muon is detected is arranged and arranged in at least three layers;
Using the drift tube detection pattern that has been stored in advance, the drift tubes that have been output within the predetermined time are excluded from those drift tubes that are not located on a straight line, while those that are located on a straight line are excluded. Drift tube sorting means for sorting what to do,
Passage position calculating means for calculating the passage position of the cosmic ray muon in the drift tube based on the rise time of the electrical signal corresponding to each of the selected drift tubes;
Muon trajectory deriving means for deriving a flight trajectory of the cosmic ray muon using the calculated passing position, a muon trajectory detector. 設定された少なくとも２つの閾値を用いて、前記ドリフトチューブから出力された前記電気信号をパルス信号に変換して出力する多閾値ディスクリミネータと、
前記パルス信号が前記閾値のそれぞれを通過した時間に基づいて前記電気信号の立ち上がり時間を補正する補正手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のミュオン軌跡検出器。 A multi-threshold discriminator that converts the electrical signal output from the drift tube into a pulse signal and outputs the pulse signal using at least two set threshold values;
Correction means for correcting the rise time of the electrical signal based on the time when the pulse signal has passed each of the threshold values;
The muon locus detector according to claim 1, further comprising: 前記多閾値ディスクリミネータは、出力が論理回路で１本の信号線に統合されて、一連の立ち上がり及び立ち下がり時間を順次読み取ることで、前記閾値それぞれを通過する時間が特定可能なパルス信号を出力することを特徴とする請求項２に記載のミュオン軌跡検出器。   The multi-threshold discriminator outputs a pulse signal whose output passes through each of the thresholds by specifying the output by integrating the output into a single signal line with a logic circuit and sequentially reading a series of rise and fall times. The muon trajectory detector according to claim 2, wherein the muon trajectory detector is output. 前記ドリフトチューブ検出器は、前記配列の方向を交差させた前記ドリフトチューブを交互に積み重ねて多層に配置させ、
互いに交差する前記ドリフトチューブの位置情報を用いて前記電気信号の伝搬時間の遅れを計算し、前記電気信号の立ち上がり時間を補正する伝搬遅延補正手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のミュオン軌跡検出器。 The drift tube detector is arranged in multiple layers by alternately stacking the drift tubes crossing the direction of the array,
The apparatus further comprises propagation delay correcting means for calculating a delay in the propagation time of the electric signal using position information of the drift tubes intersecting each other and correcting the rising time of the electric signal. Item 4. The muon locus detector according to any one of Items 3 to 3. 前記ドリフトチューブの内部に封入されるドリフトガスは、希ガスを主成分として、窒素、メタン、エタン、二酸化炭素及び四フッ化メタンのうち少なくとも２種類のガスを添加したリニアガスとすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のミュオン軌跡検出器。   The drift gas sealed inside the drift tube is a linear gas in which a rare gas is a main component and at least two kinds of gases selected from nitrogen, methane, ethane, carbon dioxide, and tetrafluoromethane are added. The muon locus detector according to any one of claims 1 to 4. 宇宙線ミュオンの通過が検出された際に電気信号を出力するドリフトチューブを配列し、少なくとも３層に配置させたドリフトチューブ検出器を用いて、
予め保存された一直線となる前記ドリフトチューブの検出パターンを用いて、一定時間内に前記電気信号が出力された前記ドリフトチューブの中から、一直線上に位置しないものは除外する一方、一直線上に位置するものを選別するステップと、
選別されたそれぞれの前記ドリフトチューブに対応する前記電気信号の立ち上がり時間に基づいて前記ドリフトチューブ内における前記宇宙線ミュオンの通過位置を計算するステップと、
計算された前記通過位置を用いて前記宇宙線ミュオンの飛行軌跡を導出するステップと、を含むことを特徴とするミュオン軌跡検出方法。 When drift tubes that output electrical signals when passage of cosmic-ray muons is detected are arranged, a drift tube detector arranged in at least three layers is used.
Using the drift tube detection pattern that has been stored in advance, the drift tubes that have been output within the predetermined time are excluded from those drift tubes that are not located on a straight line, while those that are located on a straight line are excluded. Selecting what to do,
Calculating a passage position of the cosmic ray muon in the drift tube based on a rise time of the electrical signal corresponding to each selected drift tube;
Deriving a flight trajectory of the cosmic ray muon using the calculated passing position, and a muon trajectory detection method.
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