ユニット設立報告会～可知化センシングユニット～
Sensing and Intellectualizing Technology (S&I)
令和5年4月18日
発表者：上原日和（ユニット長、オンライン参加）
司会進行：安原亮（現地参加）

ユニットの概要「可知化センシング」とは可知（知ることができる、分かる）→現象を、計測し、知ることができる形に表現する。

可知化センシングユニットの研究目的
革新的な計測・解析・表現手法とそれらを統合した新たな自然理解システムを実現する。
➢ これまでにない⾼空間分解能・⾼時間分解能を持つ計測器によって測定可能領域を拡⼤する。
➢ 取得されたデータは、従来の物理的視点と相補的な統計数理・データサイエンスの考え方を採り入れた解析手法を用いて情報量を最⼤限に抽出する。
➢ さらに多種多様の現象やデータを視覚・聴覚・触覚などの情報へ変換して、対話的な方法でデータ内部に潜む複雑な構造や相関関係を解明する。
➢ これらの一連の研究手法を⾼度化することで、核融合科学の未解明問題に挑む。

ユニットメンバー（所内）（敬称略、順不同）⚫ 上原 日和⚫ 江本 雅彦⚫ ⼤谷 寛明⚫ 太田 雅人⚫ 川口 晴生⚫ 榊原 悟⚫ 佐瀬 卓也⚫ 武村 勇輝⚫ 田中 謙治⚫ 田中 将裕⚫ 中西 秀哉⚫ PETERSON Byron⚫ 向井 清史⚫ 横山 雅之⚫ 渡邊 清政⚫ 安原 亮⚫ SHI Quan
⚫ Zhao Mingzhong⚫ Yu Linpeng

レーザー工学、光学
感謝：⼤舘 暁先生
機械学習、データベース
可視化情報学、シミュレーション技法
超⾼速計測光学、光渦の応用
電磁流体力学、揺動計測・解析
放射線科学、レギュラトリーサイエンス
MHD揺動計測・解析
乱流計測、乱流駆動輸送解析、レーザー計測
同位体科学、地球化学・環境科学
オープンサイエンス、核融合クラウドデータ基盤
プラズマ計測画像計測、周辺プラズマ
核融合プラズマの統計数理・データ駆動的研究
MHD・ディスラプション解析、輸送解析
レーザー工学、レーザー応用、プラズマ計測
プラズマ表面改質、ランダムレーザー
光計測、核融合材料
レーザー工学ユニット研究戦略会議・外部メンバー（敬称略、順不同）⚫ 矢野恵佑（統計数理研究所）⚫ 時田茂樹（京都⼤学）⚫ 古瀬裕章（物質・材料研究機構）⚫ 藤原英樹（北海学園⼤学）⚫ 寶珍輝尚（京都工芸繊維⼤学）⚫ 山中顕次郎（国立情報学研究所）⚫ 吉川正志（筑波⼤学）⚫ 長谷川真（九州⼤学）⚫ 小山田耕二（⼤阪成蹊⼤学）⚫ 赤田尚史（弘前⼤学）⚫ 石井宏和（生理学研究所）⚫ 筒井広明（東京工業⼤学）⚫ 三瓶明希夫（京都工繊⼤）⚫ 岸本泰明（京都⼤学）⚫ 木下稔基（九州⼤学）

核融合データの統計思考による解析
レーザー装置、レーザープラズマレーザー装置、レーザー材料
ナノ光学、光物性
マルチメディアデータ工学・検索
⾼遅延広帯域データ伝送
粒子輸送計測・解析、データ処理
データ処理
可視化情報学
環境放射能計測、被ばく線量評価
生体イメージング
核融合プラズマに関する逆問題
トモグラフィー計測
乱流理論、乱流シミュレーション
プラズマ計測幅広い分野にわたる、共同研究に基づいたアカデミックプランを議論

その他の所外研究協力者（敬称略、順不同）⚫ 三分一史和（統計数理研究所）⚫ 浜口智志（⼤阪⼤学）⚫ 村上定義（京都⼤学）⚫ 森下侑哉（京都⼤学）⚫ 稲垣滋（京都⼤学）⚫ 江尻晶（東京⼤学）⚫ 石澤明宏（京都⼤学）⚫ ⼤野暢亮（兵庫県立⼤学）⚫ 坂本尚久（神戸⼤学）⚫ 川原慎太郎（海洋研究開発機構）⚫ 杉山貴彦（名古屋⼤学）⚫ 田口明（富山⼤学）⚫ 立花優（長岡技術科学⼤学）⚫ 栗田直幸（名古屋⼤学）⚫ 鈴木正敏（東北⼤学）⚫ 平尾茂一（福島⼤学）⚫ 横山須美（長崎⼤学）

統計数理
物理駆動AI研究
プラズマ物理⼤規模シミュレーション
データ同化制御
プラズマ物理、データ科学
プラズマ物理、計測技術
乱流理論、乱流シミュレーション
可視化情報学
可視化情報学
可視化情報学
化学工学による同位体分離濃縮
化学工学による同位体分離濃縮
化学工学による同位体分離濃縮
環境同位体計測、環境シミュレーション
放射線生体影響評価、被ばく線量評価
環境放射能計測、環境シミュレーション
環境放射能計測、被ばく線量評価

大きな3本の研究スローガン(A) 先進プラズマ計測・解析で挑む揺動・ダイナミクス研究
主要メンバー：上原、太田、川口、武村、田中謙、ピーターソン、向井、安原(B) データサイエンスによる予測・判断志向研究を通じた
サステナブルプラズマ制御
主要メンバー：江本、榊原、田中将、中西、向井、横山、渡邊(C) データ理解への挑戦とパブリックコミュニケーションへの展開
主要メンバー：江本、⼤谷、佐瀬、田中将、中西(A)先進プラズマ計測・解析で挑む揺動・ダイナミクス研究
代表的なアプローチ①【光位相コントラスト計測による核融合プラズマの乱流駆動輸送研究】
 揺動計測性能の向上を図るとともに、得られた観測結果に対して、データサイエンス手法を駆使した解析手法の⾼度化を行う。
 シミュレーションとの比較にも⾼度なデータサイエンスを適用し、今まで明らかにならなかった乱流揺動の輸送特性の解明や揺動データに潜む法則性を発見する。

計測器開発だけでなく、データサイエンス部隊と連携して物理解析を進め、輸送物理の理解を目指す

田中謙治 提供

レーザー位相コントラストイメージングの計測性能を⾼度化

S. Coda et al, NF2021

JT-60SA(など)に位相コントラストイメージングを適用

主な担当者：田中謙、武村、木下（九⼤）(A)先進プラズマ計測・解析で挑む揺動・ダイナミクス研究
代表的なアプローチ②【レーザートムソン散乱計測による⾼時間分解能電子温度・密度分布計測】
 トムソン散乱計測の計測時間分解能の向上を図り、突発的、過渡的なプラズマ現象を理解する。
 これまで観測できなかった電子温度・密度分布の時空間的なダイナミクスを直接観測し、理論・シミュレーションとの比較を行う。
増幅器（プリアンプ）

ポッケルスセル（Qスイッチ）ミラー

フラッシュランプ励起
Nd:YAGロッド

出力ミラー

アイソレーター

増幅器（メインアンプ）

開発した繰り返しレーザー「核融合発電へプラズマ変化を毎秒2万回捕捉する温度計、核融合研などが開発した意義」（日刊工業新聞2022年10月6日）

レーザー光源のさらなる改良で計測性能を向上→時間分解能のさらなる向上、速度分布関数の直接計測を目指す

⾼速トムソンを主力計測装置として大型プロジェクトに計画提案
主な担当者：安原、上原(A)先進プラズマ計測・解析で挑む揺動・ダイナミクス研究
代表的なアプローチ③【光源の⾼性能化とその応用・新たな計測解析手法の開発】
 電子工学，光学，量子エレクトロニクス等の理解を基にレーザーなど光源の⾼性能化や受光技術の向上，及びこれらの統合計測システムと解析手法の深化を行う．
 機械学習，トモグラフィ―等のデータ再構成アルゴリズム，パターン認識等を含む，データサイエンスの最新の知見に基づいた⾼度な揺動・ダイナミクス計測解析手法を提案・実現する

1 at.%

2 at.%

3 at.%

Uehara et al., OSA Continuum 2020

新しい計測を可能にするレーザー光源、レーザー材料の開発
開発した光源の応用研究

武村勇輝 提供

各種揺動計測の視線積分データの⾼度な可知化を目指す
主な担当者：安原、上原、武村(B)データサイエンスによる予測・判断志向研究を通じたサステナブルプラズマ制御－代表的なアプローチ①【データサイエンスによる予測・判断志向研究】 核融合炉に求められる定常安定プラズマの実現を目指し、核融合プラズマの諸現象を題材として、プラズマ物理での理解追究と相補的に、「データへの当てはめ」という統計数理・データサイエンスの考え方を採り入れたモデリングを行う。
 核融合研究で生産される巨⼤データも利用しながら、核融合プラズマのリアルタイム予測・判断手法を確立する。
 得られた結果を基に核融合研究をハブとして、統計数理、情報学、データサイエンスの先端分野を開拓する。
統計数理学の考え方で核融合研究の諸課題を捉える→放射崩壊・ディスラプション予知とその活用による制御実証
LHD等の時間発展データの共有を通じて、機械学習/AI面での国際共同研究に大きくコミット
主な担当者：横山、向井、ピーターソン、榊原、渡邊

(B)データサイエンスによる予測・判断志向研究を通じた
サステナブルプラズマ制御－代表的なアプローチ②【データサイエンス分野との協働によるサステナブル環境挙動研究】 原型炉に向けてより重要となる安定同位体、放射性同位体の環境における物質循環・移動過程を明らかにするため、分析・測定手法の⾼性能化とデータ同化などを用いた評価システムの⾼度化を行う。
 新手法を地球科学・惑星科学へ展開し、⼤気圏-水圏-生物圏をつなぐ物質循環過程の理解を進める。

マルチトレーサー手法による環境トリチウム挙動の解明

核融合システム内のトリチウム挙動の解明
共同研究ネットワークを通じて観測データが蓄積、データサイエ
ンスとの協同によって環境挙動解析手法の定式化、発展に貢献
田中将裕 提供

主な担当者：田中将(C)データ理解への挑戦とパブリックコミュニケーションへの展開－代表的なアプローチ①【可視化研究から可知化研究へ】
 ３次元＋αの解析を可能とするVR表示やコンピュータ・ビジョンなどの表現法、データ科学を使って多次元時系列データの次元削減等による解析や離散データからの偏微分方程式の導出等を研究する。
 科学知を得るために数値モデル構築や、感覚から、知覚・認知を経て、科学知を得るまでの過程を構造化・定式化して、これまで経験的に行われてきた知的探求プロセスを体系化して、方法論として確立することを目指す。
これらは、情報学分野といった強く関連する分野のみならず、知覚心理学などとの連携が考えられる。
• データを視覚・聴覚・触覚などへの情報へ変換• データ解析：データ科学・データ駆動科学の活用、データ空間に没入• 解析結果を人間に提示：科学知をえるための表現法

⼤谷 寛明提供

主な担当者：⼤谷、中西、江本(C)データ理解への挑戦とパブリックコミュニケーションへの展開－代表的なアプローチ②【オープンサイエンス、レギュラトリーサイエンスとパブリックコミュニケーションへの展開】
 核融合実験の計測・解析データ、理論シミュレーションデータ、及び「可知化」により抽出された⾼度な知識データなども含む巨大な研究データ群を、他分野や社会一般と共に利活用できる共用財産化を図る。
 核融合の利用におけるリスクコミュニケーションおよびレギュラトリーサイエンスに関する研究を推進し、パブリックコミュニケーションの形成を図る。

核融合研究推進、核融合発電実現のためのレギュラトリーサイエンス→施設の新設、維持、廃止に必要な科学的根拠の取得と法的妥当性の構築

住民、世論の同意形成に資するコミュニケーション手法の構築
⼤谷 寛明提供

主な担当者：佐瀬学際的展開◼ 「リアルな世界で計測器をプローブとしてノイズの含まれたシグナルを抽出し，また，シミュレーションから多種多様なデータを取得し，それらからパターンを読み出し，人間が理解できる形に表現する．」これは、核融合分野に限らず全ての分野に共通した研究者の活動の一部である．
◼ 計測・解析・表現手法から科学知を得るまでの過程の各要素で他に類を見ない性能や先進性を提示して，その過程を構造化・定式化することで知的探究プロセスを体系化して多くの学術分野とコミュニケーションを図る．

他ユニットとの連携◼ 多次元の計測やデータ解析手法が重要になる一例として、プラズマ周辺部の3次元構造が非常に重要な役割を果たす、非接触ダイバータや放射崩壊の物理機構の解明や制御が挙げられる。→「プラズマ・複相間輸送」ユニットと連携◼ これまで観測できなかったプラズマ現象の時空間的なダイナミクスを実験的に観測し、理論・シミュレーションとの比較を行う。→「メタ階層ダイナミクス」などとの連携◼ 「位相空間乱流ユニット」と共同で、速度空間における荷電粒子の状態や温度揺動との関係解明に取り組む。プラズマ計測の強化◼ ユニットで開発する先端的な光源は、計測器の革新だけでなく、優秀な⾼密度エネルギー源としても期待。→「プラズマ量子プロセス」、「プラズマ・複相間輸送」「超高流束協奏材料」などとの連携

独自性、優位性など◼ 本ユニットの優位性は，核融合コミュニティで実現されている⾼度な計測技術，データ解析技術，表現技術と，それらを統合し，計測器からデータ解析を経て表現する一連の過程をシステムとして捉え⾼度化するというフレームワークにある。
◼ また⾼度に専門化された科学一般にとっても，原型炉フェーズへと研究が進展する核融合研究にとっても，「可知化センシング」は重要な役割を果たす．すなわち科学技術の成果を人と社会との調和の上で最も望ましい姿に調整するための科学：「レギュラトリーサイエンス」を発展させるためには，評価不能なものを可能とする本ユニットの活動は意義深く先駆的な役割を果たせることが期待できる．

ユニットにおける最近の活動
ユニット構築活動↓• ユニット設立（令和5年4月1日）• ユニット会議にて、ユニット研究戦略会議所外メンバー15名を選出• ユニットセミナー（勉強会）を企画中• ロードマップ2023への申請における、⾼精度な計測装置に関する提案について
位相空間乱流ユニットと合同で議論中
速度空間の物理、突発減少をテーマとするプラズマ物理の未解決課題の解決のため、⾼速トムソン散乱、高速荷電交換分光などの従来にない⾼精度計測装置を開発、配備。
計測と装置シミュレーションを組み合わせたデジタルツイン実験装置を提案。

可知化センシングユニットが中心となり、次期大型プロジェクトを牽引

研究事例紹介①：発表者が参画する研究を例に…
計測用・固体レーザーの開発

開発したレーザーの応用

新たな計測を可能にする⾼出力レーザー光源を開発する
時にはレーザー材料から開発

計測以外の派生応用も積極的に開発

Er:YAPレーザーでの樹脂加工の研究
・NEDO若サポ事業（R4~上原）・文科省クラウドファンディング（R4~上原）・産学受託研究（R4~上原）

独自開発したEr:YAPレーザー 京⼤と共同開発したFe:ZnSeレーザー（波長3 μm）（波長4 μm）

計測ニーズに応じた新波長開拓
従来になく優れた出力特性を実証する

プラズマ計測や周辺計測、同位体計測への応用を目指す

産学連携を推進、社会実装を目指す
共同研究、NEDO,JST、クラファンなど外部資金調達を意識
異分野と連携した
学際的な展開生理学研究所・根本研とのレーザーメス応用の研究
・ExCELLS特別共同（R3~上原）研究事例紹介②：発表者が参画する研究を例に…
赤外ランダムレーザーの開発

環境計測用光源・センサー開発

同位体や微量分子の分布がリアルタイムでイメージングできる先進光源を開発する
ランダムレーザー：広い範囲に⾼輝度で照明できる特徴

実用に供する赤外式センサー光源・センサーデバイスを開発する

紫外線のランダムレーザーの成果
・R5年1月プレスリリース
・CNSI先端光プロジェクト（R4上原）

核融合研究用の直線型プラズマ装置を用いてナノ構造を作製。ナノ光学・光物性分野の研究環境で発振実証。
核融合を含む多分野の研設備・知見を取り入れた研究を推進
分野拡張で⾼インパクト雑誌への成果掲載を今後目指す
ランダムレーザーを指紋領域（中遠赤外）へ同位体等の全視野リアルタイムイメージングを目指す

今後、プラズモン電場増強による⾼感度化を目指す●ファイバー結合可能な広帯域赤外光源●世界初の赤外式フッ化物ファイバーセンサー
・R3年3月プレスリリース
・JST A-STEP育成型（R3上原） 関連の出願
・特願2020-208308
有望な発明は積極的に出願、 ・特願2021-069885
権利化目指す・特願2022-019461
・特願2023-055198
機構のシーズ集を活用

核融合関連装置への実装を目指す

研究事例紹介③：発表者が参画する研究を例に…
独自開発した中赤外レーザーを光源利用した、超微量な水素・炭素同位体の即時計測技術を開発する

・文科省 英知事業（R3~安原）・ミッション実現戦略事業（R4~安原）

超狭線幅・⾼出力赤外光源の開発
Cryostat(Fe:ZnSe included)
Er:YAP pump

DFB-QCL

赤外キャビティーリングダウン分光での水素・炭素同位体濃度の即時計測
Cavity length
control

Cavity length≈100 cm

固体レーザーでの分布帰還型
QCLの出力増幅に初めて成功
従来になく狭線幅かつ⾼出力キャビティーリングダウン分
光計測用光源として使用する

安原亮
HR mirror
Loss: ppm order田中将裕◼ トリチウム水の計測 → 福島第一の廃炉（ALPS処理水放出）に貢献◼ 炭素14 CO2の計測 → 化石燃料由来CO2の監視、カーボンニュートラル

先進的光源・計測技術の開発でSDGs達成に貢献

赤田尚史
(弘前⼤)

川口晴生氏(新人)の研究紹介l光渦による物質操作に基づく新規センシング技術◆センシングへの応用◆光渦とは
2ℓπ 螺旋波面・円環強度分布

・微小物質ソーティング

・軌道角運動量(OAM)

物質への軌道角運動量の転写
アブレーションを介した
螺旋ナノニードル創成

高粘度液体膜の高速自転ジェット化
光渦

Nano Lett. 12, 7, 3645–3649, (2012)

200 μm

流体回転流制御による微小物質操作

・核融合研究への応用
プレスリリース「核融合プラズマの乱流抑制に新たな可能性- 日欧の国際共同研究により革新的核融合炉への新展開 -」プラズマ乱流シミュレーターの開発

物質へのOAM転写に基づく新たなセンシング技術の提案

太田雅人氏(新人) 相対論的クーロン電場の超⾼速可視化の研究紹介❖ 実験結果❖ 研究背景特殊相対性理論から予言される相対論的クーロン電場（電場の収縮）は100年以上も未実証→ 超⾼速電場分布計測の必要性

静止電子

電子ビーム周りの電場二次元分布を可視化（下図）、電磁気における特殊相対性理論の直接実証に成功[M. Ota et al., Nature Physics(2022)]⾼エネルギー電子❖ 実験方法
電気光学計測を用いた超⾼速計測（sub-ps）により、⾼エネルギー（35 MeV）電子ビーム周りの電場を可視化❖ 今後の展望
加速度運動を行う荷電粒子から生成される放射場の観測・超⾼速なプラズマ現象の計測への応用

可知化センシングユニットをどうぞよろしくお願いいたします。
s&i@nifs.ac.jp