公益財団法人 若狭湾エネルギー研究センター
The Wakasa Wan Energy Research Center

研究年報
平成28年度 第19巻
Annual Report of the Wakasa Wan Energy Research Center
Vol.192016

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

―

目

次

―

1. はじめに5

2. 研究成果

6

2.1. エネルギー・環境分野

6

2.1.1. レーザー技術を応用した除染技術、切断技術の開発

6

2.1.1.1

レーザー除染装置の自動化とレーザー剥離箱の検証と改良

62.1.1.2

30 kW ファイバーレーザーを用いた切断試験

72.1.1.3

小型レーザー除染機の開発と性能確認

82.1.1.4

レーザ及びプラズマ切断時における粉じん挙動・比較調査

92.1.1.5

レーザー切断におけるレーザー出力・アシストガス圧のフィードバック制御試験

102.1.1.6

レーザー加工適応制御向け照射応答データの収集試験

112.1.2. 廃炉段階で役立つ情報の収集・整理・分析と技術の開発

12

2.1.2.1

原子力発電所コンクリートの有効利用調査

122.1.2.2

アスファルト固化体リコンディショニングの成立に向けた試験

14

2.1.2.3

クリアランス確認後の金属再利用に関する調査

15

2.1.3. 放射線計測技術の開発
2.1.3.1

16

ガンマ線分光によるセメント産出物の放射能測定

2.1.4. 未利用エネルギー利用技術開発

16
18

2.1.4.1

バクテリアを用いた水素製造技術の導入に向けて

18

2.1.4.2

農林水産廃棄物のマイクロ波加熱を利用した減容と有用物質生産

202.1.4.3

水素の安全な輸送と取り扱いに利用可能な水素吸蔵合金の開発

21

2.1.4.4

マグネシウムの酸化還元反応を活用した水素エネルギー循環サイクルの構築可能性調査

24

2.1.4.5

月土壌の水素還元システムの構築

26

2.1.4.6

太陽炉と太陽熱エネルギー利用研究28

2.1.5. 生物作用を利用した環境浄化・修復技術の開発

29

2.1.5.1

アブラナ耐塩性変異体マーカーの塩基配列解析

292.1.5.2

微生物を用いた汽水湖沼浄化研究

312.2. 医療分野

33

2.2.1. 粒子線がん治療高度化のための生物応答解明研究33

2.2.1.1

陽子線による細胞へのダメージ評価による照射線量の適正化研究

33

2.2.1.2

低酸素環境下のがん細胞に対する粒子線治療の効果予測に関する基礎的検討

35

2.2.1.3

陽子線がん治療における低線量被ばくした正常組織での組織幹細胞動態の解明

361若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
2.2.1.4

Super-SCID マウスを用いたヒト臨床がん並びに正常臓器・組織に対する陽子線等の増殖抑制効果と副作用解明

2.2.1.5細胞の放射線感受性を決定する情報伝達機構の解明

2.2.2. 粒子線照射技術の高度化研究

38
40
41

2.2.2.1

粒子線の線質測定技術開発

2.2.2.2

陽子線・ヘリウム線を用いた脳壊死モデル作成技術の確立

41－放射線脳壊死のメカニズム解明と治療法開発を目指して－43

2.2.2.3高精度陽子線治療を目指した画期的陽子線 CT システムの開発

45

2.2.2.4

蛍光板を用いたオンライン線量分布モニタリングシステムの開発

48

2.2.2.5

粒子線医療における品質保証技術の開発

49

2.2.2.6「放射線の見える化」膜の開発

49

2.3. 農業・生物分野

50

2.3.1. 植物・菌類のイオンビーム育種研究

50

2.3.1.1

ナイロンメンブレンを用いた出芽酵母の薬剤耐性コロニー選抜

50

2.3.1.2

イシクラゲ変異株を利用した有用物質の生産

522.3.1.3

真菌類を用いた新規免疫賦活剤の開発

53

2.3.1.4

イオンビーム照射による山田錦のテーラーメイド育種ライブラリの開発と福井県に適した「新山田錦」の育成

2.3.1.5

冬虫夏草変異株を用いた新規抗腫瘍物質の生産

2.3.1.6

石油を作る微細藻類 Botryococcus braunii の重イオンビーム照射による変異株ライブラリーの作出

55
57
59

2.3.1.7

ラン藻スイゼンジノリの細胞外多糖生産にかかわる遺伝的変異体作出

612.3.1.8

重イオンビーム育種技術の高度化

63

2.3.1.9

トマトのイオンビーム照射突然変異誘発による新規品種の育成

632.3.1.10 花卉園芸植物へのイオンビーム照射による新品種の育成

642.3.1.11 炭素線照射処理オオムギ後代からの種子貯蔵タンパク質変異のスクリーニング

64

2.3.1.12 粒子線処理による有用トチュウの突然変異育種

652.3.1.13 イオンビーム照射による野菜類の品種改良

652.3.1.14 植物育種の効率化を目指した DNA マーカーの開発

66

2.3.1.15 イオンビーム照射による耐熱性有機酸発酵変異株の構築

66

2.3.1.16 粒子線照射による花卉類の品種改良

672.3.2. 植物工場関連技術開発

68

2.3.2.1

イオンビーム照射を利用した植物工場に適したレタス新品種の開発

68

2.3.2.2

抗酸化活性評価法の開発

68

2.4. 多様な分野の活動を支える技術開発

69

2.4.1. 加速器技術の開発・高度化

69

2.4.1.1

若狭湾エネルギー研究センター加速器施設の現状

69

2.4.1.2

シンクロトロンの加速高周波位相ノイズによる位相振動の抑制

72

2

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
2.4.2. 加速器利用分析技術の開発・高度化

74

2.4.2.1

イオンビーム分析での照射による表面形状の観察

2.4.2.2

加速器を用いたリチウム定量分析法の開発～He-Li 反応断面積の導出～
12

45

52g

74
54

55

76

2.4.2.3

Ec.m.=15.5-18.8 MeV の C+ Sc 反応における2.4.2.4

TOF-ERDA 測定における酸素の検出感度の評価

802.4.2.5

フッ化物含有合着材（接着材）周囲歯質へのフッ素取り込みと結合状態

82

2.4.2.6

大気マイクロ PIXE/PIGE を用いた新規歯科用材料による根面象牙質の耐酸性評価

84

2.4.2.7

イネの根に分布する金属の測定

86

2.4.2.8

飛行時間型反跳粒子検出法による LiCoO2 正極/LATP 固体電解質界面におけるMn、 Mn、 Co の生成断面積

リチウムイオン伝導機構解析
2.4.2.9

炭化物 TiC 標的による He 後方散乱における核共鳴反応

78

88
89

2.4.2.10 GAGG:Ce 結晶の特性評価

90

2.4.2.11 マンガン鉱山近郊土壌中の元素分布及び形状測定

91

2.4.2.12 μ陽子ビームによる Li イオン電池材料の Li 分布評価

912.4.2.13 飛行時間分析型弾性反跳粒子検出法を用いた全固体リチウム二次電池中のリチウムの深さ分布
2.4.2.14 超臨界水中合成ニオブ水素化物の水素濃度深さ分析
2.4.3. 放射線場で利用される機器・材料の評価技術開発

92
92
93

2.4.3.1

人工衛星搭載用 X 線検出器で用いる回路部品の耐放射線シミュレーション

93

2.4.3.2

陽子線を用いた衛星搭載用デバイスの放射線耐性の検証

952.4.3.3

プロトン照射が GaN HEMT の長期信頼性に与える影響

97

2.4.3.4

宇宙機搭載用機器に対する高エネルギー陽子線照射技術の開発

98

2.4.3.5

超小型衛星搭載用電子機器の放射線耐性調査

992.4.3.6

放射線遮蔽用可とう性材料の性能評価

100

2.4.3.7

イオン照射したステンレス鋼における運動転位と照射欠陥の相互作用

101

2.4.3.8

宇宙線照射を模擬した鉱物および非晶質珪酸塩へのイオン照射実験

102

2.4.3.9

C 型小惑星における太陽風照射による宇宙風化の影響

103

2.4.4. 材料技術の開発

105

2.4.4.1

シリコンの成膜による金属表面の着色

105

2.4.4.2

高分子材料上の金属めっきの密着性に関する研究

106

2.4.4.3

ポリイミド系高分子ファイバーの開発

108

2.4.4.4

イオンビーム励起反応場を利用した鉄ロジウム合金の磁気改質技術開発

110

2.4.4.5

新材料を用いた超小型レーザビーム走査ミラーの作製とそれを用いた眼鏡型ディスプレイの実現

111

2.4.4.6

耐放射線材料を用いた高分子カプセルの評価

113

2.4.4.7

ロータス型ポーラス銅の抗菌効果

1142.4.4.8

窒化物分散ポリマーコーティングの耐食性評価

116

2.4.4.9収差補正機能付き分析電子顕微鏡による構造材料の高精度定量分析

117

2.4.4.10 ウェットプロセスによるシリコンインターポーザ形成技術開発に関する研究

119

2.4.4.11 超強加工による微細結晶粒金属材料の創製と評価

120

2.4.4.12 フレキシブル導電材料のための金属皮膜の耐久性向上に関する調査研究1213若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
2.4.4.13 ナノ複合めっきに析出した粒子の微視的評価

123

2.4.4.14 ミクロスコーピックな視点から見た核燃料中での希ガス析出挙動の解明

124

3. 外部発表、特許、品種登録

1253.1. 外部発表

125

3.2. 特許

131

3.3. 品種1314若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

1. はじめに
若狭湾エネルギー研究センターは平成１０年開所以来、高エネルギービーム利用研究やエネルギー開発研
究、技術・研究支援や新事業創出・人材育成支援などの産業支援を行ってきました。
平成２８年度は、エネルギー研究開発拠点化計画の基本理念：①安全・安心の確保、②研究開発機能の強化、③人材育成・交流、④産業の創出・育成、の下で研究活動を推進してきました。特に、今回の拠点化計画では、レーザー技術を応用した除染技術・切断技術の開発・実用化等、原子力発電所の廃止措置に対応するための研究の加速化、医療・生物・環境等の分野における高エネルギービーム利用やエネルギー開発についての実用化・応用開発の推進、科学機器等の機能充実を図り、最先端の分析評価技術を活かした地元企業や地域の学術振興に対する支援の強化などを強化項目に掲げて進めてきました。
研究開発部は加速器室、生物資源研究室、粒子線医療研究グループ、エネルギー材料グループ、エネルギー開発グループ、レーザー技術開発室の６つのグループより構成されています。研究開発では、品種改良、医療、材料・エネルギー開発などの分野において大学や企業と連携した実用化・応用研究も行ってきました。また、
平成２６年度に新たに設置されたレーザー技術開発室では、原子力発電所の廃炉に活用できるレーザー除染装置の実用化に向けた研究開発やレーザー切断技術の高度化研究などを行ってきました。
本書は、平成２８年度に当センター研究開発部で行われた研究成果をまとめた研究成果報告集（研究年報）です。研究成果は大きく４つに分けられ、エネルギー・環境分野、医療分野、農業・生物分野、多様な分野の活動を支える技術開発に関するものです。エネルギー・環境分野では、レーザー技術を応用した除染技術・切断技術の開発、廃炉段階で役立つ技術開発、放射線計測技術の開発、未利用エネルギー利用技術開発、生物作用を利用した環境浄化・修復技術の開発などであり、医療分野では、粒子線がん治療高度化のための生物応答解明研究、粒子線照射技術の高度化研究、農業・生物分野では、植物・菌類のイオンビーム育種研究、植物工場関連技術開発、多様な分野の活動を支える技術開発では、加速器技術の開発・高度化、加速器利用分
析技術の開発・高度化、放射線場で利用される機器・材料の評価技術開発、材料技術の開発などが挙げられます。この中で特筆すべきは、水素エネルギー開発のプロジェクトが平成２８年度に新たに開始されたことです。
具体的には、バクテリアを用いた水素製造、水素吸蔵合金、水素エネルギーの循環サイクルの３つの研究開発
に関するもので初年度にはそれらの調査研究結果が報告されています。また、当センター加速器で発生される放射線場は宇宙線照射環境を模擬できるメリットがあるので宇宙機搭載用機器の材料評価や材料開発に有用でありそのニーズも高まってきています。これらの研究成果の多くは、学術的な新知見や実用化に貢献できるシーズとして提供できるものと期待されます。
平成２８年度においても、当センターにおいて活発な研究活動を推進することができましたことは、偏に皆様方のご支援とご指導によるものであり、厚く御礼を申し上げます。職員一同、これまで以上の努力を重ね、より高度な研究開発とその成果の産業・社会への還元を目指していく所存ですので、皆様方の、今後一層のご支援とご鞭撻のほどをよろしくお願い申し上げます。
平成２９年１０月
公益財団法人 若狭湾エネルギー研究センター
所長

5

中嶋 英雄

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2. 研究成果
2.1. エネルギー・環境分野
2.1.1. レーザー技術を応用した除染技術、切断技術の開発
2.1.1.1
レーザー除染装置の自動化とレーザー剥離箱の検証と改良
Verification Processes of the Automatic Laser Decontamination Devices and Laser Peeling Boxes
峰原英介*1
Eisuke MINEHARA
Abstract
The automatic laser decontamination devices was developed to realize reliable operation. The laser peelingboxes were also constructed for in-house paint film peeling applications in the factories, decontamination
facilities inside the nuclear power plants and others in the world. The devices and boxes were tested and verified
in actual conditions and processes.
要約
現場で信頼できる運用を実現するために自動レーザー除染機を開発してきた。また、塗装膜の屋内剥離作業や原子力発電所の屋内での除染応用などのために、レーザー剥離用の作業箱を開発してきた。自動レーザ
ー除染機とレーザー剥離箱は、現実の条件と作業過程において試験され、その有効性が検証された。
緒言
平成 28 年度福井県委託契約研究として、平成 26 年度に製作した熱破砕高速剥離装置付ロボットアーム積
載電気モーター駆動クローラーの検証作業を実施した。また、平成 27 年度に塗装膜の屋内剥離作業、原子力発電所の建屋内における運用を目的に製作したレーザー剥離用作業箱の検証と改良を行った。
成果の概要
図 1 は、検証したロボットレーザー剥離機或いはロボットレーザー除染機である。平成 28
年度に今まで個別に開発したロボットアーム、ロボットクローラ
ー、除染動作の制御機能などを用いてロボットレーザー除染機全体を運用するための検証作業を行った。図 2 は、平成 27
年度に開発したレーザー剥離
図 2 レーザー剥離用の作業箱
図 1 ロボットレーザー剥離機（除染機）
用作業箱である。平成 28 年度にレーザー剥離用作業箱の検証作業とロボットアーム制御方法の改良を行った。
結言
検証作業が終了したので、大面積のケレン作業や表面研磨作業の運用を試みることが可能となる。また、レーザー剥離箱は種々の加工を安全かつ清潔に作業できるため、これを用いて屋内における種々の加工剥離作業を進めることが可能となる。これらは試作機であるので、重く大きなものとなったが、現場で使用しやすいシス
テムとして、廃止措置や一般産業の工場などの現場において最適な軽量で小型の実用機を製作して現場での試験を行うことが今後の課題である。

*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・レーザー技術開発室
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県からの受託研究として実施したものである。

6

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.1.2
30 kW ファイバーレーザーを用いた切断試験
Development of Laser Cutting using 30 kW Fiber Laser
遠山伸一*1、石神龍哉*2
Shin’ichi TOYAMA and Ryoya ISHIGAMI
Abstract
The optimum method of the laser cutting for complicated structure and the confirmation of integrity of shield
against laser light were researched through cutting experiment using actual equipment in order for laser cutting
to apply to nuclear disassembling, by means of 30 kW fiber laser cutting system that was developed in WERC.
要約
試作した 30 kW ファイバーレーザー切断システムを用いて実機構造物等の切断試験を実施し、解体・切断技術を廃止措置現場に適用するための適応性検討や性能評価を行った。試験では事前に検討した複雑形状切断の最適手法や、レーザービーム遮蔽の健全性確認などの安全性改善を検証した。
緒言
これまでの原子炉圧力容器相当厚の鋼材切断の実証や切断パラメータの最適化などに引き続き、今年度は廃止措置作業へのレーザー切断適用性検討としてレーザー切断が優位となる適用箇所や切断方法等を検討したうえで､レーザー解体作業の最適手法や安全性改善のための方法を検討した。これらの方法を実機構造物の切断として「ふげん」にて実施し、複雑な形状での切断幅やレーザービーム遮蔽の健全性などの基本データを取得するとともに実用化のための課題抽出を行った。
成果の概要
昨年度使用した海水配管の解体切断試料を用いて、配管を 500 mm×150
mm 程度の板状に 1000 mm/min の速度でレーザーによって細断した。まず輪
2 枚重ね鋼材
切り切断は１回の切断作業でロボットアームを海水配管円周の 4 分の 1 周させて切断し、輪切り試料を 4 枚の板状に細断しコンパクト化した。次に、効率的切断のために重ね切断を実施した。図 1 に切断試験の様子を示す。試料は 2 枚重ねとしてスタンドオフや切断速度を変化し切断し、スタンドオフが 20 mm で最大 1000 mm/min の速度でカーフ幅が最大で 4 mm と良好であった。2 枚目の集光ヘッド
カーフ幅は溶融部を吹き飛ばす圧縮空気の流れが複雑になり今回の切断結
果では系統性は見られず、ビームダンプ位置など下流へのガス整流が検討課
図 1 切断試験の様子
題であることが分かった。
肉厚円筒型機器に最初にレーザーを通す貫通孔がない場合を想定し、管板模擬材を用いて胴体の円周部
を接線方向に切削して多角形型に切断する方法を検討して切断試験を実施した。まず切断速度を 24 mm/min
で深さ 25 mm 切削し集光ヘッドの角度を変えて切削を繰り返した。この過程により蒸気発生器の管板などの切断の見通しを得た。ただしカーフ幅が 8 mm とやや広いので、ノズル形状や集光距離を変えたシミュレーションを行い将来的には切断形状により集光ヘッドを使い分けることが実用機としての検討課題であることが分かった。
レーザー切断では、レーザー光やヒュームを遮蔽するため、耐熱性、防炎性、遮光性を有する防護カーテン
が安全上重要である。本年度の試験では、昨年度使用したレーザー遮光カーテンを継続して使用した。累計
1700 秒程度の照射試験を実施し、試験終了後の表面にわずかな変色以外スパッタによる変化は見られず、寸法変化や光学濃度（OD 値）なども仕様を保持していることが分かった。
結言
海水配管の細断や管板模擬材の切断試験を行い課題の抽出を行った。今後は切断試験を通して遠隔操作の開発や安全性の向上を行い､レーザー切断の長所を生かしたコスト低減解体シナリオを検討する｡*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・レーザー技術開発室、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギ
ー材料グループ
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが関西電力株式会社、日本原子力発電株式会社、北陸電力株式会社の 3 社からの受託研究として実施したものである。

7

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.1.3
小型レーザー除染機の開発と性能確認
Development and Peeling Test of Small Laser Decontamination Machine
都築聡*1、山岸隆一郎*2
Satoshi TSUZUKI and Ryuichiro YAMAGISHI
Abstract
In order to accelerate the practical application of laser decontamination machine, we studied needs survey
and miniaturization of laser head. We confirmed the performance of concrete peeling test by using existing
equipment
要約
レーザー除染の実用化を加速するため、現場ニーズの詳細調査を行い、装置の小型軽量化に関するシステ
ム開発を実施した。また、小型軽量化仕様によるコンクリート剥離試験を行い、性能確認を行った。
緒言
若狭湾エネルギー研究センターでは、原子力発電所の廃止措置向けにレーザー除染の研究を行っている。
レーザー除染は、除染対象物に高出力レーザーを照射することで対象物表面を昇華させ、急激な熱膨張剥離によって表層だけを除去する除染技術である。ブラスト方式のようにブラスト材を使わないので反力がなく、二次廃棄物がほとんど出ないという特徴があるが、一方で装置が大がかりになるというデメリットがある。本研究ではレーザー除染の実用化に向けた小型仕様システムの設計と剥離試験を行い、小型化への見通しを評価した。

エネル ギーが同じ場合は走査速度が速い方の剥離量が多いことが分かる。さらに、走査速度が極端に低い場合は剥離の効率が下がることが分かる。また、小型軽量仕様でも剥離性能が得られる見通しを得た。

剥離量 (g)

成果の概要
現場ニーズ調査の結果、現場では狭隘な場所が多く、小型軽量で信頼性の高い装置を望んでいることが分かった。そのため、本年度はシステムの簡略化と小型軽量化を実現するための技術開発を行った。従来のレーザーヘッドは 3 次元構造物への対応を目的に、2 次元スキャナとレーザー距離計を使った焦点調整機構で構成されていた。この構成での重量は 25kg となり、レーザーヘッドの走査には大型ロボットが必要となっていた。調査により、現場では平面や曲面の除染対象が多く、光学系を 1 次元スキャナだけに簡略化しても現場ニーズに応えられることを見出し、焦点調整機構の省略と 2 次元スキャナを 1 次元スキャナに変更する設計を行った。これにより、レーザーヘッドの重量を 25ｋｇから 4kg へと大幅に軽量化し、部品点数の削減により信頼性を高めた
レーザー除染システム仕様とした。小型軽量化仕様で高効率5m/sのレーザー剥離試験結果
2m/sを図 1、図 2 に示す。照射
10m/s
15m/s

30 mm
単位面積照射エネルギー (J/cm2)

図 1 剥離前（左）と剥離後（右）図 2 照射エネルギーと剥離量の関係

結言
レーザー除染について、ニーズ調査を行い、性能確認試験を行った。今後は小型、軽量なレーザーヘッドを用いてレーザー剥離によって発生する飛散物の回収試験を行う予定である。

*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・レーザー技術開発室、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・企画支援広報部・技術相談室
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが関西電力株式会社、日本原子力発電株式会社、北陸電力株式会社の 3 社からの受託研究として実施したものである。

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若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.1.4
レーザ及びプラズマ切断時における粉じん挙動・比較調査
Study of the Dust Behavior on the Laser and Plasma Cutting
副島吾郎*1、岩井紘基*1、門脇春彦*1、中村保之*1、都築聡*2、安永和史*3、中田吉則*3、久米恭*4
Goro SOEJIMA, Hiroki IWAI, Haruhiko KADOWAKI, Yasuyuki NAKAMURA, Satoshi TSUZUKI,
Kazufumi YASUNAGA, Yoshinori NAKATA and Kyo KUME
Abstract
We investigated behavior of the dust generated when underwater cutting and aerial cutting were conductedusing thermal cutting, plasma and laser methods.
要約
熱的切断工法（プラズマ切断工法及びレーザ切断工法）を用いて、気中切断や水中切断を行った際に発生する粉じんの気中等への移行量、移行率及び性状等のデータを取得し、切断工法の違いや切断速度や出力等の切断条件を変化させた際の影響を調査した。
緒言
これまでにプラズマ切断試験、高圧水ジェット切断試験、レーザ切断試験において、捕集した粒子状物質である気中浮遊物や沈降、落下固形物等の重量分析及び成分分析を実施してきた 1)。平成 28 年度は熱的切断工法（プラズマ切断及びレーザ切断）を用いて、気中及び水中切断した際の粉じんの挙動を調査した。
成果の概要
日本原子力研究開発機構「ふげん」所有の気中切断ブース/水中切断ブースを用いて熱的切断（プラズマ切断及びレーザ切断）を行い、切断試験体の観察や切断時に発生する粉じん、ドロス量の測定を行った。プラズ
マ切断装置は日本原子力研究開発機構「ふげん」所有のものを使用した。また、レーザ発振器は福井県若狭湾
エネルギー研究センター所有のファイバーレーザ発振器を使用し、最大 20 kW に対応したレーザヘッド（水中/気中対応）を用いた。
今年度の粉じん挙動の比較調査項目を以下の①から④に記す。
① 水中に滞留する気泡から気中へ移行する粉じん量の調査② 熱的切断工法の違いによる粉じん移行影響調査③ 出力の違いによる粉じん移行影響調査④ 二重管構造切断時の粉じん移行影響調査
結言
本調査により、熱的切断工法（プラズマ切断工法及びレーザ切断工法）を用いて、原子炉施設で用いられている金属材料の模擬材を気中または水中切断した際の粉じんの挙動データを取得することができた。「ふげん」
では、今後もさらなるデータ拡充に努める予定である。
参考文献
1) 岩井紘基 他、（公財）若狭湾エネルギー研究センター研究年報平成 27 年度, 18, 9 (2015)*１（国研）日本原子力研究開発機構・バックエンド研究開発部門・原子炉廃止措置研究開発センター（ふげん）・技術開発部・技術開発課、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・レーザー技術開発室、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料
グループ、*4（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが（国研）日本原子力研究開発機構からの役務契約として実施したものである。

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若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.1.5
レーザー切断におけるレーザー出力・アシストガス圧のフィードバック制御試験
Examination of Feedback Control System Targeting Laser Power and Assist Gas Pressure for Laser-Cutting
Application
西尾繁*1
Shigeru NISHIO
Abstract
Characteristics of the feedback control system targeting laser power and assist gas pressure was examinedover variety of metal/alloy pair test pieces to aim at development of automatic control of laser-cutting
parameters.
要約
レーザー切断技術の利用拡大・高度化を念頭に、積層金属材料のレーザー切断においてレーザー出力・ア
シストガス圧のフィードバック制御を試験の上、基礎データを集積した。
緒言
他の切断方法と同様、レーザー切断においても、対象材料の物性・状態に応じて、切断パラメータ（レーザー出力など）を適切に調節することが良好な切断品質を得るために必要である。異種材料を組み合わせた場合、両者の境界で切断パラメータを速やかに再調整しなければならないが、この作業をオペレータ（人間）が適切に実施することは不可能に近い。よってレーザー切断技術の一層の利用拡大を図るためには、切断パラメータの最適化作業を自動化することが必要である。本件はレーザー切断技術の利用拡大・高度化を念頭に、積層金
属材料のレーザー切断においてレーザー出力・アシストガス圧のフィードバック制御を試験の上、基礎データを集積することを目的として実施した。
成果の概要
SS400、S45C、SUS304、SUS316、A2017、A5052、C1020、C1100、C2801、純チタン２種なる 10 種類の金属から任意の２種を組み合わせ、ねじ止めして得た 90 条件の試験体に対し、レーザーを照射した。レーザー照射中に取得した 1300nm 付近および 1550nm 付近の光信号強度の生データおよびフィードバック制御システムによって決定されたレーザー出力、アシストガス圧の経時変化、さらにアシストガス圧 を x 軸、レーザー出 力 を y
軸、照射応答を z 軸として描いた軌跡を得た。各試験ともレーザー出力とアシストガス圧は補正テーブルに基づくフィードバック制御によって自動的に調節されたが、特に純チタン２種を割り当てた試験体では材質の変化に伴う大きなレーザー出力、アシストガス圧の変化、加えて著しく大きな光信号強度が観察された。
レーザー照射前後に各試験体の写真を撮影した。切断が成功した試験体については、切断面の写真も撮影した。切断の成否に特に規則性は見られなかった。銅（C1100、C1020）とアルミ合金（A2017、A5052）を組み合わせた場合、銅の熱伝導性が高く、加えてアルミ合金の融点が低いために、接合面のアルミ合金側が、銅からの熱流入によって溶解するケースが多かった。
結言
一連の試験を通して、レーザー切断パラメータの自動制御実現に向けた貴重なデータが得られた。今後も多角的な調査を進めたい。

*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・レーザー技術開発室
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが（国研）日本原子力研究開発機構からの役務契約として実施したものである。

10

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.1.6
レーザー加工適応制御向け照射応答データの収集試験
Investigation of the “Irradiation Responses” to Build the Reference to Be Used in the Adaptive Control of
Laser-Cutting
西尾繁*1
Shigeru NISHIO
Abstract
It is expected that adaptive control of multiple laser-cutting parameters can be achieved with the set of theirradiation responses as a reference. In this study, the irradiation responses of SS400 steel were collected undervarious conditions.
要約
レーザー加工パラメータ適応制御の実現に向けて SS400 試験体のレーザー照射応答データを網羅的に収集-蓄積した。
緒言
レーザー光を材料に照射した時に発生する大量の熱を利用したレーザー加工は、今やレーザーの主要な利用分野の一つとなっている。今のところ、レーザー加工における加工条件の最適化はオペレータの経験と勘によっており、非常に長い時間と手間を要している。また、経験と勘に頼る性質上、技能継承も困難である。今後、
レーザー加工をさら普及させるためには、加工パラメータ自動最適化（適応制御）機構をレーザー加工システムに組み込み、経験や勘と関係なく、誰でも同じ品質のレーザー加工を実施できるようにする必要がある。
ところで、レーザー加工においては「切れ味」と「発光強度の時間平均と標準偏差の比（「照射応答」と呼ぶ）」の間に良い相関のあることが分かっている。本件はレーザー加工適応制御実現に向けて照射応答データを網羅的に収集-蓄積することを目的として実施したものである。
成果の概要
SS400 試験体に対し、レーザー照射パワー3.0、5.0、7.0kW、スタンドオフ 2、5、8mm、アシストガス圧 0.1、0.2、0.3MPa、スイープ速度（レーザーヘッドが試験片上を移動する速度）0.5、1.0、1.5mm/s の各条件の組み合わせから得られた 81 条件についてそれぞれ２回ずつ、合計 162 条件について、レーザー加工中の光信号強度の経時変化をデータロガーを用いて 1kHz のサンプリングレートで 1300nm 付近および 1550nm 付近の波長域について記録-処理することによって１セットの照射応答データを得た。
レーザー照射中に得られた光信号の大きさは 1300nm、1550nm の両波長とも 5mV 程度でほぼ同程度であった。しかし、光信号の経時変化の振幅は 1300nm の方が 1550nm より大きかった。このため、標準偏差を平均で割った値として定義される照射応答も 1300nm の方が 1550nm よりも大きくなった。
結言
一連の試験を通して、４パラメータ各３条件の照射応答データを欠けなく取得することができた。今後も調査を継続し、データの充実を目指す。

*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・レーザー技術開発室
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが（国研）日本原子力研究開発機構からの役務契約として実施したものである。

11

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.2. 廃炉段階で役立つ情報の収集・整理・分析と技術の開発
2.1.2.1
原子力発電所コンクリートの有効利用調査
Investigation on Recycling Use of the Concrete Waste Caused by Decommissioning
篠田佳彦*1
Yoshihiko SHINODA
Abstract
Since FY 2015, we have investigated the possibility of the recycling use of the concrete waste caused bydecommissioning of nuclear power plants.
要約
平成 26 年度より、原子力発電所の廃炉で発生するコンクリート廃棄物の再利用方法について検討している。
緒言
大型原子力発電所を１基解体すると、コンクリート廃棄物が約 50 万トン発生する。福井県には複数の原子力発電所が立地し、発生時期が重なると発生余剰となることが危惧される。よって、原子力発電所の廃炉で発生するコンクリート廃棄物を有効利用できるように予め検討しておくことが重要である。
成果の概要(1) 平成 26 年度成果 1)
1) 福井県におけるコンクリート廃棄物の現状調査
平成 20 年度実績では、福井県における一般産業から生じるコンクリート廃棄物（一般コンクリート廃棄物）として、コンクリート片は 41.7 万トン発生し、主に再生路盤材として 98.4%がリサイクルされていた。また、県内の実績より、50 万トンの廃棄物を処分すると運搬費用を含めると約 60 億円となる。
2) 将来期待されるコンクリート廃棄物利用法の調査
再生路盤材として活用するためには、発生量に見合うだけの道路工事などが求められ、状況によって発生量が余剰となる恐れは否定できない。そこで、将来有望になり得る再利用法としてコンクリート用の再生骨材として活用することを視野とする必要が生じる。
3）原子力発電所コンクリートの再利用シナリオ案の策定
原子力発電所コンクリートが様々な工事に利用できるように選択肢を増やすことを勘案し、A. 現在最も実績のある再生路盤材を中心としたシナリオ
B. 近年急速に進歩した再生骨材（再生骨材を用いたコンクリート）を中心としたシナリオの 2 パターンとして、原子力発電所コンクリートの再利用シナリオ案を策定した。
(2) 平成 27 年度成果 2)
2 パターンの再利用シナリオをもとに人件費、設備費および運賃などを設定し、各工程に要する作業人数
を掛け合わせて必要な金額を算出した。再生路盤材や再生骨材へ処理する施設を原子力発電所内に配置し、電力事業者が自ら処理を行う場合と中間処理業者に委託した場合によるコスト差についても試算した。
(3) 平成 28 年度成果
需要量の制約を受けにくいコンクリート用の再生骨材利用に着目していく。なお、再生骨材コンクリート
H,M,L は、再生骨材の品質を示し、区分して評価した。高品質(H)は天然資源から採取する普通骨材と同程度の品質で、JIS A 5308 によりレディーミクストコンクリートへの使用が認められており、普通コンクリートと同等に扱うことができる。品質が劣る(L)は強度や耐久性が要求されない部位に使用される。(M)はその中間に位置する。再生骨材の品質は主にセメントペーストの付着量に依存し、吸水特性などに影響を及ぼす。品質を高めるためにはセメントペーストを除去する必要があり、コスト増加につながる。同時に、除去したセメントペーストが副産微粉として多量に発生してしまう。まず、再生骨材コンクリートの利用状況を調査した。結果を表 1 に示す。
再生骨材コンクリートの利用は進んでいない状況を追認した。再生骨材コンクリートはコンクリート全体の出荷*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー開発グループ、
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが関西電力株式会社・日本原子力発電株式会社・北陸電力株式会社の 3 社からの受託研究として実施したものである。

12

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
量の 1 %未満（施工量 m3 換算）である。レディーミクストコンクリートを製造する大規模な製造企業での利用はほとんど行われていない。
表 1 再生骨材コンクリートの利用状況
項目

調査範囲

調査結果
概要

結果

再生骨材H：3件

JIS認証
取得件数

8件

2016年まで

再生骨材コンクリートM：2件
再生骨材コンクリートL：3件

2006年～2014年

出荷量
大臣認定取得件数

50千t～ コンクリート用再生骨材の出荷量
道路用再生骨材の1 %程度、305千t
コンクリート用砕石、砕砂の0.2%程度

2001年～2016年

55件

通常は1年で数件程度

1996年～2014年

487件

コンクリート全体の出荷量の1 %未満
3
施工量(m3)換算

施工実績

表 2 再生骨材コンクリートの利用が進まない要因（課題）
課題項目

法律・制度

費 用
設 備
骨材区分保管
品 質
適用範囲

再生骨材

再生骨材

再生骨材

コンクリートH

コンクリートM

コンクリートL

○

△

△

(同等)

(要JIS・
大臣認定)(要JIS・
大臣認定)

×
(高価)
△
(空きがあれば)△(同等)
×(要散水設備)○(安価)×(要散水設備)

○

△

×

(同等)
(やや低)
(低)
普通骨材並み 適用部位に制限 適用部位に制限(普通コンクリートと比較)

次に、利用が進まない要因（課題）について検討した。結果を表 2 に示す。再生骨材コンクリート M,L は低コストで生産できるが、法律や設備などで課題が多い。
再生骨材コンクリート H は製造コストが、普及の大きな障害となっている。
抽出した課題に対する対策案について検討した。結果を表 3 に示す。再生骨材の利用促進、普及に国や地方自治体の協力を得て、公共工事への利用を通して再生骨材コンクリートの導入増加を目指すことが対策となる。出荷量を確保（増加）することで、大規模コンクリート製造企
業の参入を促し、再生骨材品質の安定化を図っていくことが肝要となる。

表 3 抽出された課題に対する対策案
課 題

対策案

法律・
制度

国や地方自治体の協力を得ながら、公共工事への利用から普及へ

費 用

廃棄や処理に掛かる費用などを含めたライフサイクル
全体(LCA)の観点から再検討

設 備

近隣の貯蔵設備を利用したコンクリート製造方法を検討
骨材製造工場およびレディーミクストコンクリート工場と連携 → 既存施設・設備を有効活用

品 質再生／普通骨材を混合使用によって品質低下を抑制
再生骨材コンクリートM、Lは用途拡大および利用促進へ

結言
再生骨材コンクリートの活用には、一般コンクリート廃棄物による再生骨材リサ
イクルの確立が求められる。特に、再生骨材の再利用を促進するには、高品質な骨材の製造単価を低下することが必要である。
その上で、原子力発電所コンクリート
による再生骨材利用を促進していくことが重要である。

参考文献
1) 篠田佳彦、（公財）若狭湾エネルギー研究センター研究年報平成 26 年度, 17, 74 (2014)2) 篠田佳彦、（公財）若狭湾エネルギー研究センター研究年報平成 27 年度, 18, 12-13 (2015)13若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.2.2
アスファルト固化体リコンディショニングの成立に向けた試験
Re-conditioning Test of the Bituminization for Radioactive Wastes
香田有哉*1、手塚将志*1、山田洋右*2、遠藤伸之*3、久米恭*4
Yuya KOUDA, Masashi TEZUKA, Yosuke YAMADA, Nobuyuki ENDO and Kyo KUME
Abstract
We have performed the preliminary re-conditioning test of the bituminization for radioactive wastes as a partof study to apply them to the technical criteria by non-radioactive samples. As a result, we have confirmed theapplicability to secure homogeneity that is a part of the technical criteria by evaluating sample properties.
要約
アスファルト固形物を技術基準に適合させるための検討の一環として、リコンディショニング試験を実施した。
試験体の性状確認により、技術基準の一つである固型物の均質性確保の見通しを得た。
緒言「ふげん」では、設備の維持管理等に伴い発生する濃縮廃液をアスファルト固化装置で固型化し、廃棄体に係る技術上の基準(以下、「廃棄体技術基準」という。)等への適合性を確認した上で、廃棄体(アスファルト固化体)として埋設処分場へ搬出することを計画している。
ただし、アスファルトで固型化したものの一部には、アスファルト固化装置の試運転時等、通常とは異なる条件で固型化したもの(以下、「アスファルト固型物」という。)も存在しており、これらは廃棄体技術基準のうち固型化の要件として求められる「均質に練り混ぜること」への適合が難しいと推定されている。このため、今後「ふげん」の廃止措置を安全を確保した上で合理的かつ着実に進めていくためには、これらアスファルト固型物についても何らかの再処理(以下、「リコンディショニング」という。)を実施することで、廃棄体技術基準に適合させ、埋設処分していくことが必要である。
成果の概要
上述のような背景の下、廃棄体技術基準に適合しない可能性のあるアスファルト固型物を基準に適合させるためのリコンディショニング手法の確立に向けた技術開発の一環として、リコンディショニングの成立条件を調べる試験を行った。
１．模擬体(試験体)の製作
アスファルト固型物を模擬したコールド試験体(以下、「模擬体」という。)を製作した。模擬体は、リコンディショ
ニング効果を明確にするため、昨年度の成果から単純なモデルとした。また、大きさはモールド缶サイズとした。
２．模擬体のリコンディショニング
製作した模擬体が均質・均一になるよう、攪拌と混合の２つの方法でリコンディショニングを実施した。
３．リコンディショニング前後の性状等の検証
リコンディショニング前後の模擬体について目視観察するとともに、密度、塩含有率、イオン濃度などを測定することにより性状を確認した。
４．結晶体の溶解試験
アスファルト固型物に含まれる結晶を模擬した結晶体を２種類作製し、溶解試験を実施した。いずれの結晶体も可溶であった。
５．非破壊観察方法の調査・検討
ドラム缶内アスファルト固型物の均質性を検証するため、非破壊で観察する手法について可能性がある技術を抽出した。
結言
本年度は、アスファルト固型物をモデル化した模擬体を製作し、リコンディショニングする試験を実施した。処理後の均質性確保の見通しを得るとともに、リコンディショニング成立のための課題を抽出した。
*１(国研)日本原子力研究開発機構・バックエンド研究開発部門・原子炉廃止措置研究開発センター(ふげん)・技術開発部・開発実証課、*2（公財）
若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー開発グループ、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室、*4（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが（国研）日本原子力研究開発機構からの役務契約として実施したものである。

14

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.2.3
クリアランス確認後の金属再利用に関する調査
Preliminary Study on Recycle of Waste Metals below Clearance Levels for Radionuclides
江原里泰*1、大谷洋史*1、山田洋右*2、久米恭*3
Noriyasu EBARA, Hiroshi OHTANI, Yosuke YAMADA and Kyo KUME
Abstract
We have performed analysis of the current situation about the recycling waste metals below clearance levels
in order to promote recycling it.
要約
クリアランス金属を再利用するため、その現況を分析した。
緒言
原子力施設の廃止措置では、施設の解体に伴って放射線管理区域内で発生した解体物のうち、「核原料物
質、核燃料物質及び原子炉の規制に関する法律」(原子炉等規制法)第 61 条の 2 に基づき国の認可・確認を受けた放射能汚染が極めて低く、人の健康への影響がほとんどない解体金属はクリアランス金属として搬出される。
このクリアランス金属は解体廃棄物であることから「循環型社会形成推進基本法」による基本理念や「資源の有効な利用の促進に関する法律」、「廃棄物の処理及び清掃に関する法律」、「建設工事に係る資材の再資源化等に関する法律」等により再利用を行うことが原則であり、再利用ができない場合、福井県では福井県産業廃棄物等適正処理指導要綱等により県内処分となる。しかし、福井県の廃棄物処理計画にはクリアランス金属は含まれておらず受入施設がない状況にある。このような状況を踏まえ、原子炉廃止措置研究開発センター（以下「「ふげん」」という。）からのクリアランス金属の再利用を検討するための基礎資料作成に資する調査を実施した。
成果の概要
平成 17 年の原子炉等規制法改正により、製錬事業者等における工場等において用いた資材その他の物に含まれる放射性物質の放射能濃度についての確認等に関する規則が制定され、クリアランス制度が導入された。
その国会で政府は、制度が国民の理解を得て浸透するまでの間は、原子力事業者の自主的な措置として原子力業界を中心に再生利用していくなどと答弁している。制度導入後、国による「測定・評価結果の確認」を受け１）搬出されたクリアランス金属のうち、再利用実績を原子力事業者がウエブサイトで公表しているのは、日本原子力発電東海発電所と日本原子力研究開発機構人形峠環境技術センターであり、すべて原子力業界内での限定再利用である。
そこで、「一般社会においてクリアランス金属の再利用が抑制されている」要因を抽出し、根本原因解析を行うこととした。結果は問題点関連図に視覚化し、クリアランス制度導入における政策決定過程が、一般市民に制度に対する疑問や不安を抱かせた様相がみられることを示した。
最後に、「ふげん」からのクリアランス金属を使用して製造できる鋳造品を、調査した福井県内の鋳造会社の意見を基に整理し、再利用製品としてふさわしい候補を選定することを試みた。選定には、意思決定手法の一つである階層分析法(AHP : Analytic Hierarchy Process)を用いた。ここで評価基準は、①福井県をアピールできること、福井県らしいものであること、②クリアランス制度の定着に向けた取組として話題性のあること、③県内にある日本原子力研究開発機構の施設などへの設置に適合すること、④コストや（実際の使用における）規制な
ど製作や設置が容易であること、の４つとした。この手法での評価結果では、車止めが選定された。
結言
本調査では、クリアランス金属の再利用に関する実情を調査し、クリアランス金属の再利用の抑制要因を分析した。さらに再利用製品の社会受容検討を行い、クリアランス金属の再利用製品の候補を選定した。
参考文献
1) 原子力規制委員会ウエブサイト(2017) https://www.nsr.go.jp/activity/regulation/nuclearfuel/haiki4_jisseki.html*１(国研)日本原子力研究開発機構・バックエンド研究開発部門・原子炉廃止措置研究開発センター(ふげん)・計画管理課、*2（公財）若狭湾エネル
ギー研究センター・研究開発部・エネルギー開発グループ、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが（国研）日本原子力研究開発機構からの役務契約として実施したものである。

15

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.3. 放射線計測技術の開発
2.1.3.1
ガンマ線分光によるセメント産出物の放射能測定
Radiation Measurement of Cement Materials using Germanium Gamma Ray Spectrometer
久米恭*1、水島慧*1
Kyo KUME and Satoshi MIZUSHIMA
Abstract
In order to establish a radiation measurement method of cement materials at the factory of Tsuruga Cement
Co.Ltd. using a germanium gamma ray spectrometer, we are carrying out measurements of residual radiation
contaminant of radioactive Cs isotopes in cement materials for past 6 years after the 2011 TEPCO Fukushima
Dai-ichi Nuclear Power Plant accident. The data taken in 2016 were reported.
要約
敦賀セメント（株）のセメント工場からの産出物等についてのゲルマニウム検出器を用いた放射能計測法を確立するため、平成 23 年の東電福島第一原発（１F）事故以降 6 年間にわたり放射性 Cs の残留放射能計測を行っている。今回は平成 28 年度の計測状況について報告する。
緒言
敦賀セメント（株）で産出されたセメントと副産物について、（公財）若狭湾エネルギー研究センター（WERC）の Ge ガンマ線分光装置による放射線計測を行った。セメント、クリンカーダスト（CD）などの計測を長期間行うことで、分離された放射性 Cs が CD に集積されることが明らかになった。CD はアルカリ金属ハロゲン化物が主体であり、塩化物として放射性 Cs が集積するものと考えられる。平成 28 年度も計測を継続し、この傾向が確認された。
方法結果考察等
平成 28 年度も敦賀セメント（株）の生産工程で得られた CD と普通ポルトランドセメントについて WERC の Ge
ガンマ線分光装置でガンマ線分析を継続して実施した。計測結果を表 1 と表 2 に示す。この結果からは、普通
ポルトランドセメントに続いて CD においても放射性 Cs が検出限界以下程度になりつつあることが分かる。
表１ 平成２８年度のクリンカーダスト採取日と計測値
クリンカーダスト採取
日

ガンマ線スペクトロメトリー [Bq/g]
134

137

Cs

測定時間

試料重量

Cl 濃度

Cs

[sec]

[g]

[％]

2016 年 4 月 11 日

不検出（0.017 未満）

0.022±0.006

1000

74.1

19.7

2016 年 5 月 16 日

不検出（0.017 未満）

不検出（0.019 未満）

1000

67.1

16.6

2016 年 6 月 13 日

不検出（0.019 未満）

不検出（0.020 未満）

1000

57.2

20.2

2016 年 7 月 11 日

不検出（0.019 未満）

不検出（0.019 未満）

1000

66.2

14.1

2016 年 8 月 17 日

不検出（0.021 未満）

不検出（0.020 未満）

1000

58.7

18.9

2016 年 9 月 12 日

不検出（0.021 未満）

不検出（0.024 未満）

1000

52.1

18.1

2016 年 10 月 17 日

不検出（0.024 未満）

不検出（0.022 未満）

1000

59.2

14.7

2016 年 11 月 14 日

不検出（0.020 未満）

0.017±0.005

1000

70.8

14.2

2016 年 12 月 12 日

不検出（0.018 未満）

不検出（0.014 未満）

1000

68.1

13.2

2017 年 2 月 14 日

不検出（0.024 未満）

不検出（0.017 未満）

1000

61.4

13.1

2017 年 3 月 14 日

不検出（0.019 未満）

不検出（0.020 未満）

1000

62.7

10.6

*１

（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ、*2 敦賀セメント（株）生産部品質管理グループ
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが敦賀セメント（株）と共同で実施したものである。

16

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
表２ 平成２８年度の普通ポルトランドセメント製造日と計測値
ガンマ線スペクトロメトリー [Bq/g]
普通ポルトランドセメント製造日

134

Cs

137

Cs

測定時間

試料重量

[sec]

[g]

2016 年 4 月上旬（1～15 日）

不検出（0.008 未満）

不検出（0.011 未満）

1000

112.0

2016 年 4 月下旬（16～30 日）

不検出（0.009 未満）

不検出（0.009 未満）

1000

118.2

2016 年 5 月上旬（1～15 日）

不検出（0.010 未満）

不検出（0.009 未満）

1000

122.0

2016 年 5 月下旬（16～31 日）
2016 年 6 月上旬（1～15 日）

不検出（0.010 未満）
不検出（0.011 未満）

不検出（0.008 未満）
不検出（0.011 未満）

1000
1000

123.7
117.0

2016 年 6 月下旬（16～30 日）

不検出（0.012 未満）

不検出（0.011 未満）

1000

112.2

2016 年 7 月上旬（1～15 日）

不検出（0.011 未満）

不検出（0.009 未満）

1000

117.5

2016 年 7 月下旬（16～31 日）

不検出（0.011 未満）

不検出（0.012 未満）

1000

109.8

2016 年 8 月上旬（1～15 日）

不検出（0.012 未満）

不検出（0.011 未満）

1000

108.0

2016 年 8 月下旬（16～31 日）
2016 年 9 月上旬（1～14 日）

不検出（0.013 未満）
不検出（0.010 未満）

不検出（0.008 未満）
不検出（0.008 未満）

1000
1000

117.6
132.1

2016 年 9 月下旬（16～30 日）

不検出（0.014 未満）

不検出（0.009 未満）

1000

111.2

2016 年 10 月上旬（1～15 日）

不検出（0.012 未満）

不検出（0.009 未満）

1000

125.7

2016 年 10 月下旬（16～31 日）

不検出（0.011 未満）

不検出（0.007 未満）

1000

128.4

2016 年 11 月上旬（1～15 日）

不検出（0.014 未満）

不検出（0.010 未満）

1000

119.0

2016 年 11 月下旬（16～30 日）
2016 年 12 月上旬（1～13 日）

不検出（0.014 未満）
不検出（0.012 未満）

不検出（0.010 未満）
不検出（0.009 未満）

1000
1000

124.1
131.0

2016 年 12 月下旬（14～31 日）

不検出（0.014 未満）

不検出（0.010 未満）

1000

122.7

2017 年 1 月下旬（27～31 日）

不検出（0.013 未満）

不検出（0.009 未満）

1000

127.4

2017 年 2 月上旬（1～14 日）

不検出（0.011 未満）

不検出（0.009 未満）

1000

125.3

2017 年 2 月下旬（15～28 日）

不検出（0.012 未満）

不検出（0.009 未満）

1000

125.8

過年度の結果も総合すると、セメントとクリンカーは平成 23 年度から平成 28 年度まで検出限界以下である。
CD は平成 23 年度 0.1 Bq/g 程度 1）、平成 24 年度 0.05 – 0.09 Bq/ｇ程度 2)、平成 25 年度から平成 27 年度まで微減 3)4)5)、今回取得した平成 28 年度のデータでは検出限界以下が多く見られた。１F 事故からの時間経過とともに放射性 Cs 濃度が低下しているものと考えられる。
結言
1F 事故後 6 年を経過して、セメント工場での生産物等の放射線レベルは継続して低下している。濃縮の性質がある CD も検出限界以下が多く見られた。
参考文献
1) 峰原英介、高田卓志、下河良、（公財）若狭湾エネルギー研究センター研究年報 平成 23 年度, 14, 73（2012）
2) 峰原英介、高田卓志、下河良、（公財）若狭湾エネルギー研究センター研究年報 平成 24 年度, 15, 82（2013）
3) 峰原英介、（公財）若狭湾エネルギー研究センター研究年報 平成 25 年度, 16, 68（2014）4) 峰原英介、（公財）若狭湾エネルギー研究センター研究年報 平成 26 年度, 17, 79（2015）
5) 峰原英介、（公財）若狭湾エネルギー研究センター研究年報 平成 27 年度, 18, 20-21（2016）17若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.4. 未利用エネルギー利用技術開発
2.1.4.1
バクテリアを用いた水素製造技術の導入に向けて
Toward the Development of Carbon-Free Hydrogen Production using Bacteria
田中良和*1
Yoshikazu TANAKA
Abstract
Japan is turning toward a hydrogen society, because we have issues of depletion of fossil fuels and climatechanges. Hydrogen is a limitless resource and can be a clean energy source if we can produce it without emitting
carbon dioxide. Photoproduction of hydrogen by photosynthetic bacteria is one of the key technology that
produce carbon-free hydrogen. However, there are still a lot of challenges, for example, low growth rate and lowhydrogen productivity. Therefore, we started the project with the aim of making the high hydrogen producing
mutant lines of cyanobacteria using ion-beam breeding technology. Here, some cyanobacteria were collectedfrom lakes in Fukui prefecture, and these were established the pure cultured lines. Then, the strains were
irradiated at various doses for checking a suitable dose for the introductions of the mutations, it was shown thata dose of about 600 Gy appeared to be suitable for mutagenesis.
要約
化石燃料に依存せず、環境に対する負荷が低いエネルギーとして水素が注目されている。しかしながら現状
は、生産時に大量の CO２を排出しており、本当の意味で CO２フリーな水素社会を迎えるには、再生エネルギーの利用を拡大していく必要がある。光合成細菌のバイオプロセスを利用した水素生産はエネルギー密度が低い
太陽光を有効に利用する技術として有望であるが、実用化にはまだ多くの課題がある。そこで、光合成および窒素固定能を持つシアノバクテリアに着目し、イオンビーム育種技術を用いて高水素生産能を示す菌株の作成を行うこととした。福井県内で採取した試料からシアノバクテリアを分離して、その純培養系を作成した。さらにその菌株に対して変異導入のための予備実験を行い、約 600Gy の線量が変異体選抜に適していることを明らかにした。
緒言
日本は CO２排出量が現在第 5 位の主要排出国であり、「2050 年に 2013 年度比で温室効果ガスの排出量を80％削減する」という目標を掲げている。この目標達成のために国は水素エネルギーの利用を国策として位置
づけ、水素社会の実現に向けて動き始めた。しかしながら、原発の稼働が見込めない状況での 80％削減は非
常に厳しいものであり、再生エネルギーの利用拡大と、枯渇性資源から脱却する根本的な技術革新が必要となる。その 1 つとして、太陽エネルギーを利用して水を直接分解し、水素を取り出す方法が挙げられる。シアノバク
テリアは植物と同じ光合成を行い、窒素固定能を持つものは反応の副産物として水素を発生する。他の微生物を用いた水素生産に比べて培養に必要な栄養塩類が少なく、酸素存在下でも長期間に亘って水素を発生するので、コストを低く抑えられる利点があるが、大量に水素を発生させるためには優れた菌の発見と水素生産機能の改良が必要である。そこで本事業は、若狭湾エネルギー研究センターが持つイオンビーム育種技術を用いて、水素生産能力を向上させたシアノバクテリア変異株の作成を目的とした。今年度は、県内で採取したシアノバクテリアの純培養系確立と変異導入のための予備実験を行ったので、これを報告する。
成果の概要
1. シアノバクテリアの採集と純培養系の確立
試料の採集は、福井県敦賀市内の池、および三方五湖で 11 月に実施した。採集後に遠心操作で試料を濃縮し、ピペット洗浄法を用いてシアノバクテリアの分離を行った。分離後の菌は、ＢＧ110 培地を加えた 96 穴マ
ルチプレート上で、25℃、1800 ルクス（16 時間明、8 時間暗）の条件で約１週間の培養を行った後、徐々にスケールアップを行い、現在は 300ｍｌフラスコを用いた BG110 培地 100ml の容量で継代培養を実施している。今*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県からの受託研究として実施したものである。

18

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

図 1 県内の湖沼から分離培養したシアノバクテリア
矢印は窒素固定を行うヘテロシスト細胞を示めす。
回分離確認ができたシアノバクテリアは、形状の違いから 3 種類であり、いずれもヘテロシストの存在を確認する事ができた（図１上の矢印）。そのうちの２つは、栄養細胞の末端にヘテロシストを形成するものであり、ノストック
目のリブラリア科カロトリックス属(図 1B)とミクロカエテ科ミクロカエテ属（図１C）のものと考えられる。図１A は、10から 25 個の栄養細胞毎に１つのヘテロシストを形成し、浮遊性、無分枝などの特徴を示すものであった。DNA
を抽出し、菌の同定に利用される 16S rDNA の塩基配列を調べたところ、ノストック科アナベナ属のものとよく一致した。本研究では、ヘテロシスト内の窒素固定反応を利用した水素生産を考えており、ヘテロシスト細胞の増大が見込まれるアナベナ属の本菌が、変異導入対象として適している。
2. イオンビーム照射による変異導入の条件検討
単藻の培養系ができた菌株に対して、変異導入の条件を決定するためのプロトンビーム照射を実施した。
BG110 液体培地で約 2 週間培養した菌を緩やかに摩砕し、糸状体を短断片化したものを試料とし、400Gy～1000Gy の線量を照射した。照射した菌は、BG110 固形培
地（寒天濃度 0.7％）上に接種し、25℃、1800lx（16 時間明、8 時間暗）条件下で培養を行い、10 日後の状態を観察した（図２）。その結果、500Gy までの線量では細胞が分裂増殖し、糸状体が完全に復活していたが、600Gy では１プレート上に数十個の糸状体が観察されるのみであった。
700Gy 以上では分裂増殖していない短断片の糸状体や、ヘテロシスト細胞と思われるものだけが観察された。これらのことから、
何らかの変異が導入されたと考えられる菌株を効率よく選抜するには、600Gy 近辺の
図 2 プロトン照射による選抜条件の検討
線量が適していると考えられる。今後、培養密度の影響などを調べて、最適条件を決定していく予定である。
結言
今年度は、調査開始時期がシアノバクテリアの採集に適した条件ではなかったため、来年度も継続してヘテロシストを持つ有望なシアノバクテリアの採集を行う。シアノバクテリアによる水素生産は、水素を発生させるニトロゲナーゼと、発生した水素を再吸収するヒドロゲナーゼの２つの酵素活性が関与しており、変異体の選抜候補としては、(1)ニトロゲナーゼ酵素の活性が向上したもの、(2)水素取り込み型ヒドロゲナーゼの活性を抑制したもの、そして(3)ニトロゲナーゼが働くヘテロシスト細胞が増大したもの、が考えられる。加えて、耐熱性や増殖速度の向上なども課題である。 これら候補の効率的な選抜方法を確立し、優良変異株を作成することで、将来の CO2 フリー水素社会の実現に貢献していく。
19

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.4.2
農林水産廃棄物のマイクロ波加熱を利用した減容と有用物質生産
Volume Reduction of Bio-waste and Useful Material Production from Them by Microwave Pyrolysis
遠藤伸之*1
Nobuyuki ENDO
Abstract
Real bio-wastes were digested by microwave pyrolysis at various conditions, and effects of it were evaluatedon reduction of waste volume and on variation of degradation products.
要約
実在の農林水産廃棄物試料に対して、種々の条件下でマイクロ波加熱分解を試み、生成物分析と減容率から加熱処理の効果を評価した。
緒言
バイオマス資源は、再生可能でカーボンニュートラルな資源として有効利用が期待されているものの、回収コストが高く用途が限られることから、活用が進んでいない。これまで、木質バイオマスに対してマイクロ波を照射し、急速熱分解を発生させることでバイオオイルを生成し、液体燃料を生産するための研究を実施してきたが、マイクロ波加熱による急速熱分解技術は、含水率が高い試料を効率よく加熱する手法として優れるものの、単価の低い燃料生産に供する技術としては処理コストが合わず、実用性が低いという問題は解決できなかった。しかしながら、完全な熱分解ではなく低温度で特異的に起きる弱い分解から生じる低分子化合物を、高分子材料や溶媒等の化学原料として回収できることを明らかにした。本研究では、マイクロ波分解に特異的な低温度での分解、含水率の高い試料を効率よく加熱処理できる特徴を生かし、農水産廃棄物をマイクロ波によって加熱・分解処
理し、廃棄物を減容処理するとともに、生物由来の有用成分を回収する技術を開発することを目的とした。
成果の概要
活用できていないバイオマス資源である、稲わら、もみ殻、豆の殻、おが粉、海藻、魚介廃棄物などの農林水産廃棄物に対し、最大 230℃ 3.5MPa でマイクロ波加熱分解処理を行ったところ、同温度・圧力条件下でのヒーター加熱を用いた処理とは生成物が全く異なり、マイクロ波加熱に特異的な反応が高効率で起きることを明らかにし、マイクロ波加熱処理の優位性を明らかにした。マイクロ波加熱分解での特異的生成物を個々に同定・定量
し、生理活性をもつ薬品原料となり得る化
学種の生成を確認できた。一例をあげると、落花生の殻に対してマイクロ波加熱分解処理を行うと、テルペン、芳香族ケトンが多く生成することが確認できた。
また、いずれの試料でも、マイクロ波加熱
処理後の残渣は処理前に比べて、容積は小さくなっており、減容率はヒーター加熱よりも高かった（図１）。マイクロ波加熱処理
は、廃棄物の可搬性を向上させる点で効果 図 1 トウモロコシの皮の加熱処理（220℃,30 分）後があることが分かった。水草のような含水率の試料、固体残さ（左）と上澄み液（右）が高いものは特に効果が高かった。
結言
マイクロ波加熱分解は、廃棄物の減容効果が高く、従来の外部加熱による分解では生じない特異的な反応が比較的低い温度で高効率に起きていることが明らかとなった。これらの結果は、この方法が有用物質生産を伴う廃棄物処理に効果的であることを示している。今後は、効率よく回収でき価値の高い生成物を選定し、廃棄物処理-有用物質回収が実現できるシステムの構築を検討することが必要である。
*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県からの受託研究として実施したものである。

20

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.4.3
水素の安全な輸送と取り扱いに利用可能な水素吸蔵合金の開発
Development of Hydrogen Storage Alloys for Safe Transporting and Handling of Hydrogen
石神龍哉*1、安永和史*1、鈴木耕拓*1
Ryoya ISHIGAMI, Kazufumi YASUNAGA and Kohtaku SUZUKI
Abstract
We investigated a method for producing hydrogen storage alloys suitable for transporting and handling ofhydrogen that is used as fuel for transport equipment such as automobiles. Magnesium hydride MgH2 contains
7.6 wt% hydrogen but is not practical, because the hydrogen release temperature is as high as 300℃ or higher.
As a result of survey on relevant documents, it was found that instability of crystalline structure, refinement ofcrystallites, addition of proper catalytic materials, and contact of magnesium hydride particles with the catalytic
materials are important factors. TEM observation of a MgHx thin film deposited by radio-frequency magnetron
sputtering shows polycrystalline microstructure with bimodal grain size distribution. This result suggests that
the MgHx thin film consist of two different crystal structure such as tetragonal or orthorhombic crystal. In
addition, an effect of a Pd thin film deposited on a magnesium hydride film as catalytic material was investigated.
Until now, the only way for direct hydrogen measurements is the mass change measurement of hydrogen storage
alloy. However, very little mass changes like thin films is very difficult to measure. We applied the method of ion
beam analysis in the air to hydrogen storage alloys, and tested to measure its hydrogen.
要約
自動車等の輸送機器の燃料として、水素を輸送・利用するために適した水素吸蔵合金を作製する方法に関する調査を行った。水素化マグネシウム MgH2 は水素を 7.6 質量%と高密度で含むが、水素放出温度が 300℃
以上と高く実用的ではない。文献調査の結果、結晶構造の不安定化、結晶子の微細化、適切な触媒物質の添
加、水素化マグネシウムと触媒物質との接触が重要であることが分かった。また、作製した水素化 Mg（MgHx）薄膜は多結晶構造で、バイモーダルなサイズ分布を示すことから、異なる結晶構造の水素化 Mg が存在していることが示唆された。さらに、MgHx 薄膜からの水素放出に対するパラジウムの触媒効果を調べた。これまで、水素吸蔵合金中の水素濃度を測定するには、重量増加を測定するのが直接的な手法であった。しかし、薄膜など微量のものについては直接測定することができなかった。そこで、大気中におけるイオンビーム分析手法を応用し、直接水素を測定する方法をテストした。
緒言
石炭や石油といった化石燃料は有限であるため、再生可能エネルギーである水素を利用する水素社会の実現が望まれている。自動車のような輸送機器の燃料として水素を利用する場合には、貯蔵容器はできるだけ軽量になるようにし、かつ容器が事故などで壊れても安全であり、複雑な工程を経ずに内燃機関または燃料電池
へ水素を供給できなければならない。また、輸送機器への水素の補給も安全に行える必要がある。
水素吸蔵合金は、水素の放出が吸熱反応であるので発火しにくく、圧力が数気圧程度と低いため扱いやすい。一方で質量当たりの水素含有量が小さく、実用レベルでは 2 質量%程度に留まっている。本事業では輸送機器の燃料供給用材料として水素吸蔵合金を利用するために必要な技術の調査を行った。
成果の概要
I. マグネシウム系水素吸蔵合金の水素放出・吸蔵に関する文献調査
水素化マグネシウム MgH2 は水素の含有率が 7.6 質量%と大きく資源的にも問題がないが、水素を放出する温度が比較的高い。MgH2 を水素の輸送用材料として利用できるようにするため、これまでに水素放出温度、水素吸収温度を下げるための実験が数多く行われ文献が報告されている。ここでは、水素含有量を大きく減少させる
ことなく水素放出温度を下げるための加工・処理方法、添加物質、組成などについて文献調査を行った。
その結果、1) MgH2 の結晶構造の不安定化、2) MgH2 結晶子の微細化、3) 適切な触媒物質の添加、4) MgH2と触媒物質との接触面積の増加が重要であることが分かった。1)では安定構造の正方晶系β-MgH2 ではなく斜方晶系のγ-MgH2 または非晶質とした方が良いこと、2)では結晶子の大きさを 10 nm 程度まで小さくすることで、*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ、
本調査は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県からの受託研究として実施したものである。

21

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
水素原子が粒界まで拡散する距離が十分短くなり放出されやすくなること、3)では水素原子同士の再結合と水素分子の放出に対する障壁を低くするための触媒としては Ni、Pd、Nb2O5、TiH2、Mg2NiH4 などが優れていること、4)では触媒粒子が MgH2 粒子に付着するように触媒粒子の径を十分小さくする必要があることが分かった。
触媒粒子は MgH2 粒子全体を覆う必要はなく、一部分に付着するだけで、そこを通して水素は MgH2 粒内に出入りできる。ボールミル処理時に他の物質を混合することで MgH2 からの水素放出温度が低下したため触媒能力があると書かれた文献であっても、単にそれらの粒子が機械的に硬いため MgH2 粒子をより小さく、効率的に粉砕したことが原因であり、実際には触媒能力がない可能性もある。
II. マグネトロンスパッタ法による水素化マグネシウム（MgHx）薄膜の作製及び微細組織評価
Ar と H2 の混合ガスを放電ガスとして高周波マグネトロンスパッタ法で Mg を堆積することで、MgHx 薄膜試料を作製した。成膜時の温度は 80℃以下とした。図 1(a)は、MgHx 薄膜の微細組織の TEM 暗視野像である。大小
様々なサイズの白い粒は結晶粒で、薄膜は多数の結晶粒から構成された多結晶状態である。図 1(b)には暗視
野像中の個々の結晶粒の粒径を測定し、その頻度を粒径に対して表示した。結晶粒の直径は、2～13 nm の範囲に分布する平均直径が約 7 nm、及び、33～79 nm の範囲に分布する平均直径が約 49 nm の二つのピークをもつバイモーダルなサイズ分布であった。MgHx 薄膜にサイズ分布が異なる結晶粒が含まれていることは、性状の異なる結晶が薄膜中に存在していることを示唆している。MgHx には、安定な正方晶及び準安定な斜方晶が存在することから、今回作製された MgHx 薄膜には、正方晶及び斜方晶の結晶構造をもつ結晶粒が混在している可能性がある。
III. 触媒物質の成膜による MgHx 薄膜からの水素放出特性の改良

図 1(a) 水素化 Mg 薄膜の微細組織の TEM 暗視野像、(b) 結晶粒径の頻度分布。
MgH2 からの水素の放出温度を低下させるには適切な触媒物質を加えることが重要であることが分かったが、多くの文献で行われているボールミル処理では、添加した物質の機械的な硬さや粒径によっても MgH2 の粒径分布が変わるため、水素の放出温度やエンタルピー変化といった触媒として能力を正確に評価できない。そこ
で、Mg を水素化物の形で成膜し、その上に触媒としての能力を評価する物質を成膜して加熱することで、触媒としての能力を評価できないか調査を行った。
ステンレス鋼板上に、Ar と H2 の混合ガスを放電ガスとして高周波マグネトロンスパッタ法で Mg を堆積すること
で MgHx 膜試料を作製した。成膜時の温度は 80℃以下とした。触媒物質としては文献での類似の報告がある Pdを使用した。MgHx 膜、Pd 膜の厚さはそれぞれ 1600 nm、100 nm であった。赤外線ランプアニール炉内で 5℃/分の速度で昇温し、温度と真空度を測定した。Pd を成膜しない試料では 350℃付近まではほとんど水素の放出は観測されなかったが、Pd を成膜した試料では 110℃付近から水素の放出が始まり、180℃付近で最も放出速度が大きくなって 190℃付近で放出が終了した。水素が放出された後でも、200℃では Pd/Mg 膜はステンレス鋼
板からはがれなかった。Ham らは厚さ 1600 nm の Mg 膜に厚さ 25 nm の Pd を成膜した後に水素化処理し、4℃/分で加熱した 1)。水素放出開始温度は約 110℃でこの実験結果とほぼ同じであったが、放出終了温度は約150℃と低い。これは、Ham らの実験で作製された Mg 膜が多孔質であり、また Mg を成膜後に水素化したことか
ら体積膨張により圧縮応力が発生し、水素の放出を促進したためと推測される。
これらの結果から、MgHx 薄膜の上に他の物質を成膜して加熱することにより触媒としての能力を評価する方法は有効であることが分かった。
22

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
IV. 加速器を用いた大気中における水素のイオンビーム分析の適応テスト
水素吸蔵合金の水素含有量を測定する場合は、重量増加を測定するのが直接的な手法である。しかしながら薄膜などの非常に軽い材料では重量増加を測定することが難しいため、間接的に測定するしかなかった。水素
吸蔵合金薄膜は開発段階におけるモデル材料としてよく使われることから、さらに薄膜多層構造とすることにより
水素吸蔵合金の性能が向上することが考えられる。これまで若狭湾エネルギー研究センターでは加速器を用いたイオンビーム分析の手法を多数開発してきた。この中でも近年、大気中におけるラザフォード後方散乱法および反跳粒子検出法の開発を行っている。反跳粒子検出法は軽元素をほぼ非破壊で定量測定できる唯一の手法と言ってよい。これを用いることにより、大気中で水素吸蔵合金中の水素量および試料表面からの水素分布を計測することが可能となる。
今年度は、作製した MgHx(50 nm)膜試料からの水素の検出を試みた。イオンビームはヘリウム、エネルギーは3.5 MeV を用いて、散乱角 30°に検出器を設置した。検出器の直前にはチタンフォイル 10 µm を設置し、ヘリウム以上の原子番号の粒子をストップし、水素のみ透過するようにした。図 2 に検出器で測定した粒子のエネル
ギー情報を示す。横軸はエネルギーに対応した数値をチャンネルで示しており、縦軸は検出した粒子の個数を表す。図 2 (a) は MgHx 膜試料、(b) はバックグラウンドの測定結果である。バックグラウンドの結果は 800-1400
チャンネルに幅広く緩やかに分布しているのに対し、MgHx 膜試料の結果はバックグラウンド構造と 800 チャンネ
ル強のあたりにピーク構造が見える。これは MgHx 膜中の水素が検出されたことを示している。これらの結果から、大気中における水素のイオンビーム分析が水素吸蔵合金に適応できることが分かった。

図 2 (a) MgHx 膜試料の検出した水素のエネルギー分布、(b) バックグラウンドの水素のエネルギー分布。

結言
水素化マグネシウムを輸送用機器の燃料供給材として利用するための改良方法について文献調査を行った。作製した水素化 Mg 薄膜は多結晶構造でバイモーダルなサイズ分布を示すことから、結晶構造の異なる水素化 Mg が存在していることが示唆された。
また、水素化マグネシウム薄膜を昇温して水素が放出される温度を測定する方法が、水素放出温度を下げる効果のある触媒を評価するための方法として有効であることを示した。
加速器を用いたイオンビーム分析の手法である反跳粒子検出法の大気中測定を応用し、MgHx 膜試料中の水素の測定を行った。バックグラウンドと比較して MgHx 膜試料の結果には優位に差が出ることが分かり、水素の測定ができることが分かった。
参考文献
1) B. Ham et al., Int. J. Hydrogen Energy : 39, 2597 (2014)23若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.4.4
マグネシウムの酸化還元反応を活用した水素エネルギー循環サイクルの構築可能性調査
Feasibility Study on Hydrogen Energy Cycle System Using Oxidation Reduction Reaction of Magnesium
篠田佳彦*1、山岸 隆一郎*2、遠藤 伸之*3
Yoshihiko SHINODA, Ryuichiro YAMAGISHI and Nobuyuki ENDOU
Abstract
Hydrogen is a promising energy source. However, the social implementation of hydrogen energy has a hostof problems. Therefore, this project will clear up the problems of the use of hydrogen energy. We began thefeasibility study toward the development of the sustainable energy cycle system using oxidation-reduction
reaction of magnesium.
要約
水素は次世代エネルギーとして期待されているが、社会実装には課題も山積する。そこで、持続可能なエネ
ルギーサイクルの構築に向け、マグネシウムを介在させることによる課題解消の可能性調査を開始した。
緒言2014 年度に戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)のテーマに『水素に関わる製造／輸送・貯蔵／利用における種々の課題を解決することを目指したエネルギーキャリアとして水素社会に向けた技術開発』が組み込まれた 1)。そこでは、エネルギーキャリアとなる物質（水素を輸送貯蔵するための担体）としてアンモニアや有機ハイ
ドライドが選定された。マグネシウムもその候補で、エネルギーシステムも提案されている 2)。
しかし、マグネシウムを利用した水素製造方法においては、廃棄物として残存する水酸化マグネシウムを効
率的に再利用できなければ、循環利用可能システムには至らない。本事業では持続利用可能なエネルギー源
として太陽熱を用いて水酸化マグネシウムのリサイクル（還元）システムを実現させるために必要な技術について調査し、技術開発のポイントを明確化していく。
成果の概要
マグネシウムは卑金属で安定性が低く、空気中で加熱された場合など容易に反応することから酸化物や塩化物などの化合物として存在している。金属マグネシウムを得るためには石炭（や電力）などのエネルギーを用いて精錬（還元）する必要がある。還元された金属マグネシウムは酸化反応によって熱（エネルギー）を発生する
ので、化石燃料同様にエネルギー資源となる。利用の形態として、酸素と反応させて熱や電気を発生する直接
燃焼と水と反応させて熱と水素を発生させ、その水素を利用して熱や電気を発生する（水素製造）間接燃焼に大別できる。両利用形態とも、マグネシウムを活用した後には水酸化マグネシウムが残存する。この水酸化マグ
ネシウムを再びマグネシウムに変換（還元）し、再度利用すればエネルギーの循環システムが構築できる。
本事業では、持続利用可能な水素エネルギーシステム構想の構築に必要な研究テーマ①と②に着目し、既存の研究や技術開発動向を調査し、要求される技術の開発や実証を目指す。
①太陽熱などの持続利用可能エネルギーによる水酸化マグネシウムの還元システムの探求と実証②マグネシウムと水による水素生成反応効率の向上を目指した手法および装置の開発
エネ研には 3.3 m×3.3 m の世界最大級のレンズを持つ大型太陽炉と、可搬型で使いやすい小型太陽炉がある。これまでに集光による加熱で 2000 ℃を超える温度を達成し、太陽エネルギーの活用技術を高めてきた。
そこで、太陽エネルギーを有効に活用することを想定して、還元技術について調査した。マグネシウム還元において現在工業的に主流となっている方法はケイ素熱還元反応（ピジョン法）を適用したものである。反応式は、2MgO + 2CaO + Si[Fe]2Mg(g) + Ca2SiO2 + [Fe]ここで、Si[Fe]は還元剤：フェロシリコンで、生産にはエネルギーを要する。1200 ℃程度の減圧下で反応が進展し、発生したマグネシウム蒸気を冷却回収する。反応後の残物は Ca2SiO2 で反応系外へ排出・廃棄される。
この反応は多量のエネルギーと資源を消費する。中国の実績ではマグネシウム 1 kg の還元に 537 MJ のエネ
ルギーが投入される。そして、全投入エネルギー換算でフェロシリコンの生産に約 35 %を消費している。マグネ*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー開発グループ、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・企画支援広報部・
技術相談室、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県からの受託研究として実施したものである。

24

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
シウムをエネルギー資源として利用するには、外部からのエネルギーを効率的に還元反応に利用し、かつ還元剤も再生利用が可能となる必要がある。
還元剤と共に加熱する熱還元についてはピジョン法に着目し、還元剤の再生利用可能性評価と新規還元剤の探求を進めていく。そこで、新たに整備した電気炉を用いて評価実験を計画している。同時に、マグネシウム
は軽量で比剛性に優れた素材で需要増加が見込まれることから、現行ピジョン法と太陽熱などの組合せで産業的競争力があるマグネシウム生産技術の確立を目指していく。
高温溶融塩による電解法については、酸化マグネシウムを O2-透過型固体酸化物膜を用いて直接電気分解する手法に着目する。同法は米国のベンチャー企業が原理を提示しているが、実用化はなされていない。
平成 29 年度は各種の還元方法について検討し、方法を絞り込む。平成 30 年度以降から絞り込んだ方法を高度化するとともに、太陽炉による実証実験に着手する。
次に、マグネシウムと水の反応による水素生成効率の向上と、装置化を目指して概念設計と実証評価を行い、オンデマンドな水素生成・利用可能なシステム構築を目指していく。
そして、本構想を社会に展開する際には数値目標が必要である。まず、簡易的な物質収支評価を行い、発電単価を見極めていく。現状で見通せる技術段階と現在のマグネシウムの単価（～500 円/kg）に基づけば、発電単価は 100 円/kWh から 300 円/kWh と試算される。社会実装にはさらなる低コスト化が必要になる。これまでの調査による技術的な達成見込みを勘案すれば、本構想に基づくマグネシウム利用による発電単価は、30円/kWh から 60 円/kWh を見込める。本研究では、この値を当面の目標値と捉えて技術開発を遂行していく。
その後、効率を追求し、さらに低コスト化を目指していく。
なお、本構想の社会実装での二酸化炭素削減効果を試算すれば、日本国内における 1 年あたりの削減効果
は最大 2.5 兆円ともなる。
本事業の年度計画を図 1 に示す。

実施
項目

実施年度
内容

H28

H29

H30

H31

H32

還元法選定

現行ピジョン法改良(還元剤再生）選定還元法高度化

Mg(OH)2 新規還元剤探求の還元
新規還元（電解）探求
太陽炉による実証
ピジョン法 選定手法

ピジョン法
太陽炉適用 産業化

選定還元法

マグネシウム・水反応の効率向上・装置化
水素生成
水 素 生成 コス ト調 査

（物質収支・経済性）

他製造法コスト比較

図 1 年度計画
結言
エネルギーキャリアとしてマグネシウムに着目して、持続利用可能なエネルギー源として太陽熱を用いて水酸化マグネシウムのリサイクル（還元）システムを実現させることで、水素エネルギーをベースとした循環利用可能システムの構築に必要な技術について調査し、開発のポイントを明確化することに取組んでいく。この構想の実現により、高圧水素気体や液化水素などで輸送・貯蔵する方法に比べて安定に保持できる。そして、持続利用可能なエネルギー源による水素製造も可能となり、製造／輸送・貯蔵／利用の全局面で有効的に機能するもの
となる。
参考文献
1) 内閣府、戦略的イノベーション創造プログラム(SIP) エネルギーキャリア リーフレット (2016)2) 小濱泰昭、NGO「キュレム」、大丈夫だよ！心配ないから―マグネシウム社会の未来 (2014)25

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.4.5
月土壌の水素還元システムの構築
Hydrogen Reduction System of Lunar Soil
篠田佳彦*1、山岸隆一郎*2、中村暁*3
Yoshihiko SHINODA, Ryuichiro YAMAGISHI and Akira NAKAMURA
Abstract
Since FY 2016, we have researched hydrogen reduction system of lunar soil by a solar furnace.
要約
平成 28 年度（2016 年度）から、太陽炉を活用した月土壌の水素還元システムの研究に取り組んでいる。
緒言
ヒトが月面において持続的活動を行うためには、必要な物資を現地で調達することが求められる。そこで、月面活動で入手可能な月土壌から太陽熱を活用して酸素を生成するシステムの研究に取り組んだ。
成果の概要
本研究は、『月土壌などの低品位酸化物原料を還元対象とし、還元が難しい酸化物からの金属製造プロセスの工業的応用を検討する。また、太陽炉を用いた本プロセスの実現性を検討する』（実施計画書抜粋）もので、九州大学とヒロセ・ユニエンス㈱と共に実施した。エネ研では、太陽炉による実証実験を主に担当した。
月土壌に含まれるイルメナイト(FeTiO3)に含まれる FeO は、純度 100%の水素を常に流入させて気相中の水蒸
気分圧を下げることで、1273 K 程度の温度域でも還元反応が進むことが見込まれる。
反応式は、 FeO + H2 → Fe + H2O である。生成した水を電気分解すれば酸素を得ることができる。
最初に、固定層型反応炉を設計・製作した。図 1 に石英管を外部円筒として用いることで試料を直接加熱可能とした反応炉の概念図と太陽炉のレンズ枠に取付けた状況を示す。

図 1 石英管を用いた固定層型反応炉（概念図と設置状況）*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー開発グループ、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・企画支援広報部・
技術相談室、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・企画支援広報部
本研究は、国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)の支援を受けた国立研究開発法人 宇宙航空研究開発機構(JAXA)による『「太陽系フロ
ンティア開拓による人類の生存圏・活動領域拡大に向けたオープンイノベーション」に関する研究提案』において「月土壌の水素還元システムの構
築 --低品位原料の工業的利用を目指して-- 」として採択されたもので、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが JAXA、国立大学法人九州大学、ヒロセユニオン株式会社との共同研究として実施したものの一部である。

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若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
加熱実験では、イルメナイト粉末を 45 g 装荷し、加熱前段階から水素／ヘリウム混合ガス(5/95)を 3 ℓ/min で流入した。大型太陽炉のレンズと加熱対象物の中間に位置するシールドを開けることで実験を開始した。計測
結果を図 2 に示す。サンプルの温度は上下 2 点を K 熱電対によって測定した。太陽エネルギーはレンズ枠に取り付けた日射計で計測し、温度とともにサンプル間隔 1 秒でデータロガーに記録した。実験時の天候は快晴
で日射計による太陽エネルギーは 1000 W/m2 を超えている。
最初に，シールドを少しだけ開けて焦点位置を微調整した。その数分後にシールドの開度を 25%程度とした。
約 10 分後にサンプル上部の温度が 1027 K を超えた。温度上昇傾向が緩和する傾向を示したのでシールドの開度を 40%程度とした。
加熱開始約 15 分後にサンプル内部の温度が水素還元反応が生じる目安温度 1273 K を超えた。その数分後に反応槽の外部構造となる石英管が破損したため、水素還元実証には至らなかった．SUS310S 製の内部円
筒は無損傷であったが、石英管とそのシール部の耐熱性の不足が明らかとなった。
この実験により、耐熱性能を改良することで、固定層型反応炉による水素還元実証は実現可能な見通しを得ることができた。本研究では、次のステップとして、固体層型反応炉の耐熱性を向上し水素還元実証を目指すことより、実用化時に採用する流動層型反応炉を太陽炉と組み合わせて加熱性能を評価することを優先した。
一方で、流動層型反応炉は本研究で活用する透過・屈折式太陽炉には適した構造ではなく、反応炉内の資料温度を所定温度(1273 K)程度とするためには受光、伝熱、断熱とする熱的な性能向上が必要であり、構造について実験的に模索している段階である。

図 2 固定層型反応炉による加熱実験結果
結言
太陽光を集光する技術は、レンズを透過した光を集める方法（透過式）と鏡の反射光を集める方法（反射式）に大別される。装置の簡便性や頑強性などの利点を考慮し、本研究では透過式を採用している。装置の簡便性や頑強性などの利点は月面での敷設や稼働において有利であり、少なくとも月面利用初期には地上から完成
型として運搬できる太陽炉による熱供給システムが好ましいものと考えている。同時に、地上で太陽炉による加熱で製品を作製する場合、安価な太陽炉を実現しうる可能性が高い。
月面や火星などでヒトが活動するとき、宇宙で容易に高温を生じることができる太陽炉の可能性を探求すべく、研究を継続していくものである。

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若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.4.6
太陽炉と太陽熱エネルギー利用研究
Research Activity on Applications of Solar Thermal Energy by Solar Furnaces
篠田佳彦*1、山岸隆一郎*２
Yoshihiko SHINODA and Ryuichiro YAMAGISHI
太陽光をフレネルレンズで集光して超高温場を作り出す「太陽炉」研究を平成 17 年（2005 年）から開始している。この間に大型／小型太陽炉を設計・製作し、かつ高度化（保守を含む）しながら各種の実験研究に供した。
以来、太陽炉の新たな展開を模索し、関係機関と共同して公的研究資金の確保を目指してきた。JST／JAXA による『「太陽系フロンティア開拓による人類の生存圏・活動領域拡大に向けたオープンイノベーション」
に関する研究提案』において「月土壌の水素還元システムの構築 --低品位原料の工業的利用を目指して- 」が採択された。この研究は、『月土壌などの低品位酸化物原料を還元対象とし、還元が難しい酸化物からの金属製造プロセスの工業的応用を検討する。また、太陽炉を用いた本プロセスの実現性を検討する』（実施
計画書抜粋）もので、九州大学とヒロセ・ユニエンス㈱と共に研究に参画した。
太陽炉の新たな展開を模索し、太陽炉の月面での活用という興味深い展開に向けた活動を開始するに至った。これには、フレネルレンズを用いた透過・屈折型の太陽炉の頑強性などの利点が活かされたものと捉えられ、蓄積したエネ研の成果が表出されたものである。
*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー開発グループ、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・企画支援広報部・技
術相談室

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若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.5. 生物作用を利用した環境浄化・修復技術の開発
2.1.5.1
アブラナ耐塩性変異体マーカーの塩基配列解析
Sequence Analysis of DNA Marker Fragment of Brassica Salt Resistant Mutant
髙城啓一*1
Keiichi TAKAGIAbstract
Sequence of a RAPD fragment that was specific for a Brassica salt resistant mutant was analyzed.
要約
アブラナ耐塩性変異体に特異的な RAPD 断片の塩基配列解析を行った。
緒言
我々はこれまでに、汽水湖沼での水上栽培による湖沼浄化に用いるため、イオンビーム照射によりアブラナの耐塩性変異系統を確立した。そしてこの変異系統を識別するため、変異体に特異的な RAPD(ランダム増幅多型DNA)断片の探索を行い、耐塩性と強くリンクした RAPD 断片を発見した。RAPD という手法は、DNA 増幅に用いる機械等の条件によって結果が変動しうる、やや安定性に欠ける手法である。より安定性の高い DNA マーカーを構築するためには、この断片の塩基配列情報が必要である。また、耐塩性に関わる遺伝子の情報は育種上極めて重要であり、この意味からも断片の塩基配列を明らかにする必要がある。そこで本報告では、この断片の塩基配列解析を行った。その結果、この断片がセイヨウアブラナの染色体上の特定位置、および存在が推定されているタンパク質をコードする塩基配列と高い相同性を示したことを報告する。
材料と方法
セイヨウアブラナ耐塩性変異体 C20SALT05 のゲノ
ム DNA を材料として用いた。この変異体のゲノム
DNA を鋳型として特定プライマー(塩基配列長 16mer)により増幅される約 750 塩基の変異体特異のDNA 断片(図 1)を、アガロースゲルから切り出して断片 DNA を抽出し、この DNA 断片をプラスミド(pUC19)に組み込み、大腸菌によるクローニングを行った。ク
ローニング後の断片を、DNA シーケンサーABI3130
を用いて、Big Dye ターミネーター法による塩基配列解析を行った。
得られた塩基配列データは、Brassica Database(http://brassicadb.org/brad/index.php) を 利 用 し てBLAST 検索を行い、セイヨウアブラナゲノム上、および cDNA 上で相同性の高い部位を探索した。
結果と考察
塩基配列解析の結果、耐塩性変異と強くリンクした RAPD 断片は、全長 762 塩基(両端のプライマー配列を含む)であることが分かった(図 2)。この長さは、電気泳動から推定された塩基配列長とほぼ一致
図 1 変異体に特異的なおよそ 750 塩基の RAPD 断片した。
この断片の塩基配列がセイヨウアブラナゲノムのど を示す電気泳動像(W は親系統、M は変異体、オレンジの位置に相同性が高いかを BLAST 解析により検索 枠が変異体特異的断片を示す)*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県からの受託研究として実施したものである。

29

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
したところ、762 塩基中、686 塩基が C3 染色体の特定領域と 98%の相同性を示すことが分かった。セイヨウアブ
ラナは、Brassica rapa と、Brassica oleracea の複二倍体であり、B. rapa 由来のゲノムは A ゲノム、B. oleracea
由来のゲノムは C ゲノムと呼ばれている。変異と強くリンクした RAPD 断片は C ゲノムの第 3 染色体に位置する可能性が非常に高いことが分かった。
次に、cDNA で相同性の高いものを検索したところ、この断片の 60%の領域が、セイヨウアブラナのグルタチオ
ン S-トランスフェラーゼ T3 様(GST T3 like)ｃDNA 配列とおよそ 85%の相同性を示すことが分かった。この結果
は、この断片がグルタチオン S-トランスフェラーゼをコードする遺伝子の一部を含んでいることを示唆している。
グルタチオン S-トランスフェラーゼは、毒性化合物にグルタチオンを結合させ、無毒化する役割を持った酵素であり、細胞内の酸化ストレス応答に深く関わっている。シロイヌナズナでは、イネのτクラス GST を過剰発現させると塩分や酸化ストレスに対する耐性が増すこと 1)や、トマト由来の GST を発現させることで、耐塩性や耐乾燥性が増強されること 2)が報告されている。このことから、C50SALT05 の耐塩性が GST を介して強化された可能性が示唆された。

図 2 変異体特異な RAPD 断片の塩基配列 (青枠はプライマー配列)
結言
耐塩性形質と強くリンクした RAPD 断片の染色体上の位置がほぼ明らかになったので、今後は、この断片を手がかりに C20SALT05 に耐塩性をもたらした変異の確定を目指すとともに、この変異体を検出するためのより安定性の高い DNA マーカーを構築し、変異体の判別や、浄化にこの変異体を用いた際の、環境中への変異形
質の拡散評価などに役立てたい。
参考文献
1) R. Sharma et al.: PloS One, 9,3, e92900 (2014)2) J. Xu et al.: PloS One, 10,9, e0136960 (2015)30若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.1.5.2
微生物を用いた汽水湖沼浄化研究
Study of Improvement of Water Quality in Brackish Lake by Photosynthetic Bacteria
畑下昌範*1
Masanori HATASHITA
Abstract
A water purification technique with the use of photosynthetic bacteria was examined to improve water quality
in wide-closed brackish water area polluted by waste water. The cleanup experiment was carried out with polymer
gel-embedded photosynthetic bacteria in the brackish environment. The accumulation of polyhydroxybutyrate
in photosynthetic bacteria was investigated.
要約
水質の悪化した汽水湖沼の光合成細菌による浄化について研究を行った。ゲルに包埋した光合成細菌による浄化試験を汽水条件下で実施した。また、光合成細菌が生産するポリヒドロキシ酪酸の蓄積性の変化について調査した。
緒言
日本の河川、湖沼など、一般に公共用水域と呼ばれる水域における水質浄化対策は、これまで流域での下水道、農業集落排水施設、合併処理浄化槽の設置といった発生源に対する対策が主流であった。しかし、近年においては、水域内もしくは水域に隣接して適用される直接浄化対策の実施例が増加している。特に最近では、
閉鎖性水域での窒素・リンの除去のため、水生植物等の自然水質浄化機能を活用した浄化手法が注目されるようになってきている。
バイオ技術による水質浄化とは、植物や微生物等の働きを利用して湖水の浄化を図る技術をいう。湖水の富栄養化については、その浄化の技術的手法として、物理的手法、化学的手法および微生物機能の活用などの
生物学的手法が存在する。このうち、微生物を利用する湖水の浄化は、多様な富栄養化物質に適用可能であ
ること、また、投入エネルギーが少なく、一般的に浄化費用も低く済むことから、持続的な環境保全技術を確立するための一つの方法として有効であると考えられる。その一方で、浄化に時間を要する、生態系に悪影響を与える場合がある、などといった問題点があることが知られている。
こうした問題を解決しながら、富栄養化した湖沼への生物を用いた浄化技術を実用化するためには、本来的にエネルギー投入を必要としない処理技術の確立、処理速度を高めるための性質改変、環境に悪影響を与えない処理技術の確立や、エネルギー物質の蓄積による資源化などといった要素技術の開発が求められる。こうした背景の中で、光合成微生物の本技術への適用を検討した。光合成系では、通常の微生物培地で用いられる酵母エキスやポリペプトンなどの栄養物を用いず、無機塩類を主体とする培地で増殖できることから、微生物の維持や浄化処理時におけるコスト、エネルギーをほとんど必要としない。今回は、実地試験に向けた試みとして、ゲルに包埋した光合成細菌による汽水条件下での浄化試験および光合成細菌が蓄積する有用物質である
ポリヒドロキシ酪酸（以下、PHB）の光合成細菌の各種増殖ステージにおける蓄積量の変化について検討した。
成果の概要
浄化システムを構築するにあたって、物質収支について検討した。仮に乾燥菌体内の有機成分中の窒素分が 10％であって、リン分が 2％であった場合、1L あたり 100mg の乾燥菌体が生成したとすると、窒素分は 10mg/L、リン分は2mg/L 吸収される。よって、低減したい窒素分やリン分の量があらかじめ分かる場合には、吸収に必要な菌体の量を計算することができる。あとは、仕込みの菌体量を決めれば、比増殖速度から何日後に目的とする量が吸収できるかが*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県からの受託研究として実施したものである。

31

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）計算できる。この比増殖速度は、平成 27 年度にデータを取得済みであり、温度と照度の関数であることが示されている。
今までに取得した基礎データをもとに、微生物固定化ゲルを作製し、浄化試験を試行した。光のゲル中の透過性を考慮して、ゲルは約 3cm の厚さで水面に薄く調製した。汽水条件
下で 60L の槽で試験を行った（図１）。開始直後においては、
光合成細菌(赤色)を極希薄に封入したため、ゲルの着色はほとんど見られなかったが、３日目においては赤色の着色が明確に認められた。この時、槽の硝酸イオン濃度およびリン酸イ
オン濃度も有意に減少した。
次に、光合成細菌の各種増殖ステージにおける PHB 蓄積量の変化を調べた。経時的に光合成細菌をサンプリングし、その増殖量を 400nm の吸光度でモニターした。
サンプリングした光合成細菌は、遠心分離機（3,500rpm、10min）で集菌した。純水で３回洗浄後、遠心エバポレーターで乾固させた。乾燥菌体の 10 mg を耐圧のねじ付試験管に秤
り取り、クロロホルム 1 ml、エステル化液 1 ml（メタノール 97％、硫酸 3％）を加えた。次に、サーモアルミバスを用いて 100 ˚C
で 4 時間加熱してエステル化反応を行った。放冷後、蒸留水
1 ml を加えてボルテックスで 20 秒間撹拌した。これを静置し二層に分離させ、有機層である下層を GC-MS（日本電子）での分析に用いた。GC のカラムは、BD-35MS を用い、He 流
量は 1ml/min とした。MS は、加速電圧 10kV、イオン化エネ
ルギー70eV（EI+）、イオン化電流 300μA の条件で行った。
GC による分析結果を図２に示す。溶出時間 10 分を過ぎたあたりからピークが見られ、全部でピークは 16 あった。いずれのピークもライブラリ検索によりほぼ同定可能なマススペ
クトルの結果を得た。MS スペクトルのライブラリ検索から溶出
時間 11.4 分のピークが 3-ヒドロキシ酪酸メチルであることが明らかになった。溶出時間が長いものは長鎖アルキル脂肪酸であり、これらは微生物の膜成分であることから、GC チャ
ートを見ても最初の明らかなピークが 3-ヒドロキシ酪酸メチル
であり、解重合前は PHB であったと考えられることから、有意にポリヒドロキシ酪酸を蓄積していることが示唆された。
この 3-ヒドロキシ酪酸メチルのピークと GC ピークの総和（主として微生物の膜成分に相当する）との比をみると（図３）、光合成細菌が増殖静止期に入ったあたりからその比は増加し、PHB は光合成細菌の増殖が静止した時から蓄積される量が増加することが示唆された。
結言
光合成細菌をゲル内に封入した浄化ユニットを作製した。
模擬的な汽水条件下において、浄化ユニット内における光合成細菌の増殖、および、光合成細菌の増殖に伴う模擬湖
水中の窒素成分やリン成分の減少を確認した。模擬的な汽水条件下で増殖した光合成細菌を遠心分離により回収し、硫酸酸性下でメタノールと反応させたカルボン酸類のメチルエステル体を GC-MS で分析した。光合成細菌の菌体内に有用物質である PHB が蓄積していることを確認し、それが増殖静止期に蓄積量が増加することが示唆された。今後の課題としては、実地試験に適用しやすい可搬性に優れた高分子膜封入型浄化ユニットを作製し、浴をより大容量にした実験系で試験を行うことで、本技術の有用性を明らかにすることである。

32

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.2. 医療分野
2.2.1. 粒子線がん治療高度化のための生物応答解明研究
2.2.1.1
陽子線による細胞へのダメージ評価による照射線量の適正化研究
Estimation of Exposure Dose with Evaluation of Cellular Damage by Proton Beams
前田宗利*1、松本英樹*2、伊東富由美*1、田辺久美子*1、長谷川崇*3、水嶋慧*1、山東新子*1、久米恭*1
Munetoshi MAEDA, Hideki MATSUMOTO, Fuyumi ITO, Kumiko TANABE,
Takashi HASEGAWA, Satoshi MIZUSHIMA, Shinko SANDO and Kyo KUME
Abstract
To accumulate basic data for advancement of the proton therapy based on detailed biological dosimetry, we
estimated the cellular damage induced by proton irradiation with various kinds of biological analysis.
要約
詳細な生物線量評価に基づく陽子線がん治療の高度化に向けた基礎的なデータの蓄積を目指し、陽子線
飛跡における電離密度分布の解析や種々の生物学的手法を用いた解析等を通じて、被ばく細胞および正常細胞における影響評価を実施した。
緒言
陽子線がん治療では、腫瘍周辺の正常臓器への影響を最小限にする必要があり、周辺正常組織に対する被ばくの低減化が課題となっている。また、患者負担の低減化の観点から、患部に対する治療（照射）回数の削減も検討されている。これらの課題を解決するためには、より治療効果が高く、患者への負担の少ない適正な照射線量を把握する必要がある。更に、これらの情報は、福井県立病院陽子線がん治療センターをはじめとする陽子線治療施設の治療技術の最適化、高度化に資すると考えられる。本研究では、がん治療に効果的な線量や周辺正常組織に影響を与えない線量について、細胞生物学および実験動物学的な手法を用いて検証し、より治療効果が高く患者への負担の少ない適正な照射線量を把握するための基礎的なデータの蓄積を目指した。
成果の概要
1. 移植腫瘍への陽子線の分割局所照射がモデルマウスの生存および腫瘍動態に与える影響
左大腿部へ腫瘍を移植した担がんヌードマウスを作製して腫瘍部（脚部）のみへ陽子線を照射する局所照射を実施し、担体マウスの生存率および身体症状を指標に放射線感受性を定量的に評価した。分割照射の 1 回の照射あたりの線量（1 回線量）が 8.0 Gy を超えない場合、担体の生存および身体機能に影響を与える可能性
は著しく低いことが明らかになった。また 1 回線量が 8.0～10 Gy の場合、患部に短期間で完治する軽度から中等度の急性放射線性皮膚炎が生じるものの、体重の減少を含む重篤な身体症状は誘導されず、担体の生存にも影響を与えないことが明らかとなった。更に腫瘍動態を解析し、積算腫瘍線量が 32 Gy 以上の場合には腫瘍体積が減少する強い抗腫瘍効果が認められた（図 1）。なお、積算腫瘍線量が 40 Gy の場合、照射期間にかかわらず、抗腫瘍効果はほとんど変わらないことが明らかとなった（図 1）。
2. 移植腫瘍への陽子線の分割局所照射が正常な骨髄幹細胞に与える影響
造血前駆細胞の増殖能を指標に、腫瘍部を陽子線で分割局所照射した担がんヌードマウスにおける正常な、即ち、被ばくしていない大腿骨より採取した骨髄幹細胞におけるダメージ評価を実施した。被ばくしていない正
常な造血前駆細胞の増殖能が、一部の照射条件において有意に低下することが明らかとなった（図 2）。ただし、これらの増殖能の低下は個体の身体症状にほとんど影響を与えなかった。観察された造血前駆細胞の増殖能の低下は、被ばくした部位からの情報伝達の結果誘導される間接的な応答であり、陽子線の分割局所照射によって誘導される個体レベルでのバイスタンダー応答の存在が明らかとなった。
3. 移植腫瘍への陽子線分割局所照射が担がんマウスの正常臓器に与える影響
移植腫瘍への陽子線分割局所照射を行った担がんマウスから被ばくしていない精巣および小腸を摘出し、これらの臓器の組織切片に対して TUNEL 法による解析を実施し、各臓器におけるアポトーシスの誘導と照射条
件との関係を検証した。精巣におけるアポトーシスの誘導頻度には陽子線照射の有無による有意差は観察され*1（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ、*2 福井大学・医学系部門・医学領域・国際社会医学講座・放射線基礎医学分野、*3(同)ハセテック
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県からの受託研究として、福井大学と共同で実施したものである。

33

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
ず、陽子線の分割局所照射によって誘導されると考えられるバイスタンダー応答が精巣には影響を与えないことが明らかとなった。一方で、腸管においては分割照射の 1 回線量が 4.0 Gy、6.0 Gy、8.0 Gy、10 Gy の場合に線量依存的なアポトーシスの増大が観察された（図 3）。ただし、これらのアポトーシスの誘導レベルはほとんど影響を与えなかった。観察された線量依存的なアポトーシスの増大は被ばくした部位からの情報伝達の結果誘導される間接的な応答であり、腸管においても陽子線の分割局所照射によるバイスタンダー応答が誘導されることが明らかとなった。
4． 移植腫瘍への陽子線の分割局所照射によって誘導されるダメージ応答に係る分子機構
移植腫瘍への陽子線分割局所照射を行った担がんヌードマウスから被ばくしていない脾臓を摘出して PCR
アレイ法を用いてバイスタンダー応答に関わる遺伝子発現解析を実施し、放射線治療の効果を定量的に予測するための指標（マーカ－）となり得る特徴的な遺伝子発現変化について検証を行った。陽子線照射による効果を検証するためのマーカーとしては、照射部位における吸収線量の増大と一定の相関を持った遺伝子発現変化を利用する必要がある。本研究から、サイクリン依存性キナーゼ阻害因子である p21 をコードした遺伝子
Cdkn1a において、遺伝子発現レベルと 1 回線量との間に高い相関が認められることが明らかとなった。これまでの研究から得られた知見と併せ、放射線被ばくの直接的なダメージ応答の程度のみならず間接的影響であるバ
イスタンダー応答の程度を予測するための分子マーカーとして、Cdkn1a の発現変化を用いることができる可能性が示された。
結言腫瘍を移植したモデルマウスを用いた各種評価試験および治療効果の検証から、一般的に 2 Gy 程度とされてきた陽子線分割照射における１回線量をより高く設定することができる可能性が実験的に示された。一方で、１回線量を 10 Gy 程度まで増大させた場合、短期間で治癒される軽度から中等度の急性放射線性皮膚炎を発症する場合があり、治療におけるリスクとベネフィットを考慮しながら線量限度を設定する必要があることも示された。これらの知見は、より治療効果が高く、患者への負担の少ない適正な照射線量を把握し、陽子線治療を高度化していく上で必要不可欠なデータと言える。また、被ばく部位からの情報伝達を介して、被ばくしていない
組織にバイスタンダー応答が誘導されることも明らかとなった。治療照射によって誘導されるバイスタンダー応答が重篤な身体症状を誘導する可能性は低いと考えられるが、正常組織に影響を与えるメカニズムや生理的意義は明らかにされていない。今後の課題として、正常組織への低線量被ばくやバイスタンダー応答による被ばくしていない組織における生物影響等、これまで知られていなかった現象を詳細に理解して陽子線治療の高度化に反映させていく必要がある。

図 2 8 日間照射群における被ばくしていない大腿骨から照射期間終了後 1 日目に回収した骨髄幹
細胞中の造血前駆細胞の増殖能と 1 回線量との関係。

図 1 移植腫瘍に対する陽子線分割局所照射（1日 1 回、4 あるいは 8 日間）による平均腫瘍体積の経時変化。照射開始前の平均腫瘍体積により規格化した。

図 3 4 日間照射群における腸管断面の陰窩領域に誘導されたアポトーシスと 1 回線量との関係。
34

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.2.1.2
低酸素環境下のがん細胞に対する粒子線治療の効果予測に関する基礎的検討
Prediction of Effects of Charged Particle Irradiation on Cancer Cells under Hypoxia.
清野泰*1、牧野顕*1、森哲也*1、岡沢秀彦*1、久米恭*2
Yasushi KIYONO, Akira MAKINO, Tetsuya MORI, Hidehiko OKAZAWA and Kyo KUME
Abstract
The reduction of 18F-FLT uptake preceded the change in cell proliferation ability at 50 hr after irradiation.
Although further 18F-FLT-PET study using tumor bearing mice are needed, 18F-FLT is a promising tracer formonitoring the early response of tumor to proton irradiation under hypoxic condition.
要約
低酸素状況下のがん細胞に対する放射線照射の治療効果は照射 50 時間後の 18F-FLT の集積量で予測可能であることが示された。
緒言
放射線治療や化学療法に抵抗性を有する低酸素環境下のがんにおいて、粒子線治療への期待は非常に大き い 。 そ こで、 低 酸 素 環境 下 の が ん 細 胞 へ の 粒子 線 照 射 の有 効 性 お よび positron emission computed
tomography (PET)による治療効果予測の可能性を基礎的に検討した。
方法
大腸がん細胞株である Colon-26 細胞を酸素濃度 1 %で培養し、0、0.1、0.5、1、5、10 Gy の陽子線、炭素線
あるいは X 線を照射した。照射 26 時間あるいは 50 時間後に、PET 薬剤である 18F-FDG および 18F-FLT を添加し、それぞれの薬剤の細胞への集積量を測定した。
結果
照射 26 時間後は治療効果予測に適していないことが確認された。照射 50 時間後の 18F-FDG の相対的細胞内集積量は、X 線照射ではどの照射線量においても 0 Gy 照射群に対する有意な差は認められなかった。一方、陽子線と炭素線照射においては、5 Gy と 10 Gy 照射群において 0 Gy 照射群に対する有意な 18F-FDG の細胞内集積の減少が認められた。さらに炭素線照射群では 0.5 Gy 照射群でも有意な集積量の減少が認められた。しかし、この結果は一昨年度行った照射後の細胞数の変化を観察した結果とかなり隔たりがあった。一方、
照射 50 時間後の 18F-FLT の相対的細胞内集積量は、X 線照射では 5 Gy と 10 Gy 照射群で、陽子線照射では 1 Gy、5 Gy、10 Gy 照射群で、炭素線照射では、全ての照射群で 0 Gy 照射群に対する有意な減少を確認できた。この結果は、一昨年度行った照射後の細胞数の変化を観察した結果と一致していた。
考察
X 線照射では 50 時間後で 18F-FDG の集積低下が全く観察されなかったこと、陽子線と炭素線照射においても 0.5 Gy や 1 Gy 照射での細胞数の減少と相関がなかったことを考えると、照射後早期の治療効果予測に 18FFDG を使用するのは困難であると考えられる。一方 18F-FLT に関しては、照射 50 時間後の 18F-FLT の集積低下と細胞数の減少との間に相関関係が観察された。このことは、低酸素状況下のがん細胞に対する放射線照射の治療効果は照射 50 時間後の 18F-FLT の集積量で予測できることを示唆している。
結言
低酸素環境下のがん細胞の放射線治療においては、照射 50 時間後の 18F-FLT 集積量によって、治療効果予測可能であることが示された。

*１

福井大学・高エネルギー医学研究センター、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ
本研究は、福井大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

35

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.2.1.3
陽子線がん治療における低線量被ばくした正常組織での組織幹細胞動態の解明
Investigation for Dynamics of Stem Cells in Normal Tissues Exposed to Protons
at Low Dose in the Proton Radiotherapy of Cancer
松本英樹*1、前田宗利*2、長谷川崇*3、田辺久美子*2、久米恭*2
Hideki MATSUMOTO, Munetoshi MAEDA, Takashi HASEGAWA, Kumiko TANABE and Kyo KUME
Abstract
To guarantee the safety of the normal tissues in the proton radiotherapy of cancer, the exposed dose of small
intestine or bone marrow cells in femurs were estimated using the TUNEL staining method and the in vitro
culturing system, respectively, when the tumor located in the right abdominal region or the right upper thighwere irradiated with proton beams.
要約
陽子線がん治療において低線量被ばくした正常組織の安全性を担保するために、担がんヌードマウスの腫瘍に陽子線を照射した際の小腸および大腿骨骨髄の被ばく線量をそれぞれ免疫組織化学染色（TUNEL）法および骨髄幹細胞培養システムを用いて評価した。
緒言
近年、社会経済的・科学技術的な種々の理由から全国各地に陽子線がん治療施設が普及してきている。陽子線がん治療は、その優れた線量分布および QOL により高い評価を得ているが、更なる高度化へ向けて多くの解決しなければならない課題がある。その中でも照射時に生じる正常組織の低線量被ばくの安全性を担保するために、低線量被ばくした正常組織反応の動態を明らかにすることが重要であると考え、本共同研究を立案した。
成果の概要
1. 右腹部腫瘍への陽子線照射時の小腸の被ばく線量の推定麻酔した担がんヌードマウスをボードに接着テープで固定し、陽子線が小腸を通過直後に SOBP を形成して腫瘍が照射される位置あるいは陽子線が SOBP を形成して腫瘍を通過後に小腸が照射される位置で、SOBP 中
央における線量が 1.0 ～ 10.0 Gy となるように照射した。照射 1 日後に小腸を摘出し、中性ホルマリン固定後、TUNEL 染色を実施し、小腸腺窩当たりの TUNEL 陽性細胞数を求め、検量線を用いて小腸の被ばく線量を推定した。
(1) SOBP 近位で被ばくした場合の線量推定
SOBP 近位で小腸が被ばくした場合は、腫瘍への照射線量の増加に伴って小腸の被ばく線量も線形関数的に増加し、1.0 Gy 照射では 0.2 ± 0.１ Gy、3.0 Gy 照射では 0.4 ± 0.1 Gy、5.0 Gy 照射では 0.8 ±0.1 Gy、そして 10.0 Gy 照射では 1.6 ± 0.3 Gy の被ばくであることが推定された（表 1）。
(2) SOBP 遠位で被ばくした場合の線量推定
SOBP 遠位で小腸が被ばくした場合は、腫瘍への照射線量が増加しても小腸の被ばく線量は一定で、約0.10 Gy であった（表 2）。
表１．SOBP 近位での⼩腸の推定被ばく線量
腫瘍への照射線量(Gy)

0.0

1.0

3.0

5.0

10.0

腺窩当たりの TUNEL 陽性細胞数

0.02

0.49

0.80

1.29

1.99

誤差(±)
推定被ばく線量(Gy)

0.00
0.0

誤差(±)

0.12
0.2

0.0

*１

0.1

0.04
0.4
0.1

0.09
0.8
0.1

0.23
1.6
0.3

福井大学・医学系部門・医学領域・国際社会医学講座・放射線基礎医学分野、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ、*3(同)ハセテック
本研究は、福井大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

36

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
表 2．SOBP 遠位での⼩腸の推定被ばく線量
腫瘍への照射線量(Gy)

0.0

1.0

3.0

5.0

10.0

腺窩当たりの TUNEL 陽性細胞数

0.02

0.29

0.27

0.29

0.31

誤差(±)
推定被ばく線量(Gy)

0.00
0.0

誤差(±)

0.05
0.1

0.0

0.0

0.01
0.1
0.0

0.01
0.1
0.0

0.03
0.1
0.0

2. 右大腿部腫瘍への陽子線照射時の骨髄の被ばく線量の推定麻酔した担がんヌードマウスをボードに接着テープで固定し、陽子線が大腿骨を通過直後に SOBP を形成して腫瘍が照射される位置あるいは陽子線が SOBP を形成して腫瘍を通過後に大腿骨が照射される位置で、SOBP 中央における線量が 1.0 ～ 10.0 Gy となるように照射した。照射 1 日後に大腿骨を摘出して骨髄細胞分画を調製し、MethoCult 培養法により各照射線量の骨髄幹細胞の生存率を解析し、検量線を用いて大腿骨骨髄の被ばく線量を推定した。
(1) SOBP 近位で被ばくした場合の線量推定
SOBP 近位で大腿骨が被ばくした場合は、腫瘍への照射線量の増加に伴って骨髄の被ばく線量もガウス
関数的に増加し、1.0 Gy 照射では 0.03 ± 0.0１ Gy、3.0 Gy 照射では 1.26 ± 0.50 Gy、5.0 Gy 照射では1.74 ± 0.43 Gy、そして 10.0 Gy 照射では 2.50 ± 0.35 Gy の被ばくであることが推定された（表 3）。
(2) SOBP 遠位で被ばくした場合の線量推定
SOBP 遠位で小腸が被ばくした場合は、腫瘍への照射線量が増加しても小腸の被ばく線量は一定で、0.01 Gy であった（表 4）。
表 3．SOBP 近位での骨髄の推定被ばく線量
腫瘍への照射線量(Gy)

0.0

1.0

3.0

5.0

10.0

骨髄幹細胞の⽣存率

1.000

0.823

0.336

0.242

0.134

誤差(±)
推定被ばく線量(Gy)

0.005
0.00

誤差(±)

0.031
0.03

0.072
1.26

0.093
1.74

0.028
2.50

0.001

0.007

0.503

0.434

0.348

腫瘍への照射線量(Gy)

0.0

1.0

3.0

5.0

10.0

骨髄幹細胞の⽣存率

1.000

1.006

0.962

0.962

0.947

表 4．SOBP 遠位での骨髄の推定被ばく線量

誤差(±)
推定被ばく線量(Gy)

0.005
0.00

誤差(±)

0.004
0.00

0.001

0.000

0.035
0.01
0.005

0.004
0.01
0.000

0.004
0.01
0.000

結言
本研究の成果より、ヌードマウス移植腫瘍を用いた実験陽子線治療において、小腸腺窩当たりの TUNEL 陽性細胞（アポトーシス細胞）の出現頻度および骨髄幹細胞の生存率から小腸あるいは骨髄が被ばくする線量を推定することができた。その結果、小腸および赤色骨髄を有する骨が陽子線 SOBP の手前（腫瘍より近位）で被ばくする場合には腫瘍線量の増加に伴って小腸および赤色骨髄の被ばく線量も増加することが明らかとなった。
従って、陽子線がん治療の治療計画作成時には陽子線 SOBP の手前（腫瘍より近位）に重要臓器が位置する
場合にはより精密な判断が必要となることが示唆された。今後、さらに陽子線がん治療における正常組織の低線量被ばくの安全性を科学的エビデンスによって担保することを目指したい。

37

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.2.1.4
Super-SCID マウスを用いたヒト臨床がん並びに正常臓器・組織に対する陽子線等の増殖抑制効果と副作用解明
Growth Suppressive and Side Effects of Proton Beam on the Human Cancer and Normal Tissues
野村大成*1、梁治子*1、足立成基*1、久米恭*2、前田宗利*2、伊東富由美*2
Taisei NOMURA, Haruko RYO, Shigeki ADACHI, Kyo KUME, Munetoshi MAEDA and Fuyumi ITO
Abstract
Growth suppression of human cancer tissues and side effects on normal human tissues by proton were studied
using super-SCID PDX（Patient-derived Xenograft） model. Preliminary study revealed high dose of proton beamand X-rays suppresses human lung cancer, prostate cancer and breast cancer. In the fiscal year of 2016,
however, dose dependent suppressive effects of proton beam on human pancreatic cancer tissues were notobserved, while the apparent dose responsiveness was observed with X-rays. Further studies will be continued
in 2017.
要約
ヒト臨床がん並びに正常臓器・組織移植 Super-SCID マウス PDX (Patient-derived xenograft)モデルを用いて、陽子線照射によるがん増殖抑制効果と正常組織への副作用の研究を行った。予備実験では、陽子線照射は線量に応じて、ヒト肺がん、前立腺がん、乳がんの増殖を抑制した。2016 年度は、陽子線のヒト膵がん組織への増殖抑制効果について研究を行ったが、照射線量依存性の腫瘍抑制効果は認められなかった。2017 年度も継続して実施する。
緒言
悪性腫瘍（がん）は、我が国では 1981 年以降死亡原因の第 1 位であり、しかも新たにがんと診断される患者の約 60％は 65 歳以上である。高齢者のがんの増加を鑑みると、革新的な非侵襲的がん治療法として陽子線治療の持つ意義は極めて高い。
本研究においては、ヒト臨床がん並びに正常組織移植 Super-SCID マウスモデル 1-4）を用いて、陽子線照射による増殖抑制効果や副作用を解明し、より有効かつ安全な陽子線医療の発展につなげることを目的とし、肺がん、前立腺がん、膵がん、乳がんおよび正常肺組織を用い若狭湾エネルギー研究センターにおいて 2014 年度より開始している。2016 年度は膵がんを用いた研究を継続した。重粒子線との比較も行い、より有効かつ安全な粒子線医療の発展につなげ、国民の健康・医療・福祉の向上に貢献する。
方法
1. 医薬基盤・健康・栄養研究所（基盤研）において、C3H/HeJ/NOs-scid マウスを繁殖し、ヒト臨床がん、正常肺等をＳＣＩＤマウス左右下肢に移植したＰＤＸを作成した。
2. 無菌飼育箱（エコンワーク）に入れ、基盤研より若狭湾エネルギー研究センター(WERC)放射線研究棟に搬入した。
3. クリーンベンチ内でマウスをペントバルビタール（6.5 mg/ml、0.2 ml/25g マウス、腹腔内投与）で鎮静し、滅菌・消毒済照射箱に入れて紙テープで軽く固定し、照射室３（がん治療コース水平）に移送し陽子線の局所（左右下肢大腿部）照射（1、３、５、10 Gy；200 MeV, 3 nA 程度）を行った。
4. 照射終了後、クリーンベンチ内で無菌飼育箱に戻した。放射化の減衰を確認した後、搬出し、基盤研動
物実験施設に戻した。腫瘍サイズを定期的に計測し、陽子線照射による腫瘍抑制効果をＸ線による結果と比較した。正常ヒト組織への作用も比較した。

*１（国）医薬基盤・健康・栄養研究所、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ
本研究は、（国）医薬基盤研究所と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。（国）医薬基盤研究所コンソーシ
アム・創薬等モデル動物研究プロジェクト（代表；野村）の支援を受けた。
本研究では、（国）医薬基盤・健康・栄養研究所と（公財）若狭湾エネルギー研究センター双方の動物実験委員会承認の下、ガイドラインに沿い十分に動物愛護上の問題点に配慮し研究を行った。

38

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
結果
2016 年度は、難治性がんである膵がん 175 移植（ＰＤＸ）モデルを用い、WERC 陽子線照射およびＸ線照射による腫瘍抑制効果について検討した。未だ少数例であるが、肺がん 575、前立腺がん 415、乳がん 502 では、高線量群で腫瘍増殖の抑制効果が認められている 5-7）。しかし、ヒト膵がん 175 においては、陽子線照射による腫瘍抑制効果の逆転（1 と 5Ｇｙ，3 と 5Ｇｙ）が認められている（図 1）。

図 1 照射後の日数と腫瘍体積の相関。左図：陽子線、右図：X 線。
考察
陽子線治療の有効性を確認するために、Ｘ線照射実験を併せて基盤研で実施し、生物学的効果比（ＲＢＥ;
Relative Biological Effectiveness）を求めているが、これまで、Ｘ線照射実験、重粒子線照射実験（於、放医研）では見られなかった線量効果の逆転（1 と 5Ｇｙ、3 と 5Ｇｙ）が、2016 年度実施した膵がんに於いても見られた。
2017 年度においては、その原因追及を含め慎重に実験を進める。得られた成果については、重粒子線との比較を行う。
謝辞
本共同研究に際しては、（同）ハセテック・長谷川崇、（公財）若狭湾エネルギー研究センター・水嶋慧、山東新子、（国）医薬基盤・健康・栄養研究所・畑中英子、鍜治百代、安田香順の各氏の協力を得た。
参考文献
1） Taisei Nomura, Shigeki Adachi, Haruko Ryo, et al. Differential radiation sensitivity to morphological,
functional and molecular changes of human thyroid tissues and bone marrow cells maintained in SCID mice.
Mutat Res.， 657(1): 68-76, （2008）.
2） Shigeki Adachi, Haruko Ryo, Taisei Nomura, et al. Effects of Fission Neutrons on Human Thyroid Tissues
Maintained in SCID Mice. Mutat Res., 696, 107-113 （2010）.
3) Nomura T. Opening lecture, Direct effects of radiation and chemicals on human tissue maintained in superSCID mice. 11th Int. Conference on Environmental Mutagens. 45-46. Cataratas do Iguassu São Paulo, Brazil.
Nov. 3-8, （2013）.
4) Taisei Nomura. Keynote Lecture. Establishment of Prostate Cancer and Benign Prostatic Hyperplasia PDX(Patient-Derived Xenograft) in Super-SCID Mice” Prostate Cancer 2015, Orlando, Florida, USA, June 22-24,（2015）.
5) Taisei Nomura. Keynote Address. ; Experimental heavy ion therapy with patient-derived cancer xenografts
in super-SCID mice. AROI Conference 2016, Bhubaneswar, India, Nov. 24-27 (2016).
6) 野村大成、梁治子、足立成基、前田宗利、伊東富由美、久米恭：Super-SCID マウスを用いたヒト臨床がん並
びに正常臓器・組織に対する陽子線等の増殖抑制効果と副作用解明、（公財）若狭湾エネルギー研究センター
H26 年度年報 17,23-24（2014）.
7) 野村大成、梁治子、足立成基、久米恭、前田宗利、伊東富由美：Super-SCID マウスを用いたヒト臨床がん並
びに正常臓器・組織に対する陽子線等の増殖抑制効果と副作用解明、（公財）若狭湾エネルギー研究センター
H27 年度年報 18,32-33（2015）.
39若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.2.1.5細胞の放射線感受性を決定する情報伝達機構の解明
Analysis of Signal Transduction Mechanism Deciding Cellular Radiosensitivity
前田宗利*1、松本英樹*2、田辺久美子*1、冨田雅典*3
Munetoshi MAEDA, Hideki MATSUMOTO, Kumiko TANABE and Masanori TOMITA
Abstract
The progress of recent microbeam irradiation technologies enabled the analysis of the cellular responses by
the energy deposition to the local site of a cell. To elucidate the signal transduction mechanism deciding cellularradiosensitivity, we have been studying the relationship between irradiation domain in cells and the cellularresponses with an X-ray microbeam irradiation system.
要約
近年のマイクロビーム照射制御技術の飛躍的な発展によって、細胞内の任意の局所部位へ放射線を容易に照射することができるようになった。我々は、細胞の放射線感受性を決定する情報伝達機構を解明するために、
放射光 X 線マイクロビームを用いて細胞局所照射を実施し、照射部位と細胞応答との関係について解析を進めている。
緒言
これまでの研究において X 線マイクロビームによって細胞の局所を照射した場合、その照射領域に依存して細胞の放射線感受性が異なる事を明らかにしている。本研究では、細胞核－細胞質間の情報伝達に関与する因子について遺伝子発現解析などの分子生物学的解析手法を用いて解析し、細胞質への照射によって放射線感受性が減弱されるメカニズムを明らかにした。
成果の概要「細胞核に与える線量をそろえて」X 線マイクロビームで照射す
ると、細胞核のみを照射した場合に比べて細胞全体を照射した場
合には放射線感受性が減弱された。どちらも細胞核に同質、同量の放射線が照射されているので、核内に生じる DNA 損傷の質、量ともに違いがなく、DNA の放射線損傷を起点とする従来の考え方だけではこの現象を説明することができない。核と細胞質は緊密に連携して生理作用を営んでおり、細胞質への照射によって誘導される応答が細胞の放射線感受性の決定に重要な役割を果たしていることが示唆された。我々は PCR アレイ法を用いて細胞質への照射の有無による遺伝子発現変化を詳細に解析した。その結果、
細 胞 質へ の照 射 がな い場 合 、 細胞質 か ら 細胞核 へ の ATM
図 1 ATM 阻害剤の有無による 1.0 Gy の X 線（ataxia-telangiectasia mutated）の移行（nucleo-shuttling）が起こらを照射した WI-38 細胞の相対的遺伝子発現変化。非照射細胞群における遺伝子発現を基ず、低線量域において DNA 損傷修復機構が誘導されていない
準に規格化した。
可能性が明らかとなった。さらに ATM 特異的阻害剤である
KU55933 を添加した細胞群に対する細胞全体照射を行い、PCR アレイ法を用いて遺伝子発現解析を実施した（図 1）。その結果、阻害剤の有無による遺伝子発現変化は、マイクロビームによる細胞質への照射の有無による遺伝子発現の変動傾向と酷似していることが明らかとなった。細胞質へのエネルギー付与による放射線抵抗性の誘導には ATM の核内移行が重要な役割を果たしていると考えられる。
結言
細胞質への照射によって開始される細胞内の情報伝達によって、細胞の放射線感受性や細胞間情報伝達
因子の生成や放出を司るメカニズムが制御あるいは修飾されており、低線量域における放射線生物応答のターゲットとしての細胞質の重要性は明らかである。今後の更なる研究の推進により細胞質を起点とした情報伝達機
構の詳細を明らかにして行く。
*1（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ、*2 福井大学・医学系部門・医学領域・国際社会医学講座・放射線基礎医学分野、*3(一財)電力中央研究所・原子力技術研究所・放射線安全研究センター
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターと（一財）電力中央研究所との共同研究として実施したものである。

40

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.2.2. 粒子線照射技術の高度化研究
2.2.2.1
粒子線の線質測定技術開発
Development of Measurement Techniques for Particle Ion Beam Quality
松尾陽一郎*1、安田仲宏*1、泉佳伸*1、前田宗利*2、久米恭*2、Youichirou MATUO, Nakahiro YASUDA, Yoshinobu IZUMI, Munetoshi MAEDA, and Kyo KUME
Abstract
Measurements of target fragmentation reactions by high energetic ion projectiles were performed using nuclear
track technique. In this energy range, the target fragment has relatively lower energy when compared withprojectile fragments, and will not be detected by routinely using an ionization chamber in therapy. The CR-39
detector is acting not only as a detector but also as tissue equivalent target to imitate human body in our
experiment. Energy dependences of production rates for target fragments were verified in comparison of protonand helium beam. We are also developing a tissue-equivalent dosimeter comprised of oligonucleotides, which
are short deoxyribonucleic acid (DNA) strands, in liquid solution. Our present status is reported.
要約
固体飛跡検出器を用い、高エネルギーイオンビームによる標的中の核破砕反応計測を試みている。粒子線治療用のエネルギー領域においては、標的での核破砕片のエネルギーは入射粒子の各破砕片よりも低く、治療で日常的に使用される電離箱検出器では計測できない。本研究においては、CR39 検出器は検出器としてだ
けではなく、人体を模擬する組織等価物質としての役割も果たす。本研究においては、標的における核破砕片
生成率の入射ビーム（陽子あるいはヘリウム）エネルギーに対する依存性を検証している。また短鎖 DNA である
オリゴヌクレオチドを含む液体型の組織等価線量計も開発している。今回は現状について報告する。
緒言
CR-39 読み取り技術の高度化として、陽子線とヘリウム線の標的核破砕反応によるがん治療時の余剰線量測
定比較を行う。また蛍光標識した生体親和物質の開発として、DNA や RNA を構成する単位でもある「オリゴヌク
レオチド」と「蛍光物質」を結合させた物質を用いて、放射線による生体物質の損傷量及び線量を評価する技術を開発する。
研究成果(1) CR-39 読み取り技術の高度化
粒子線照射の際に入射核および標的核が破砕することにより生成される破砕片に関する研究を推進した。これは粒子線照射実験における入射粒子の質に寄与する技術開発である。照射実験の際には、例えば照射線量をモニタする必要があり、通常は対象の試料の上流で電離箱などによりビーム量をモニタする。一般に入射粒子のエネルギーが比較的低くなると破砕片を生成する確率が高くなることが知られている。照射実験の際には、この上流のモニタやさらに上流のビーム出口（真空窓）で生成される破砕片がビーム自身の質を劣化させる原因となる。今年度は、炭素線で同様の測定を行い、照射線量への寄与を把握する技術開発を進めた。

*１
福井大学附属国際原子力工学研究所、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ
本研究は、福井大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。
本研究の一部は、JSPS 科研費 25820447 の助成を受けた。

41

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）(2) 蛍光標識した生体親和物質の開発
数十塩基程度のオリゴヌクレオチドを蛍光物質である 6-FAM (6-Carboxyfluorescein)を修飾したサンプルを用い、放射線による生体親和物質の損傷量を蛍光分光光度計で読みとり評価する手法を開発している。これまでにヘリウム線の吸収線量の増加に伴い、6-FAM の蛍光強度(λem=516 nm)が上昇することを示してきた。一方で、50 mGy 以上では蛍光強度が一定となる結果が得られた。吸収線量に対し蛍光強度が一定となる要因として 6-FAM の放射線分解などが考えられる。蛍光物質の放射線分解の可能性を検討するために、6-FAM 単体をサンプルとしてヘリウム粒子線(220 MeV)10～1000 mGy を照射して蛍光強度を測定した。結果から、6FAM について放射線分解の可能性が示唆された。今後、蛍光物質の放射線分解の抑制について検討する。
まとめ
CR-39 検出器を用いて炭素線の標的核破砕片の線量測定の可能性を示した。さらに蛍光物質 6-FAM を修飾した生体親和物質を用いて、放射線による損傷量を評価できる見通しを得た。今後、放射線分解の抑制について検討する。

42

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.2.2.2
陽子線・ヘリウム線を用いた脳壊死モデル作成技術の確立－放射線脳壊死のメカニズム解明と治療法開発を目指して－
Experimental Trial of Establishing Brain Necrosis Model Using Proton and Helium Ion Beam
- Toward Understanding the Mechanism and Developing Treatment Strategies 近藤夏子*1、櫻井良憲*1、高田卓志*1、田中浩基*1、渡邉翼*1、鈴木実*1、長谷川崇*2、久米恭*3
Natsuko KONDO, Yoshinori SAKURAI, Takushi TAKATA, Hiroki TANAKA,
Tsubasa WATANABE, Minoru SUZUKI, Takashi HASEGAWA, and Kyo KUME
Abstract
Experimental trial of establishing brain necrosis animal model by using proton and helium ion beam was
performed to understand the mechanism underlying radiation brain necrosis and develop treatment strategies.
Techniques and optimal condition of dose delivery was studied. Time-course development of brain necrosis in
irradiated animals was observed by small animal MRI and histopathological examination. The obtained results
are summarized in this report.
要約
放射線脳壊死のメカニズム解明と治療法開発を目指して、陽子線・ヘリウム線を用いた脳壊死モデル作成技術を確立するための実験的検討を行った。照射技術・条件の検討と、小動物用ＭＲＩおよび病理組織による脳壊死形成の経時的観察を行った。平成 28 年度までに得られた成果の概要を報告する。
緒言
脳腫瘍の治療では、放射線治療が非常に重要な役割を果たしている。しかしながら、放射線照射により正常組織に不可逆的な障害が生じる場合がある。その中で、照射後 6 ヶ月以降に生じる晩期有害事象である脳壊死については、未だ治療法が確立されておらず、発生した場合、麻痺などの重篤な障害が生じることがあり、患者の生活の質（Quality Of Life；QOL）を著しく低下させる。本研究では、放射線脳壊死のメカニズム解明と治療法開発のために、陽子線・ヘリウム線を用いた脳壊死モデル作成技術の確立を目指して、照射技術・条件の検討と、小動物用ＭＲＩおよび病理組織による脳壊死形成の観察を継続して実施している。
方法
若狭湾エネルギー研究センターのシンクロトロンにより 70 MeV に加速した陽子線をもとに拡大ブラッグピーク（SOBP）を形成し 1)、マウ
ス右脳に対して 50～80 Gy の照射を行った。脳表から 3 mm の深さまで、頭尾方向 10 mm×左右方向 5 mm を照射範囲とした（図１）。
照射後のマウスは、京大 RI センターに設置されている小動物用
MRI 装置を用いて経過観察を行った。MRI 撮像では、脳壊死に付随する症状である浮腫などの病変が高強度を呈することから、まずT2 強調画像を取得し、T2 強調画像で顕著な変化が現れたものに
図 1 マウス右脳の照射範囲
ついては、引き続き T1 強調画像も取得した。
MRI 撮像に併せて、病理学的検討のために、計画的なサクリファイスを行った。サクリファイスあるいは経過観察中に死亡したマウスの脳組織切片を作成し、免疫組織染色法（HE 染色）を施した病理組織の観察を行った。
同時に今後の実験実施時の SOBP 形成の効率化を目的として照射方法の開発も実施した。今回は、この実験のために作成したリッジフィルターの性能評価を実施した。リッジフィルターは約 5 mm の SOBP 幅となるように設計し、アルミニウムの切削加工により作成した。電離箱線量計およびフィルムを用いて、ビームの進行（深部）方向および断面の線量分布の平坦性を測定評価した。

*１
京都大学原子炉実験所、*2（同）ハセテック、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ
本研究は、京都大学原子炉実験所と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

43

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
結果および考察深さ 3 mm のマウス照射群の MRI による経過観察により、T2 強調画像で顕著な変化が現れるのは、60 Gy で
7～8 ヶ月、70 Gy で 4～5 ヶ月、80 Gy で 2～3 ヶ月であることが分かった。一例として、80 Gy を照射したマウスの T2 強調画像の経時変化を図 2 に示している。また、T2 強調画像で顕著な変化が現れるものについては、
遅れて T1 強調画像でも変化が現れることが分かった。
HE 染色による脳の病理組織観察において、深さ 3 ㎜まで 60 Gy を照射したマウスで、照射から 8 ヶ月後に、人の脳壊死と酷似する病理像が得られた（図 3）。MRI の T2 強調画像で高信号を呈した白質部分に一致して、凝固壊死、血管新生、血管拡張、浮腫、出血等が生じていることが確認された 2)。
新規のリッジフィルターによる SOBP の深部線量分布の測定結果を図 4 に示す。測定では電離箱線量計を使用した。本実験で現在使用中の多段減速体による SOBP 形成方法と同等の分布が得られた。また、ビーム断面の分布について、フィルムを用いた測定により、照射野内で平坦な分布が得られることが確認された。
結言深さ 3 mm まで 80 Gy を照射したマウスにおいて、照射後 2～3 ヶ月で MRI の T2 強調画像に顕著な変化が現れることが確認された。病理学的検討では、深さ 3 ㎜まで 60 Gy を照射したマウスにおいて、人の脳壊死と酷似する病理像が得られた。現在、深さ 3 ㎜の照射群に重点を置き、脳壊死モデル作成法の最適化・効率化の検討を進めているところである。また、平成 28 年 3 月からヘリウム線を用いた照射実験を開始しており、陽子線との比較を含めた実験的検討を進めていく予定である。
参考文献
1) T. Takata et al., Localized dose delivering by ion beam irradiation for experimental trial of establishingbrain necrosis model, Appl. Radiat. Isotopes: 106, 104-106 (2015)2) N. Kondo et al., Localized radiation necrosis model in mouse brain using proton ion beams, Appl. Radiat.
Isotopes: 106, 242-246 (2015)

図 2 MRI-T2 強調画像の経時変化 （深さ 3 mm まで 80 Gy 照射）

図 3 照射から 8 ヶ月後の脳の病理組織（深さ 3 mm まで 60 Gy 照射）

図 4 リッジフィルターにより形成した
SOBP の深部線量分布44若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.2.2.3高精度陽子線治療を目指した画期的陽子線 CT システムの開発
Development of Innovative Proton CT System for High-Precise Proton Therapy
有元誠*1、高部美穂*1、増田孝充*1、片岡淳*1、羽鳥聡*2、久米恭*3、長谷川崇*4
Makoto ARIMOTO, Miho TAKABE, Takamitsu MASUDA, Jun KATAOKA, Satoshi HATORI, Kyo KUME
and Takashi HASEGAWA
Abstract
Proton beam has an important role for modern therapy of cancer. To achieve a precise irradiation to tumor
tissues in a human body, the detailed distribution of proton stopping power in the human body should be obtained
and a proton CT system to visualize such a spatial distribution is required. Furthermore, in current proton
therapy, the spatial distribution of proton dose in the human body needs to be monitored for appropriate
treatment and positron emission tomography (PET) imaging has been the most commonly used to monitor the
proton dose. However, the PET detector gives only the distribution of β+ decay nuclides and cannot trace theproton dose correctly. To obtain the spatial distribution of proton dose, the nuclear reaction cross sections ofβ+ decay nuclides should be estimated precisely. In our study, (1) we have developed an innovative proton CT
system to visualize the distribution of proton stopping power and (2) precisely measured the nuclear reaction
cross sections of β+ decay nuclides using Cherenkov light.
要約
現代医療の中で、がん治療において陽子線が果たす役割は大きい。特にがん細胞への正確な陽子線照射を行うためには人体内の陽子線阻止能を正確に把握する必要があり、これを実現するシステムが求められている。また陽子線治療において患者体内の線量モニターが必須であり、現在は PET による線量推定が行われている。しかしながら、PET はβ+崩壊核種の分布の測定にとどまり、実際の陽子線の線量を正確にモニターするためには正確なβ+崩壊核種の生成断面積の情報が欠かせない。そこで本研究では、①従来の既存システムとは一線を画す新規陽子線 CT システムの開発及び、②これまでにない全く新しいアプローチであるチェレンコフ
光を利用したβ+崩壊核種の生成断面積の精密測定を行った。
緒言
がん治療の一種である放射線治療は、正常組織に比べ腫瘍での放射線感受性が高いことを利用した治療法である。特に陽子線は高い線量集中性をもつため、正常組織への影響を少なく、且つ放射線感受性の高い組織付近にあるがん細胞へのピンポイント照射が可能であり、近年急速に普及している。陽子線治療計画を立てる際には、体内の相対陽子阻止能（水基準）分布が必要である。現状は X 線 CT (computed tomography)から得られる体内断面画像の CT 値を近似的に変換して用いているが、CT 値は原子番号と密度に依存するため、相対陽子阻止能への変換は 1 対 1 に対応せず、数%の誤差が生じており正確な陽子線照射を妨げている。本
研究では陽子線そのものを用いて、我々が独自に開発した陽子線 CT システムによる CT 撮影を行うことで、体内における相対陽子阻止能の分布を直接取得し、治療計画の不定性を減らすことを目標とする（実験 I）。
また陽子線治療を行う上で、照射された体内での線量分布を正確に把握することが重要であり、今の医療現場では PET (positron emission tomography)を用いた線量推定が行われている。しかしながら、PET はβ+崩壊核種の分布測定にとどまり、またβ+崩壊核種の生成と陽子線の線量（すなわちエネルギー損失）は異なる相互作用のため、両者の空間分布は正確に一致しない。そこで PET 測定から正確な線量を推定するためには、β+崩壊核種の生成断面積の情報が重要となるが、未だに不定性が大きく、線量推定を妨げる大きな要因となっている。そこで本研究では、放出された陽電子が放つチェレンコフ光を利用した画期的な手法により、β+崩壊核種の生成断面積の精密測定を目的とする（実験Ⅱ）。

*１

早稲田大学理工学術院総合研究所、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・加速器室、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ、*4（同）ハセテック
本研究は、MEXT KAKENHI 15H05720 及び 16H07266 の助成を受けており、早稲田大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

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若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
実験Ⅰ：陽子線 CT システムの開発
1. 実験方法
200MeV のエネルギーを持つ陽子ビームを散乱体とワブラーを用いてほぼ一様に広げ、照射野は直径 12 cmとした。ビーム強度は 3 nA である。陽子線 CT システムは、高感度冷却 CCD カメラ (BITRAN, BU66EM) と 0.5mm 厚の医療用増感紙 (富士フィルム HR-16、16×21 cm2) を組み合わせた構成となっており、実験セットアップを図 1 に示す。陽子線 CT における画像再構成には、陽子線の水中での飛程を表す Water Equivalent
Length (WEL)に依存する相対陽子阻止能を正確に求める必要がある。ここで陽子線のエネルギーと WEL は 1
対 1 に対応することから、入射陽子線とファントム透過後の陽子線の残余飛程の差を、増感紙での発光量として撮影する。その結果、測定される物理量は、陽子線が通ったパスの WEL となる。ここで先行研究例として、陽子線をシンチレータで全吸収する手法 1)では陽子線の全エネルギーE を測定しているが、本研究では陽子線の飛程に対して十分に薄い増感紙を用いており、増感紙における陽子阻止能ΔE (= dE/dx × Δx; Δx は増感紙の厚み)を測定することで CT 画像を取得する点が特徴的である。また全吸収型の場合は、エネルギーが大きくなるごとに、飛程を上回る厚みのシンチレータが必要となるが、我々の透過型の場合はエネルギーに依存せず同様の実験セットアップで撮影可能であり、装置の小型化が期待される。実験では、陽子線を回転テーブル上のファントムに照射し、それぞれの回転位置(3°刻み)での投影画像を 360°方向から撮影し、画像再構成を行った。シンチレータの発光量と陽子線飛程の紐付けは、ポリエチレンを減速材として、その厚さに応じた発光量を事前に測定した。これを光量-レンジ変換テーブルとして紐付けを行い、陽子線ビームの強度揺らぎに関しては、被写体外部を通過した陽子線の増感紙における発光量をモニターすることで補正する。また露光時間はワ
ブラー周期の 60 Hz に対して十分に長くするため 0.4 秒とした。

図 1 陽子線 CT の実験セットアップの模式図

図 2 (a)CT 撮影用ファントムの模式図。水中にアルコールと PMMA を含む (b)サイノグラム (c)再構成画像

2. 実験結果及び考察
図 2(a)に示すファントムの CT 撮影を行った。得られたサイノグラムを図 2(b)に、再構成画像を図 2(c)に示す。サイノグラム上に多くの横縞が発生していることが見て取れる。これは時間軸に対するビーム強度の不定性を表しており、CCD 露光時間がワブラー周期に対して十分に長くなかったために、ビーム強度の補正が十分にできなかったことが考えられる。そしてこの実験データをもとに、再構成画像を作成し WEL 値を算出した。その結果、アルコールが 0.98 ± 0.62 (理論値 0.82)、 PMMA が 1.14 ± 0.50 (理論値 1.16) という結果になり、物質ごとの違いを有意に検出するまでには至らなかった。特に誤差が非常に大きくなっている要因としては、ビーム強度に対してバックグラウンドのノイズが支配的であること、前述したようにビーム強度補正ができておらず、系統的なデータばらつきが大きいことが考えられる。ここで後者のビーム強度の補正については、ワブラー周期の整数倍を露光時間に設定することで対策が可能である。また再構成画像において、被写体の周囲に白い枠が形成されていることが見て取れる。これは被写体内部での陽子線の散乱によって生じているものであり、散乱の補正アルゴリズムを導入することで軽減できると予想される。今後は、臨床応用を考えた際に必要な高エネル
ギー陽子線を用いた陽子線 CT の撮影に再度挑戦するとともに、散乱補正アルゴリズム開発も進めたい。

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若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
実験Ⅱ：β+崩壊核種の生成断面積の精密測定
1. 実験方法
標題の精密測定を行うために、物質に陽子線を照射する際に生じるチェレンコフ光 2,3)を利用する。このチェレ
ンコフ光は母体となる陽電子放出核種の半減期に従って減衰するため、時間的な強度変化を測定することで核種を特定することができる。また、陽子線照射時に生成する陽電子放出核種の深度分布は陽子のエネルギー分布に対応している 4)。これらの事実から陽子線照射後にチェレンコフ光の時間発展を測定することで陽子のエネルギーに対応した核種の生成量、すなわち断面積を求めることができる。
本実験では人体に多く含まれる酸素 O と炭素 C から生成する陽電子放出核種を調べるため、ターゲットとしてアクリル C5H8O2 を用いた。ビーム条件としては、強度 3 nA で 200 MeV 陽子線を 50 分間照射した後に、アクリル中で発生するチェレンコフ光を CCD カメラ (BU-66EM-UV, BITRAN) で 40 分間測定した。CCD 測定条件
は増倍率 20 倍、1 フレームあたり 10 秒間の露光とした。
2. 実験方法
陽子線照射直後、及び 10 分後に CCD カメラで得られた測定画像を図 3 に示す。この図から明らかなように、
本実験では照射直後から照射 10 分後までの区間で、有意なチェレンコフ光の検出を達成している。半減期が比較的長い 13N (598.2 秒)、11C (1224 秒)由来のチェレンコフ光から断面積を導出することは困難であったものの、半減期が短い 15O (122.4 秒)由来のチェレンコフ光の測定に成功した。得られたチェレンコフ光の光強度発展を基に、導出した 16O(p, pn)15O の核反応断面積を図 4 に示す。

図 3 CCD カメラで得られたチェレンコフ光分布
図 4 16O(p, pn)15O の核反応断面積(上：陽子線照射直後、下：10 分後)
3. 考察
図 4 を見ると、本実験で得られた 16O(p, n)15O の核反応断面積は過去に報告された実験値と矛盾しない結果となっている。特筆すべきは、本実験で得られた断面積は測定点が非常に多く、誤差も小さいことである。更に、一度の測定で広いエネルギー領域を連続的にカバーすることができるなど、本測定法の有用性を確認することができた。一方、100 MeV 以上のエネルギー領域において我々の断面積値は過去の実験値よりも大きい傾向にあり、今後の実験によって本実験結果の妥当性を検証していきたい。
結言
陽子線の治療ビームとして用いられている 200 MeV を用いた実験を行うことで、我々が独自に開発した陽子線 CT システムを用いたイメージング及びβ+崩壊核種の生成断面積の精密測定を実施した。陽子線 CT 実
験では、ビーム強度の補正が十分にできず当初予測していた性能が確認できなかったものの、β+崩壊核種の生成断面積測定では、先行研究を大きく上回る精度及び広いエネルギー帯域での測定に成功した。本実験で得られた知見を元に、今後の陽子線 CT システムのさらなる改善及び精密なβ+崩壊核種の生成断面積測定の一助としたい。また本実験で得られた結果の一部は、2017 年医学物理学会 5)にて成果報告を行っている。
参考文献
1) Tanaka S, et al.: Phys. Med. Biol., 61, 4156-4167 (2016)2) S. Yamamoto et al.: Medical Physics, 41, 111913 (2014)
3) Y. Helo et al.: Physics in Medicine and Biology, 59, 1963 (2014)4) K. Matsushita et al.: Nuclear Physics A, 946, 104–116 (2016)5) 増田他、第 117 回医学物理学会学術大会, “Time-resolved analysis of Cherenkov light from positron emitteras a new probe to high-precision measurement of nuclear reaction cross section” (2017)47

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.2.2.4
蛍光板を用いたオンライン線量分布モニタリングシステムの開発
Development of a Dose Distribution Monitoring System Using a Fluorescent Screen in Proton Therapy
伊東富由美*1、長谷川崇*2、前田宗利*1、久米恭*1
Fuyumi ITO, Takashi HASEGAWA, Munetoshi MAEDA and Kyo KUME
Abstract

To advance proton beam cancer therapy, a development of an economical online proton dose
distribution monitoring system by using a fluorescent screen is carried out. Fluorescent emission
results in measurements of depth distribution were compared to ones obtained by a 2-D ionizationchamber array.
要約
より高度な陽子線治療を目指すため、蛍光板を使用した安価なオンライン線量分布モニタリングシステムを開発している。陽子線に対する水中深度方向の蛍光板の発光分布と線量分布の比較について報告する。
緒言
陽子線治療の更なる高度化の一環として、陽子線オンライン線量分布モニタリングシステムの開発を進めており、その中で陽子線に対する蛍光板での発光事象の把握を行っている。本報告では、陽子線に対する水中深度方向の蛍光板の発光分布と線量分布の比較について述べる。
方法
加速器から出射した陽子線(200 MeV, １ nA)はウォブラー電磁石・散乱体・電離箱を通過し、試料台に到達する。蛍光板は試料台に設置した水等価ファントム下流側表面に貼り付けた。照射中の蛍光板の発光強度分布を取得するため、ビデオカメラを水等価ファントムのビーム下流側に設置した。さらに、 2 次元電離箱線量測定装置（２D）を蛍光板と同一の位置に設置し、同様の方法で水中深部方向の線量分布を計測した。水等価ファ
ントム中のビーム通過距離に依存する発光強度分布を取得するため、水等価ファントムの厚み ～200 mm まで
は 50 mm 間隔、237 ～254 mm までは 1 mm 間隔で計測した。
5[×10 ] 2

10

Relative fluorescence intensity
per pixel (a. u.)

Dose (Gy)

結果および考察●: Fluorescence intensity●: Dose8
ビームの下流側に設置したビデオカメラで蛍光板の陽子線照1.5
射による蛍光発光を動画撮影で取得し、各フレームを静止画（8 ビ61ット，RGB）に変換し、Image-J (1.51i 17) を用いて画像中心部の 54ミリ角領域におけるピクセルあたりの平均輝度をグレイスケール化
0.5
した。次に、陽子線が照射されていない 30 フレーム(動画 1 秒分)
2の静止画(8 ビット、RGB)を平均化し、平均化したバックグラウンド
0
0
0
100
200
をグレイスケール化したのち、各フレームから差し引いて、画像中
Water Equivalent Depth (mm)
心部の 5 mm 各領域のピクセルあたりの平均輝度を算出し、図 1
図 1 深度線量分布と画像より取得したに各水中深度と輝度（●）の相関を示した。２D についても同様に
グレイスケールの深度分布
図 1 に各水中深度と吸収線量（●）の関係を示した。ただし 2D の電離箱が装置表面から 7 mm の水等価物質を挟んで設置されていることを考慮し、測定に使用した水等価ファ
ントムの厚みに 7 mm を加えた値を水中深度とした。図１の吸収線量曲線と発光強度曲線を比較すると、吸収線量のピークと入口 (→)の比は 3.8：1、発光強度のピークと入口(→)の比は 2.2：1 であり、各ピークと入口の比では吸収線量と発光強度の間に差が認められることが分かる。この原因の一つとして蛍光板を使用したことでクエ
ンチングの影響が考えられる。ピークの下流側で強度がピークの 8 割の場所を飛程としたところ、2D の飛程は247 mm、蛍光の飛程は 246 mm となり、1 mm の範囲で一致した。
結言
陽子線による蛍光板での発光事象を把握した。現在構築中のオンラインシステムで実装する。
*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ、*2（同）ハセテック
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが文部科学省地域イノベーション戦略支援プログラムで実施したものである。本研究は、MEXT KAKENHI 15K19216 の助成を受けた。

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2.2.2.5
粒子線医療における品質保証技術の開発
Development of Quality Assurance Technique for Particle Therapy
西尾禎治*1、田中創大*2、松下慶一郎*3、恒田雅人*1、株木重人*4、前田宗利*5、伊東富由美*5、久米恭*5Teiji NISHIO, Sodai TANAKA, Keiichiro MATSUSHITA, Masato TSUNEDA, Shigeto KABUKI,
Munetoshi MAEDA, Fuyumi ITO, and Kyo KUME
陽子線治療の治療計画で発生する陽子線飛程計算の誤差の正確な同定、また計算制度向上の手段としての陽子線 CT 画像取得技術の開発を行った。
これまでプラスチックシンチレータと CCD カメラを用いた検出システムにより、サイクロトロンからの 70 MeV 陽子線を用いて陽子線 CT 画像取得法の研究を行ってきた１）。より現実的な臨床利用を目指し、本研究ではシンクロトロンでの 200 MeV 陽子線 CT 画像取得を目指した。本検出システムではシンチレーション光のビーム方
向積算値を取得することで、陽子線の二次元エネルギー分布を求めることができ、それより Filtered Back
Projection 法を用いて容易に陽子線 CT 画像を得られる。200 MeV 陽子線を用いて取得した陽子線 CT 画像
では 1 cm 以上のぼけが生じた。要因としては、カメラの画角と陽子線を平行と仮定した解析手法、陽子線の側方散乱、時間構造での欠陥などが考えられる。
今後、最適なシンチレータの選択、検出システムの位置関係の最適化、カメラの撮影システムとシンクロトロンの同期システムの構築などの改善により、高い空間分解能の陽子線 CT 画像の取得を目指す。
参考文献 1) S. Tanaka et al.: Phys. Med. Biol., 61, 4156 (2016)*１

広島大学大学院リーディングプログラム機構（現所属：東京女子医科大学大学院医学研究科）、*2 東京大学大学院工学系研究科、*3 京都府立医科大学大学院放射線診断治療学講座、*4 東海大学医学部、*5（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ
本研究は、広島大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。本研究は JSPS 科研費 15H04912 と JST 先
端 17J08146 の助成を受けた

2.2.2.6「放射線の見える化」膜の開発
Development of “Visualization of Radiation” Film
砂川武義*1、 Glenn HARVEL *2、 青木祐太郎*1、 梅田昌幸*1、 畑下昌範*3、 久米恭*4、 佐倉俊治*5
Takeyoshi SUNAGAWA, Glenn HARVEL, Yutaro AOKI, Masayuki UMEDA, Masanori HATASHITA,
Kyo KUME and Toshiharu SAKURA
人体に負担が少ない放射線を使用したがん治療は、高齢化社会において重要である。特に、陽子線を使用したがん治療は、研究段階から実用段階へと進み、今後このような放射線を使用する治療施設が増えると考えられる。陽子線治療において、照射野の可視化は正確な線量分布の評価のために必要不可欠な技術である。
本研究では、polyvinyl alcohol、potassium iodide、fructose を原料に、従来の化学線量計とは異なる反応性を持
つ化学線量計 PVA-KI ゲルを開発した 1)。陽子線照射は、若狭湾エネルギー研究センター多目的加速器システムで行った。セルとしてサンプラテック社製のポリスチレン製ディスポセル（光路長 1 cm）を使用した。PVA-KI
ゲルを入れたセルと水のみを入れたセルの合計 22 本のセルを木製の冶具上にビーム進行方向に並べ、2～60
Gy の 200 MeV 陽子線照射を行った。その後、紫外可視分光装置(StellarNet 社製)で吸光度を測定した。さらに、粒子・重イオン輸送計算コード PHITS により、陽子線照射実験を模擬した体系を組み、ビーム進行方向のエネルギー付与分布についてシミュレートし、ブラッグピークの位置が実験結果と一致していることを確認した。
これらの結果より、本研究で開発した PVA-KI ゲル線量計は、陽子線に対して、十分な感度を示す事を確認し、陽子線によるブラッグピークの確認より、陽子線治療に利用可能であることを明らかにした。
参考文献 1)T. Sunagawa et al.: Memoirs of Fukui University of Technology, vol.47 pp.105-110 (2017)*１

福井工業大学工学部原子力技術応用工学科、*2 オンタリオ工科大学、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部 生物資源研究室、*4（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ、*5 (株) NUCLEAR TECHNOLOGY
本研究は、福井工業大学、(公財)若狭湾エネルギー研究センター、(株)NUCLEAR TECHNOLOGY の共同研究の一部として実施したものである。

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2.3. 農業・生物分野
2.3.1. 植物・菌類のイオンビーム育種研究
2.3.1.1
ナイロンメンブレンを用いた出芽酵母の薬剤耐性コロニー選抜
Selection of Reagent Resistant Colonies of Budding Yeast by Using Nylon Membrane
髙城啓一*1
Keiichi TAKAGIAbstract
Colony selection of budding yeast using charged nylon membrane effectively excluded the influence of cellproliferation before starting the selection, and degradation of reagent during the selection.
要約
帯電したナイロンメンブレンを用いた選抜法は、酵母のコロニー選抜時における、選抜開始前の細胞増殖の影響や、選抜中の薬剤分解の影響を避けることができた。
緒言
通常出芽酵母の変異体選抜は変異原を適用後直ちに開始するが、変異原適用から選抜開始までのインターバルを変更することで、変異体取得効率が大きく向上する可能性がある。しかし、酵母の突然変異体を変異原適用後に、コロニー形成能を用いて選抜する場合、選抜開始までにインターバルを置くと細胞増殖の影響で正しい変異率評価ができなくなり、かつ同じ変異体を異なる変異体として選抜してしまう可能性が生じる。また時間の経過に従って、選抜に用いる薬剤が分解等によって効力を失っていくため、選抜期間が長期化すると、必要な突然変異を起こしていない菌株が選抜される可能性が増大する。
培養中に菌体の位置を変えずに培地の種類を変えることができれば、細胞増殖の影響を回避して選抜開始
までのインターバルを変えることや、薬剤分解の可能性を排除して長期間選抜のための培養を行うことが可能となる。そこで選抜期間中の培地交換を可能とするため、通水性のあるメンブレンフィルター上でコロニー選抜を行うことを試みた。
材料と方法
実験材料には出芽酵母 (Saccharomyces cerevisiae) YPH499
株(福井県食品加工研究所より譲渡)を用いた。YPH499 は、
YPDA 培地で液体培養(30 ˚C)を行い、対数増殖期に突然変異を行うための X 線照射(X 線照射装置 MBR-1520R-3 を使用,
200 Gy, 実効エネルギー 37 keV, 線量率 ca. 6 Gy/min)を行った。
脂質代謝系の抗真菌剤セルレニンに対する耐性を指標とした変異体選抜を実施した。X 線照射後の酵母は、初期細胞数 1 x
107 cells/plate でセルレニン 20 µM を含む YPDA プレートに直接、あるいは培地上に置いた帯電ナイロンメンブレンフィルター(Hybond N+, GE ヘルスケア社製、ポアサイズ 0.45 µm)上に接種した。選抜中に培地の更新を行う場合、菌を接種したメンブレン
フィルターを静かに持ち上げて新規培地上に置床した。耐性コロ
ニーは、プレートの写真撮影を行うとともに、目視で確認した。

図 1 メンブレンフィルター上のセルレニン
耐性コロニー

結果と考察
メンブレンフィルター上で、セルレニン耐性菌株の選抜は可能であった（図 1）。コロニーの色は乳白色でメン
ブレンフィルターの色とほぼ同じであるが、斜光照明を行うことでコロニーの位置を確認可能であった。耐性コロ*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県からの受託研究として実施したものである。

50

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
ニーは選抜を開始して 2 日目から確認可能となった。選抜２日目での出現コロニー数は、培地に直接接種した場合でも、メンブレンフィルター上に接種した場合でもほぼ同様であった。メンブレンに接種し、数時間後にメンブレンを新しい選抜培地に移動させた場合でも、培養 2 日目での耐性コロニ
ー数は、移動させなかった場合と変らなかった。
培地交換を行わずに培養を継続した場合と、培養 2 日目でメンブレンフィルターを新しい培地上に移動させた場合を比較すると、培地を交換しなかった場合、培養 3 日目で非照射群でも耐性コロニーが出現し、非照射群、照射群とも培養時間が長くなるにつれ変異率が急速に増加した（図 2）。一方、2 日目に新しい培地上への移動を行った群では、2 日目以降の非照射群での変異率の増加は見られず、照射群での変異率の増加も軽微に留まった（図 3）。この結果は、培地を更新しなかった群では培養の継続によりセルレニンの効力が低下し、本来耐性変異を起こしていないか、弱い耐性しか持たない菌株まで耐性コロニーとして残存してしまうのに対し、培養 2 日目で培地を更新した群では、セルレニンが継続して抗真菌作用を発揮し続けたことを示している。
以上の結果から、メンブレンフィルターを用いることにより、選抜開始前の細胞増殖の影響や、培養を長期間継続した際の薬剤劣化の影響を避けることが可能であることが明らかとなった。
結言
選抜開始前の細胞増殖の影響や、培養継続による薬剤劣化の影響を回避する選抜方法を確立することができた。今後はこの方法を用いて、セルレニン
耐性やセルレニン耐性以外の選抜方法に関し、照射から選抜開始までのインターバルの長短が、変異体取得効率に与える影響を調べる。

図 2 培地更新を行わない場合の変異率変動

図 3 培養 2 日目に培地更新を行った場合の変異率変動

51若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.3.1.2
イシクラゲ変異株を利用した有用物質の生産
Material Production Using Nostoc commune Mutants
田中良和*1
Yoshikazu TANAKA
Abstract
To contribute to the development of new medicines and cosmetics, terrestrial blue algae (Nostoc commune)
were isolated from Fukui pref., and some useful strains were established by ion-beam breeding.
要約
医薬・化粧品などの産業に寄与する目的で、福井県内において陸生藍藻類であるイシクラゲ（ Nostoc
commune）を複数採集し、イオンビーム照射によって複数の変異株を得た。
緒言
食品、医薬・化粧品、繊維産業などでは、商品価値を高める有用物質を生物資源に求め、その探索に強い関心を示している。陸生藍藻類のイシクラゲ（Nostoc commune）は、古くは漢方や食材として利用されてきたが、生育速度が遅く産業利用のためには有用物質の生産効率を高める必要がある。本研究は、イオンビーム照射によって多糖類など有用物質を高効率で生産するイシクラゲの変異株を作出し、有用物質の生産に利用することを目的としたものである。
成果の概要
本年度は、これまでに得られたイシクラゲ変異体のうち、特に紫外線耐性株に対して機能強化を目指したカーボンビーム照射と選抜を行った。その結果、昨年度にカーボンビーム照射(1500Gy)
で得られた NC11C1500 紫外線耐性株から、細胞外多糖類を大量に分泌する NC11C1500EPS 変異株を得た。この変異株はNC11C1500 と同程度の紫外線耐性を示した他、培養後期においては細胞外多糖類の他に抗酸化作用を示すフィコエリスリンを培
地中に分泌した（図 1）。本菌株に対して物質生産に特化した培養条件の検討を行い、約１カ月後の培養物から、菌体を摩砕せずに、細胞外多糖類を抽出できることが分かった。また、この細胞外多糖類は、自重比で約 150 倍の水分保持能を示し、これは野生株 NC11 の約 2.5 倍であった（図 2）。フィコエリスリンおよび菌体内に蓄積するフィコシアニンの生産については、照射する光波長
条件を変えて生産量の最適化を目指したが、これまでのところ再現性が得られていない。
結言
今回得られた変異株 NC11C1500EPS は、紫外線耐性を有し、培養液中に大量の多糖類を分泌することが特徴である。この多糖類は遠心操作によって菌体と分離後、アルコール沈殿によって容易に抽出が可能である。分離した菌体は再び液体培地に戻して培養できるので、培地交換の方法を工夫すれば連続培養運転が可能であろう。今後は、企業との共同研究により、本菌株の大型群体の形成方法を確立し、健康食品などの商品化を進めていく予定である。また本菌株以外の変異株に対しては、マイコスポリン様アミノ酸（MAAｓ）の蓄積量などを調べていく予定である。
*１

図 1 NC11C1500EPS から抽出したフィコ
エリスリン（左）とフィコシアニン（右）500nm の励起光による蛍光を示した。

図 2 各細胞外多糖類の保水量
野生株（NC1、2、3、11）と変異株（NC11C1500EPS）を示した。

（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県からの受託研究として実施したものである。

52

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.3.1.3
真菌類を用いた新規免疫賦活剤の開発
Development of Novel Immunostimulator with Use of Fungi
畑下昌範*1
Masanori HATASHITA
Abstract
It is well known that β-D-glucans from fungi are effective initiators of cell-mediated immunity in humans.
β-D-glucans isolated from various fungi differ in their chemical structures and consequently in theirimmunomodulatory activities. For example, schizophyllan classified as a medicine, β-D-glucan extracted fromthe fungus Schizophyllum commune, stimulates the immune system. However, it remains unclear what themolecular mechanisms has occurred in the system, and what downstream events are triggered by the reagent.
In this study, several extremely rare fungi are focused. The isolation of polysaccharide, temperature dependenceof growth and dose dependence of growth against the irradiation of proton beams were investigated.
要約
真菌類由来の多糖類であるβ-グルカンは、細胞を媒介した免疫反応の効果的な開始物質として知られている。種々の真菌類から単離した β-グルカンはそれぞれの化学構造が異なっており、その結果として免疫調整作用が異なるとされている。例えば、スエヒロタケから抽出された β-グルカンであるシゾフィランは医薬品として使用されているが、ヒトの免疫系に作用することが明らかにされている。しかし、その反応にどのような分子メカニ
ズムが働いているのか、またそれに誘導されて起こるシグナル伝達の下流の反応には何があるのか、については未だ不明である。本研究では、いくつかの希少な真菌類を取り上げて、多糖類の単離方法、培養における温度条件およびプロトンビーム照射条件について検討した。
緒言本研究では、真菌類の希少種を取り上げて、それらが生産する生理活性物質の単離とその機能評価およびイオンビーム育種による高生産株の育種を実施することを目的としている。これらの希少種を取り扱うにあたり、
まず培養条件の検討を行った。培地組成として、炭素源と窒素源の組成比を変化させた培地を複数調製して、真菌類の菌糸体の増殖性を調査し、最適な培地組成を決定した。生育温度に関しては、一般の微生物では、生育温度域の違いによって高温性菌、中温性菌、低温性菌および好冷性菌の 4 種類に分けることができる。細菌においては、高温性菌は 50℃以上でも生育できる菌であり、中温性菌の増殖可能範囲は 0～45℃（最適生
育温度：30～38℃）、低温性菌は 20℃以下の低温でよく生育する菌、好冷性菌は 20℃以下でのみ生育可能な菌（最適生育温度：15℃以下）のことを指すことが多い。今回は、複数の真菌類に対して、5℃から 35℃の温度領域における菌糸体の増殖性を調査した。
真菌類の希少種の場合は、子実体を得ることが困難であったり、得られたとしても多大な時間がかかったりすることもあり、胞子の育種利用が難しい。真菌類で最も扱いやすいのは、菌糸体であるが、菌糸体で育種をする
場合には、まず突然変異を狙うのが好ましく、その場合に、化学変異剤のような残留の恐れがない放射線、とりわけ生物効果の高いイオンビームは有効であると考えられる。イオンビーム育種は植物分野だけでなく、微生物分野への適用が進んできている。真菌類においても、冬虫夏草菌が生産する抗腫瘍物質コルジセピンの高生産株を獲得するために、冬虫夏草菌へのイオンビーム照射が行われ、野生株の約 3 倍の生産性を示す変異体の獲得に成功している。また、真菌類では変異した菌糸体が得られれば、あとはそれを栄養繁殖で増殖するだけですむので、イオンビームによる突然変異誘発は最も適切な手段であると考えられる。今回は、菌糸体の増殖性に及ぼすプロトンビームの効果を調査した。
真菌類は、種々の生理活性物質を生産することが知られている。多糖類を含む種々の物質を単離し、それらの生理活性を調査するためには、多糖類などの生産物質を分離する方法を確立することが必要である。今回、主として多糖類を分離する方法について検討した。

*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県からの受託研究として実施したものである。

53

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
成果の概要
真菌類が生産する物質に関し、まず、菌糸体の主要な構成成分である多糖類β-グルカンを分離する方法を検討した。β-グルカンは、グルコースが β1-3 型の結合で連なった多糖であり、植物や真菌類、細菌など自然界に広く分布するが、ある種の真菌類が生産するものは強い免疫賦活作用、制癌作用を有していると考えられている。この β-グルカンは、熱水に可溶で、エタノールには不溶であるという性質を持っている。乾燥菌糸体からβ-グルカンを単離する方法として、まず、エタノールに溶け出すものを除いたのち、熱水にさらすことで、熱水中に溶かし出し、最後にエタノールと混合することで、白色の沈殿物を得た。これらは、コンゴーレッドとの混合により、色調が変化したことから、β-グルカンであることが定性的に示された。
菌糸体の増殖能を指標に、真菌類の増殖の温度依存性について検討した。その１例を図１に示す。この真菌類は、5℃および 35℃において菌糸体の増殖は全く見られなかった。10℃の場合、やや誘導期のような遅延を示したのち、約 1 週間後から菌糸体の増殖が見られた。高い増殖性を示したのは、25℃および 30℃であった。さらに、25℃より温度を下げていくと増殖速度は徐々に低下すること、30℃と 35℃の間には増殖性にクリティ
カルな変化があることが明らかになった。
イオンビーム照射による変異体選抜を行うために、真菌類のプロトンビーム感受性を調査した。プレート上で接種した菌糸体に対し、種々の線量でプロトンビームを照射し、その後の菌糸体の増殖速度を指標に、真菌類の線量応答を調べた（図２）。菌糸体にプロトンビームを照射することにより、いずれの線量においても増殖遅延が見られた。遅延の後、増殖を再開するまでの日数には
線 量 依 存 性 が 見 ら れ た 。 500Gy は 約 3 日 後 か ら 、
1,000Gy は約 5 日後から増殖を再開した。これらの線量では、増殖再開後の増殖速度は対照区のそれとほぼ同等であった。一方、1,500Gy では若干の増殖が見られたが、増殖速度の顕著な回復は見られなかった。2,000Gy
では、菌糸体は増殖を示さなかった。
結言
真菌類が生産する物質の一つである β-グルカンに関して、分別、回収する方法を検討し、β-グルカンリッ
チな固形物が得られることを確認した。真菌類に対し、菌糸体の増殖性を指標に、培養温度の影響を明らかにした。真菌類に対し、菌糸体の増殖性を指標にプロトンビームに対する放射線感受性を明らかにした。
今後は、重イオンビーム照射による真菌類の線量応
答反応の解析、生産物質の構造解析、生産物質の免疫賦活活性の評価法の確立を進める。

54

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.3.1.4
イオンビーム照射による山田錦のテーラーメイド育種ライブラリの開発と福井県に適した「新山田錦」の育成
Development of Tailor-Made Breeding Library of ‘Yamadanishiki’ by Ion-Beam Irradiation and Breeding of‘New Yamadanishiki’ for Fukui Prefecture
三浦孝太郎*1、髙城啓一*2
Kotaro MIURA and Keiichi TAKAGIAbstract
It is hard to grow ‘Yamadanishiki’, the brand leading rice cultivar for sake brewing in Japan, in Fukui
prefecture, because of its low lodging resistance and of a problem in the period of ear emergence. Therefore, weare trying to develop ‘Novel Yamadanishiki’ for Fukui prefecture by means of the ion-beam breeding.
要約
酒米のトップブランド「山田錦」は、耐倒伏性や出穂期の問題から福井県での栽培が難しい。そこで、イオンビ
ーム育種を用いて、福井県での栽培に適した「新山田錦」の開発を試みている。
緒言
酒米イネ品種「山田錦」は、日本の酒造好適米のトップブランドである。しかしながらその生産地は兵庫県の一部地域に限られており、福井県内酒造会社は高価な兵庫県産山田錦を仕入れるか、県内で自社生産せざるを得ない。山田錦は、出穂期が遅い晩生の品種であるため、福井県内での生産では登熟期間に低温にさらされ易く、未熟米が多発する問題点がある。またこの品種は、草丈が高くなりやすいため倒伏しやすいことや、脱粒しやすいことで、栽培管理が困難な品種である。そこで、我々はイオンビーム、及び変異原性化学物質を組み合わせる事で、山田錦に高効率かつ多様な有用変異を誘発したテーラーメイド育種ライブラリを構築し、矮性や早生の形質を組み合わせることで福井県内の栽培に適した「新山田錦」の育成を目指している。平成 27 年度に実施した研究で、山田錦に炭素イオンビーム、及び EMS(エチルメタンスルホン酸)、MNU(メチルニトロソ尿素)、
DEB(ジエポキシブタン)で変異誘発を行った照射第２世代(M2)種子を得た。平成 28 年度は、これらの M2 種子を圃場に展開し、矮性と早生表現型を示す個体の選抜、及び脱粒性の低い個体の選抜を行った。
材料と方法
実験材料
平成27年度に変異誘発を行い、収穫した山田錦M2種子を平成28年4月5日にベンレートT水和物に24時間浸漬した後に水に浸漬して24時間吸水させ播種した。
炭素イオンビーム照射100Gy処理区(C100)から680系統、同125Gy処理区(C125)から500系統、DEB処理区から1020系統、EMS処理区から680系統、MNU処理区から40系統を播種した。
定植
上記の方法で１ヶ月間育苗したサンプルを、平成28年5月10日に福井県立大学生物資源開発研究センター内の水田に定植した。栽培条件は、条間25cm、株間20cmで1系統あたり14個体とした。
変異体の選抜
早生変異体のスクリーニングは、出穂が早い個体を見つける為に、7月1日より毎日圃場を観察した。矮性個体のスクリーニングは、出穂後10日が過ぎた9月1日頃から観察を開始し、目視で背が低いことを確認して実施した。脱粒性を失った変異体のスクリーニングは、登熟した穂を全ての変異体より回収し、穂を強く握っても籾が脱落しにくい個体を選抜した。種子が大型化している変異体については、目視にて選抜を行った。

*１

公立大学法人福井県立大学・生物資源学部・生物資源開発研究センター、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研
究室
本研究は、公募型共同研究事業として（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県立大学と共同で実施したものである。

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若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
結果と考察
早生変異体の選抜
圃場で山田錦よりも出穂の早い系統を選抜した結果、24系統の早生変異体を得ることに成功した。野生型の山田錦は、平成28年8月23〜25日に出穂した。それに対して、最も早くに出穂する変異体として、DEB処理区より7月15日に出穂する系統が得られた(例 図1)。また、C100、C125、EMS、DEBの各集団より、出穂が8月1日〜8
月10日までの早生系統を得られた。これらの集団より得られた早生系統には、矮性を伴う系統と、伴わない系統が存在した。一般的に、早生になり生育期間が短くなると矮化を伴うことが知られているが、早生と矮化が一致しない系統が得られたことは、早生化による矮化を補填するような多面発現を有する変異であると推測され、非常に興味深い。
矮性変異体の選抜
矮性変異体のスクリーニングを行った結果、野生型の山田錦が122cmの草丈であるのに対し、草丈が40cm〜
106cmの変異体を見出す事に成功した。これらの変異体の中には、植物ホルモンのジベレリンの欠損やブラシノステロイドの欠損変異体に類似する表現型を示す系統が見られた。ジベレリン欠損に類似した表現型を示す系
統は草丈が56cmと低くなりすぎており、また、ジベレリンの欠損変異体によく見られる花粉稔性の低下も観察され、種子の稔りが低下していた。ブラシノステロイド型矮性変異体はいずれも種子が小さかった。これらは山田
錦の矮性育種には不適と判断した。C125矮性1や、EMS矮性2(図2)の草丈はそれぞれ99cmと101cmであり、同様の栽培条件で育成した日本晴と同程度の草丈となった。今年度は、この２系統を最も有望な矮性変異体であると判断した。
難脱粒変異体の選抜
脱粒性を失った（難脱粒性）山田錦を選抜するために、穂を強く握り、外れる籾が少ない個体を探索した。その結果、7系統の難脱粒個体を得ることに成功した(例 図3)。
結言
平成 28 年度に得られた有用変異体は、実用性の高い素材である可能性が高く、品種化の期待が持てる。また、交配育種に利用する際や、遺伝資源を守る為に、変異原因遺伝子を特製し、分子マーカーを作成することが重要であると考えられる。今後は、次世代シークエンス解析等を実施し、原因遺伝子の特定を目指したい。

図１ 山田錦早生変異体

図２ 山田錦矮性変異体

8月22日の野生型（左）と早生変異体（右）野生型（左）と矮性変異体（中央、右）

図３ 山田錦難脱粒変異体
山田錦は穂を握ると籾が脱落する（左）が、難脱粒変異体は、脱落しない（右）。
56若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.3.1.5
冬虫夏草変異株を用いた新規抗腫瘍物質の生産
Production of Novel Antitumor Agents with Use of Cordyceps militaris Mutant
櫻井明彦*1、畑下昌範*2
Akihiko SAKURAI and Masanori HATASHITA
Abstract
From the viewpoint of practical application of nucleoside antimetabolites, cordycepin production by submerged
culture was investigated using Cordyceps militaris mutant. One of the mutants obtained by ion beam irradiation
showed six-fold increase in cordycepin productivity in the submerged culture. In addition, the derivatization of
cordycepin was carried out for the improvement of efficiency in vivo. Several derivatives were successfully
synthesized with carboxylic acid chloride and showed antibacterial activity and antidegradability against
opportunistic bacteria.
要約
本研究ではヌクレオシド系核酸代謝拮抗剤の実用化の観点から、コルジセピンを効率よく生産する技術と、生体内での有効性を高めるためのコルジセピン誘導体の開発を試みた。タンク培養でのコルジセピン生産を目的として、イオンビーム照射を用いて振盪培養で親株の 6 倍の生産性を示す変異株を取得した。また、カルボン酸
塩化物によりコルジセピンの誘導体化を行った。得られた誘導体は日和見感染菌に対して耐分解性と抗菌性を示した。
緒言
冬虫夏草が生産する抗腫瘍物質であるコルジセピン（図 1）は、抗腫瘍ばかりでなく抗菌、抗ウイルスなどの様々な生理活性を示すこと
から、医薬品や機能性食品、化粧品の原料として期待されている。しかしながら、天然の冬虫夏草が生産するコルジセピンは極微量であり、またコルジセピンの生産技術（冬虫夏草の培養技術）が確立されていないことから、コルジセピンの利用に関する研究は進んでいな
図 1 コルジセピンの化学構造い。このため筆者らは、コルジセピン高生産株の作出を検討し、液体表面培養で高い生産性を示す冬虫夏草変異株の作出に成功している。しかしながら、この菌株のタンク培養でのコルジセピンの生産性は著しく低い。一方、コルジセピンは細胞レベルでは高い生理活性を示すが、生体内ではアデノシンデアミナーゼにより酸化（分解）されて急速に生理活性が低下する場合がある。
コルジセピンを実用化するためには、より効率が高く汎用性の高いコルジセピンの生産技術を開発すること及びコルジセピンの生体内での分解耐性を高めることにより、これらの問題を解決することが必要である。そこで、本研究では、タンク培養によるコルジセピン生産のための冬虫夏草変異株の作出と、コルジセピンの誘導体化
による分解耐性の付与について検討した。
方法
1.深部培養用コルジセピン生産菌の育種
コルジセピン生産菌株（親株）としては、以前の研究でイオンビーム照射によって作出した液体表面培養用冬虫夏草 Cordyceps militaris G81-31）を用いた。プレート上に増殖させた G81-3 株（親株）の菌糸にイオンビーム（プロトン：600-2000Gy; カーボン：500-1000Gy）を照射した。照射後の菌糸体を試験管内の液体培地に接種し、振盪培養法における菌糸体の増殖性およびコルジセピン生産性を基にタンク培養用有望株を選択した。
2.コルジセピンの誘導体化
はじめに誘導体の原料となるコルジセピンを液体表面培養法２)および回転円板培養法で生産した。生産した
コルジセピンは晶析法 3）で精製し、誘導体の原料とした。誘導体化はコルジセピンのアミノ基またはヒドロキシ基のアシル化を目的として、カルボン酸塩化物／ピリジン系の反応を用いて行った。

*１

福井大学学術研究院工学系部門生物応用化学講座、*2 (公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室、本研究は、公募型共同研究事業として（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井大学と共同で実施した研究の一部である。

57

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
3.コルジセピン誘導体の生理活性の評価
誘導体化したコルジセピンの日和見感染菌に対する増殖抑制効果と分解耐性について、液体振盪培養法を用いて評価した。
結果と考察
1.タンク培養用冬虫夏草変異株の作出
プロトンビームを照射した菌糸体から、これまでで最高のコルジセピン生産性を示す変異株 H2000ｄO（図 2）が得られた。H2000ｄO の振盪培養におけるコルジセピン生産量は、野生株の 6 倍以上で、その値は最高で 3.7ｇ/L に達した。この値は液体表面培養の最高生産量（約 9g/L）には及ばないが、培養条件の最適化により実用レベルに近い生産性が得られると期待できる。
一方、カーボンビームを照射したものからは有望な変異株は得られなかった。
2.コルジセピンの誘導体化
コルジセピンの 6 位のアミノ基、2’位のヒドロキ
シ基または 5’位のヒドロキシ基をアシル化するために種々のカルボン酸塩化物を用いて反応条件を検討した。その結果、溶媒として塩基性溶媒であるピリジンを用い窒素雰囲気下 35℃で 30 分間
程度反応させることで、95％以上の反応率が得られた。
合成した誘導体の構造を LC/MS、NMR で解析したところ、図 3 に示す種々の誘導体が生成していることが分かった。

図 2 変異株の振盪培養でのコルジセピン
生産性

結言
液体表面培養用の冬虫夏草変異株にイオンビームを照射することによって、タンク培養に適したコルジセピン生産変異株を作出することに成功した。また、カルボン酸塩化物とコルジセピンの反応により合成したアシル化コルジセピンは日和見感染菌に対して耐分解性と抗菌性を示した。
今後は、作出したタンク培養用変異株の培養特性を明らかにしてコルジセピン生産条件を最適化する予定である。また、
コルジセピン誘導体の大量合成を行い、がん細胞に対する増殖抑制効果を評価する予定である。

Abs at 600 nm

3. コルジセピン誘導体の生理活性
図 3 合成したコルジセピン誘導体得られた誘導体を合成溶媒中から回収し、
RCO：アシル基
種々の日和見感染菌の培養液に加えて増殖抑6
制効果を確認したところ、コルジセピンと同様の増殖抑制効
果を示すことが分かった（図 4）。また、培養液中の誘導体の5分解挙動を HPLC で追跡したところ、コルジセピン誘導体で
4はアミノ基部分は酸化されないことが分かった。
Control
Propionyl cordycepin

3
2
1
0
00

24

48

72

Time [h]図 4 プロピオニル化コルジセピンのSalmonella enterica に対する増殖
抑制効果

参考文献
1) 増田美奈他、冬虫夏草の突然変異体及びその変異体の培養法、特許第 5343264 号（2013）2） M. Masuda et al., Efficient production of cordycepin by the Cordyceps militaris mutant G81-3 for practicaluse. Process Biochem., 49, 181 (2014)3）櫻井明彦他、コルジセピンの製造および精製方法、特許第 5850497 号（2015）58若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.3.1.6
石油を作る微細藻類 Botryococcus braunii の重イオンビーム照射による変異株ライブラリーの作出
Generation of Mutant Library of Oil-Producing Microalga Botryococcus braunii
by Heavy-Ion Beam Irradiation
河村耕史*1、畑下昌範*2
Koji KAWAMURA and Masanori HATASHITA
Abstract
The oil-producing microalga Botryococcus braunii is a promising biological resource for the production ofcarbon-neutral and renewable biofuel, as it accumulates hydrocarbon similar to heavy oil. This study aims to
make a mutant library of B. braunii with useful traits, such as high growth rate and stress tolerance, by using
ion beam irradiation. Wild B. braunii strains from temperate to tropical regions were irradiated by proton- or
carbon-ion beam with 0-1500 Gy. The appropriate dosage of radiation was estimated approximately 100 Gy.
Effects of ion-beam irradiation on growth and stress-tolerance were evaluated by comparing ion-beam irradiatedsamples with control (non-irradiation). The results suggest that ion-beam irradiation resulted in the increase in
growth rate by 20 % in the strain A and the acquisition of stress-tolerance against high temperate in the strain
B.
要約
再生可能でカーボンニュートラルな次世代燃料として微細藻類が作る「緑の原油」が注目を集めている。本研
究は、重油相当の炭化水素を大量に蓄積することで知られている, 石油を作る微細藻類 Botryococcus braunii（ボトリオコッカス）に着目し、若狭湾エネルギー研究センターのイオン加速器を利用した突然変異育種を試みた。
温帯から熱帯で採取した野生株にプロトンもしくはカーボンのイオンビームを照射し、その後、再生させる方法を確立した。次いで、イオンビーム照射後の細胞塊を液体培地で再生させたものと、無照射のものとを比較する方法で、イオンビーム照射の効果を検討した結果、増殖速度の 20%向上と高温耐性の獲得を示唆する結果が得られた。
緒言
現在、我が国はエネルギー•セキュリティ確保や地球温暖化対策といった大きな課題に直面しており、再生可能エネルギーである「微細藻類が作るバイオ燃料」への期待が高まっている 1）。バイオ燃料化が期待される微細藻類の中で、ボトリオコッカスは、際立った特徴を持つ。本種は、重油相当の炭化水素を大量に生産する特質があり、「石油を作る微細藻類」と呼ばれている 2）。しかしながら、ボトリオコッカスは増殖速度が遅いため、屋外では競合種や天敵の侵入に負けてしまい大量培養が困難である。そこで、本研究はボトリオコッカスにイオンビー
ムを照射し、これまでにない高増殖性やストレス耐性を持つ変異株の作出を目指す。増殖性だけでなく、ストレス耐性に着目した理由は、他種や競合種のコンタミを抑制した屋外培養システムの構築につながるためである。
方法
2015 年から 2016 年に国内とインドネシアのため池から単離培養したボトリオコッカス野生株 7 株をイオンビー
ム照射用の株とした。若狭湾エネルギー研究センターにて炭素もしくはプロトンのビーム照射を行った。0-1500
Gy の範囲で線量の異なる処理区を作り、照射直後の増殖速度をもとに、変異処理として適当な線量を推定した。
イオンビーム照射は、液体培地で前培養した藻細胞をフィルターで回収したものを滅菌シャーレに入れた状態で行った。藻細胞塊の厚みが 1-3 mm 程度になるよう回収量を調整した。
照射後の藻細胞塊は液体培地が入った瓶に移し、25℃定温、2-3%（v/v）CO2 によるバブリング、100-200
umol-1m-2 光量子束密度（12 時間周期で明暗切替）で数週間から数ヶ月培養し、再生させた。再生に成功したサ
ンプルについて、突然変異処理によって、ストレス耐性や増殖性が向上したかどうかを、無照射サンプルとの比
較を基準に検証した。ストレス耐性については、高温（35-40 ℃）と高 CO2 濃度（20-100% v/v）に対する耐性をテストした。
*１

大阪工業大学・工学部・環境工学科・生命環境学研究室、*2 (公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室、本研究は、公募型共同研究事業として（公財）若狭湾エネルギー研究センターが大阪工業大学と共同で実施した研究の一部である。

59

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
結果と考察
イオンビーム照射直後 1 週間の増殖速度を、無照射サンプルと比較したところ、照射処理によって増殖速度が減少した。イオンビームの照射によって一部の細胞が死滅したためと考えられる。線量が高いほど、増殖速度が低下する傾向が見られた（図 1）。株やビームの種類による違いは見られるものの、無照射サンプルの増殖速
度の半分程度に増殖速度が低下する線量は、概ね 50-100 Gy であった。
イオンビーム照射後に再生したサンプルについて、無照射の対照サンプルとの比較をもとに、ストレス耐性や増殖性の向上をテストした結果、高温耐性の獲得（図 2a）や増殖性の向上（図 2b）を示唆する結果が得られた。
(a) 株A
50Gy

150Gy 300Gy

比増殖速度（/day）

比増殖速度（/day）

対照
0.04
0.03
0.02
0.01
0

対照は無照射エラ ーバーは標準誤差（ n = 3）

P < 0.0001(b) 株B0.15

P < 0.01

0.02
0

0.1

-0.02
-0.04

0.05

-0.06
-0.08

-0.01

図 1 カーボンイオンビーム照射線量とカーボンイオンビーム照射線量と図1
照射後 1 週間の比増殖速度
照射後1週間の比増殖速度0.04

0
対照（0 Gy）

照射（100 Gy）

図 2 イオンビーム照射後に再生した藻細胞集団を
イオンビーム照射後に再生した藻細胞集団を
図2
無照射の対象と比較した結果
無照射の対照と比較した結果(a) 株A： 高温（ 38℃） 条件下で1週間培養し たと き の比増殖速度(b) 株B： 通常（ 25℃, 3%CO2） 条件下で2週間培養し たと き の比増殖速度
エラ ーバーは標準誤差（ n = 3）

結言
本研究は、ボトリオコッカスにイオンビームを照射し、再生させる方法論を確立した。照射直後の増殖速度をもとに、選抜に適した線量を推定した結果、株による違いはあるものの、プロトンでは 50-200 Gy、カーボンでは50-100 Gy 程度であると推定された。本研究では検討しなかったが、50 Gy 未満の線量でも突然変異処理として十分である可能性も考えられたため、例えば、25 Gy 程度の線量で照射テストをすることも必要である。イオンビーム照射後の藻細胞塊は、500 mL 程度の液体培地に移し、2-3 % CO2 のバブリングと数週間ごとの培養液の交換を続け、数ヶ月で再生できることを示した。より低い線量であれば回復もより速やかになることが期待される。
本研究では、イオンビーム照射後に再生したサンプルについて、無照射サンプルとの比較をもとに、ストレス耐性や増殖性の向上をテストする方法を試した。これにより、２つの事例において、イオンビーム照射によると思われるストレス耐性または増殖性の向上が確認できた。今後は、これらのサンプルから単離株を樹立し、培養スケールを試験管レベルから数リットルの培養瓶レベルにあげ、ストレス耐性と増殖性のより詳細な試験を進める
必要がある。また、イオンビーム照射処理によって突然変異が誘発した細胞は、増殖性が向上するよりも低下す
る確率のほうが高いと考えられる。突然変異のほとんどは有害な変異となるためである。そのため、イオンビーム
照射後の藻細胞集団は、変異を受けなかった細胞と有害な変異を受けた細胞が大半を占めた状態にあり、ストレス耐性や増殖性が向上した変異を持つ細胞は少数派であると推察される。このような状態の細胞集団から有用な変異細胞を効率的に選抜するためには、寒天培地を用いた単離培養の手法も検討する必要があるだろう。
参考文献
1) Wijffels RH and Barbosa MJ, An outlook on microalgal biofuel., Science: 329, 796-799 (2010)2) 井上勲、藻類 30 億年の自然史.藻類からみる生物進化・地球・環境、株式会社 積信堂、p.251 （2007）60

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.3.1.7
ラン藻スイゼンジノリの細胞外多糖生産にかかわる遺伝的変異体作出
Construction of Phenotypic Mutants on Exopolysaccharides Synthesis in Cyanobacterium Aphanothece sacrum(Suizenji-nori)
大城香*1、高城啓一*2
Kaori OHKI and Keiichi TAKAGIAbstract、Construction of phenotypic mutants on exopolysaccharides(EPS) synthesis was performed using a carbon ion
beam irradiation to cyanobacterium Aphanothece sucrum (Suizenji-nori). Several candidates that had defect in
EPS synthesis were screened by using the colony morphology as a selection index.
要約
炭素イオンビーム照射を用いて、ラン藻 Aphanothece sacrum (スイゼンジノリ) の細胞外多糖(EPS)合成・放出にかかわる突然変異体作出を試みた。照射後に出現したコロニーの形態を指標にスクリーニングを行い、EPS
合成・放出関連遺伝子に変異の可能性がある複数株を得ることができた。
緒言
ラン藻における細胞外多糖(EPS)合成・細胞外放出に関する分子機構は明らかになっていない。スイゼンジノリ(Aphanothece sucrum)は九州地方で 300 年以上前から食用として養殖されてきた淡水性単細胞ラン藻で、細胞外に多量の EPS を放出し細胞塊を形成する性質を持つ。本ラン藻の EPS は、高い保水力、優れた金属吸着能等を有する機能性生物ポリマー1)として注目され、サクラン®の名称で化粧品添加剤として使用されている。そこ
で、本研究はラン藻の EPS 合成・細胞外放出の分子機構を明らかにすることを最終目的に、価値の高い EPS を産生するスイゼンジノリを対象にし、炭素イオンビーム照射を用いてスイゼンジノリの EPS 合成・放出に関わる突然変異体ライブラリー作出を試みた。
材料と方法
1. 材料；熊本県の養殖場（熊本県スイゼンジノリ本舗丹誠堂）で養殖されていたスイゼンジノリから独自に確立したクローン単藻株(FPU1 株)の直線増殖期の細胞を用いた。本種は多量の EPS により直径 1cm 以上の細胞塊を形成して増殖しているため以下に述べる方法により単細胞懸濁液を得た。直径約 1～1.5cm の細胞塊をテフ
ロンホモジナイザーによりほぐしたあと約 10ｍｌの培地に懸濁し、氷冷下で超音波処理（15 秒 8 回、 UltrasonicProcessor XL2020）を行った。超音波処理細胞は約１L の培養液に懸濁したのちナイロンメッシュ（10μm、NYTAL SEFR-AG）を用いて残存細胞塊や溶出 EPS を除去した。得られた細胞は遠心分離により集めハイブリ
ダイゼーションバック（コスモバイオ S1002）に厚さ 1mm 程度となるように封入した後、炭素イオンビーム照射に供した。容器等はすべて乾熱またはオートクレーブにより滅菌したものを用い、操作は無菌的に行った。照射後の細胞は培地約 10ml に懸濁し、超音波処理（15 秒 4 回）を行ったあと細胞濃度が約 108・L-1 になるように培地に懸濁した。細胞懸濁液はマイクロタイタープレート（Nunc™ 150628 Nunclon 12-Well）に 1 ウェル当たり 2ml ずつ
分注し、20℃、LED 光（15μmol・ｍ-２・sec-1、12 時間明・12 時間暗サイクル）のもとでコロニーが確認できるまで（2～3 ヶ月）静置培養を行った。
2. 炭素イオンビーム照射；炭素イオンビーム照射(ca. 450 MeV, 30 Gy/min)には、福井県若狭湾エネルギー研
究センターの生物照射コース(高エネルギー)を用いた。まず、照射条件を検討するために、6 線量（125,250,375,500,625,750Gy）区で照射を行い致死率の検定を行った。致死率は出現コロニー数を異なったマ
イクロタイタープレートから５ウェル選び計数し、イオンビーム照射を行わなかった対照の出現コロニー数に対する割合を平均値±SD として示した。次の照射では 1 回目に約 90%の致死率が得られた線量(500Gy)を用い、照射後マイクロタイタープレートに入れた細胞数に対する 3 か月後の出現コロニー数の割合を致死率とした。
3. 突然変異体のスクリーニング；倒立顕微鏡を用いてマイクロタイタープレートの底面に出現したコロニー約107 個を目視によりスクリーニングした。変異体の可能性のあるコロニーは、ガラスキャピラリーを用いて無菌的に拾い、新たな培地を入れたマイクロタイタープレートに移し培養を継続した。
*１

公立大学法人福井県立大学・海洋生物資源学部 *2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、福井県立大学と(公財)若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。
本研究は JSPS KAKENHI Grant Number JP（15K07368）の助成を受けた。

61

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
結果と考察
5 線量区の照射により照射２ヶ月後に得られた致死率を図１に示した。高線量領域で偏差が大きかったものの、致死率は 500Gy 以上で 80％以上となった。この結果をもとに、500 Gy を変異体を得るための線量とした。
２回目の線量 500Gy 照射の致死率は 90％で、出現総コロニー数は約 107 個であった。スイゼンジノリはマイクロタイタープレートの底面に自身が生産した EPS により付着してコロニーを形成する。EPS 生産能が減少あるいは失われた突然変異体はプレート底面に付着せず培養液中に浮遊することが期待された。しかし照射３ヶ月後までに、培養液中に浮遊する細胞は全く観察できなかった。原因として EPS 生産能を持つコロニーがマイクロタ
イタープレート底面に EPS の層を形成したため、たとえ EPS を形成しない突然変異体が出現していても底面に形成された EPS 層にトラップされ浮遊できなかった可能性が考えられた。そこで、マイクロタイタープレート底面に形成されたコロニーを倒立顕微鏡で観察したところ、大部分のコロニーは細胞間隙が多量に存在する無色透明の EPS によって広がり、細胞密度が低く明色を呈していたが、一部で濃色のコロニーが観察された（図 2）。顕微鏡観察から、濃色のコロニーは細胞間隙が明色のコロニーに比較して狭くなり細胞密度が高くなっていることが明らかになった（図 2 挿入図）。これらの結果から濃色コロニーは EPS の合成・放出量が少なくなった突然変
異体の可能性が考えられた。 約 107 個のコロニーを目視でスクリーニングし、35 の濃色のコロニーを得た。
EPS 合成・放出の分子機構研究の進んでいる EPS 生産グラム陰性細菌では、オリゴ糖合成・オリゴ糖の重合による EPS 合成・EPS の細胞外放出に関わる複数のタンパク質が既に同定され、これらのタンパク質をコードす
る EPS 合成・放出関連遺伝子はゲノム上にオペロンを形成して存在することが明らかになっている。一方ラン藻ではグラム陰性細菌の EPS 合成・放出関連遺伝子のオルソログは見つかってはいるものの、それらはオペロンを形成せずゲノム上に散在している 2)。スイゼンジノリについても全ゲノム解析からゲノム上にオルソログが散在している結果を我々は既に得ている。そのため突然変異体作出に遺伝子ノックアウトの手法を用いることは困難が予測され、本研究で用いたような突然変異誘発処理後に表現型を指標にスクリーニングを行う手法が有効と考えられた。

結言得られた EPS 合成・放出関連遺伝子突然変異体の可能性のある濃色コロニーは現在分離培養を継続中である。これら複数の濃色コロニーのゲノムを比較することで、ラン藻における EPS 合成関連遺伝子とその機能が明らかになることが期待される。
参考文献
1) M.Okajima-Kaneko et al.: Pure Appl Chem., 79, 2039 (2007).
2) S.Pereira et al.: FEMS Microbiol Rev., 33, 917 (2009).

62若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.3.1.8
重イオンビーム育種技術の高度化
Improvement of Heavy Ion Beam Breeding
髙城啓一*1、畑下昌範*1
Keiichi TAKAGI and Masanori HATASHITA
日本国内には生物試料にイオンビーム照射を行うことができる加速器施設が 4 箇所あり、この内の、若狭湾エネルギー研究センター(若エネ研)を含む 3 箇所が、戦略的イノベーション創出プログラム「戦略的オミクス育種技
術体系の構築」において、重イオンビーム育種技術の高度化研究に参画している。
重イオンビーム育種技術の高度化では、イネの品種「ニホンバレ」を対象品種とし、それぞれの照射施設が、それぞれの施設に特徴的なイオンビームを照射し、現れる突然変異の特徴を明らかにすることで、望む様式(変異のタイプやサイズ)の突然変異を得るためにはどの施設のどのようなビームを照射すればよいかということに関して体系化を図っている。
若エネ研では、照射位置でおよそ 450 MeV のエネルギーを持つ炭素ビームを照射可能である。このビームは水中をおよそ 4.3 mm 透過可能であり、ビームの進入位置でおよそ 60keV/µm の LET(線エネルギー付与、ビームが 1µm 進む間に周囲に与えるエネルギー)を持つ。現在福井県立大学と協力して、このビームを用いてイネに突然変異を誘導し、農業用有用な突然変異体を選抜し、理化学研究所と共同で突然変異体のゲノム情報の解析を行っている。
現在のところ、大粒、矮性、早生など 5 系統の変異体の全ゲノム情報の塩基配列解析を終え、それぞれの変
異体に生じた突然変異の解析を行っている。
*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、SIP 次世代農林水産業創造技術に基づき農研機構からの受託研究として実施している。

2.3.1.9
トマトのイオンビーム照射突然変異誘発による新規品種の育成
Breeding of New Tomato Cultivars Using Mutations Evoked by Irradiation of Ion Beam細川宗孝*1、高城啓一*2
Munetaka HOSOKAWA and Keiichi TAKAGI
我々は、サフランをはじめ中東での換金作物における機能性の向上を目指して研究を行っている。本年度は、中東地域における栽培労力の削減が可能となる単為結果性や高温開花性などの変異体を選抜することを目的に、若狭湾エネルギー研究センターでこれまでに得られたトマトに関するデータをもとに、トマトの乾燥種子に陽子線(200 MeV, 20 Gy/min)を 100Gy, 150Gy, 200Gy で照射した。トマトの変異体で得られた知見は、サフランの育種でも活用する予定である。
照射後播種した種子は、30℃暗黒で発芽させた。発芽した種子は 18 ㎝のポットに植え付け、4 g/l の緩効性
肥料（28N-8P-16K）を各ポットに与え 15－25℃の温室にて栽培している。100Gy 照射区では 1189 の種子を播種し、92%が発芽し、出芽したのは 60.1%、生存率は 52.6%であった。150Gy 照射区では 1169 の種子を播種し、それぞれ 94.8%、71.2%、50.4%であった。さらに 200Gy 照射区においては 93%、83.0%、55.2%であった。発芽率はいずれの焼灼も 90%以上であった。一方で、生存率は 50%から 60%に低下したが、いずれの線量区においても生存率に大きな差は認められなかった。試行した線量範囲で線量依存性の生存率低下を示していないことから、発芽率に対する生存率の低下は照射に起因するものではない可能性がある。現在栽培を継続し、各種の形質調査を行っている。
*１

京都大学農学研究科、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、京都大学と(公財)若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

63

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.3.1.10
花卉園芸植物へのイオンビーム照射による新品種の育成
Development of Commercial Varieties of Flowering Plants by Ion Beam Irradiation
畑下昌範*1、高城啓一*1、鈴木勝久*2
Masanori HATASHITA, Keiichi TAKAGI and Katsuhisa SUZUKI
栄養繁殖系の植物材料を用いることにより、照射当代において枝変わり変異を選抜することができれば、それらの変異体を挿し木や組織培養等の方法によって形質を安定に保ったまま増殖することで、短期間での新品種育成が期待できる。我々は、ビンカ（Catharanthus roseus）の茎頂分裂組織に対して、イオンビーム照射を行ってきた。その後の育成したものの中から、花に刷毛目状の斑が入った花色変異体を複数選抜し、それらの枝については挿し木により植物体を残してきた。それらの中で、淡ピンク系品種の花に絞りが入った変異体でせと福GPN およびレッド系品種の花に絞りが入った変異体でせと福 RMR と命名した品種については、品種登録の出願を行い、品種登録に必要な要件である区別性、均一性が農水省の審査により確認されたため、品種登録された。
ビンカのシリーズ化を目的として、花色が紫色であるビンカの吸水種子にプロトンビームを 50Gy 照射し、その後育成した個体の枝から、枝変わりとして花に絞りのある変異体を選抜した。本変異体は花色、花の絞りなどの特徴から対照品種と比べて有意に区別できることから、新品種に値すると判断した。また、同一世代で同時に挿し木して栽培した株はすべて同じ形質を示し、作期間でもそれらの形質が安定していたことから、品種登録の要件である区別性、均一性、安定性をいずれも満たしていると考えられた。これより、本変異体をせと福 VMR と命名し、品種登録出願を行った。
その他の品種登録候補個体については、無菌化苗を作成し、培養系での系統の保存を行った。
*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室、*2 ハクサンインターナショナル株式会社
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターがハクサンインターナショナル株式会社と共同で実施した研究の一部である。

2.3.1.11
炭素線照射処理オオムギ後代からの種子貯蔵タンパク質変異のスクリーニング
Screening of Seed Storage Protein Mutation from the Progenies of Carbon Beam Irradiated Barley
長嶺敬*1、池田達哉*2、高城啓一*3
Takashi NAGAMINE, Tatsuya M. IKEDA and Keiichi TAKAGI
イオンビーム処理による有用突然変異の誘発事例は多くの作物で報告されている。新たなオオムギ品種の開発にむけて、炭素線処理後代から品質・農業特性に関わる有用突然変異の選抜を行う。今年度は加工品質の改良につながる澱粉糊化特性、プロアントシアニジンフリー性に関する変異スクリーニングを行った。
六条オオムギ品種ファイバースノウなど 3 品種に対して、50 あるいは１00Gy の炭素線照射処理を行った後代（M2）約 2000 個体（温室ポット栽培）について、種子貯蔵タンパク質 D-ホルデインの突然変異、４M 尿素溶液中での種子の崩壊を指標とする澱粉特性変異、及び水酸化ナトリウム溶液に含浸した種子の赤色変化がないことを指標とするプロアントシアニジン欠失変異の選抜を行った。その結果、原品種に比べて、D-ホルデインに関する低分子量化変異 1 系統、尿素崩壊程度が著しく小さい硬質変異 20 系統と、プロアントシアニジン欠失変異４系統を選抜することができた。
D-ホルデイン変異に関しては、大麦粉の生地物性を用途の広い小麦粉生地に近づける効果が期待される、澱粉の尿素崩壊程度が小さい変異は、難消化性澱粉や食物繊維が高含量化していることが期待される。また、プロアントシアニジン欠失変異は大麦加工品の色相劣化（褐変）が少ないことが期待される。今回の選抜系統は
今後再増殖、選抜特性の再確認を行い、育種利用する。
*１

農研機構・中央農業研究センター･北陸研究拠点・作物開発研究領域、*2 農研機構・西日本農業研究センター･水田作研究領域、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、農研機構と(公財)若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

64

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.3.1.12
粒子線処理による有用トチュウの突然変異育種
Mutation Breeding of Eucommia ulmoides by Irradiation of Ion-Beams
鈴木伸昭*1、中澤慶久*1、髙城啓一*2
Nobuaki SUZUKI, Yoshihisa NAKAZAWA and Keiichi TAKAGI
トランスポリイソプレン生産木であるトチュウに対し X 線、陽子線、炭素線の照射処理を行い突然変異体の作出を進めている。トチュウのトランスポリイソプレンは植物由来の天然ポリマーとして注目される。その果皮には、8%程度のトランスポリイソプレンが含まれるが、生産性向上を目的に、突然変異、選抜育種等により更なる高含量株の取得が望まれている。
放射線育種について前年度実施の結果、照射組織として種子を用いた場合、トチュウの半数致死線量は X
線、陽子線、炭素線でそれぞれ 75、60、20Gy 前後であったが、この照射条件でその後生存した個体は多くが生育遅延、白化等の症状を示した。これらの照射個体のうち、その後約 6 か月間で発根、本葉出芽に至り、また比較的良好に生育した個体それぞれ約 20 株程度を 28 年中に植物育成用の人工気象機に移し、明期・16 時
間、暗期・8 時間の光サイクル下で 23 度にて生育させた。また、28 年春期に播種した未処理の個体をコントロールとして同様に育てて比較した状況では、これまで葉の形状、色等、目視で判別できる形質の違いは見られていない。この後、処理個体は 29 年中に圃場に移植して更に育成を続け、引き続き表現型の差異を観察する予定である。また、トチュウは播種後 5 年程度で開花が見られ始めるため雌雄判別が可能となる。特に雌株については、種子結実を待って果皮におけるトランスポリイソプレン含量の解析等を行う。
*１大阪大学 Hitz 協働研究所、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、大阪大学 Hitz 協働研究所と(公財)若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

2.3.1.13
イオンビーム照射による野菜類の品種改良
Ion Beam Breeding of Vegetables
後藤勇太朗*1、棚橋知弘*1、髙城啓一*2、畑下昌範*2、田中良和*2
Yutaro GOTO, Tomohiro TANAHASHI, Keiichi TAKAGI, Masanori HATASHITA and Yoshikazu TANAKA
乾燥種子への炭素線照射を用いて、アブラナ科野菜(ミズナ、ダイコン)、エンドウなどの豆類やナス科野菜(ナス、トマト)など果菜類の品種改良を試みている。
H28 年度は、エンドウ(Pisum sativum)、ナス(Solanum melongena)の乾燥種子に種々の線量でエンドウについて
は陽子線を、ナスについては炭素線照射を行い、線量応答を調査した。
発芽率は、エンドウに関しては、130 Gy 以上で低下が見られた。ナスは試行した線量(最大 150 Gy)ではほとん
ど影響が見られなかった。
陽子線を照射したエンドウは、45 Gy で子葉の形態に異常が現れ、90 Gy では 64%が生長停止、130 Gy では発
芽したすべての個体が生長停止した。このことからエンドウに対する陽子線の適正線量は 45 Gy 前後ではないかと考えられた。
炭素線を照射したナスでは、試行した全線量域で著しい生長抑制は見られなかったが、線量の増加に伴い増殖組織への影響を反映する第 1,2 本葉の形態異常の増加が見られた。この形態異常は 100 Gy では、10%以上の個体に見られた。この結果からナスに対する炭素線の適正線量は 100 Gy か、それよりもやや高い線量であると推測された。
今後はこれらの結果をもとに種子照射を行い、優良形質の選抜を行う予定である。
*１

株式会社アサヒ農園、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、株式会社アサヒ農園と(公財)若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

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若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.3.1.14
植物育種の効率化を目指した DNA マーカーの開発
Development of DNA Markers for Improving the Efficiency of Plant Breeding
田中良和*1、鈴木勝久*2、水野隆*3
Yoshikazu TANAKA, Katsuhisa SUZUKI and Takashi MIZUNO
野菜の育種においては栽培性や高品質性、病害に対する抵抗性など多様な需要があり、種苗会社は迅速かつ効率的に品種改良を行うための方法を求めている。遺伝子解析技術の進展により、現在では交配を行った試料植物が、特定の性質を持つか否かを DNA レベルで判定可能になった。この方法を用いれば、従来の選抜試
験と比べて飛躍的短期間かつ省スペースで、季節要因などに左右されない選抜が可能となる。本研究は DNA
判定に用いる特定塩基配列（DNA マーカー）を見つけ出し、植物育種の効率化に寄与することを目的とするものである。イチゴは年間を通じて需要が高いが、現在販売されているイチゴの多くは一季成り品種であり、夏秋期が市場の端境期となる。四季を通じて収穫が可能な品種も存在するが、果実品質が劣り、収量が低いなどの問題がある。そこで四季成り性を有する高品質イチゴの育種に使用可能な DNA マーカーの作成を Random
Amplified Polymorphic DNA（RAPD）法を用いて試みた。一季成り品種（あきひめ、とよのか、一季成りベスカ）と四季成り品種（テンプ、トリスタン、ローマン、四季成りベスカ）の葉から DNeasy Plant Mini Kit（QIAGEN 社）を用いて DNA を抽出し、10 塩基からなる 80 種類のプライマー（HP22.1 Roth Random Primer Kit A to D、ROTH 社）
を用いて RAPD を行った。その結果、四季成り系統で特異的に増幅する複数の DNA 断片を発見し、それらのDNA 塩基配列の解析から、品種識別に利用可能なマイクロサテライト配列を検出した。今後は各 DNA 断片の塩基配列から四季成り性の検定に利用可能なものを検索し、DNA マーカーの作成を進めていく予定である。
*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室、*２ハクサンインターナショナル株式会社、*3 プランツファーム SETO
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターがハクサンインターナショナル株式会社、プランツファーム SETO と共同で実施した研究の一部である。

2.3.1.15
イオンビーム照射による耐熱性有機酸発酵変異株の構築
Construction of Heat-Resistant Organic Acid Fermentation Filamentous Fungi Mutants by Ion Beam
Irradiation
畑下昌範*1、星野一宏*2
Masanori HATASHITA and Kazuhiro HOSHINO
現在、バイオマスからの有用物質生産の実用化において、バイオマスの加水分解反応の促進、基質の殺菌
エネルギーの削減、発酵速度の向上などを達成できる高温環境下で発酵生産が可能となる発酵微生物が求められてきている。しかし、このような耐熱性発酵微生物はほとんど存在しない。そこで、本研究では、イオンビーム
照射により発酵温度を向上させた耐熱性有機酸生産糸状菌を育種することを目的とした。
イオンビーム育種法を活用することにより、耐熱性乳酸発酵糸状菌の育種を試みた。プロトンビーム、カーボ
ンビームをそれぞれ照射した系で、増殖阻害を受ける線量区を主として、変異株のスクリーニングを行った。今までの研究から、乳酸発酵糸状菌に対してイオンビーム照射による変異導入を実施し、50℃で 30 g/L 以上の乳酸を生産できる生産株および 40℃でキシロースから乳酸発酵可能な生産株のスクリーニングに成功してきた。
この高温条件下でキシロースから乳酸発酵可能な生産株は、温度上昇によるキシロース代謝酵素活性の低下を抑制していると考えられる。そこで 40℃で培養した菌株を回収し、細胞内の Xylose reductase、Xylose
dehydrogenase、Lactate dehydrogenase 活性を測定したところ、いずれも野生株の数十倍ないしは約百倍の酵素活性を示した。これらの結果からイオンビームにより構築した変異株はキシロースから乳酸への代謝にかかわる酵素群が野生株よりも高発現していることが示唆された。
イオンビーム照射により目的とする形質を容易に選抜することができたので、今後もこの手法を用いてより高性能な変異株の獲得を試みる予定である。
*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室、*2 富山大学工学部生命工学科
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが富山大学と共同で実施した研究の一部である。

66

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.3.1.16
粒子線照射による花卉類の品種改良
Improvement of Ornamental Flowers by Ion-Beam Breeding
藤井崇治*1、髙城啓一*2
Takaharu FUJII and Keiichi TAKAGI
イオンビーム照射を用いて、スターチス類、ユーストマ、ストックなど花卉類の品種改良を試みている。
ストックは、八重咲き(ダブル)の品種の人気が高い。しかし、ダブルでは、雄ずい、雌ずいが形成されないため、ダブルの花から順系ダブルの種子を得ることはできない。生産者はダブルの遺伝子をヘテロで持つ種子を播種し、幼苗の段階で苗の形態からダブルとなる個体の選別を行っており、この作業が生産者の負担となっている。
この負担を軽減するため、種子の段階で選抜可能な品種(オールダブル)が存在し、種苗会社はこのような品種
を種子段階で鑑定し、ダブルのみが育つ種子として販売している。しかし、オールダブル品種の花色は、今のところ白か黄色に限定されており、色彩の多様化が望まれている。
そこで我々は、陽子線を照射したオールダブル品種のストックから、白、黄色以外のオールダブルの品種を作り出すことを試みている。これまでのところ、選抜した照射第一世代花色変異体から照射第二世代種子を取り、これらの中でダブルと鑑定した種子より、ローズ色のダブル個体を得ている。しかし、この第二世代種子は種子鑑定の結果と実際の花の状態が一致しないため、今後選抜を重ねてローズ色の花弁を持ったオールダブルの品種確立を目指す。
*１

福花園種苗株式会社生産技術部生産技術グループ、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、福花園種苗株式会社と(公財)若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

67

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.3.2. 植物工場関連技術開発
2.3.2.1
イオンビーム照射を利用した植物工場に適したレタス新品種の開発
Development of New Varieties of Lactuca sativa Suitable for Plant Factory by Ion Beam Irradiation
畑下昌範*1、井村裕治*2
Masanori HATASHITA and Yuji IMURA
近年、天候や場所にとらわれず連続生産が可能であり、無農薬、高栄養価などの高付加価値の作物を作る
植物工場による農業生産が行われてきている。こうした人工的な栽培環境の制御下において作物を周年生産するシステムにおいては、環境制御にかかるコストを低減することが課題であるが、品種毎による栽培条件の最適化や植物工場に適した品種の選択や開発については、あまり検討されていない。本研究においては、葉菜類などの野菜に対する組織培養技術とイオンビーム育種技術とを組合せた新しい育種技術および栽培環境条
件の最適化などにより、短期間で高生長する植物工場に適した高生産性品種を開発する。こうした取り組みを通じて、植物の工場生産にかかる環境負荷の低減に資する。
以前からの研究により、組織培養条件を確立したレタス６品種について、葉片へのイオンビーム照射を行い、その後再分化した個体の中から生育の早い系統を複数得た。その照射第 2 世代の種子を用いて、系統別に播種し、形質に分離がみられず、従来品種に比べて約 2 割以上の高生長性を示す系統を 8 系統選抜してきた。さらに、これらの系統の中で、従来品種に比べて最も早い生育を示す系統について、４世代の世代更新を行ってきた。
人工光下での水耕栽培条件で、これらの４世代分の種子を同時に播種し、従来品種との生育差、同一世代における生育差、世代間での生育差を調査した。従来品種との比較では、湿重量、乾燥重量ともに約 2 割以上の増大が認められた。同一世代においては、株間における生育の差はほとんど見られなかった。また、世代間における生育の差もほとんど見られなかった。以上より、本変異系統は、品種登録の要件である区別性、均一性、安定性をいずれも満たしていると考えられた。
*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室、*2 福井シード株式会社
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井シード株式会社と共同で実施した研究の一部である。

2.3.2.2
抗酸化活性評価法の開発
Development of Evaluation of Antioxidative Activity
遠藤伸之*1
Nobuyuki ENDO
食品の機能性の中でも抗酸化活性は、生活習慣病や老化、発がんとの関連性が示唆される活性酸素種による生体障害を抑制する能力として特に注目されている。近年、抗酸化成分は五大栄養素、食物繊維に次いで「第七の栄養素」と呼ばれ注目されており、抗酸化機能の高い食品は付加価値が高まる例が多い。このため、抗酸化成分を多く含む食品の検索が進められている。しかし抗酸化機能を簡便かつ確実に評価する方法は確立されていない。活性酸素種は反応性の高さゆえに測定が困難であり、従来法では抗酸化活性の正確な評価ができないからである。
これまでの研究で電子スピン共鳴装置を生体内で発生する活性酸素を測定する手法として用い、医学、科学の分野で成果をあげている。電子スピン共鳴装置を用いた活性酸素測定法は操作が煩雑で測定結果解析の難易度が高いものの、短寿命な活性酸素を高感度かつ特異的に分析する手法として非常に優れている。
ヒトの体内で実際に生成、作用していることが明らかとなっているヒドロキシルラジカル、スーパーオキシドアニ
オンラジカル、ペルオキシドラジカル、一重項酸素や過酸化水素などの活性酸素種を光照射系で簡便に発生できる系を開発し、それらに対する抗酸化物質との消去活性に関して、さまざまな条件下で電子スピン共鳴装置を用いた分析を行い、既存の方法より簡便で再現性の高い評価系の確立を目指している。
*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室

68若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4. 多様な分野の活動を支える技術開発
2.4.1. 加速器技術の開発・高度化
2.4.1.1
若狭湾エネルギー研究センター加速器施設の現状
Current Status of the Accelerator Facility at WERC
羽鳥聡*1、栗田哲郎*1、
林豊*1、山田裕章*1、小田桐哲也*1、廣戸慎*1、清水雅也*1、山口文良*1、淀瀬雅夫*1、長崎真也*1、和田一人*1
Satoshi HATORI, Tetsuro KURITA,
Yutaka HAYASHI, Hiroaki YAMADA, Tetsuya ODAGIRI, Makoto HIROTO, Masaya SHIMIZU,
Fumiyoshi YAMAGUCHI, Masao YODOSE, Shin’ya NAGASAKI and Kazuto WADA
Abstract
After the creeping discharge on the insulation column of the tandem accelerator in 2014, it had been impossible
to apply the maximum acceleration voltage of 5 MV to the terminal. In the periodic inspection conducted in2015, we changed the potential fixing method, however, it was impossible to generate the high tension with morethan 4.5 MV. In the periodic inspection in 2016, we checked and reduced the distribution of the resistors
dividing the terminal voltage within full width of 8.8 % at most. This control of the distribution of the dividers
yielded the uniform distribution of potential on the column and along the acceleration tubes. After theinspection, maximum tension of 5 MV was applied to the terminal.
要約2014 年タンデム加速器は絶縁コラム上で発生した沿面放電により、5 MV の加速電圧発生が行えなくなった。
2015 年定期点検（定検）では電位固定法の変更を行ったが、2015 年も 4.5 MV 以上の高電圧維持が不可能であった。2016 年定検ではさらに分割抵抗、ダイオード順方向電流を制限する限流抵抗の抵抗値分布を管理し、電位分布の一様化の取り組みを行った。一時期ではあるが 5 MV 電圧発生が復活した。
緒言2014 年 11 月の絶縁コラム上で沿面放電が発生して以来、最高電圧を 4 MV に制限しての運転が続いている。2015 年の電位固定方法の見直しによっても、5 MV の発生はできなかった。
2016 年は前年度からのビーム供給を 4 月まで行い、5〜6 月の定期点検（定検）を経て、マシンタイムを再開した。2016 年度の定検で、多段倍電圧整流回路（シェンケル回路）の組み込まれた絶縁コラム（シェンケルコラ
ム）表面に何段かの倍電圧整流回路を短絡する放電痕やコラム表面、ダイオードスタックやコラム分割抵抗を保護する放電ギャップ、加速管や加速管分割抵抗を保護する放電ギャップにアーク放電痕がみつかった。
2016 年定検では放電ギャップの電位差を設計値になるべく近づけ、電位のアンバランスによる放電開始を抑える取り組みを行った。すなわち、放電ギャップにより保護される分割抵抗、ダイオードスタックの限流抵抗、ダイ
オードの順方向／逆方向抵抗の分布を管理する取り組みである。
定検期間の最後で行った昇圧試験で 5 MV が復活した。しかし、2016 年 9 月 15 日に再び倍電圧整流回路を短絡するような放電が起こり、以後は 4 MV に制限した運転を行った。タンデム加速器の高電圧発生時間は3674 時間であった。
シンクロトロンに関しては、位相振動の発生機構の調査とそれにもとづく抑制法を開発し、実現している。これは項目 2.4.1.2 で詳細に報告する。
タンデム加速器放電
絶縁コラム表面や放電ギャップでの放電は、電位分布のバランスが崩れることが原因の一つとなり引き起こされると考えている。加速器タンク内には複数の熱源が存在し、温度勾配が生まれる。絶縁コラム表面の絶縁抵
抗やターミナル電圧を分割する分割抵抗などが温度勾配に比例し、電界の不均一性を生むことが放電の起こし
やすさの原因と考えられることから、絶縁ガスを循環冷却することで、温度勾配を抑える取り組みを行っている。
*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・加速器室
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県から施設の指定管理を受託実施したものである。

69

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
温度勾配によらずとも分割抵抗の抵抗値の分布による電界の不均一性も発生しうる。抵抗値の分布は工場出荷時の公差、劣化による多くの場合低抵抗値側にテールを引く分布などである。一例として加速管分割抵抗の大部分に用いられる 76 MΩ抵抗の抵抗値の頻度分布を図 1 の上半分に示す。低抵抗値側にテールを引いているのは劣化によるものであり、交換すべきものであると考えた。

図１加速管分割抵抗（76 MΩ）の抵抗値頻度分布
上半分は加速管から取り外した直後、下半分は一部交換した後の頻度分布。

図 1（上）でテールより上、すなわち、74.92 MΩ以上の集団の平均値μと標準偏差σはそれぞれ 76.00、0.61MΩである。交換品は 60 個しか用意することができなかったので、この平均値の周りに 4.55σの範囲を管理値とし、すなわち、73.23≦R≦78.77 MΩ（平均値に対し分布幅 8.8 %）は再利用することとした。交換後の頻度分
布が図 1(下)である。各抵抗には[0,1)一様乱数が付与され、乱数の昇順に、高エネルギー／低エネルギー加速管の区別なく取り付け位置が決められた。
ダイオードスタックに用いられるダイオード順方向電流を抑える限流抵抗は分布の平均値に対し分布幅 1.2 %以内、コラム抵抗は平均値に対し分布幅 0.8 %以内に抑えた。
2017 年度の定検で加速管、コラムの放電ギャップや絶縁コラム上の放電痕が調査されたが、一部を除いて放電痕は見出されなかった。素子の均一化を図る取り組みの結果があらわれたものと考えている。高エネルギ−側
加速管の中間連結部を支えている箇所で加速管電位とシェンケルコラム電位が放電ギャップを挟み対峙するが、70

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
この部分にアーク放電痕がみつかった。ギャップ長の調整が間違っていたことが原因であり、9 月 15 日の放電につながったと考えている。
結言
タンデム加速器の最高加速電圧を回復すべく、素子の均一化により電位分布を均一化する方法を取り入れた結果、2016 年は 5 MV の運転ができた。一部分放電ギャップ長の調整ミスから再び放電を許してしまったが、素子の均一化の取り組みは今後も継続して行う。

図 2 タンデム加速器運転時間推移
上半分は加速イオン種・エネルギーでまとめたもの。下半分は実験テーマごとの推移を現している。

71

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.1.2
シンクロトロンの加速高周波位相ノイズによる位相振動の抑制
Suppression of Phase Oscillation Induced by Phase Noise of RF of a Synchrotron
栗田哲郎*1
Tetsuro KURITA
Abstract
In the synchrotron at WERC, phase noises in the LLRF system has induced phase oscillation of a beam bunch.
The phase noise originated a frequency multiplier amplifies which amplified not only frequency but also the phasenoise. Therefore, I remodeled the LLRF system. Acceleration frequency is directly generated by Direct Digital
Synthesizer (DDS) without passing a frequency multiplier. The signal for the detection of the cavity voltage andthe beam position monitor is generated by using an image reject mixer. By this improvement, some resonancefrequency of phase oscillation disappears. The extracted current increases to 3.9nA from 3.59nA. The fluctuationof the extracted current decreases to 6% form 23%.
要約
シンクロトロン加速高周波に重畳する位相ノイズが原因でビームの位相振動が発生している。位相ノイズの原
因は、高周波信号制御系の 10 逓倍回路で周波数が 10 倍されるともに、ノイズ成分も増幅されていることにある。
そのため、逓倍回路を経ずに原発振器である Direct Digital Synthesizer (DDS)からの周波数を加速周波数とし、ビーム位置モニタや空洞電圧の検波に必要な周波数は Image Reject Mixer を使用して生成するようにした。この改造を行うことにより、シンクロトロン振動数に発生していた幾つか共鳴周波数が消え、Proton 7MeV 入射、
200MeV 出射時の電流量が 3.59nA から 3.9nA に増加し、電流量の変動が 23%から 6%に抑えられるようになった。
緒言
シンクロトロンに入射された荷電粒子は加速高周波によって、捕獲されビームバンチを形成する。加速高周波によって形成される安定してビームバンチを捕獲できる領域（RF バケツ）とビームバンチに何らかのミスマッチがあると、ビームバンチは RF バケツの中で振動する（位相振動）。位相振動が成長すると、ビームは RF バケツの中からこぼれ落ちてビームロスになる。
このため、加速高周波とビームバンチの位相差を検出して加速高周波の周波数にフィードバックする事により、位相振動を抑制している。しかし、位相フィードバックはバンチを形成していない捕獲領域と出射領域では機能しない。したがって、位相フィードバックがない状況でも位相振動を抑制できれば、捕獲電荷及び出射電流量の安定性に寄与すると考えられる。既存のシステムでは、加速高周波に位相ノイズが重畳することが原因で、位相振動が発生することが分かっている 1)。高周波信号制御系を改造し位相ノイズを低減させ、位相振動を抑制させることを試みた。
高周波信号制御系の改造
図１に従来の高周波信号制御系の概要を示す。原発振器である DDS の周波数を 10 逓倍し、PLL によって10MHz にロックされた VCO の周波数を足し合わせている。さらに 71MHz を引くことにより加速高周波の周波数（高周波基準信号）としている。71MHz を引く前の信号
は、空洞電圧およびビーム位置モニタの検波用信号として用いている。
周波数の 10 逓倍の際に位相ノイズも 10 倍にしてしまっているので、図 2 のように DDS の出力を直接加速周波数とするようにした。空洞電圧とビーム位置モニタの検波に、加速周波数に 71MHz を足した検波用信号をアップコンバージョンで生成する必要がある。一般的*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・加速器室

72

図 1 改造前の加速高周波制御系

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）に周波数変換には、二重平衡変調器(DBM)によって周波数を混合し必要なサイドバンドだけを周波数フィルタ
ーで取り出すことによって行われる。しかし今回の場合、周波数間隔が狭く、周波数フィルターでは下側波帯(LSB)を除去できない。そこで Image Reject Mixer を用いて、周波数フィルターを用いることがなく、LSB を30dBc(約 1/30)まで減衰させる。しかし、残留する LSB の影響で空洞電圧検波出力が、空洞電圧モニタ信号と検波用高周波信号の位相差に依存するようになる。その結果、空洞電圧の振幅が周波数特性を持つ 2)。図 3 に
空洞電圧の周波数特性示す。空洞電圧の振幅が周波数特性を低減させるために、Image Reject Mixer への入力信号にケーブルディレイを挿入して位相差を補正し、空洞電圧の変化幅を 1.6%まで減少させた。

図 2 改造後の加速高周波制御系

図 3 空洞電圧の周波数特性

ビーム試験結果
加速高周波に位相ノイズが重畳している場合、ノイズの周波数成分と加速高周波電圧で決まるシンクロトロン
振動数が一致すると、ビームバンチの位相振動の振幅が大きくなる。図 4 に、加速高周波の電圧を捕獲後に一定にし、その電圧を変化させることによりシンクロトロン振動数を変化させ、シンクロトロン振動数に対する位相振動の振幅をプロットしたものを示す。
改造前は、720Hz, 773Hz, 1770Hz, 3140Hz の周波数で共鳴が発生していた。720Hz 以外の周波数は加速高周波の位相ノイズの周波数と一致する 1)。改造後では、720Hz 以外の周波数では、共鳴周波数は消えた。720Hz
は偏向電磁石のリップルの周波数に一致し、軌道長が変化することによって位相振動が発生していると考えら 図 4 シンクロトロン振動数に対する位相振動の振幅れる。
位相振動が抑制できるようになった結果、Proton 7MeV 入射 200MeV 出射時の電流量が 3.59nA から 3.9nAに増加し、電流量の変動が 23%から 6%に抑えられるようになった。
結言
シンクロトロンの加速高周波に重畳する位相ノイズの除去を目的として、加速高周波制御系の改造をおこなった。その結果、ビームバンチの位相ノイズが抑制され、出射電流量の増加および安定性の改善が行われた。
参考文献
1) 栗田哲郎、(公財)若狭湾エネルギー研究センター研究年報 平成 27 年度, 18, 65 (2015)2) 栗田哲郎 他、第 13 回加速器学会年会プロシーディングス, 1332 (2016)73若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.2. 加速器利用分析技術の開発・高度化
2.4.2.1
イオンビーム分析での照射による表面形状の観察
Observation of Surface Structure for Ion Beam Irradiation
鈴木耕拓*1、中田吉則*1
Kohtaku SUZUKI and Yoshinori NAKATA
Abstract
Ion beam analysis has been developed at the Wakasa Wan Energy Research Center in Fukui prefecture. Ion
beam analysis has a feature of non-destructive analysis. However, it is not perfectly non-destructive analysis.
In order to measure the effect of ion beam irradiation, target surface structures of irradiation/non-irradiation
region were observed.
要約
福井県若狭湾エネルギー研究センターでは加速器を用いたイオンビーム分析の手法を開発している。イオン
ビーム分析はほぼ非破壊で分析可能という特徴を持っている。しかしながらイオンビームを試料に照射するため、完全な非破壊検査というわけではない。そこでイオンビーム照射した箇所と照射していない箇所の表面形状の観察から、照射による影響を調べた。
緒言
イオンビーム分析は軽元素から重元素まで定量分析が可能で、かつほぼ非破壊で測定できるというメリットがある。しかしながら完全非破壊検査というわけではないため、イオンビーム照射前後の試料表面の形状を観察することにより、どの程度の影響があるか調べる必要がある。
イオンビーム照射による影響観察
シリコン基板と、シリコン基板に数十 nm 蒸着した TiO2、HfO、Au、PET フィルムについて照射効果を観察した。
イオンビームは炭素 8 MeV、ヘリウム 8 MeV、ヘリウム 3 MeV を用いて比較した。シリコン基板と蒸着した試料については合計 50～100 µC（クーロン）となる量を照射した。これは若狭湾エネルギー研究センターのイオンビー
ム分析において照射される標準的なエネルギーや量である。
図 1 には照射した試料の写真を示す。一番右に PET フィルムがあるが、黒く変色した部分が 2 か所見られる。
これは上から炭素 8 MeV、ヘリウム 8 MeV を照射した場所である。その他の試料についても同じように照射したが、見た目で変化はほとんどなかった。
Au 20nm/Si

HfO 10nm/Si

TiO2 10nm/Si

Si

PET 100 µm

10 mm
図 1 照射後の試料
図 2 には原子間力顕微鏡（AFM）で取得したビーム照射箇所（右）と照射していない箇所（左）の画像を示す。
どちらも、試料表面に付着した不純物の突起構造が見られるが、表面の粗さに変化はなかった。図 3 は、図 2 のビーム照射した領域の表面粗さ解析の結果である。図 3 左上の矢印に沿って表面段差が図下側に表示されている。どの領域でも表面の粗さは 0.2～0.3 nm という結果であった。この結果はシリコン基板に蒸着した各種試料やシリコン基板そのものについても同様である。さらに照射した領域としていない領域を比べても大きな違いは見られなかった。PET フィルムについては黒く変色しており、光学顕微鏡で観察しても表面が凸凹しているこ*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県からの受託研究として実施したものである。

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若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）とが分かった。触針式段差計で測定したところ、数十 µm の凹凸があることが分かった。照射量にして数 µC の照
射でも少し変色が見られた。

段差（nm）

図 2 ビーム照射していない領域（左）と照射した領域（右）の AFM 三次元図

段差測定方向（µm）
図 3 AFM データの表面粗さ解析結果
結言
イオンビーム照射における試料表面の粗さを観察することにより、照射の影響を調べた。通常のイオンビーム
分析の照射量においては、シリコン基板やシリコン基板に蒸着した試料はほぼ変化することはなかった。ただし
PET については少ない照射量でも変色や表面形状の変化が見られた。これらより、金属などの無機試料についてはイオンビームの照射による影響はほぼないこと、有機試料を測定する場合には照射量の注意が必要である
ことが分かった。この結果は、今後のイオンビーム分析に活用する。

75

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.2.2
加速器を用いたリチウム定量分析法の開発～He-Li 反応断面積の導出～
Development of Lithium Quantitative Analysis using Accelerators ～Measurement for He-Li Cross Section～
鈴木耕拓*1、中田吉則*1、安田啓介*2
Kohtaku SUZUKI, Yoshinori NAKATA and Keisuke YASUDA
Abstract
Quantitative analysis of lithium with accelerators and a time-of-flight elastic recoil detection analysis (TOFERDA) system has been developed at the Wakasa Wan Energy Research Center in Fukui prefecture. On 2015th,
we produced lithium fluoride targets on thin silicon nitrides using the vacuum deposition method for thequantitative ion beam analysis. The differential cross section for Li(α, α)Li with helium beam energies of 1.65
to 3.6 MeV was observed by using these targets.
要約
福井県若狭湾エネルギー研究センターでは加速器と飛行時間測定反跳原子検出法（TOF-ERDA）測定装置を用いたリチウム定量分析手法の開発を行っている。昨年度に実施した真空蒸着によるフッ化リチウム薄膜
試料作製方法を用いて、ヘリウムとリチウムの反応断面積測定に用いる試料の作製を行った。この試料を用いて、ヘリウムビームを入射粒子としたときのリチウムとの反応断面積を求める実験を行った。入射ヘリウムのエネルギ
ー1.65 MeV から 3.6 MeV までの範囲でデータを導出した。
緒言
リチウムイオン二次電池は携帯電話やノートパソコンなどの携帯用電源に欠かせないものであり、最近は自動車や飛行機に搭載されるなど大型化もされてきている。リチウムイオン二次電池は体積当たりのエネルギー密度が高く、寿命も長いなどのメリットをもつ。特にエネルギー密度については鉛蓄電池に比べ 3～5 倍である。これに対してコストが高い、安全性に課題があるなどのデメリットが存在する。
最近では全固体のリチウムイオン電池の開発が最大の目標となり、産業応用、実用化へフェーズシフトしていくことが予想される。全固体のリチウムイオン電池は、液体媒質のリチウムイオン電池のデメリットを解消してくれ
るという特徴を持つ。まず、液体媒質は可燃性の物質であり、高温になると発火する危険があったが、固体媒質
は基本的に不燃性のため発火等の危険がない。また、液体媒質に比べ固体媒質の方が安価に製造できると考えられているため、低コストの電池が可能となる。
全固体リチウムイオン電池では液体媒質のものよりリチウムの移動が少なく、電池としての性能が低いという問題点がある。この問題解決のため、電極内でのリチウムの移動を分析し、振舞いを調べることが最も良い指標となる。しかし非破壊でリチウムの定量分析を行う手法は存在しないため、ほぼ非破壊で軽元素の定量分析が可能なイオンビーム分析の一種である TOF-ERDA 測定法を用い、リチウム定量分析手法を開発する。リチウム挙動を調べることで、リチウムイオン電池の研究開発の加速が期待される。
フッ化リチウム薄膜試料
図 1 には窒化シリコン薄膜にフッ化リチウムを蒸着した試料を示す。図1 中央には比較のためシリコン基板に蒸着した試料がある。下半分は覆いをすることで蒸着していない面が見えている。この試料の蒸着面と非蒸着面の境界付近を触針式段差計により、表面形状の測定を行った。この
結果、約 50 nm 程度の厚さで蒸着されていることが分かった。また表面も均一に蒸着されていることが分かった。さらに原子間力顕微鏡を用いて、表面のミクロ構造の観察も行った。表面は数 nm 程度の凹凸があったものの、蒸着厚に対して非常に均一な試料であることが分かった。反応断面
積導出のため、さらに金も数 nm の厚さで真空蒸着した。

*１

図１ 蒸着した LiF 薄膜試料

（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ、*2 京都府立大学・生命環境科学研究科・応用生命科学専攻・
環境計測学
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが関西電力株式会社・日本原子力発電株式会社・北陸電力株式会社の 3 社からの受託研究として実施したものである。

76

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
ヘリウムとリチウムの反応断面積の導出
イオンビーム分析は数 MeV のエネルギーのビームを用いることが多い。このエネルギー領域では、ビーム
粒子と試料元素の反応断面積が電磁気相互作用であるラザフォード散乱で記述できれば定量が簡易である。
しかし、リチウムなどの軽い粒子の場合にはラザフォード散乱の他、核反応による影響が加わってしまう。このため、反応断面積を求めることが定量をする上で必要な情報である。ヘリウムとシリコンや金の散乱では、数 MeVのビームエネルギー領域ではラザフォード散乱で記述できるので、同時にヘリウムとシリコンや金の反応断面積を求め比較を行う。
本研究では TOF-ERDA 検出器はビーム軸に対して 40°方向に設置されているため、ヘリウムとリチウムの散乱においてリチウムが 40°に反跳される反応断面積の導出を行う。リチウムがビームに対して 40°方向に反跳される場合、ヘリウムは 68.1°に散乱される。このとき、40°に反跳されたリチウムまたは 68.1°に散乱したヘリ
ウムのどちらを測定しても同じ結果となるが、検出器の角度が前方ほどバックグラウンド事象が多くなるため、
68.1°に散乱されたヘリウムを検出することとした。図 2 に反応断面積導出のための実験セットアップを示す。ビームに対して垂直に試料を設置した。前方θ=68.1°に ERDA 検出器を、後方φ=20.0°に RBS 検出器を設置した。ERDA 検出器でリチウムと散乱したヘリウムを、RBS 検出器でシリコンや金から散乱したヘリウムを測定する。試料の厚さは合計 100 nm 程度と非常に薄く、反跳したリチウムは試料を透過し ERDA 検出器へ到達する。
反応断面積はヘリウムビームのエネルギーを変更しながら測定していった。ヘリウムエネルギーは 1.65 MeV
から 50 keV ごとに 3.6 MeV まで測定した。図 3 にはシリコンまたは金からの散乱で求めたラザフォード散乱の反応断面積で規格化した反応断面性を示す。横軸がヘリウムビームのエネルギーであり、縦軸がラザフォード
散乱で規格化した反応断面積である。縦軸が 1 である場合はラザフォード散乱と同じ反応断面積であるということを示す。赤で示した点はシリコンからの散乱で規格化したデータ、黒い点は金からの散乱で規格化したデータである。ヘリウムとシリコンの散乱では 3.3 MeV 以上において核反応の影響があることが分かっているため、それ以下のエネルギーのデータを示した。ヘリウムと金の散乱では 2 MeV 以下の領域では金の電子スクリーニングの影響が出るため、それ以上のデータを示した。1.8 MeV 以下ではラザフォード散乱と同程度となった。また 2.7
MeV 付近でピーク構造が見られた。

図 2 実験セットアップ

図 3 規格化した反応断面積

結言
リチウム定量分析に必要なヘリウムとリチウムの反応断面積を、ヘリウムエネルギー1.65～3.6 MeV の範囲で得ることができた。イオンビーム分析ではビームエネルギーのずれに対して反応断面積が急に変化してしまうと、定量が困難となる。したがって変化の少ない領域を使用することになる。データから 3.2 MeV 以上では緩やかな構造であるので、このエネルギー範囲を使用するのが望ましい。今後は 3.6 MeV 以上のデータも取得し、イオンビーム分析に有効な領域を探査していくと共に、ビーム電流測定装置を開発するなど、定量に必要な課題をこなしていく。

77若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.2.3

Ec.m.=15.5-18.8 MeV の 12C+45Sc 反応における 52gMn、54Mn、55Co の生成断面積
Production Cross Section of 52gMn, 54Mn and 55Co by 12C+45Sc Reaction at Ec.m.=15.5-18.8 MeV
木下哲一*1、新裕喜*2、山田記大*2、横山明彦*3、石神龍哉*4
Norikazu KINOSHITA, Yuki SHIN, Norihiro YAMADA, Akihiko YOKOYAMA and Ryoya ISHIGAMI
Abstract
Production cross sections of 55Co, 54Mn, and 52gMn in the 12C+45Sc reaction were measured. Emission processof nucleon in the 12C+45Sc reaction was comparable to that in the p+56Fe reaction which forms the same compound
nucleus. Theoretical predictions were affected by the fusion hindrance. Production cross sections can betheoretically predicted well using a known model if fusion process is reproduced.
要約
12
C+45Sc 反応における 55Co、54Mn、52gMn の生成断面積を測定した。12C+45Sc 反応と同じ複合核を形成する
56
p+ Fe 反応と比較を行い、複合核からの核子の放出過程には大きな差がないことが明らかになった。また、モデルによる理論計算では Fusion hindrance の影響が見られるが、融合過程を再現できれば、生成断面積は既存のモデルでよく再現できることが明らかになった。
緒言
天体内での燃焼過程において、水素の核融合により 4He が生成し、3 原子の 4He の融合により 12C が生成する。生成した 12C は周囲の水素原子との核反応により、14N や 16O がつくられる。これらより重い質量数 30 程度の原子核までは、12C や 16O などの質量数が同程度の原子核同士の核融合反応によりつくられる。これらの天体内での無数の核融合反応の中で、実験により実測可能な核反応は極わずかで、大半の核反応は理論計算に依存する。天体内における元素組成の進化を計算する上で、より精度の高い理論計算が必要不可欠になる。核反応は原子核同士が融合し、生成した励起状態の核は核子の放出により脱励起する。同程度の原子核同士の核融合において、実測値は理論的に予測される融合断面積よりも極端に小さくなる現象(Fusion hindrance)が近年発見されており、その系統性などがよく調べられている。その一方で、核子の放出後の生成核は寿命が短い
核または安定核である場合が多く、生成核からの放射線測定が困難であるため、核子の放出過程の研究例は少ない。12C+45Sc 反応は、天体内の 12C や 16O の核融合反応で生成する原子核よりも質量数は大きいが、放射能測定による生成核の分析が比較的容易である。また、12C+45Sc 反応で形成する複合核 57Co は p+56Fe 反応でも形成する。p+56Fe 反応の融合過程や、複合核 57Co からの核種の放出過程は実験的によく調べられており、
12
C+45Sc 反応と比較することができる。本研究では重心系エネルギーEc.m.=15.5-18.8 MeV の 12C+45Sc 反応において、生成核の断面積測定を行い、複数のモデルによる理論計算と比較することで Fusion hindrance や核種の放出過程の様子を探った。本研究は平成 27 年度にも公益財団法人若狭湾エネルギー研究センターにて実施
しており、平成 28 年度に得たデータに加え、平成 27 年度に得たデータも合わせて報告する。
実験
Sc ターゲットは厚さ 10 µm の純度 99.999%のアルミホイルに Sc を分子電着することにより調製した。20 MeV、
22 MeV に加速した 300-400 enA の 12C4+ビームをそれぞれのターゲットに照射した。20 MeV のビームは 7 時間、22 MeV のビームは 2 時間照射した。照射後、ターゲットをそれぞれポリ袋に封入し、Ge 検出器を用いて 36 時間の γ 線測定を行った。また平成 27 年度には 21 MeV、23 MeV、24 MeV の照射を行った。検出された
生成核の放射能、照射時間とビーム量、Sc ターゲットの厚みより生成断面積を計算した。
結果と考察
本研究において、52gMn（半減期：5.591 日）、54Mn（半減期：312.2 日）、55Co（半減期：17.54 時間）が検出され、それぞれは(12C,αn)反応、(12C,h)反応、(12C,2n)反応で生成した核種である(h は３He を示す)。以下、それぞれの生成断面積はσ(52gMn)、σ(54Mn)、σ(55Co)と示す。複合核の励起エネルギーは、Q 値と核反応の重心座標
エネルギーの和で計算できる。図 1 に、12C+45Sc 反応における各励起エネルギーにおける断面積の比を既に報*１

清水建設株式会社、*2 金沢大学自然科学研究科、*3 金沢大学理工研究域、*4（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー
材料グループ本研究の一部は、金沢大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。本研究は、MEXT KAKENHI
26800161 の助成を受けた。

78

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

Cross section (mb)

Cross section ratio

告されている p+56Fe 反応 1-5)における断面積比と比較するた(a) σ(54Mn)/σ(55Co)(b) σ(52gMn)/σ(55Co)(c) σ(54Mn)/σ(52gMn)
1
54
55
52g
10
め、 Mn、 Co、 Mn の 3 核種の生成断面積の比を示す。
12100
C+45Sc と p+56Fe 反応における断面積比において、比の組み
10-1
合わせやエネルギーにより、3454545
Sc(12C,h)/45Sc(12C,2n)
Sc(12C,αn)/45Sc(12C,2n)
Sc(12C,h)/45Sc(12C,αn)565656
倍程度の差があるものも見られ
Fe(p,h)/56Fe(p,2n)Fe(p,αn)/56Fe(p,2n)Fe(p,h)/56Fe(p,αn)-2
10るが、2 つの核反応により生成
30
35
40
30
35
40
30
35
40
45
Excitation energy (MeV)
Excitation energy (MeV)
Excitation energy (MeV)
する核の断面積の比はおおよ
その傾向は一致している。その
図 1 12C+45Sc 反応と p+56Fe 反応における生成断面積の比の比較
1245ため、 C+ Sc 反応における核子の放出過程は p+56Fe 反応でExcitation energy (MeV)
34
36
38
40
34
36
38
40
34
36
38
40
も代用できるものと考えられる。
102
45
12
55
45
12
54
45
12
52g
また、図 2 には生成断面積(a) Sc( C,2n) Co(b) Sc( C,h) Mn(c) Sc( C,αn) Mn101の実験値とモデルを用いた理100
論値との比較を示した。
10-1
PACE46) との比較では、高エネ
55
ルギー側は Co 断面積の測定
10-2This work
This work
This work
PACE4
PACE4
PACE4
値は小さくなるが、低エネルギ
10-3
EMPIRE3EMPIRE3EMPIRE3
CCFULL-TALYSCCFULL-TALYSCCFULL-TALYS
ー側はよく一致する。 54Mn と
-4
10
52g
14
16
18
20
14
16
18
20
14
16
18
20
22
Mn の測定値は高エネルギー
Center of mass energy (MeV)側で一致するが、エネルギーの減少に伴い理論値よりもより
図 2 実験値とモデルによる理論値との比較
小さい値が得られている。また
EMPIRE37）との比較では、エネルギーの減少に伴い理論値との乖離が大きくなる傾向が見られている。理論計
算では Fusion hindrance の影響が見えている。チャネル結合モデルを用いた CCFULL コード 8)は、クーロン障
壁より数 MeV 以上低いエネルギーでは、Fusion hindrance の影響が強く出るが、それよりも高いエネルギーでは核融合断面積はよく実測値を再現することが知られている 1)。一方、TALYS コード 9)ではプロトンや中性子による生成核の断面積がよく調べられ、大半の核反応において実験値と約 2 倍以内で一致している。CCFULL で推定した 12C+45Sc 融合断面積に、TALYS で推定した p+56Fe 反応における生成断面積/融合断面積の比をかけ算することで、12C+45Sc における 55Co、54Mn、52gMn の生成断面積を推定した。2 つのコードを用いて得られた理論値と測定値はよく一致し、核子の放出過程は既存のモデルで現象をよく説明可能で、融合過程を再現できれば、同程度の質量数同士の核反応における生成核は精度良く推定可能であることが明らかになった。
結言本研究では、45Sc+12C 核反応における生成物の断面積測定を行い、核反応モデルを用いた再現を試みた。
Ec.m.=15.5-18.8 MeV のエネルギーでは、Fusion hindrance の影響のためモデルによる融合断面積の再現性は悪いが、融合後の核子の放出過程は既存のモデルでよく再現できることが明らかになった。
参考文献
1) C. L. Jiang et al.: Phys. Rev., C 78, 017601 (2008).
2) Yu. E. Titarenko et al.: Phys. Atom. Nucl., 74, 523 (2011).
3) W. Zhao, H. Lu and W. Yu: Ch. J. Nucl. Phys., 15, 337 (1993).
4) V. N. Levkovskij: Act. Cs. By Protons and Alphas, Moscow, USSR (1991).
5) L. Jenkins and A. G. Wain: J. Inorg. Nucl. Chem., 32, 1419 (1970).
6) A. Gavron: Phys. Rev., C 21, 230 (1980).
7) M. Herman et al.: Nucl. Data Sheets, 108, 2655 (2007).
8) K. Hagino, N. Rowley and A. T. Kruppa: Comput. Phys. Commun., 123, 143 (1999).
9) A. J. Koning, S. Hilaire and M. C. Duijvestijn: in Proceedings of the International Conference on Nuclear
Data for Science and Technology, April 22–27, 211–214 (2007).
79若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.2.4
TOF-ERDA 測定における酸素の検出感度の評価
Evaluation of Sensitivity for Oxygen by means of TOF-ERDA Measurements
安田啓介*1、梶取悠太*2、大石桃未*2、春山洋一*1、中田吉則*3、鈴木耕拓*3
Keisuke YASUDA, Yuta KAJITORI, Momomi OISHI, Yoichi HARUYAMA, Yoshinori NAKATA
and Kohtaku SUZUKI
Abstract
Detection sensitivities for implanted oxygen in a silicon wafer were measured by means of TOF-ERDA using
Cu and C beams. In the case of the measurement with Cu beam of 12 MeV energy, the detection limit of 3.1×
1014 cm-2 was obtained. This corresponds to 600 ppm of atomic ratio.
要約
銅および炭素イオンを用いた飛行時間測定弾性反跳粒子検出（TOF-ERDA）法における、シリコン基板にイオン注入された酸素の検出感度を測定した。エネルギーが 12 MeV の銅ビームを用いた測定で 3.1×1014 cm-2という面密度の検出下限の値が得られた。これは原子数比で 600 ppm に相当する。
緒言
近年ナノテクノロジーの進化により厚さが数 nm の極薄膜が半導体デバイスなどに使用されるようなってきており、この極薄膜の品質評価が重要となっている。しかし極薄膜中の水素、リチウム、炭素、酸素などの軽元素については従来の手法では測定が困難であり、新たな測定法の開発が望まれている。そこで、我々は若狭湾エネ
ルギー研究センターにおいて薄膜中軽元素分析のための TOF-ERDA 測定装置の開発を行ってきた。その結果、水素から酸素までの軽元素を同位体レベルで分離して測定することに成功した。また、2 MeV の He ビーム
を用いて炭素表面において 1.3 nm というこれまでの最高値と同等あるいはそれを上回る深さ分解能の値を得る
ことに成功した。一方、分析における重要な指標である検出感度については測定が行われていなかった。他の施設でも TOF-ERDA 測定での検出感度の系統的な報告は少ない。平成 28 年度の研究では銅および炭素の２種類のイオンビームを用いた TOF-ERDA 測定における酸素の検出感度を実験的に求めたので報告する。
実験(1) 試料作製
感度測定のための試料には、シリコン基板に O+イオンを注入したものを用いた。イオン注入には若狭湾エネ
ルギー研究センターの 200 kV イオン注入装置を使用した。大きさが 15×25 mm2、厚さが 0.5 mm のシリコンウ
ェハーに室温でイオン照射を行った。照射 O+イオンのエネルギーは 50 keV、照射面積は 20×20 mm2 で、照射量は 1.0×1017 cm-2 とした。照射時の電流密度はおよそ 4 µA/cm2 だった。O+イオンの注入深さは SRIM コード 1)
によって 127 nm と計算された。
(2) TOF-ERDA 測定
TOF-ERDA 測定は若狭湾エネルギー研究センターのイオン分析コースに構築された TOF-ERDA 測定系を用いて行われた。入射ビームにはタンデム加速器で加速された 12 MeV の Cu11+イオンおよび 8 MeV の C3+イオンを用いた。TOF-ERDA 測定系の測定角度は 40°で、試料へのビーム入射角、および反跳イオン出射角はそれぞれ 20°とした。ビーム電流は Cu11+ビームがおよそ 1.1 enA、C3+イオンがおよそ 18 enA だった。測定時間
は、Cu11+ビームを用いた測定ではおよそ 2 時間（30 分×4）、C3+ビームを用いた測定ではおよそ 2.5 時間（1 時
間×2+30 分）とした。イオン注入試料に加えて、バックグラウンド評価のためのイオン未注入シリコンウェハー試料の測定も同じ時間行った。
結果と考察
未注入試料の測定からバックグラウンドのカウント数 YB を、イオン注入試料の測定で得られたカウント数から引くことによって酸素のカウント数 YO を求めた。酸素のカウント数を Y、バックグラウンドのカウント数を YB としたとき、
*１

京都府立大学・生命環境科学研究科・応用生命科学専攻、*2 京都府立大学・生命環境学部・環境・情報科学科、*3（公財）若狭湾エネルギー研
究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ
本研究は、京都府立大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

80

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）≥3(1)を満たすときに酸素が検出されたとみなす。これをもとに、以下の式で検出限界σl を求めた。
=

⁄

∙3

.

(2)

σ0 はイオン注入試料の酸素の面密度で、ここでは= 1.0 × 10
である。YO は面密度がσ0 の試料の測定で得られる酸素のカウント数である。Cu11+ビームを用いた測定では、照射時間と共にσ0 の減少が見られたが、これについては補正を行った。測定結果から(2)式を用いて得られた検出下限を図に示す。検出下限は、Cu11+ビームを用いた 2 時間の測定では 3.1×1014 cm-2、C3+ビームを用いた
2.5 時間の測定では 3.3×1015 cm-2 であった。これらの比較から、測定時間が同程度の場合、Cu11+ビームを用いた測定の方が C3+ビームを用いた測定より 10 倍程度測定感度が高いことが分かった。また、同一入射粒子数で比較すると、Cu11+ビームを用いた測定の方が 71 倍測定感度が高いという結果となった。
上で得た検出下限は面密度の値であるが、これを原子数の割合（単位：atomic ppm）で表す。この際、試料中の酸素の分布を SRIM によるシミュレーションから求め、得られた分布の半値幅の中に酸素が一様に存在すると仮定して酸素密度の検出下限値を求めた。この値のシリコン密度に対する比で検出下限を表すと、Cu11+ビームを用いた 2 時間の測定では 600 ppm、C3+ビームを用いた 2.5 時間の測定では 6400 ppm となった。

CuC

図 1 検出下限の測定結果。左図は Cu11+ビームを用いた測定で、それぞれの点は左から 0.5 時間、1 時間、1.5
時間、2 時間の測定に対応する。右図は C3+ビームを用いた測定で、それぞれの点は左から 1 時間、2 時間、2.5
時間の測定に対応する。
結言
若狭湾エネルギー研究センターの TOF-ERDA 測定系を用いてシリコン中の酸素の検出下限を求めた。面密度の検出下限は、12 MeV の Cu11+イオンを用いた 2 時間の測定では 3.1×1014 cm-2、8 MeV の C3+ビームを用いた 2.5 時間の測定では 3.3×1015 cm-2 であった。これは、測定時間が同程度の場合、Cu11+ビームを用いた測定の方が 10 倍程度測定感度が高いことを表している。測定感度をシリコン原子に対する原子数比で表すと、前者が 600 ppm、後者が 6400 ppm となった。
参考文献
1) J. F. Ziegler, M. D. Ziegler, and J. P. Biersack: The Stopping and Range of Ions in Matter (SRIM),
http://srim.org

81若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.2.5
フッ化物含有合着材（接着材）周囲歯質へのフッ素取り込みと結合状態
Fluorine Binding with and Uptake to Tooth Structure Adjacent to Fluoride-containing Luting Materials
奥山克史＊1、山本洋子＊2、松田康裕＊3、八木香子*2、安田啓介＊4、鈴木耕拓*5、
玉置幸道＊1、林美加子＊2、斎藤隆史＊3、能町正治＊6、菅谷頼仁＊6
Katsushi OKUYAMA, Hiroko YAMAMOTO, Yasuhiro MATSUDA, Kyoko YAGI, Keisuke YASUDA, Kohtaku
SUZUKI, Yukimichi TAMAKI, Mikako HAYASHI, Takashi SAITO, Masaharu NOMACHI and Yorihito SUGAYA
Abstract
Fluorine binding with and uptake to tooth structure adjacent to fluoride-containing luting materials were
investigated. The results of this study exhibit that there is a different amount of uptake fluorine, though there
is no difference on binding fluorine among all materials.
要約
フッ化物含有歯科用合着（接着）材料から歯質に取り込まれたフッ素量および、歯質とフッ素との結合状態を検討したところ、取り込まれたフッ素量は材料間で相違を認めたが、結合しているフッ素量はあまり差を認めなかった。
緒言
歯質へ取り込まれたフッ素の働きとして、歯質の無機成分である水酸化アパタイト（Ca10(PO4)6(OH)2）の OH基と F-が置換しフッ化アパタイト（Ca10(PO4)6F2）となることで、酸に対する溶解性の低下、歯質の耐酸性を向上
させ、う蝕抑制効果を発揮している。これまでフッ化物含有歯科充填用材料から歯質に取り込まれたフッ素量および歯質との結合状態を、若狭湾エネルギー研究センター設置の大気マイクロ PIXE/PIGE 装置を用いて測定・検討を行ってきた。本実験では、近年歯と歯冠修復物との合着（接着）に多く使用されている、フッ化物含有合着材（接着材）周囲の歯質におけるフッ素の取り込みと結合状態を評価、検討した。
材料と方法
フッ化物含有合着材（接着材）として、フジ I （FO：ジーシー）、フジルーティングEX（FL：ジーシー）、SAル
ーティングプラス（SA：クラレノリタケ）、ビューティセムSA（BC：松風）をそれぞれ使用した。ヒト抜去臼歯の歯冠を切断し、断面を #600 耐水研磨紙で研磨することで象牙質平面を得た。約 2 mm 厚のアクリルレジンプレート
を上記各材料で、象牙質平面と合着（接着）させ、エポキシレジンで合着試料を包埋後レジンプレートと合着材、象牙質面を含む象牙質表層を露出させた。4 週間水中保存後、レジンプレートと合着材を含むように包埋した象牙質試料を歯軸に平行に半切、それぞれ厚さ 500 µm に試料を調整した。半切した向かい合う薄切試料の一方は処理をせず、もう一方は試料を 1M 水酸化カリウム（KOH）に 24 時間浸漬振盪後、水洗を行った。
KOH処理を行うことで、歯質に付着しているフッ化カルシウム（CaF2）等を除去し、歯質に結合しているフッ素のみが残ることになる。それぞれの試料のフッ素およびカルシウム濃度を大気マイクロPIXE/PIGE装置を用いて測定し、象牙質部のフッ素濃度分布を算出した。象牙質最表層は健全象牙質の 5% カルシウム濃度の位置と規定し、表層から100 µm の深さまでの累積フッ素濃度でフッ素の取り込み、結合状態を比較検討した。

＊１

朝日大学歯学部、*2 大阪大学大学院歯学研究科、*3 北海道医療大学歯学部、*4 京都府立大学・生命環境科学研究科、*5（公財）若狭湾エネル
ギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ、*6 大阪大学大学院・理学研究科
本研究は、朝日大学歯学部、大阪大学大学院歯学研究科、北海道医療大学歯学部、大阪大学大学院理学研究科、（公財）若狭湾エネルギー研
究センターの共同研究として実施したものである。
本研究の一部は、日本学術振興会科学研究費補助金（15K11101）の補助の下に行われた。

82

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
結果及び考察図１に材料適用 4 週間後の表層より 100 µm 下における KOH 処理前後の累積フッ素濃度を示す。KOH 処
理前では FO が他の材料よりも多いフッ素量を示す傾向にあった。これは、材料から徐放されるフッ素量が多いためと考えられる。KOH 処理後はいずれの材料においても、KOH 処理前に比べ少ないフッ素濃度を示したが、材料間で処理後のフッ素濃度は大きな差を認めなかった。材料から取り込まれたフッ素のうちフッ化アパタイトに置換されないフッ素は歯質との結合に関わらず、CaF2 などとなり歯質に付着する。このような結合に関与しない
フッ素の量や取り込まれたフッ素量に対する割合が材料によって異なることは、材料の組成の違いや、象牙質と材料との界面の性状の違いなどが原因として考えられる。水酸化アパタイトに対しフッ化物を適用した研究では、適用するフッ化物濃度が大きくなると、結合に関与するフッ素の割合が小さくなることから 1)、材料からのフッ素溶出量が多い FO の結合フッ素の割合が小さいことを示したと思われる。また歯質との結合に関与するフッ素量に上限があることも考えられる。

ppm

6000
5000
KOH(-)

4000

KOH(+)
3000
2000
1000
0

FO

FL

SA

BC

図 1 表層より 100 µm 下における KOH 処理前後のフッ素量。
KOH(-)：KOH 処理前のフッ素量。KOH(+)：KOH 処理後のフッ素量。

結言
本研究では、大気マイクロ PIXE/PIGE 装置を用いフッ化物含有歯科用合着（接着）材料から歯質に取り込まれたフッ素量および、歯質とフッ素の結合状態を検討したところ、取り込まれたフッ素量は材料間で相違を認めたが結合しているフッ素量はあまり差を認めなかった。今後結合するフッ素量と、う蝕進行との関連を検討する必要がある。
参考文献
1) 奥山克史他、日本歯科保存学会 2016 年度秋季学術大会講演抄録集：97 （2016）

83若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.2.6
大気マイクロ PIXE/PIGE を用いた新規歯科用材料による根面象牙質の耐酸性評価
Evaluation of Acid Resistance on Root Dentin with a Novel Dental Material using In-air Micro-beam
PIGE/PIXE System
奥山克史＊1、山本洋子＊2、松田康裕＊3、八木香子＊2、安田啓介＊4、鈴木耕拓＊5、
林美加子＊2、玉置幸道＊1、斎藤隆史＊3、能町正治＊6、菅谷頼仁＊6
Katsushi OKUYAMA, Hiroko YAMAMOTO, Yasuhiro MATSUDA, Kyoko YAGI,
Keisuke YASUDA, Kohtaku SUZUKI, Mikako HAYASHI, Yukimichi TAMAKI,
Takashi SAITO, Masaharu NOMACHI and Yorihito SUGAYA
Abstract
A novel dental material, that strontium in the high fluoride releasing glass ionomer cement was converted tocalcium, was applied to root dentin. Calcium and fluorine distributions to dentin were evaluated by in-air microbeam PIXE/PIGE system. The results of this study indicate a possibility of improvement of acid resistance onroot dentin when using the novel material.
要約
高フッ化物徐放性グラスアイオノマーセメントのストロンチウムをカルシウムに置換した新規材料を、根面象牙質に塗布した試料について、大気マイクロ PIXE/PIGE でカルシウムおよびフッ素の濃度の経時的変化を評価、検討したところ、根面象牙質の耐酸性がさらに向上する可能性が示唆された。
緒言
超高齢社会において重要視されている根面う蝕の予防については、その発症・進行メカニズムの分子レベルでの理解に基づく対応が期待されている。これまでに開発してきた歯質内のカルシウム(Ca)とフッ素(F)を同時に定量測定できる大気マイクロ PIXE/PIGE を用いて、根面象牙質における脱灰前後の Ca および F の連続的定量評価法を確立し、様々な条件下で評価を行ってきた。本研究では、この評価法を用いて、Ca を含有した高フッ化物徐放性グラスアイオノマーセメントを作用させた根面象牙質における Ca と F 濃度の経時的変化について比較検討を行った。
材料および方法
ヒト健全第三大臼歯 9 本のセメントエナメル境付近の頬側面を歯軸に平行に切断したうえで、根面象牙質を露出させた 4 ブロックを各歯より切り出し、3 ブロックの象牙質露出部に、高フッ化物徐放性グラスアイオノマーセ
メント Fuji VII(F7：GC)、Fuji VII の組成中のストロンチウム(Sr)/Ca 比を 50/50 とした試作セメント P1 および、
0/100 とした試作セメント P2 を各々塗布した。一方、材料を塗布しない 1 ブロックをコントロール(CO)とした。37℃
で 1 カ月生理食塩水中に浸漬後、塗布材料を除去し、各ブロックを露出根面象牙質に垂直、歯軸に平行かつ頬舌方向に 0.5 ㎜幅に切断して測定試料とした。切断面の象牙質表層より 800 µm の部位に厚さ 4 µm の銅箔を貼付し、根面象牙質表層から銅箔まで歯質内方向に歯質内のフッ素およびカルシウム濃度を PIXE/PIGE を用いた線分析を既報１）に従い行った。PIXE/PIGE 測定後、各試料を脱灰溶液(50 mmol/l acetate buffer, 2.2mmol/l CaCl2, 2.2 mmol/l KH2PO4, pH 5.0) 10 ml に 3 日間浸漬した後、再度 PIXE/PIGE にて脱灰前と同一部
位の線分析を行った。脱灰前後の線分析の結果を、銅箔を基準として重ね合わせ、Ca 喪失量と歯質への歯質内の総 F 量を算出し、群間で比較した。また、両者の相関関係についても検討した。Ca 喪失量および総 F 量における群間比較には、Steel-Dwass test を用いて危険率を 5%として評価し、相関関係については，Spearman’srank correlation coefficient を用いて危険率を 1%として検定した。なお、本研究は大阪大学大学院歯学研究科
倫理委員会の承認下で実施した(承認番号：H25-E28)。

＊１

朝日大学・歯学部、*2 大阪大学大学院・歯学研究科、*3 北海道医療大学・歯学部、*4 京都府立大学・生命環境科学研究科、*5（公財）若狭湾エ
ネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ、*6 大阪大学大学院・理学研究科
本研究は、朝日大学歯学部、大阪大学大学院歯学研究科、北海道医療大学歯学部、大阪大学大学院理学研究科、（公財）若狭湾エネルギー研
究センターの共同研究として実施したものである。
本研究の一部は、日本学術振興会科学研究費補助金（25293387、26462879）の補助の下に行われた。

84

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
結果および考察

図 1 各群の Ca 喪失量(A)と F 取り込み量(B)。
CO:コントロール、F7：Fuji VII (Sr/Ca=100/0)、P1：Sr/Ca=50/50 に調整した材料、P2：Sr/Ca=0/100 に調整した材料。同じ文字は有意差がないことを示す（p>0.05）。

図 1 に各群における Ca 喪失量および F の取り込み量を示す。Ca 喪失量は P1 および P2 群がコントロールおよび F7 群に比べ有意に少ない喪失量を認めた。F 取り込みに関しては P1、P2、およびF7 群がコントロールに比べ有意に大きい F 取り込
み量を示し、フッ化物含有材料間には有意な差を認めなかった。材料に Ca を多く配合することで、脱灰時に材料が Ca の供給源となり、Ca の喪失を減少させていることが考えられる。
図 2 に Ca 喪失量と F 取り込み量との関係を表すグラフを示す。Ca 喪失量と F 取り込み量との間には有意な負の相関(p<0.01)を認めた。F 量と Ca
喪失量との関係より、F 取り込みにより歯質の耐酸性が向上し、脱灰の進みにくい環境になること考えられる。
結言
これらの結果より、高フッ化物徐放性グラスアイ
オノマーセメントのストロンチウムをカルシウムに置換した材料を塗布することによって、根面象牙質の耐酸性がさらに向上する可能性が示唆された。

図 2 Ca 喪失量と F 取り込み量との関係。
CO:コントロール、F7：Fuji VII (Sr/Ca=100/0)、P1：
Sr/Ca=50/50 に調整した材料、P2：Sr/Ca=0/100 に調整した材料。

参考文献
1) K. Yasuda et al.: Nucl. Instr. and Meth. B, 260, 207 （2007）85若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.2.7
イネの根に分布する金属の測定
Metal Mapping and Qquantification in Roots of Rice
塩野克宏*1、遠藤伸之*2、鈴木耕拓*3
Katsuhiro SHIONO, Nobuyuki ENDO and Kohtaku SUZUKI
Abstract
We succeed in a metal mapping and quantification in the roots of rice using two methods for ionomics (ICPMS and PIXE).
要約
イネの根における誘導結合プラズマ質量分析（ICP-MS）と粒子線励起 X 線（PIXE）分析系を確立した。
緒言
ほとんどの植物は水が多すぎる環境では生育阻害を受ける（湿害）。我が国では水田転換畑での畑作物が推し進められており、もともと耐湿性が低い畑作物の湿害は深刻な問題である。過湿状態の土壌は低酸素状態となり、微生物の作用により土壌の還元化が進行する。その結果、低酸素による呼吸阻害だけでなく、有毒な金属の過剰吸収により畑作物は湿害を受ける。イネや湿生植物が高い水田適応性を示す背景には、有毒な金属の通り道となる細胞外空間（アポプラスト）の移動を阻害するアポプラストバリアにより、根を保護することが関わっていると考えられている 1)。しかし、これまでに、このバリア機能が湿害回避に貢献する役割について、突然変異体を用いた評価はなされていない。これまでに我々は、根の外側に位置するアポプラストバリア機能を失ったイネ
突然変異体を得ることに成功している 2)。本研究では、これらイネ変異体を用いて、根の保護機能の水田環境下での貢献度を評価することを目的とした。初年度にあたる 28 年度は、研究の推進のために必要な、誘導結合プ
ラズマ質量分析（ICP-MS）と粒子線励起 X 線（PIXE）分析、2 つのイオノーム解析系の確立を目指した。
方法
水耕栽培したイネ（野生型）の根を回収し、ICP-MS と PIXE 分析を実施した。ICP-MS 分析では分析に用いる乾燥試料を凍結真空乾燥により調整したものと、風乾法により調整したものに分けて分析をし、手順により測定値に誤差が出ないことを確認した。一方、PIXE 分析では、根の形態を保ったままの試料を分析する必要がある
ため、凍結切片、伝導性フィルムを用いた凍結切片、ゲル切片の３つの条件で作成した試料の中で最適な方法を検討した。
結果と考察
ICP-MS 分析の結果、乾燥試料を作成する際に凍結真空乾燥したものと風乾したものの間に測定値の違いはみられなかった。凍結真空乾燥法は正確性の高い方法であるが、一度に乾燥させることのできる試料数は少ない。一方の風乾法は正確性については劣るものの、容易に多くの試料を乾燥できる。今回の結果から、根のイオノームを ICP-MS により実施する際に、風乾法による乾燥で十分な精度の測定ができることが分かった。
PIXE 分析の結果、凍結切片、伝導性フィルムを用いた凍結切片、ゲル切片のいずれの試料でも各種元素のシグナルが検出された。最も形態的に優れていたのはゲル切片であり（図 1）、試料からは Al、P、S、Cl、K、Feのシグナルを検出できた（図 2）。PIXE 分析に最適な試料調整手法はゲル切片であることが分かった。
結言
今年度は ICP-MS と PIXE、2 つのイオノーム解析系をイネの根で分析できるよう手法を確立することを目指した。両分析系においても、最適な試料調整手法が確立できた。分析手法の最適化により、来年度に実施を予定している「イネ変異体を用いた根のバリアによる保護機能の評価」を実施する準備が整った。

*１

福井県立大学・生物資源学部、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室、*3（公財）若狭湾エネルギー研究セン
ター・研究開発部・エネルギー材料グループ
本研究は、福井県立大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。
本研究は、福井県立大学学長裁量枠（B）の助成を受けた。

86若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

凍結切片

凍結切・

凍結切・
凍結切片
（導電性フィルム）（ 導電性フ
ィ ルム）

ゲル切片
ゲル切・

図 1 粒子線励起 X 線（PIXE）分析に用いる試料についての条件検討。イネの根を PIXE 分析するためには形態の良い切片を作る必要がある。そこで、凍結切片、伝導性フィルムを用いた凍結切片、ゲル切片の形態を比較した。形態はゲル切片が最も良く、伝導性フィルムを用いた凍結切片でも形態は維持されていた。しかし、凍結切片は崩れてしまい、組織を観察することができなかった。Bars = 250 μm。

図 2 粒子線励起 X 線（PIXE）分析による Fe の局在マッピング。ゲル切片（左図）を PIXE 分析したもの（右図）。
試料からは Al、P、S、Cl、K、Fe のシグナルを検出できたが、ここでは例として Fe の局在マッピングの結果を示した。使用したサンプルは根の表皮に鉄の酸化皮膜をつくらせたイネの根。Bars = 250 μm。

参考文献
1) T.D Colmer: Plant Cell Environ., 26, 17-36 (2003)
2) K. Shiono et al.: Plant J., 80, 40-51 (2014)87若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.2.8
飛行時間型反跳粒子検出法による LiCoO2 正極/LATP 固体電解質界面におけるリチウムイオン伝導機構解析
Analysis of Lithium Ion Conduction Processes at Interface between LiCoO2 Positive Electrode and LATP
Solid-state Electrolyte Using Time-of-flight Elastic Recoil Detection Technique
土屋文*1、高廣克己*2、鈴木耕拓*3、石神龍哉*3
Bun TSUCHIYA, Katsumi TAKAHIRO, Kohtaku SUZUKI and Ryoya ISHIGAMI
Abstract
The migrations of lithium (Li) in multi-layers thin films of Au/LiCoO2 (thickness: approximately 30 nm/100nm), deposited onto one face of Li1.4Ti2Si0.4P2.6O12–AlPO4 (LATP) substrates, were dynamically observed withelectric charging at room temperature in vacuum using elastic recoil detection (ERD) analysis, equipped with
time-of-flight (TOF) systems and 20-MeV Cu12+ ion-probe beams from a Tandem accelerator. The TOF-ERD
spectra clearly revealed that Li+ ions migrated from the LiCoO2 surface to the LiCoO2/LATP interface during
the charge, which the acquired voltage was 1.8 V.
要約
Li1.4Ti2Si0.4P2.6O12–AlPO4 (LATP)固体電解質の片面に蒸着された、約 30 nm Au/100 nm LiCoO2 多層膜中のLi の移動が、タンデム加速器からの 20-MeV Cu12+イオンビームを用いた飛行時間型反跳粒子検出(TOF-ERD)
法により、室温において真空中で 1.8 V の電圧印加しながらその場で観測された。TOF-ERD スペクトルは、Li+
イオンが充電中に LiCoO2 から LiCoO2/LATP 界面へ移動することを明らかに示した。
緒言
リチウムイオン(Li+)伝導体である固体電解質(LATP；Li1.4Ti2Si0.4P2.6O12–AlPO4)を用いた、軽量化と安全性を目指した全固体 Li+イオン二次電池の開発が進められている。正および負極間の Li+イオンの輸率や移動速度、正および負の両極、固体電解質内の過渡的な Li+イオン捕捉濃度は、二次電池の開発において極めて重要なデータとなる 1)。本研究では、パルスレーザー堆積(PLD)法により、LATP を固体電解質(負極を含む)、LiCoO2 薄膜を正極、金(Au)およびプラチナ(Pt)を電極とした固体 Li+イオン二次電池(Au/LiCoO2/LATP/Pt)試料を作製し、若狭湾エネルギー研究センターに設置されている飛行時間型反跳粒子検出(TOF-ERD)法を用いて、電圧を印加しながらその場で Li 濃度を測定して、充電時における Li+イオン伝導挙動について調べた。
実験
PLD 装置より、LATP の片面に直径約 10 mm、厚さ約 100 nm の LiCoO2 薄膜、さらにその両面に電極として
厚さ約 30 nm の Au あるいは厚さ約 20 nm の Pt を蒸着し、Au/LiCoO2/LATP/Pt の全固体 Li+イオン二次電池
試料を作製した。次に、室温において、真空内でこの二次電池試料に 1.8 V までの電圧を印加しながら、タンデ
ム加速器からの 20 MeV の銅イオン(Cu12+)ビームを用いた TOF-ERD 法によって、LiCoO2 および LATP 中の Li
濃度分布の変化をその場で測定した。Cu12+イオン照射量は約 7.8 × 1010 ions/cm2 であった。
結言
TOF-ERD 法を用いて、電圧を印加しながらその場で Au/LiCoO2/LATP/Pt 二次電池試料中の Li 濃度を測定した。LiCoO2 および LATP 中の Li 濃度は電圧を印加することにより減少した。この結果は、Li+イオンが電位勾配により LiCoO2 から LATP 中の負極側へ駆動されて流れたことを示す。
参考文献
1) B. Tsuchiya et al., Physics Procedia, 66, 292 (2015)*１
名城大学・理工学部・教養教育、*2 京都工芸繊維大学・材料化学系、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ
本研究は、名城大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

88

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.2.9
炭化物 TiC 標的による He 後方散乱における核共鳴反応
Elastic Nuclear Reaction on Backscattering of He Ions by Carbide TiC
戸崎充男*1、鈴木耕拓*2、石神龍哉*2
Mitsuo TOSAKI, Kohtaku SUZUKI and Ryoya ISHIGAMI
Abstract
We have measured backscattering spectra of 4He ions by carbide TiC to focus on a sharp peak of carbon
resonance at 4.265 MeV with a width of about 10 keV. The peak profile strongly depends on energy-losses
passing through TiC material via the resonance energy. Varying the incident He energy, we can obtain somevaluable information to study the energy loss process on compound material.
要約
我々は、He ビームが TiC 標的中でエネルギー損失すると、TiC 中の炭素とのシャープな共鳴反応（共鳴エネ
ルギー：4.265 MeV、幅約 10 keV）を起こすことに着目し、入射 He のエネルギーを変化させて後方散乱スペクト
ルを測定した。この共鳴ピークは、化合物による He のエネルギー損失の有効な研究手段となることが分かった。
緒言
イオンと物質のエネルギー損失過程で、単一原子標的に比べて、固体の化合物による研究は少なく、精度の良い測定データがない。この主な要因は、標的の厚さの制御、つまり関わる標的原子の数の評価が難しいことによる。厚さの異なる標的を精度高くそろえるのに限界がある。特に、固体化合物ではなおさらである。我々は、
これまでの研究で開発してきた核共鳴後方散乱を利用し、炭化物 SiC でその有効性を検証した１）。今回、単一炭素標的（HOPG）の炭素共鳴と TiC 標的による炭素共鳴を共に入射 He のエネルギーを変えて、これらの共鳴ピークを系統的に測定した。化合物 TiC に対する He のエネルギー損失に関わる精度のよい実験データの収集
ができた。
方法と結果
図１に標的 TiC、HOPG で、エネルギー 4.264.45 MeV（30 keV ステップ）の He が後方散乱（散乱角 160 度）したスペクトルを重ねて示す(表面収率で規格化した)。TiC 中の炭素と He が共鳴(4.265 MeV)を起こしたピークに着目した。一番エ
ネルギーの高い共鳴ピークは共に表面の炭素との散乱を示し、そのピークプロファイルに差はない。
しかし、エネルギーが高くなり深いところで共鳴散乱するに従い、ピークのプロファイル（位置と幅）の差が大きくなってくる。これは、He イオンが標的
TiC と HOPG の通過中でのエネルギー損失過程の違い（エネルギー損失とその揺らぎの違い）を精度よく（数 keV オーダー）測定できた結果である。

図１ 共鳴を伴う後方散乱エネルギースペクトル結言
後方散乱における炭素の共鳴ピークプロファイルは、エネルギー損失過程の情報を含んでいる。炭化物中の炭素との共鳴に着目することにより、化合物のエネルギー損失と単元素のエネルギー損失との相違を調べることができる。入射 He のエネルギーを変えて、炭化物 SiC 及び TiC について、核共鳴後方散乱による精密測定の結果をもとに、現在、固体化合物に関するエネルギー損失過程のより詳細な解析を進めている。
参考文献
1) 戸崎充男 他:（公財）若狭湾エネルギー研究センター研究年報 平成 27 年度, 18, 73 （2015）*１

京都大学・放射性同位元素総合センター、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ
本研究は、京都大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

89

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.2.10
GAGG:Ce 結晶の特性評価
The Characteristics Mearsurement of the GAGG:Ce Crystal
高橋成企*1、平岡大和*1、檜山太旗*1、中島恭平*1、小川泉*1、玉川洋一*1、鈴木耕拓*2、小林正明*3
Naruki TAKAHASHI, Hirokazu HIRAOKA, Daiki HIYAMA, Kyohei NAKAJIMA,
Izumi OGAWA, Yoichi TAMAGAWA, Kohtaku SUZUKI and Masaaki KOBAYASHI
Abstract
The energy dependence of the quenching factor of GAGG:Ce crystal for alpha (4-12 MeV) and proton (2-8
MeV) beam was investigated.
要約
GAGG：Ce 結晶のアルファ線と陽子線に対する消光係数のエネルギー依存性を調査した。これにより、4-12
MeV でのアルファ線および 2-8 MeV の陽子線に対する消光係数が明らかになった。
緒言
福井大学では、160Gd ニュートリノレス二重ベータ崩壊観測実験を見据えているとともに、次世代シンチレータの応用方法を探る特性評価を行っている。27 年度に引き続き GAGG:Ce(Gd3Al2Ga3O12:Ce)1)のアルファ線および陽子線に対する消光係数を測定する実験を行った。消光係数のエネルギー依存性を明らかにすることで、今後の応用範囲の拡大を目的とする。
方法
今回は、標準線源では照射できない 4-12 MeV のアルファ線および 2-8
MeV の陽子線に対する GAGG の応答を調査するためにタンデム加速器からの出力ビームを用いることとして実験を行った。照射エネルギーの損失を防ぐため、ビーム取り出し口からサンプル結晶までの大気部分をできるだけ少なくして GAGG 結晶に入射するようにセットした。その際のエネルギー損失を補正するために荷電粒子伝播コード SRIM を用いた。GAGG:Ce 結晶(10 mm×30 mm
×10 mm、図１)は反射材（PTFE テープ）と、遮光材を施し、光電子増倍管（R9800-100-10）に接続した。採集する波形のパイルアップを抑制するために、加速器からのビームレートは 100 Hz 程度まで抑えて照射を行い、1 MeV 毎に１万イベントを収集した。

図１ GAGG：Ce 結晶

結果と考察
実験により、これまで明らかでなかった GAGG:Ce 結晶の陽子線に対する消光係数のエネルギー依存性を確認することができた（図2）。他の無機シンチレータ同様、陽子線のエネルギーが高くなるにつれて、消光係数も増大する傾向があり、その変化はバークスの二次項を加えた式で表現できることが確認された。
図 2. 消光係数のエネルギーまとめ
本実験により、GAGG：Ce 結晶の陽子線に対する消光係数のエネ
ルギー依存性を検証することができた。

依存性。破線はバークスの式 1次、実線が 2 次。

図 2 消光係数のエネルギー依存性

参考文献
1) K. Kamada, et al.: Journal of Physics D: Applied Physics, 44, 505104 (2011)*１

福井大学大学院工学研究科、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ、*3 高エネルギー加速器研究機
構
本研究は、福井大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

90

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.2.11
マンガン鉱山近郊土壌中の元素分布及び形状測定
Elemental Distribution and Shape Mesurament in Soil Obtained Near Manganese Ore
春山洋一*1、安田啓介*1、鈴木耕拓*2
Yoichi HARUYAMA, Keisuke YASUDA and Kohtaku SUZUKI
丹波地方の旧マンガン鉱山近傍を流れる川の土壌に高濃度にマンガンを含む地帯があることが知られている。
このマンガンの由来は鉱山の採掘に伴う鉱滓であることが推測される。自然な状態で存在するマンガンと鉱山活動に由来するマンガンとでは，濃度の違いは勿論であるが、その分布や形状が異なる可能性がある。土壌中元素の濃度や形状を手掛かりに自然由来と人工由来の違いが識別できれば、記録に残っていないような古い鉱山活動跡の規模や場所の推定や、農耕や栽培などの人間の文化活動に由来する痕跡を識別できる可能性が考えられる。その可能性を確かめるために、我々は手始めとしてマンガン鉱山近傍の川から採取した土壌と大学グランドの土壌をマイクロビーム PIXE 法を用いて測定し、比較を試みた。
川と大学グランドから採取した土壌試料は 1 mm メッシュで大きな石や木屑などを除去したのち、100 µm のメ
ッシュを通るように瑪瑙乳鉢で粉砕したものを使用した。また、小石の一部を事前に蛍光Ｘ線測定を行い、マンガンカウントの高いもの二つを選別して、一つはそのまま、もう一つはグラインダーで研磨したものを試料とした。
試料をプロトンマイクロビーム PIXE で測定した。
川から採取した土壌は、クロム、鉄が多く含まれており、マンガンはその間に埋もれてしまい、独立したピークを選択できず、形状の測定には至らなかった。アルミやシリコンはメッシュサイズ以下の塊で分散していることが確認できたが、鉄やクロムについてはメッシュサイズよりも大きな塊に見えている。形状測定には試料の取扱についてより慎重に行う必要がありそうである。未研磨の小石からはマンガンが多量に観測されたが、研磨した石からは観測されず、マンガン微粒子が小石の表面に付着していることが分かった。
*1

京都府立大学、*２（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ
本研究は、京都府立大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

2.4.2.12
μ陽子ビームによる Li イオン電池材料の Li 分布評価
PIGE Imaging for Li Ion Batteries with Micro Proton Beam
小北哲也*1、鈴木耕拓*2
Tetsuya KOGITA and Kohtaku SUZUKI
リチウム（Li）イオン２次電池に代わる、より高エネルギー密度となる次世代蓄電池として全固体電池の開発が進められている。電池内部の反応解析において Li の分布を可視化することは非常に重要であるが、Li は 3 番
目に軽い元素で実験室レベルの分析手法では高い空間分解能で検出することが難しいという特徴がある。
μ陽子ビームを用いた PIGE/PIXE 分析は、数μmφの空間分解能で Li や電極を構成する元素を直接検出できる。我々は本手法により、全固体電池について充放電下(in-situ)での Li 分布の取得を目指して検討を進めている。平成 28 年度は、27 年度に続き液系電池の電極材料の評価を行うと共に、全固体電池のテスト評価を行った。
実験では 3μmφ程度に集束させた 2.5 MeV 陽子ビームを用いた。試料（全固体電池）は(株)コベルコ科研（神戸市西区）で加工した後、大気非開放機構に封入した状態で若狭湾エネルギー研究センターへ搬入、そのまま装置に導入した。これにより試料を大気に晒すことなく、安全に実験が行える事を確認した。また Li の面内分布を取得した結果、固体電解質由来の成分と Li の分布に相関が見られた他、負極に挿入された Li の存在を確認することができた。
*１（株）コベルコ科研・材料ソリューション事業部、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ
本研究は、（株）コベルコ科研と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

91

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.2.13
飛行時間分析型弾性反跳粒子検出法を用いた全固体リチウム二次電池中のリチウムの深さ分布
Depth Profiling of Lithium in an All-solid-state Lithium-ion Battery using Time-of-flight Elastic Recoil
Detection Analysis
小林峰*1,2、叶榮彬*2,1、鈴木耕拓*3、和田智之*1、馬場守*1,2
Takane KOBAYASHI, Rongbin YE, Kohtaku SUZUKI, Satoshi WADA, and Mamoru BABA
リチウムイオン二次電池(LIB)はリチウムイオンが正極と負極の間を移動することによって充放電がなされることから、LIB 中のリチウムの深さ分布の情報を得ることは重要である。安全の観点から全固体（リチウムイオン二次）
電池は次世代 LIB として期待されている。我々は世界に先駆けて透過方式で 10 MeV の C3+ ビームを用いた飛行時間分析型弾性反跳粒子検出法 (TOF-ERDA) によって全固体電池中のリチウムの深さ分布測定を行った。
測定した全固体電池試料の構造は基板側から厚さ 3 µm のアルミニウム基板、正極 (LiMn2O4 of 300 nm)、電解質 (LIPON [lithium phosphorousoxynitride] of 400 nm)、負極 (Nb2Ox of 300 nm)、そして集電体 (Ti of 100 nm)であった。測定の結果、充電により正極側から負極側にリチウムイオンが移動したこと、及びこの分析での深さ分
解能は 100 nm 以下であることが分かった。また、本研究から、TOF-ERDA 測定によって全固体電池開発において有益なリチウムの深さ分布の情報を得られると確信した。
*１

国立研究開発法人理化学研究所・光量子制御技術開発チーム、*2 国立大学法人岩手大学・理工学部、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ
本研究は、（国研）理化学研究所と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

2.4.2.14
超臨界水中合成ニオブ水素化物の水素濃度深さ分析
Hydrogen Depth Profile Analysis of Nb Hydrides Synthesized in Supercritical Water
曽田一雄*1,2、杉浦慎哉*1、山口貫太*1、加藤政彦*1、丹羽健*1、長谷川正*1、鈴木耕拓*3、石神龍哉*3
Kazuo SODA, Shinya SUGIURA, Kanta YAMAGUCHI, Masahiko KATO, Ken NIWA, Masashi HASEGAWA,
Kohtaku SUZUKI and Ryoya ISHIGAMI
レーザー加熱ダイアモンドアンビルセル内の超高圧高温下で、酸化能が高いとされる超臨界水との直接反応
で Nb 水素化物(NbHx)が形成されることが X 線回折(XRD)測定によって報告され、さらに、マイクロビーム硬 X 線
光電子分光(HAXPES)による化学状態分析によって、試料最表面には、XRD 測定では観測されない Nb2O5 酸化物層(厚さ 4 – 9 nm 程度）が形成され、α'相 NbH(x ∼ 0.8）あるいはα相 NbH(x ∼ 0.2)が試料内部に形成されることが分かった 1)。この水素化反応過程を明らかにするため、本研究では、マイクロイオンビームによる反跳粒子検出法(ERDA）を用いて生成された水素化物の水素濃度 x とその深さ分布を調べた。
測定には重水および軽水を用いて主としてα相 NbH が生成される水素化初期の試料と水素化が進んでα'
相 NbH が形成された試料を用いた。ERDA 測定の結果、水素化を進行させた重水素化試料では、重水素と軽水素の置換も見られるが、表面から 200 nm 程度の深さまで水素濃度（（H+D)/Nb ∼ 0.8)が高く、今回の測定限界である 1 µm にわたって低水素濃度((H+D)/Nb ∼ 0.2)領域が拡がっていることが分かった。今回の測定で、格子定数変化と化学状態分析から生成が推定された水素化物組成が確認できた。
本研究の結果、Nb の高い水素透過能のために、表面における水分解反応で生じた水素が拡散してα相
NbH が試料全体に形成され、表面に近い領域に水素濃度の高いα'相 NbH が形成されたと考えられる。
参考文献 1) K. Soda et al.: J. Alloys Comp., 643, 195-200 (2015)*1

名古屋大学大学院工学研究科、*2 名古屋大学シンクロトロン光研究センター、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギ
ー材料グループ
本研究は、名古屋大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである

92

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.3. 放射線場で利用される機器・材料の評価技術開発
2.4.3.1
人工衛星搭載用 X 線検出器で用いる回路部品の耐放射線シミュレーション
Radiation Tolerance Simulation Test for X-ray Detector aboard the Micro Satellite Kanazawa-SAT3
米徳大輔*1、澤野達哉*1、吉田和輝*1、加川保昭*1、伊奈正雄*1、太田海一*1、南雄己*1
羽鳥聡*2、久米恭*3、長谷川崇*4、水嶋慧*3
Daisuke YONETOKU, Tatsuya SAWANO, Kazuki YOSHIDA, Yasuaki KAGAWA, Masao INA, Kaichi OTA,
Yuki MINAMI, Satoshi HATORI, Kyo KUME, Takashi HASEGAWA and Satoshi MIZUSHIMA
Abstract
We performed radiation tolerance simulation tests for electric devices (peripheral circuit elements) of X-ray
detector aboard the micro satellite Kanazawa-SAT3. The peripheral elements are reset IC, A/D converter,
operation amplifiers, and microcomputer of consumer product level (not space quality), so we examined
whether these devices can normally operate during mission life of 3 years in orbit. As main results ofexperiments, we successfully confirmed that all of them have radiation tolerance up to 30 krad at least.
要約
金沢大学が開発している超小型衛星 Kanazawa-SAT3 に搭載する X 線撮像検出器で用いる回路素子に対する放射線耐性試験を実施した。今年度は民生部品であるリセット IC、A/D コンバータ、オペアンプ、マイコンに対して試験を行い、衛星軌道上で長期間にわたって動作可能であるかを検証した。結果として、これら全ての回路部品に対して、30 krad 以上の放射線耐性があることを確認できた。
緒言
金沢大学では、2018 年頃の打ち上げを目標に 50 cm 立方, 50 kg 級の超小型衛星の開発を進めている。理学ミッション機器として、重力波発生源の一つとして考えられている「短時間ガンマ線バースト」と呼ばれる爆発
現象の方向を決定するための広視野Ｘ線撮像検出器を搭載する。本実験の目的は、X 線撮像検出器で利用する回路素子(リセット IC、A/D コンバータ、オペアンプ、レベルシフタ、マイコン)に対する放射線耐性試験を実施
し、衛星軌道上で長期間にわたって動作可能であるかを検証した。
方法
平成 28 年 7 月 11 日〜13 日、11 月 2 日〜4 日に陽子・ヘリウム線照射実験を行い、X 線検出器で用いる回路素子の放射線耐性を検証した。人工衛星の軌道を高度 500km, 軌道傾斜角 30 度とした場合、通常観測時に平均的に晒される宇宙線フラックスは約 108 proton/cm2/yr である。また、南大西洋異常帯(SAA)と呼ばれる
ヴァン・アレン帯の一部を通過することを考慮すると、その 30 倍程度の粒子線に晒されることになる。宇宙線の主な構成要素は陽子であり、その平均的な粒子エネルギーは数 100 MeV 程度であることから、本実験では 200
MeV の陽子・ヘリウム線を照射した。実験セットアップの様子を図１に示す。

図 1 実験セットアップの例*１*2

金沢大学理工研究域数物科学系、 (公財)若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・加速器室、*3(公財)若狭湾エネルギー研究センタ
ー研究開発部・粒子線医療研究グループ、*4(同)ハセテック
本研究は、金沢大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。
本研究は、科学研究費補助金（16H06342, 15H00780）および文部科学省宇宙航空科学技術推進委託費の助成を受けた。

93

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
結果
本実験により放射線耐性を検証した回路部品について、その特性変化等について示す。
（1） リセット IC
1V と 3V の電圧監視チャンネルを持ち、電圧閾値を下回るとリセ
ット信号を出力する回路素子である。回路の立ち上げ時に正常な電圧まで上昇した後に FPGA/CPU を起動したり、電圧不安定時にリセットするなどの理由から導入を検討している。
同一ロットで製造された 3 素子を用いて、電圧閾値の変化およびリセット信号を出力するまでの時間(reset time)を測定した結果を図2(上段)に示す。約 35 krad まではどの素子も安定して動作していたが、それを超えた直後に、共通して reset time に異常が見られた（図中、紫）。この時、監視電圧が低下してもリセット信号を出せなくなるが、逆に正常値の場合に誤ってリセット信号を出すことはない
故障モードであることを確認した。
（2） オペアンプ
検出器のステータス情報のうち、微小な電圧を増幅するために用いる。ビーム照射量に対するオペアンプのゲインおよびオフセットの変化を示す。ゲインについては 100 krad の照射でも変化はなく（図２下段）、オフセットについても 50 krad までは安定していることを確認した。オフセットに関しては、50 krad を超えたあたりから徐々に変化し、最大で 10 mV 程度の変化が確認された。
（3） A/D コンバータ
回路基板上の電流や電圧、温度情報（電圧値に換算）などをモニターする際に様々な物理量を A/D 変換する必要がある。同一ロットで製造された 3 つの ADC に対して、ビーム照射試験を行い、ゲインやオフセットの変化量、消費電流を調べた。
50 krad を照射した後からゲイン・オフセット共になだらかに変化し、150 krad を過ぎたあたりから急激に機能を損失するものが現れることを確認した。ゲインは機能損失までにおよそ 2％の低下、オフセッ
図 2 (上)リセット IC：reset time の変化
ト電圧は 20 mV の低下である。また、ひとつのチャネルが機能を失(下) オペアンプのゲイン変化ってから、10 krad 以内に全てのチャネルが機能を損失するという特（※1 の期間は測定値がない）
徴も見られた。
（4） レベルシフタ
レベルシフタは集積回路と FPGA との間の通信の電圧レベルを変換するための IC で、ミッション機器として極めて重要な部品である。したがって、平成 27 年度に十分な放射線耐性があることを確認しているが、独立な実験により再度の評価を行った。
その結果、平成 27 年度と同様に放射線耐性が高いことを確認し、200 krad 照射後の消費電流の変化は 0.1
mA 程度、電圧変換に要する時間の遅延についても大きくても 0.1 ns 程度とほぼ変化しないことを確認した。
（5） マイコン
過去の超小型衛星に搭載された実績のある PIC マイコンと、近年、新たに開発された FRAM マイコンの２種類に対して照射試験を行った。FRAM マイコンの方が放射線耐性は高く、SEU 発生頻度は 6×109 particle/cm2程度であり、定期的に解除することにより、約 30 krad までは利用できることを確認した。
結言
本実験により衛星軌道における放射線耐性が十分に高い素子を選定し、Kanazawa-SAT3 の運用目標である
3 年の間には粒子線による性能の変化は見られないことを検証できた。本実験結果の一部は、加川保昭(金沢大院生)の修士論文 3)および Kagawa et al. (2017)として報告した。
参考文献
1) Y. Kagawa, D. Yonetoku, T. Sawano et al., SPIE Conference Proceedings, in press (2017)2) 加川保昭 金沢大学大学院自然科学研究科数物科学専攻 修士論文 (2017)94若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.3.2
陽子線を用いた衛星搭載用デバイスの放射線耐性の検証
Verification for Radiation Torelance of Semiconductor Devices for Space Missions with Proton Beam
谷津陽一*1、林雄貴*2、菊谷侑平*2、古賀将哉*2、小池毅彦*2、小澤俊貴*1、針田聖平*1、
河合誠之*1、松永三郎*2、羽鳥聡*3、久米恭*4、長谷川崇*5
Yoichi YATSU, Yuki HAYASHI, Yuhei KIKUYA, Masaya KOGA, Takehiko KOIKE, Toshiki OZAWA, Shohei
HARITA, Nobuyuki KAWAI, Saburo MATUNAGA, Satoshi HATORI, Kyo KUME and Takashi HASEGAWA
Abstract
Verification tests for the radiation torelance of semiconductor devices aboard small satellites are presented．
To simulate the radiation environement in a 500 km sun-synchronous orbit, in which most of small satellites are
injected, we irradiated a 90 MeV proton beam on the semiconductor devices and investigated the sensitivity tohigh energy protons including the single event effects (SEE) and degradations. We found that on-board
computers which already passed the total irradiation dose tests, frequently showed failures arise from the SEE.
We also examined 8 different microSD cards and revealed that the SEE sensitivity seemed not correlate with theprice or the descriptions such as “industrial-level” and “consumer-use”. Based on those results, we designed
a fault torelant circuit for the space experiments to be launched in 2018.
要約
小型衛星用の姿勢センサに用いる電子デバイスの放射線耐性実験について報告する。多くの小型衛星が打ち上げられる高度 500km の太陽同期軌道を想定し、90MeV の陽子線照射による半導体素子の耐性評価、そして、不具合が発生した場合にはその症状の調査、さらにはセンサ素子などの経年劣化の評価を行い、オンボー
ドコンピュータでは高い頻度で放射線障害が確認された。ストレージとして搭載予定であったマイクロ SD カード
については、8 種類の耐性確認を行ったが、SEE 耐性が製品によって全くことなることが判明した。我々は、これらの測定結果を根拠として、2018 年度打ち上げ予定の姿勢センサ実証機を設計・製造した。
緒言
近年、50kg 未満の“超小型衛星”が、低コストと豊富な打ち上げ機会を武器に、宇宙科学・工学・ビジネスの新しい潮流となっている。これらの打ち上げ個数は既に年間 100 個を超え、IoT 技術の恩恵を受けて、高機能で挑戦的な衛星が世界中で作られている。我々は民生品を用いて低コストで高性能な衛星機器の実現を目指しているが、その根幹となる最も重要な知見が、電子デバイスの放射線耐性であり、この正確な評価がプロジェクト
成否の鍵を握っている。本研究課題では、2018 年に打ち上げる宇宙実験装置のための電子デバイスの放射線耐性評価試験を実施した。特に Raspberry Pi (RasPi)に代表されるオンボードコンピュータ（OBC）は、その豊富なソフトウェア資産の恩恵を得られるために、世界中の研究者・企業が衛星搭載を計画している 1)。これまでにガ
ンマ線照射による TID 試験は報告されているものの、試験難易度の高い荷電粒子照射による SEE の耐性は知られておらず、極めて重要な知見となり得る。本研究では、RasPi を始めとして、CPU 製造元の異なる 5 種類の市販 OBC と、それに用いる半導体ストレージ（マイクロ SD カード 8 種および SSD4 種）、そして多数の通信・電源用の単機能半導体素子など、搭載する全ての能動素子の放射線耐性評価試験を行い、フライトモデル搭載品を選定するとともに、不具合発生時の症状を調査し、回路設計・ソフトウェアに反映させた。本レポートでは特に RasPi とストレージの SEE 耐性について報告する。
方法
宇宙機で問題となるのは、地磁気に束縛された荷電粒子（陽子）である。陽子誘発型 SEE は、陽子と半導体を構成する原子核との相互作用を介して引き起こされ、その反応断面積は入射する陽子のエネルギーが高くな
るにつれて大きくなる。一方で、SPENVIS2)を用いた推定では、高度 500 km の太陽同期軌道の陽子のスペクト
ルは 100 MeV 以上で急速に数を減らすため、陽子線のエネルギーは 100 MeV と設定した(図１)。本実験では、被験体全体を一様に照射するために散乱体でビームを拡散させており、被験体入射時点のエネルギーは*１

東京工業大学 理学院 物理学系、*2 東京工業大学 工学院 機械工学系、*3(公財)若狭湾エネルギー研究センター研究開発部・加速器室、(公財)若狭湾エネルギー研究センター研究開発部・粒子線医療研究グループ、*5(同)ハセテック
本研究は、東京工業大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。
本研究は、精密測定技術振興財団および三菱財団から助成を受けた。

*495

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
90 MeV であった。積算照射線量は、1 年あたり 1.9×109
cm-2 である。加速試験のため照射強度は高く設定する必要があるが、経験的に照射強度が 107 cm-2 s-1 を超えると、不具合発生率が急上昇し、宇宙環境模擬が困難になる。この
適正照射強度の上限値は被験体に依るため、実験的に見極める以外に方法がない。本実験では 106 cm-2 s-1 を基準とし、不具合発生頻度が極端に高い場合には強度を下げることとした。なお、積算照射量は 1 年以上を目標とした。
被験体を設置する際には、ストレージと本体の不具合を切り分けるために、microSD カードを延長ケーブルで外付けし、被検体以外は中性子障害を避けるためにパラフィンブロックで遮蔽した。また、可視光でラッチアップするウェハレベ
ル CSP 素子を取り除いた「改造品」を製作し、比較実験を行 図１ 高度 500km の太陽同期軌道を想定した陽子線スペクトル（t=3.5mm Al 遮蔽板を仮定）。
った。照射中は、電源電流（5V、およびコア用 1.2V）、CPUの温度を記録し、各電源の電流制限を 0.8A に設定した。電流増加（Single Event Latch-up: SEL）もしくは通信切断を「不具合」とみなし、電源を遮断し再起動した。また、4 つの CPU コア全てを使う高負荷の試験用プログラ
ムを走らせ、DRAM に展開した配列のビット反転（Single Event Uplset: SEU）をモニタした。
結果と考察
OBC の照射試験結果を表 1 に示す。無改造 RasPi
表 1 OBC の陽子線誘発 SEE の発生頻度
はガンマ線耐性が高いことが報告されていたが 1)、陽
デバイス
照射強度
SEE
軌道上頻度
子線では容易に SEE が誘発されることが判明した。SEE(cm-2s-1)
間隔(s)(day-1)
発生時の症状は、RAM の SEU、通信の途絶、そして Ras Pi2 B
8.1x106
4.3
0.15
SEL であり、SEL による過電流は 1A を超えると推測され Ras Pi3 B
5
6.1x1081.0
0.11
る。一方、SEE による OBC の永久破壊は一度も起こら 改造 Ras Pi2 B
8.1x105
156.0
0.04
ず、パワーリセット後には正常起動を確認した。さら5
改造 Ras Pi3 B
8.1x10238.0
0.03に、電流制限が掛かった状態で 5 分程度放置して、
表 2 microSD カードの SEE 耐性
SEL によるデバイス焼損の有無を確認したが、熱的破
結果
デバイス
結果
壊は見られなかった。ウェハレベル CSP 素子の除去に デバイス☓
T 社一般用…
△
より SEE 発生頻度は月に 1 回程度まで抑えられるため、 S 社一般用…
☓
T 社一般用…
△
現状予定している週一回の運用頻度であれば、ほとん A 社産業用…
P
社一般用…
■
N
社産業用…
◎
ど不具合に遭遇することなく観測を遂行できる。万が一◯
D 社産業用…
■
SEE が発生した場合には、電流制限等の対策で機器を P 社産業用…
■： 永久破壊, ☓: 実用に耐えないエラー頻度, △: 月数回程度保護することで、永久破壊を回避できることも確認した。
表 2 は microSD カードの放射線耐性試験結果のまと の不具合, ◯: 年数回程度の軽微な不具合, ◎: 不具合なし
めである。被験体は、超小型衛星ベンダーが推奨する高額な産業用製品から容易に入手できる一般製品まで広く集めた。不具合は SEL を伴う頓死など致命的なものや、一時的なカード認識エラー等があったものの、デー
タ欠損等のメモリ内のビット反転は確認されなかった。この結果は SEE がメモリセルではなくメモリコントローラで生じていることを示唆しており、書き換え耐性のある SLC 型 Flash を用いた産業用であっても、ストレージとしての放射線耐性を保証するものではないと結論できる。
結言
一般的に入手可能な OBC、半導体ストレージ等の陽子線による SEE 耐性評価試験を実施し、障害発生レート、障害発生時の症状を調査を行った。OBC は軌道上で月に 1 回程度の SEE が予想され、SEL 時の電流値、発熱、デバイスの耐性を考慮した熱・構造設計、回路設計に反映した 3)。
参考文献
1) Daniel et al., EEE Parts for Small Missions, Greenbelt, MD, Sept 10-11 (2014)2) Space Environment Information System, https://www.spenvis.oma.be/3) Yuhei Kikuya et al., 31th ISTS, 2017-f-093, Matsuyama, Japan, June 3-9 (2017)96若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.3.3
プロトン照射が GaN HEMT の長期信頼性に与える影響
Proton Irradiation Effect on Long-term Reliability of GaN HEMTs
日坂隆行*1、佐々木肇*1、奥友希*1、羽鳥聡*2、石神龍哉*3、久米恭*4
Takayuki HISAKA, Hajime SASAKI, Tomoki OKU, Satoshi HATORI, Ryoya ISHIGAMI and Kyo KUME
Abstract
In this study, we investigated proton irradiation effect on long-term reliability of GaN HEMTs. After GaN
HEMTs were irradiated with proton at 70MeV, 2×1012/cm2, RF life test was performed to evaluate the change
in characteristics of the devices. The device irradiated proton had small Pout change of less than 0.2dB after
1000h RF life test. The result indicates that GaN HEMT has enough radiation tolerance for even in considerationof long-term reliability.
要約
本研究では、プロトン照射が GaN HEMT の長期信頼性に与える影響を調査した。最初に GaN HEMT に
70MeV、2×1012/cm2 でプロトンを照射し、その後 RF 通電試験を行い特性の変化を評価した。その結果、プロトン照射したデバイスの RF 通電 1000 時間後の変化は 0.2dB 以下と小さかった。この結果より、GaN HEMT は長期信頼性を考慮しても十分高い耐放射線性を有していると考えられる。
緒言
GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor)は、高出力・高効率動作が可能で信頼性にも優れ、増幅器の小型軽量化、高信頼性化が実現できることから，衛星搭載用 SSPA（Solid-State Power Amplifiers）への応用が期待されている。GaN HEMT を宇宙環境で使用するためには、高エネルギーのプロトン、重イオン、γ線等からなる宇宙放射線に対して十分な耐性を確保することが要求される。
これまでに、GaN HEMT に高エネルギーのイオン照射を行い特性への影響を明らかにしてきた 1)。しかし、長期信頼性に与える影響は明確でなかった。今回、プロトン照射が長期信頼性に与える影響を調べるため、GaN
HEMT にプロトン照射を行い、その後 RF 通電試験を行った。

結言
GaN HEMT は、プロトン照射による RF 通電信頼性に影響はなく、長期信頼性を考慮しても十分高い耐放射線性を有していると考えられる。
参考文献
1) H. Sasaki et al., Reliability of Compound Semiconductors
Workshop Proceedings, p59-67 (2016)*１△Pout (dB)

成果の概要
SiC 基板上 AlGaN/GaN 構造 HEMT に、若狭湾エネルギー研究センターの加速器システムを用いて 70MeV,
2×1012/cm2 でプロトン照射を行った。その後、RF 通電試験中の特性変化を測定した。RF 通電条件は、チャネ
ル温度 Tch=200℃、ドレイン電圧 Vds=45V、RF 周波数 fRF=5.5GHz、入力電力 Pin は 2dB 利得圧縮となるように調整後一定とした。RF 通電中の出力電力の変化(△Pout)を図１に3示す。プロトン照射有、無に関わらず RF 通電 1000h 後の Pout
Tch=200℃, fRF= 5.5GHz, Vds=45V
Pの変化は 0.2dB 以下と小さく、プロトン照射した GaN HEMT の
in=constant (初期に2dB利得圧縮に調整)
2
長期信頼性に問題ないことを確認した。
プロトン照射有1
0-1

プロトン照射無

-2
-3
0

500

1000

時間 (h)

図 1 RF 通電時の Pout の変化

三菱電機株式会社 高周波光デバイス製作所・品質保証部・信頼性技術グループ、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・加速器室、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ、*4（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ
本研究は、三菱電機株式会社と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

97

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.3.4
宇宙機搭載用機器に対する高エネルギー陽子線照射技術の開発
Development of a Proton Irradiation Technique for Electronic Devices to be Mounted on Spaceships
久米恭*1、長谷川崇*2、羽鳥聡*3、鳥居建男*4、瀧田正人*5、辻宏和*6
Kyo KUME, Takashi HASEGAWA, Satoshi HATORI, Tatsuo TORII, Masato TAKITA and Hirokazu TSUJI
Abstract
Ion beam irradiation examinations for devices mounted on spaceships to simulate cosmic rays have been
carried out at the Wakasa Wan Energy Research Center by using the 200 MeV proton synchrotron. The present
status is reported.
要約（公財）若狭湾エネルギー研究センターでは、近年の宇宙開発のニーズの高まりを受け、200 MeV 陽子シンクロトロンによる宇宙線模擬試験環境の提供に取り組んでいる。今回はこの取り組み状況について報告する。
緒言
宇宙産業は現在、世界的に成長が著しい。この産業で必須の試験項目の一つとして、宇宙機に搭載する半導体等の部品の宇宙線に対する耐性評価試験が挙げられる。宇宙線の成分を考えた場合、若狭湾エネルギー
研究センター（WERC）で供給可能な最大 200 MeV の高エネルギー陽子線は、この宇宙開発に必要な試験目的に合致する。WERC では過去に実施した陽子線治療臨床研究等の経験も活用し、大気中での照射野形成による高エネルギー陽子線照射が可能である。これらの状況を踏まえ、平成 28 年度には企業からの要請に基づいた依頼照射を複数回実施するなど、宇宙開発分野でのビーム提供機会が増加している。今回は、宇宙開発に用いるビーム開発状況について報告する。
方法・結果・考察
実験は WERC 高エネルギー生物照射装置（HE）で実施している。HE はウオブラー電磁石やタングステン散乱体による照射野形成システム（IR）を備えている。照射対象への線量は、ビーム強度が nA 程度の場合、ビー
ムライン末端に設置した真ちゅう製のビームストッパー（BS）、ビームライン中に設置した電離箱（IC）を相互に校正することで決定し、照射試験中は IC で得る電荷量により線量を制御する。陽子線の分布は 2 次元電離箱ア
レイやイメージングプレートにより取得する。これらの装置により、照射点において平坦度 5 %、最大 10 cm x
10cm の照射野サイズを得ることが可能となった。
ビームエネルギーについては、ユーザからの照射エネルギーの要望に応じ、SRIM コードによりビームライン
構成機器や空間を模擬してビーム損失を計算することで、シンクロトロンでの加速エネルギーを決定している。
ビームライン上に減速体も設置可能である。これらの取り組みにより、照射エネルギーを 30 – 160 MeV の範囲に広げた。
ビーム強度については、ユーザからの照射強度の要求に応じ、シンクロトロンへの入射強度やシンクロトロン
からの出射強度、ならびにビームライン運転パラメータを調整することで、照射位置で数百陽子/sec から nA 程度の範囲をカバーすることができるようになった。
結言
WERC においては宇宙開発のための加速器利用が活発となっており、そのためのビーム開発を並行して行っている。今後も引き続き、宇宙利用のためのビーム開発を実施していく。

*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ、*2（同）ハセテック、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・加速器室、*4（国）日本原子力研究開発機構、*5 東京大学宇宙線研究所、*6（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが東京大学宇宙線研究所の共同利用研究 D05 で得た成果の一部を含む。

98

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.3.5
超小型衛星搭載用電子機器の放射線耐性調査
Investigation of Radiation Resistance of Semiconductor Devices for Nano-satellite
青柳賢英*1、松本健*1、中須賀真一*1、久米恭*2
Yoshihide AOYANAGI, Takeshi MATSUMOTO, Shinichi NAKASUKA, and Kyo KUME
Abstract
In this research, we investigated radiation resistance of commercial semiconductor devices for Nano-satellite"TRICOM" by proton irradiation. As a result, these semiconductor devices has sufficiently radiation resistance,these devices were found to be applicable for spacecraft including Nano-satellite.
要約
本研究では、超小型衛星 TRICOM へ搭載する民生電子部品へプロトン照射を行い、放射線耐性評価を実施した。その結果、これら民生電子部品は十分な放射線耐性を有しており、宇宙機器への適用が可能であることを確認した。
緒言
超小型衛星の多くには民生部品が採用されているが、新規の民生電子部品の宇宙機器への適用に際しては、その信頼性評価が重要であり、特に耐放射線特性の把握を行うことが重要である。放射線のシングルイベン
ト効果は、電子部品の過電流(SEL)及びビット反転(SEU)を引き起こすため、衛星に損傷を与える危険性がある。
CPU 及びメモリ等は高ビット数、 大容量になるにつれ半導体密度が上がり放射線耐性が弱くなる傾向があるた
め、最新の民生電子部品を使用する際には注意が必要である。
本研究では、民生電子部品である 32bitCPU, 8bitCPU 等複数の民生電子部品に対するプロトン照射によりSEU, SEL を引き起こし、その発生回数により衛星軌道上での SEU, SEL の発生確率を解析的に評価した。
成果の概要
プロトンの照射エネルギーは 20 – 70 Mev とした。フラックスはおよそ
5x106[protons/cm2/s]とし、シングルイベント効果の発生頻度をモニターしながら増減させた。図 1 に各照射エネルギーにおける SEU の反転断面積の例を示す。各プロット点に対する Weibulｌ分布のパラメータを用いて衛星軌道上でのシングルイベント発生確率を評価した。評価には CREME (Cosmic Ray Effects on Micro Electronics) 96 を用い、軌
道は国際宇宙ステーションと同等とした。SEU の評価結果は、1 bit 反転可能性を国際宇宙ステーション軌道周回日数で表すと、通常ケース
においては 32bitCPU の場合には約 61 日間、8bitCPU の場合には約66 日間であることが確認できた。また SEL の発生確率は 32bitCPU で
3.4x10-5[回/day]、8bitCPU では 6.3x10-5[回/day]となった。
また、32bitCPU 基板には定期リセット回路を搭載しており、SEL により過電流が流れ、CPU が停止した際に定期リセット回路が動作し、正常動作に復帰したことも確認できた。
図 1 反転断面積 (上: 32bit CPU, 8bit CPU)

結言
超小型衛星への搭載を予定している民生電子部品へプロトン照射を行い、放射線耐性評価を実施した。その結果、これら民生電子部品は十分な放射線耐性を有しており、宇宙機器への適用が可能であることを確認した。またシングルイベント現象が起きた場合においても定期リセット回路によって正常復帰することが確認された。
本研究にて評価した民生電子部品は、超小型衛星 TRICOM へ搭載し軌道上へ打ち上げる予定であり、軌道上においても放射線耐性の評価を行う予定である。
*１

東京大学大学院工学系研究科・航空宇宙工学専攻、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ
本研究は、東京大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

99

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.3.6

放射線遮蔽用可とう性材料の性能評価
Performance Evaluation of Flexible Material for Radiation Shielding
執行信寛*1、今冨宏祐*1、三根貴大*1、木村健一*2、長谷川崇*3、久米恭*4
Nobuhiro SHIGYO, Kosuke IMATOMI, Takahiro MINE, Ken-ichi KIMURA, Takashi HASEGAWA
and Kyo KUME
Abstract
Neutron attenuation of flexible material for radiation shielding was measured. Neutrons generated byspallation reaction were used. It is found that attenuation coefficient of continuous energy neutron between 10
and 200 MeV is 0.034 cm-1.
要約
放射線遮蔽用可とう性材料の中性子遮へい性能を測定した。核破砕反応による連続エネルギー中性子を使用した。この材料の 10 MeV から 200 MeV の連続エネルギー中性子に対する減弱係数は 0.034 cm-1 となることが分かった。
緒言
加速器施設でコンクリート等を配置することが困難な箇所に適用できるように開発された可とう性を有する材
料の放射線遮蔽性能を調べることを目的とする。200 MeV 陽子ビームの核破砕反応で生成される連続エネルギ
ー中性子を使用して、この可とう性材料の中性子の透過量を調べた。
方法
実験は、若狭湾エネルギー研究センター多目的加速器システム照射室４高エネルギー生物照射装置で行った。放射線遮蔽用可とう性材料は、ウレタンをベースにした、水素含有量をコンクリートと同程度に高めたもので、密度が 1.0 g/cm3 の材料であり、厚さを 0 cm から 15 cm まで 5 cm 毎に変化させた。実験では 200 MeV 陽子をターゲットである厚さ約 60 mm の鉄板に入射し、核破砕反応で生成された連続エネルギー中性子を遮蔽体に照射し、透過した中性子を後方に設置した液体有機シンチレータで測定した。中性子のエネルギーは液体有機シンチレータの発光量分布をアンフォールディングすることにより決定した。実験では 10 MeV 以上の中性子の透過量を取得した。
結果と考察
図 1 に遮蔽体がない場合の 10 MeV から 200 MeV までの中性子量で規格化した、中性子が可とう性材料を透過した量を示す。この結果から線減弱係数は 0.034 cm-1 ということが分かった。またこの実験条件を PHITS コードで模擬したところ、計算による線減弱係数は 0.033 cm-1 となった。
結言
可とう性材料の高エネルギー中性子遮蔽性能を測定し、PHTIS による計算と比較した。この結果 PHITS は実験を再現
し、建屋の遮蔽設計に利用できることが分かった。
参考文献
1) T. Sato, et al., Particle and Heavy Ion Transport Code System
PHITS, Version 2.52, J. Nucl. Sci. Technol.: 50, 9, 913 (2013)*１

図 1 10 MeV から 200 MeV までの連続エネルギー中性子の減弱の実験結果と PHITS による計算結果。

九州大学・大学院工学研究院・エネルギー量子工学部門、*2(株)フジタ・技術センター、*3（同）ハセテック、*4（公財）若狭湾エネルギー研究セン
ター・研究開発部・粒子線医療研究グループ。
本研究は、(公財)若狭湾エネルギー研究センターと九州大学、ならびに(公財)若狭湾エネルギー研究センターと(株)フジタとの共同研
究として実施したものである。

100

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.3.7
イオン照射したステンレス鋼における運動転位と照射欠陥の相互作用
Interaction between Dislocation and Radiation-induced Defects in Stainless Steels
松原正典*1、福元謙一*2、鬼塚貴志*2、東郷広一*3、石神龍哉*4
Masanori MATSUBARA, Ken-ichi FUKUMOTO, Takashi ONITSUKA, Koichi TOGO and Ryoya ISHIGAMI
Abstract
In-situ TEM observation for He-irradiated stainless steel in tensile test in a TEM column at room temperature
was performed to get a knowledge of an interaction between dislocations and defect clusters. The dynamic
behavior of interaction between the extended dislocations and defect clusters could be seen.
要約
イオン照射したステンレス鋼における運動転位と照射欠陥の相互作用の観察を TEM 内引張その場観察法を用い、照射材において拡張転位の特異な運動を観察した。
緒言
照射誘起応力腐食割れ（IASCC）の発生・進展要因のひとつである転位チャンネルは転位と照射欠陥の相互作用によって形成されることが知られているが、その詳細な形成プロセスは不明な点がある。イオン照射したステンレス鋼に対して TEM 内引張その場観察を行い、変形中の転位運動の直接観察からチャネリング形成の動的挙動に関する情報を取得した。
実験方法
TEM 内引張用に加工し熱処理を施した SUS304 鋼を 2 MeV He2+イオンで 300℃にて照射し、電解研磨によって照射損傷領域の表面出しおよび試料の薄膜化を行い、TEM 内引張その場観察を室温で実施した。
実験結果と考察
従来の研究からイオン照射したステンレス鋼において、転位は拡張した状態で運動する様子が観察されており、本実験でも同様に拡張転位挙動が支配的であった。さらに部分転位の前部（Leading）と後部（Trailing）が交互に運動し、積層欠陥の拡張・収縮を繰り返すような特異な転位運動が観察された。転位の多くは拡張・収縮運動であったが、応力を印加し続けることで図 1 に示すような急激な収縮を生じた拡張転位も観察された。拡張転位と転位ループの相互作用メカニズム 1)から、基本的に Leading が転位ループとの反応によりジョグを形成し、それが Trailing にとって運動の障害物となりうるので、応力の蓄積によって Trailing の収縮が起きたと考えられ、欠陥集合体である転位ループはアンフォールトするか掃去されて吸収･消滅したと考えられる。
結言
イオン照射したステンレス鋼を用いて運動転位と照射欠陥の相互作用を観察し、部分転位と転位ループとの急激な収縮運動から、応力蓄積の有無が転位運動を決定していることを観察した。
参考文献
１) E.H. Lee et al.: Acta Materialia, 49, 3285-3286 (2001)a)Stacking
Faultb)

図 1 He イオン照射したステンレス鋼中の変形による拡張転位の急激な収縮運動(a)の時 Leading は位置 1 で静止しており、応力を印加すると、（b）の位置 1 まで運動し拡張転位は急激に収縮したことが積層
欠陥コントラストの消失から分かる。(c)では再び拡張してすべり運動を開始した。

c)*１
国立大学法人 福井大学大学院 工学研究科、*2 福井大学附属国際原子力工学研究所、*3 国立大学法人福井大学 技術部、*4(公財）若狭湾エ
ネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ
本研究の一部は、福井大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

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若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
2.4.3.8
宇宙線照射を模擬した鉱物および非晶質珪酸塩へのイオン照射実験
Ion Irradiation Experiments into Minerals and Amorphous Silicates as Cosmic Ray Irradiation Analogues
土`山明*1、瀧川晶*1、内田はるか*1、鈴木耕拓*2、中田吉則*2、三宅亮*1、高山亜希子*1
Akira TSUCHIYAMA, Aki TAKIGAWA, Haruka UCHIDA, Kohtaku SUZUKI and Yoshinori NAKATA,
Akira MIYAKE and Akiko TAKAYAMA
Abstract
Irradiation experiments of 40 keV H2+ into different minerals commonly present in meteorites were made andtheir surface structures were examined with SEM and TEM. Variety of the surface structures observed indicatespossibility of quantitative restriction on the irradiation age of natural samples by observing different minerals.
要約
隕石に見られる鉱物への 40 keV H2+の照射実験をおこない、照射による表面構造の SEM, TEM による評価を行った。鉱物の違いによる多様性が認められ、天然試料において複数鉱物を観察することより、照射年代に定量的な制約を与えられることが示唆された。
緒言
小惑星や月のような大気のない天体表面では、太陽風照射により宇宙風化がおこることが、はやぶさ計画や
アポロ・ルナ計画で採取された小惑星イトカワや月試料の分析で知られている。一方、星間空間においても、超新星爆発により加速されたイオン粒子が星間塵粒子に照射され、鉱物の非晶質化などがおこると考えられている。このような宇宙風化を理解することを目的として、我々は宇宙でのイオン粒子照射を模擬した実験を行っている。平成 28 年度は、主として実験生成物のキャラクタリーゼーションを行った。
方法
実験は、若狭湾エネルギー研究センターのイオン注入装置を用いておこなった 1)。照射ターゲットは、隕石に含まれる代表的な鉱物として、フォルステライト (Fo) Mg2SiO4 、カンラン石 (Ol) (Mg,Fe)2SiO4 、エンスタタイト(En) MgSiO3、エンスタタイト組成ガラス (En-Gl)、サーペンティン (Ser) (Mg,Fe)3Si2O5(OH)4、コランダム (Cor)Al2O3、スピネル (Sp) Mg2AlO4、ピロータイト (Pyh) Fe0.90S、ニッケル-鉄 (Ni-Fe) (Fe,Ni)を用いた。40 keV H2+を用いて、３種類の照射量（1016, 1017, 1018 ions/cm2）で照射した。
全ての生成物について、走査型電子顕微鏡（SEM）による、表面観察を行った。また、一部のサンプルについては、表面を FIB により切り出し、表面を含む断面の透過型電子顕微鏡（TEM）観察と EDS 分析を行った。
結果および考察
試料表面の SEM 観察により、Ser は>1016 ions/cm2、Fo と Cor は>1017 ions/cm2、Ol, Sp, Pyh は>1018 ions/cm2
でブリスタ（照射イオンの集積による水ぶくれ構造）が生成されたのに対して、 En-Gl と Ni-Fe ではブリスタ生成は認められなかった。ブリスタ生成の有無に関しては、H 拡散速度が重要な役割を果たしていると考えられる。また、ブリスタは多くのものは楕円形状をもち数µm 程度のサイズをもつが、Ser のものは楕円の長軸方向に直線状の割れ目をもち、また En では波状の形態を示すなど、鉱物種により多様性をもつ。
TEM による断面観察では、ブリスタ生成の有無にかかわらず、厚み 300-500 nm のダメージ層が全ての試料表面に認められた。1018 ions/cm2 でブリスタ生成が認められた En、Ser では非晶質化が観察されたが、Fo、Ol、
Pyh では結晶構造の変化はあったが非晶質化はおこらなかった。一方、ブリスタ生成が認められない En（1017
ions/cm2）でも、非晶質化はおこらなかった。
結言
ターゲットの鉱物の違いにより、照射された表面構造は、ブリスタの形状やダメージ層の結晶性について、多様性が認められた。このような多様性は、天然試料において複数鉱物を観察することより、照射年代に定量的な制約を与えられることを示唆している。
参考文献
1) H. Uchida et al.: Abstract of WS in Goldschmidt2016 (2016)*１

京都大学・理学研究科・地球惑星科学専攻、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ
本研究は、京都大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。
本研究は、MEXT KAKENHI 15H05695 の助成を受けた。

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2.4.3.9
C 型小惑星における太陽風照射による宇宙風化の影響
The Space Weathering Effect of Solar Wind Implantation on the C-type Asteroids
仲内悠祐*1、安部正真*2、松本徹*2、土`山明*3、北里宏平*4、鈴木耕拓*5、中田吉則*5
Yusuke NAKAUCHI, Masanao ABE, Toru MATSUMOTO, Akira TSUCHIYAMA, Kohei KITAZATO,
Kohtaku SUZUKI and Yosinori NAKATA
Abstract
We estimated the reflectance spectra of C-type asteroid affected by space weathering of solar wind protons.
For the estimation, we used the experimental results done at WERC and reflectance spectra of meteorites fromRELAB data base. In the results, the 3 µm region of estimated reflectance spectra was altered hardly.
要約
太陽風プロトンの照射による宇宙風化作用を受けた C 型小惑星の反射スペクトルを推定した。推定には、若狭湾エネルギー研究センターで行った実験結果と、RELAB データベースから取得した隕石の反射スペクトルを用いた。結果として推定した反射スペクトルの 3 µm 帯は大きく変化しなかった。
緒言
日本の小惑星探査プロジェクトはやぶさ２では、小惑星上での物質進化過程等の多くの謎が解明される事が期待される。サンプルリターン計画により小惑星表層から試料を回収する事は可能になったが、全ての天体からの試料回収は不可能である。従って小惑星全体の物質進化過程などを理解するには、より多くの地点から情報を得られるリモートセンシングデータと、回収された試料の詳細な分析結果を比較し、マルチスケールなデータをシームレスに解釈することが重要である。はやぶさ２プロジェクトでは、C 型小惑星からサンプルを持ち帰る計画であり、サンプル採取地点の選定には天体表層の反射スペクトルが用いられる。C 型小惑星の物質推定は、水の存在に関連する 3 µm 付近の反射スペクトル形状を炭素質隕石のものと比較することが有用であると考えられている 1)。
しかし、宇宙空間に暴露された小天体表層では、微小隕石衝突や太陽風などの照射等により、天体表層物
質の光学特性等が変化する「宇宙風化」という現象が存在し、データの解釈を困難にしている。故に、実験室で宇宙風化を再現し、物質状態の変化と光学特性の変化をよく理解する必要がある。本研究では、小惑星に存在すると考えられる鉱物に対して太陽風を模擬した水素イオンビームを照射した実験結果を用いて、C 型小惑星の反射スペクトル変化を推定した。
推定モデルとデータ
天体表層の反射スペクトル : R(λ) は、天体表層粒子一つ一つが持つ single scattering albedo : w(λ) の重ね合わせΣwn(λ) と、地表のラフネスなどに起因する幾何学関数 : P(α) を用いて以下の式で表されると考えられる。ここで、λは波長であり、n は鉱物種、αは位相角である。
R(λ) = Σwn(λ)×P(α)/4π・・・(1)
宇宙風化作用により P(α) は変化しないため、照射実験の結果を炭素質コンドライトの反射スペクトルに応用する場合には、Σwn(λ) の変化量のみを考えれば良い。そのため、反射スペクトルの推定には下記の式を用いる。
Rweathered(λ) = Σwweathered(λ)/Σwunweathered(λ) × Rmeteorite(λ) ・・・(2)single scattering albedo の計算には Hapke et al, (1993) を用いた 2)。
データは、若狭湾エネルギー研究センター平成 25 年度研究年報にて報告した結果と、Brown 大学 RELAB
データベースの反射スペクトルデータを用いた。また、隕石中の各鉱物含有量は Brand et al. (2004) の値を用いた 3)。

*1

総合研究大学院大学、*2（国研）宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所、*3 京都大学、*4 会津大学、*5（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ
本研究は、（国研）宇宙航空研究開発機構と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

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若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
結果と議論
推定結果を図 1 に示す。隕石のオリジナルな反射スペクトルに対して、太陽風プロトンによる宇宙風化作用を考慮した反射スペクトルは 3 µm 付近の吸収強度が増加していることが分かる。この変化は、OH 基や H2O が水素イオン照射により生成されたことを意味している。変化量はオリジナルな反射スペクトルに対して最大 10%程度となった。
炭素質コンドライトの反射スペクトルは 3.4 µm 付近に C-H 結合に由来する吸収特徴が存在する。しかし、
3.4 µm 付近の吸収特徴は大きく変化しなかった。この結果は、太陽風プロトンの照射では C-H 結合に大きな影響を与えないことを意味していると考えられる。

図１ 反射スペクトルの比較。
左：Relab データベースから取得した Ivuna 隕石の反射スペクトル(青)と、上記モデルを用いて計算された宇宙風化作用を受けた反射スペクトル(赤)。
右：Relab データベースから取得した Murchison 隕石の反射スペクトル(青)と、上記モデルを用いて計算された宇宙風化作用を受けた反射スペクトル(赤)。
結言本研究では、太陽風プロトンによる宇宙風化作用による C 型小惑星表層における 3 µm 付近の反射スペクト
ル変化を推定した。本結果から、太陽風プロトンによる宇宙風化作用では、OH 基や H2O の生成による 3 µm 付
近の吸収強度の増加が見られた。一方、C-H 結合に由来する 3.4 µm の吸収特徴に大きな変化はないことが示唆された。ただし、3 µm 付近の全体的な反射スペクトルは最大で 10% 程度であり、吸収形状を変えるほど大きく変化しないことが分かった。
参考文献
1) AS Rivkin, JK Davies, JR Johnson, SL Ellison, David E Trilling, Robert H Brown, and LA Lebofsky: Hydrogenconcentrations on c-class asteroids derived from remote sensing. Meteoritics and Planetary Science, 38:1383– 1398
(2003).
2) Bruce Hapke: Theory of reflectance and emittance spectroscopy. Cambridge University Press (1993).
3) PA Bland, G Cressey and ON Menzies: Modal mineralogy of carbonaceous chondrites by X-ray diffraction andMossbauer spectroscopy. Meteoritics and Planetary Science, 39:3–16 (2004).

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2.4.4. 材料技術の開発
2.4.4.1
シリコンの成膜による金属表面の着色
Coloring of Metal Surfaces by Depositing Silicon Films
石神龍哉*1
Ryoya ISHIGAMI
Abstract
We developed a method of coloring of aluminum alloy A5052 and magnesium alloy AZ31 in order to extend
the scope of application of the coloring method by deposition of silicon thin films using radio frequency (RF)magnetron sputtering. Mirror-polished iron rods were also colored in order to examine applicability of themethod to three-dimensional objects.
要約
高周波マグネトロンスパッタ法でシリコンを成膜することで金属表面を着色する手法の適用対象を広げるため、
アルミニウム合金 A5052 およびマグネシウム合金 AZ31 を着色する手法の開発を行った。また、立体物の着色が可能であることを示すため、鏡面研磨された鉄の棒への着色を行った。
緒言
材料を真空中に入れ膜を形成する乾式めっき法は、セラミックや水素化物の膜を厚さを制御して容易に形成できる。この乾式めっき法により材料表面に透明な膜を形成し、膜の表面で反射した光と、膜と下地との界面で反射した光の干渉で着色させる方法はこれまでに多くの報告があるが、見る方向により色が変わる、色の種類が少ない、固体元素の供給源が 2 つ以上必要などの欠点があった。それに対して本研究で開発した、固体元素
を Si のみとし、放電ガスとしてアルゴン、窒素、水素を使用し高周波マグネトロンスパッタ法により成膜して着色する手法では、見る方向による色の変化が少なく鮮やかな色で着色できるという特長がある。平成 28 年度には、
前年度までに着色が困難であったアルミニウム合金に加え、マグネシウム合金にも着色する手法を開発した。また鉄製の円筒も着色し、立体形状の物へも適用可能であることを示した。
実験結果
平板の成膜基板には、一般的に多く利用されている材料としてアルミニウム合金では A5052、マグネシウム合
金では AZ31 を使用した。これらの合金板は、使用前に鏡面研磨された。これらを真空チェンバー内にセットして、A5052、AZ31 ではそれぞれ 150℃または 70℃に加熱し、成膜基板の電位を-550 V として、高周波マグネト
ロンスパッタ装置への投入電力を 100 W としてスパッタクリーニングを 20 分間行った。その後に電位を-20 V として Si を成膜することで着色を行った。紫、青、ピンク系の色の場合には放電ガスを Ar とした成膜のみを行い、緑、黄、赤系の色の場合には、放電ガスを Ar とした成膜に続き N2 とした成膜を行った。着色された AZ31 合金の写真を図 1 (a)に示す。この写真から緑色に着色できていることが分かる。また、直径約 10 mm、長さ約 45 mmの鉄の棒を鏡面研磨し、1 分間に 3 から 4 回転しながらスパッタクリーニングおよび成膜を行った。Si 成膜時において、放電ガスが Ar のときおよび N2 のときの投入電力をそれぞれ 200 W および 300 W とした。着色された鉄の棒を図 1 (b)に示す。この写真から黄色に着色で(a)(b)
きていることが分かる。
結言
Si の成膜による金属表面を着色する手法の適用
対象を広げるため、アルミニウム合金 A5052 およびマグネシウム合金 AZ31 を着色する手法の開発、および立体物も着色できることを示すため鉄の棒への着色試験を行った。その結果、様々な色に着色可能であることが示された。

10 mm

10 mm

図 1 (a) Si の成膜によって緑色に着色された AZ31 マ
グネシウム合金板と(b) 黄色に着色された鉄の棒*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県からの受託研究として実施したものである。

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2.4.4.2
高分子材料上の金属めっきの密着性に関する研究
Influence of Surface Conditions of a High-Polymer Material on Plate Adhesion
安永和史*1
Kazufumi YASUNAGA
Abstract
High-polymer materials such as polyimide (PI) film for flexible wiring boards should be treated in alkali andcatalytic solution prior to non-electrolytic plating. Alkali treatments affect not only the surface but also beneaththe surface of the PI film, and induce surface roughness and pore region under the surface. Cross-sectional TEM
analysis showed that a catalytic treatment precipitated Pd nano-particles in the alkali affected region, whose
depth reached about 100 nm from the surface of the PI film.
要約
高分子材料であるポリイミド（PI）フィルム上に無電解めっき法により金属配線しフレキシブル基板を作製する
場合、前処理としてアルカリ処理及び触媒化処理が PI に施される。アルカリ処理は表面には凹凸、表面下には連結気孔を含む低密度領域を形成し、その後の触媒化処理の過程で表面下にも触媒粒子（Pd 微粒子）が担持される。アルカリ処理及び触媒化処理後の PI の断面を透過型電子顕微鏡（TEM）観察することにより、PI の表面
下約 100 nm にまで Pd 微粒子が担持されていることが可視化された。
緒言
高分子材料上に無電解金属めっきを施すための前処理である表面改質により、PI の表面状態に生じる変化について、Pd 微粒子の可視化により定量的に評価することを目的とした。条件を変化させたアルカリ処理によりPI の表面を改質後、さらに触媒化処理し Pd 微粒子を担持させた。PI の表面近傍に析出した Pd 微粒子を TEMにより観察し、その担持状態（密度、サイズ、分布）に与えるアルカリ処理の効果を明らかにした。
成果の概要
被めっき物に用いた高分子材料は、PI フィルム（東レ・デュポン（株）、規格 200H、50 ㎛厚）である。PI のアルカリ処理には、粒状の水酸化ナトリウム（NaOH、和光純薬工業（株）の試薬特級）を蒸留水に溶解した強アルカ
リ性の水溶液を、触媒化処理には、0.01 mol/L の PdCl2 水溶液（1 mL/L の塩酸を含む）を用いた。
被めっき物に無電解金属めっきを施すためには、触媒化処理が必須の前処理である。触媒化処理の過程において、被めっき物の表面に無電解金属めっきの起点となる触媒粒子（貴金属ナノ粒子）が担持される。本研究では、触媒粒子として Pd 微粒子を担持させた。PI のアルカリ処理の条件を変化させた場合に、同一条件の触媒化処理により PI 表面の Pd 微粒子の担持にどのような影響があるのかについて、Pd 微粒子の面分布やサイズ分布等の担持状態を TEM を用いて分析した。
PI 表面での Pd 微粒子の担持状態に与えるアルカリ溶液の濃度の影響を調査した結果を図 1に示す。図 1(a)は濃度 0.5 mol%、図 1(b)は 1 mol%の NaOH 水溶液を用いて同一の温度及び時間（27℃、10 min）でアルカリ処理後に、同一条件（27℃、10 min）で触媒化処理された PI 表面の Pd
微粒子の担持状態を比較した TEM 明視野像である。Pd 微粒子は濃い色の点として観察されている。低濃度のアルカリ溶液で処理後に触媒化
図 1 異なる濃度の NaOH 水溶液でアルカリ処理後、処理した場合、Pd 微粒子は低密度で、場所によ同一条件で触媒化処理された PI 表面の Pd 微粒子
り密度が変化する不均一な面分布を示した。一の担持状態を示す TEM 明視野像方、高濃度のアルカリ溶液で処理後に触媒化処*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井県からの受託研究として実施したものである。

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理した場合、Pd 微粒子は高密度かつ一様な面分布を示した。
図 2(a)及び(b)は、Pd 微粒子の面密度及び直径をアルカリ溶液濃度に対してプロットしたものである。Pd 微粒子の面密度はアルカリ溶
液濃度を高くすると約 20 倍に高密度化した。
一方、Pd 微粒子の平均直径はアルカリ溶液
濃度 0.5 mol%で約 2.6 nm、1 mol%で約 2.0 nmと変化が小さい。以上の結果から、アルカリ溶
液の高濃度化には PI 表面における Pd 微粒子の核形成（析出性）を高める顕著な効果が図 2 Pd 微粒子の面密度（a）及び直径（b）のアルカリ溶液
存在することが判明した。
濃度依存性
PI をアルカリ処理することが Pd 微粒子の析出に与える影響は PI の最表面のみではない。
図 3 は、0.5 mol/L の NaOH 水溶液中で 27℃、10 min のアルカリ処理をした後に、27℃、2 min の触媒化処理を施した PI 試料の断面の TEM 明視野像である。PI の最表面は黒矢印の延長線上に存在している。最表面に点列状に分布している球状の明瞭な黒点のみならず、表面下にもコントラストの濃いバンド状の領域が観察されている。バンド状領域の存在は、アルカリ改質が PI の深部にまで及んでいる証拠である。最表面に担持された Pd 微粒子と比較して直径は小さいが、表面下の改質領域においても多数の Pd 微
粒子が離散的に分布している。触媒化処理により析出した
図 3 0.5 mol/L の NaOH 水溶液中で 27℃、
Pd 微粒子が分布している領域は、アルカリ処理により改質
10 min のアルカリ処理をした後に、27℃、2された PI の領域とみなすことができる。PI の内部に析出しmin の触媒化処理を施した PI 試料の断面のた Pd 微粒子の存在領域から表面下の改質領域の深さ
TEM 明視野像は、約 100 nm と評価された。
次に、アルカリ処理による PI の最表面及び表面下の改質領域に担持された Pd 微粒子の直径のサイズ分布を測定した。図 4(a)及び(b)は最表面及び表面下の改質領域に担持された Pd 微粒子の直径の頻度分布である。
PI の最表面に担持された Pd 微粒子の直径は、3.5～8.5 nm の範囲に分布し平均直径は 6.7 nm であった。一方、PI の表面下の改質領域に担持された Pd 微粒子の直径は、1.5～4 nm の範囲に分布し平均直径は 2.4 nmであった。最表面と比較して内部の改質領域に担持された Pd 微粒子の平均直径が小さい
ことは、触媒化処理中に溶液との接触が低い
ことに加えて、改質領域に存在する Pd 微粒子の析出可能な空間が制限されることによると考えられる。アルカリ処理により改質された領域に Pd 微粒子が担持されていることは、少なくともその領域に存在する Pd 微粒子の直径よりも大きな連結気孔が存在していることを示している。よって、アルカリ処理により PI の表面下
100 nm までの領域には 4 nm 以上の気孔径を
図 4 最表面（a）及び表面下（b）の改質領域に担持された有する空隙が生成していると評価される。
Pd 微粒子の直径の頻度分布
結言
アルカリ改質が及ぼす PI の表面から内部に及ぶ影響を、TEM 観察により得られた Pd 微粒子の分布から定量的に評価した。今後、アルカリ処理条件及び触媒化処理条件の異なる PI フィルムに無電解金属めっきを施し、表面や内部改質層の状態とめっきされた金属との密着性の関係を明らかにする予定である。

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2.4.4.3
ポリイミド系高分子ファイバーの開発
Development of a Novel Fiber Produced by Polymers Containing Polyimide Structure
畑下昌範*1
Masanori HATASHITA
Abstract
It is well-known that aromatic polyimides have found wide applications in many industrial fields due to their
excellent thermal stability, high mechanical strength and superior chemical resistance. To develop a new polymer
fiber, polymers containing polyimide structure have been focused at this time and were synthesized. In this study,
aromatic polyimides composed of carboxylic dianhydrides, diamines having sulfonic acid and diamines without
any ionic residues were heat-treated for desulfonation. The properties of obtained polyimide polymer were
investigated.
要約
芳香族ポリイミドは、その高い熱安定性、優れた機械的強度および高い耐薬品性といった性質により、工業分
野の様々な用途に用いられている高分子である。新しい高分子ファイバーを開発するにあたり、今回このポリイミド構造を有する高分子に着目し、合成を行った。本研究では、カルボン酸二無水物、スルホン酸基を有するジ
アミン、イオン性基をもたないジアミンからなる芳香族ポリイミドの加熱による脱スルホン化処理を行った。得られたポリイミド系高分子の物性を調査した。
緒言
従来、ポリイミドは、不溶融、溶媒不溶性であるために、ファイバー化は困難であるとされてきた。今までに行ってきた研究から、ポリイミドのモノマーの１つであるジアミンにイオン性基を導入することにより、溶媒への溶解性が変化することが見いだされた。新規なモノマーの組合せによる高分子合成を行い、溶媒溶解性の高いポリイミ
ド系スルホン酸高分子を合成した。加熱処理による高分子の重量変化を計測したところ、約 250℃から重量減少が認められ、350℃までに重量は約 10%減少した。このとき、イミド環由来の元素 N や元素 C については X 線光
電子分光スペクトル上の変化は見られず、この重量の減少はスルホン酸基の脱離によるものと思われた。また、
加熱処理後に得られた高分子は有機溶媒に不溶になり、脱スルホン化したポリイミド系高分子であることが示唆された。今回は、合成ルートが確立されている４種のポリイミド系スルホン酸高分子を用いて、脱スルホン化処理後に得られる高分子の物性について、密度、引張強度、破断伸びに関して調査した。
成果の概要
今までの研究から、芳香族ポリイミドのファイバーを得るためには、まず何らかの形で溶媒に可溶な化合物を得たのち、溶液状態でファイバーを作製し、その後不必要な官能基を除去することが最も適切な方法であると考えられた。そこでまず、溶媒溶解性を高めるために、ポリイミドのモノマーに、イオン性のスルホン酸基、および屈曲性あるいはかさ高い構造を有する化合物を用いた系で、ポリイミド系高分子を合成することにした。イオン性ジアミンとして、エーテル基を有しイオン性基はスルホン酸であるジアミン、非イオン性ジアミンとしては、パラ位にアミノ基を導入し非対称性をもたせたジアミン、あるいは、かさ高い構造を有するジアミンを用いて、ポリイミド系ス
ルホン酸高分子を合成した。具体的には、モノマーの酸無水物としては、1,4,5,8-ナフタレンテトラカルボン酸無水物（以下、NCA）、スルホン酸を含むジアミンとしては、4,4'-ジアミノジフェニルエーテル-2,2'-ジスルホン酸（以下、AES）、非イオン性のジアミンとして、ビス[4-(3-アミノフェノキシ)フェニル]スルホン（以下、3APS）、ビス[4(4-アミノフェノキシ)フェニル]スルホン（以下、4APS）、4,4'-メチレンビス(2-エチル-6-メチルアニリン)（以下、MEM）、9,9-ビス(4-アミノフェニル)フルオレン（以下、APF）を用いた。NCA／AES／3APS（モル比、５：１：４、以下、ポリイミドスルホン酸高分子 A）、NCA／AES／4APS（モル比、５：１：４、以下、ポリイミドスルホン酸高分子 B）、
NCA／AES／MEM（モル比、５：１：４、以下、ポリイミドスルホン酸高分子 C）、NCA／AES／APF（モル比、５：１：
４、以下、ポリイミドスルホン酸高分子 D）の４種の高分子を合成した。
*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・生物資源研究室
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが関西電力株式会社、日本原子力発電株式会社、北陸電力株式会社の 3 社からの受託研究として実施したものである。

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これらのポリイミドスルホン酸高分子を用いて、脱スルホン化処理をしたのち、基本的な高分子物性である密度、応力－歪み曲線について調査した（表 1）。
表１ 脱スルホン化処理した高分子の高分子物性
高分子化合物

脱スルホン化処理

密度

引張強度 破断伸び(g/cm 2)

(MPa)

(%)

ポリイミドスルホン酸高分子A

〇

1.42

120

60

ポリイミドスルホン酸高分子B

〇

1.43

120

60

ポリイミドスルホン酸高分子C

〇

1.47

130

50

ポリイミドスルホン酸高分子D

〇

1.39

140

41

カプトン（デュポン社）

－

1.42

300

80

ポリメタクリル酸メチル

－

1.19

60

5

密度は、電子天秤を用いたアルキメデス法により求めた。DMSO に溶解したポリイミドスルホン酸高分子を80℃に加温して一晩乾固させた後、真空乾燥することによって、十分に溶媒を飛ばした。その高分子固体を300℃、３時間処理することにより、ポリイミド系高分子固体を得た。この高分子固体の空気中での重さと水中にちょうど沈めたときの重さから浮力を求めた。この浮力と空気中での重さから、密度を算出した（表 1）。市販されているポリイミドフィルムの中で最も知られているカプトンの密度は 1.42g/cm2 であり、今回算出した４種のポリイミド系高分子はいずれもほぼ同じ値を示した。一方、プラスチック光ファイバーとして用いられているポリメタクリル酸メチルに関しては、1.19g/cm2 であり、ポリイミド系高分子に対して低い値を示した。
次に、４種のポリイミド系高分子の応力－歪み曲線を求めた。DMSO に溶解したポリイミドスルホン酸高分子をガラス平板状に広げて均一なフィルムを形成した。ガラス板にのせたまま 80℃に加温して溶液の流動性がなくなったのを確認してから真空乾燥することによって、十分に溶媒を飛ばし、高分子フィルムを得た。その高分子フィ
ルムを 300℃、３時間処理することにより、ポリイミド系高分子フィルムを得た。引張試験は JIS K 7161 に基づいて行った。フィルムをダンベル型に打ち抜いた試験片を引張試験に用いた。引張応力は、測定した荷重をはじめの試験片の断面積で割ることによって求めた。ポリイミドスルホン酸高分子 A から脱スルホン化して得たポリイ
ミド高分子と、ポリイミドスルホン酸高分子 B から脱スルホン化して得たポリイミド高分子とはほぼ同じような応力－歪み曲線を描いた。４種のうち、最も高い引張強度を示したのは、ポリイミドスルホン酸高分子 D から脱スルホ
ン化して得たポリイミド高分子であった（表 1）。市販されているデュポン社のカプトンの引張強度は 300MPa、破断伸びは 80%であり、今回評価した４種のポリイミド系高分子は、カプトンに比べていずれも引張強度においても破断伸びにおいても小さい値を示した。このことは今回合成し、脱スルホン化処理で得られたポリイミド系高分子
はカプトンに比べて相対的にはもろく、破断しやすいことを示している。溶媒溶解性を高めるために屈曲性あるいはかさ高い構造をもったモノマーを用いたことで、溶媒溶解性が皆無ですなわち分子の配向性の高いカプトンに比べて分子間の結合力が減少したことがこうした強度の変化に影響していることが示唆された。しかし、プラ
スチック光ファイバーとして用いられているポリメタクリル酸メチルでは、引張強度は約半分で、破断伸びは 5％であり、得られたポリイミド系高分子はポリメタクリル酸メチルよりも格段に優れた機械的強度が得られていることが明らかになった。
結言
今までの研究から、ポリイミドスルホン酸高分子を出発物質として、溶媒に溶解できるようになったことにより、ファイバーを作製することができた。このポリイミドスルホン酸高分子は 300℃の加熱処理によって、イミド環の骨格構造を損なうことなく、最も放射線耐性のない官能基であるスルホン酸基を脱離することができた。スルホン酸基を脱離したポリイミド系高分子は、市販品のポリイミドであるカプトンと同様に、溶媒には不溶であり、高耐熱性であった。引張試験における引張強度および破断伸びからはカプトンよりも破断しやすい性質が明らかになったが、従来プラスチック光ファイバーとして用いられているポリメタクリル酸メチルに比べて有意に高い機械的強度を示した。これらのことを踏まえて、今後は、光ファイバーとして用いることができるような安定した紡糸ができる条
件の確立、可視光領域でより高い透明性を得るための高分子の分子設計と合成、光通信波長（近赤外域）での光透過性の評価および近赤外域での透明性を高めるための分子構造の検討が必要である。
109

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.4.4
イオンビーム励起反応場を利用した鉄ロジウム合金の磁気改質技術開発
Modification of Magnetic Properties of FeRh Alloy by Using Energetic Ion Beam
岩瀬彰宏*1、松井利之*２、坂根 仁*３、佐藤隆博*４、石神龍哉*５
Akihiro IWASE, Toshiyuki MATSUI, Hitoshi SAKANE, Takahiro SATOH and Ryoya ISHIGAMI
Abstract
By using the experimental result for the thermal annealing effect on irradiation-induced magnetization and thecalculation for the depth-dependent deposited energy, we estimated the depth profile of the magnetic structureof FeRh alloy produced by the ion irradiation and the subsequent thermal annealing.
要約
イオン照射誘起磁化の熱アニールによる変化の実験結果と SRIM コードによる付与エネルギーの計算をもとに、He イオン照射とその後熱アニールした鉄ロジウム合金における試料深さ方向の磁化構造変化を評価した。
緒言
昨年度の報告では、イオン照射による発現磁化の実験結果と、SRIM による付与エネルギーの深さ分布計算の結果を用いて、He イオン照射によって作成される深さ方向の磁化変化評価の結果を示した。本報告では、イオン照射のあと熱アニールすることによって得られる磁化の深さ方向変化を評価した結果を示す。
実験方法と解析方法
FeRh バルク試料に 2 MeV He イオンを 1.4×1015/cm2 照射し、飽和磁化を測定した。さらに、その試料を300℃、400℃でアニール後、飽和磁化を求め、これら実験結果と、SRIM による計算結果から、試料の深さ方向への磁性変化を評価した。
実験結果と考察
図１に、He イオン照射試料における深さ方向の磁化変化、および、それの 300℃アニール効果を示す。図 2には、同じく 400℃アニールの結果を示す。照射によって強磁性になった部分の磁化がアニールにより低下し、常磁性になった部分が、磁性の回復により磁化が増加している様子が分かる。本実験および磁性評価から、イ
オン照射と熱アニールを組み合わせることにより、FeRh 合金の深さ方向の磁性を系統的に制御できることが分かった。

1.39E15 irrad
300℃ annealed

Depth (µm)

図1

Saturated Magnetization(emu/cc)

Saturated Magnetization(emu/cc)

結言
イオン照射とアニールの組み合わせにより、FeRh 合金の深さ方向への磁気変調構造を系統的に作成する技術が確立された。これは、トップダウン方式による多層磁気構造創製技術につながるものである。
1.39E15 irrad
400℃ annealed

図 1 2 MeV He 照射、およびその後 300℃アニールした FeRh 試料における磁化の深さ方向変化
図 2 2 MeV He 照射、およびその後 400℃アニールした FeRh 試料における磁化の深さ方向変化

Depth (µm)

図2*１

公立大学法人・大阪府立大学・工学研究科、*2 公立大学法人・大阪府立大学・高等教育推進機構、*3 住重試験検査株式会社（現、住重アテックス株式会社）、*４（国研）量子科学技術研究開発機構、*５（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ
本研究は、公募型共同研究として（公財）若狭湾エネルギー研究センターが大阪府立大学、住重試験検査株式会社、（国研）量子科学技術研究開発機構と共同で実施したものである。

110

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.4.5
新材料を用いた超小型レーザビーム走査ミラーの作製とそれを用いた眼鏡型ディスプレイの実現
Laser Beam Scanning Mirrors Composed of a New Material and its Application to Eye-Wear Displays
勝山俊夫*1、石神龍哉*2、寺田恵一*3、慶光院利映*4、岩堀一夫*5、鈴木雅也*6、福村康和*7
Toshio KATSUYAMA, Ryoya ISHIGAMI, Keiichi TERADA, Yoshiteru KEIKOIN, Kazuo IWAHORI,
Masaya SUZUKI and Yasukazu FUKUMURA
Abstract
Ultra-small Micro Electro Mechanical Systems （MEMS） mirrors have been fabricated using new Fe-Pt
magnetic thin films. These mirrors realized the prototype of the optical engine with the size of 13×4.5×4.5 mm
which can be used for the laser image projection.
要約
眼鏡型レーザ・ディスプレイの実現を目標に、Fe-Pt 磁性薄膜を用いることにより超小型の Micro Electro
Mechanical Systems（MEMS）ミラーを形成し、サイズが 13×4.5×4.5 mm と超小型の画像生成用レーザ投影光学エンジンプロトタイプを作製した。
緒言
近年、映像端末としてのディスプレイ分野の発展は著しく、とくに画像を網膜へ直接投影する眼鏡型のディスプレイは、今後大いに発展すると期待されている 1)。この実現のためには、カラー画像を得るための三原色レー
ザ光源と、それから出射する三本のレーザビームを一本にする合波器 2,3)、およびレーザビームを 2 次元に走査する走査用 MEMS ミラーを一体化した「光学エンジン」の超小型化が課題となっている。
ここでは Fe-Pt 磁性薄膜 4)を用いた走査用 MEMS ミラーの超小型化検討と、この MEMS ミラーを用いて実際に組み立てた光学エンジンプロトタイプの作製結果を報告する。
実験方法と実験結果
超小型の画像生成用レーザ投影光学エンジンプロトタイプの実現を目的に、主に(I）光走査用 MEMS ミラーの性能向上と(II）眼鏡搭載に最適化した光学エンジンプロトタイプの作製について検討した。以下項目ごとに検討結果を示す。
I. 光走査用 MEMS ミラーの性能向上
MEMS ミラーの性能向上のため、ミラー部分に成膜する磁性薄膜の厚膜化検討と、ソレノイド・コイルの小型化検討を行った。
1. Fe-Pt 磁性膜の厚膜化検討
組成比が Fe:Pt=54:46 となるように Pt を 270 nm 成膜後に Fe を 250 nm 成膜し、650℃で熱処理した。成膜した代表的な試料の X 線回折パターンを図 1 に示す。報告されている Fe と Pt の拡散係数からでは全く合わない
速さで Fe と Pt が混合したため保磁力が大きくなる Fe-Pt 合金の面心正方格子構造のみが現れたと考えられる。保磁力が大きくなることは望ましいことなので、この拡散メカニズムは今後解明する必要がある。
この Fe-Pt 磁性膜の磁気特性を測定した結果を図 2 に示す。磁気ヒステリシス曲線から分かるように、保磁力は、ほぼ 4 kOe であった。この値は、前年度成膜した厚さ 100 nm の場合の保磁力 10 kOe に比べてやや小さい
が、ミラー用薄膜としては問題なく使用できる値である。ただ、保磁力が大きいほど外部環境の変化等に対するミラー特性の劣化が小さいので、保磁力の増大は今後の課題である。
また、着磁は、室温、磁場強度 5 Tesla で行い、この Fe-Pt 磁性膜を永久磁石化した。
2. ソレノイド・コイルの小型化検討
試作したソレノイド・コイルの外観写真を図 3 中に示した。このソレノイド・コイルは、外径 2.46 mmφ、内径 1.21
mmφ、高さ 1.99 mm である。このように、前年度試作したソレノイド・コイルの外径 5 mmφ、高さ 3 mm に比べて、体積で５倍程度大幅に小型化できていることが分かる。また、図 3 は、試作したソレノイド・コイルの磁束密度の*１
福井大学産学官連携本部、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ、*3 ケイ・エス・ティ・ワールド株式
会社開発部、*4 株式会社メムス・コアビジネス推進本部、*5 株式会社シャルマン製造部、*6 東海光学株式会社開発部、*7 小松電子株式会社商品部
本研究は、公募型共同研究として（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井大学、ケイ・エス・ティ・ワールド株式会社、株式会社メムス・コア、
株式会社シャルマン、東海光学株式会社、小松電子株式会社と共同で実施したものである。

111

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
変調周波数依存性を示したものである。図から、目標とするディスプレイの解像度 eXtended Graphics Array(XGA)を得るのに必要な周波数約 30 kHz において、ミラーを駆動するのに十分な磁場が発生していることが分かる。
II. 眼鏡搭載に最適化した光学エンジンプロトタイプの作製
合波器の光導波路出力端からの光ビームの拡がり角の低減検討と合波光源と光走査用 MEMS ミラーの配置
方法の最適設計を基に、実際に光学エンジンプロトタイプを作製した。合波器と MEMS ミラーの配置を最適化した光学エンジンプロトタイプの外観図を図 4 に示す。この光学エンジンは、（１）金属台座サイズ 7.5×4.5×1.5
mm3、（２）コイル付き MEMS ミラーのサイズ 3×2.7×2.2 mm3、（３）光学エンジンサイズ 13×4.5×4.5 mm3 と小型化されており、今後、専用の駆動回路を作製して、その特性を詳細に検討する予定である。
結言
若狭湾エネルギー研究センターで研究開発を進めている新しい磁性薄膜材料である Fe-Pt 薄膜を用いた電磁駆動型 MEMS ミラーの超小型化検討と、この光走査用 MEMS ミラーを組み込んだ光学エンジンプロトタイプの作製検討を進めた。
その結果、Fe-Pt 磁性膜の厚さを 500 nm と、前年度成膜した厚さ 100 nm に比べて大幅に増大することができ、ミラー駆動用ソレノイド・コイルも、外径が 2.46 mmφ、高さが 1.99 mm と小型化に成功した。これらの結果を基に、サイズが 13×4.5×4.5 mm3 と超小型の光学エンジンプロトタイプを実際に作製することができた。このように、今回作製した光学エンジンを用いて、眼鏡型ディスプレイを実現する目処を立てることができたと考えられる。
参考文献
1) B. Kress: Frontiers in Optics 201, San Jose, USA, FTu2C.1 (2015).
2) A. Nakao et al.: Opt. Commun. 330, 45 (2014).
3) A. Nakao et al.: The 22nd International Display Workshops (IDW ’15), Otsu Prince Hotel, Otsu, Japan,
PRJp1-5L (2015).
4) R. Ishigami, C. Batchuluun, and K. Yasuda: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section
B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 275, 58 (2012).
1000000106
磁気モーメント(emu)(emu)
磁気モーメント

強度

FePt(130)(310)
FePt(003)

FePt(221)

Intensity

0.0055Si(004) Cu kα線

FePt(112)102
100

Si(004) Cu kβ線

FePt(201)(021)

FePt(002)
FePt(200)(020)

FePt(111)

FePt(110)

1000
103

FePt(111) Cu kβ線

10000
104

FePt(001)

100000105(×10-3)
10

0.010

0.000

30
30

40
40

50
50

60
60

70

0

-0.005
-5

10
10
20
20

FePt-5Fe-Pt(500 nm厚)

80

回折角2θ
2θ (º)(deg.)
図 1 Fe-Pt 磁性膜 X 線回折パターン-10-0.010-40000-40 -30000-30 -20000-20 -10000-10 00 10000
10 20000
20 30000
30 4000040
外部磁場(Oe)

外部磁場 (kOe)

図 2 Fe-Pt 磁性膜特性

図 3 試作ソレノイド・コイルの特性

図 4 試作光学エンジン・プロト概観図
112若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.4.6
耐放射線材料を用いた高分子カプセルの評価
Evaluation of High Polymer Capsule by using Radiation Resistant Material
伊東 富由美*1、山ノ井航平*2、長井圭治*3、久米恭*1、西村昭彦*4、乗松孝好*2
Fuyumi ITO, Kohei YAMANOI, Keiji NAGAI, Kyo KUME, Akihiko NISHIMURA and Takayoshi NORIMATSU
Abstract
Capsules with radiation resistant polyimide polymer were fabricated to be used for crack detection in a heatexchanger. We confirmed that the polyimide solution is coated on mandrel capsules (PA66) and the mandrel was
successfully removed by extraction without detectable change in the chemical properties.
要約
熱交換器中の欠陥を発見するために、耐放射線物質であるポリイミド溶液を用いカプセルの作製を試みた。
ポリイミド溶液が類似構造を持つ６６ナイロン樹脂球(PA66)に被膜することを確認した後、PA66 を除去するためにポリイミド被膜 PA66 をギ酸に入れ PA66 を溶解させることができた。またギ酸によるポリイミド膜の構造は変化しなかった。このことから、耐放射線性を有する高分子カプセルの作製に成功したといえる。同時に問題点を摘出した。
緒言
これまでに磁粉と蛍光色素をマイクロカプセルに内包する技術を開発してきた 1)。この技術により、磁粉探傷
試験後の欠陥内部に付着した磁粉の除去が可能になった。しかし、磁粉内包蛍光マイクロカプセルを用いた磁粉探傷試験を軽水炉の熱交換器に適用する場合、放射線の影響を考慮する必要がある。本研究では、耐放射線性を有するポリイミド溶液を用いて高性能高分子マイクロカプセルの作製を試みるとともに、作製時の問題点を摘出した。
成果の概要
PA66 をポリイミド溶液に入れて PA66 表面をポリイミド溶液で覆った後、シリコーンオイル（KF-96 10 cSt, 信越化学工業（株）） 200 mL 中にこのPA66 を入れ、加熱撹拌(加熱温度 60 ℃、攪拌速度：123 rpm)を 1 時間行った。加熱撹拌後、シリコーンオイルからポリイミド被膜 PA66 を取り出し、レーザー加工装置を用いて直径 100 ㎛の穴あけを行った。PA66 のみを溶解させるためにポリイミド被覆 PA66 をギ酸 5 mL の中に入れた結果、PA66
図 1 純水で洗浄し、乾燥させは溶解し、ポリイミドカプセル作製に成功した。カプセル内面に PA66 表面
た収縮ポリイミドカプセルと同形状の凹凸を確認した(図 1 左写真)。
このポリイミドカプセル表面に付着しているギ酸を除去するために純水で洗浄した結果、図 1(右写真)に示すようにポリイミドカプセルは収縮した。
カプセル収縮の原因を検討するため、ポリイミド膜の強酸耐性を調査した。
ポリイミド膜をギ酸（ｐH2.2(10 g/L, 20 ℃))に浸し、10 分ごとにポリイミド膜の変化を SEM で観察した。ギ酸に 6 時間浸したポリイミド膜にも SEM では構
造変化は確認されなかった(図 2)。
図 2 よりポリイミドカプセルの収縮の原因は、ギ酸による二次構造に帰属される網目構造の切断ではなく、高分子に溶媒和した水分子が蒸発した際の500 nm
網目構造の変形が起こったため、と推察できる。またこの結果から、強酸の環境下にも適用可能と推察した。今後、ポリイミド膜をギ酸に浸透させる場合に
図 2 ギ酸溶液に浸漬したは超臨界流体装置を用いた乾燥が必要になると考えられる。
ポリイミド膜の SEM 画像
結言
ポリイミドカプセルの作製に成功した。ただしギ酸を除去するため純水で洗浄した結果、カプセルの収縮が確認された。今後、超臨界流体装置を用いた乾燥が必要になると考えられる。
参考文献
1) Fuyumi ITO, Akihiko Nishimura: E-JAM., Vol. 4, No. 2, 57 (2012)*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・粒子線医療研究グループ、*2 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター・ターゲットグ
ループ、*3 東京工業大学・科学技術創成研究院、*4（国研）日本原子力研究開発機構・レーザー共同研究所
本研究は、(公財)若狭湾エネルギー研究センターと大阪大学レーザーエネルギー学研究センターの共同利用・共同研究として実施したものである。

113

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.4.7
ロータス型ポーラス銅の抗菌効果
Antimicrobial Effect of Lotus-type Porous Copper
中嶋英雄*1、松田進*2、安永和史*3、山岸隆一郎*4
Hideo NAKAJIMA, Susumu MATSUDA, Kazufumi YASUNAGA and Ryuichiro YAMAGISHI
Abstract
Antibacterial effects of lotus type porous copper with uniaxial pores were investigated as an application forfunctional materials. Two kinds of porous coppers with different porosity and pore diameter and non-porous
copper were used for bacterial culture test. The counts of viable bacteria cultured on porous coppers significantly
decreased due to the increase in the contact area of bacteria to the surface of porous copper.
要約
ロータスメタルの機能材料への応用として、ポーラス銅の抗菌効果を評価する試験を行った。気孔率及び平均気孔径の異なる 2 種類のポーラス銅及びノンポーラス銅をシャーレ中に設置し、菌培養液を重層した試験を実施した。ポーラス銅はノンポーラス銅と比較して、顕著に生菌数を減少させる効果が確認された。この結果はポーラス化により菌に対する銅の接触面積が増大することにより発現したと考察された。
緒言
銅や銀等の金属は、様々な菌に対して殺菌等の作用を示すことが知られている。例えば銅は菌やウイルスに対して、腸管出血性大腸菌（O-157：H7）の増殖抑制効果、インフルエンザウイルスやノロウイルスに対する不活性効果、さらにレジオネラ菌やクリプトスポリジウムに対する殺菌効果を有する。銅イオン（Cu2+）の抗菌性は低い
ため多量のイオンが必要であること、及び銅表面での菌体の直接接触により発現することが示されており、直接接触により H2O2、-OH ラジカル、活性酸素が生成することで殺菌されるという機構が提案されている 1)。
ロータスメタルの機能材料への応用として、銅の表面積をポーラス化により増加させ、菌体との接触面積の増大により抗菌効果を高めることを目指した。本研究では一方向に伸びた開孔型気孔を有するロータス型ポーラ
ス銅を用い、ロータスメタルの抗菌効果を明らかにすることを目的とした。
成果の概要
金属の溶融状態と凝固状態における水素の溶解度差を利用して、一方向凝固により気孔が一方向に揃ったロータス（蓮根）型ポーラス金属を作製可能である。連続鋳造装置を用い、純銅（純度 99.99%）を水素雰囲気中（0.5 MPa）で高周波溶解し、下方で冷却され凝固したロータス銅をピンチロールで機械的に引き出すことによりポーラス銅のインゴットを得た。インゴットはワイヤーカット放電加工機で板状（20 mm×40 mm×1 mm）に切り出し試料とした。抗菌実験に用いた試料は、気孔率及び平均気孔径がそれぞれ 51.5%及び 558±240 µm のポー
ラス銅板 1（Porous Cu 1）、32.2%及び 220±71 µm のポーラス銅板 2（Porous Cu 2）及びノンポーラス銅板（Nonporous Cu）の 3 種類である。一方向性気孔に垂直に切り出したポーラス銅板の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図 1(a)及び(b)に示した。
抗菌試験には、黄色ブドウ球菌（ATCC2016 株）、緑膿菌（ATCC2016 株）、大腸菌（ATCC2016 株）及びサルモネラ菌（ATCC2016 株）の 4 菌種を用いた。シャーレ内に各銅板試料を設置し、500 µL の各菌培養液を重層した。参照（Reference）として直接シャーレに同量の各菌培養液を入れた試料を用意した。室温で 6 及び 24 時
間静置した後に 1 mL の減菌 PBS（Phosphate Buffered Salin、リン酸緩衝生理食塩水）を加えて十分に撹拌したものを検体とし、10 から 1012 倍まで培地を段階希釈した。黄色ブドウ球菌及び緑膿菌はトリプトソイ寒天培地に、大腸菌及びサルモネラ菌は DHL（Desoxycholate Hydrogen Sulfide Lactose）寒天培地に 10 µL 塗抹し、37℃で12 時間培養した。培養後、コロニー数を数えて生菌数を求めた。
図 2(a)は黄色ブドウ球菌の 6 及び 24 時間後の生菌数である。参照としてシャーレで培養した試料及びノンポ
ーラス銅板では、生菌数は増加した。一方、ポーラス銅板では生菌数は減少し、特にポーラス銅板 1 では参照
試料の 10-3 にまで減少した。図 2(b)は緑膿菌の生菌数の時間依存性である。参照試料では生菌数は増加した。
*1（公財）若狭湾エネルギー研究センター、*2 植田工業株式会社・三方工場、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー
材料グループ、*4（公財）若狭湾エネルギー研究センター・企画支援広報部・技術相談室
本研究は、若狭湾エネルギー研究センター・福井県嶺南地域新産業創出シーズ発掘事業補助金（H26 年度）および日本学術振興会科学研究費補助金基盤研究 A（課題番号 25249107）の助成を受けて実施したものである。

114

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
一方、ノンポーラス銅、ポーラス銅板 1 及び 2 の全ての銅板において 24 時間後に生菌数が参照試料の 10-6 未
満にまで減少した。大腸菌及びサルモネラ菌の生菌数の時間依存性も黄色ブドウ球菌や緑膿菌の結果と同様の傾向を示した。
ノンポーラス銅板と比較してポーラス銅板 1 及び 2 の生菌に接する面積がどの程度増加するのかを見積もると、ポーラス銅板 1 では 4.2 倍、ポーラス銅板 2 では 6.5 倍と評価された。培養時に生菌が接する面積が大きく増加することが、培養実験により観察された菌数の顕著な減少に寄与していると考えられる。
結言
ポーラス銅の黄色ブドウ球菌、緑膿菌、大腸菌及びサルモネラ菌の 4 菌種に対して顕著な抗菌作用が確認された。培養試験後のポーラス銅とノンポーラス銅の表面状態には共に腐食の痕跡は認められなかった。この結果から、ポーラス銅の高い抗菌作用は銅イオンの溶出による効果ではなく、菌との接触面積がノンポーラス銅と比べて増加したことによるものであると考えられる。

図 1 ポーラス銅板の SEM 観察結果、(a)Porous Cu1、(b)Porous Cu2

図２ （a）黄色ブドウ球菌及び（b）緑膿菌の 6 及び 24 時間後の生菌数
参考文献1) 熊田誠, 他：伸銅技術研究会誌, 40, 122-127 (2001)

115

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.4.8
窒化物分散ポリマーコーティングの耐食性評価
Corrosion Resistance of TiN Nano-particle Dispersed Latex Coating on Separator in PEFC
畠山賢彦*1、安永和史*2
Masahiko HATAKEYAMA and Kazufumi YASUNAGA
Abstract
To improve electric properties of separator for po lymer electrolyte membrane fuel cell (PEFC), effects of
the TiN-Latex layer coating on SUS316L were examined. The contact resistance between gas diffusion layer(GDL) and separator decreased less than 1/10 compared to uncoated SUS31 6L.
要約
固 体 高 分 子 形 燃 料 電 池 (PEFC) の セ パ レ ー タ 特 性 を 向 上 す る 方 法 の 一 つ に 、 ガ ス 拡 散 層(GDL) と の 接 触 抵 抗 の 低 減 が あ る 。 本 研 究 で は セ パ レ ー タ 材 料 で あ る ス テ ン レ ス 鋼 の 表 面 を 改 質
す る こ と に よ り 、 接 触 抵 抗 の 低 減 を 目 指 し た 。 TiN- ラ テ ッ ク ス 層 を 被 覆 し た ス テ ン レ ス 鋼 で は 未 処
理 の材 料 と比 較 して接 触 抵 抗 が 1/1 0 に低 下 することが明 らかとなった 。
緒言
固 体 高 分 子 形 燃 料 電 池 (Po lymer Electro lyte Memb ran e Fuel Cell; PEFC)のセパレータ材 として薄 肉 化 や生 産 性 の観 点 からステンレス鋼 が注 目 されている。ステンレス鋼 は表 面 に覆 われる
不 動 態 皮 膜 によってガス拡 散 層 (Gas Diffu sion Layer; GDL)との接 触 抵 抗 が上 昇 してしまうこと、
電 解 質 膜 から遊 離 した SO 4 2 - と F - がセパレータと GDL 間 に濃 縮 することによりステンレス鋼 表 面 が
腐 食 し、溶 出 した 金 属 イオンが膜 ・電 極 接 合 体 (Memb ran e Electrode Assemb ly; MEA)の劣 化 を招 くことから発 電 効 率 が低 下 するため、GDL との接 触 抵 抗 および耐 食 性 の改 善 が必 要 不 可 欠 であ る 。 例 え ば GDL と の 接 触 抵 抗 改 善 の た め の 処 理 方 法 に は 物 理 蒸 着 (Ph ysical Vapo r
Depo sition ; PVD)によるス テンレス鋼 表 面 への TiN 被 覆 があり、泳 動 電 着 法 による TiN 被 覆 は常温 常 圧 で加 工 でき、工 業 的 には有 効 な方 法 である。しかしながら、TiN 被 覆 の構 造 は不 明 な点 が多 い。本 年 度 は、ラテックス および乾 燥 過 程 を最 適 化 した TiN 被 覆 を SUS316 Ｌ基 板 に泳 動 電 着
し、TiN-ラテックス 層 と GDL 間 の接 触 抵 抗 を最 適 化 した 試 料 を作 製 した 。
成果の概要
ＴｉＮ粒 子 とラテッ クスを混 合 した溶 液 中 で、泳 動 電 着 法 により SUS31 6L 鋼 表 面 に TiN- ラテックス 層 を被 覆 し、荷 重 を 50 ～200 Ncm - 2 の範 囲 で増 加 させながら GDL との接 触 抵 抗 を四 端 子 法により測 定 した 。荷 重 100 Ncm - 2 における未 処 理 の SUS316 L 鋼 の接 触 抵 抗 は 1 16 mΩcm 2 であった。一 方 、ラテック スをバインダーとし泳 動 電 着 法 により SUS316L 鋼 表 面 に TiN- ラテック ス層 を被 覆 した試 料 の GDL との接 触 抵 抗 は 1 00 Ncm - 2 において、8 .3 mΩcm 2 と約 1/10 程 度 に接 触抵 抗 が減 少 した 。目 標 値 であるグラファイトの同 条 件 の接 触 抵 抗 が 3.0 mΩcm 2 程 度 であること から、実 用 上 十 分 低 い抵 抗 値 のセパレータ材 が得 られた 。
結言
本 年 度 は 、 接 触 抵 抗 を 従 来 の 被 覆 方 法 と 比 較 し て 改 善 し た TiN- ラ テ ッ ク ス 層 の 電 着 法 を 開
発 し、その接 触 抵 抗 変 化 を調 べた 。次 年 度 は、この TiN- ラテッ クス層 を SUS316L 基 材 に被 覆 した 際 と同 じ条 件 で TEM 観 察 用 の メッ シ ュに泳 動 電 着 し、 TiN- ラテッ ク ス 層 内 の Ｔｉ Ｎ粒 子 の 分 散状 態 などの構 造 を観 察 し、セパレータ材 とＧＤＬ間 の接 触 抵 抗 が低 下 した機 構 や耐 食 性 を発 現する機 構 を解 明 する予 定 である。

*1

国立大学法人富山大学大学院・理工学研究部、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ、
本研究は、国立大学法人富山大学と（公財）若狭湾エネルギー研究センターの共同研究として実施したものである。

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若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

2.4.4.9収差補正機能付き分析電子顕微鏡による構造材料の高精度定量分析
Quantitative Analysis of nm-sized Defects in Structural Materials with Cs-corrected STEM
安永和史*1、渡邉英雄*2
Kazufumi YASUNAGA and Hideo WATANABE
Abstract
A microstructure of Zircaloy-2 specimen irradiated with 3.2 MeV Ni ions was examined by Scanning
Transmission Electron Microscopy (STEM) and STEM-EDS (Energy Dispersive Spectroscopy）. STEM-EDS
analysis revealed that the decrease of Fe atoms from Zr2(Fe, Ni) and Zr(Fe, Cr)2 intermetallic compound
precipitates occurred due to the displacement of constituent elements induced by heavy ion irradiation.
要約
重イオン照射後のジルカロイ 2 試料に存在する析出物の組成分析を STEM-EDS により行い、試料表面からの深さ依存性を調査した。その結果、焼鈍材に元来含まれている Zr2(Fe, Ni)及び Zr(Fe, Cr)2 の成分組成をもつ
析出物から Fe が減少した析出物へ変化することが明らかとなった。この現象は、重イオン照射による弾き出し損
傷が誘起される深さ領域で顕著に観察され、析出物への照射効果であることが明確に示された。
緒言
Zr を母相としその性質（機械的特性、耐酸化性、耐食性）の改善を目的として様々な元素（Fe、Cr、Ni、Sn）が添加された Zr 合金が開発されており、その一種であるジルカロイ 2 は沸騰水型の軽水炉（BWR）の燃料被覆管
材料として用いられている。ジルカロイ 2 は高燃焼度において脆化することが知られており、照射欠陥や析出物と水素吸収との関連が指摘されている。そこで、重イオン照射後に水素を注入する模擬実験により欠陥形成と脆化との関連を明らかにする調査を計画している。昨年度は、重イオン照射前のジルカロイ 2 焼鈍材の微細組織について調査し、焼鈍材は転位がほとんど存在せず析出物のみが不均一に分布した状態であること、析出物には Zr2(Fe, Ni)、Zr(Fe, Cr)2 及び組成不明の微小析出物の 3 種類が存在することを明らかにした。本年度は、重イオン照射されたジルカロイ 2 の微細組織、特に析出物の構成元素の重イオン照射による変化（析出物の重イ
オン照射下での相安定性）について調査した結果を報告する。
成果の概要
表 1 ジルカロイ 2 の成分元素の分析値
試料はジルカロイ 2 で、その成分元素の分析値を表 1 に示す。焼鈍したジルカロイ 2 試料は、九州大学応用力学研究所に設置されたタンデム型加速器を用いて重イオンを照射した。重イオンの照射条件は、イオンエネルギ
ー及びイオン種は 3.2 MeV の Ni イオン、試料温度は 400℃、ピーク照射量は 30 dpa である。重イオン照射された試料は、集束イオンビーム（Focused Ion Beam; FIB）装置（FB-2100、HITACHI）を用いて断面 TEM 観察用に薄膜加工した。試料の微細組織の観察には TEM (JEM-3000F、JEOL)を用い、STEM（Scanning Transmission
Electron Microscopy）及び STEM-EDS （Energy Dispersive Spectroscopy）による元素分析を行った。加速電圧は 300 kV である。
図 1 は重イオン照射されたジルカロイ 2 試料の断面微細組織を示す STEM-BF（Bright Field）像である。左上に試料表面が存在しており、2 本の白い点線は試料表面に近い方から重イオン照射による損傷が最大の深さ（約 1750 nm）、及びそれ以上では重イオンによる弾き出しが誘起されない深さ（約 2600 nm）をそれぞれ示している。枠で囲まれた領域は STEM-EDS により元素分析を行った領域である。領域 1 は、重イオン照射によるダメージピーク及び弾き出しが誘起されない深部の領域を共に含んでいる。
図 2 左は、図 1 中の領域 1 の STEM-EDS マッピング像であり、Fe は緑、Cr は赤、Ni は青で表示し STEMBF 像に重ね合わせたものである。図 2 右は重ね合わせ像中に記号を付した析出物の元素分析結果であり、両*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ、*２九州大学応用力学研究所・核融合力学部門・先進炉材料分
野
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが九州大学応用力学研究所と共同で実施したものである。
本研究は、九州大学応用力学研究所の共同利用研究の助成を受けたものである。

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端に母相を含み析出物を横切るようにして元素プロファイルを得た。縦軸は元素の特性 X 線のカウント数、横軸は距離(μm)である。水色の
粒径約 350 nm の析出物（A1）及び粒径約 120
nm の析出物（A2）は、Zr-Ni-Fe 系の析出物
で、Fe と Ni の濃度がほぼ同一であることから
Zr2(Fe, Ni)と考えられるものである。A1 が A2 と比較して Fe の濃度が若干低いことは、弾き出しによる Fe の減少を示唆している。一方、赤色
及び黄色の粒径 50～210 nm の析出物は、ZrCr-Fe 系の析出物である。B1 から B3 の析出
物の色は赤から黄色に変化している。この現象
は、重イオン照射による弾き出しの影響を受けて Zr(Fe, Cr)2 から Fe が減少する程度が試料表面からの深さにより異なることにより生じたと
図 1 重イオン照射されたジルカロイ 2 の断面微細組織。
考えられる。すなわち、試料表面からダメージ
枠内は STEM-EDS により元素分析をした領域
ピーク近傍では顕著に Fe の減少がみられ、ダメージピークよりも深部では、B3の元素プロファイルに示されるように Fe の減少は観察されず Fe と Crの強度がほぼ等しい。以上の結果
から Zr-Ni-Fe 系及び Zr-Cr-Fe 系の析出物ともに重イオン照射による弾き出しが誘起される領域において Fe が減少することが明らかとなった。現時点では同程度のサイズでの比較はできていないが、重イオン照射による Zr-Cr-Fe 系の析出物からの Fe の減少の程度が高く、照射下での析出物の相安定性が Zr-NiFe 系と Zr-Cr-Fe 系で異なる可能
図 2 領域 1 における Fe(緑)、Cr(赤)、Ni(青)の分布を示す STEM性が示唆される。
EDS マッピング及び析出物の元素分析
結言
重イオン照射後のジルカロイ 2 試料に存在する析出物の組成分析を STEM-EDS により行い、試料表面からの深さ依存性を調査した。その結果、焼鈍材で確認された Zr2(Fe, Ni)及び Zr(Fe, Cr)2 の成分組成をもつ析出
物から Fe が減少した析出物への変化が観察された。この現象は、重イオン照射による弾き出し損傷が誘起される領域で顕著に観察され、析出物への照射効果であることが明確に示された。析出物からの Fe の減少の程度
は、Zr2(Fe, Ni)よりも Zr(Fe, Cr)2 の方が顕著で、ある領域の Zr(Fe, Cr)2 析出物中の Fe はほぼ完全に消失した。
これらの結果は、重イオン照射下での析出物の相安定性は Zr2(Fe, Ni)の方が Zr(Fe, Cr)2 よりも高いことを示唆していると考えられる。

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2.4.4.10
ウェットプロセスによるシリコンインターポーザ形成技術開発に関する研究
Development of Electrochemical Processing for a High-Performance Silicon Interposer
安永和史*1、常光幸美*2
Kazufumi YASUNAGA and Yukimi JYOKO
Abstract
Silicon interposer is commonly fabricated by dry processes such as sputtering and chemical vapor deposition(CVD). We have been developing a low-cost fabricating method for silicon interposer based on “All-wetprocess”. Scanning Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy (STEM-EDS) revealed
that the thickness of the SiO2 layer (insulated layer) formed by a catalytic treatment was about 290 nm.
要約
無電解めっき法を使用した溶液中での”オールウェットプロセス”により、低コストでシリコンインターポーザを形成する技術の開発を目指している。Si 基板上に触媒化処理及び無電解銅めっきを施した断面微細組織を走査型透過電子顕微鏡-エネルギー分散型 X 線分光法(STEM-EDS)により調査した。絶縁層として機能する SiO2 層が 10 分間の触媒化処理により約 290 nm 形成された。
緒言
電子情報機器の発展に伴い半導体 LSI デバイスに対する高集積化・高密度高速化の要求が高まり、シリコン
インターポーザが開発されている。シリコンインターポーザとは、複数の LSI を 1 チップに実装可能で配線長の短縮化等を図ったシリコン（Si）チップのことである。これまで、シリコンインターポーザ形成技術には、スパッタリン
グや化学気相蒸着法等のドライプロセスが利用されてきたが、コストや量産性の面で課題がある。そこで本研究では、作業工程が簡素な溶液中での“オールウェットプロセス”によるシリコンインターポーザ形成技術開発を目
的とした。
成果の概要
一般的に用いられるドライプロセスではなく、溶液を用いた処理により安価にシリコンインター
ポーザを作製することを目的として、Si 基板上に触媒化処理及び無電解めっき処理により、絶縁層として機能する非晶質の二酸化ケイ素（SiO2）
層および無電解めっきの触媒並びにバリア層と
図 1 ウェットプロセスで処理した Si 基板断面の元素分布して機能するニッケル（Ni）層、さらに銅（Cu）め
っき層の積層を実現する技術を開発している。
試料は表面の自然酸化膜を除去するために苛性エッチングした Si 基板上に SiO2 層及び Ni 層を形成し、さらに銅めっき層が形成された 3 層構造である。触媒化処理条件は、浴の pH8.5、温度 70℃、処理時間 10 分、無電解銅めっき条件は、浴の pH10.3、温度 65℃、処理時間 5 分である。作製された試料は、イオンスライサを用いて Ar イオンで薄膜化して TEM 断面試料とし、STEM-EDS 法により元素分布像を取得した。
図 1 は、Si 基板断面の元素分布を示す像である。SiO2 層は濃い灰色（図 1(a)）、Ni 層は赤（図 1(b)）、Cu 層は緑（図 1(c)）で示している。Si 基板上に形成された各層の厚みは SiO2 層 250 nm、Ni 層 340 nm、Cu 層 300 nmと評価された。昨年実施した触媒化処理時間 3 分及び 5 分では SiO2 層はそれぞれ約 205 nm 及び 225 nm であった。処理時間の 10 分への長時間化により SiO2 層が増加し絶縁性能が向上している可能性がある。
結言
Si 基板を触媒化処理後に無電解銅めっきする、二段階の溶液中での化学反応を用いた簡易な手法を、LSI配線の効率化を可能とするシリコンインターポーザの作製技術として適用できる可能性がある。

*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ、*2 福井工業高等専門学校物質工学科
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井工業高等専門学校と共同で実施したものである。

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2.4.4.11
超強加工による微細結晶粒金属材料の創製と評価
Ultra-Fine and Nanocrystalline Structure Induced by Severe Plastic Deformation of Metal Surfaces
安永和史*1、加藤寛敬*2
Kazufumi YASUNAGA and Hirotaka KATO
Abstract
Burnishing is a strengthening method that induces high strain at metal surfaces. Cross-sectional TEM
observation of burnished carbon steel revealed that the nanocrystalline below 100 nm in diameter was formed
due to the rearrangement of dislocations.
要約
金属材料の表層に高い歪みを導入可能なバニシング加工を炭素鋼に施した。バニシング加工により表面平坦化や均一な摩擦表層の生成が実現される。加工方向に平行な断面を TEM 観察した結果、表層領域には 100
nm 未満の多数のナノ結晶粒からなる微細組織が摩擦加工により形成されていることが明らかとなった。
緒言
極めて大きな塑性ひずみを与える超強加工により作製した微細結晶粒金属材料は、合金元素に頼らずに高強度を示すため、環境資源問題の観点から次世代の構造材料候補として注目を集めている。本研究では、ナノ結晶化が可能な表層超強加工法に焦点を絞り、バニシングなどの摩擦加工により生成した表層の微細組織の構造や力学的特性を明らかにするとともに、その生成メカニズムを明確にする。また、その超微細組織金属表層の摩擦摩耗特性を評価し、耐摩耗性・耐凝着性に優れた摩擦表層を有する材料を開発してトライボロジー分野への応用の可能性を探ることを目的とした。
成果の概要
試料は炭素鋼（S45C）製の円盤（60 mmΦ、5 mm 厚）である。大気中で速度 800 rpm で回転させた円盤に、超硬合金製のボール（6mmΦ）を用いて荷重 350 N、送り速度 0.00937 mm/回転の条件でバニシング加工を施した。加工摺動直径は 40～50 mmΦである。加工領域は、低速ダイヤモンドホイールソーを用いて切り出し、イオンスラ
イサーを用いて 6 keV の Ar+で薄膜加工した。摩擦方向に平行な断面の微細組織を TEM 観察した。
図 1 は上部から下部に向かって試料の最表面から約 455 nm の深さまでの領域の TEM 明視野像及び制限視野電子線回折像である。
黒いコントラストは、バニシング加工により形成された結晶粒であり、粒径は 6～94 nm であった。電子線回折像により得られたデバイ・リ
ングは、完全なリング状ではないことから、摩擦により形成された結晶
図 1 バニシング加工された S45C
粒には優先方位が存在することが示唆される。バニシング加工前の試料表層の断面組織の TEM 明視
S45C 試料は、µm サイズの大粒径の多結晶体である。図 1 に示した
野像及び制限視野電子線回折像
領域は、多結晶体中のある単結晶粒が摩擦により高密度の転位を導入され、結晶方位の回転を伴う多数のナノ結晶を含む微細組織へと変化した結果と考えられる。優先的な方位が存在する理由は、加工前の単結晶の有した方位から、ある角度内の回転がナノ結晶の形成に際して生じたことを示唆している。
結言
バニシング加工した S45C の表層領域を TEM 断面観察により分析した結果、微細組織は 100 nm 未満のナノ結晶粒から構成される多結晶構造であった。今後、バニシング加工の条件を変化させた試料の表層硬さやヤン
グ率等の力学的特性の調査、さらに摩擦摩耗試験による耐摩耗性などのトライボロジー特性を評価する。
*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ、*2 福井工業高等専門学校機械工学科
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが福井工業高等専門学校と共同で実施したものである。

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2.4.4.12
フレキシブル導電材料のための金属皮膜の耐久性向上に関する調査研究
Auger Analysis of Surface Metal Layer on a Flexible Material
安永和史*1、野坂敬之*2、辻本和久*2
Kazufumi YASUNAGA, Takayuki NOSAKA and Kazuhisa TSUJIMOTO
Abstract
A tinned polyimide flexible film was fabricated, and we investigated its heat resistance at 260℃ for 10 s. A
certain area of heat-treated film surface showed discoloration. Elemental-depth profile of the tarnished area
obtained from Auger Electron Spectroscopy (AES) revealed insufficient tin layer formation probably due to theadsorption of hydrogen bubbles on the film surface during electroplating.
要約
柔軟な導電性材料として錫（Sn）めっきフィルムを作製し、高温での耐久性を調査した。260℃において 10 秒の熱処理をフィルムに施すことにより、Sn めっき被膜に複数の変色領域が生じた。オージェ電子分光法(AES)により深さ方向の元素分布を測定した結果、変色領域は Sn めっきの厚さが薄いことが明らかとなった。この原因として、電気めっき中に生じた気泡のフィルム表面への吸着により Sn めっきの析出が抑制された可能性が示唆された。
緒言
柔軟な導電性材料として Sn めっきフィルムを作製し、高温での耐久性を調査した。Sn めっきフィルムは、ポリイミドフィルム上に形成された銅（Cu）薄膜の上にさらに Sn めっきの被膜を形成した積層構造で、主に小型軽量性が要求される電磁波シールド材としてテレビ等の電子機器の内部で使用されている。電子材料は、導電性はもちろん、フレキシブル性、皮膜密着性、半田付け性及び耐熱性等が必要である。Sn 皮膜は、半田付け性に優れているが、耐熱性には以下の問題がある。リフロー処理とよばれる高温での熱処理（260℃において 10 秒間）
によって、Sn めっき被膜に複数の不定形の変色領域が発生する現象である。本研究では、高温で生じる変色領域の形成原因を明らかにすることを目的として、変色領域の最表面から 2000 nm までの元素分布をオージェ電子分光法（AES）により測定した。
成果の概要
図 1 は、リフロー処理後の Sn めっきフィルム表面の光学顕微鏡像である。無光沢で不定形の斑点（数十～数百 µm 大）が複数存在している。以下、斑点状領域を無光
沢面、それ以外の領域を光沢面と記述する。
図 2 は、Sn めっきフィルムの光沢面及び無光沢面における 2000 nm までの深さ方向の元素分布である。光沢面
では Sn 皮膜の厚みが約 2000 nm であるのに対し、無光
沢面では約 1400 nm であり光沢面と比較して約 600 nm
薄い。また、光沢面は Cu が表面深さ約 600 nm から存在するのに対して、無光沢面では最表面から Cu が存在している。さらに、光沢面及び無光沢面共に Sn と Cu が共存している厚みが約 1400 nm であり、高温での熱処理で
図 1 リフロー処理後の Sn めっき皮膜表面
相互拡散し Cu-Sn 合金を形成していることが分かる。
の光学顕微鏡像
図 3 は、Sn めっきフィルムの光沢面及び無光沢面の最表面近傍（厚さ方向で 30 nm まで）を詳細に元素分析した結果である。光沢面と比較して無光沢面の方が酸素（O）が深くまで存在しており、表面近傍での Cu 濃度が高いためリフロー処理中に酸化が進行したと考えられる。
また、無光沢面には炭素（C）が表面から約 2 nm において顕著に存在しており、表面に有機物が付着している*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ、*2 セーレン株式会社・研究開発センター・開発研究第一グルー
プ
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターがセーレン株式会社と共同で実施したものである。

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可能性が考えられる。本研究で使用しためっき液には添加剤が含まれており、無光沢面に多く付着している可能性がある。
以上の結果から、めっき中に Sn 皮膜の成長速度に空間的な不均一が生じ、成長速度が遅く Sn 皮膜が薄い領域において、表面にまで拡散した Cu が酸化し黒色の無光沢面として観察されたと考えられる。
Sn 皮膜の成長速度が抑制された領域が形成された原因として、Sn めっき中に発生する気泡の部分的なフィルム表面への付着が考えられる。Sn めっき中には、フィルム端部に電流が集中することにより細かな気泡が発生する。この気泡が付着したフィルムの領域は Sn がめっきされにくく、周囲の領域よりも Sn 皮膜が薄くなった。実際、無光沢面の発生はフィルム端部で顕著であることが最近分かってきている。また、Sn めっき液面から陰極ロールへフィルムが搬送される過程で、めっき液面に浮遊している気泡がフィルム表面に付着することも原因として挙げられる。気泡は Sn めっき液に含まれる添加剤により発生するため、無光沢面において AES 分析により測定された C は、有機物である添加剤に由来する可能性が指摘される。

図 2 光沢面及び無光沢面の 2000 nm までの深さ方向の元素分布

図 3 光沢面及び無光沢面の表面近傍(0～30 nm)の元素分布
結言
柔軟な導電性材料として使用される Sn めっきフィルムに発生する無光沢で黒色の不定形領域の形成原因を明らかにすることを目的として、深さ方向の元素分布を AES により分析した。Sn めっきフィルムの無光沢面は光沢面と比較して Sn めっき皮膜の厚みが顕著に薄く、Cu が熱処理中に拡散して表面にまで達し、Sn-Cu 合金を形成したことが確認された。黒色化は Cu の酸化によるものと考えられる。無光沢面において Sn めっき皮膜が薄い原因として、電気めっき中に発生する気泡がフィルム表面に不均一に付着し、Sn めっきの析出速度を低下させピットを形成した可能性が示唆された。

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2.4.4.13
ナノ複合めっきに析出した粒子の微視的評価
Distribution of Fullerene Nanoparticles Dispersed into the Ni Plating
安永和史*1、佐々木達也*2
Kazufumi YASUNAGA and Tatsuya SASAKI
Abstract
Composite plating of non-electrolytic Ni-P plating with fullerene nanoparticles was conducted on SUS304 toincrease sliding properties. TEM observation revealed that the agglomeration of fullerene nanoparticles whichleads to the inhomogeneous distribution in the Ni-P matrix.
要約
摺動特性の改善を目的として、フラーレンのナノ粒子を添加した無電解 Ni めっき液を用いてステンレス板に複合めっきを施した。TEM を用いた観察により、フラーレンは単分散状態ではなく凝集状態で、不均一に Ni-P
マトリックスに分布していることが判明した。
緒言
材料表面に耐摩耗性や高摺動性（低摩擦性）をはじめとした種々の性能を付加する機能性めっきとして、ナノ
ダイヤモンドやカーボンナノチューブ（CNT）、フラーレン等のナノ粒子を複合した無電解 Ni-P めっきに関する研究を行っている。様々なめっき条件で分散状態の異なるナノ複合めっき試料を作製し、透過型電子顕微鏡（TEM）等を用いてナノ粒子のめっき皮膜中での分散状態を評価し、ナノ複合めっきの作製技術の確立に寄与することを目的とした。本研究では、Ni-P めっき膜中のフラーレンナノ粒子の分散状態について調査した。
成果の概要
フラーレン試薬（粒径 30～70 µm）は、粉砕後に無電解 Ni めっき液に添加した。粉砕後に粒度分布測定装置（ベックマン・コールター製 Delsa Nano）で測定した結果、フラーレンのナノ粒子の粒径は 90～100 nm でありナ
ノサイズの粒子にまで微細化されていることを確認した。粉砕されたフラーレンのナノ粒子は、分散剤を添加して無電解 Ni-P めっき溶液中に懸濁させ、SUS304 の板材に複合めっきした。作製された複合めっき試料は、TEM
観察のためにアルミナ懸濁液を用いたディンプル加工、及び 6 kV の Ar+を用いたイオン研磨により背面から加工し、複合めっきの領域を薄膜化した。
図 1 は、フラーレンのナノ粒子が含まれた Ni-P めっき皮膜の STEM 明
視野像である。不定形の白いコントラストがフラーレンのナノ粒子である。
ナノ粒子の粒径は約 5～20 nm であり、多数のフラーレンの集合体であった。また、単独の状態でナノ粒子が存在することは少なく、図 1a～c にて破線で囲んだ領域中に観察されるように凝集していた。図 1a の領域はナノ粒子が 5 個程度凝集した比較的小さな約 45 nm の集団である。図 1b 及
び図 1c で示した領域には多数のナノ粒子が凝集した不定形の塊が存在
し、凝集体のサイズは、150 及び 460 nm であった。また、凝集体同士もさらに接する傾向があり、矢印で示すように橋をかけたような連結部の存在も
図 1 Ni-P マトリックス中での確認された。
フラーレンの分散状態
結言
フラーレンのナノ粒子を添加した Ni-P 複合めっき膜の微細構造を TEM を用いて分析した。フラーレンは単分散状態ではなく約 10 nm の粒子が凝集した状態で不均一に Ni-P マトリックスに分布していることが判明した。
試薬を粉砕後に粒度分布測定装置で得られたフラーレンナノ粒子の粒径は、その凝集体の粒径である可能性が高いと考えられる。

*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー材料グループ、*２アイテック株式会社・新事業開発本部
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターがアイテック株式会社と共同で実施したものである。

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2.4.4.14
ミクロスコーピックな視点から見た核燃料中での希ガス析出挙動の解明
Analysis of rare gas precipitation in nuclear fuel from a microscopic viewpoint
篠田佳彦*1、安永和史*2、遠山伸一*3、山岸隆一郎*4
Yoshihiko SHINODA, Kazufumi YASUNAGA, Shin'ichi TOYAMA and Ryuichiro YAMAGISHI
セリア（CeO2）は固体電解質や触媒として、さらには UO2 と同一の結晶構造であることから核燃料の模擬物質として様々な物性の評価がなされている。本共同研究では、核燃料模擬物質としてセリアを用いて蛍石型結晶における希ガスの析出挙動に関する知見を得ることを目的としている。その一環として、4 価のセリウムのみによるセリアの緻密で大結晶粒径のバルク試料の作成を試みた。
セリウムの特徴的な性質として、酸化数が 4 価と 3 価の間で可逆的な変化を示すことが挙げられる 1)、UO2 の模擬物質とするには、4 価のセリウムのみによる緻密で大結晶粒径のバルク試料が求められる。
これまでに実施した加熱実験から、非酸化雰囲気下での加熱では一部が 3 価となり、2200℃以内で溶融することを把握している。そして、4 価のままの状態で溶融するためには酸素が豊富な条件のもと、2500℃以上の加熱を実現させる必要があると考えられるが、酸素が含まれる条件下での 2500℃以上の加熱を実現することは容易ではない。エネ研が所有する太陽炉でも 2200℃程度に留まる。
そこで、1 kW 級連続波レーザー発振器を用いて、石英ガラス窓を通じて気密槽内部に装荷した試料にレーザー光を照射する装置を設計・製作した。同装置を用いて、酸素を含む環境下で加熱を行っていく。
参考文献 1) M. Zinkevich et al., Thermodynamic modelling of the cerium-oxgen system (2006)*１（公財）若狭湾エネルギー研究センター・研究開発部・エネルギー開発グループ、*2（公財）若狭湾エネルギー研究センター・エネルギー材料グル
ープ、*3（公財）若狭湾エネルギー研究センター・レーザー技術開発室、*4（公財）若狭湾エネルギー研究センター・企画支援広報部・技術相談室
本研究は、（公財）若狭湾エネルギー研究センターが国立研究開発行政法人日本原子力研究開発機構、国立大学法人東京大学大学院工学系
研究科との連携重点研究の一部として実施したものである。

124

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

3. 外部発表、特許、品種登録
3.1. 外部発表
平成 28 年度における外部発表（論文等及び国際会議、国内会議における発表）は次のとおりである。
（１） 論文等（学協会誌等への掲載。解説、総説などを含む。）
1. Kazuma Kamata, Kaori Shinmyozu, Jun-ichi Nakayama, Masanori Hatashita, Hiroyuki Uchida and Masaya
Oki, Four domains of Ada1 form a heterochromatin boundary through different mechanisms, Genes Cells,21(10), 1125-1136, 2016
2. 鍵谷豪、小川良平、畑下昌範、田中良和、宮内洋輔、被ばくの理解に必要な放射線生物学、公益社団法人日本放射線技術学会放射線防護部会誌、vol.16、No.2、9-12、2016
3. 都築聡、研究に必要なこと、分光学会ニュースレター オンライン出版、第 1 号、P8-P9、2016.5
4. Fuyumi ITO, Takashi HASEGAWA, Satoshi MIZUSHIMA, Munetoshi MAEDA, Shinko SANDO and Kyo
KUME, Estimation of proton beam dose distribution by emission intensity from a fluorescent plate, 医学
物理, Vol.36, Supplementement1, p.199, 2016
5. Kyo KUME, Nobuo OHTANI, Yukihisa SANADA, Tatsuo TORII, Yoshiharu SATO, Katsuya NISHIHARA,
Takashi HASEGAWA, Hideki ITO and Takeshi SUGITA, Development of an efficient application of a NaI
survey meter system in a high dose rate environment, 医学物理, Vol.36, Supplementement1, p.211, 2016
6. Kyo KUME, Tatsuo TORII, Masato TAKITA and Takashi HASEGAWA, Development of a beam fluence
measurement technique at atmosphere, 医学物理, Vol.36, Supplementement3, p.178, 2016
7. Fuyumi ITO, Takashi HASEGAWA, Munetoshi MAEDA and Kyo KUME, Estimation of proton beam dose
distribution by emission intensity from a fluorescent plate (I), 医学物理, Vol.36, Supplementement3, p.180,
2016
8. Masanori TOMITA, Munetoshi MAEDA, Noriko USAMI, Akinari YOKOYA, Ritsuko WATANABE and
Katsumi KOBAYASHI, Enhancement of DNA double-strand break induction and cell killing by K-shellabsorption of phosphorus in human cell lines, International Journal of Radiation Biology, 17:1-12, 2016
9. 佐々木誠、玉村裕保、高松繁行、柴田哲志、前田嘉一、為重雄司、中澤寿人、笠原茂、安川裕、重矢晃、
久米恭、前田宗利、山本和高、陽子線・X 線併用による混合化学放射線治療の研究、放射線生物研究、
51:382-396、2016
10. Taishi HORIBE, Keiji KUSABA, Ken NIWA, Masashi HASEGAWA, Keisuke YASUDA and Ryoya
ISHIGAMI, Molecular routes syntheses of graphite-like C-N compounds with various N/C ratios in highpressure and temperature, Journal of the Ceramic Society of Japan, 124(10), 1013-1016, 201611. 安永和史、収差補正機能付き分析電子顕微鏡による構造材料の高精度定量分析、平成 27 年度九州大
学応用力学研究所共同利用研究成果報告書、第 19 号、297-298、2016
12. 峰原英介、遠山伸一、田村浩司、中嶋英雄、原子力発電所の廃炉のためのレーザーによる放射能除染
および構造物切断、金属、第 86 巻、7 号、590-595 ページ、2016
13. 中嶋英雄、松田進、ロータス型ポーラス銅の抗菌効果、銅と銅合金、第 55 巻、1 号、74-78 ページ、2016
14. H.Serizawa, S.Yamamoto and K.Yasunaga, Morphology Change of CeO2 Thin Film Induced by He
Precipitation, QST Takasaki Annual Report 2015, 68, 201715. H.Matsumoto, M.Tomita, M.Maeda, T.Funayama, Y.Yokota, M.Suzuki, T.Sakashita and Y.Kobayashi,
Analysis of Mechanisms for the Induction of Radiation-Induced Adaptive Response by Bystander Response,
QST Takasaki Annual Report 2015, 116, 201716. 中嶋英雄、ポーラス材料研究の進歩と展望、日本金属学会会報「まてりあ」、第 56 巻、第 3 号、166-169
ページ、2017.3（２） 国際会議論文（国際会議論文集への掲載。）
1. Munetoshi Maeda, Hiroyasu Tamamura, Shigeyuki Takamatsu, Kyo Kume, Fuyumi Ito, Makoto Sasaki and
Kazutaka Yamamoto, Effect of combined proton irradiation after X-ray exposure on normal human lungand human lung cancer cells, ERRS Congress 2016 Abstracts, p.138 (USB メモリ配布), Amsterdam, 2016
2. Koji Tamura, Ryoya Ishigami and Ryuichiro Yamagishi, Laser cutting of thick steel plates and simulated
steel components with a 30 kW fiber laser, Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.53, No.6, 916125

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

3.

4.

920, 2016
Koji Tamura and Ryuichiro Yamagishi, Laser cutting conditions for steel plates having a thickness of morethan 100 mm using a 30 kW fiber laser for nuclear decommissioning, Mechanical Engineering Journal, Vol.3,
No.3, 15-00590, 2016
Hirotaka Kato and Kazufumi Yasunaga, Microstructure and Wear Properties of Friction Induced Nanocrystalline Surface Layers of Carbon Steels, MATEC Web of Conferences, Vol.110, 05016, 602-607,
Shanghai, China, 2017（３） 国際会議発表
1. S.Toyama, Development of Laser Cutting for Thick Steels up to 300 mm for Nuclear Plant Decommissioning,
Laser Solutions for Space and the Earth, Pacifico Yokohama, Japan，2016.5
2. E.J.Minehara and R.Yamagishi, Technologies of Laser Decontamination and Robotics for Nuclear Reactor
Decommissioning, Laser Solutions for Space and the Earth, Pacifico Yokohama, Japan，2016.5
3. Yasushi KIYONO, Kyo KUME, Tatsuya MORI and Hidehiko OKAZAWA, Predictive value of 3'-deoxy3'-18F-fluorothymidine uptake in colorectal cancer treated with carbon ion irradiation under hypoxic
condition, 米国核医学会 2016 年年会, サンディエゴ, 2016.6
4. 上野俊吉、Jun-Woo Lee、中嶋英雄、Formation mechanism of lotus type porous ceramics with highporosity through solidification process（鋳造法によって作製された高気孔率を持つロータス型ポーラスセ
ラミックスの形成機構）、「HTCM9&GFMAT2016」、カナダ トロント、2016.6
5. Y. Nakauchi, T. Matsumoto, M. Abe, A. Tsuchiyama, K. Kitazato and K. Suzuki, LABORATORYSIMULATION OF SOLAR WIND PROTON IMPLANTATION ON HYDRATED SILICATE MINERALS,
Goldschmidt 2016, パシフィコ横浜, 2016.6
6. A. Takigawa, A. Tsuchiyama, T. Matsumoto, H. Uchida, N. Watanabe, A. Miyake, K. Suzuki, Y. Nakata
and R. Ishigami, STRUCTURAL CHANGES OF INTERSTELLAR CORUNDUM BY HYDROGEN ANDHELIUM ION IRRADIATION, Goldschmidt 2016, パシフィコ横浜, 2016.6
7. H. Uchida, A. Takigawa, A. Tsuchiyama, R. Ishigami, K. Suzuki, Y. Nakata, A. Miyake and A. Takayama,
SPACE WEATHERING IN THE INTERSTELLAR MEDIUM BY HYDROGEN ION IRRADIATION,
Goldschmidt 2016, パシフィコ横浜, 2016.6
8. M. Tosaki, K. Yasuda and R. Ishigami, Depth profiling of ions implanted silicon wafer using resonant elastic
backscattering He+28Si, European Conference on Accelerators in Applied Research and Technology(ECAART-12), University of Jyväskylä, Finland, 2016.7
9. Hirotaka Kato and Kazufumi Yasunaga, Microstructure and Wear Properties of Friction Induced Nanocrystalline Surface Layers of Carbon Steels, 2016 International Symposium on Advances in Materials
Science (IAMS 2016), Shanghai, China, 2016.8
10. Munetoshi Maeda, Hiroyasu Tamamura, Shigeyuki Takamatsu, Kyo Kume, Fuyumi Ito, Makoto Sasaki and
Kazutaka Yamamoto, Effect of combined proton irradiation after X-ray exposure on normal human lungand human lung cancer cells, 42nd Annual Meeting of the European Radiation Research Society（ERR2016）,
Amsterdam, 2016.9
11. A. Iwase, T. Matsui, T. Satoh, Y. Saitoh, H. Uno, H. Sakanes and R. Ishigami, Characterization of Energetic
Ion Beam Induced Lattice Structure and Ferromagnetism in FeRh Alloy by Using Synchrotron Radiation
X-rays, International Conference on Ion Beams in Materials Engineering and Characterizations(IBMEC2016), New Delhi, India, 2016.9-10
12. Y. Miyazaki, S. Watanabe, Y. Sano, H. Kofuji, M. Takeuchi and R. Ishigami, Degradation Behaviors of the
TODGA/SiO2-P Adsorbent for Extraction Chromatography, International Conference on Asian Nuclear
Prospects 2016 (ANUP2016), 東北大学川内萩ホール, 2016.10
13. Kazuhiro Hoshino, Masanori Hatashita and Maki Takano, Direct Production of L-Malic Acid and Ethanolfrom Lignocellulose by Consolidated Bioprocessing Process with Schizophyllum commune Mutant, The 17th
International Biotechnology Symposium and Exhibition (IBS2016), Melbourne, 2016.10
14. Satoki Yamashita, Maki Takano, Masanori Hatashita and Kazuhiro Hoshino, Construction of a Xylosefermentable Mutant from Thermotolerant Lactic Acid-producing Fungi by Ion-beam Irradiation, The 17th
126

若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
International Biotechnology Symposium and Exhibition (IBS2016), Melbourne, 2016.10
15. Y. Anoda, M. Uno, S. Yanagihara, K. Fukumoto, Y. Iguchi, D. Kawasaki, K. Suzuki, M. Kawai, T. Naniwa,
T. Sunagawa and E. Minehara, Research and human resource development for decommissioning technologyof Fukushima Daiichi nuclear power plants, International Conference on Maintenance Science andTechnology (ICMST 2016), Shenzhen, China, 2016.11
16. Tatsuo TORII, Takeshi SUGITA, Takashi HASEGAWA and Kyo KUME, Structure of energetic radiation
bursts observed during winter thunderstorms, アメリカ地球物理学連合 2016 年秋季大会（AGU）, サンフランシスコ, 2016.12（４） 国内会議発表
1. Kyo KUME, Nobuo OHTANI, Yukihisa SANADA, Tatsuo TORII, Yoshiharu SATO, Katsuya NISHIHARA,
Takashi HASEGAWA, Hideki ITO and Takeshi SUGITA, Development of an efficient application of a NaI
survey meter system in a high dose rate environment, 第 111 回日本医学物理学会学術大会, パシフィコ
横浜, 2016.4
2. Fuyumi ITO, Takashi HASEGAWA, Satoshi MIZUSHIMA, Munetoshi MAEDA, Shinko SANDO and Kyo
KUME, Estimation of proton beam dose distribution by emission intensity from a fluorescent plate, 第 111回日本医学物理学会学術大会, パシフィコ横浜, 2016.4
3. 伊東富由美、山ノ井航平、長井圭司、兼安由美、久米恭、山東新子、西村昭彦、乗松孝好、高性能高分
子のカプセル化、レーザー研シンポジウム 2016、大阪大学銀杏会館、2016.4
4. 畑下昌範、高城啓一、井村裕治、井上雅好、イオンビーム照射による省力栽培可能なミディトマト新系統の育成、イオンビーム育種研究会第 11 回大会、福井県立大学、2016.5
5. 髙城啓一、畑下昌範、平野智也、風間裕介、林依子、塚田晃代、阿部知子、植物組織におけるイオンビーム照射後のγ-H2AX の分布と消長、イオンビーム育種研究会第 11 回大会、福井県立大学、2016.5
6. 羽鳥聡、栗田哲郎、林豊、山田裕章、小田桐哲也、山口文良、淀瀬雅夫、長崎真也、廣戸慎、清水雅也、
丸田恭央、和田一人、峰原英介、辻宏和、若狭湾エネルギー研究センター加速器施設の現状、第 29 回
タンデム加速器及びその周辺技術の研究会、筑波大学、2016.6
7. 山田裕章、羽鳥聡、栗田哲郎、林豊、小田桐哲也、山口文良、淀瀬雅夫、長崎真也、廣戸慎、清水雅也、
和田一人、辻宏和、荷電変換型負イオン源の開発、第 29 回タンデム加速器及びその周辺技術の研究会、
筑波大学、2016.6
8. 小田桐哲也、羽鳥聡、栗田哲郎、林豊、山田裕章、山口文良、淀瀬雅夫、長崎真也、廣戸慎、清水雅也、
和田一人、辻宏和、峰原英介、低温吸着を追加した SF6 ガス回収システム、第 29 回タンデム加速器及びその周辺技術の研究会、筑波大学、2016.6
9. 鍵谷豪、小川良平、畑下昌範、田中良和、瀬下幸彦、富永信太郎、松本秀樹、低酸素領域におけるアポトーシス細胞可視化システムの構築、第 54 回日本放射線腫瘍学会生物部会学術大会、大阪市、2016.7
10. 伊東富由美、西村昭彦、非接触による配管内壁検査技術の開発、第 13 回日本保全学会学術講演会、横浜、2016.7
11. 櫻井明彦、宗石徹也、奥村美保子、畑下昌範、ダブルラッセル編物に固定化した冬虫夏草による生理活性物質コルジセピンの生産、平成 28 年度第 46 回繊維学会夏季セミナー、福井市、2016.7
12. 篠田佳彦、山岸隆一郎、下野芙由美、田中学、渡辺隆行、月土壌の水素還元システムの構築 －低品位
原料の工業的利用を目指して－、JAXA 相模原キャンパス特別公開 2016、JAXA 相模原キャンパス、2016.7
13. 奥山克史、駒田裕子、安部雅世、堀口敬司、西川元典、鈴木耕拓、江夏昌志、玉置幸道、核反応法を用
いた健全およびう蝕歯質内のフッ素定量測定、日本歯科理工学会中部地方会平成 28 年度夏季セミナー、
名鉄犬山ホテル（愛知県犬山市）、2016.8
14. 栗田哲郎、羽鳥聡、林豊、長崎真也、廣戸慎、小田桐哲也、山田裕章、山田和彦、山口文良、淀瀬雅夫、
清水雅也、辻宏和、若狭湾エネルギー研究センターシンクロトロンの現状（ポスター）、第 13 回日本加速器学会年会、幕張メッセ（千葉）、2016.8
15. 仲内悠祐、松本徹、安部正真、土`山明、北里宏平、鈴木耕拓、中田吉則、層状ケイ酸塩における太陽風
プロトンの影響、日本惑星科学会 2016 年秋季講演会、ノートルダム清心女子大学、2016.9
127若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
16. 竹内彰吾、畠山賢彦、熊谷昌信、吉野一郎、小澤卓也、八代仁、安永和史、砂田聡、TiN-ラテックスを被覆した燃料電池用ステンレス鋼セパレータ、日本金属学会 2016 年秋期講演大会、大阪大学豊中キャン
パス、2016.9
17. 杣龍之介、岩瀬彰宏、斎藤勇一、石神龍哉、松井利之、FeRh 合金における高エネルギーイオン照射と熱処理による深さ方向磁気改質、日本金属学会 2016 年秋期講演大会、大阪大学豊中キャンパス、2016.9
18. 今冨宏祐、三根貴大、李恩智、執行信寛、池田伸夫、石橋健二、木村健一、池見拓、笹谷輝勝、高橋定明、平澤勇人、久米恭、長谷川崇、加速器施設建屋用放射線遮蔽可とう性材料の開発(VII) 100MeV 以下の中性子透過率測定、日本原子力学会 2016 年秋の大会、久留米シティプラザ、2016.9
19. 峰原英介、レーザー剥離装置の製作と除染性能、日本原子力学会 2016 年秋の大会、久留米シティプラ
ザ、2016.9
20. 山岸隆一郎、都築聡、石神龍哉、遠山伸一、峰原英介、レーザー剥離技術を用いたコンクリート除染、日本原子力学会 2016 年秋の大会、久留米シティプラザ、2016.9
21. 三木紀彦、杉浦康友、畑下昌範、櫻井明彦、イオンビーム照射によるリグニンペルオキシダーゼ高生産株の育種、第 68 回日本生物工学会大会、富山市、2016.9
22. 山下聖樹、高野真希、畑下昌範、星野一宏、イオンビーム変異法による耐熱性乳酸生産糸状菌の Xylose
発酵変異株の構築、第 68 回日本生物工学会大会、富山市、2016.9
23. 瀬菜都実、高野真希、畑下昌範、星野一宏、糸状菌 Aspsergillus terreus によるデンプン系バイオマスからのイタコン酸の直接生産、第 68 回日本生物工学会大会、富山市、2016.9
24. 久米恭、長谷川崇、鳥居建男、瀧田正人、大気取り出しビームの線束測定技術の開発、第 112 回日本医学物理学会学術大会、沖縄コンベンションセンター、2016.9
25. Fuyumi ITO, Takashi HASEGAWA, Munetoshi MAEDA and Kyo KUME, Development of measurement
method of a dose distribution during irradiation with higher accuracy in shorter time, 第 112 回日本医学物理学会学術大会, 沖縄コンベンションセンター, 2016.9
26. 畑下昌範、イオンビーム照射によるコルジセピンを高生産する冬虫夏草菌の開発、理研セミナー、和光市、
2016.1027. 鍵谷豪、小川良平、畑下昌範、田中良和、放射線生物学ー被ばくの理解のためにー、第 44 回日本放射線技術学会秋季学術大会第 43 回放射線防護部会、さいたま市、2016.10
28. 畑下昌範、高城啓一、久米恭、鍵谷豪、松本英樹、ヒト培養細胞への陽子線照射で生じた HPRT 遺伝子座における突然変異スペクトル、日本放射線影響学会第 59 回大会、広島市、2016.10
29. 前田宗利、玉村裕保、松本英樹、髙松繁行、久米恭、伊東富由美、佐々木誠、山本和高、陽子線とＸ線を併用した混合放射線療法の確立に向けた細胞生物学的検討、日本放射線影響学会第 59 回大会、広島市、2016.10
30. 前田宗利、冨田雅典、松本英樹、宇佐美徳子、久米恭、伊東富由美、小林克己、マイクロビームを用いた
細胞局所応答の解析とがん治療への応用（招待講演）、日本放射線影響学会第 59 回大会、広島市、
2016.1031. 松本英樹、前田宗利、久米恭、平山亮一、鵜沢玲子、古澤佳也、マウス骨髄幹細胞の炭素線および陽子線感受性、日本放射線影響学会第 59 回大会、広島市、2016.10
32. 下村修潤、東郷広一、鬼塚貴志、福元謙一、藪内聖皓、木村晃彦、石神龍哉、TEM 内引張「その場」観
察法による純 Mo 中の照射欠陥-転位相互作用の実験的研究、ゼロエミッション拠点研究会（ZE 研究会）
照射効果（材料照射研究会）、京都大学宇治キャンパス、2016.10
33. 松原正典、東郷広一、福元謙一、鬼塚貴志、石神龍哉、近藤創介、木村晃彦、イオン照射したステンレス
鋼中の転位チャンネル形成の動的観察の試み、ゼロエミッション拠点研究会（ZE 研究会）照射効果（材料照射研究会）、京都大学宇治キャンパス、2016.10
34. 砂田聡、竹内彰吾、畠山賢彦、熊谷昌信、吉野一郎、安永和史、小澤卓也、八代仁、泳動電着法によりTiN-ラテックス複合層を被覆した SUS316L 鋼セパレータ評価、（公社）腐食防食学会第 63 回材料と環境
討論会、大阪国際会議場、2016.10
35. 塩野克宏、山田淑葉、鈴木耕拓、粒子線励起Ｘ線分析によるイネの根の重金属イメージング法の最適化、
第 45 回根研究集会、岡山大学資源植物科学研究所、2016.10
36. 遠山伸一、石神龍哉、大出力レーザーを用いた原子力施設の解体切断技術の開発、若狭湾エネルギー
研究センター第 18 回研究報告会、福井大学、2016.10
128若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
37. 峰原英介、レーザー除染・剥離機の実用化、若狭湾エネルギー研究センター第 18 回研究報告会、福井大学、2016.10
38. 松本英樹、前田宗利、田辺久美子、長谷川崇、水嶋慧、山東新子、久米恭、陽子線がん治療における低線量被ばくした正常組織での組織幹細胞動態の解明、若狭湾エネルギー研究センター第 18 回研究報告会、福井大学、2016.10
39. 高城啓一、モノクローナル抗体を用いた植物 DNA 損傷マーカーの検出と適正線量決定への適用、若狭湾エネルギー研究センター第 18 回研究報告会、福井大学、2016.10
40. 畑下昌範、人工光栽培による葉菜類の育成と機能性成分の生成に及ぼす光質の効果、若狭湾エネルギ
ー研究センター第 18 回研究報告会、福井大学、2016.10
41. 石神龍哉、シリコンの成膜による金属表面の着色、若狭湾エネルギー研究センター第 18 回研究報告会、
福井大学、2016.10
42. 岩瀬彰宏、石神龍哉、松井利之、斉藤勇一、佐藤隆博、鵜野浩行、坂根仁、イオンビームによる材料改質、
若狭湾エネルギー研究センター第 18 回研究報告会、福井大学、2016.10
43. 畑下昌範、好塩性野菜シーアスパラガスの水耕栽培法の開発、園芸学会北陸支部大会、新潟市、
2016.1144. 高橋成企、平岡大和、檜山太旗、中島恭平、小川泉、玉川洋一、鈴木耕拓、小林正明、GAGG:Ce 結晶の α 線および陽子線の消光係数測定、物理学会北陸支部定例学術講演会、富山大学、2016.11
45. 清水慧悟、高橋成企、中島恭平、小川泉、玉川洋一、鈴木耕拓、原子炉ニュートリノ観測に向けてのプラ
スチックシンチレータ検出器における n/γ 波形解析、物理学会北陸支部定例学術講演会、富山大学、
2016.1146. 池内拓海、庄司英一、畑下昌範、芳香族系高分子電解質による高性能ナノファイバーの創製と力学特性評価法の提案、第 65 回高分子学会北陸支部研究発表会、福井市、2016.11
47. 大野良記、波多野光顕、庄司英一、畑下昌範、芳香族系高分子電解質の特徴を活かした導電性ナノファ
イバーの創製と構造；第 65 回高分子学会北陸支部研究発表会、福井市、2016.11
48. 遠山伸一、30kW ファイバーレーザーを用いた厚板鋼材切断技術開発、日本原子力研究開発機構レーザ
ー応用技術産学官連携成果報告会、福井大学附属国際原子力工学研究所、2016.11
49. 久米恭、鳥居建男、瀧田正人、長谷川崇、宇宙機搭載用機器に対する高エネルギー陽子線照射技術の開発、平成 28 年度東京大学宇宙線研究所共同利用研究成果発表会、東京大学柏キャンパス柏図書館
メディアホール、2016.12
50. 砂川武義、青木祐太郎、梅田昌幸、Glenn Harvel、速水醇一、榊原和久、五東弘昭、蛯名武雄、田口光
正、長澤尚胤、吉橋幸子、畑下昌範、久米恭、佐倉俊治、PVA-KI 系におけるゲルインジケータの開発、
第 5 回 3D ゲル線量計研究会、京都大学宇治キャンパス・おうばくプラザ、2016.12
51. 久米恭、（公財）若狭湾エネルギー研究センターにおける研究開発の状況（陽子線治療とその周辺）、江
尻宏泰先生傘寿の会研究会、ホテル阪急エキスポパーク、2016.12
52. 杉浦慎哉、山口貫太、曽田一雄、加藤政彦、丹羽健、長谷川正、池永英司、鈴木耕拓、石神龍哉、超臨界水中合成 Nb 水素化物の組成深さ分析、日本原子力学会中部支部第 48 回研究発表会、名古屋大学
ベンチャー・ビジネス・ラボラトリ、2016.12
53. A. Iwase, R. Ishigami and T. Matsui, Effect of 50 keV Ar ion irradiation and thermal treatment on magnetic
properties of FeRh thin films, 第 26 回日本 MRS 年次大会, 横浜市産業貿易センタービル, 2016.12
54. K. Suzuki, In-air-measurement using a few MeV ion beam at WERC,「イオンビームによる表面・界面解析」
特別研究会, 京都府立大学, 2016.12
55. 杉浦慎哉、山口貫太、加藤政彦、曽田一雄、丹羽健、長谷川正、池永英司、鈴木耕拓、石神龍哉、超臨界水中合成 Nb 水素化物の組成分析、第 30 回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム、神戸
芸術センター、2017.1
56. 芹澤弘幸、加治芳行、山本春也、安永和史、大石佑治、山中伸介、STEM によるイメージクリスタルの形状
観察と今後の展望、第 1 回 QST 高崎研シンポジウム、高崎量子応用研究所、2017.1
57. 佐倉俊治、砂川武義、久米恭、畑下昌範、ポリビニルアルコールとヨウ化化合物を用いた放射線可視化技
術、コンバーテイングテクノロジー総合展、東京ビックサイト、2017.2
58. 畑下昌範、庄司英一、イオノマー系高分子アクチュエータの高性能化のための芳香族系高分子電解質の創製、日本化学会第 97 春季年会、横浜市、2017.3
129若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）
59. 星野一宏、高野真希、畑下昌範、Schizophyllum commune 変異株を用いた糖化発酵同時進行によるリグノ
セルロースからの直接 L-リンゴ酸生産、日本農芸化学会 2017 年大会、京都市、2017.3
60. 高野真希、山下聖樹、畑下昌範、星野一宏、イオンビーム変異誘導法による耐熱性乳酸生産糸状菌のXylose 代謝向上、日本農芸化学会 2017 年大会、京都市、2017.3
61. 山下聖樹、高野真希、畑下昌範、星野一宏、イオンビーム変異誘導法による Cellulase 分泌耐性 Ethanol
生産糸状菌の構築、日本農芸化学会 2017 年大会、京都市、2017.3
62. 星野一宏、高野真希、畑下昌範、イオンビーム育種による新規発酵プロセスのための高機能糸状菌の開発、日本農芸化学会 2017 年大会、京都市、2017.3
63. 久米恭、長谷川崇、羽鳥聡、瀧田正人、鳥居建男、辻宏和、若狭湾エネルギー研究センターにおける大気取り出し高エネルギーイオンビームの利用高度化技術開発、第 31 回固体飛跡検出器研究会、量研機
構・関西光科学研究所、2017.3
64. 遠山伸一、30kW ファイバーレーザーを用いた鋼材機器のレーザー切断、日本原子力学会 2017 年春の年会、東海大学、2017.3
65. 峰原英介、レーザー除染装置技術の開発、日本原子力学会 2017 年春の年会、東海大学、2017.3

130若狭湾エネルギー研究センター研究年報（平成 28 年度）

3.2. 特許
平成 28 年度における特許出願、特許登録は次のとおりである。
（１） 特許出願
1. 「放射線感応性ゲルインジケータ、及びその調製方法、及びその使用方法、及びその処理方法」（特願2016-142817）畑下昌範、久米恭、砂川武義、青木祐太郎、Glenn Harvel、速水諄一、吉橋幸子、佐倉俊治、榊原和久、五東弘昭、蛯名武雄、田口光正、長澤尚鼠
2. 「溶接機能付き管内形状測定装置、及び小内径管用の管内形状測定装置」（特願 2016-228382）伊東富由美
3. 「２次元光走査ミラー装置、その製造方法、２次光走査装置及び画像投影装置」（特願 2016-212976）石神龍哉、勝山俊夫（２）特許登録
1. 「保磁力に優れた鉄－白金系磁性合金の製造方法」(特許第 5942360)石神龍哉
2. 「加熱温度調整機能を備えた太陽炉」(特許第 5988237)重田達雄、篠田佳彦
3. 「熱輸送方向が自動反転するヒートパイプ」(特許第 6041187)鳥取章二
4. 「CO2 ガス濃縮装置、及び CO2 ガス濃縮方法」（特許第 6083665）峰原英介、小林良久

3.3. 品種
平成 28 年度における品種出願、品種登録は次のとおりである。
（１）品種出願
1. 「せと福 VMR」高城啓一、畑下昌範、鈴木勝久、水野隆 品種登録出願番号 第 31733 号（２） 品種登録なし

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公益財団法人若狭湾エネルギー研究センター 組織図（平成 28 年 4 月 1 日 現在）

評議員会

評価委員会

理 事 会

理 事 長

エネルギー研究開発拠点化推進組織
常務理事

専務理事

管理部長

事務局長

技術活用コーディネータ
監

事
技術相談室

企画支援広報部長
産業育成部長所

研究開発部長長

加速器室
生物資源研究室
粒子線医療研究グループ
エネルギー材料グループ
エネルギー開発グループ
レーザー技術開発室

センターアドバイザー

福井県国際原子力
人材育成センター長

センター次長国際人材育成グループ
国内人材育成グループ

平成 28 年度
公益財団法人 若狭湾エネルギー研究センター
研 究 年 報第 19 巻

発行：平成 29 年 10 月

公益財団法人 若狭湾エネルギー研究センター〒914-0192 福井県敦賀市長谷 64 号 52 番地 1
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