共同利用研究成果報告
第 22 号

平成 30 年度
九州大学応用力学研究所

発

刊

の

辞

応用力学研究所が 1997 年に全国共同利用研究所となって 22 年が経過しました。この間，毎年 100～130 件の共同研究が行われ，多くの成果が得られました。この報告書に示しますように，2018 年度も特定研究 27 件を含む貴重な研究が数多く行われました。
これらの成果の一部は，2019 年 6 月 6 日－7 日に開催される「RIAM フォーラム 2019」
でも報告されます。また，この報告書は，応用力学研究所のホームページ（https://www.riam.kyushu-u.ac.jp）にも掲載されます。この他にも同じ研究分野の研究者が応用力学研究所に集まり，掘り下げた討論を行う研究集会が 2018 年度は 11 件
行われ，それぞれについてまとめられています。2011 年度から実施されている国外在住の外国人研究者が代表者となる国際化推進共同研究は、25 件が実施され、研究所の国際化に大いに貢献しています。この中で国際ワークショップが 5 件開催され、国内外の研究者による活発な議論が行われました。
九州大学は 2004 年に国立大学法人として文部科学省から独立しました。応用力学研
究所は，法人化後も引き続き，「力学に関する学理及びその応用の研究」を目的とする研究所として位置づけられ，重要な役割を与えられています。研究所は，大学を特徴づ
け個性化する存在でもあります。
応用力学研究所は，2010 年度 4 月,文部科学省により応用力学共同利用・共同研究拠点の認定を受けました。力学とその応用に関する先端的課題に関し，国際的に高い水準の研究成果を挙げるとともに，21 世紀の人類にとって極めて重要な課題となっている
地球環境問題とエネルギー問題の解決に向けた研究に，理学と工学の両面から取り組んでいます。
同時に，全国共同利用研究を基にして，全国および世界の研究者と連携し，力学とその応用の分野における世界的研究拠点となることを目指します。
これからも応用力学研究所が一層発展し，日本のみならず世界の学術研究の重要な拠点であり続けることができますように，全国の研究者の方々からのより一層のご支援・
ご指導・ご鞭撻をよろしくお願いいたします。
2019 年 3 月
九州大学応用力学研究所
所長

花田

和明

平成30年度

共同研究一覧（目次）

地球環境力学分野
研究課題

No.

代表者名

所内世話人
協力者数

頁

特定研究１
―

日本近海予報モデリングの改新

統括責任者
広瀬 直毅

30特1- 1

若狭湾における定置網漁業の急潮対策に関する研究

福井県立大学
兼田 淳史

千手 智晴
５名

1

30特1- 2日本沿岸の海峡通過流に与える潮汐の影響

気象庁気象研究所
坂本 圭

広瀬 直毅
３名

3

超高解像度湾モデルの精度向上にむけたモデル間
サ 相互比較

東京大学
川崎 高雄

広瀬 直毅
３名

5

30特1- 4

ブ 沿岸海洋環境予測モデルにおける精度向上にむけ
テ た相互比較海洋研究開発機構
石川 洋一

広瀬 直毅
３名

8

30特1- 5

粒子追跡モデルを用いた奄美海域産スジアラ卵仔
マ 魚の輸送過程と最大着底率の推定

広瀬 直毅
３名

11

30特1- 6海洋モデルを用いた、淡水供給の富山湾の海洋構造に対する影響の推定

鹿児島大学
加古 真一郎富山県農林水産総合技術セ
ンター
小塚 晃

広瀬 直毅
３名

13

30特1- 7対馬海峡から日本海南西海域にかけての海洋環境
モニタリング－数値モデルとの比較データの収集－

長崎大学
滝川 哲太郎

千手 智晴
７名

15

ー

30特1- 3

一般研究
30AO- 1

全球雲解像モデルを用いた雲エアロゾル相互作用の放 名古屋大学
射強制力
佐藤 陽祐

竹村 俊彦
２名

17

30AO- 2

海底資源探査用グライダー型海中ビークルの開発

九州大学
山口 悟

中村 昌彦
３名

19

30AO- 3

日向灘における流況変動特性の解明

宮崎県水産試験場
渡慶次 力

広瀬 直毅
６名

21

30AO- 4ハイブリッド式自律型海中ロボットの運動性能評価に 大阪府立大学
関する開発
有馬 正和

中村 昌彦
４名

23

30AO- 5海洋環境シミュレーション水槽とループ法を使用した 兵庫県立大学
吹送距離延長法の確立
高垣 直尚

磯辺 篤彦
２名

25

30AO- 6

衛星・地上ライダ/レーダ解析のための粒子散乱アル
ゴリズム開発

気象研究所
石元 裕史

佐藤 可織
２名

27

30AO- 7

CloudSat/CALIPSOプロダクトを用いた氷雲の地理分布 長崎大学とその気象要素との関係
河本 和明

岡本 創
２名

29

30AO- 8

衛星搭載雲レーダと降雨レーダによる降水量抽出のた 情報通信研究機構
めのアルゴリズム開発
井口 俊夫

岡本 創
２名

31

30AO- 9能登半島周辺海域における流況と漁況の関係性

千手 智晴
３名

33

30AO- 10東シナ海陸棚－黒潮間混合域における物質輸送過程理 富山大学
解のための国際共同研究体制の構築
張 勁

遠藤 貴洋
２名

35

30AO- 11洋上や海中を航走するビークルに働く流体力解析およ 海洋研究開発機構
び運動制御に関する研究
百留 忠洋

中村 昌彦
９名

37

愛媛大学
郭 新宇

遠藤 貴洋
２名

38

30AO- 13

地上・衛星観測及びモデルを使ったエアロゾルの光学 富山大学
的特性の時間・空間変動特性
青木 一真

竹村 俊彦
２名

40

30AO- 14

逆推計手法による東アジア域排出量データベースの高 電力中央研究所
度化に向けた研究
板橋 秀一

弓本 桂也
３名

42

30AO- 12 瀬戸内海の伊予灘と豊後水道における乱流観測

30AO- 15 内部波特有の共鳴現象に関する解析

石川県水産総合センター
原田 浩太朗

神戸大学
中山 恵介

辻

英一
２名

44

30AO- 16

微細規模から惑星規模にかけての海洋力学過程と規模 大分大学
間相互作用の研究
西垣 肇

磯辺 篤彦
１６名

30AO- 17

インドネシア多島海の海洋循環とその気候に及ぼす影 海洋研究開発機構
響佐々木 英治

木田

46

新一郎
３名

48

神戸大学
林 美鶴

磯辺 篤彦
１名

50

30AO- 19

北東アジアにおける粒子状物質の輸送・変性過程のモ 神戸大学
デル表現に関する研究
山地 一代

弓本 桂也
４名

52

30AO- 20黒潮大蛇行を引き起こす膠州海山における傾圧不安定 東京大学
の発達過程
田中 祐希

大貫 陽平
２名

54

30AO- 21 雲粒子センサによるlarge-sparse雲の観測

防衛大学校
岩崎 杉紀

岡本 創
１名

56

30AO- 22 沿岸波浪とGNSS反射信号との対応関係の観測

京都大学
根田 昌典

市川 香
２名

58

30AO- 23 インド亜大陸東北部における大気鉛直構造の解明

東京大学
木口 雅司

江口 菜穂
３名

60

浅海域用水中グライダーの動作試験と運用に関する研 長崎大学
究
森井 康宏

中村 昌彦
１２名

63

岡本 創
２名

65

岡本 創
３名

67

千手 智晴
３名

69

千手 智晴
１名

74
76

30AO- 18 大阪湾に出現するフロント構造の解析

30AO- 24

CloudSat地表面データによる衛星搭載雲レーダプロダ 名古屋大学
クトの評価手法の開発
高橋 暢宏
衛星搭載ライダーデータを用いたエアロゾル・雲プロ
国立環境研究所
30AO- 26 ダクト推定アルゴリズムの高度化と地上検証に資する
西澤 智明
観測研究
日本沿岸域における高解像度海表面塩分マッピング手 国立環境研究所
30AO- 27法の開発
中田 聡史
30AO- 25

30AO- 28 富山湾沿岸域における対馬暖流水の流入に関する研究

富山高等専門学校
福留 研一

30AO- 29

領域海洋モデルによるGNSS-R技術の海洋観測への応用 東京大学
の高度化
小平 翼

市川 香
２名

30AO- 30

多波長ミー・ラマンライダーを用いたエアロゾルの動 国立環境研究所
態把握とデータ同化への応用に関する研究
西澤 智明

原

由香里
２名

80

所内世話人
協力者数

頁

核融合力学分野
研究課題

No.

代表者名

特定研究２
―

波・流れ・乱流のセンシング・マイニング・モデリン 統括責任者グ
稲垣 滋
直線磁化プラズマにおける乱流構造の解析

九州大学
山田 琢磨

稲垣 滋
３名

107

30特2- 2流体波動の局所分離解析に関する研究

九州大学
大貫 陽平

稲垣 滋
２名

109

30特2- 3

乱流輸送の促進と抑制機構の理論・実験的解明：
ヘリシティ効果

東京大学
横井 喜充

稲垣 滋
１名

111

振幅変調反応性プラズマのナノ粒子量ゆらぎの相
サ 互相関解析ブ
テ 医療用CT・MRI技術を応用したプラズマ乱流計測

九州大学
古閑 一憲

稲垣 滋
２名

113

島根大学
荒川 弘之

佐々木 真
３名

115

稲垣 滋
１名

117

沖縄科学技術大学院大学
森 康輔

遠藤 貴洋
５名

119

高知工業高等専門学校
谷澤 俊弘

糟谷 直宏
２名

121

九州大学
富田 健太郎

稲垣 滋
２名

123

30特2- 430特2- 530特2- 630特2- 730特2- 830特2- 9ー

30特2- 1

マ デジタル分光を用いたECE計測の解析手法に関する 核融合科学研究所
研究土屋 隼人
東シナ海黒潮域における乱流混合過程の解明
統計モデルと複雑ネットワークの手法を融合した
プラズマ乱流時系列データの新しい解析手法の開発
直線ヘリコン波プラズマ内で誘起される電子密度・温度揺らぎの非接触計測

30特2- 10

分野融合研究会ー

サ 流れベクトル量測定のためのマイクロ波センシン
30特2- 11 ブ
グ技術の開発テ
30特2- 12
CFD手法による液体金属熱流動の解析
マ
レーザー光波面の乱れを利用したプラズマの乱流
30特2- 13
計測手法とデータ処理方法の開発

九州大学
稲垣 滋

藤澤 彰英
２０名

141

核融合科学研究所
徳沢 季彦

稲垣 滋
２名

144

九州大学
胡 長洪

稲垣 滋
２名

146

核融合科学研究所
秋山 毅志

稲垣 滋
７名

148

一般研究
30FP- 1

直線装置PANTAにおけるITG乱流輸送シミュレーション 量子科学技術研究開発機構
研究
矢木 雅敏

糟谷 直宏
４名

150

30FP- 2

タングステン合金の熱負荷特性に及ぼす添加元素の影 京都大学
響
徐 虬

徳永 和俊
２名

152

30FP- 3

直線プラズマ装置PANTAにおける音速分子ビーム入射装置を用いた密度プロファイル制御

核融合科学研究所
小林 達哉

佐々木 真
２名

154

30FP- 4

電磁的ジャイロ運動論解析結果に基づく乱流輸送係数 核融合科学研究所
を用いたダイナミクスシミュレーション
登田 慎一郎

糟谷 直宏
４名

159

30FP- 5

金属間化合物合金における空孔型欠陥と水素原子の相 大阪府立大学
互作用に関する研究
堀 史説

大澤 一人
４名

161

30FP- 6多層グラフェン膜の水素吸収特性に対する窒素添加効 名城大学
果
土屋 文

徳永 和俊
４名

163

30FP- 7

ジルコニウム合金中の水素同位体の挙動に関する第一 琉球大学
原理計算
岩切 宏友

渡辺 英雄
４名

165

30FP- 8

構造材料中の水素挙動に及ぼす水素導入方法の影響

渡辺 英雄
３名

167

茨城大学
車田 亮
若狭湾エネルギー研究セン
収差補正機能付き分析電子顕微鏡による構造材料の高30FP- 10ター
精度定量分析
安永 和史
データ駆動的手法に基づいたトロイダルプラズマの熱 核融合科学研究所
30FP- 11
輸送特性の理解
横山 雅之

徳永 和俊
４名

169

渡辺 英雄
１名

171

稲垣 滋
３名

173

30FP- 12

運動論的プラズマ・シミュレーションと実験との直接 核融合科学研究所
的なValidation解析
沼波 政倫

糟谷 直宏
３名

174

30FP- 13

LIFを用いた直線装置PANTAにおける高精度中性粒子お 九州大学
よびイオン流速計測
寺坂 健一郎

小菅 佑輔
３名

176

30FP- 14

タングステンにおける複合イオン照射下の欠陥形成と 静岡大学
水素同位体滞留ダイナミックス
大矢 恭久

渡辺 英雄
１０名

178

30FP- 15

結晶性固体材料における析出物の加工誘起高速オスト 東北大学
ワルド成長
松川 義孝

渡邉 英雄
１名

180

30FP- 16

Fe-Mnモデル合金における特異な照射硬化とナノサイ
ズのMn析出物形成の相関

渡辺 英雄
２名

182

30FP- 17

高エネルギーイオン照射法を用いた新奇二次元層状物 量子科学技術研究開発機構
質の創製
圓谷 志郎

渡邉 英雄
２名

184

糟谷 直宏
１名

186

小菅 佑輔
１名

188

富山大学
成行 泰裕

佐々木 真
２名

190

30FP- 21

金属、合金および酸化物セラミックス中の水素同位体 九州大学の溶解、拡散、放出挙動に関する研究
橋爪 健一

渡辺 英雄
５名

192

30FP- 22

高温プラズマ曝露炉内機器の表面変質と損傷に関する 九州大学
総合的研究
吉田 直亮

渡辺 英雄
６名

194

30FP- 23

高エネルギーイオン照射された酸化物絶縁被覆の微細 核融合科学研究所
構造における熱処理による回復挙動
菱沼 良光

渡邉 英雄
４名

196

渡辺 英雄
４名

198

30FP- 9タングステンの熱負荷特性に及ぼす再結晶の影響

30FP- 18 磁化プラズマの簡約化MHDシミュレーション
30FP- 19

茨城大学
車田 亮

京都大学
木村 晃彦

法政大学
西村 征也

中性粒子風由来のブロッブの発生と輸送特性に関する 中部大学
シミュレーション杉田 暁

30FP- 20 プラズマ乱流における非線形時系列データの統計解析

30FP- 24 鉄系合金の電磁気特性と照射ナノ組織の関係

岩手大学
鎌田 康寛

東芝エネルギーシステムズ
（株）
鹿野 文寿
種々の熱入射法による材料表面の高エネルギー密度入 応用ながれ研究所
30FP- 26
射損耗解析法の開発
糟谷 紘一

30FP- 25 鉄合金の照射劣化挙動に関する基礎的検討

渡辺 英雄
４名

200

徳永 和俊
３名

203

30FP- 27

大規模シミュレーションによるMHD不安定性の3次元構 核融合科学研究所
造解析
佐藤 雅彦

糟谷 直宏
１名

205

30FP- 28

水素プラズマスパッタ法で形成される多孔質金属膜へ 九州大学の水素蓄積と透過挙動
片山 一成

渡辺 英雄
４名

207

30FP- 29

プラズマ乱流における非線形伝搬と、局地集中豪雨の 中部大学
統計解析への応用の研究
杉田 暁

佐々木 真
２名

209

稲垣 滋
３名

212

長時間放電におけるタングステン壁排気の物理素過程 九州大学の解明と制御
中村 一男

徳永 和俊
４名

214

30FP- 32 酸化物結晶における照射欠陥形成およびその安定性

九州大学
安田 和弘

渡辺 英雄
４名

216

30FP- 33 逃走電子の超高感度計測法の検討

核融合科学研究所
秋山 毅志

稲垣 滋
２名

218

30FP- 30 プラズマ乱流現象に関する可視化手法の開発と応用
30FP- 31

有明工業高等専門学校
竹内 伯夫

30FP- 34

プラズマに対向した堆積層の動的水素リテンションに 京都大学
関する研究
高木 郁二

花田 和明
４名

220

30FP- 35

安定化元素を添加したオーステナイト系ステンレス鋼 （株）日立製作所の照射特性評価
王 昀

渡辺 英雄
１名

222

30FP- 36

タングステンの水素同位体吸蔵特性に対する複合照射 筑波大学
効果に関する研究
坂本 瑞樹

渡辺 英雄
６名

225

30FP- 37

QUEST装置周辺プラズマに対する粒子リサイクリングと衝突輻射モデルの構築

慶應義塾大学
畑山 明聖

花田 和明
３名

227

京都大学
四竈 泰一

花田 和明
４名

231

所内世話人
協力者数

頁

30FP- 38 QUESTにおける水素原子密度空間分布の分光計測

新エネルギー力学分野
研究課題

No.

代表者名

特定研究３
―

自然エネルギー有効活用に資するエレクトロニクス及 統括責任者
び関連材料技術西澤 伸一

30特3- 1

次世代パワーエレクトロニクス信頼性・設計技術

首都大学東京
和田 圭二

西澤 伸一
１名

242

30特3- 2

振動発電マルチフェロイック薄膜における3D応力解析

物質・材料研究機構
木村 秀夫

西澤 伸一
２名

244

九州工業大学長谷川 一徳北九州市環境エレクトロニ
クス研究所
宍戸 信之
明治大学
小椋 厚志

西澤 伸一
１名

246

西澤 伸一
２名

251

西澤 伸一
３名

253

30特3- 330特3- 5ー

30特3- 4

次世代パワーエレクトロニクスシステム用受動部
サ 品
ブ
テ 高耐圧パワーデバイス用電極の接合信頼性
マ

シリコン結晶中の不純物評価

30特3- 6

ダイヤモンドパワーデバイスのシミュレーションに関する研究東京工業大学
角嶋 邦之

西澤 伸一
１名

255

30特3- 7

小形風力用パワーコンディショナの単独運転検出における回転機負荷の影響

東京理科大学
近藤 潤次

吉田 茂雄
１名

257

30ME- 1

ドローンやMAVへの応用を意図した極低レイノルズ数
領域での翼の空力特性の革新的向上の為の基礎研究

同志社大学
平田 勝哉

内田 孝紀
４名

259

30ME- 2

高品質多元系熱電材料の単結晶成長と特性評価

宮崎大学
永岡 章

柿本 浩一
２名

261

一般研究

30ME- 3

風レンズ風車用の炭素繊維強化複合材(CFRP)の衝撃圧 岡山理科大学
縮特性に及ぼす負荷方向と温度の影響
中井 賢治

新川 和夫
２名

30ME- 4

波浪中の浮体・船舶に関する革新的EFD技術に関する研究

胡30ME- 5

長洪
６名

267

高効率海上輸送用地面効果翼機の機体形状に関する研 広島大学
究
岩下 英嗣

吉田 茂雄
３名

273

30ME- 6

多層接結構造を有する多次元カーボン織物複合材料の 信州大学
開発
倪 慶清

汪

文学
２名

280

30ME- 7

予見風速に基づくフィードフォワード制御による大型 大阪府立大学
垂直軸風力発電システムの出力・荷重変動抑制
涌井 徹也

吉田 茂雄
３名

282

30ME- 8

風・波併存時の係留浮体に関する模型実験およびシス 神戸大学
テム同定
橋本 博公

末吉 誠
４名

285

30ME- 9高空風力発電の有効な方式の検討（株）TMIT・首都大学東京
藤井 裕矩

吉田 茂雄
１９名

287

京都府立医科大学
梅林 大督

東藤 貢
１名

291

東藤 貢
２名

293

30ME- 10 CT画像を利用した数値解析法の脳神経外科への応用
30ME- 11

広島大学
岩下 英嗣

263

インプラントオーバーデンチャーの義歯床下の顎骨吸 九州大学
収を防止する設計は可能か？
松下 恭之

30ME- 12 心筋組織のエネルギー変換メカニズムに関する研究

国際医療福祉大学
松本 拓也

東藤 貢
３名

295

30ME- 13 CT画像を利用した数値解析法の脊椎外科への応用

佐賀大学
馬渡 正明

東藤 貢
２名

297

30ME- 14 骨密度分布を利用した骨の力学特性予測法の構築

千葉大学
松浦 佑介

東藤 貢
２名

299

30ME- 15

バイオセラミックスとポリマーの複合化による骨組織 大阪大学
再生用材料の開発
名井 陽

東藤 貢
２名

301

30ME- 16

大気乱流による気圧変動の直接測定のための円盤型プ 海上保安大学校
ローブの性能評価
近藤 文義

内田 孝紀
１名

303

30ME- 17

IR-FZ法による単結晶育成における集中加熱条件の最
適化

柿本 浩一
１名

305

30ME- 18

波浪中を低速航行する船舶に働く流体力と動的応答に 広島大学
関する研究
肥後 靖

胡

鹿児島大学
山城 徹

胡

長洪
３名

321

30ME- 19 大島海峡における潮流パワーポテンシャルの季節変動

山梨大学
綿打 敏司

長洪
３名

307

30ME- 20

強制動揺試験による円筒型OWC装置のエネルギー変換
特性に関する研究

九州大学
安澤 幸隆

胡 長洪
４名

323

30ME- 21

垂直軸風車の主要コンポーネントに作用する空力荷重 三重大学の研究前田 太佳夫

吉田 茂雄
４名

326

弘前大学
本田 明弘

内田 孝紀
１名

328

内田 孝紀
４名

330

鳥取大学
原 豊

吉田 茂雄
４名

332

30ME- 25

バタフライ風車の翼に作用するツイストモーメントに 鳥取大学
関する研究
原 豊

吉田 茂雄
４名

334

30ME- 26

集流装置付き潮流発電装置の性能に及ぼすタービンハ 佐賀大学
ブ比の影響
村上 天元

胡

30ME- 22 津軽海峡フェリーの船体が風速計の出力に及ぼす影響
30ME- 23帆布を用いた小型風車のトルク特性に関する実験的研 弘前大学
究久保田30ME- 24 垂直軸風車の3次元効果の数値解析

健

長洪
３名

336

平成30年度

研究集会一覧（目次）

地球環境力学分野
所内世話人
講演数・参加者数

開催場所

開催日

頁

北海道大学
三寺 史夫

木田 新一郎5件・13名

応用力学研究所2018.09.102018.09.11

82

30AO- S2

海洋レーダを用いた海況監視システム 琉球大学の開発と応用藤井 智史

市川 香
13件・69名

応用力学研究所2018.12.122018.12.13

87

30AO- S3

東シナ海と日本海の海水循環と生物化 名古屋大学
学過程
石坂 丞二

千手 智晴
19件・23名

応用力学研究所2019.01.252019.01.26

90

30AO- S4

日本海及び日本周辺海域における環境急変現象（急潮）のモニタリング、モ 日本海区水産研究所
デリング及びメカニズム解明に関する
井桁 庸介
研究集会

千手 智晴
12件・76名

応用力学研究所2018.08.022018.08.03

94

30AO- S5

地球流体力学研究集会「地球流体にお 東京大学
ける波動と対流現象の力学」
伊賀 啓太

和方 吉信
15件・30名

応用力学研究所2019.03.072019.03.08

97

30AO- S6

海洋・海岸における波動の解析モデル 鹿児島大学
の比較
柿沼 太郎

辻 英一
8件・20名

応用力学研究所2018.12.152018.12.16

100

30AO- S7

日本周辺海域の海況モニタリングと波 富山高等専門学校
浪計測に関する研究集会
福留 研一

広瀬 直毅
13件・40名

応用力学研究所2018.12.132018.12.14

104

所内世話人
講演数・参加者数

開催場所

開催日

頁

研究課題

No.

30AO- S1 海洋力学理論の研究会

代表者名

核融合力学分野
研究課題

No.

代表者名

30FP- S1

第16回トロイダルプラズマ統合コード 京都大学
研究会
村上 定義

糟谷 直宏
19件・27名

応用力学研究所2018.11.292018.11.30

233

30FP- S2

国際プラズマ乱流データ解析ワーク
ショップ

藤澤 彰英
8件・25名

応用力学研究所2018.05.212018.05.23

238

開催場所

開催日

頁

九州大学
稲垣 滋

新エネルギー力学分野
No.
30ME- S1 第11回

研究課題
九大2D物質研究会

30ME- S2 高空風力発電の技術動向の検討

代表者名

所内世話人
講演数・参加者数

九州大学
田中 悟

寒川 義裕
11件・18名

九州大学
西新プラザ

2019.02.22

338（株）TMIT・首都大
学東京
藤井 裕矩

吉田 茂雄
17件・22名

日本大学駿河台2018.12.06
キャンパス
2019.03.19
国立極地研究所343

平成30年度

若手キャリアアップ支援研究一覧（目次）

核融合力学分野
No.
若-1

研究課題

代表者名

磁プラズマ中での乱流・非線形揺動のローカルトモグ 九州大学
ラフィを用いた詳細計測
山﨑 広太郎

所内世話人
協力者数

頁

稲垣 滋
３名

347

地球環境力学分野
特定研究1

30特1‑1
若狭湾における定置網漁業の急潮対策に関する研究
福井県立大学

海洋生物資源学部

兼田淳史【研究の目的】九州大学が開発した日本海沿岸域海況予報システムの計算結果や京都府および福井県の水産研究機関、福井県立大学が取得する海況観測データは、若狭湾の沿岸域では定置網の急潮対策の精度向上を目的として利用され始めている。本研究は 2018
年度の観測データおよび数値モデルの予測結果を用い、当年度に発生した急潮の特徴を分析するとともに、急潮対策の検証および改善を目的して実施した。
【観測および解析】
福井県水産試験場、福井県立大学、京都府海洋センターは若狭湾および越前海岸の定置網近傍で流れや水温を計測している（図１）。2018 年度においても、それぞれの測点で電磁流速計や ADCP（超音波多層流向流速計）を用いて流れを計測するとともに、複数個の水温センサーを設置して水温を計測した。本図１ 若狭湾および測点図．2018 年に京都府海洋センター、福井県水産試験場、福井県立大学が流速計を設置していた観測点の一例．

研究では流速が 50cm/s を超える突発的な強流を急潮と定め、それぞれの海域における急潮の発生状況
やその特徴について調べ、研究打ち合わせ時にはその情報を共有して今後の対策について考察した。
【結果および考察】
分析結果の一例として、鷹巣における流れの観測結果を図 2 に示す。図から、2018 年は 7 月上旬から
8 月中旬まで流れは一時的に弱くなった後、8 月下旬に急潮が発生し、その後 9 月中旬にかけて 50cm/sを超える強流が継続的に発生した。また、9 月末から 10 月上旬には台風や低気圧の通過時に急潮が発生したことがわかる。そこで過去の鷹巣の流れの観測データと比較したところ、他の多くの年は 7－8 月に流れが強くなり高い頻度で急潮が発生していたのに対して、2018 年は 7 月上旬―8 月中旬に流れが弱く、例年よりも遅い時期にあたる 8 月下旬以降に急潮が発生したことが特徴であることがわかった。

図 2 2018 年 5-10 月の鷹巣の流れの時系列(上)と 8-9 月の拡大図（下）．
上の横軸の青線は、7 月上旬から 8 月中旬まで流れが弱かった期間を示している．

1

そこで、2018 年 7-8 月は例年よりも流れが弱く急潮が発生しなかった理由と、8 月末の急潮の発生過程について考察した結果について考察した。若狭湾沿岸域の流れは、外洋に対して解放的であるため対馬
暖流の影響を強くうける。そのため 7-8 月の弱い流れの発生は、対馬暖流の変動に起因している可能性があると考えた。高解像度モデルの結果を利用して沖合いの流動構造について調べたところ、鷹巣で流れが弱くなっていた時期（図 3 左）は丹後半島沖で対馬暖流が北上し、若狭湾湾口中央部から東部では対馬暖流が離岸していた。鷹巣沖で 7-8 月に例年より流れが弱くなって急潮が発生しなかった理由は、
対馬暖流が若狭湾沖で離岸していたためであると考えられた。
次に、8 月下旬に発生した急潮の発生過程について高解像度モデルの結果を利用して検討した。図 3（中央および右）には、急潮が発生する前の 8 月 21 日と急潮が発生した 8 月 29 日の計算結果を示している。8 月 13 日と 21 日の計算結果から、13 日には丹後半島沖で北上していた対馬暖流は 21 日になると次第に北東方向へ流路を変え、越前岬へ近づくようになった。そして、急潮が発生した 8 月 29 日には対馬暖流は越前岬沖で接岸し、急潮していたことがわかった。今までの鷹巣の急潮研究で対馬暖流の接岸に起因して急潮が発生したことが報告されていることから（Kaneda et al., in press）、2018 年は例年よりも遅れたものの、同様の発生過程で 8 月末に急潮が発生したと推察された。

図 3：2018 年 8 月 13 日（左）21 日（中央）、29 日（右）の高解像度モデルの計算結果（海面下 10m）

また、研究打ち合わせでは、京都府の丹後半島・蒲入（図 1）の 2018 年の観測データは既に多くの知見がある台風の通過に起因する急潮のみならず、穏やかな天気のもとで発生する急潮の発生を示したことが報告された。急潮の発生頻度や発生要因は地域ごとに異なっているため、海域ごとの急潮の特徴やその特徴を踏まえた急潮対策の開発を引きつづき進める必要がある。
【関連の成果発表】
Intensification of current in coastal waters around Cape Echizen in summer (2019), A. Kaneda,
K. Ayukawa, N. Hirose, T. Senjyu, Y. Kumaki, Y. Igeta, K. Fukudome, T. Watanabe, J. Oceanogra.

【研究組織】【研究代表者】福井県立大学海洋生物資源学部

兼田淳史【所内世話人】九州大学応用力学研究所

千手智晴【研究協力者】九州大学応用力学研究所

広瀬直毅

福井県水産試験場・漁場環境研究グループ

桂田慶裕

京都府農林水産技術センター

舩越裕紀

福井県立大学大学院生物資源学研究科

大西

徹

2

地球環境力学分野
特定研究1

30特1‑2

⾼解像度⽇本沿岸モデルを⽤いた海峡通過流の再現
気象研究所 海洋・地球化学研究部 坂本圭

要旨
気象研究所で開発された⾼解像度⽇本沿岸モデルについて、対⾺海峡、津軽海峡、宗⾕海峡の通過流の再現性を検証した。その結果、過去の研究と⽐べた平均流量の差が 7%以下となるなど良い再現性が⽰された。この再現性には、データ同化による現実的な初期値の作成が貢献していた。瀬⼾内海で⾒られた潮汐による通過流の抑⽌効果は、これらの海峡では⾒られなかった。

序論
気象研究所では、気象庁の現業システムに向けて、約 2km の⽔平解像度で⽇本沿岸全域をカバーする海洋モデルを開発してきた。昨年 2017 年度の本共同利⽤研究では、瀬⼾内海の海峡における通過流の再現性を潮汐の導⼊によって改善したことを報告した。しかし⼀⽅で、⽇本海につながる対⾺海峡、津軽海峡、宗⾕海峡の通過流については、⽇本周辺の海況に強く影響するため重要でありながら、検証が課題として残っていた。本研究では、これら海峡の通過流量の再現性を潮汐の影響も含めて調べる。

モデルと実験⽅法
開発したモデルは、気象研究所共⽤海洋モデル「MRI.COM」を基盤モデルに採⽤することで、潮汐をはじめ主な沿岸物理過程が組み込まれている。
実験の⼤気強制には JRA-55 較正データ(辻野博之が開発)を、沿岸海況に重要な河川流⼊には気象庁流域⾬量指数にもとづくデータ(浦川昇吾が開発)を使⽤した。側⾯境界には双⽅向結合された北太平洋モデル(主に中野英之が開発)を⽤いた。実験は、データ同化
によって作成された 2008 年 12 ⽉ 2 ⽇の場を初期値に⽤いて実⾏し、 2009 年の結果を解析した(ケース CTL)。加えて、データ同化を使わずにモデルのスピンアップのみで作成した場を初期値に⽤いたケース(SPINUP)と、初期値は CTL と同じだが潮汐を与えないケース(NOTIDE)も⽐較実験として⾏った。どのケースも実験中はデータ同化しない、いわゆるフリーラン実験である。

実験結果
ケース CTL で再現された海峡の通過流量を図(a)に⽰す。対⾺海峡の流量は 1 ⽉から増加し 5 ⽉に 2.5
Sv、夏に 3 Sv に達し、秋に減少した。津軽海峡では 1 年を通して変化が⼩さかった。宗⾕海峡では 1
⽉から増⼤し 8-10 ⽉に 1Sv を超えた。これらの特徴は、通過流量に関する最新の知⾒である Han et al.
(2016, Ocean Dyn.)のマルチ・モデル・アンサンブルの結果とよく⼀致する。年平均の流量は対⾺海峡
2.34Sv、津軽海峡 1.69Sv、宗⾕海峡 0.67Sv であり、これも先⾏研究の値、2.40Sv、1.68Sv、0.72Sv に近かった(差は 3%、1%、7%)。フリーラン実験でも、本モデルは通過流量を現実的に再現したと⾔える。

3図：(a)実験 CTL(実線)と SPINUP(破線)における対⾺海峡(緑)、津軽海峡(⾚)、宗⾕海峡(⻘)を横切る流量。2009 年の⽉毎の時系列であり、縦軸は Sv(=106 m3/s)を⽰す。(b) 破線は実験 NOTIDE の結果を⽰す。その他は(a)と同じ。

データ同化による初期値の作成がこの良い再現性に寄与したことが分かった。実際、ケース SPINUPの通過流量は年を通じて⼩さく(図 a 破線)、平均で対⾺海峡 2.03Sv、津軽海峡 1.53Sv、宗⾕海峡 0.53Svと先⾏研究の値に対して 15%、9%、16%も過⼩だった。⼀般に、沿岸海洋の主要な物理過程の時間ス
ケールは外洋と⽐較して⼩さいため、沿岸モデルのスピンナップにはあまり注意を払われてこなかった。
しかし⽇本沿岸全域ほど⼤きい領域では、沿岸モデルでも初期値がモデル再現性に重要であることが⽰唆された。⼀⽅で、図(b)に⽰すケース NOTIDE の通過流量は、⽉によって若⼲の差はあるもの、平均で CTL と変わらなかった(差は 1%以内)。今回の実験結果は、瀬⼾内海とは異なり、潮汐が通過流を抑制する効果は⼩さいことを⽰す。

考察
データ同化による初期値作成が、対⾺海峡、津軽海峡、宗⾕海峡の通過流の再現に重要であることを⽰
す結果は予期しておらず、これからその具体的な要因を調べる必要がある。また、瀬⼾内海では作⽤していた潮汐の抑⽌効果がこれらの海峡では⾒られなかった原因の解明も今後の課題である。

成果報告 (1:論⽂、2,3:学会発表)
1.

Sakamoto, K., H. Tsujino, H. Nakano, S. L. Urakawa, T. Toyoda, N. Hirose, N. Usui and G. Yamanaka,
Development of a 2km-resolution ocean model covering the coastal seas around Japan for operational
application, (submitted to Ocean Dynamics)

2.

坂本圭, 辻野博之, 中野英之, 浦川昇吾, 豊⽥隆寛, ⼭中吾郎, 解像度 2km ネスト・モデルを⽤いた
⽇本沿岸海況の再現 2: 沿岸潮位の再現性, JpGU Meeting 2018, AOS17-01, 2018/5/21, 幕張メッセ

3.

Sakamoto, K., H. Tsujino, H. Nakano, S. L. Urakawa, G. Yamanaka, T. Toyoda, N. Hirose and N.
Usui, Reproduction of coastal sea-level variations around Japan using a nested 2-km resolution model,
AGU Fall Meeting, OS41D-2050, 2018/12/10-14, ウォルター・E・ワシントン会議場

4地球環境力学分野
特定研究1

30特1‑3
超高解像度湾モデルの精度向上にむけたモデル間相互比較

東京⼤学

⼤気海洋研究所

川崎

⾼雄

・目的
九州大学応用力学研究所で開発されている海洋大循環モデル RIAMOM は、日本近海の海況予測の実用レベルでの運用に使用されており、その精度は非常に高いレベルにある。東京大学大気海洋研究所では海洋大循環モデ
ル COCO および非静力海洋モデル KINACO を用いて、超高解像度の湾スケールモデリング研究を行っている。
COCO では多重ネスティング手法によって、水平格子幅 500m の日本沿岸モデルと 1/4 度の全球海洋モデルをシー
ムレスにつなげ、日本近海の海況予測システムとして活用できる海洋モデルを開発中である。両研究所で用いられている海洋モデルの精度向上のために、COCO と RIAMOM の結果の相互比較を行う。高度化した COCO と RIAMOMの結果を我々が開発中の湾モデルに利用し、過去の特殊事例の再現や将来予測等に役立つモデル開発を推進す
る。

・実験方法
海洋大循環モデル COCO を用いて、日本近海の海流や水温・塩分場等が再現可能なモデル設定を行った。水平格子幅 1/4 度の全球海
洋を最も低解像度の外側のモデル(L0)とし、3 種類の水平格子幅を持
つ緯度経度座標領域モデルを段階的に設定することで、水平約 500m
格子の日本沿岸モデル(L3)を構築した(図 1)。まず L0、L1 モデルで構成される 2 重ネストモデルを水温・塩分の同化データに緩和して、2000
年 1 月 1 日から 2013 年 9 月 1 日まで積分した。その後 L1 モデルの結果を L2 モデルに補間し、L0～L2 で構成される 3 重ネストモデルを 9 月
1 日から 9 月 2 日まで駆動した。最後に、L2 モデルの結果を L3 モデルに補間し、L0～L3 で構成される 4 重ネストモデルを 9 月 1 日から 9 月
2 日まで駆動した。今後の湾モデルとの接続も視野に入れ、4 重ネスト
モデルでは潮汐も考慮した。

図 1: ネスティング⼿法を⽤いた

一方、非静力海洋モデル KINACO を用いた水平格子幅約９０m の超高 外洋モデルの⽔平格⼦設定
解像度の湾モデルの構築を行った。最終的には上記の外洋モデルの結果
を境界条件としたモデル駆動を目指すが、トライアルとして湾モデル単体による実験を行った。若狭湾の西端である
丹後海全域をモデル領域として設定し、2013 年 9 月の大雨時の由良川の河川水大量流出イベントについてシミュレーションを行った。河川水として淡水に加えて、泥・砂など陸起源の懸濁物質の循環に対する影響を調べるために、懸濁物質をラグランジュ粒子としてモデルに組み込んだ。現実的な風や地形を考慮した Realistic シミュレーションと、地形や背景場をシンプルにした Idealized シミュレーションの二種類の設定でモデルを動かした。前者は本シミュレー
ションがある程度現実の湾状況を再現できているかを確かめるため、後者は多くの感度実験を行うためにシンプルな設定で懸濁物の影響にフォーカスする目的で行った。
・実験結果
外洋モデルは、黒潮・親潮・対馬海流など日本周辺海域での主要な海洋循環を良く再現した。水平格子幅を 500mに設定したことで、黒潮など流量の大きい海流の一部が小さい島や海底地形を通過する際に形成される渦、沿岸域

5

での上昇流などがよく表現された。潮流をモデルに取り入れたことで、日本沿岸に多く分布する検潮所での海面高度変動が概ね再現された。モデルで表現された黒潮の主要流路であるトカラ海峡で島の下流側にみられるカルマン
渦のような構造、沿岸域における上昇流にともなう海面での冷水露出などについても、気象衛星観測「ひまわり」の
海面水温データからもその存在が確認され、水平スケールや生成数についても概ね良く再現されていることが明らかになった。
湾モデルでは、河川水の大量流出に伴ってエスチュアリー循環が形成され、これは従来の理論および観測と整合的であった。そのエスチュアリー循環が、懸濁物粒子が大きい場合（すなわち懸濁物の滞留時間が短い場合）は弱くなり、表層と亜表層水の交換もまた弱化した。一方で懸濁物粒子が小さい場合（すなわち滞留時間が長い場合）は鉛直的な密度成層構造が不安定となる効果が支配的になり、表層―亜表層間の鉛直混合が強くなった。懸濁物が河川水プルームやエスチュアリー循環に与える影響は、仮定する懸濁粒子の大きさや流出量に大きく依存することが明らかになった。
・考察
外洋モデルでは、足摺岬・室戸岬南方沖での浅い地形を黒潮の一部が通過する際に生じる海面での強い収束流が表現されたが、ALOS-2 合成開口レーダによってその存在が示唆された。潮流が地形に作用することで、島の周辺に継続的に渦が生成される興味深い物理プロセスも表現されたが、この現象については今後さらに衛星観測との比較を継続して検証をし、海洋モデルの改善に役立てたい。
湾モデルにおいては、懸濁物―沿岸物理相互作用の効果がある程度明らかになってきたが、それが海底堆積物の分布や、海洋生態系にどのような影響を及ぼすか不明な部分が数多く残っている。これらを沿岸域、移行域や外洋域相互作用の解明に向けた発展題材としたい。
・研究成果報告○ 論文(査読有)(1) Yasuhiro Hoshiba, Yoshimasa Matsumura, Hiroyasu Hasumi, Sachihiko Itoh, Satoshi Nakada, Keita Suzuki (inrevision)：「A simulation study on effects of suspended sediment through high riverine discharge on surface river
plume and vertical water exchange」Estuarine, Coastal and Shelf Science.
(2) Yasuhiro Hoshiba, Takafumi Hirata, Masahito Shigemitsu, Hideyuki Nakano, Taketo Hashioka, Yoshio Masuda,
Yasuhiro Yamanaka (2018)：「Biological data assimilation for parameter estimation of a phytoplankton functional
type model for the western North Pacific」Ocean Science, 14, 371-386, https://doi.org/10.5194/os-14-3712018.
○ 学会発表(1)“Physiological parameter estimation of a phytoplankton functional type model for the western North Pacific”,
Hoshiba Y., T. Hirata, M. Shigemitsu, H. Nakano, T. Hashioka, Y. Masuda, Y. Yamanaka, Ocean Science Meeting,
Feb 2018, Portland, poster.

(2)“Simulation on the Effects of Suspended Sediment Matters Induced by High Riverine Discharge on Vertical
Mixing in a Hypopycnal Plume”, Hoshiba, Y., Y. Matsumura, H. Hasumi, S. Itoh, S. Nakada, Asia Oceaniea
Geosciences Society 15th Annual Meeting, Jun 2018, Honolulu, oral.

6

(3)

“Effects of suspended sediment matterʼs input by high riverine discharge on surface river plume and verticalwater exchange: a simulation study for the Tango Bay, Japan”, Hoshiba, Y., Y. Matsumura, H. Hasumi, S. Itoh, S.
Nakada, American Geophysical Union 2018 Fall Meeting, Dec 2018, Washington D.C., poster.

・研究組織

氏 名

所 属

職 名

役 割

川崎 高雄

大気海洋研究所

特任助教

研究代表者

松村 義正

大気海洋研究所

助教

研究協力者

干場 康博

大気海洋研究所

特任研究員

研究協力者

羽角 博康

大気海洋研究所

教授

研究協力者

7

地球環境力学分野
特定研究1

30特1‑4沿岸海洋環境予測モデルにおける精度向上にむけた相互⽐較

海洋研究開発機構・地球情報基盤センター ⽯川洋⼀

研究⽬的
九州⼤学応⽤⼒学研究所で開発・利⽤されている海洋⼤循環モデル RIAMOM と海洋研
究開発機構で開発・利⽤されている海洋⼤循環モデル OFES,MRI.COM および COCO の⾼度化のために、結果を相互⽐較することによりそれぞれのモデルの特性を明らかにするとともに、各モデルの改良点を洗い出す。本年度も昨年度に引き続き、九州⼤学応⽤⼒学研究所が得意とする⽇本海などの縁辺海や沿岸域を対象とした⽐較を⾏うことにより、海洋物理研究における活⽤に加え、海洋気象、⽔産、海上交通などの分野での実利⽤にむけた海洋モデルの改良をすすめる。また昨年度の成果を踏まえ、九州⼤学応⽤⼒学研究所で開発・利⽤されている海洋⼤循環モデル RIAMOM と海洋研究開発機構で開発・利⽤されている海洋⼤循環モデル OFES,MRI.COM および COCO のモデル結果に関して、⽇本海をはじめとする⽇本周辺海域における再現性を⽐較することにより、モデルの設定やパラメタ
リゼーションの違いに起因する差異を明らかにする。

8

結果
縁辺海や沿岸域を対象とした数値モデルの⽐較のために、数値モデルの⾼解像度化の取り組みを昨年度に引き続き⾏なった。北太平洋全域を対象とした⾼解像度モデルとしては
1/108 度でカバーした設定で計算することを⽬標としているが、MPI 通信の最適化を⾏い地球シミュレータでも 1/36 度の設定で⼗分に動くことが⽰された。 また、次の 3 つから構成される MRI.COM を⽤いた⽇本沿岸モデル（単⽅向ネスティング）を構築した。
L0: 1/4°x1/6°格⼦全球モデル
L1: 1/12°x1/18°格⼦北⻄太平洋モデル
L2: 1/60°x1/90°格⼦⽇本近海モデル
このモデルを⽤いて FORA-WNP30 の⽔温・塩分を IAU で取り込んだ積分（初期値化）を
1 ヶ⽉⾏い、その後予測 run を 1 ヶ⽉⾏うとともに、L2 の内側にさらに⽇本沿岸全域を含む⽔平約 500m 格⼦(1/180°x1/270°)の L3 モデルも作成した。
RIAMOM と MRI.COM の⽐較に関しては、それぞれのモデルを⽤いて気候変動に伴う⽇
本海の海洋循環の将来予測実験をそれぞれのグループで⾏った結果についての情報交換を⾏った。MRI.COM を⽤いた将来予測計算では異なるシナリオ・外⼒を⽤いたケースを複数⾏なっており、外⼒によってかなり異なる予測結果が得られていた。RIAMOM を⽤いた将来予測は１ケースのみであったが、MRI.COM で得られた結果の⼀つと定性的によく9

似た結果となっていた。このことは気候変動に伴う将来予測実験を複数のシナリオ・外⼒
で⾏うことの重要性を⽰唆するものである。また、それぞれのモデルで得られたプロセスの解析を進めることで、将来変化のメカニズムをより⾼い信頼性で得られることが期待できるとともに、モデルの改良にむけた課題の抽出を⾏うことができると考えられる。

成果報告⻄川 史朗・⽯川 洋⼀（JAMSTEC），若松 剛（NERSC）：⽇本周辺海域の気候変動に関する将来予測.

九州⼤学応⽤⼒学研究所研究集会「⽇本周辺海域における海況のモニタ

リングと波浪計測に関する研究集会」 2018 年 12 ⽉ 13 ⽇.

研究組織
⽯川洋⼀（代表）地球情報基盤センター・グループリーダー

研究のとりまとめ佐々⽊英治

アプリケーションラボ・主任研究員

⼩守信正

アプリケーションラボ・主任技術研究員

小室芳樹

北極環境変動総合研究センター・ユニットリーダー

解析

10

モデル計算および解析
モデル計算および解析
モデル計算および

地球環境力学分野
特定研究1

30特1‑5

粒子追跡モデルを用いた奄美海域産スジアラ卵仔魚の輸送過程と最大着底率の推定

鹿児島大学 理工学域工学系 加古真一郎
1.はじめに

西太平洋から東インド洋の熱帯〜亜熱帯域に棲息するハタ科魚類であるスジアラは、国内外を問わず高級食材として高値で取引されている(宍道,2016)。我が国の南西諸島海域の沿岸漁業者にとっても、本種は最も重要な水産資源の一つである。実際、奄美海域ではこの資源保護のため、過去 20 年以上にわたって、人工種苗生産や稚魚の放流が鹿児島県水産技術開発センターなどによって実施されている。加えて、一部の漁協では、小型魚の漁獲を禁止する漁獲体重制限などの対策にも取り組んでいる。しかしながら、奄美海域におけるスジアラの漁獲量は 1998 年をピークに年々減少し、近年も低位横ばい傾向が続いているため、その資源減少が懸念されている。上記以外の資源保護対策の一つとして産卵期・産卵場の保護が想定されるが、その効
果は一切不明である。そこで本研究は、高解像度の海洋循環モデルと粒子追跡モデルを組み合わせ、奄美海域産スジアラ卵仔魚の輸送過程とその着底率を推定し、資源保護の有効性を検証した。

2. 使用モデル・実験設定

本研究は、奄美群島周辺を対象海域（126˚E-132˚E, 26˚N-30˚N）とし、Kako et al.(2014) と同様の粒子追跡モデルを用いて数値実験を行った。この粒子追跡実験では、主に表層を漂流するスジアラ卵仔魚(Doherty et al., 1994) の輸送過程を推定するため、九州大学応用力学研究所で開発された Dataassimilation Research of the East Asian Marine System Energy (DR_E; Liu et al., 2017) の表層流速場を用いた。両モデルの空間解像度は緯度方向に 1/60°、経度方向に 1/75°、時間解像度は 1 時間である。
スジアラは、5 -7 月における新月の大潮期に産卵し (Ebisawa, 2013)、次の大潮期にその仔魚は稚魚となって着底する (Doherty et al., 1994)。この知見を踏まえて、粒子追跡実験の開始日は 2007 - 2015 年の当該日とし、着底までの期間を 31 日と仮定して計算を行った(全 27 ケース)。スジアラは、サンゴ礁周辺で産卵するので(Samoilys and Squire, 1994)、粒子の初期位置は奄美群島各島の湾口付近などの 27 地点とし、各地点から粒子を 1000 個ずつ放流した。スジアラ仔魚の着底域は、サンゴ礁内側の“ガレ場(死んだサンゴが積み重なった場所)”とされている (Light and Jones, 1997) が、空間解像度が約 1.5km である DR_E では、ガレ場内における卵仔魚の漂流・着底プロセスを詳細に再現することはできない。そこで本研究は、計算
期間の最後の 4 日間に、陸に最も近いモデル格子に一度でも侵入した粒子は、そこで着底する可能性があったとみなし、その粒子数を最大着底率として見積もった。

3. 結果

図には示さないが、31 日後であっても、奄美群島周辺海域には多くの粒子が存在することが実験を通して明らかとなった。これは、奄美大島と喜界島の間に存在する南向流や、黒潮内側域の高気圧性渦によって粒子が海域内に捕捉されることに起因する。モデル海域内の粒子数に経年・季節変化はあるものの、全ての粒子がモデル海域外へと輸送されることはなかった。 図 1 は、奄美群島の各島における仔魚の最大着底率を月ごとに積み上げ棒グラフで表したものである。最大着底率は、2013 年 5 月のように約 50%に達するケースが存在する一方で、2014, 2015 年の 6 月のように数%程度のケースもある。この経年変化の理由を明らかにする

11

ため、最大着底率の偏差がその標準偏差よりも高い年と低い年に分け、各月の流速とその回転場のコンポジット平均を計算し、それぞれの全平均場との比較を行った（図 2）。その結果、流速場が最大着底率の年変動に与える要因が 2 つ存在することがわかった。一つ目は、奄美大島北西側の高気圧性渦の強度である。最大着底率が高いケースでは、奄美大島北西沖の流速が強く(図 2g, 2i)、負の回転成分が大きい(図なし)。これは、黒潮が例年よりも南下することにより(図 2g, 2i: 黒線参照)、この海域周辺の時計回りの渦が強化されることに起因する。そして、この渦に多くの粒子が捕捉されるため、同海域の粒子数は増加する。二つ目は、琉球海流の存在である。最大着底率が低いケースでは、北東向きの流れとして特徴づけられる琉球海流が強いため(図 2e, 2f)、多くの粒子がモデル海域外へと流される。一方、図 2(h)の様に、琉球海流が弱化すると、黒潮内側域の渦の強度に関わらず、粒子の着底率は上昇する。

4. まとめ

本研究は、海洋循環モデルと粒子追跡モデルを組み合わせ、奄美群島周辺海域におけるスジアラ卵仔魚の輸送過程とその稚魚の最大着底率を推定し、資源保護に対する産卵期・産卵場の保護の有効性を調べた。その結果、稚魚の最大着底率は、奄美大島北部の高気圧性渦と琉球海流の強度に起因して数%から 50%程度まで年変動することがわかった。このことから、産卵期の保護の有効性は、年ごとに大きく異なることが示唆されるが、流速場の予測が可能であれば、産卵期の保護のあり方を毎年きめ細やかに検討できる可能性も示さ
れた。

平均場

着底率が高い
ケース
(d)

(a)

(%)

着底率が低いケース(g)(cm/s)(cm/s)

5⽉
5⽉

奄美
喜界
徳之島
沖永良
与論島

6⽉

(b)

(e)

(h)

(c)

(f)

(i)

6⽉

7⽉
7⽉
(年)

図 1.奄美群島の年月別最大着底定率。点線は平均値、実線は平均±標準偏差の値を示す。

図 2.流速の全平均場(左)と流速のコンポジット平均値の全平均値からの差。正の値はコンポジット平均の方が平均値と比べて流速が強いことを示す。黒線は各ケースの黒潮の平均流軸位置を示す。

6. 研究体制

代表者 鹿児島大学理工学域工学系

助教

加古 真一郎

世話人 九州大学応用力学研究所

教授

広瀬 直毅

協力者 九州大学応用力学研究所

学術研究員 高山 勝巳

協力者 鹿児島県水産技術開発センター 研究専門員 宍道 弘敏

12地球環境力学分野
特定研究1

30特1‑6海洋モデルを用いた、淡水供給の富山湾の海洋構造に対する影響の推定
富山県農林水産総合技術センター水産研究所
1.

小塚

晃

目的

富山湾では、定置網漁業を主体とした沿岸漁業生産が盛んである。漁獲物は、秋から冬にかけて日本
海を南下する際に富山湾に来遊する種が多く、漁獲量は魚群の来遊状況と滞留時間による影響を受けていると考えられる。魚群が来遊し湾内に滞留する理由として、南下経路が能登半島によって物理的に遮断されているだけでなく、避寒行動を示す水産生物にとっては水温等の海洋環境も影響していると考えている。
富山県農林水産総合技術センター水産研究所では富山湾とその周辺海域の海洋観測を毎月実施している。この結果から、冬期の湾奥部では、湾口部に比べて約 0.5℃程度温かい暖水域が形成されることがわかっている。この原因として、湾奥部では河川水の影響を受けて海面冷却が遅れるためと考えているが、そのメカニズムは不明である。本研究では、河川水の富山湾に対する影響を調べるために、海洋
同化モデル DREAMS_M において海洋物理環境が再現できているかを確認し、暖水域の形成過程を解
明する。
2.

方法

本研究では、DREAMS_M から日別の水深 1～200 m（17 層）のデータを使用した。
冬期に富山湾奥部に暖水域が形成される様子が再現されているかを確認するために、1992 年から 2017年の 9 月１日～翌年 3 月１日について、月単位の海洋観測結果と DREAMS_M のデータから平均水温場を作成した。
DREAMS_M における湾口部（北緯 37.4 度、東経 137.5 度）と湾奥部（北緯 36.867 度、東経 137.083
度）の 2 地点において水温・塩分の鉛直分布の時間変化を作成した。
3.

結果および考察

実測値と DREAMS_M の平均水温分布から、両者とも 12～3 月にかけて湾口部より湾奥部の方で水温が高くなっていた。水深 100 m における湾口部と湾奥部の水温差は 1 月に最高となり、実測値の水温差は 0.50℃（図 1）、DREAMS_M では 0.71℃であった（図 2）。実測水温の方がやや低めであるが、DREAMS_M で概ね湾奥部に暖水域が形成される様子が再現されていた。
水温・塩分の鉛直分布の時間変化の例として、2016 年 9 月 1 日～2017 年 3 月 1 日の期間の湾口部、湾奥部における DREAMS_M の結果をそれぞれ図 3，4 に示した。等温線が 5℃ごとに太線で描かれており、水深 100 m が 15℃を下回る時期は、湾口部では 12 月中旬（図 3）、湾奥部では 12 月下旬（図 4）で、湾奥部の方が水温の低下が遅くなっていた。また、12 月中旬から 2 月中旬にかけて、湾口部では等温線が垂直であるのに対し、湾奥部では右に凸の曲線を描いている。湾奥部の凸部分には上層部よりも水温が高く、極大となる水塊が存在していることを示している。塩分も合わせて見ると、上層部は低温低塩分からなる低密度水で、その下に高温高塩分の高密度水が存在し、成層を保っていることが分かる。

13

冬期の富山湾奥部に暖水域が形成されるメカニズムは、河川水と海水が混合し低密度水が上層にとどまることによって、高塩分の対馬暖流水の鉛直混合および冷却を遅くする効果があるためと考えられた。
今後、対馬暖流の塩分や、河川流入量などの要素がどの程度、暖水域の形成に影響するのか検討する必要がある。
湾口部代表点
13.8℃

13.6℃

13.0℃
14.0℃

湾奥部代表点

13.8℃

13.8℃

図 1. 観測データを用いた

図 2. DREAMS_M の平均水温分布（1 月 100 m）

平均水温分布（1 月 100 m）

0

0

図中の白丸は観測点を表す
salinity

depth(ｍ)depth(ｍ)salinity

図 4. 湾奥部の水温・塩分の推移

図 3. 湾口部の水温・塩分の推移

4. 発表等実績.
なし
5. 研究組織
研究代表者

富山県農林水産総合技術センター水産研究所

小塚

晃

研究員

所内世話人

九州大学応用力学研究所

広瀬

直毅

教授

研究協力者

九州大学応用力学研究所

千手

智晴

准教授

14

地球環境力学分野
特定研究1

30特1‑7対馬海峡から日本海南西海域にかけての海洋環境モニタリング－数値モデルとの比較データの収集－
長崎大学 大学院 水産・環境科学総合研究科 滝川哲太郎

1. 目的
対馬海峡は東シナ海と日本海をつなぐ唯一の水路であり，対馬暖流は，東シナ海から対馬海峡を経て日本海に流入する。夏季には，対馬暖流は中国大陸の長江起源の淡水を多量に輸送する。対馬海峡は対馬によって韓国側の西水道と日本側の東水道に分かれる。海洋データ同化の手法を用いた数値モデル研
究では，東水道通過流は，山口県萩市沖の見島によって分岐している（広瀬ら, 2009, 海と空）
。本研究では，当海域の数値モデルと比較しうる観測データの収集を目指ざす。

2. 観測
東シナ海から移流されてくる大陸起源の低塩分水を捉えることを念頭に，対馬海峡東水道の離島等における水温・塩分の連続測定を実施した。見島での対馬暖流分枝流の変動を捉えるために，見島とその南側対岸の青海島に水位計を設置し，両島間の水位差を測定した。同海域で，萩－見島間のフェリー「おにようず」（萩海運）を用い，見島から沿岸寄りのフェリー航路上の表層水温を測定した。
数値モデルに同化する観測データを得るために，漁業者が操業中に観測しやすい CTD として
smart-ACT（JFE アドバンテック社製）を開発している。多くの漁業者が観測を行えば，同化モデルにとって，時空間的に密なデータが得られると考えられる。長崎大学水産学部附属練習船「長崎丸」を用い，対馬海峡において，この smart-ACT の動作テストを行った。ここで，長崎丸の CTD（SBE 911plus）とsmart-ACT の同時観測を行った。smart-ACT データは，タブレット端末（またはスマートフォン）のア
プリケーション（いであ株式会社の開発）で収集できる。タブレット端末が一旦インターネットに接続されれば，自動的に陸上研究室から観測データを取得できる。本報告では，長崎丸 CTD と smart-ACTで得られた水温・塩分分布を示す。

3. 結果
2018 年 9 月 15 日における水温と塩分の鉛直断面をそれぞれ図 1 と図 2 に示す。長崎丸 CTD とsmart-ACT の観測結果には，大きな差異はなかった。ただし，smart-ACT の塩分分布は，長崎丸 CTD のそれと比べ，小さいスケールの構造が確認でき，観測ノイズの可能性も残された。
博多－対馬間の東水道中央部の表層は高温の対馬暖流水であった（図 1）。対馬以北の西水道表層は低塩化しており，長江希釈水の影響を受けていると考えられた（図 2）。東水道・西水道ともに，下層（約100 dbar 深）には，低温・高塩分水が分布していた。

謝辞
CTD 観測では，長崎丸の船長をはじめとする乗組員の皆様の協力が不可欠でした。ここに感謝の意を表します。

15

↑
博
多

対
馬

↑
博
多

対
馬

図 1. 対馬海峡横断線における水温の鉛直断面（上図：長崎丸 CTD，下図：smart-ACT）。

↑
博
多

対
馬

↑
博
多

対
馬

図 2. 対馬海峡横断線における塩分の鉛直断面（上図：長崎丸 CTD，下図：smart-ACT）。

研究組織
長崎大学 大学院 水産・環境科学総合研究科

滝川哲太郎（研究代表者）

九州大学 応用力学研究所

千手智晴（所内世話人），広瀬直毅（研究統括者）

福岡県 水産海洋技術センター

森

山口県 水産研究センター

渡辺俊輝，廣畑二郎（研究協力者）

島根県 水産技術センター

金元保之（研究協力者）

愛媛大学 沿岸環境科学研究センター

森本昭彦（研究協力者）

16

慎也，林田宜之（研究協力者）

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑1

全球雲解像モデルを用いた雲エアロゾル相互作用の放射強制力
名古屋大学工学研究科 佐藤陽祐

１、目的
本研究ではエアロゾル輸送モデル（SPRINTARS[1]）と全球雲解像モデル(NICAM[2])を結合した
NICAM-SPRINTARS の全球実験とその結果の解析によって、気候予測の最大の不確定性要素であるエア
ロゾル・雲相互作用の理解の深度化を目指した。従来気候予測に用いられてきた大循環モデル（GCM）はその解像度の粗さから雲を直接計算することができず、エアロゾルが雲に及ぼす影響も直接できないため、エアロゾ
ル・雲相互作用の見積もりには大きな不確実性が伴っている[3]。この不確実性低減に向けて、平成 29 年度より、雲を全球スケールで直接解像することができる全球雲解像モデル NICAM-SPRINTARS の計算を行っている。本年度は平成 29 年度までに終了した計算結果を詳細に解析し、エアロゾル・雲相互作用の不確実性を評価した。
２、数値モデルと解析方法
本年度は平成 29 年度までに計算が終了した NICAM-SPRINTARS [4]の、全球 14km 解像度で１年間の積分の計算結果を解析した。エアロゾル・雲相互作用の指標として、平成 29 年度と同様に、Cloud
Susceptibility （l [5]）を用い、雲頂温度が 273 K よりも高い暖かい雲を対象として解析を行った。本年度はNICAM-SPRINTARS の結果から求めたlと、Nakajima and Schulz(2009) [6]を参考に、2000 年代から様々な方法によって求められているlを比較した。
３、実験結果図 1 は 2000 年代から先行研究によって求められたl（図 1 の上から 3 番目以降）と、本研究で平成 29 年度までに求めた NICAM-SPRINTARS から算出したlの値（図 1 の上から２番目）である。2000 年代前半の研究
では、多くの先行研究がlを正の値と報告している一方、本研究で求められた NICAM-SPRINTARS のlは負の値となっている。近年の衛星観測から得られたl [6]や、また近年報告されている理論的な考察[7]ではlは負の値になるとされており、本研究の結果は近年の報告を支持するものになっている。
しかしながら、衛星観測を用いた最新の結果では、lは 2000 年代に考えられていたよりも 2〜3 倍程度大きな正の値になると報告されており（図 1 の一番上[8]）、lの見積もりの不確かさは大きく、エアロゾル・雲相互作用の不確実性は依然として大きいことが示された。
４、今後の課題
本研究の目的である放射強制力の議論をするにあたっては、本研究で明らかになったエアロゾル・雲相互作用の指標（l）のばらつきの理由を明らかにしなければならない。そのため、本年度は放射強制力の見積もりまで至ることができなかった。このようなlのばらつきの要因は、Rosenfeld et al. (2019) [8]が指摘しているように、図１に提示したそれぞれの文献で報告されているlの求め方が必ずしも一致していないことにも起因している可能性がある。そのため、今後は先行研究で求められたlの算出方法を検証して、同じ条件でlを算出するなどして、lの違いを生む要因を明らかし、その上で、放射強制力の評価を行って行く必要がある。

17

図１： 本研究で求めたl（上から２番目）と、先行研究で求めたlの見積もり。
(Sato and Suzuki, 2019 [9]から引用)
５、研究成果報告
本研究で得られた成果は Science 誌の一般向けの記事（Perspective）として発表された[9]。また Nature
Communication 誌から、成果として発表された（昨年度の報告書作成時には未発表であった）[10]。
参考文献
1.
Takemura T et al., J Geophys Res. 2005;110: D02202. doi:10.1029/2004JD005029
2.
Satoh M et al., Prog Earth Planet Sci. 2014;1: 18. doi:10.1186/s40645-014-0018-1
3.
Stocker TF et al. IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. IPCC.
Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press; 2013.
4.
Suzuki K, Nakajima T, Satoh M, Tomita H, Takemura T, Nakajima TY, et al. Global cloudsystem-resolving simulation of aerosol effect on warm clouds. Geophys Res Lett. 2008;35:
L19817. doi:10.1029/2008GL035449
5.
Ghan S et al., Proc Natl Acad Sci. 2016; 201514036. doi:10.1073/pnas.1514036113
6.
Nakajima T, Schulz M. What do we know about large-scale changes of aerosols, clouds, andthe radiation budget? In: Charlson JH, Robert J, editors. Struüngmann Forum Report:
Clouds in the Perturbed Climate System Their Relationship to Energy Balance, Atmospheric
Dynamics, and Precipitation. Cambridge: MIT Press; 2009. p. 597.
7.
Stevens B., J Clim. 2015;28: 4794–4819. doi:10.1175/JCLI-D-14-00656.1
8.
Rosenfeld D et al., Science. 2019;363: eaav0566. doi:10.1126/science.aav05669.
Sato Y, Suzuki K. Science. 2019;363: 580–581. doi:10.1126/science.aaw3720
10. Sato Y, et al. Nat Commun. 2018;9: 985. doi:10.1038/s41467-018-03379-6

18地球環境力学分野
一般研究

30AO‑2
海底資源探査用グライダー型海中ビークルの開発

九州大学大学院工学研究院 山口
1.

悟

研究の目的

近年，日本近海の海底資源の開発が注目を集め，海底資源の賦存量や賦存場所を把握するための様々な調査方法が提案されている。本研究では，OBEM（Ocean Bottom Electromagnetometer）を用いた調査方法に注目し，グライダー型水中ビークルに OBEM を搭載し，自律的に観測・移動を実施するための観測機材の開発を試みた。本装置の実用化により，OBEM 計測において現在問題となっている船舶による投入・回収・移動のための作業時間およびコストの増大が解消され，OBEM による広範囲，長時間の連続調査が効率的に実施可能になると考えられる。
本年度の研究では，特に潜降・浮上装置の開発とその制御系の設計を実施した。すなわち，水中重量調節装置の開発と特性の把握，これに基づく制御系設計に取り組み，九州大学応用力学研究所における水槽試験等を実施した。開発中の機体の写真を Fig. 1 に示す。
Fig.1 Underwater glider
2.

グライダー型海中ビークルの概要

開発中のグライダー型海中ビークルは装着された翼により滑空することで目的の海底計測点に移動
し，着底後調査を行う。その後，適当な高度まで浮上し，再び次の調査地点へ滑空により移動する。OBEMによる計測を行うため，本機体はセンサー用電極を装着した十字形のアームを有しているが，滑空中の流体抵抗を減少させるために，アームを覆うように翼面を形成している。翼面下には，前後に 2 つの耐圧容器を有し，前方容器には水中重量調節装置，後方容器には運動制御装置（重心移動装置）やセンサ
ー，コンピュータが搭載される。Fig. 2 に機体の内部構造を示す。

Fig. 2 Construction of the vehicle3.

水中重量調節装置の特性調査と運動制御系の開発

これまでの研究で実施された実海域試験結果に基づき運動制御系を設計した。ここでは，制御系を機体に実装するために運動制御用の重心移動装置と水中重量調節装置のハードウェアを開発し，これらの動特性を実験により求め，運動モデルを構築する。Fig. 3 に水中重量調節装置と重心移動装置の写真を示す。また，水中重量調節装置の水槽実験の様子と重量変化の時刻歴を Fig. 4 に示す。図には理論値，空中および水中における実験結果が合わせて示されている。

19

Fig. 3 Buoyancy control and weight shift devices

Volume ()

250
200

Theoretical value

150

In air

100

0.25m

50
0
0

20

40

60

80

100

120

140

160

Time (sec)Fig.4 Experimental results for buoyancy control device-6

Depth (m)調査結果に基づき，着底動作における運動制御系の検討を行った。PID 制御によるシミュレーション結果の一例を Fig.5 に示す。図は上より，着底時の機体位置を示

-8

-10

す軌跡，深度時刻歴およびピッチ角，重心移動装置，前進

26

Depth (m)比は約 1:4 である。図中の 3 種類の結果はそれぞれ，海底からの高度 3m, 4m, 5m で着底用運動制御系を作動さ

38

40

42

3(m)
4(m)
5(m)

10

20

30

40

50

60

70

50

60

70

50

60

70

50

60

70

50

60

70

0
-5
-10
-15
0

10

20

30

40

Weight position (m)Time (sec)
-0.06

-0.08

-0.1
0

10

20

u (m/sec)を確認した。
5.

成果報告

1)

Yamaguchi, S et. al. (2018), “Gliding Performance of an Underwater
Glider for Ocean Floor Resources Exploration”, Proceedings of theTwenty-eighth (2018) International Ocean and Polar Engineering
Conference, 405-409.
Yamaguchi, S (2018), “Landing Point Control of an Underwater
Gliding Vehicle for Ocean Floor Resources Exploration”, The 16th
IAIN World Congress 2018.

30

40

Time (sec)

系により制御することで適切な着底動作が可能となること
0.6
0.4
0.2
0
0

10

20

30

40

Time (sec)0.3

w (m/sec)

2)

36

Time (sec)

海底資源探査用グライダー型水中ビークルの機体開着底時の機体運動を調査し，重心移動装置を PID 制御

34

X (m)

0

Pitch angle (deg)まとめ

実験を実施した。また，数値シミュレーションにより

32

-10

時に前進速度がほぼ 0 となっていることが分かる。

ち，水中重量調節装置の動特性を調査するため，水槽

30-5せた場合の結果であり，4m, 5m で始動した場合には着底発と潜降・浮上用運動制御系の開発を行った。すなわ

280

速度，潜降速度の各時刻歴を示す。本条件における滑空

4.

3(m)
4(m)
5(m)

0.2
0.1
0
0

10

20

30

40

Time (sec)Fig.5 Landing controlled by a PID controller

20地球環境力学分野
一般研究

30AO‑3海洋レーダを用いた日向灘表層流の試験観測
宮崎県水産試験場

渡慶次 力

1．研究の目的
日向灘の流況は，黒潮流軸や黒潮系暖水の接岸に伴って不規則に変動し，流速値 1m / s 以上の速い流れが頻繁にあるため（岡田，2003），漁業者の操業成否や水産資源の卵仔稚魚の輸送・成魚の移動に大きな影響を与えているが，その変動特性に関する知見は極端に不足している。そこで，日向灘における表層流況変動の把握を目的に，海洋レーダによる試験観測を実施している。本報は，両局で取得した流速値の精度を検証した。
2．使用したデータ
短波海洋レーダは，琉球大学工学部所有の 24.5MHz 帯フェーズドアレイアンテナ型で， 2015 年 11月に宮崎港（以下「宮崎局」）に，2017 年 3 月に野島漁港（以下「野島局」）に設置した（図 1）。このうち，2017 年 3 月～2018 年 1 月末までのデータを使用した。短波海洋レーダのシステム構成及びレーダ局並びにデータ処理は既報に準じた（藤井，2001）。解析では，両局のレーダで計測された視線方向
流速を，時刻補正してベクトル合成した，2 時間毎の二次元格子点の表層流を使用した（図 2）。
現場流速は，約 30km 沖合にある表層型浮魚礁うみさち 4 号に設置された日本無線社製 ADCP

図 1 各海洋レーダ局の位置と観測ビーム方向。

図 2 海洋レーダで計測した流速ベクトル(2017/10/5 18:00)。
★は表層型浮魚礁うみさち 4 号の位置を示す。

●は表層型浮魚礁うみさち 4 号の位置を示す。

(NJC-30C-10, 240kHz )による 10m 深の流速値を使用した（以下「4 号流速」）。両流速の比較では，うみさち 4 号に最も近い観測セルのレーダ流速と，レーダ照射方向の 4 号流速成分を用い，両データが取得されていた約 7 ヶ月間で解析した。
3．結果
移動平均時間に対するレーダ流速と 4 号流速の相関係数を比較すると(図 3，左図)，どの移動平均時間に対しても東西流速は南北流速より高い相関係数であった。各成分を詳細に見ると，東西方向は移動

21平均時間によらず相関係数 0.8 以上と高いが，南北成分は移動平均が 24 時間前後の約 0.7 を境に，24
時間未満で低く，それ以上で高くなっている。これらを反映して，1 日平均したレーダ流速と 4 号流速の相関係数は，東西流速で 0.92 と高く(図 3，中図)，南北成分が 0.62 と低い(図 3，右図)。両レーダの視線方向流速を合成した流速ベクトルの精度は，両レーダのビーム交差角が 90°の時に最も高精度となり，それより小さい角度になるにつれて精度が低下することが知られている。両局のビーム方向は主に東西方向に向いていため，レーダ流速と 4 号流速の東西成分の相関係数は高いが，ビーム方向と直角して交差角 28.4 と低い南北成分の相関係数は低くなったと考えられる。以上のことから，海洋レーダによる流速ベクトルデータを使用する際の留意点として，流速ベクトルの南北成分は東西方向に比べて低精度であることに加えて，高精度となる 1 日平均値を使用したほうがよいと考えられる(図 4)。今後は，
1 日平均の流速値を解析して，日向灘の表層流動場の時空間変動特性を明らかにしていきたい。

-40

120

120

100

100

80

80

60

60

40

40

20

20

0
-20 0
-20

20

40

60

80

100 120y = 0.80x + 3.80
R = 0.92

-40

-40

0
-20 0
-20
-40

20

40

60 80 100 120
y = 0.89x + 19.77
R = 0.62

図 3 レーダ流速と 4 号流速の移動平均時間に対する相関係数(左図)，1 日平均のレーダ流速と 4 号流速の東方成分(中図)と北方成分の散布図(右図)

図 4 4 号近傍における HF レーダによる日平均流速ベクトルの時系列

4．論文等 なし
5．研究組織代表者 宮崎県水産試験場

主任技師

渡慶次 力

世話人 九州大学応用力学研究所

教授

広瀬 直毅

協力者 九州大学応用力学研究所

准教授

千手 智晴

協力者 九州大学応用力学研究所

研究員

高山 勝巳

協力者 琉球大学工学部

教授

藤井 智史

協力者 琉球大学工学部

修士 1 年生

池原 日向

22

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑4ハイブリッド式自律型海中ロボットの運動性能評価に関する開発
大阪府立大学・大学院工学研究科 有馬 正和□研究目的
本研究の目的は，海洋環境生態系のモニタリングを行うためのハイブリッド式
自律型海中ロボット（HAUV : Hybrid-type
Autonomous

Underwater

Vehicle ）KAUBE-1500 の運動性能を明らかにすることである。この機体は，小型高圧海水ポンプを用いた浮力調整装置と重心移動装置，４基の水中スラスターを装備し，水中
グライダーとしての推進性能と通常の AUVとしての運動性能を持ち合わせている。

Fig.1 ハイブリッド式自律型海中ロボット
KAUBE-1500

また，浮力調整装置と重心移動装置を適切に制御することによって，鉛直姿勢での潜入および浮上を実現することができる。
グライディングから水中（海底）での水平移動への遷移および鉛直姿勢への円滑な運動を実現するためには高度な自律性が求められるので，その自律制御システムを確立する
ためには，深海水槽における多岐に亘る基礎データの収集・解析が必要不可欠である。研究代表者らの所属する大阪府立大学の船舶試験水槽（長さ×幅×深さ：70m×3m×1.5m）は，
海中ロボットの性能評価を行うには幅と水深が不十分であり，九州大学・応用力学研究所の深海機器力学実験水槽（長さ×幅×深さ：65m×5m×7m）を使用させていただくことが本研究の進展に最も有効であると判断した。また，貴研究所・海洋大気力学部門・海洋流体
工学分野は，海中ビークルの運動制御に関する研究において極めて優れた実績があり，
中村昌彦准教授との技術交流や情報交換によって自律型海中ロボットに係る研究の飛躍的な進展が図れると期待した。
□研究の成果本研究では，九州大学応用力学研究所の深海機器力学実験水槽においてハイブリッド式
自律型海中ロボット KAUBE-1500 の水槽試験を実施し，その潜航性能を明らかにすることができた。KAUBE-1500 の仕様を Table 1 に，水槽試験の様子を Fig.2 に示す。水槽試験
では，遠隔操縦によって浮力調整装置および重心移動装置を制御して機体の姿勢を変化させて垂直の潜入と浮上を実現できることを確認した。また，水中スラスターを駆動させて円滑な姿勢変化ができることを確かめることができ，本機体が所期の目的を果たすことのできる潜航性能を備えていることが明らかとなった。この水槽試験を経て，12 月初旬に鹿児島湾において実海域試験を実施することができたことを附記する。

23

Table 1

Specifications of KAUBE-1500.

Length2.650 mBreadth (wing span)

1.560 mHeight (including upper rudder)

1.060 mDiameter of fuselage

0.262 mMassabt. 232 kg

Volume of ballast tank10.0 ℓCruising speed

0.17 m/s

Maximum operational depth

1,500 mFig.2 ハイブリッド式自律型海中ロボット KAUBE-1500 の潜航試験の様子（右より，潜入時・水平潜航・浮上時）

□研究組織
氏

名

有馬 正和

所

属

大阪府立大学・
大学院工学研究科

職 名
教授

役割・担当分野
代表者・総括，システム計画

永光産業（株）代表取締役社長

大阪府立大学大学院

社会人ドクター

村山 豊

永光産業（株）

技術部

実験補助

山下 清司

神戸市産業振興財団

顧問

水槽試験の助言中村 昌彦

九州大学・応用力学研
准教授
究所

太田 稔宏

実験の解析・評価

所内世話人□研究成果の報告について
共同研究先との協議により，現在，知的財産権の関係で公表を見合わせています。

24

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑5海洋環境シミュレーション水槽とループ法を使用した吹送距離延長法の確立
兵庫県立大学大学院工学研究科機械工学専攻

高垣直尚

・要旨
海洋や河川上で風シアが生成要因となって発生する風波の発達は，大気海洋間の運動量・熱・物質輸送に影響を及ぼすことから，この各種の輸送量を計測し正確にモデル化するためには，外乱を除去可能な
風波水槽を使用することが重要である．今年度は，共同利用施設である九州大学応用力学研究所の風波水槽を使用して，（１）風波の発達区間に関する解析，（２）高風速対応水槽への改修工事および準備実験，を行った．その結果，（１）の解析および（２）の改修工事等を予定通り実施することが出来た．
・序論
海洋や河川上で風シアが生成要因となって発生する風波の発達は，大気海洋間の運動量・熱・物質輸送に影響を及ぼすことから，この各種の輸送量を計測し正確にモデル化するためには，外乱を除去可能な
風波水槽を使用することが重要である．しかし，風波水槽では，水槽長さの 100 m 程度までしか風波を発達させることは出来ず，実際の海洋での風波（30 km 程度発達し続ける）を，現在の風波水槽で生成することは不可能である．そこで本研究では，九州大学応用力学研究所の海洋シミュレータ水槽を使用して，波の持つ性質を示す統計量が同じ波を風波水槽入口から何度も送ることで長い吹送距離で発生する波を再現する，いわゆるループ法の確立を目的とする．今年度は，風波の発達区間，いわゆる吹送距離，に関する解析および高風速対応水槽への改修工事および準備実験を行った．そこで，以下では高風速対応水槽への改修工事の内容・結果について報告する．
・実験方法および実験結果
昨年度までの大型風波水槽を用いた実験では，高風速時にテストセクション末端部で砕波が水槽外部に漏れ出すことや，天板が強風により吹き飛んでいくといった問題があったために，高風速下での風波実験が不可能であった．今年度は上記の問題点を解決すべく対策として，液滴除去装置の設置および風波水槽上部の天板強化を行った．同時に，より高風速を実現するため，ファン回転効率を上げるためのグ
リス注入および整流胴のメッシュ除去も行った．その結果，海水面上高さ風速であるU10が33.6 m/s以上の高風速を実現可能となり，九州大学の大型風波水槽において，台風シミュレーション水槽を作製することに成功した．

・成果報告（論文、学会発表リスト等）
1.

Takagaki, N., K. Takane, H. Kumamaru, N. Suzuki, and S. Komori (2018), Laboratory measurements of an
equilibrium-range constant for wind waves at extremely high wind speeds, Dynamics of Atmospheres andOceans, 84, 22-32, doi:10.1016/j.dynatmoce.2018.08.003.

2.

高垣直尚，高根慧太，高畑俊作，岩野耕治，鈴木直弥，小森 悟，強風速下における抗力係数と風波25スペクトルの評価，日本流体力学会
3.

年会 2018，大阪大学

豊中キャンパス，2018 年 9 月 2～6 日

磯川橘花，高根慧太，高垣直尚，高風速時の気液界面を通しての運動量輸送量の測定，日本機械学会
関西支部学生発表会，立命館大学，2019 年 3 月 10 日

・研究組織
研究代表者：高垣直尚
研究協力者：高根慧太
研究協力者：髙畑俊作
研究協力者：磯川橘花

Fig. 1： Schematic of droplet removal system.

Fig. 2：Relationship between rotation speed N and wind speed at 10 m height U10.

26

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑6
衛星・地上ライダ／レーダ解析のための粒子散乱アルゴリズム開発

気象研究所 気象衛星・観測システム研究部 石元裕史
・要旨および序論
氷雲の生成や雲微物理特性を明らかにするには、雲粒子の形状等による光学特性の違いに敏感なライ
ダ/レーダ観測を地上と衛星の両面から行い複合的に解析する事が有効である。本課題では九大応力研
大気物理研究室が主体となって開発している多重散乱ライダ及び、衛星ライダ／レーダの解析に適用可
能な多重散乱物理過程モデルの検証等のための技術支援を行った。また気象研究所で開発した氷晶モデ
ル及び散乱特性計算手法により、大気物理研究室で開発しているレーダ・ライダ複合解析による氷雲解
析アルゴリズムの基礎部分である散乱理論計算データの拡充を図った。
・研究方法
ライダ多重散乱計算では、これまでに開発した Backward Monte Carlo 法による多重散乱コードに加え、計算効率と汎用性をより高め Forward Monte Carlo 型に改良したものを開発する。氷晶散乱特性については、粒子形状や大気中での配向の設定、散乱計算手法を精査し、散乱特性計算を実施する。
・研究結果
衛星・地上ライダの観測条件で、開発したモンテカルロ法を用いたライダ多重散乱コードと国際的に開発されている複数のモンテカルロ手法との相互比較を行った結果、計算結果に良い整合性が得られた[1]。また、本課題の世話人である大気物理研究室 佐藤助教が開発したベクトル型のライダ多重散乱物
理過程モデル[1][15]では、モンテカルロ手法に対して良い精度で初めて高速に衛星ライダの偏光成分を取り扱うことが可能となった([9]-[11])。これらの研究成果は国際学術誌 Optics Express においてEditor’s Pick に選出された[1]。
氷晶のライダ後方散乱特性については、これまでの研究により気象研で開発した改良型幾何光学近似
法 （ Geometrical Optics-Integral Equation: GOIE ） と 、 Borovoi 教 授 (V.E.Zuev Institute ofAtmospheric Optics)による Physical-Optics approximation (PO)法がほぼ同じ後方散乱特性を算出できることが明らかとなった。これを受けて、PO 法での計算が困難であり、また HIMAWARI8 号データ解析にも用いられている複雑形状粒子のモデルであるボロノイ型凝集体氷晶モデル[3][5]について、GOIE 法によるライダ 3 波長での後方散乱特性の計算を実施し、その結果をライダ解析アルゴリズムの基本デー
タとして提供した[14]。
ライダ/レーダによる大気観測の今後の発展を見据え、内部混合を考慮したエアロゾル形状モデル[2]や、X 線マイクロ CT による積雪断面画像の解析から開発した雪粒子モデル[6][16]、また雪粒子の融解を考慮した 2 成分系粒子の可視からマイクロ波における散乱計算手法の開発を行った[7][8]。これら粒子モデルのライダ/レーダ散乱特性を計算してデータベースに加えることにより、より高度な解析アル
ゴリズム開発の実現が期待される。
・成果報告
査読付き学術論文[1] Sato, K., H. Okamoto, H. Ishimoto, 2019: Modeling the depolarization of space-borne lidar signals.
Optics Express, 27, A117-A132.
[2] Ishimoto, H., R. Kudo, and K. Adachi, 2019: A shape model of internally mixed soot particles derived

27

from artificial surface tension. Atmospheric Measurement Techniques, 12, 107-118.
[3] Letu, H., T. M. Nagao, T. Y. Nakajima J. Riedi, H. Ishimoto, A. J. Baran, H. Shang, M. Sekiguchi, andM. Kikuchi, 2018: Ice cloud properties from Himawari-8/AHI next-generation geostationary satellite:
Capability of the AHI to monitor the DC cloud generation process. IEEE Transactions: Geoscience andRemote Sensing, 1-11.
[4] Hara, Y., T. Nishizawa, N. Sugimoto, K. Osada, K. Yumimoto, I. Uno, R. Kudo and H. Ishimoto, 2018:Retrieval of Aerosol Components Using Multi-Wavelength Mie-Raman Lidar and Comparison with
Ground Aerosol Sampling. Remote Sensing, 10, 937.
学会発表（主著）[5] Ishimoto, H., K. Masuda, Development of particle optical models for satellite remote sensing, CARE2018, 2018 年 8 月, 中国, 北京[6] Ishimoto, H., T. Tanikawa, S. Adachi, and K. Masuda, Shapes and Light Scattering Properties of Snow
Particles Estimated from X-ray Micro-CT Imagery and Geometrical Optics Method Calculations,
PIERS2018 Toyama, 2018 年 8 月, 富山県富山市[7] 石元裕史、増田一彦、谷川朋範, 近赤外波長でのぬれ雪粒子の光散乱計算, 日本気象学会 2018 年度秋季大会, 2018 年 10 月, 宮城県仙台市[8]石元裕史, 足立アホロ, 安達聖, レーダー反射特性解析のための融解雪片モデルの開発, 日本気象学会
2018 年度春季大会, 2018 年 5 月, 茨城県つくば市
学会発表（共著）[9] Sato, K., H. Okamoto, H. Ishimoto, Development and Application of a physical model-based active
sensor retrieval scheme, JpGU Meeting, 2018 年 5 月[10] Sato, K., H. Okamoto, H. Ishimoto, Physical model approach (PM) for the analysis of active sensor
systems, 19th Coherent Laser Radar Conference, 2018 年 6 月[11] Sato, K., H. Okamoto, H. Ishimoto, S. Katagiri, EarthCARE L2 cloud/precipitation algorithms, 7thInternational EarthCARE Science Workshop & 1st ESA EarthCARE Validation Workshop, 2018 年 6 月[12] Okamoto H., K. Sato, H. Ishimoto, S. Katagiri, Analysis of cloud and precipitation microphysics:
From A-train to EarthCARE, JpGU Meeting, 2018 年 5 月[13] Okamoto H., K. Sato, S. Katagiri, E. Oikawa, H. Ishimoto, Observations of cloud- and precipitationmicrophysics and vertical motion, 7th International EarthCARE Science Workshop & 1st ESA
EarthCARE Validation Workshop, 2018 年 6 月[14] 岡本創,佐藤可織,及川栄治,月原健太郎,長谷川奏一,石元裕史,菊池麻紀,CloudSat-CALIPSO, Aeolus,
EarthCARE と GPM による雲・降水解析,日本気象学会 2018 年度秋季大会,2018 年 11 月
参考文献[15] Sato, K., H. Okamoto, H. Ishimoto, 2018: Physical model for multiple scattered space-borne lidar
returns from clouds. Optics Express, 26, a301-a309.
[16] Ishimoto H., S. Adachi, S. Yamaguchi, T. Tanikawa, T. Aoki, and K. Masuda, 2018: Snow particles
extracted from x-ray computed microtomography imagery and their single-scattering properties.
Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 209, 113-128.

・研究組織
研究代表者 気象研究所 石元裕史
研究協力者 九州大学応用力学研究所 佐藤可織
研究協力者 九州大学応用力学研究所 岡本 創

28

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑7

CloudSat/CALIPSO プロダクトを用いた
氷雲の地理分布とその気象要素との関係
長崎大学大学院水産・環境科学総合研究科 河本和明
東京大学 大気海洋研究所 山内晃
九州大学 応用力学研究所 岡本創・要旨
九 州 大 学 で 作 成 さ れ た CloudSat/CALIPSO 併 用 デ ー タ を 使 用 し ， ユ ー ラ シ ア 大 陸 東 部(40-80N°,60-120E°)とユーラシア大陸西部(40-80N°,0-60E°)の雲特性の季節変動について明らかにした。ユーラシア大陸の全天雲量は冬季に明瞭な差が発生し,ユーラシア西部で雲量が大きくなる。
また,冬季(DJF)の雲頂温度-40℃以上の雲内部の雲温度-25～0℃域における雲の氷相割合に違いがあり，
ユーラシア大陸東部ではユーラシア大陸西部に比べ，氷相割合が多く，水相割合は少ないことを明らかにした。これらの雲層内熱力学的相割合の東西差は季節変動があり,夏季(JJA)で最小,冬季で最大になることを明らかにした。このことは，冬季のユーラシア大陸東部では,ユーラシア大陸西部に比べて，氷相の形成が促進している可能性を示唆している。
・序論
雲や降水は、地球のエネルギー収支や水循環を通して、気候の変動・維持に大きな影響を与えている。
広域的な雲の分布を観測する手段として人工衛星のデータが広く利用されてきたが、2006 年に能動型センサーを搭載した CloudSat や CALIPSO が打ち上げられたことによって、雲内部の鉛直方向の情報が得られるようになった。Oreopoulos et al. (2017)では, 雲の鉛直分布の違いによって大気の放射特性が大きく変化することを指摘している。Yamauchi et al. (2018)では, 2007 年 1 月を北半球冬季の代表例
として,ユーラシア大陸東西間の雲層内熱力的相割合に大きな違いがあることを明らかにしたが,本研究では季節変動に着目し,ユーラシア大陸東西間の比較を行った。
・実験方法
雲粒子相判別(KU-type)は Yoshida et al. (2010)が開発した CALIPSO 衛星に搭載されている能動型センサーCALIOP から得られる、後方散乱係数と偏光解消度を使用した相判別手法が用いられている。また、氷相は雲粒子判別が水平状氷粒子(2D-plate)、三次元ランダム配向氷粒子(3D-ice)、3D と 2D の混合層
(mixture of 2D-plate and 3D-ice)の場合と定義し、水相は 0℃以上の水粒子(warm water)、過冷却水
粒 子 (supercooled water) の 場 合 と 定 義 し た 。 雲 量 は Hagihara et al. (2010) が 開 発 し た
CloudSat/CALIPSO 併 用 雲 マ ス ク (KU-mask) を 使 用 し た 。 雲 内 部 の 鉛 直 気 温 デ ー タ は CloudSat のECMWF-AUX プロダクト(Partain 2007)を使用した。
雲層内の氷相割合（Fice）と水相割合（Fwater）は以下のように定義し、Fice = Nice / ( Nice + Nwater )(1)
Fwater = Nwater / ( Nice + Nwater ) (2)
ここで、Nice は雲層内で検出した氷相雲層数を示し、Nwate 水相雲層数を示す。ただし、光学的厚い雲が発生している場合、雲層内でライダーシグナルが減衰して検出できなくなってしまうため、雲頂から光学的厚さが 7 程度までの雲を対象としている。
・結果と考察図 1 はユーラシア大陸東部（赤色）とユーラシア大陸西部（青色）での各月毎の全天雲量と雲層内氷相発生割合を示している。ユーラシア大陸西部の雲量は夏季で最小になり,冬季に最大になる。ユーラ
シア大陸西部の雲量は夏季と冬季では約 30%異なることを示している。一方で,ユーラシア大陸東部の雲量は 60-70%と年間を通して大きく変化しない。これらの雲量は 4 月と 10 月付近で逆転することを示し

29

(a)

Fraction of ice cloud layerている。また,雲層内氷相割合は 4 月から 9 月では 5%程度の違いしか発生しないが、10 月から 2 月では最大で 20%程度ユーラシア大陸東部で大きくなっている。氷相発生割合の違いはユーラシア大陸西部で雲量が大きくなる季節とよく対応しており,雲量を含む気象場の違いが氷相発生割合を変化させていることが示唆される。今後はユーラシア大陸間の気象場や,氷晶核となるエアロゾル特性の違いにも着目し,氷相発生割合に変化を与える原因について解明を行う予定である。
本研究の結果は,数値モデル出力結果の検証に有用であり,数値モデル内で扱われている雲層内氷相割合の見直しに貢献することができると考える。

(b)

Month

図１.各月毎の(a)ユーラシア大陸東部(赤色)とユーラシア大陸西部(青色)における全天雲量, (b)雲層
内氷相発生割合,黒色実線は氷相割合の差を示す(ユーラシア大陸東部-西部)。

・成果報告
学会発表リスト
Asia Oceania Geosciences Society (アジア-オセアニア地球科学連合)
Contrast of the Ice Cloud Fraction Between Eastern and Western Eurasia Using Calipso Data in WinterTime,
K. Kawamoto and Yamauchi, A.,
2018. June, 5, Honolulu, HI, USA (招待講演)

American Meteorological Society radiation cloud physics meeting（米国気象学会 放射と雲物理会合）
Distinction of the Winter-Time Ice Cloud Fractions between Eastern and Western Eurasia Viewed fromCALIPSO,
K. Kawamoto and Yamauchi, A.,
2018. July, 11, Vancouver, Canada（ポスター発表）
Photonics & Electromagnetics Research Symposium（光工学と電磁気学の研究シンポジウム）
Examining the contrast in the ice cloud fractions between eastern and western Eurasia in winter with CALIPSO data,
K. Kawamoto and Yamauchi, A.,
2018. August, 2, Toyama（口頭発表）30

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑8

衛星搭載雲レーダと降雨レーダによる降水量抽出のためのアルゴリズム開発
研究代表者： 情報通信研究機構 特別招へい研究員 井口俊夫

要旨： 全球降水観測計画（GPM 計画）の主衛星に搭載されている二周波降水レーダ(DPR)のデータ処理
アルゴリズムでは二周波での降水からのレーダエコーを用いて固体降水と液体降水の判別を可能とする
アルゴリズムの開発を行っている。典型的な場合については良好に判別できるアルゴリズムが開発されている。この共同研究では岡本教授らが携わっている雲レーダとライダーによる観測データに、DPR で用いられているのと同様の手法が適用可能性を吟味し、可能ならばどのような場合にどの程度可能かを検討した。また、DPR では用いられていないドップラー情報など他の情報の利用可能性についても検討した。今年度は特に、DPR で観測された強い固体降水の全球での分布と CloudSat 搭載の雲レーダ(CPR)のデータを用いて岡本教授らが推定した降雪粒子の分布を比較し、比較的良くあっていることを確認した。
序論： 全球降水観測計画（GPM 計画）の主衛星に搭載されている二周波降水レーダ（DPR）の大きな課題の一つは二周波のレーダ反射因子の情報を用いて雪、霰、雹などの固体降水の世界的な分布を捉えることである。そのため、この共同研究の研究代表者は固体降水と液体降水の判別を可能とするアルゴ
リズムの開発を行ってきた。他方、共同研究者である九州大学応用力学研究所の岡本創教授らはCloudSat 衛星搭載の雲レーダ(CPR)のデータから降雪の分布を推定するアルゴリズムを開発してきている。これらのアルゴリズムはどちらも開発途上であり、不確定要素を多く含んでいて、今後の改良が期待されている。この共同研究では、両者による固体降水の分布を比較し、それの結果を吟味することにより、それぞれのアルゴリズムの改良を目指す。
また、降雨に関しては、DPR では降雨強度を正確に推定可能であるが、雲レーダでは減衰や雪による散乱の影響が大きく、正確な推定が困難である。研究代表者は DPR のアルゴリズム開発に長年携わっており、その中で用いられている減衰補正方法などが CPR のデータを用いた降雨強度推定に利用可能かを
CPR データの扱いに詳しい岡本教授らと議論し、その可能性を検討することもこの共同研究の課題である。
方法： CloudSat の雲レーダ(CPR)による降雪推定では、レーダのデータのみを用いた推定方法(C1)と、それにライダーの情報を加えた推定方法(C4)の二つを開発し、両者の比較を行った。C1 では基本的に気温のデータを用いて雲粒子の種類を判別しているが、C4 ではライダーによる後方散乱の情報を用いてその判別をしている。DPR による固体降水の推定は、二周波での見かけ上の反射因子の違いを基にした判別方法であり、DPR の検出感度の関係から、強い固体降水しか検出できない。したがって、絶対量の分布の比較はできないが、全球での相対的な分布を比較することは可能であるので、その分布を CPR を用いた降雪分布を比較した。
結果： GPM/DPR と CloudSat/CPR のそれぞれを用いて季節別に推定した地表面に到達している降雪分
布を比較したところ、両者の分布パターンは良く似ていることがわかった。特に、北半球の冬季（12 月、

31

1 月、2 月）の分布図で北大西洋のグリーンランド付近で他の地域に比べてはるかに多くの頻度で降雪か観測されている点などでよくあっていた。CPR を用いた降雪の分布推定は米国の他の研究者なども行っているが、彼らが出した降雪分布よりも、岡本教授らのグループが出した降雪分布のほうが、DPR の強い固体降水の分布とよく合っていた。
熱帯の海上における上空の降雪分布に関しては、CPR による推定頻度のほうが DPR によるものより相対的な分布頻度が多くなっていた。
CPR の場合、固体相と液体相が混ざった霙を雪と分離して推定することが可能である。霙の相対的な頻度分布が雪の頻度より高緯度地域では大きいことがわかった。この情報は DPR による固体層と液体層の境界高度を推定するアルゴリズムの開発に役立つものと思われる。
考察： CPR は DPR よりはるかに雪に対する感度が良く、降雪の検出に関しては、ほとんどすべて検出可能である。ただし、多重散乱や減衰の影響で降雨システムの背が高い場合などその下部での降雪の定量的な推定に関しては困難な点がある。他方、DPR では弱い降雪は検出されない。今回比較に使った DPRの指標は、特に強い固体降水（雹、霰および大きな雪粒子）の分布である。全固体降水の中で、DPR により検出可能な強い固体降水（雹、霰および大きな雪粒子）の占める割合は、各降水システムや地域、季節などにより違っていると思われるから、DPR と CPR による相対的な固体降水の頻度分布の比較は、必ずしも同じ基準での比較とはいえないが、今回の比較により全固体降水の頻度と強い固体降水の頻度の割合が地域的にも季節的にも極端に違っていることはないということが推定される。同時に、DPR による強い固体降水の検出アルゴリズムの妥当性がある程度確認されたことになる。また、雹や霰などの大きな粒子に対しては、CPR のデータは多重散乱や減衰の問題だけでなく反射強度そのものに飽和する傾向があり、データの扱いが難しい。DPR のデータとの比較によりどのような対処が可能か検討する価値がある。これは残された課題である。
論文と学会発表のリスト
H. Okamoto, K. Sato, S. Ishii, Y. Ohno, H. Horie, T. Nishizawa, M. Kikuchi, Y. Sakai, T.
Iguchi, N. Takahashi, and E. Oikawa, 2018: “Cloud and precipitation microphysics from A-Trainand EarthCARE,” SPIE, Asia-Pacific Remote Sensing 2018, Hilton Hawaiian Village, Honolulu,
Hawaii, 24 September 2018.
T. Iguchi, R. Oki, and N. Kawamoto, 2018: “GPM’s Dual-frequency Precipitation Radar (DPR)
algorithm and measurement of ice precipitation,” European Conference on Radar in Hydrology
and Meteorology (ERAD) 2018, Ede, Netherlands, 2-6 July 2018.
T. Iguchi, K. Kanemaru, and A. Hamada, 2018: “Possible improvement of the GPM’s Dualfrequency Precipitation Radar (DPR) algorithm,” SPIE, Asia-Pacific Remote Sensing 2018,
Honolulu, Hawaii, 27 September 2018.

32

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑9能登半島周辺海域における流況と漁況の関係性
石川県水産総合センター 原田浩太朗
目的
能登半島周辺海域, 特に富山湾沿岸はブリをはじめとする多くの回遊性魚種が来遊することから, 全
国有数の定置網漁場となっている. これら水産資源の漁況を判断するためには, 本海域の海況変動機構の理解が重要である. また, 特に定置網等の沿岸漁業において, 流況は海況と密接に関係していると考えられ, 基本的な漁況の変動についてよく理解することは, 流況と漁況の関係性を考える上で必要不可欠である.
そこで今年度は, 定置網の漁況に注目し, その長期的な変動について解析を行った. 特に, 多変量解析手法を用いることで, 各魚種の個別の変動だけでなく, 魚類相全体としての漁況の変動について整理することを目
的とした.

方法
長期的な漁獲データとして, 北陸農政局発行『石川県農林水産統計年報』より, 1970 年から 2014 年までの定置網による海面漁業生産量データを用いた. 上記の期間にわたって漁獲データの存在した魚種のうち, 11 魚種 (まぐろ類, まいわし, うるめいわし, かたくちいわし, あじ類, さば類, ぶり類, たら, まだい, すずき, するめいか)の漁獲量 (重量, 単位: t)を, log (x+1)の形に対数変換して利用した.
上記の漁獲データについて主成分分析を行い, 魚類相の変動の主成分を抽出した. 続いて, 主成分分析で得られた, 上位主成分の各年の主成分得点を応答変数とし, 環境変数を説明変数とした重回帰モデ
ルを作成することで, 魚類相の変動に影響する環境要因の検討を行った. 重回帰モデルについては, AIS
によるモデル選択を行った. 使用した環境変数は, 下段の通りである.
環境要因データ: 石川県調査船白山丸による海洋観測データ (沿岸の観測点における 0 m 深, 50 m 深の年平均水温), 気象庁が HP*上で公開している日本海・東シナ海・北太平洋の海面水温データ, 太平洋
十年規模振動指数 (PDOI: Pacific Decadal Oscillation Index), アリューシャン低気圧指数 (NPI: North
Pacific Index), 南方振動指数 (SOI: Southern Oscillation Index)を用いた. なお, 本解析では上記環境要因
データについて, 全て年平均値を用いた. 環境要因データについては, 標準化を行ったうえで下記の統計解析に利用した.
結果
第四主成分までの累積寄与率が 76%と高かったため, 解析には第一～第四主成分までを利用した.
第一主成分に対してはまいわし, たら等の比較的冷水系の魚種が正の値を示し, ぶり, するめいか等の暖水系の魚種が負の値を示した. また, 第一主成分および第二主成分の主成分得点を散布図にしたのが
図 1 であり, 第一～第四主成分の各時系列主成分得点を示したのが図 2 である. 重回帰分析結果は表 1の通りとなった. 第三主成分以外に対しては, 5%水準で有意な変数が採択された.

*

気象庁 HP (http://www.jma.go.jp)

33

考察
主成分分析の結果から, 第一主成分については水温の変動が大きいことが示唆された. しかし, 第二～四主成分に対しては, 魚種ごとの主成分負荷量の共通性等については読み取ることができなかった.
重回帰分析では, 石川県周辺の海水温の影響は第四主成分の説明変数として採択されたが, 相対的に他海域の水温よりも影響が小さいという結果が得られた. 特に第一～第二主成分は長期的な変動が大きい(図 2)ことから, 長期的な魚類相の変動に対しては, 比較的長周期な資源量の変動等の影響が大きく評価されていると考えられる. しかし, 第四主成分に石川県沿岸水温が採択されたことからも, 短期的な漁況に対しては, より漁場近くの海況の影響が大きいことも推察される. 今後は, 能登半島沿岸流況の変動のほか, 対馬海峡等のより上流の海況と漁況の関係についても検討を加えていきたい.
44(a) PC1

0
2

1970
1971

1973
1972
1974

-4
4

1977
1975 1976
1979

1994

1980
1982

1983

1984

1981

1991 1985
1990 1987

1992(b) PC2

1978

主成分得点

0

2007
2011 2012
2008
2004
2013
2006 2001 2000 20052009 20101996 1995
2002 1999
1998
1997
2003
1993

-2

1986

0
-4
4

(c) PC301989 1988

-4

-4
4
-4

-2

0

第一主成分得点2

40

図 1 主成分分析結果散布図-4

図 2 第一～四主成分得点時系列図

表 1 重回帰分析結果

PC1
PC2
PC3
PC4

(d) PC4

1970年
1972年
1974年
1976年
1978年
1980年
1982年
1984年
1986年
1988年
1990年
1992年
1994年
1996年
1998年
2000年
2002年
2004年
2006年
2008年
2010年
2012年
2014年

第二主成分得点

2014

ECSS

NP

+***
+
-

+***
+

説明変数
ISK 0 m
-

+*

+**

PDOI
+
+***
-

R2

SOI
+
-

AIC
0.61
0.27
0.03
0.15

154.6
150.0
142.3
126.3

モデル選択に利用した変数のうち, いずれかの主成分の説明変数として採択されたものを示した. 略語はそれぞれ以下の通りである.
ECSS: 東シナ海南部水温, NP: 北太平洋水温, ISK 0 m: 石川県沿岸 0 m 深水温採択されたものは”+”, 採択されなかったものは”-“で示しており, 添字は次の通り有意確率を表す.
***: p <0.001, **: 0.001< p <0.01, *: 0.01< p <0.05

研究組織
石川県水産総合センター 原田 浩太朗 ：研究代表者
大慶 則之：研究協力者

九州大学応用力学研究所 千手 智晴：所内世話人広瀬 直毅：研究協力者34

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑10東シナ海陸棚－黒潮間混合域における物質輸送過程理解のための国際共同研究体制の構築
富山大学 大学院理工学研究部 張 勁
Establishment of international cooperative research groupto understand the material transport between the boundary area of
the East China Sea shelf region and Kuroshio
1. International cooperative research framework establishment
Research activities are categorized into five groups, considering the locations of
the marginal seas, that is, Okhotsk Sea (OS), Marginal Seas surrounding Japan, Korea
and Russia (MSJKR), East China Sea (ECS), South China Sea (SCS) and material
exchange and transport with the Kuroshio, eddies and mixing (ETK), during the firstworkshop of working group-06 under the IOC Sub-Commission for the Western
Pacific (WESTPAC-XII). The second workshop was held in Qingdao, China, on
17-18 December 2018, where twenty-eight experts from five countries in the East andSoutheast Asia gathered along with a remote participant from US. Two international
cooperative
research
programs in ESC
area have been
approved. 1)
US/Japancooperative
study on mixing
processes in the
Kuroshio southof Japan was
funded by
US/NSF, 2)
Bilateral Joint
Research Project
between Japanand China for the cooperative researches in the ECS was also funded by JSPS, Japan
and NSFC, China.
2. Material transport approaching using physico-chemical parameters
Large amount of materials is transported between the boundary area of the ECS
shelf region and Kuroshio. High-nutrient bottom water was identified on the central
ECS shelf; however, it is difficult to clarify the various sources solely by estimating
the potential temperature (PT) and salinity. Zhang et al., (2018) indicates that the rareearth elements are a good tracer for analyzing water masses. The heavy rare earth
elements suggest the important contribution of Kuroshio intermediate water (KIW) in
this bottom water. As shown in Figure. 1, the PAAS-normalized REEs pattern which
can be distinguished in different endmembers, and the similar calculation result using
T and S, and four HREEs, respectively, indicates that REEs series can be used as a
tracer for analyzing the fraction of different water masses. The result calculated using
four HREEs shows good consistency with the fraction calculated by PT and Salinity,
so the rationality of using REEs as a tracer was confirmed. By utilizing PT and35

salinity together withfour HREEs, weestimated the mixing offour water masses(MSW, KSW, KTW,
and KIW), with KIW
and KTW accounting for
39±14% and 49±18%,respectively, of thecentral shelf bottom
water in thenorthernmost researcharea. This study
demonstrates that
HREEs, in combination
with conventionaltemperature and salinity,
effectively increase thenumber of available
tracers so that watermass analysis can bedone with more robust
results achieved.

Figure. 1 PAAS-normalized REEs pattern and the calculation
result using T and S, and four HREEs, respectively

3. International cooperative research cruises in 2018
Various international cooperative research cruises were carried out in the
MSJRK, ECS and Kuroshio region. Nagasaki Maru cruise and Kagoshima Maru
cruise were conducted around the area of ECS shelf region and the Kuroshio insummer and winter 2018 (Figure. 2), in which the physical and chemical parameters
were measured via sensors. Samples for chemical tracers such as REEs and Nd
isotopes were preserved after acidifying, and turbulence profile was analyzed using
TurboMAP. Some meaningful phenomena were discovered after the analysis using
both chemical tracers and physical turbulence data, and further detailed study is
expected to be conducted in the future.

A

B
Figure. 2: Stations in Nagasaki Maru cruise (A) and Kagoshima Maru cruise (B)36地球環境力学分野
一般研究

30AO‑11洋上を航走するビークルに働く流体力解析および運動制御に関する研究
国立研究開発法人海洋研究開発機構

海洋工学センター
海洋技術開発部
百留 忠洋

研究目的：
自律型無人潜水機の普及や多種多様化にともない、さまざまな観測形態が求められるよ
うになってきた。本件では、今後海中ビークルによりセンサを曳航して観測する手法について、曳航物を曳航電車で引っ張ることでその挙動の撮影や張力計測を行い、AUV 運動解
析に資する
方法：
実験の模様を図 1 に示す。使用した曳航物は、ロッド状、ケーブル状、チューブ状の 3種類であった。海中ビークルを想定した速度にて引っ張り、その際の曳航物の挙動をビデオ撮影した。また、速度を数種変化させて、曳航時の張力を計測した。この計測により、AUV の運動方程式に曳航物のダイナミクスを加味させ、運動解析の研究に資することができる。

図１

ロッド状曳航物の実験風景

37

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑12瀬戸内海の伊予灘と豊後水道における乱流観測研究代表者 愛媛大学沿岸環境科学研究センター 郭 新宇

背景と目的
夏季から秋季にかけて発生する急潮と底入り潮は、瀬戸内海と豊後水道の海洋構造と栄養塩動態に大きな影響を与えていることが知られている。急潮と底入り潮の発生は潮汐の大潮・小潮に関連しており、潮汐混合がそれらの発生過程に重要であることが明らかにされているが、瀬戸内海と豊後水道においてどれくらいの潮汐
混合がどのように起こっているかは不明な部分が多い。その実態を明らかにすることを目的として、これまでに応
用力学研究所との共同利用研究によって実施した乱流観測によって、瀬戸内海の伊予灘における海底地形(サンドウェーブ)による乱流混合の強化、豊後水道における地形性水平渦と内部潮汐に起因する乱流混合の発生を明らかにしてきた。H30 年度は伊予灘のより広域における乱流強度分布を明らかにする観測を実施した。
研究内容
2018 年の 5 月と 8 月に愛媛大学沿岸環境科学研究センター研究船「いさな」を用いて伊予灘における海洋観測を実施した. 佐田岬半島北部の伊予灘の 22 点（図 1）において, 応用力学研究所所有の微細構造プロファ
イラと「いさな」搭載の音響ドップラー流速計を用いて, 乱流強度の指標である乱流運動エネルギー散逸率 と流れを計測した. 観測は 5 月と 8 月それぞれの大潮・小潮に計 4 回実施した.
結果
8 月の小潮（8/4）と大潮（8/11）に南側断面（測点 I5s-I8s, 図 1）において実施した観測結果を.図 2 に示す。
8/4 は上げ潮時、8/11 は下げ潮時での観測であった。以前の観測では中央断面（測点 I5-I8）の測点 I7~I8 付近に顕著なサンドウェーブが存在していたが、今回の観測でも存在しており、加えて南側の断面においても測点
I6s-I8s 間の海底に最大高低差 30 m の巨大なサンドウェーブの形成が認められた。なお、北部断面（測点 I5nI8n）においては、サンドウェーブの高低差は 10 m を下回っていた。小潮・大潮の両方において、断面東部の平坦な海底上では、流れは比較的鉛直的に一様であり、乱流が海底付近の境界層内部においてのみ発達していた一方で、測点 I6s より西部の海底起伏が発達する海域では、流れは傾圧的となり（特に 8/4 は底層に強い流れが見られた）、乱流運動エネルギー散逸率が 10-6 から最大 10-4 W kg-1 にまで強化されていた。 このような強い乱流が捉えられた海域では、傾圧流速ベクトルは表層から底層に向かって半時計回りに回転しており、エネルギー（位相）が鉛直上向き（下向き）に伝搬する内部潮汐が生じていたことを示唆している。実際に、このような内部潮汐と考えられる鉛直シアーに対応するように中層または亜表層で乱流運動エネルギー散逸の極大が見られた。観測海域の乱流混合には海底地形が重要な役割を果たしていると考えられるが、これまで考えてきたサンドウェーブのような数百メートルスケールの地形と、内部潮汐を生じるようなより大きなスケールの地形のど
ちらがどのように観測された強大な乱流を生じているかを明らかにすることが今後の課題である。
研究組織
郭 新宇（愛媛大学沿岸環境科学研究センター、研究代表者）、遠藤 貴洋（九州大学応用力学研究所、所内世話人）、堤 英輔（九州大学応用力学研究所、研究協力者）

38

図1

図2

西部伊予灘における乱流観測点（海底地形は JTOPO-30 による）.

南観測断面（測点 I5s-I8s）における流速の絶対値|U| (中段)と乱流運動エネルギー散逸率ε(下段)の観測結果. 上段は松山における潮位. 左列は 8/4（小潮）, 右列は 8/11（大潮）の結果を示す.

39

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑13

地上・衛星観測及びモデルを使ったエアロゾルの光学的特性の時間・空間変動特性
富山大学大学院理工学研究部（理学）

青木 一真

要旨
九州大学応用力学研究所の屋上にて、大気中に浮遊するエアロゾル粒子の気候影響を研究するため、2003年から太陽放射観測を行っている。エアロゾルの気候影響解明はもちろん、数値モデルや衛星観測の精度向上など利用している。エアロゾルの季節変化は、４年間（2015年から2018年）同じような傾向にあったが、粒子の大きさの季節変化に違いが見られた。また、2017年12月に打ち上げられた「しきさい」（GCOM-C/SGLI, JAXA）とのエアロゾルの光学的厚さの比較結果は概ね相関が良く、打ち上げ１年後の目標数値をクリアした。
１．はじめに
大気中に浮遊する微粒子（エアロゾル）の気候影響は、「PM2.5」をはじめとする社会問題にもなり、様々な角度から研究が進められている。本研究の対象領域である九州北部地方にある福岡県（九州大学応用力学研究所）や長崎県（長崎大学）などは、大陸から越境する大気汚染物質、黄砂粒子、森林火災などの影響を受け、大気環境の監視に注意が必要な地域である。本研究は、1996年から長崎大学おいて、2003 年から九州大学応用力学研究所おいて、
太陽光と周辺光の放射輝度を用いたスカイラジオメーターを使った連続観測を行い、エアロ
ゾル光学的特性の解析を行っている。また、エアロゾル粒子の発生源や輸送過程を知ること
は、越境大気汚染として、定量的で精度の良い地上観測データの蓄積が重要となる。エアロ
ゾル気候影響を評価する際は、応用力学研究所気候変動科学分野で開発・改良されているエ
アロゾル気候モデルSPRINTARS を用いて、地上観測や衛星観測の結果を基にモデルの検証を行う。また、主として九州・沖縄地域の観測地点（福岡、長崎、福江島、沖縄等）を利用して、大陸から日本へ輸送されてくるエアロゾルをいち早くモニタリングし、それらを同化データとして組み入れ、次世代の大気化学・気象結合モデルの開発や応用、モデルの精度向上につなげる。また、2017年12月に打ち上げられた「しきさい」（GCOM-C/SGLI, JAXA）の地上検証データと使い、衛星観測の精度向上にもつなげる。
２．観測・解析概要
観測は、太陽直達光と周辺光の角度分布の放射輝度を晴天時日中に自動測定出来るスカイ
ラジオメーター（プリード社製、http://skyrad.sci.u-toyama.ac.jp/）を利用している。九
大応力研をはじめ、世界約100カ所において観測が行われている。この観測から解析されたエ
アロゾルの光学的厚さ・オングストローム指数（エアロゾル粒径の指標）
・一次散乱アルベド（放射吸収のパラメータ）を用いて、気候変動の指標である放射強制力を求める。また、これらのデータをモデルや衛星観測の地上検証として用いてSPRINTARSを改良し、放射強制力のさらなる精度向上を目指している。
３．結果及び、考察
Fig.1は、2015年1月から2018年12月までの九州大学応用力学研究所（福岡県春日市）における0.5µmのエアロゾルの光学的厚さ(AOT(0.5))とオングストローム指数（Alpha）の月平均値を示したものである。エアロゾルの光学的厚さとオングストローム指数の季節変化は、３
年間（2015年から2018年）で概ね同じような傾向が見られた。エアロゾルの光学的厚さの季40

節変化の特徴は、他の日本各地での観測結果と違う部分もあることが、他の地点と同様に若干であるが減少傾向にある。オングストローム指数の季節変化を見てみると夏に高い傾向があるが、2018年は8月以降、高い傾向が見られなかった。また、2017年12月に打ち上げられた「しきさい」（GCOM-C/SGLI, JAXA）とのエアロゾルの光学的厚さの比較結果は概ね相関が良い結果が得られ、打ち上げ１年後の目標数値をクリアした。今後も継続した観測を行うこと
により、モデルや数値モデルの精度向上しながら、気候影響の解明につなげていきたい。

Fig. 1

2015年1月から2018年12月までの九州大学応用力学研究所（福岡県春日市）における0.5µmのエアロゾルの光学的厚さ(AOT(0.5))とオングストローム指数（Alpha）の月平均値
４．研究成果Kawase, H.,A. Yamazaki, H. Iida, K.Aoki,W. Shimada,H. Sasaki,A. Murata,and M Nosaka,(2018):Simulation of extremely small amounts of snowobserved at high elevations over
the Japanese NorthernAlps in the 2015/16 winter, SOLA, 14, 39-45,
https://doi.org/10.2151/sola.2018-007.
Aoki,K.,: Long-term measurements of aerosol optical properties in Japan. (17th AeroCom& 6th AeroSAT workshop 2018, NOAA, Washinton DC, USA, 2018.10.15 - 2018.10.19)
５． 研究組織
代表者

青木 一真（富山大学大学院理工学研究部（理学））

協力者

竹村 俊彦

（九州大学応用力学研究所、所内世話人）

河本 和明（長崎大学環境科学部）

41

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑14

30AO-14
逆推計手法による東アジア域排出量データベースの高度化に向けた研究
一般財団法人

電力中央研究所

環境科学研究所

板橋

秀一

1. 目的
急速な経済発展に伴って中国における窒素酸化物（NOx）排出量は増加の一途をたどっていたが，近年の排出規制等の対策効果により，その排出量が減少傾向に転じているが示されてきている（Li etal., 2017）．一般に排出量データは，経済統計資料等をもとに構築されるが（ボトムアップ法），その推計までには数年を要するという問題点がある．これに対し，準リアルタイムの衛星観測データを拘束条件とすることで排出量を逆推計する手法（トップダウン法）も近年では進展してきている．
本共同利用研究では，激変する中国の排出量データを把握するため，逆推計手法を構築し，NOx を対象に排出量データベースを近年まで更新することを目指した．

2. 手法
アジアスケールの化学輸送モデル CMAQ（Community Multi-scale Air Quality）に，既存のアジア域
排出量データ REAS version 2.1 を入力データとして 2005 年からモデル計算を実施した．衛星観測では大気柱総量（カラム量）が観測でき，これには Aura 衛星に搭載された OMI センサーによる NO2
カラム量を用いた．REAS では 2008 年までの排出量が推計されており，例えば 2009 年については，
2008 年の排出量データを用いてモデル計算を行った際には，衛星観測データと大きな差が生じることが想定される．逆推計手法は弓本ら（2015）に準じた。REAS version 2.1 が整備されている 2008
年を基準年とし，2009 年以降は 2008 年の排出量を，2005 年から 2008 年までは各年の排出量を先見情報とし，2005 年から 2016 年までの 12 年間の逆推計を実施した。モデルと衛星観測間の系統的なバイアスの影響を逆推計から排除するため，2005 年から 2008 年までの 4 年間の計算結果からは，
衛星観測データに対するモデルバイアスを求め，逆推計の仮定から除外した。また，2009 年から 2011
年までの急激な排出量の増加を適切に再現するために，前年の逆推計結果を翌年の先見情報として利用する逐次法を新たに開発し，導入した。

3. 結果と考察
図 1 には逆推計された 2016 年までの中国の衛星観測データおよび排出量推計値を示す．拘束条件とした衛星観測データは 2011 年にピークとなる変化を示し，逆推計値も同様に 2011 年度に最大で 29.5
Tg となった．図 1 にはアップデートされている REAS や中国を対象としたボトムアップ法による排出量データ MEIC（Li et al., 2017; Zheng et al., 2018）も合わせて示す．近年の中国の NOx 排出量の傾42

向についておよそ一致する結果となった．表 1 に示すように 20 Tg 程度であった 2005 年からピークとなった 2011 年まで，およそ 4-5 割排出量が増加したが，2011 年から 2015 年にかけては 1-2 割程度減少したことが明らかとなった．

図１．2005 年から 2016 年までの NO2 カラム量および NOx 排出量の経年変化．

表１．本研究の逆推計した結果とボトムアップ法による NOx 排出量推計値の変化率の比較．
本研究

REAS (updated)

Li et al. (2017)

Zheng et al. (2018)

2005−2011 年+42.7%+54.5%+42.9%－

2011−2015 年−13.4%−16.6%−6.7%−17.4%

4. まとめOMI 衛星観測データを拘束条件とし，中国の NOx 排出量を逆推計した．逆推計された排出量は 2011
年に最大となるような山型の変動を示すことが明らかとされ，ボトムアップ法による排出量データと比較し，概ね整合する結果を得た．本逆推計手法では近年まで更新を行うことを主目的としたが，例えば，空間解像度が向上した最新の TOPOMI センサーを用い高解像度化を図ることが期待できる．

・参考文献
Kurokawa, J et al. (2013), Atmos. Chem. Phys, doi:10.5194/acp-13-11019-2013
Li, M et al. (2017), National Science Review, doi:10.1093/nsw/nwx150
弓本ら（2015）, 大気環境学会誌, 50 (5), p199−206
Zheng, B et al. (2018), Atmos. Chem. Phys, doi:10.5194/acp-18-14095-201843

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑1530 AO-15内部波特有の共鳴現象に関する解析研究代表者 神戸大学大学院工学研究科 中山恵介

研究の目的
これまでの共同研究において，2 層流体において KdV 方程式から得られる critical depthが，2 波の干渉により発生するソリトン共鳴の振幅増幅率を抑制することが分かってきた．
その後，実海域における内部ソリトン共鳴に関する検討を行った結果，地形の変化がソリト
ン共鳴の振幅の増幅率に影響を与えることが示された．示された結果は，下層水深が浅くなることにより振幅増幅率が増大するというものであり，Miles により示された 4.0 を超える可能性が示唆された．しかし，その検討は 1 ケースのみであり，本当に地形の変化が内部ソ
リトン共鳴による振幅増幅率を増大させるかどうかは不明である．そこで本研究では，2 層システムにおける解析を行うため，これまでに利用してきている強非線形強分散内部波方
程式を利用し，地形を指数関数的に変化させた上でソリトン共鳴の解析を行い，内部ソリト
ン波の振幅の増幅率がどのように変化するかを検討することを目的とする．

研究の方法
干渉する 2 つの内部ソリトン波を対象とし，地形変化が共鳴による振幅増幅に与える影響を検討するため，以下の研究項目を実施した．
1.

解析において critical depth がソリトン共鳴を抑制する効果を除外し，地形変化による
純粋な振幅増幅率の解析を実施するため，critical depth から離れた位置に密度界面が存在する条件下における解析を行うこととする．

2.

地形の変化による効果を解明することが出来た後，critical depth の影響を検討するた
め，1.と同様な検討を実施する．

主要な成果
本研究の主要な結論は，以下のとおりである．
(1) 下に凸の共鳴内部ソリトン波が進行する際，地形が盛り上がり，全水深が小さくなることで，初期の変形として浅水変形が卓越し，共鳴内部ソリトン波の振幅が大きくなることが分かった．
(2) しかし，全水深が小さくなることは波速を減少させることとなり，その結果，安定的に存在する内部ソリトン波へと変形することが分かった．つまり，最終的には初期の状態に比較して小さな振幅の共鳴内部ソリトン波へと変形し，安定して進行することが分

44

かった．
(3) 研究の方法 2 に書かれた critical depth に関する検討については，現時点で重要な変化・影響を見つけることができていない．そのため，今後の検討課題であると考えられる．

研究成果報告K. Nakayama, T. Kakinuma, H. Tsuji, Oblique reflection of large internal solitary wave, European
Journal of Mechanics (B), Vol.74, pp.81-91, (2018)
K. Nakayama, T. Sato, K. Shimizu, L. Boegman, Classification of internal solitary wave breaking overa slope, Physical Review Fluids, Vol.4, 014801, (2019)佐藤 啓央, 中山恵介, 清水健司, Leon Boegman, 二層システムにおける内部ソリトン波の斜面上での砕波形態と物質輸送, 土木学会論文集 B2（海岸工学）, Vol.74, No.2, pp. I_655I_660 (2018)
越智直人, 柿沼太郎, 中山恵介, 水深が変化する水域を伝播する内部波の数値解析, 土木学会論文集 B2（海岸工学）, Vol.74, No.2, pp. I_25- I_30 (2018)

組織
中山恵介

国立大学法人神戸大学大学院 工学研究科・教授

柿沼太郎

国立大学法人鹿児島大学学術研究院 理工学域・准教授

辻

国立大学法人九州大学 応用力学研究所・助教

英一

45

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑16微細規模から惑星規模にかけての海洋力学過程と規模間相互作用の研究
大分大学 理工学部 西垣肇

目的海洋現象についての知見は近年飛躍的に増えている。これには観測技術，計算機パフォーマンス，数値計算技術の発展の貢献が大きい。しかし，海洋現象についての力学理論の進歩はその知見の増大に追いついていない。微細現象から惑星規模に至る海洋現象は，それぞれが独立の過程に見えながら相互に干渉する場合も多い。したがって，多角的かつ包括的な海洋力学理論の再構築が必要である。
このような大目標に近づくため，さまざまな課題に携わっている研究者が集まり，海洋力学過程についての議論を集中的に行い，ブレーンストーミングを経て情報交換と議論の深化を行う。
手法
2018 年 11 月に研究会を開き，後記の話題提供とそれに対する議論を行った。限られた時間内で行われる学会大会の発表と異なり，特に議論の時間を十分に取った。会は寝食を共にする合宿形式で行い，正規のセッションの時間外にも多角的な情報交換や議論を繰り広げた。
提供された話題とその提供者は以下のとおりである。
(1) Virtual wave stress の直接数値計算，藤原泰（京大理）(2) モノドロミー行列の直接計算による内部波ビームの安定性解析，大貫陽平（九大応力研）(3) 四国海盆暖水渦の諸特性，蓮沼啓一（海洋総合研究所）(4) 親潮海域における平均流の力学，西垣肇（大分大理工）(5) 続流ジェットの再循環 ― 数値実験と概念モデルの比較，水田元太（北大地球環境）(6) LGM 以降の日本海の変遷に関する海洋力学モデル，磯辺篤彦（九大応力研）(7) 海底地形の逆推定に関する取り組み，広瀬直毅（九大応力研）
結果と議論提供された話題の概要は以下のとおりである。
(1) Virtual wave stress の直接数値計算，藤原泰（京大理）Langmuir 循環は，海洋表層の流れと水面波が相互作用して形成される鉛直循環で，表層混合にとって重要な過程である。その過程において，水面波が粘性減衰するとき，水面波が持つ運動量は表層流に渡される。その際の運動量輸送を virtual wave stress という。その物理過程を再現・解明するためには，vitual
wave stress を正確に表現することが重要である。ここでは新たに有限振幅の水面波を扱うことができる
数値モデルが開発された。モデルは高精度の数値スキームを用いて高い運動量保存性を実現し，virtual
wave stress および Langmuir 循環の強さが正しく表現されていることが確認された。
(2) モノドロミー行列の直接計算による内部波ビームの安定性解析，大貫陽平（九大応力研）
内部潮汐は，その散逸が海洋の深層水湧昇と深層大循環の形成・維持に大きく寄与する。内部潮汐は
順圧潮流が海底地形を通過する際に発生し，まずはビーム波の構造をとる。そのビーム波は parametricsubharmonic instability による不安定モードを持つことが指摘されているが，そのメカニズムは不明瞭である。その解明のため安定性解析が行われた。周期的に変動する有限振幅の背景場を扱うため，Floquet46

理論とモノドロミー行列が用いられた。Parametric subharmonic instability のメカニズムは，逆方向に進行する波束の重ね合わせで生じるうなりによって説明できることが示された。
(3) 四国海盆暖水渦の諸特性，蓮沼啓一（海洋総合研究所）
四国沖の断水渦およびその変動は，黒潮の大蛇行などの変動や流量と密接に関連する。歴史的観測データおよび最新の同化モデル MOVE/MRI.COM-NWP の結果を用い，黒潮および黒潮暖水渦，遠州沖冷
水渦のふるまい，および黒潮流量との関連が議論された。
(4) 親潮海域における平均流の力学，西垣肇（大分大理工）
北太平洋北西部の親潮は，南方に進入する親潮貫入や沖合を北東向きに流れる亜寒帯海流を伴う。再解析データの長期平均場を用い，これらの流れ場の力学が議論された。準地衡理論に基づく傾圧ロスビ
ー波の特性曲線の適用で，亜寒帯海流と親潮貫入の存在が診断的に説明できることが示された。
(5) 続流ジェットの再循環 ― 数値実験と概念モデルの比較，水田元太（北大地球環境）
黒潮や湾流は，その下流側で離岸して続流ジェットとして東方に流れ，そのジェットの南北に再循環を伴う。続流ジェットと再循環は中規模渦が作ることが知られているが，その力学過程は十分に解明されていない。ここでは理想化数値実験が行われ，東向きジェットが再循環を作る過程が表現・解析された。Enstrophy の発生と移流および eddy-eddy 相互作用でこの過程を説明できることが示唆された。
(6) LGM 以降の日本海の変遷に関する海洋力学モデル，磯辺篤彦（九大応力研）
最終氷期 (LGM) 以降の 2 万年前以降の日本海の海洋構造と循環について検討された。海底コアなどから見積もられている塩分の鉛直構造と海面水位の変遷をもとに，日本海の海洋力学モデルが構築された。その結果，以下のことが示唆された。2 万年前は海面水位が低く，日本海には顕著な塩分成層があったが，そのころの日本海はほぼ孤立状態だった。1 万 7 千年前からその後の数千年間に鉛直混合が進んだが，それは津軽海峡から高密度の親潮水が流入したことに伴うものである。
(7) 海底地形の逆推定に関する取り組み，広瀬直毅（九大応力研）
現存の海底地形データは精度が不十分で，そのため海洋モデルでの海況の再現・予報は精度を欠く。
しかし，すべての海底地形を直接観測することは困難である。そこで，潮流や海流と海洋モデルを用いて地形を逆推定する方法が考えらえる。ここでは，対馬海峡の地形を逆推定するための基礎的情報として，理想化された海底地形が流れに与える影響が，数値モデルを用いて検討された。海山・海盆型の地形について，その高さと半径とに対する流れの依存性が調べられた。振動流と定常流では，後者のほうが地形に対する感度が高く，海底地形の逆推定にはより有利であることが示唆された。
研究組織
研究代表者 西垣肇（大分大），広瀬直毅（九大応力研），水田元太（北大地球環境），
研究協力者 磯辺篤彦（九大応力研）
蓮沼啓一（海洋総合研究所），大貫陽平（九大応力件），藤原泰（京大理）ほか

47

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑17
インドネシア多島海の海洋循環とその気候に及ぼす影響

海洋研究開発機構アプリケーションラボ

佐々木英治

1. 研究目的
西太平洋とインド洋の間に存在し、多くの島々と海が混在するインドネシア多島海域は、海面水温が高く、大気の深い対流が直上で発達するため、多量の降水があり、その地域の気候のみならず全球規模の気候に重要な役割を担っている。また、インドネシア通過流は多島海域を通過して西太平洋からインド
洋に流れ、多量の熱を輸送するため、海洋循環場にも重要な役割を担っている。多島海域を含む縁辺海では内部潮汐が大きいため、この海域で起こる鉛直混合は海洋循環場に多大な影響を及ぼすと考えられている。
インドネシア通過流を駆動する力学過程を再現するには、全球規模の海洋モデル、かつ海峡・混合過程を精緻に再現できる高解像度のモデルが必要である。これまで海洋研究開発機構にて地球シミュレータを用いた高解像度海洋大循環モデル OFES2 が開発されてきた。一方、九州大学応用力学研究所では、沿岸域や縁辺海を対象とした力学過程の研究が盛んに実施されている。そこで本共同研究では、研究代表者が実施した OFES2 の出力を用いた研究と、九州大学応用力学研究所が得意とする理想化されたモデル研究を組みあわせながら、インドネシア通過流を含むインドネシア多島海域の海洋循環の研究を実施する。さらに、多島海域の海洋循環が大気海洋相互作用を通じて太平洋、インド洋の広範囲の気候およぼす影響を検討する。
2. 解析手法
OFES2 では全球規模の海洋大循環モデルに潮汐混合スキームが新たに導入された．そこで、その効果を明らかにするため、スキームの ON/OFF 感度実験を実施した。本研究ではこの二つのモデル出力の 1995
年 1 月～2016 年 12 月間の月平均値を 22 年平均し、比較することで潮汐混合がインドネシア通過流及びインドネシア多島海に与える影響を明らかにする。Sasaki et al. (2018)では、潮汐混合スキームが導入されることでインドネシア通過流の流量が大きくなることを明らかにしたことから、本研究ではさらに詳細にモデル解析を行うことで、局所的におこる潮汐混合がインドネシア通過流の流量増加へとつながるメカニズムを検証することにした。まずは太平洋規模で生じた海面高度の上昇の要因、海洋内部の水
温と密度・流れ場の変化、そしてインドネシア多島海へと流入するインドネシア通過流の変化に焦点をあてて解析を進めた。
3. 解析結果
太平洋の赤道域全体で起きていた海面高度の上昇に応答するように、水温躍層付近に相当する水深 200ｍで水温が上昇していることが確認できた（図１）。26𝜎𝜎𝜃𝜃 の等密度線の深さも、水温の変化と同じような個所で深くなっている。海底海山が存在する箇所から、水温上昇のシグナルは強くなっており、海山のような傾斜が急な個所で強い潮汐混合が起きていることが示唆される。このような水温上昇のシグナ
ルは Sasaki et al. (2018)でも北緯 5-10N にて確認されている。等密度線によって強いシグナルが生じている海山が異なり、太平洋に存在する多くの海山で潮汐混合、そして躍層の変化が起きていると思われる。

48

次に、経度方向の流れ場の 15N
変化を検証すると、赤道域

2oCを中心に大きく変化していることが明らかになった。
躍層の変化が赤道潜流等の赤道の循環場に大きな変化が生じたと推測される。水温の変化が強く表れた海山
上では、流れの向きが東向

30S

きから西向きへと逆転していることがわかり、β-plumeのような現象が起きている

90E

60W

-2oC

図１：潮汐混合スキームを導入したことによって生じた水深 200m の水温差（On minus Off の 22 年平均；松原 2019 より）ことが考えられる。
Sasaki et al. (2018)ではインドネシア通過流の流量を見積もっていたため、流量増加がいったいどの
海峡・深さで起きていたのか不明だった。そこでインドネシア多島海へとインドネシア通過流が流入する海峡で起きた流れ場と水温の変化を調べた。その結果、流量増加は特に Makassar Strait を中心に起きていることが明らかになった。Makassar Strait はインドネシア通過流の 80％の流量がある主要なルートに位置する海峡である。さらに解析を進めると主に水深約 200～500ｍの流れが強くなっていることがわかった。この深さはちょうど水温躍層付近に相当することから、増加したインドネシア通過流の流れ
は主に太平洋の水温躍層付近の海水をインドネシア多島海へと運んでいることを示している。
4. 考察
潮汐混合スキームを海洋大循環モデルに導入したことによって生じるインドネシア通過流の流量増加
は太平洋赤道域の躍層付近の水温・循環場の変化がカギを握っていることが明らかになった。躍層付近の変化がインドネシア多島海の海峡に伝わり、流れの強化と流量増加へと繋がっている。今後、潮汐混合による湧昇の強さをさらに検証することでインドネシア通過流の流量増加の起因となっている箇所を特定する必要がある。
5. 研究成果
学会発表
2018 年海洋学会秋季大会, インドネシア多島海および周辺海域における潮汐混合の影響, 松原孝平・
木田新一郎・佐々木英治・古恵亮
6. 研究組織
代表者

海洋研究開発機構・アプリケーションラボ

主任研究員

佐々木 英治

協力者

海洋研究開発機構・アプリケーションラボ

主任研究員

野中 正見

協力者

海洋研究開発機構・アプリケーションラボ

主任研究員

古恵亮

世話人

九州大学・応用力学研究所

准教授

木田新一郎

49

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑18
大阪湾に出現するフロント構造と海洋環境の解析

神戸大学内海域環境教育研究センター

林

美鶴

1．目的
風や淡水流入の空間偏差はないと仮定する時、瀬戸内海では成層・混合指標＝2.5～3.0 に潮汐フロントが形成されると言われている。大阪湾では、西宮環流と沖ノ瀬環流の境界に潮汐フロントが形成されるが（藤原ら、1994、中辻・藤原、1995)、河川影響がなければ潮汐フロントは成層・混合
指標＝3.0～3.5 に形成され（Yanagi and Takahashi, 1998)、大潮時にはフロント位置は海峡から離れ且つ変動が大きい（湯浅ら、1996)、などが言われている。これらは、大阪湾に形成されるフロントは明石海峡での鉛直混合により形成されるだけでなく、淀川からの淡水流入による成層も寄与し、かつ潮汐の状態によって時間変動することを意味している。フロントは視認しやすい海面での現象で、研究においても主として海面を対象にしてきた。しかし実際には海水の収束発散場として立体構造を持ち、その機能が沿岸海域の生物生産、水質汚染や漂流ゴミなど、各種の環境テーマに大きな影響を与えている。本研究では、大阪湾の潮目形成域で ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler : 超音
波ドップラー多層流向流速計)により流動構造を、CTD(Conductivity Temperature Depth profiler)により成層構造を観測し、潮目の鉛直構造の把握を試みた。
2．方法
神戸大学大学院海事科学研究科付属連取船深江丸で図 1 に示す通り、34°-32’N を、135°-01’～20’Eの間で往復した。往復の間、ADCP による流向・流速測定と、CTD による表層水の水温・塩分測定を行い、復路では測点①～⑥に停船して CTD による水温・塩分鉛直分布即手を行った。14 時 50 分に明石
海峡の下げ潮流が最大になることから、この時刻を挟んだ時間帯で観測を行った。 ADCP は、TELEDYNE RD INSTRUMENTS 社製ワー
クホースマリナーの 300kHz で、第一層深度 5.9m、層厚 1m、90 層測定に設定した。鉛直分布測定に用いた CTD は、アレック電子社（現、JFE アドバンテック社）製クロロテック AVL220-RS で、0.2 秒毎の測定値を深度 10cm 毎に平均した。表層水測定に用いた CTD は JFE ア
ドバンテック社製 AAQ-H11 で、界面から約 3m の船底からのインテ
イク水を計測した。
図 1 測点位置（紫色の＋）と 20m 等深線（黄色の線）
3．結果
浮遊物質や泡などが筋状に伸び、海面が収束しているのを目視で確認した。図 2 は表層水温と塩分の時間変動で、青及び赤の縦線の時刻（位置）で収束を確認した。この前後で、往路では水温が 1.2℃、塩分が 0.6、復路では水温が1.1℃、塩分が 0.9 急変していることから、これがフロントであると思われる。またフロントの位置は、往路では測点③の西側だったが、復路では東側にあった。すなわち 98
分間にフロントは東に 1.6mile 移動した。
図 2 表層水温・塩分の時間（空間）変動とフロント位置
図 3 に鉛直流、東西流、南北流の鉛直断面を示す。フロントの西側に鉛直流が見られ、明石海峡

50

での強潮流による鉛直混合域になっている。東西流は全体に東流で、フロントの西側で速く、この下げ潮流によりフロントが移動したと考えられる。南北流は、フロントの西側では南流で、東側では弱かった。図 4 に水温、塩分、密度の鉛直断面を示す。密度は、水温と塩分から算出した。フロントの東側には、深度 5m 程度の高温・低塩・低密度水が分布し、海底にかけて成層化していることが伺える。一方、西側では、深度 2m 程度まで、それより底層と比較してやや高温・低塩・低密度の海水が見られるが、それより底層では海底まで均一である。
以上の測定から、フロントの西側では強い南西の下げ潮流が卓越して鉛直混合し、東側では弱い
東流により成層化していること、及びフロント位置は移動することが確認された。
5．成果公表なし
6．研究組織林 美鶴 神戸大学
磯辺篤彦 九州大学

准教授
教授

図 3 ADCP による鉛直流（上）、水平流の東西成分（中）と南北成分（下）の鉛直－時間（空間）断面51

図 4 CTD による水温（上）、塩分（中）、密度（下）の鉛直空間断面

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑19

北東アジアにおける粒子状物質の輸送・変性過程のモデル表現に関する研究
神戸大学大学院海事科学研究科
⼭地⼀代
1.

⽬的

海洋研究開発機構（JAMSTEC）と神戸大学などの調査を通して、長崎県福江島にて観測されている PM2.5、および、その主要成分、さらに、それらの前駆物質の大気中濃度を大気質モデルが十分に表現できていない点が指摘されている。我々は、アジア大陸から日本への輸送中の物理・化学過程のモデル表現に焦点をあて、このモデルと観測間の不一致点の原因解明と、その結果を反映させたモデル表現の向上に取り組んでいる。
このために、北東アジアを中心にエアロゾルモデル研究を展開する気象庁気象研究所、神戸大学、さらに、その技術を応用利用しエアロゾル再解析マップを開発した応用力学研究所の研究者にて共同研究を進めて行くことが重要である。さらに、大陸からの移流の入口である九州北西部にてエアロゾルの高精度観測を実施している応用力学研究所、JAMSTEC との共同研究を発展させ、九州を基盤とする共同研究の構築が待たれる。
我が国にて広く利用されている、大気質モデル（CMAQ：Community Modeling and Analysis System）による
北東アジア地域における粒子成分濃度のモデル表現向上のために、複数の異なるモデル結果と九州北部の観測データとの比較を通して、各モデルにて扱われている反応・輸送プロセスとの比較・検証を行なう。得られた差異に基づき、CMAQ の要改良個所を特定し、モデル表現向上のために重要なプロセスを CMAQ へ導入することを検討する。本研究では、可能な限り入力データを統一した、２種類の大気質モデル（CMAQ・NHM-Chem）
による PM2.5、および、その関連物質の再現性を調査した。

2.

⽐較実験のための物質輸送モデル設定

我が国の広範囲にて、断続的に⼤気中 PM2.5 濃度の上昇が観測された 2016 年 12 ⽉を対象としたモデル実験を実施した。モデルの格⼦条件（D1: アジア域/ 45km/ 207×157grids、D2: ⽇本域/ 15km/、広領域側⾯境界条件（全球モデ
147×141grids）、気象データ（WRF/NCARFNL，ds0833(0.25degree)）
ル：CHASER）、および、排出量データは共通とし、Chatani et al(2018, Atmosphere)に準ずるモデル設定にて⽐較実験を⾏った。
3.

結果および考察

図１は、長崎県五島における、2016 年 12 月 6-26 日、モデルと観測による PM2.5 濃度の 1 時間値を示す。
CMAQ、NHM-Chem ともに観測された PM2.5 濃度の変動をよく捉えていた。特に、12 月 9 日正午頃にピークとな
100

常に良く再現できていたが、一方で、

80

CMAQ が PM2.5 の観測濃度を 20μg/m3 程
度過大評価する傾向が見られた。この
際、CMAQ による硝酸塩濃度が大幅に増大

PM2.5(μg/m3)

る PM2.5 濃度の上昇を両モデルともに非NHM-Chem

CMAQ

OBS

60
40
20

3

しており（30〜40μg/m 、全 PM2.5 濃度の 40% に お よ ぶ ）、 Shimaderaetal.(2018)にて指摘されているように、

0
12/6

12/8

12/10

12/12

12/14

12/16

12/18

12/20

12/22

12/24

12/26

図 1 ⻑崎県五島における 2016 年 12 ⽉ PM2.5 濃度（1 時間値）

52

CMAQ による寒候期の硝酸塩濃度の過大評価の影響が考えられる。12 月 9 日の日平均値について、PM2.5 成分を比較すると、CMAQ は硝酸塩の割合が大きい（全 PM2.5 濃度の約 30%）が、NHM-Chem による硝酸塩の割合は
全 PM2.5 濃度に対して約 15%であった。他方、NHM-Chem は、OC の割合が大きく（全 PM2.5 濃度の約 20%）
、また CMAQ の約 1.3 倍であった。今後、両モデル表現を詳細に比較することで、よく知られている CMAQ の寒候期の硝酸塩の過大評価と OC の過小評価の改善を進める予定である。12 月 17-19 日、両モデルともに観測を過小評価しており、その成分濃度もモデル間に大きな違いが見られなかった。12 月 15-16 日、および、12 月
11 日において見られる NHM-Chem の過大評価に関して、CMAQ では僅かしか確認できていない、PM2.5 中の Na、Cl の成分濃度の上昇によるもの可能性が高い。さらに、12 月 24-25 日、CMAQ は硝酸塩、NHM-Chem は Na、Clの各成分の上昇が見られたが、両モデルともに PM2.5 の過小評価（観測の 40〜60%程度）を示した。Na、Cl 成
分濃度の違いは、各モデルの中で発生させる海塩粒子の生成過程や粒径分布の違いに起因する可能性が考え
られる。

4.

研究組織
研究代表者 ⼭地⼀代 神⼾⼤学 准教授
所内世話⼈ ⼸本桂也 九州⼤学応⽤⼒学研究所

准教授

研究協⼒者 平⼭友基 神⼾⼤学 博⼠前期課程 2 年
研究協⼒者 ⾦⾕有剛 海洋研究開発機構 主任研究員
研究協⼒者 梶野瑞王 気象研究所

主任研究員

53

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑20黒潮大蛇行を引き起こす膠州海山における傾圧不安定の発達過程
東京大学 大学院理学系研究科 地球惑星科学専攻 田中祐希

1. 本研究の背景と目的
日本の南岸を流れる黒潮には，「非大蛇行流路」と「大蛇行流路」という二つの安定した流路が存在することが広く知られている。黒潮の非大蛇行から大蛇行への遷移は，(1)トカラ海峡に近づいてくる高気圧性の中規模渦と黒潮との相互作用による九州南東沖での小蛇行の励起とその東への伝播，(2)紀伊半島の 200 km ほど南に位置する「膠州海山」上を通過する際のこの小蛇行の急激な増幅，を経て引き起こされる(Endoh and Hibiya 2001 など)。
Tanaka and Hibiya (2017)は，二層準地衡流モデルに膠州海山を模した海底地形を組み込むことで，黒潮の非大蛇行流路から大蛇行流路への遷移，特に，海山上における小蛇行の急激な増幅過程を再現できることを示すとともに，この増幅が海山上に捕捉された傾圧不安定によるものであることを，線形安定性解析を通じて明らかにした。実際，数値モデルで再現される小蛇行は，その発達の初期段階においては，線形安定性解析で得られる不安定モードと空間スケール・構造
ともよく類似している。
しかしながら，発達が進むにつれて，数値実験で再現される小蛇行は線形安定性解析で得られる不安定モードからずれていく。すなわち，小蛇行は増幅するにつれて，徐々にその成長速度および伝播速度が遅くなるとともに空間スケールが大きくなり，100 日程度で海山全体を占めるよ
うなほぼ定常の大蛇行状態に至るという特徴を示すが，このような特徴は線形理論では説明できない。
この不一致は，小蛇行の発達の後期段階においては非線形効果が重要になることを示唆している。そこで本研究では，小蛇行が定常な大蛇行状態に至るまでの非線形な発達過程を明らかにするため，その第一歩として，海山上の不安定モードの発達に非線形効果を考慮することで実際にこのような小蛇行の発達後期の特徴を再現できるのかを調べる。

2. 方法
Tanaka and Hibiya (2017)と同じ二層準地衡流モデルを用いる。東西方向に周期境界条件，南北方向に直交流ゼロの境界条件を課した f 面上の水路中に海山を置き，背景流として上層に一様な東西流を仮定する(図 1a)。この背景場に線形安定性解析で得られた海山上の不安定モードを小振幅の初期擾乱として与え(図 1b)，その後の時間発展を「非線形項なし（線形実験）」と「非線形項あり（非線形実験）」の 2 ケースで比較する。

3. 結果と考察
図 2 に「非線形項なし」と「非線形項あり」の各ケースにおける擾乱の時間発展の様子を示す。
計算開始から一週間後程度までは，「非線形項なし」と「非線形項あり」の両ケースで大きな違いはなく，初期に与えた擾乱はどちらのケースにおいてもほぼ線形安定性解析で予測される通りに増幅していく(図 2a vs. 2b)。

54

ところがその後，「非線形項なし」の場合には擾乱はそれまでと同様に成長を続けるのに対し，「非線形項あり」の場合には擾乱の成長は止まり，ほぼ 100 日程度で大蛇行に類似した定常状態へと達する(図 2c)。このように，海山上の傾圧不安定モードの発達において非線形項まで考慮することで，線形理論では説明できなかった小蛇行の発達後期の特徴，すなわち成長速度や伝播速
度が遅くなるとともに，空間スケールが大きくなって海山全体を占めるようになるといった特徴が再現可能であることが示された。
(a) Background Field(b) Initial Disturbance

図 1. 二層準地項流モデルを用いた本実験において仮定された，(a)背景場と(b)初期擾乱。
コンター(×104 m2 s-1)は上層の流線関数，カラーは下層の流線関数をそれぞれ表し，緑線は海山の縁を示す。上層の流線関数は背景場と擾乱を足し合わせたものを表示している。

(a) Linear Experiment (t = 5 days)(b) Nonlinear Experiment (t = 5 days)(c) Nonlinear Experiment (t = 100 days)

図 2. (a)線形実験における 5 日後，(b)非線形実験における 5 日後，(c)非線形実験における 100
日後の流線関数。コンター(×104 m2 s-1)，カラーはそれぞれ上層，下層の流線関数を表し，緑線は海山の縁を示す。上層の流線関数は背景場と擾乱を足し合わせたものを表示している。

55

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑21
雲粒子センサによるセンサによるによる large-sparse 雲の観測観測
防衛大学校

地球海洋学科岩崎杉紀

目的
本研究の目的は、の観測目的は、Large-and-Sparce particle Cloud (LSC)と我々が名付けた雲を、衛星データ我々が名付けた雲を、衛星データが名付けた雲を、衛星データ名付けた雲を、衛星データけた雲を、衛星データ雲を、衛星データデータの観測解析を行いその性質を明らかにすることである。を行いその性質を明らかにすることである。いその観測性質を明らかにすることである。を明らかにすることである。らかにすること我々が名付けた雲を、衛星データである。LSC は衛星データ搭載ライダライダ CALIOP では観測しづら
く、衛星データ搭載ライダ雲レーダ CloudSat では有意に観測できる、通常の雲とは逆の性質を持っている（図に観測できる、通常の雲とは逆の性質を持っている（図の観測雲と我々が名付けた雲を、衛星データは逆の性質を持っている（図の観測性質を明らかにすることである。を持っている（図っている（図図1 参照）。LSC に対応するであろう雲の先行研究は、するであろう雲の先行研究は、雲の観測先行いその性質を明らかにすることである。研究の目的は、は、Hughes (1960, MWR)と我々が名付けた雲を、衛星データ Hagihara et al.
(2014, JGR)の観測 2 例しか確認できず、どちらもそれ以降は研究されていない。しか確認できず、どちらもそれ以降は研究されていない。できず、どちらもそれ以降は研究されていない。以降は研究されていない。は研究の目的は、され以降は研究されていない。ていない。LSC にどの観測よう雲の先行研究は、な役割があるか全くわかっていない。本研究では、これを衛星データから明らかにする。が名付けた雲を、衛星データあるか全くわかっていない。本研究では、これを衛星データから明らかにする。くわかっていない。本研究の目的は、では、これ以降は研究されていない。を衛星データデータから明らかにすることである。らかにする。
図 1 2007 年 1 月から 8 日のドの観測ド
レーク海峡（図南極と我々が名付けた雲を、衛星データパタゴニ
アの間）で観測されたの観測間は）で観測され以降は研究されていない。た雲を、衛星データ CALIOPの観測後方散乱係数 β と我々が名付けた雲を、衛星データ
CloudSat の観測レーダ散乱因子センサによる Zの観測緯度など）の情報が高度など）の情報が断面。南緯 67 度など）の情報がから 72 度など）の情報がで高度など）の情報が 5km から10km の観測間はに CloudSat では有意に観測できる、通常の雲とは逆の性質を持っている（図に信号がが名付けた雲を、衛星データあるの観測に CALIOP
ではノイズレベルされている。と我々が名付けた雲を、衛星データなっていること我々が名付けた雲を、衛星データが名付けた雲を、衛星データ分かる。

方法
解析を行いその性質を明らかにすることである。には、CloudSat と我々が名付けた雲を、衛星データ CALIPSO の観測データを複合的に用いたいた雲を、衛星データ A-train 解析を行いその性質を明らかにすることである。プロダクト（図九州大学
データ、以降は研究されていない。 KU データ）を用いたいた雲を、衛星データ。KU データには、雲粒の観測特性や（図水雲、過冷却の水雲、氷晶、の観測水雲、氷晶、など）、粒径分布情報（図粒子センサによるの観測大きさや個数密度など）の情報がなど）の観測情報が名付けた雲を、衛星データ CALIOP と我々が名付けた雲を、衛星データ CloudSat の観測軌道ごとごと我々が名付けた雲を、衛星データ（図緯度など）の情報が経度など）の情報が）・高度など）の情報がごと我々が名付けた雲を、衛星データにリトリーバルされている。され以降は研究されていない。ている。
LSC を KU データから取り出すため、（り出すため、（出すため、（すた雲を、衛星データめ、（図1）波長 1064nm の観測 β が名付けた雲を、衛星データ 10-5 m-1 str-1 以下、（図2）Z が名付けた雲を、衛星データ-15
dBZ 以上、（図3）積算した往復のライダの消散係数がした雲を、衛星データ往復のライダの消散係数がの観測ライダの観測消散係数が名付けた雲を、衛星データ 0.1 以下、これ以降は研究されていない。らを満たす信号がた雲を、衛星データす信号がが名付けた雲を、衛星データ 500 m 以上
続くものをくもの観測を LSC と我々が名付けた雲を、衛星データした雲を、衛星データ。（図1）と我々が名付けた雲を、衛星データ（図2）は図 1 の観測状態を表しており、を表しており、しており出すため、（、LSC の観測性質を明らかにすることである。を表しており、している。これ以降は研究されていない。
らの観測しきい値は図は図 1 と我々が名付けた雲を、衛星データ同様のいくつか事例から選んの観測いくつか事例しか確認できず、どちらもそれ以降は研究されていない。から選んんだ経験値である。（経験値は図である。（図3）はライダの観測減衰を無視し信を無視し信し信号がを公平に扱うための便宜的なしきい値であるに扱うための便宜的なしきい値であるう雲の先行研究は、た雲を、衛星データめの観測便宜的なしきい値は図である。
LSC の観測性質を明らかにすることである。と我々が名付けた雲を、衛星データは無関係である。（図1）と我々が名付けた雲を、衛星データ（図2）から、LSC の観測粒子センサによる半径は 50μmm 以上で個数密度など）の情報がが名付けた雲を、衛星データ 10-4 m-3 以
下であること我々が名付けた雲を、衛星データが名付けた雲を、衛星データ推測できる。
結果
図 2 に、しきい値は図（図1）から（図3）を用いたい、2006 年
11 月からから 2007 年 10 月からの観測 KU データから緯度など）の情報が経度など）の情報が 1度など）の情報がごと我々が名付けた雲を、衛星データの観測、すべての観測雲の観測出すため、（現に対するに対する LSC の観測出すため、（現に対する頻度など）の情報が分布を示す。この解析期間はす。この観測解析を行いその性質を明らかにすることである。期間はは CALIOP の観測ライダ送
光方向が真下方向に向いている。送光方向はこの間が名付けた雲を、衛星データ真下方向が真下方向に向いている。送光方向はこの間に向が真下方向に向いている。送光方向はこの間いている。送光方向が真下方向に向いている。送光方向はこの間はこの観測間はの観測一時期に 0.3 度など）の情報が真下からずれ以降は研究されていない。ていると我々が名付けた雲を、衛星データきもあるが名付けた雲を、衛星データ、それ以降は研究されていない。らは解析を行いその性質を明らかにすることである。から省いている。これは、氷晶が整列いている。これ以降は研究されていない。は、氷晶が名付けた雲を、衛星データ整列
している場合、KU データの観測リトリーバルされている。結果が名付けた雲を、衛星データ異なる可能性が名付けた雲を、衛星データあるからである。
図 2 から、LSC は北極海や南極大陸の海沿いに出の観測海沿いに出いに出すため、（
現に対するしやすいこと我々が名付けた雲を、衛星データが名付けた雲を、衛星データ分かる。同様のいくつか事例から選んの観測解析を行いその性質を明らかにすることである。から、LSC の観測
図 2 LSC の観測出すため、（現に対する頻度など）の情報が分布。

56

出すため、（現に対する頻度など）の情報がは春先に若干上が名付けた雲を、衛星データること我々が名付けた雲を、衛星データも分かった雲を、衛星データ（図図示す。この解析期間はしていない）。
次に、に、LSC の観測出すため、（現に対する確率と過冷却の水雲の出現確率と我々が名付けた雲を、衛星データ過冷却の水雲、氷晶、の観測水雲の観測出すため、（現に対する確率と過冷却の水雲の出現確率の観測積に対する、LSC と我々が名付けた雲を、衛星データ過冷却の水雲、氷晶、の観測水雲が名付けた雲を、衛星データ同時に出すため、（現に対する確率と過冷却の水雲の出現確率の観測比を求め、これをを求め、これをめ、これ以降は研究されていない。を RLSC∩SC と我々が名付けた雲を、衛星データした雲を、衛星データ。同様のいくつか事例から選んに氷晶の観測もの観測を RLSC∩2D と我々が名付けた雲を、衛星データした雲を、衛星データ。しきい値は図（図3）から、LSCが名付けた雲を、衛星データ上にあり出すため、（、過冷却の水雲、氷晶、の観測水雲や氷晶が名付けた雲を、衛星データその観測下にある状態を表しており、である。もし LSC と我々が名付けた雲を、衛星データ過冷却の水雲、氷晶、の観測水雲（図氷晶）が名付けた雲を、衛星データ
完全くわかっていない。本研究では、これを衛星データから明らかにする。に独立な事象であれば、な事象であれば、であれ以降は研究されていない。ば、RLSC∩SC （図RLSC∩2D）は 1と我々が名付けた雲を、衛星データなる。LSC と我々が名付けた雲を、衛星データ過冷却の水雲、氷晶、の観測水雲（図氷晶）が名付けた雲を、衛星データ常の雲とは逆の性質を持っている（図に共存すすれ以降は研究されていない。ば、RLSC∩SC （図RLSC∩2D）は 1 以上、そう雲の先行研究は、でなけれ以降は研究されていない。ば
1 以下と我々が名付けた雲を、衛星データなる。図 3 は北緯 60 度など）の情報がから 90 度など）の情報がで平に扱うための便宜的なしきい値である均しした雲を、衛星データ月からごと我々が名付けた雲を、衛星データの観測 RLSC∩SC と我々が名付けた雲を、衛星データ RLSC∩2D である。これ以降は研究されていない。より出すため、（、LSCと我々が名付けた雲を、衛星データ過冷却の水雲、氷晶、の観測水雲は共存すせず（図RLSC∩SC が名付けた雲を、衛星データ常の雲とは逆の性質を持っている（図に 1 以下）、
LSC と我々が名付けた雲を、衛星データ氷晶は共存すしやすいこと我々が名付けた雲を、衛星データが名付けた雲を、衛星データ分かる（図RLSC∩2D が名付けた雲を、衛星データ
図 3 LSC の観測出すため、（現に対するに対する「目に見えないが雲らしい信号があることは以前から知っていた。しかしLSC と我々が名付けた雲を、衛星データ氷晶」
常の雲とは逆の性質を持っている（図に 1 以上）。
「目に見えないが雲らしい信号があることは以前から知っていた。しかしLSC と我々が名付けた雲を、衛星データ過冷却の水雲、氷晶、の観測水雲」が名付けた雲を、衛星データ存す在しているが、する割があるか全くわかっていない。本研究では、これを衛星データから明らかにする。合。
LSC は光学的に薄いため、それ自体では放射や水いた雲を、衛星データめ、それ以降は研究されていない。自体では放射や水では放射や水や水
北緯 60 度など）の情報がから 90 度など）の情報がの観測平に扱うための便宜的なしきい値である均し循環に影響を与えないはずである。しかし、過冷に影響を与えないはずである。しかし、過冷を与えないはずである。しかし、過冷えないはずである。しかし、過冷
却の水雲、氷晶、の観測水雲を消す作用いたが名付けた雲を、衛星データあること我々が名付けた雲を、衛星データが名付けた雲を、衛星データ図 3 から分かる。
過冷却の水雲、氷晶、の観測水雲は世界中に存在しているが、に存す在しているが、しているが名付けた雲を、衛星データ、LSC は高緯度など）の情報がに多く存在している。このため、く存す在しているが、している。この観測た雲を、衛星データめ、LSC は高緯度など）の情報がの観測気候を調整している可能性があることが分かった。を調整している可能性が名付けた雲を、衛星データあること我々が名付けた雲を、衛星データが名付けた雲を、衛星データ分かった雲を、衛星データ。
まと我々が名付けた雲を、衛星データめ
衛星データライダより出すため、（ 1 桁以上感度など）の情報がの観測良い地上ライダ観測を数十年にわたり行っている研究者に本結い地上ライダ観測を数十年にわた雲を、衛星データり出すため、（行いその性質を明らかにすることである。っている研究の目的は、者に本結に本結果を見てもらったとき「目に見えないが雲らしい信号があることは以前から知っていた。しかしてもらった雲を、衛星データと我々が名付けた雲を、衛星データき「目に見えないが雲らしい信号があることは以前から知っていた。しかし目に見てもらったとき「目に見えないが雲らしい信号があることは以前から知っていた。しかしえないが名付けた雲を、衛星データ雲らしい信号がが名付けた雲を、衛星データあること我々が名付けた雲を、衛星データは以前から知っていた。しかしから知っていた。しかしっていた雲を、衛星データ。しかし
単に薄い雲であろうという認識だった。」とのことだった。ライダ単体では粒径分布が推定できに薄いため、それ自体では放射や水い雲であろう雲の先行研究は、と我々が名付けた雲を、衛星データいう雲の先行研究は、認できず、どちらもそれ以降は研究されていない。識だった。」とのことだった。ライダ単体では粒径分布が推定できだ経験値である。（った雲を、衛星データ。」と我々が名付けた雲を、衛星データの観測こと我々が名付けた雲を、衛星データだ経験値である。（った雲を、衛星データ。ライダ単に薄い雲であろうという認識だった。」とのことだった。ライダ単体では粒径分布が推定でき体では放射や水では粒径分布が名付けた雲を、衛星データ推定できできないの観測でその観測雲の観測特殊さが分からないためである。さが名付けた雲を、衛星データ分からないた雲を、衛星データめである。
北極での観測地上ライダと我々が名付けた雲を、衛星データ地上雲レーダの観測同時雲観測も珍しくはない。両データを組み合わせればしくはない。両データを組み合わせればデータを組み合わせればみ合わせれば合わせれ以降は研究されていない。ば
粒径分布の観測推定できが名付けた雲を、衛星データできる。筆者に本結もその観測データを見てもらったとき「目に見えないが雲らしい信号があることは以前から知っていた。しかした雲を、衛星データこと我々が名付けた雲を、衛星データが名付けた雲を、衛星データあるが名付けた雲を、衛星データ、LSC が名付けた雲を、衛星データ存す在しているが、する可能性が名付けた雲を、衛星データあると我々が名付けた雲を、衛星データ
いう雲の先行研究は、事実を知っていても、そのデータを見つけることは困難であった。極域は下層雲に覆われてを知っていた。しかしっていても、その観測データを見てもらったとき「目に見えないが雲らしい信号があることは以前から知っていた。しかしつけること我々が名付けた雲を、衛星データは困難であった。極域は下層雲に覆われてであった雲を、衛星データ。極域は下層雲に覆われては下層雲に覆われてわれ以降は研究されていない。ていること我々が名付けた雲を、衛星データが名付けた雲を、衛星データ多く存在している。このため、いた雲を、衛星データめである。
CALIOP と我々が名付けた雲を、衛星データ CloudSat の観測両データを組み合わせれば方が名付けた雲を、衛星データあり出すため、（、それ以降は研究されていない。らによる粒径分布や雲粒情報が名付けた雲を、衛星データリトリーバルされている。できている
KU データが名付けた雲を、衛星データあって初めて、今まで存在すら認識されていなかっためて、今まで存在すら認識されていなかったまで存す在しているが、すら認できず、どちらもそれ以降は研究されていない。識だった。」とのことだった。ライダ単体では粒径分布が推定できされ以降は研究されていない。ていなかった雲を、衛星データ LSC が名付けた雲を、衛星データ高緯度など）の情報がの観測気候を調整している可能性があることが分かった。に影響を与えないはずである。しかし、過冷を及ぼす可能性を示す。この解析期間はすこと我々が名付けた雲を、衛星データが名付けた雲を、衛星データできた雲を、衛星データ。
次に、年度など）の情報がに向が真下方向に向いている。送光方向はこの間け、LSC の観測その観測場観測の観測手はずや、それを解析するためのパーセルモデルの開発をはずや、それ以降は研究されていない。を解析を行いその性質を明らかにすることである。するた雲を、衛星データめの観測パーセルされている。モデルされている。の観測開発をを行いその性質を明らかにすることである。っている。LSC の観測生成過程の解明につながる研究が出来ればよいと考えている。の観測解明らかにすることである。につなが名付けた雲を、衛星データる研究の目的は、が名付けた雲を、衛星データ出すため、（来ればよいと考えている。れ以降は研究されていない。ばよいと我々が名付けた雲を、衛星データ考えている。えている。
成果報告
学会発を表しており、
岩崎杉紀、岡本創、佐藤可織、片桐秀一郎、藤原正智、柴田隆、坪木和久、小野貴司、杉立な事象であれば、卓治、可視し信では判別できないほど薄い雲が他の雲に与える影響、日本気象学会春季大会、つくば市、できないほど薄いため、それ自体では放射や水い雲が名付けた雲を、衛星データ他の雲に与える影響、日本気象学会春季大会、つくば市、の観測雲に与えないはずである。しかし、過冷える影響を与えないはずである。しかし、過冷、日のド本気象であれば、学会春季大会、つくば市、2018 年 5 月から 16 日のド。
瀬口貴文、岩崎杉紀、鴨川仁、岡本創、石元裕史、牛山朋來、積乱雲の観測雲頂から飛び上がる巻雲：から飛び上がる巻雲：び上がる巻雲：上が名付けた雲を、衛星データる巻雲：Jumping
Cirrus の観測観測と我々が名付けた雲を、衛星データ定でき量的解析を行いその性質を明らかにすることである。による特徴、日のド本気象であれば、学会春季大会、つくば市、2018 年 5 月から 17 日のド。
瀬口貴文、岩崎杉紀、鴨川仁、岡本創、石元裕史、牛山朋來、Jumping Cirrus の観測地上観測と我々が名付けた雲を、衛星データ衛星データ・ラジオ
ゾンデ・地上レーダーによる定でき量的解析を行いその性質を明らかにすることである。、日のド本気象であれば、学会秋季大会、仙台、2018 年 10 月から 29 日のド。
岩崎杉紀、藤原正智、柴田隆、内野修、森野勇、岡本創、佐藤可織、片桐秀一郎、坪木和久、小野貴司、杉立な事象であれば、卓治、Large-Sparse Cloud （図粒径大きく個数密度など）の情報が少ない雲）のない雲）の観測 CPS ゾンデと我々が名付けた雲を、衛星データライダの観測同時観測結果、日のド
本気象であれば、学会秋季大会、仙台市、2018 年 10 月から 31 日のド。
投稿論文
Seguchi, T., S. Iwasaki, M. Kamogawa, T. Ushiyama, and H. Okamoto, 2019: Observation of jumping
cirrus with ground-based cameras, radiosonde, and Himawari-8. J. Meteor. Soc. Japan, 97,
https://doi.org/10.2151/jmsj.2019-033.
Iwasaki, S., T. Seguchi, H. Okamoto, K. Sato, S. Katagiri, M. Fujiwara, T. Shibata, K. Tsuboki,
T. Ono, and T. Sugidachi, Large-and-Sparse-particle Cloud (LSC): subvisible clouds detected by
space-borne cloud radar above supercooled clouds at high latitudes, Polar Science, revised.
# 瀬口（図Seguchi）が名付けた雲を、衛星データ筆頭著者に本結の観測もの観測は、2017 年度など）の情報がに共同利用いたで支援して頂いた成果。して頂から飛び上がる巻雲：いた雲を、衛星データ成果。

57

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑22沿岸波浪と GNSS 反射信号との対応関係の観測

京都大学大学院理学研究科 根田昌典
目的平成 28 年度に実施された文部科学省国家課題対応型研究開発推進事業宇宙航空科学技術推進委託費では，沿岸波浪と GNSS 反射波の関連性を調査するための基礎的な観測を実施し，検証のための波浪ブイの観測精度や沿岸や外洋の波浪の統計的な性質の抽出の信頼性の検討を行った．これまでに実施した，
GNSS レシーバを用いた観測結果を踏まえ、波浪が GNSS 反射波に与える影響についての反射波信号と波浪の状況の比較検討を行う．また，既存の波浪観測データを用いて，2 次元スペクトルや波浪スペ
クトルの高次モーメント量などから風波とうねりの分離と風波発達に対するうねりの影響評価を行う．
さらに、新たに海面直下の乱流観測を実施するための試験観測を行い，GNSS 観測による波浪の影響評
価の拡張の可能性を検討する。
研究の実施体制
本研究は以下の体制で実施した．
研究代表者：根田昌典：京都大学大学院理学研究科 助教
研究協力者：花房秀哉：京都大学大学院理学研究科 修士 2 年
所内世話人：市川香：応用力学研究所 准教授
手法と結果の概要
本研究では，波浪と GNSS 反射波の関連性を調査するための継続的なデータを取得するために，京都大学防災研究所流域災害研究センター白浜海象観測所の田辺中島高潮観測塔（2017 年 9 月まで）と水資源機構琵琶湖開発総合管理所が所轄する安曇川沖総合自動観測所（2017 年 3 月まで）に GNSS レシ
ーバーを設置した連続観測を行ってきた．今年度は，2017 年 1 月 7 日に琵琶湖北西岸の安曇川河口において実施した試験観測データを用いて GNSS 反射波を用いて海面高度を算出した結果について投稿
論文にまとめ、受理された．解析した経路差に現れた摂動は，その周期や大きさから湖面の波浪の波形勾配が影響しているという結果が得られ、波浪の状況の重要性が示唆される．
波浪の状況は、それによる海面の状態変化が経路差に影響する一方で、その影響を評価することができれば、海面表層の波成乱流の評価につながる可能性がある。このことから、昨年度から継続している
うねりと風波の分離観測の解析に加え、今年度は波浪と海表面乱流の同時観測を試みた。
まず、昨年度研究で行った、うねりと風浪の分離手法の高度化により 2014 年 2 月から 3 月にかけて北西太平洋において実施された白鳳丸研究航海(KH-14-1)で行われた波浪観測データを中心とした波浪データを解析した．波浪観測にはこれまで本研究で利用してきたゼニライトブイ（株）社製のGPS 波浪ブ イを用 いた． 昨年ま での 解析で は， Kalma andCalkoen (1992)が提唱した擬無次元波浪エネルギーを利用して，うねりの存在下での風浪の発達度について調査したが，波浪観測
データに性質の良くないデータが含まれることや外洋域でのフェッチをどう推定するかが課題であった。そこで観測された波浪から風波成分を抽出し、波浪エネルギーの尺度である equilibrium
spectral range parameter と波齢との関係を調べることで異常データを検出し（図 1）、Mitsuyasu and Rikiishi (1978)などによるフェッチと吹走時間の関係を考慮して無次元フェッチを求めた。
この結果を用いて比較すると、既往研究の通り、無次元風波エネ
ルギーと非常に良い対応関係を得た（図 2）。これにより外洋域についても妥当なフェッチを計算可能であることが確認できた。

58

図１：KH-14-1 で得られた equilibrium
spectral range parameter と逆波齢の関係。図中(a)は対数空間での回帰直線からの偏差の度数分布を示す。(b)は回帰式からの 2 倍の範囲外の値を除いた場合の分布であり、(b)の方が標準分布に近い。

得られたフェッチを用いて Kalma and Calkoen (1992)が提唱した擬
無次元波浪エネルギーを利用して，うねりの存在下での風浪の発達度について調査したところ、うねり成分を抽出して得られた有義波の波形勾配との関係はより明瞭になり（図 3）、うねりの存在によって波浪発達へ影響があることが確認された．
今年度はさらに、波浪と波成乱流の同時観測を目指して、Nortec
社製の慣性センサー付き精密 3 次元流速計(Vector)を本研究の経費で購入・作成した浮体システムに装着し、新青丸航海 KS-18-13（代表：小松幸生博士）において海面乱流フラックスの直接観測と波浪観測の同時観測を実施した（図 4）．Vector 内部に装着した慣性計の観測データを用いて Edson et al.(1998)が開発した船上における大気乱流の渦相関法の計算手法を応用して， 流速計の動揺による見かけ上の観測成分を除く方法を開発した。
この方法で海面直下 1.4m の 62.5Hz
での 3 次元流速変動を復元したところ、波浪に伴う流速変動とともに高周波流速変動を得ることに成功した。その結果の周波数スペク
トルから、表面波に伴う流速変動に相当する周波数帯のパワーは時間的に安定しているものの、散逸過程にある周波数帯の流速変動は時間的に変化していることが分かった（図 5）。今後はここから得られた流速データから、水位変動に伴う流速成分と乱流成分とを分離し、波数スペクトルを求めることが課題である。

図 2：無次元フェッチと無次元
風波エネルギーの対応

図 3：疑似無次元エネルギーとうねりの波形勾配の関係，点の色はうねりと海上風のなす角度を表す

本研究の成果を含む研究発表
原著論文
 Ichikawa K., T. Ebinuma, M. Konda, K. Yufu (2019): Low-Cost GNSS-R
Altimetry on a UAV for Water-Level Measurements at Arbitrary Times andLocations, Sensors (accepted on Feb. 20, 2019)査読有口頭発表 Konda M., K. Kutsuwada, N. Suzuki, K. Ichikawa, 2018: The change ofthe energy of wind wave under the influence of swells observed by the
GPS wave buoy, JPGU2018, ATT32-P06,2018 年 5 月 21 日,千葉県千葉市
 市川香，海老沼拓史，李梓原，堤英輔，根田昌典(2018): Error budget of
図 4：Vector 観測システム
GNSS-R altimetry on a multicopter, JPGU2018, ATT32-P02,2018 年 5 月の外観
21 日,千葉県千葉市
 奥村立樹，市川香、海老沼拓史，李梓原，根田昌典，吉川裕，馬場康 之 (2018): Wind-independent periodic variations of signal
intensity of a geostationary GNSS satellite observed at an ocean
observation tower, JPGU2018, ATT32-P03,2018 年 5 月 22 日,千葉県
千葉市
 根田昌典，矢島啓，市川香，由布圭，馬場康之，水谷英朗，久保輝広, (2018): 波浪に伴う海面直下の 3 次元流速場の変化の観測, 名
古屋大学 ISEE 共同利用研究集会「大気海洋相互作用に関する研究集
図 5：Vector によって観測された鉛直会」、2018 年 12 月 16 日、京都市左京区
流速のスペクトルを示す。各色は 1
観測を約 2 分間毎に分割した部分デ 根田昌典，矢島啓，市川香，由布圭，馬場康之，水谷英朗，久保輝ータを表す。水面変異は約 0.25Hz で広 (2019): 外洋域における海面直下の 3 次元流速変動の観測についある。1Hz から 10Hz 程度までは時間的なパワー変動がみられる。
て, 名古屋大学 ISEE 共同利用集会 海洋波および大気海洋相互作用に関するワークショップ, 2019 年 3 月 4 日―5 日、名古屋市千種区

59

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑23

インド亜大陸東北部における大気鉛直構造の解明
東京大学生産技術研究所

木口 雅司

１．研究の目的
アジアモンスーン域の一角であるインド亜大陸東北部は、世界最多降水量の記録を持つインド・メガ
ラヤ州チェラプンジがあるシロン高地や、その世界最多降水量がもたらされるシロン高地からの雨が一気に流下するメグナ川流域、チベット高原から下るガンジス川、ブラマプトラ川という巨大河川の河口域に当たるバングラデシュ、そしてチベット高原から流下するブラマプトラ川の中流域にあたりアジア
モンスーン域で最も早くから降水現象のあるインド・アッサム州を含み、多量の降水、世界的大河川の集まる、地球水循環を考える上で重要な地域である。また、対流活動が活発であり、竜巻を引き起こす
小規模な積雲対流活動などの擾乱が成層圏に流入する水蒸気量に影響を与えている。そのため、研究対
象地域における大気鉛直構造の解明は重要である。
本研究では、高層ゾンデ観測や高高度の水蒸気測定が精度よく観測できる Snow White、全球雷デー
タなどの観測データと総観気象場とを組み合わせた解析を実施し、研究対象地域における大気鉛直構造の解明を目指す。
２．研究の手法
バングラデシュ気象局の高層気象観測やインド亜大陸北東部に展開されている官署の雨量観測デー
タ、レーダ観測データなど地上観測データを用いて、プレモンスーン期とモンスーン期における擾乱現
象を捉え、積乱雲の存在の有無が分かる全球雷データ(WWLL、http://webflash.ess.washington.edu/)を用いて、その要因が積乱雲によるものかどうかを判定する。2007 年に集中高層気象観測で取得された 6
時間データや通常用いられているゾンデより上層の湿度測定が可能である Snow White を用いて取得された水蒸気データ、衛星データ(EOS MLS, AIRS 等)を用いて、プレモンスーン期とモンスーン期の擾乱現象が発現しているときとそうでないときの詳細な大気鉛直構造を明らかにする。さらに、擾乱現象が発現しているときとそうでないときの総観気象場を、NCEP/NCAR や ERA40、JRA55 を用いて示し、その大気鉛直構造がどのように形成されるのかを解明する。
昨年度は収集・整理したデータを用いてより詳細な大気場の時空間変動に着目し、小規模な積雲対流活動に関連する現象を解明したので、今年度は複数年における対流不安定性と物質輸送の観点に基づく解析を実施した。
３．結果
今年度は、2005～2013 年の全球雷データ、降水強度、対流不安定を用いて、本研究対象領域を中心に解析を試みた。降水強度の指標として TRMM 3B42 を、対流不安定の指標として ERA Interim の
500hPa 面の飽和相当温位と 925hPa 面の相当温位の差(つまり、θe*_500-θe_925 で計算され、差が小さいほど不安定であることを示す。) を用いた。まず東経 87.5～92.5 度平均の緯度時間断面図を、上記の 3 つについて示す。なお、年々変動が大きいため、代表として 2007 年を示す(図 1)。対象地域における雷の数はプレモンスーン期に間欠的に活発化し、モンスーン期に入ると 7 月中旬までは周期的に活発であるがその後収束していく。昨年度の解析では月単位での解析だったためこのような季節内変動をえることはできなかった。一方、降水強度はプレモンスーン期の間欠的な降水現象と一致している。また
9 月中旬～下旬まで活発な降水活動が見られ、その後も 10 月まで周期的な降水現象が見られている。
このポストモンスーンの降水活動はこれまであまり研究されておらず、今後取り扱っていきたい。大気の安定度を見ると、プレモンスーン期に不安定で、その後モンスーン循環が卓越すると非常に安定した場が継続していることが明瞭にみられる。5 月初旬までは大気が不安定になると降水が見られ、雷も発生しているが、モンスーン期になるとそのような関係がまったく見られなくなる。このことはこれまでの解析で得られた、擾乱の特性の違いが関係していると考えられる。
大気の安定度は降水活動によって解消されると考えられるため、時間分解能を上げた解析が必要である。そこで、ERA Interim の時間分解能である 1 日 4 回(00, 06, 12, 18UTC)等に解析を分け、さらに対象領域内における地形の複雑性を除くため、インド・西ベンガル州の一部を含むバングラデシュ低地に領域を絞って、日変化について解析した(図 2)。雷回数ではプレモンスーン期には夕方にピークが明瞭に出ている一方、6 月や 10 月には朝方にもピークが見られる。降水強度は、09UTC（早朝）と 18UTC（お昼）にピークを持つ。対流不安定については、12UTC（朝）にピークが見られており、これらのことから対流活動がどのように発達するか、さらに解析を進めることで明らかになる道筋を得ることができた。
つづいて、雷発生数、降水活動、大気の安定度の関係を調べるために、上述した日変化を用いてそれぞれの事例を散布図に示した(図 2（右下）)。1mm 以上の雨を対象として、対流不安定と雷回数との関係を調べた。大気が比較的安定している場合でも雷の回数は多く、関係性が明瞭に見られなかった。対流不安定の指標そのものを改めて検証する必要があると考えられる。

60

図 1：（左上）雷の回数、（右上）降水強度、（左下）500hPa 面の飽和相当温位と 925hPa 面の相当温位の差（対流不安定の指標）の、2007 年における東経 87.5～92.5 度平均の緯度時間断面図。

図 2：（左上）雷の回数（LT）、（右上）降水強度（UTC）、（左下）対流不安定の指標（UTC）の、領
域平均（北緯 22.5～25 度、東経 87.5～92.5 度）の日変化。
（右下）対流不安定（横軸）と雷回数（縦軸）の各降水強度ごとの散布図。
４．まとめ
今年度は、複数年における対流不安定性と物質輸送の観点に基づく解析を実施した。その結果、プレモンスーン期の大気が不安定な時期に間欠的に雷回数が増加し、その結果、降水強度も増加している関61

係が明瞭に見られた一方、モンスーン期がプレモンスーン期に比べて大気が安定しているにもかかわらず雷の回数が多かった。さらに、擾乱の発赤メカニズムの解明に迫るため、日周期についても検討した。
その結果からは、年を通じて同じ高さの大気の状態の差を対流不安定の指標としていることが、明瞭な関係を示すことを妨げていることが考えられ、実際の鉛直構造をより詳細に解析する必要があることが分かった。
今後は、これらの季節内変動や経年変動を、ERA-interim、JRA55 といった再解析データによる環境
場や地上気象観測データやレーダデータによる発生機構を明らかにし、その積雲対流の発生する場の鉛直構造を総合的に解析する。「プレモンスーン期における大気不安定度の季節内変動」、「バングラデシ
ュにおける降水システムの発生・発達機構の解明」、「夏季アジアモンスーンにおける微量気体成分の季節内変動と年々変動」の結果をそれぞれ論文として出版することを最終的な目標とする。また、ポスト
モンスーン期の降水活動はこれまでサイクロンに注目が集まり、総観場からの解析が少なかったので、今後の課題としたい。
５．研究組織
研究代表者
研究協力者
研究協力者
研究協力者

木口 雅司
江口 菜穂
村田 文絵
林 泰一

東京大学生産技術研究所 特任准教授
九州大学応用力学研究所 助教
高知大学理工学部 講師
京都大学東南アジア地域研究研究所 連携教授

62

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑24

浅海域用水中グライダーの動作試験と運用に関する研究
長崎大学・水産学部

森井康宏

計測結果の一例として垂直尾翼のラダー角度に対1．はじめにする回頭モーメント係数を Fig. 2 に示す。舵角 25

環境変化の予測，環境保全に関する研究のためには、深い海域だけでなく沿岸の水深 50m 以浅の度程度までは失速せず、回頭モーメントは舵角に比超浅海域の海洋データも必要である。従来の手法

例することがわかる。ただし、本係数値は垂直尾翼

としては係留ブイや観測船による観測が考えられを矩形翼に近似して得られる推定値より小さい値

るが多点観測に時間がかかりコストも非常に高い。

となることがわかった。

そこで、浅海域で使用可能な水中グライダーを開発し、観測コストの低減を図りたい。水中ビークルの開発には模型による水槽試験のみならず実機を使用した水槽試験や実海域試験が不可欠であり、開発を行うビークルの運動性能や制御性能に関する試験を共同で実施する。
本年度は、円盤型水中グライダーに取り付けた
Fig. 2垂直尾翼が発生する流体力の計測、深海機器力学計測された流体力係数

実験水槽において実施された直尾翼付き円盤型水中グライダーの針路保持制御実験、水中ドローン

３．水槽における垂直尾翼付き円盤型水中グライダ

に関する情報収集、水中ビークルの運用に欠かせー（実機）の針路保持制御実験
2 章で得られた流体力係数を使用して針路制御ない母船のオートパイロットに関する情報収集に

LQI コントローラを設計し水槽で性能検証試験をついて報告する。

行った（Fig. 3）。
２．円盤型水中グライダーに取り付けた垂直尾翼が発生する流体力の計測
浅海域でのバーチャルモアリングを可能とするには既存のバーチャルモアリング用円盤型水中グライダーに垂直尾翼を取り付けビークルの旋回性
能（針路保持性能）を格段に向上させる必要がある。
そこで、運動シミュレーションや運動制御コントローラを設計するのに必要な垂直尾翼が発生する流
体力の計測を 1/4 スケールの模型を使用して行った（Fig. 1）。

Fig. 3垂直尾翼付き円盤型水中グライダー（実機）

ラダー角を 0 度とし、ビークル内に搭載された重心移動装置によりビークルの重心を左右に移動し、ビークルをヒールさせることにより針路保持制御を行った結果を Fig. 4 に示す。ビークルに取り付けた安全索を引っ張ることにより発生する回頭モー
メントを外乱とした。
垂直尾翼がなく制御を行わない場合は外乱によFig. 1

垂直尾翼が発生する流体力の計測

り針路（ビークルの回頭角）が大きくずれてしまう

63

ビークルに搭載されたソナー（Fig. 6）は障害物

が、垂直尾翼と制御の効果により外乱に対して針路保持が行われていることがわかる。

を避ける上でビークルの運用に非常に有用である
ことや、小型の ROV では流れに対するホバリング性能を確保することが困難であることなどがわかった。また、小型ビークルの母船からの位置情報の確保手法について情報を得ることができた。
5．オートパイロットに関する情報収集2019 年 2 月 22 日に東京計器を訪問し、水産学部

漁業練習船「長崎丸」に搭載されているオートパイ
ロットに関する詳細情報を収集した。

Fig. 4垂直尾翼付き円盤型水中グライダーの針路保持制御実験結果

４．水中ドローンに関する情報収集2019 年 2 月 21 日、横浜・大桟橋ホールで開催されたブルーアース・テク 2019 に参加し、水中ドロFig. 7ーン（Fig. 5）に関する情報を収集した。

東京計器におけるオートパイロットに関する情報収集

PID 制御における荒天時のゲイン調整方法やアダプトモード時の制御方法について質問し、モード切替時には PID 制御とアダプト制御間の連続性はないこと、旋回時の切り替えは推奨しないこと、アダプトモードはいわゆる適応制御を行っているわ
けではないことなどがわかった。水中ビークル運用
時やビークル投入・回収時の操船に有用な情報を得ることができた。
6．研究組織Fig. 5 水中ドローンのオペレーションデモ・研究代表者
森井康宏（長崎大学水産学部教授）
・研究協力者
山脇信博（長崎大学水産学部）ほか 9 名
中村昌彦｛所内世話人｝、野田 穣士朗（九州大学応用力学研究所）

Fig. 6 ビークルに搭載されたソナー映像

64

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑25

CloudSat 地表面データによる衛星搭載雲レーダプロダクトの評価手法の開発	
 名古屋大学宇宙地球環境研究所	
  高橋	
  暢宏	
 

目的	
 
本研究は 2019 年度に打ち上げ予定の EarthCARE 衛星に搭載される雲レーダやさらに将来に計画される衛星搭載の雲・降水レーダのミッションに向けて、地表面（特に海表面）の散乱断面積の推定手法の検討を行う
ものである。応用力学研究所の岡本教授のグループと連携し、同研究グループが開発している雲レーダアル
ゴリズムの高度化にこの知見を生かすことを目的とする。	
 研究の具体的方法	
 衛星搭載雲レーダからの降水量や雲水量を定量的に推定するためには、雨や雲による電波の減衰を考慮する必要がある。衛星では、上空から下方に向かって観測を行うため、地表面（海表面）からの散乱強度は減衰補正のための格好の境界条件として用いられるが、地表面の散乱強度は地表面状態に依存しており、その特性を正確に把握する必要がある。本研究では、人工衛星搭載雲レーダの利用を想定して、これまであまり研究がなされていない雲レーダで用いられている周波数（94GHz）における地表面（特に海表面）の散乱断面積に関する研究を行う。	
 具体的には、CloudSat 衛星搭載雲レーダが実際に観測したデータを用いた解析を行う。雲や雨の減衰の影響を除去した地表面散乱断面積を推定するために、標準プロダクトにある（雲や雨の減衰の影響をうけた）規格化散乱断面積と雲の有無判定フラグを用いることで減衰の影響を受けたものとそうでないものに分類し、統計的な比較を行う。さらに、衛星や再解析データによる地表付近の風のデータを用いたデータベースを構築することにより、汎用性の高いプロダクト作成に結び付ける。	
 研究成果報告	 1. AMSR2 海上風速と CloudSat 地表面散乱断面積(σ0)の関係
GOM-W 衛星と CloudSat 衛星は同じ A-TRAIN 軌道で観測している
ため、GCOM-W 搭載のマイクロ波放射計（AMSR2）と CloudSat 衛星搭
載雲レーダ（CPR）は時間を置かず、同じ領域を観測可能である。そこで、AMSR2 から得られる海上風速（JAXA 標準プロダクト）とCloudSat からの海表面のσ0 の関係を調べた。方法は、同じ軌道での両センサのマッチアップをとり、海上風速と散乱断面積を CPR の
liquid	 water	 path（LWP）により分類した。	
 	
  雲なしの条件での海上風速とσ0 の関係は、非常に高い相関図 1.   海上⾵風速と CloudSat のσ0（0.84）を示した。また、両者の関係はσ0＝-3.5*ln(U)＋13.5 との関係（雲なし時）

65いった関係式で表すことができることがわかった。標準偏差は約 1.2ｄB であり、これは LWP の値がおよそ
150	
 gm-2（Sassen	
 and	
 Liao,	
 1996 の関係式に基づく）に時に対応するため雲レーダの減衰補正に活用するた
めには、それよりも十分大きな LWP の時のみに使えることがわかる。また、風速がおよそ 4m/s 以下では標準偏差が大きくなり、大きな誤差要因となることがわかった。さらに、CloudSat の標準プロダクトにある LWPの大きさでσ0 と風速の関係を分類すると、LWP によるトータル減衰量を推定でき、LWP の推定の評価できる。	
 2. GPM 二周波降水レーダ（DPR）による統計的な雨滴粒径分布推定手法の開発と衛星搭載雲レーダへの拡張
DPR の雨滴粒径分布推定アルゴリズムの評価のために、統計的な手法で解析を行った。この手法は、Ku-bandのレーダ反射強度因子 Z（mm6m-3）と Ka-band の Z の差が Mie 散乱の効果の差に依っていることを利用して、両者のヒストグラムを比較することにより雨滴粒径分布のモデルを推定できる。ここでは、雨滴粒径分布のモデルパラメータとして、ｋ=εαZβ関係を規定するパラメータεを用いる。ここで、k は減衰係数（dB/km）,
Z は、	
 α、βは定数である。それぞれのヒストグラムを作成し、両者のヒストグラムの差を説明できるεを探すというものである。この手法によってεを決定する。このεを用いて w-band	  の Z のヒストグラムも再現できる。また、DPR では Ku-band と Ka-band が同時に同じターゲットを観測していることから、統計的な手法と瞬時データによるεの比較が容易である。なお、今回の解析では、exceedance	
 probability を用いた。	
 	
  統計的な手法による平均的なεと瞬時データのεの平均を比較したところ、両者に高い相関があること確認でき、統計的な手法によるεの推定が可能とあることがわかった。Ku-band のヒストグラムから,様々なεに対して雲レーダの周波数である w-band でのヒストグラムを再現した。再現した w-band のヒストグラムを見ると、Ku-band のヒストグラムと w-band のヒストグラムはほぼ交わることなく、平行移動で近似できることがわかった。この結果は、例えば CloudSat と TRMM の組み合わせによりεの推定可能性を示しており、2 周
波観測がない TRMM 時代における雨滴粒径分布パラメータの検証・高精度化にも寄与できる。	
 参考文献：	
 Sassen,	 K.,	
 &	
 Liao,	
 L.	
 (1996).	
 Estimation	
 of	
 Cloud	 Content	  by	
  W-Band	
  Radar.	
  Journal	  of	  Applied	
 Meteorology	
 (1988-2005),	
 35(6),	
 932-938.	
 Retrieved	
 from	
 http://www.jstor.org/stable/26187910	
 研究成果報告：	 Takahashi,  N.,  Overview  of  the  TRMM/EOM
experimental  data  analysis,  PMM  Science  team  meeting,
Phoenix,  Oct.  2018.
Takahashi,  N.,  Statistical  validation  of  drop  size
distribution  estimated  by  GPM/DPR,  JpGU  2019,  May図 1.   GPM/DPR の Ku と Ka のヒストグラ

2019.

ムと W におけるヒストグラムの範囲

66

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑26

衛星搭載ライダーデータを用いたエアロゾル・雲プロダクト推定アルゴリズムの高度化と地上検証に資する観測研究（30AO-26）
国立環境研究所 西澤智明
九州大学応用力学研究所 岡本創
九州大学応用力学研究所 佐藤可織
九州大学応用力学研究所 藤川雅大
要旨
衛星搭載ライダーデータを用いた大気粒子プロダクトを生成する解析アルゴリズムの高度化やそれらプロダクトの地上検証に資するデータ解析技術や観測技術の開発・改良を主眼とし、多視野角・多重散乱ライダーの改良技術の考案及び試験を行った。偏光信号を独立した受信望遠鏡で個別測定する現行のシステムを改良し、それらを一体化して測定する受信システムを考案した。試験測定により良好な結果を得ている。また、本考案の受信システムは波長 532nm だけではなく波長 355nm においても同様な測定が可能であり、多波長測定化が可能である。
序論
温暖化をはじめとする地球気候への大気粒子（エアロゾルや雲）の影響評価を主目的の一つとして、大気粒子の時間・水平分布と共にその鉛直構造も測定可能な能動型センサー「ライダー」を搭載した衛星観測が進行している。2006 年打ち上げ後、現在も運用中の CALIPSO 衛星搭載の２波長偏光ミー散
乱ライダーCALIOP（NASA）による全球大気粒子観測の後継として、欧共同地球観測プロジェクト
EarthCARE では高スペクトル分解ライダーATLID による全球観測が 2021 年から開始される。光学的に厚い粒子層（雲や発生域での鉱物ダスト層など）からのライダー信号には、粒子からの一次散乱成分と共に多重散乱成分が多く含まれ、多重散乱成分の取り扱いは今尚難しい。よって、雲・エアロゾル
パラメータの推定アルゴリズムにおいて多重散乱成分をどう考慮するべきかは重要な研究課題となっている。特に、衛星搭載ライダー信号に対する多重散乱の影響は地上ライダー計測に比して大きいため、衛星搭載ライダーデータの解析ではより重要となる。この問題に対し、科研費 A 課題（H25-H28,
課題代表：岡本教授）にて、CALIOP のレーザー波長である 532nm での単波長レーザーを用いて多重散
乱成分を独立測定するライダー（多視野角・多重散乱ライダー）を九大・環境研で共同開発し、地上観測研究を実施した。そして、この観測研究の発展として科研費 S 課題（H29-H33,課題代表：岡本教授）が立ち上がり、そこでは ATLID の解析・検証を念頭にして、波長 355nm での多視野角・多重散乱
ライダーが情報通信研究機構（小金井市）の構築が計画された（九大・環境研で共同開発）。
上記背景を踏まえ、本研究では、衛星搭載ライダーデータを用いた大気粒子プロダクトを生成する
解析アルゴリズムの高度化やそれらプロダクトの地上検証に資する観測技術やデータ解析技術の開発・改良を行う。
実施方法
昨年度の共同利用研究にて（課題番号 29A0-20）、波長 532nm での多視野角・多重散乱ライダーの受信システムの改良手法を考案し（旧システムでは偏光測定を独立した受信系（受信望遠鏡）で行っているが、これを一つの受信望遠鏡で測定する一体化技術）、試作・試験測定を行い、本改良手法が有効であることを示した。そこで、今年度は上記改良手法の実装とその評価を進めた。また、多視野角・多重散乱ライダーの多波長化を企図して波長 1064nm での測定についての検討を進めた。
結果と考察

67

現行の波長 532nm 多視野角・多重散乱ライダーシステム（国立環境研究所構内に設置）に本改良手法を適用した新システムを構築し、連続測定を開始した。多視野角・多重散乱ライダーシステムでは、
直線偏光したレーザーを鉛直上方に送信し、大気粒子による散乱光を小型望遠鏡で集光し、集光した光の強度を検出器（PMT）で測定するシステムとなっている。旧システムでは、小形望遠鏡１つに検出器を 1 つ搭載した一体化構造とし（以下、受信望遠鏡）、全１０本の受信望遠鏡を用いた（全１０ch測定）。送信レーザー（直線偏光）の偏光に対して水平な成分を５つに受信望遠鏡で計測し、また垂直な成分を 5 つの受信望遠鏡で測定する。水平成分と垂直成分を測定する受信望遠鏡を１セットとし、１セットずつ鉛直上向き方向から５つの角度（θ）で傾けて測定する（θ=0,0.6, 1.2, 1.8, 2.4 度）。
結果として、本システムではθ=0 以外の受信望遠鏡では多重散乱光を測定し、θ=0 の受信望遠鏡では多重散乱光に加えて一次散乱光も測定することになる。各受信望遠鏡には偏光シートが小形望遠鏡上端部に取り付けられ、これにより偏光選択（水平か垂直か）がなされている。改良システムでは、1つの小型望遠鏡に水平成分と垂直成分を測定する検出器を取り付け一体化する（計５本の受信望遠鏡を用いて全１０ch での計測を行うため、旧システムと同じ測定チャンネル数となる）。ここでは偏光
シートは用いず、偏光ビームスプリッターキューブを使用する。旧システムでは、個々受信望遠鏡は独立して設置されるため、個々受信望遠鏡の傾斜や偏光（偏光シートの回転角）の精緻な調整と保持が必須となる。特に偏光チャンネル間での傾斜角や偏光のズレは致命的な測定バイアスを生んだ。改良システムではこれらの点が改良されており、調整も簡便でかつ安定・精緻なシステムとなっている。
多視野角・多重散乱ライダーシステムの校正では、全ての受信望遠鏡を鉛直上方に向けて計測することで、個々チャンネル間の相対校正（例えば、ch10/ch1 など）を行い、その後絶対校正を行う（絶対校正の方法については省略する）。波長 355nm での多視野角・多重散乱ライダーシステムの校正デー
タの解析から、相対校正値の時間安定性が確認されている。
上記の多視野角・多重散乱ライダーシステムの改良として、光ファイバーを用いたシステムも検討した。本ライダーシステムでは受信望遠鏡を傾けるため、安定性の確保から、受信望遠鏡は軽量が望ましい。そこで、偏光ビームスプリッターで光分岐したのち、光ファイバーによって検出器へ送ることで、受信望遠鏡と検出器を一体化する必要はなくなり、軽量化が望める。また、同時に受信望遠鏡
自体の小型化も図れる。波長 1064nm の多重散乱ライダーシステムでは検出器としてアバランシェフォ
トダイオード(APD)を用いる。ライダー計測で広く用いられている市販の APD モジュールは大型（かつ重い）の物が多い。よって、波長 1064nm への拡張においては、光ファイバーを用いたシステム構築が有効と考えられる。
成果報告
１）Nishizawa T.,Kudo R., Oikawa E.,Higurashi A.,Okamoto H., Current status on algorithm
developments for Japanese L2 products of the EarthCARE mission, CloudSat/CALIPSO Annual Science
Review,2018.4., Boulder, USA.
２）Okamoto H.,Sato K.,Ishii S.,Aoki M.,Nishizawa T.,Sugimoto N.,Jin Y.,Ohno Y.,Horie H.,
Next-generation-synergetic-observation-system for the unified analysis of CALIPSO, ADM-Aeolus,
and EarthCARE-ATLID, 19th Coherent Laser Radar Conference, 2018.6, Okinawa, Japan.
3) Okamoto H., Sato K., Katagiri S., Fujikawa M., Nishizawa T., Sugimoto N., Jin Y., Shimizu
A., Ishimoto H., Application of multiple-scattering polarization lidar for the evaluation of
space-borne lidar algorithms, EPJ Web of Conferences, 176, 10.1051/epjconf/201817602014, 2018.
4) 藤川雅大、岡本創、佐藤可織、片桐秀一郎、西澤智明、杉本伸夫、神慶孝、MFMSPL を用いた雲相識
別手法の検証、日本気象学会 2018 年度春季大会、113, pp63-63, 2018.5、茨城県つくば市

68地球環境力学分野
一般研究

30AO‑27日本沿岸域における高解像度塩分動的マップの作成手法の開発
中田聡史

国立環境研究所地域環境研究センター

１．目的
河川から沿岸海洋生態系への栄養塩パスとして機能する河川プリューム(低塩分水)を空間的かつ定量的に把握することは重要である。将来、特に気候変動による台風凶暴化や豪雨激化が予想されており、それらによる海洋環境への影響を把握することの重要性は増している。
近 年 、 海 面 塩 分 (Sea Surface Salinity: SSS) 測 定 セ ン サ ー が 搭 載 さ れ た 衛 星 ( 例 え ば 、
SAC-D/Aquarius 等）により、SSS データが面的に入手できるようになり、SSS マップからアマゾン川といった世界的な大河川からのプリュームを可視化できるようになった。しかし、このような衛星 SSS プロダクトの水平分解能は数十 km であるため、日本沿岸域において形成されるプリュームを観測するには分解能が粗く観測エラーも大きいため困難である。
これまで我々は、河川プリュームに含まれる有色溶存有機物(CDOM)と SSS との間に高い相関関係があることに注目して、静止海色衛星「千里眼」GOCI-COMS プロダクト(水平解像度約 500 m)から得られた CDOM マップデータを使って SSS マップを推定する手法の開発を進めてきた。本プロジェクトの最終目的は、静止海色衛星によって日本沿岸域全域をカバーできる高空間分解能の衛星 SSS データセットを整備することである。現段階では、比較的現場塩分や CDOM データが多く得られている海域、対馬海峡沿岸域、厚岸湾や噴火湾を含む北海道沿岸親潮域、若狭湾や富山湾といった対馬暖流域、大阪湾・紀伊水道等における SSS マ
ップが整備されてきた。
今年度は、解析領域を瀬戸内海全域に加えて日向灘およびその黒潮域にも拡張した。また解析期間もさらに延長し 2018 年まで収集できる観測データも用いて比較検証を実施した。昨年 12 月末に海色衛星「しきさい」のプロダクトの利用も開始した。昨年は、平成 30 年 7 月
豪雨や台風 21 号といった気象災害による洪水が多発した。本報告では、これらの洪水出水により海洋環境へどの程度影響があったのかを検討するために実施した衛星 SSS マップの解析
結果を報告する。その一例として、瀬戸内海全域と日向灘および黒潮域における解析結果を
紹介する。
２．方法
一昨年度より関係機関（各府県の水産試験場や大学）に表層海水の採水を依頼して、瀬戸
内海や日向灘における海水分析を実施、現場塩分および CDOM データが収集されている。それらのデータに基づいて、SSS―CDOM 推定式を湾灘毎に作成した。そして、GOCI-COMS
プロダクトから CDOM マップを作成し、SSS―CDOM 推定式に基づいて対象海域における
SSS マップを作成・整備した。そして、平成 30 年 7 月豪雨前後の期間(6/20～7/14)や台風 21号襲来前後の期間(9/3～9/5)における SSS マップに基づき河川プリュームの動態を解析した。

69

３．結果と考察
図１は平成 30 年 7 月豪雨前の期間(6/20～6/27)と豪雨後の期間(6/28～7/14)における SSS マップである。豪雨前後を比較すると瀬戸内海および日向灘においては塩分が大きく低下しているのがわかる。特に瀬戸内海西部では、豪雨前に高塩分水塊が豊後水道から伊予灘を経由し広島湾や周防灘にまで分布していたが、豪雨後には分布が大きく南に移動しており、広島湾における塩分低下が顕著となった。一方、瀬戸内海東部では、大阪湾、播磨灘、紀伊水道
における塩分が概ね 30 以下となり塩分低下が顕著にみられた。日向灘や土佐湾では河川プリ
ュームが沖合にまで大きく発達していた。
図２は豪雨前から豪雨後にかけての塩分変化と陸上に降った累積降水量を示している。塩
分変化マップと累積降雨量マップを合成することで、どの地域に降った雨がどのような河川
プリューム(塩分低下域)を形成させたか、すなわち豪雨で大きく影響を受けた海域が一目瞭然に把握できる。例えば、豪雨によりほぼ西日本全域で 300mm 以上の降雨量を示しているが、特に四国山地南側に降水が多かったことがわかる。その結果、土佐湾の塩分低下域が示す河川プリュームが形成されたことが図から読み取れる。同様な見方で、広島湾や日向灘南部海域、豊後水道、伊予灘西部、播磨灘、大阪湾、紀伊水道も豪雨により塩分が３以上低下していることがわかる。このように衛星 SSS マップを用いて豪雨による塩分低下域を描画することで豪雨の影響を受けた海域を示唆することが可能となった。また図３のように、高解像度
データセットの特徴を生かし、大阪湾において形成された淀川と大和川からの河川プリュー
ムをクローズアップして、プリュームの空間的特徴を他の衛星画像と比較することも可能である。図３(右)は、衛星軌道上に１００機以上展開されている DOVE 衛星が撮影した 7/10 における可視画像であり、淀川からの濁水により河川プリュームが可視化されている。図３(左)の海面 SSS マップと比較すると、低塩分域が濁水の分布域とほぼ一致しており、海面 SSS マップに現れる河川プリューム分布の妥当性が示されている。
二つ目の解析事例として、平成 30 年台風 21 号が日本列島上陸した時の海面塩分変化を捉えた結果を図４に示す。台風 21 号は、主に瀬戸内海中部や西部、日向灘、土佐湾において塩分低下域を形成しながら通過したことがわかる。図４(上)をみると豪雨後の塩分分布(図１下)と一見よく似ているが、図４(下)をみると大阪湾や播磨灘の一部の海域では逆に塩分が高くなっており、台風による鉛直混合により高塩化したことを示唆している。本研究では衛星 SSS
マップのほかに、クロロフィル a や光消散係数、懸濁物質の衛星マップも整備している。今後これらを用いて豪雨による海洋環境への影響評価も可能だろう。
研究体制
中田聡史（神戸大学） 代表者
千手智晴（九州大学） 所内世話人
広瀬直毅（九州大学） 研究協力者
原田浩太朗（石川県水産総合センター）共同研究者

70

図１(上)平成 30 年豪雨前(6/20-6/27)と(下)豪雨後(6/28-7/14)における期間平均海面塩分マップ。

71

図２

(陸側)豪雨期間における累積降雨量(国土交通省出典)。(海側)豪雨前後における塩分変化(豪雨前 6/20-6/27 の平均塩分値から豪雨後 6/28-7/14 の平均塩分値を引いた差分値)。

図３ (左)大阪湾における豪雨直後(2018/7/10)における海面塩分マップ。(右)DOVE 衛星が撮影した同日の可視画像。

72

図４ (上)台風 21 号襲来後(2018/9/5)における SSS マップ (下)台風襲来前後における塩分変化(9/5 から 9/3 の海面塩分値を引いた差分値)。

73

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑28
富⼭湾沿岸域における対⾺暖流⽔の流⼊に関する研究
富⼭⾼等専⾨学校

商船学部

福留研⼀

⽬的
富⼭湾の季節内の変動に関しては，近年になって，沿岸部の表層では冬季に時計回りの循環，春季から夏季に反時計回りの循環があることが，定置網に設置された流速計による⻑期のモニタリングより報告された．ただし，沖合も含めた流動構造の季節変動の姿については，現在もよくわかっていない．昨
年度は，限られたシップタイムや悪天候時にも観測が可能な XBT を導⼊することで，春季と夏季に湾内の広範囲における流れ場と⽔塊構造の同時調査を実現し，春季の対⾺暖流の流⼊の過程や，夏季から秋季にかけての湾⻄部の渦構造の消⻑に伴って，沿岸の流れ場が反転する様⼦を捉えることができた．
本研究では，対⾺暖流の流⼊過程や渦の経年変動を同様の観測により調査するとともに，過去 13 年におよぶ若潮丸 ADCP による富⼭湾奥の流速観測結果を⽤いて、渦構造が顕著な時期や対⾺暖流の勢⼒や流路との関係について調べた。
観測・データ
富⼭⾼等専⾨学校では実習船「若潮丸」を⽤いて海洋観測も実施しており，富⼭湾のやや湾奥の⽔深
約 700m の地点に設定した CTD 観測点（36.53N，137.10E）では，10 年超に渡っておおよそ毎⽉のCTD 観測および観測点までの往復 ADCP 観測を⾏なっている．この観測に加えて、対⾺暖流の流⼊や流路変化が予想される時期には湾内広範囲において CTD 観測を⾏った．その他随時⾏われる実習航海における CTD・ADCP 観測も⽤いて解析した．
結果・考察
2018 年の 5 ⽉ 31 ⽇、8 ⽉ 21 ⽇、11 ⽉ 6 ⽇および、2019 年 1 ⽉ 22 ⽇ 4 回において、図 1 に⽰した
測点において CTD 観測を⾏った。図 2 に⽰した湾奥の st06 及び st08 の⽔温鉛直プロファイルからは2018 年度は春季の海⽔温上昇が鈍く、対⾺暖流の流⼊のタイミングが例年より遅かった可能性が考えられる。こういった季節的な変化のタイミングのずれは湾内の⽣物環境等に影響することが考えられる
ため、流動場の観測や表層クロロフィル a 濃度の衛星観測とあわせて、その経年変化のインパクトを調べる必要がある。
富⼭湾の流動構造においては、富⼭湾奥の沿岸流の季節変化と海底地形が及ぼす影響に注⽬し、2005
年からの⻑期の観測データを⽤いた解析を⾏った。13 年間で春・夏・秋・冬それぞれ 26・44・25・17回の若潮丸 ADCP 観測で得られた流速データを季節平均し、海底地形の変化の⼤きい海域で区切って⽔平流れ場を⾒積もることで、富⼭湾奥沿岸の表層から中層にかけての流れ場における季節変化と、海底地形が及ぼす影響を評価した。図 3 に 2005 年から 13 年間の ADCP 観測結果を⽤いて作成した、⽔深 16m における季節毎の流動場を⽰した。図中の⽔平ベクトルは、富⼭湾奥で海岸から急激に海底⽔深が深くなって 400m に達するあたりの緯度である 36°49′に境界を設け、境界から沿岸までと境界から沖合の 36°53′までの間で観測された流速データをさらに経度 1°ごとに区画を設けてそれぞれ平均
し、算出している。⽔深 16m の⽔平ベクトル図からは、季節平均した流速は春季と冬季に相対的に⼤きく、岸に平⾏に流れている様⼦が確認できる。夏季や春季に季節平均流速が⼩さくなっているのは、流軸が安定せずに上下していたり、渦など湾のスケールに⽐べて相対的に⼩さいスケールの流動が卓越していることが理由として考えられる。沖合と岸近くの流れの関係に注⽬すると、春季には沖合と岸近くの双⽅で東向きの流れであるのにたいして、冬季には沖合で東向きであるが岸近くでは⻄向きの流れ

74

が卓越するという違いが⾒られた。次に海底地形と流速場の関係を⾒ると、東経 137°9-10′あたりにかけて海底⽔深が浅い領域が沖合に張り出している領域を境に、流れの向きが変化している様⼦が⾒て取れる。この傾向は海底⽔深が 400m より深い沖合の海域で特に顕著であり、⽔深が深いにもかかわらず、海底地形に沿うように流れの向きが変化していることがわかった。これらが海底地形の影響を受けたものか、それとも湾の⻄部と東部で夏季から秋季に観測されるような数⼗キロスケールの渦や対⾺暖流沿岸分枝の蛇⾏などに影響を受けたものなのか、あるいはその両⽅なのかといったことは今回の解析からは判断が難しい結果となった。湾内沖合に現れる渦や対⾺暖流の蛇⾏といった流動構造の変動が沿岸の流動場ならびに河川⽔の影響を強く受けた沿岸表層⽔の輸送にも⼤きく影響を与えている可能性があるため、これらの変動の経年変化を調べる必要が⽰唆された。
Temp.[deg.]

Temp.[deg.]
0

5

10

15

20

25

0

30

0

10

st06

10

Depth[m]Depth[m]

20

30

40

SpringSummerAutumnWinter137˚05'

137˚10'

15

20

25

30

st08

30
SpringSummerAutumnWinter50

図 2．(左)st06 及び(右)st08 における海水温度の鉛直分布

137˚15'36˚55'

10

20

40

50

図 1．CTD 観測点の分布

50

137˚05'

137˚10'137˚15'36˚55'

600

600

0
20

0
20
40
0

36˚50'

成果報告40
036˚50'

福留研⼀，千葉元，⾦⼭恵美「201716mSpring16m
Summer10 (cm/s)

10 (cm/s)

36˚45'
137˚05'

137˚10'36˚45'
137˚15'36˚55'

137˚05'

137˚10'137˚15'年の富⼭湾奥の沿岸流と沖合の流動場の関係について」，⽇本航海学会講演
予稿集，6 巻 1 号 2018 年 5 ⽉ 2 ⽇

36˚55'

研究組織
600

600

研究代表者：富⼭⾼等専⾨学校

0
20

0
20

36˚50'

40

0

36˚50'

40

学科

0

商船

福留研⼀

所内世話⼈：九州⼤学応⽤⼒学研究所
16m
Autumn16m
Winter10 (cm/s)

36˚45'

10 (cm/s)

36˚45'

図 3 長期 ADCP 観測による富山湾奥における水深 16m の流速ベクトル図

75

千⼿智晴

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑29

２０１９年度応用力学研究所 一般研究

「領域海洋モデルによる GNSS-R 技術の海洋観測への応用の高度化」
共同利用研究成果報告書
東京大学

新領域創成科学研究科

海洋技術環境学専攻
1

小平翼

要旨
相模湾内の平塚海洋観測棟では GNSS-R 技術を用いた海面高度、海上風速等の物理量の観測の試みが行われており（GROWTH プロジェクト）、GNSS-R 技術は常時全球モニタリン
グシステムへと発展する可能性を秘めている。本研究では昨年度に引き続き観測条件の詳細な把握を目的に相模湾における流況特性を解析した。データは主に海上保安庁が保守・運営する海洋短波レーダーであり、流速が水平方向に非発散であるという制約を設けた変分法によって品質管理を試みた。また、HF レーダと領域海洋モデルのデータ同化の実施に向け、海洋再解析データを初期値・境界値としたダウンスケーリングモデルを構築した。
2

序論
相模湾は南北方向に約 60km、東西方向に約 55km の大きさを持つ。南部の湾口が北太平洋に面している為、湾の流況は黒潮からの影響を強く受ける。大都市圏近郊立地のため、ヨット競技の実施や海水浴場での海洋レジャー活動に多く利用されている。2020 年東京オ
リンピックのセーリング競技会場にも指定されている。海洋レジャーに加え、漁業も盛んである一方で、定置網が急潮によって被害を受けることが知られている。
このような相模湾内には数少ない海洋観測塔である平塚海洋観測棟が存在し、海洋観測研究にも活用されてきている。加えて、伊豆大島と三浦半島荒埼には海上保安庁が設置した海洋短波レーダー（24MHz）が存在し、水平 1.5km 改造での表層流速の１時間毎の変化を考察することが可能である。湾内の流れ場の変動は南岸を流れる黒潮に影響されることが知られており、大蛇行期である現在は、大島北側に高気圧性の循環流が生まれ、相模湾
内には低気圧性の循環が生まれるていると考えられる(Kawabe and Yoneno,1987)。
本研究では、相模湾の中でも沿岸に近い海域を対象として、短波レーダーと数値海洋モデルを活用して流況特性を考察し、GNSS-R 技術の海洋観測への応用に貢献することを目標とする。短波レーダーを用いた既存研究には日向ら(2003)の研究があるが、対象領域は平塚・江ノ島等の沿岸部から離れているため、平塚海洋観測棟付近の流動場の特性については明らかになっていない。、また、数値海洋モデルについても黒潮流路によって湾内の流れが変動することが考えられるため、現実的な流動場の再現については湾内のみならず、
黒潮流路についても注意を向けることが必要だと考えられる。

76

3

方法
3.1

短波レーダ
伊豆大島と三浦半島荒埼には海上保安庁が設置した海洋短波レーダー（24MHz）が存在している。観測は 1 時間毎に行われ、取得したデータは空間分
解能 1.5km の格子点に内挿され、インターネットを通じて公開されている。
HF レーダーは海面付近の流速に限定されるが、面的に流速データを取得できる
貴重な海洋観測手法であり、活用できれば相模湾内の流れの理解に大きく貢献する。しかしながら、データの品質管理は行われていない。昨年度は 2017 年 11月１日から 12 月 18 日にかけて江ノ島沖に設置した ADCP ブイによる流速データと比較することで HF レーダーの精度についての検討を行った。本年度は三次元変分に基づいてレーダデータに変分 QC を施すことで物理的な整合性を持つ流速場の構築を試みた。
より具体的には、連続の式を満たした上で、次のコスト関数 J を最小化する
ように表層流速の推定値𝑢 ,𝑣 を求める。
𝐽

𝑢

𝑢

,

𝜆

𝑢

𝑣

,

𝑢
2𝛥𝑥

,

,

.

𝑣

,

𝑣

,

𝑣
2𝛥𝑦

,

なお、𝑢 ,𝑣 は HF レーダにによる観測値 である。第一推定値として年度平均値を使用し、探索手法として最急降下法を用いて計算を行った。
3.2

数値海洋モデルの活用
台風襲来による急潮の発生など、特定のイベントに関する力学的考察には数値海洋モデルの利用が効果的である。考察対象は相模湾であるが、既存研究より湾内の流れは黒潮というより大きなスケールを持つ流れに影響を受けると考えられる。そこで、海洋再解析値 JCOPE2 の現実的な流れ場からのダウンスケー
リングを実施する。
利用するモデルは海洋大循環モデル MITgcm である。支配方程式の圧力項に静水
圧近似を施さないことも可能であるため、非線形性と分散性を考慮することにより沿岸捕捉波の再現精度向上などに利用できると考えられる。本研究では、水平解像度 1/24 度での第一ネスティンを 2015 年-2018 年の 4 年間にかけて実施した。また、これらの結果を元にした水平解像度 1/96 度での第二ネスティングを実施した。
初期境界条件として海洋再解析値 JCOPE2 を利用することに加え、モデル格子点に内挿し、時空間スケールの大きな変動は JCOPE2 再解析値に沿うように時間ス
ケール 10 日間のナッジングをモデルに課した。

77

4

結果
4.1

短波レーダ
変分 QC を適用することで岸向きの発散を生むような流れを減らすことはできたが、沿岸付近の流れ場は沖合に比べて不連続であった(Fig.1)。昨年度の解析で利用した 2018 年

ADCP 観測結果の比較からは変分 QC を実施すると、行う前よりも相関が僅かに小さくなるという結果になった(Fig.2)。しかし、RMSE は
東西流速、南北流速ともに減少する結果を得た。

4.2

Fig 1

2017 年 9 月平均流速に対する変分 QC の適用

Fig 2

QC 前後の東西方向流速の ADCP との比較

数値海洋モデル2015 年から 2018 年にかけてダウンスケーリングを実施した。水平解像度としては、1/12 度である JCOPE2 の倍の 1/24 とした。第一段階のネスティング結果
としては JCOPE2 の物理モデルと大差なく、より高解像度な空間分布が得られた(Fig.1)。海面高度計を用いた詳細な評価が望ましいが、黒潮流路に関してはダウンスケーリング前後に明確な差がないことから、さらなるダウンスケーリン
グにより相模湾内の詳細な流れ場を考察できるものと考えられる。2017 年 1 月という限定された機関であるが、第二段階のダウンスケーリングの試験実験を行った。さらなる詳細な検討が必要だが、湾内に低気圧性が確認できる日も存在した（Fig.3）。

78Fig 3 海面付近の水温と流速分布の日平均値, JCOPE2(左),MITgcm(右)Fig 4 海面付近の水温と流速分布の日平均値, JCOPE2(左),MITgcm(右)5まとめと課題HF レーダの解析に関して、変分 QC を適用することで岸向きの発散を生むような流れを減らすことはできたが、ADCP データとの時系列での比較では、精度の改善が見られる部分と悪化する部分が混在していた。今後、同化の際に観測誤差を考慮すること(大きさや分散、性質など)、境界値を考慮する(現在は１次精度に落とした差分を使用、岸に沿うような方向にすることは考慮していない)といったことに着目することが考えられる。また、発展的な課題として並行して実施しているダウンスケーリングモデルを用いて４次元変分法を実施することなどが考えられる。

79

地球環境力学分野
一般研究

30AO‑30

多波長ミー・ラマンライダーを用いたエアロゾルの動態把握とデータ同化への応用に関する研究（30AO-30）
国立環境研究所 西澤智明
九州大学応用力学研究所 原由香里
九州大学応用力学研究所 弓本桂也

【要旨】
福岡における多波長ミー・ラマンライダーによる観測・解析を主体とした様々なエアロゾル種の光学特性やその時間変動の把握、そしてデータ同化やモデル検証への応用に向けたライダープロダクトの整備・高度化に資する
観測研究を主眼とし、先行研究で開発された解析手法を発展させ、多波長ミー・ラマンライダーデータから４種
エアロゾル（大気汚染、黄砂、海塩、煤）の重量濃度の高度分布を算出する手法を考案し、実データへ適用した。
ライダー観測から算出された PM2.5 や PM10、エアロゾル種毎の重量濃度の時間変動は、地上サンプリング観測と概ね整合した。一方で、重量濃度の絶対値に対しては、ライダー算出値が過大評価となる傾向が見られた。その過大評価の要因の考察から、内部混合を考慮したエアロゾル光学・微物理モデルの重要性が示され、モデルの精緻化は今後の重要な研究課題の一つとなる。

【序論】
福岡県は、アジア大陸からの越境大気汚染の影響を強く受けると共に、春期には黄砂も合わせて飛来する。日
本海からの海洋性エアロゾルの移流も合わせると、福岡では東アジア域における代表的なエアロゾル種を一通り計測できることになる。様々なエアロゾル種が大気中で混在する、大陸からの長距離輸送中に変質する、といった複雑さはあるが、東アジア域でのエアロゾルの物理的・化学的な特性観測を行うのに適した観測地点の一つといえる。また、大陸からの様々なエアロゾル種の通過地点となることから、観測により得られたデータはエアロゾルの輸送情報を有しており、エアロゾル化学輸送モデルの検証やデータ同化に際して極めて有用な観測情報となる。
2013-2017 科学研究費基盤 S 研究「多波長ライダーと化学輸送モデルを統合したエアロゾル５次元同化に関する先導的研究」において、福岡（九州大学応用力学研究所）および、沖縄、富山に多波長ミー・ラマンライダーを導入し、黄砂・越境汚染粒子等の光学特性の解析、そしてライダーデータ等のデータ同化による東アジア広域のエアロゾルの動態解析や再解析データ構築が試みられた。福岡における多波長ミー・ラマンライダーによる観測は、2014 年から現在まで連続稼働しており、データの蓄積が進められている。また、この課題では、この多波
長ミー・ラマンライダーデータを用いて、大気中の代表的なエアロゾル種(大気汚染、黄砂、海塩、煤)の時間・高度分布を推定するアルゴリズムも開発され（Nishizawa et al., 2017）、観測データへの適用も進められている。
上記の背景をもとに、本研究では、福岡における多波長ミー・ラマンライダーによる観測・解析を継続し、様々なエアロゾル種の光学特性やその時間変動の把握、そしてデータ同化やモデル検証へ向けたライダープロダクトの整備・高度化に資する観測研究を行う。科研費基盤 S 研究で構築された観測基盤や解析・モデル技術をもとに、その高度化・発展に資する研究でもある。

【実施方法】
応用力学研究所に設置された多波長ミー・ラマンライダーのデータ解析用にエアロゾル種推定手法（Nishizawa
et al. 2017）が開発された。そこで、この推定手法から推定された４種エアロゾルの波長 532nm での消散係数の高度分布データを用いて、エアロゾル種毎の重量濃度および全エアロゾルの重量濃度（PM2.5 や PM10）の算出を行うと共に、地上サンプリングデータとの比較を行う。この研究はライダープロダクトの高度化に相当する。
数値モデルで直接的に再現されるパラメータは重量濃度であることから、ライダー等のリモートセンシング計測
から重量濃度への変換はモデル検証やデータ同化において有用な技術開発ともなる。

【結果と考察】重量濃度の算出80エアロゾル種推定手法では、４種エアロゾルの消散係数を推定する際に、エアロゾル種毎の粒径分布や粒子の形状（球か回転楕円体）を仮定する。そこで、この仮定した粒系分布と形状に沿ってエアロゾル種毎に体積濃度を算出しそれに文献値によるエアロゾル種毎の密度を掛け合わせることで、単位消散係数辺りの重量濃度を決定することができる（以下、重量換算係数）。エアロゾル種毎の重量換算係数を適用することで、エアロゾル種毎の重量濃度、そして全てのエアロゾル種の重量濃度を足し合わせることでエアロゾル全体の重量濃度を算出した。
また、粒径分布に応じて、直径 2.5µm 以下のみの粒子、ないしは直径 10µm 以下のみの粒子（PM10）を重量計算に入れることで、PM2.5 および PM10 の算出も行うことにした。エアロゾル種毎の重量換算係数の算出では、吸湿成長を考慮し、黄砂以外の粒子に対しては相対湿度に応じた重量換算係数を用意した。実際の重量濃度算出では、相対湿度としてモデル出力データを用いた。また、煤粒子に対しては、従来型の黒色炭素のみで構成された粒子ではなく、内部混合型粒子（硫酸塩等の水溶性の大気汚染成分が黒色炭素成分をコーティングしている粒子）とし、より現実的なモデルを採用した。
地上サンプリング計測との比較
科研費基盤 S 研究では、エアロゾル連続自動分析装置や黒色炭素測定装置による地上エアロゾルサンプリング計測も実施された。そこで、2014 年９月から１年程度のデータを用いて、上記の方法でライダー計測から算出された重量濃度と地上のサンプリング計測結果の比較も行った。算出された PM2.5 や PM10、エアロゾル種毎の重量濃度の時間変動は
概ねライダー算出値とサンプリング値間で整合的となった。
一方で重量濃度の絶対値に対しては違いが見られ、ライダー算出値の方が過大評価となる傾向が見られた。その要因としては、エアロゾル種毎の重量濃度換算係数の不完全さと共に、エアロゾル種の誤推定（例えば、黄砂を海塩粒子と誤推定する）も示唆された。これらの共通した問題としては、エアロゾル種推定や重量算出におけるエアロゾルの内部混合の考慮の不完全さが挙げられる（例えば、水溶性粒子によりコーティングされた内部混合型の黄砂粒子は本解析では考慮されていない、など）。煤粒子の推定においては内部混合が考慮された。従来型の黒色炭素のみの粒子モデル
で推定された黒色炭素成分の重量濃度は、内部混合型の煤粒子モデルで推定された黒色炭素成分の重量濃度に対して５倍以上もの過大評価となった。このことは、ライダーによる黒色炭素成分の重量濃度の算出において、内部混合を考慮することは極めて重要であることを示している。内部混合を考慮したエアロゾル種毎のモデル（光学特性や重量濃度換算係数など）の高度化が今後より重要な課題と考察される。

成果発表
Hara Y., Nishizawa T., Sugimoto N., Osada K., Yumimoto K., Uno I., Kudo R., and Ishimoto H. (2018) Retrievalof Aerosol Components Using Multi-Wavelength Mie-Raman Lidar and Comparison with Ground Aerosol
Sampling. Remote Sens., 10, 937; doi:10.3390/rs10060937.
Nishizawa T., Higurashi A., Shimizu A., Jin Y., and Sugimoto N., Current status and progress on AD-Net
and ISDC. 5th International SKYNET workshop (New Delhi, 2019.2)
Nishizawa T., Hara Y., Uno I., Yasunaga K., Kudo R., Shimizu A., Sugimoto N., Ground-based network
observation of aerosols and clouds using Multi-wavelength Mie-Raman lidars. SPIE Asia-Pacific remotesensing 2018 (Hawaii, 2018.09).
西澤智明,杉本信夫, 清水厚, 鵜野伊津志, 原由香里, 工藤玲 (2018)“ラマンライダーデータを用いたエアロゾ
ルコンポーネント解析”, 光アライアンス, 29(10), 1-6.
Nishizawa T., Higurashi A., Kudo R., Irie H., Yasunaga K., Katsumata M., Yumimoto K., Ishii S., Okamoto
H., Sato K., Katagiri S., Nakajima T., Validation of the EarthCARE ATLID and MSI products using
ground-based lidar and sunphotometry measurements in East Asia. 1st earthcare validation workshop(Bonn/German, 2018.06).

81

地球環境力学分野
研究集会

30AO‑S1

共同利用研究集会
海洋力学理論の研究会
Workshop on theoretical physical oceanography
研究代表者
北海道大学低温科学研究所
三寺史夫
研究集会の目的
海洋力学はこれまで地球流体力学を中心に発展してきた。しかし海盆スケールの海洋循環場の理論が整理され、理解が進んでいくに連れ、近年の海洋力学はより沿岸スケールとの相互作用、高解像で起きている乱流・波との相互作用、大気との相互作用、そして生態系・土砂との相互作用、と一つの理論体系
では閉じることの出来ない現象への発展が急速に進みつつある。これまでとは違う研究手法・理論展開が必要となっている一方、個々人で多岐にわたる理論体系の発展の動向・新展開を全て把握することは困難であり、その理論体系の汎用性・特異性に対する議論が不足している。そこで当研究集会では、様々な分野との相互作用を理論的に進めている研究者が集まり、それぞれの研究者が進めている理論体系や高解像度モデル・大気海洋結合モデル・観測データを用いた解析手法を幅広く議論し、「海洋学としてのBig Question はなにか」をテーマに、新しい海洋力学の理論体系の構築を目指す。
研究集会の概要
研究集会名：海洋力学理論の研究会
日時：平成 30 年 9 月 10 日（月）13:00 – 11 日（火）12:00
場所：九州大学応用力学研究所 W501
海洋力学のこれまでの歴史的変遷とともに未解決なまま宿題となっている課題を参加者の一人に具体例を示してもらい、それについての考察を参加者とともに疑問点を理解・解決しながら議論を進めていくという形で研究集会を開催した。研究成果そのものには焦点をしぼらず、研究テーマの発展軸、位置づけを俯瞰的な視点から議論した。今回は、風成循環に関しては亜寒帯域に形成される海洋フロントの形成メカニズム、混合過程に関しては海底地形を起因とする乱流混合のメカニズム、深層循環に関して
は熱塩循環の駆動メカニズム、そして海洋の素過程を検証するツールとして粒子追跡モデル、と４つのテーマを中心にプログラムを構成した。それぞれの具体例として、磯口ジェット・黒潮・内部重力波・鉛直混合と循環強度・水循環、を中心に議論が進んだ。1 トピックにつき１時間近く時間をかけたことにより参加者間で疑問点を共有することができ、有意義な研究集会となった。
出席者
１３名（参加者名簿参照）

82

議論テーマとその概要
13:00-13:30 趣旨説明
三寺史夫（北海道大学）・木田新一郎（九州大学）
海洋力学の課題についての考察を参加者の一人に具体例を示してもらい、それを参加者間でお互いに疑問点を解決しながら議論を進めていくことを確認した．また学会発表とは異なり一つのテーマを十分な時間をかけて議論し、今後の海洋物理学が注目すべき研究テーマの芽を作り出すことを目的として研究集会を進めることを確認した。
10 日（月）13:30-14:30 亜寒帯域に形成される海洋フロントの形成メカニズム
話題提供：三寺史夫（北海道大学）
Discussion のリード:浮田甚郎（新潟大学）
衛星を通じて海面水温場の観測が進んだことで海洋フロントの実態が明らかになってきている。海洋フロントは、大小さまざまなスケールで存在することが知られているが、その中でも亜寒帯域に形成される磯口ジェットは表層近くにフロントが形成されるにも関わらずその位置が大きく変動しないという特徴を持つ。海底地形が JEBAR を通じて Barotropic から Baroclinic な場へ作用することの重要性が指摘され、理論とともに数値モデル結果が紹介された。また大西洋・南極海など他の海域での理論の適応性についても議論が進んだ。
14:30-14:45 休憩
14:45-15:45 海底地形を起因とする乱流混合のメカニズム１
話題のリード：長井健容（東京海洋大）Discussion のリード：田口文明 （東京大学）
海流が海底地形に作用した結果、強い鉛直混合が起きることが近年明らかになりつつあるが、その混合の強さや空間分布の現場観測に基づいた検証はまだ不足している。黒潮が琉球列島を通過する海域における最新の乱流観測結果とともに、高解像度で乱流強度を観測する手法が紹介された。海底地形
がその近傍で混合を引き起こす不安定メカニズムについての仮説が提示され、さらに黒潮上における鉛直混合が局所から海盆スケールの海洋循環に果たす役割について議論が及んだ。
15:45-16:00 休憩
16:00-17:00 海底地形を起因とする乱流混合のメカニズム２
話題のリード：大貫陽平（九州大学）
Discussion のリード: 相木秀則（名古屋大学）
背景場が変動する中での不安定性解析に関してモノドロミー行列を用いた新たな解析手法が提案された。これまで海洋内部波が引き起こす混合について Far-field における理論が発達してきた一方、
Near-Field における理論の構築が進んでいないことが指摘され、それが新手法によって解決できる可能性が示された。成層が地形に作用する際に生じるビーム内部で不安定を引き起こす波の特性が抽出できることが示され、解析結果と適用範囲について議論が行われた。

83

11 日（火）9:30-10:30 熱塩循環の駆動メカニズム
話題提供：吉川裕（京都大学）
Discussion のリード: 浦川昇吾（気象研）
深層循環を駆動する主要素である熱塩循環は、これまで Sandstrom, Stommel and Arons, Munk らの仮説が基点となってその理解が進んできた。海洋学における深層の鉛直混合への興味もこれらの研究が重要な役割を果たしている。ただ、鉛直混合と循環の強度の関係性についての議論は、解釈が混乱した形で議論が進んでいることが指摘された。理想実験による過去の研究の検証結果が紹介され、これまでの理論で欠けていた視点や熱塩循環の駆動要因の解釈方法を中心に議論が行われた。
10:30-10:45 休憩
10:45-11:45 淡水循環を抽出するツールについて
話題提供：木田新一郎（九州大学）
Discussion のリード: 古恵亮（JAMSTEC）
海洋循環を議論する際、密度場と循環を一体的に議論・解析することが多いが、水循環に代表されるよ
うに、海洋循環は密度ととともに、塩分、窒素、炭素、とそれぞれの物質特性・起源に応じて循環が存在しているはずである。そこでラグランジアン粒子追跡モデルを用いて淡水に着目した水循環を追跡する手法が紹介された。インドネシア多島海を例に降水起源の淡水を追跡した結果が紹介され、時空間が大きく変動する場でも適応可能なことが示された。オイラー的手法との差・同位体を用いた手法について議論が進んだ。
11:45-12:00 閉会挨拶
木田新一郎（九州大学）
近年、海洋で注目されている現象を中心に、最新の検証方法・視点が紹介された。昨年度と比べ、混合過程に関する発表が多く、別の視点から見た海洋学としての Big Question が提示され、議論が活発に進んだ。疑問点をその都度、解決しながらディスカッションを進めたことで、時間をかけながら参加者
内で理解を共有することができた。
発表論文および学会発表
無し

84

研究組織
研究代表者
三寺 史夫（北海道大学・低温科学研究所・教授）
研究協力者
浮田 甚郎（新潟大学・自然科学系・教授）
田口 文明（東京大学・先端科学技術研究センター・特任准教授）
古恵 亮（海洋研究開発機構・主任研究員）
勝又 勝郎（海洋研究開発機構・主任研究員）
吉川 裕（京都大学・理学部・准教授）
相木 秀則（名古屋大学・宇宙地球環境研究所・准教授）
長井 健容（東京海洋大学・学術研究院海洋環境学部門・助教）
松村 義正（東京大学・大気海洋研究所・助教）
浦川 昇吾（気象庁気象研究所・海洋・地球化学研究部・主任研究官）
所内世話人
木田 新一郎（九州大学・応用力学研究所・准教授）

85

研究集会名：海洋力学理論の研究会
場所：九州大学応用力学研究所 W501
日時：2018 年 9 月 10 日 13:00 – 11 日 12:00
代表：三寺史夫、世話人：木田新一郎

プログラム

13:00-13:30 木田新一郎（九州大学）
趣旨説明

13:30-14:30 風成循環のメカニズムに関する数値モデル・観測・理論の発展について
三寺史夫（北海道大学）
浮田甚郎（新潟大学）

14:30-14:45 休憩

14:45-15:45 海洋の鉛直混合に関する考察Ⅰ
長井健容（東京海洋大）
田口文明（東京大学）

15:45-16:00 休憩

16:00-17:00 海洋の鉛直混合に関する考察Ⅱ
大貫陽平（九州大学）
相木秀則（名古屋大学）

9:30-10:30 熱塩循環のメカニズムに関する数値モデル・理論について
吉川裕（京都大学）
浦川昇吾（気象研）

10:30-11:00 休憩

11:00-12:00 海洋の素過程を検証する数値・観測・理論的ツールについて
木田新一郎（九州大学）
古恵亮（JAMSTEC）

86

地球環境力学分野
研究集会

30AO‑S2
共同利用研究集会「海洋レーダを用いた海況監視システムの開発と応用」
琉球大学工学部

藤井 智史

１．目的と経緯海洋レーダは、高い時空間分解能で継続的に沿岸海域をモニタリングすることが可能である。また、陸上設置の観測器であることから、洋上または船舶の観測に比べて運用保守などが容易であるという利点がある。この特徴を生かして、海洋環境の把握や防災への活用、海運や水産業への貢献などが期待されている。
海洋レーダを用いた沿岸域の海況監視システムの構築に向けて、精度向上や効率的運用、信号処理の高度化などのレーダ技術の発展と、観測結果の検証、応用分野や利用範囲の拡大などを議論することを目的として標記研究集会を開催した。この研究集会は、2003 年度に応用力学研究所共同
利用研究の一環として開始され、国内の海洋レーダに関係する研究者、利用者が一堂に会する研究集会として継続して実施されてきたものである。

２．開催概要開催日時：

2018 年 12 月 12 日(水)午後(14:00～17:30)

13 日(木)

午前(9:30～10:45)

開催場所：

九州大学 応用力学研究所西棟 6 階

参加者：

12 日 33 名

多目的研究交流室（W601 号室）

13 日 36 名

３．発表概要研究集会では計 13 件の研究発表が行われた。
1 日目は、趣旨説明の後 7 件の講演があった。琉球大学の藤井が NICT 沖縄センターとともに実施している地上波デジタル放送の電波を用いたパッシブバイスタティックレーダでの流速観測の可能性を論じた。三菱電機の高橋はアダプティブアレイ信号処理を用いてドップラスペクトルに混入する干渉波の影響を低減する手法の提案を行った。愛媛大学の尾方は、リアルタイム津波検出法について仮想津波実験を用いて検証した。水深と背景波高により検知性能が大きく変わることを示唆した。JAMSTEC むつ研究所の佐々木らは、CODAR/SeaSonde レーダの流速計測に影響を与えるアンテナパターンとして、AIS 情報を用いたアンテナパターン計測を適用し、係留観測との比較を行った。大畑局のアンテナパターンが課題であることが分かった。琉球大学の久木は、海洋レーダを用いた波浪研究のレビューを行うともに、和歌山観測データを用いて波浪計測の初期結果を示した。電力中央研究所の岡田は、海洋レーダで観測できない沿岸近傍に対してデータ同化の手法を使って流速を求める方法を提案した。遠州灘の観測に対して同手法を適用し電磁流速計との比較か
ら RMSE が 58%低下したことを示した。JAMSTEC の石川は、北海道大学低温科学研究所の江渕らが作成した宗谷海峡におけるミズダコカレンダーに触発され、津軽海峡東部海域を観測している

87

レーダを用いて同海域のナウキャストを試みた。調和解析から潮流成分とそれ以外の成分の短期予測を行い半日程度の予測可能なことを示した。
1 日目最後の情報交換の時間に、宮崎県水産試験場の渡慶次は、宮崎県が設置中の日向灘観測用の 13MHz レーダの整備状況と予備免許が下りたことを報告した。また、10 月にスペインで行われた海洋レーダワークキャンプに参加したことに触れ、EU 共通のレーダのデータ処理や QC の内容とユーザの視点でのツール開発、普及活動の重要性を述べた。琉球大学の藤井からは、6 月に那覇にて開催された第 4 回 ORCA(Ocean Radar Conference for Asia-Pacific)は、発表件数 42 件、12
か国 63 名の参加があり、盛会であったことが報告された。
2 日目は、6 件の講演があった。北海道大学低温科学研究所の江渕は宗谷海峡およびオホーツク海観測の海洋レーダの 2003 年から 16 年分の観測データを俯瞰し、宗谷暖流の季節変動が大きい
ことを明らかにした。また、ADCP の鉛直プロファイルも用いて流量を推測するとともに、季節変化はオホーツク海の潮位差との相関が高いことも示した。JAMSTEC むつ研究所／北海道大学水産の阿部は、津軽海峡東部観測の海洋レーダで観測された流速と練習船うしお丸の 10m 深の ADCPでの流速とを比較した。正の相関がみられるがノイズが大きく更なる処理の必要性を述べた。風強制に対する応答についても言及し南北方向にのみ流速と風速が相関を持つことを示した。東京大学
新領域の小林は、相模湾内の循環流の挙動を知るために、海上保安庁の相模湾海洋レーダで得られた表層流速を調和解析し、係留 ADCP と比較した。比較に際し異常値除去や移動平均により QC を行うとともに変分法による空間 QC も行い、データの信頼性を向上させた。九州大学の青谷は、15年間の対馬海峡観測のデータを用いて経年変化の解析を行った。吹送流成分の推定から地衡流成分を抜き出した。その結果、2009～2010 年に約 20％流速が上昇する現象がみられた。宮崎県水産試
験場の渡慶次らは、2016 年から琉球大学との共同研究で実施している日向灘観測の概略とその成果をもとにしたまき網漁場の形成や急潮指標の可能性について述べ、整備中の 13MHz レーダ稼働後に発信される予定の総合漁場情報の計画を解説した。海上保安庁海洋情報部の藤岡は、海洋状況把握（MDA）の能力強化に向けての取り組みとして、海洋レーダデータの表示を各機関と調整中であることを報告した。

４．研究集会プログラム
九州大学応用力学研究所 共同研究集会「海洋レーダを用いた海況監視システムの開発と応用」(代表者：藤井智史、九大応力研世話人：市川香)
開催日： 2018 年 12 月 12 日(水)午後～13 日(木)午前
会場：九州大学筑紫キャンパス
応用力学研究所西棟 6 階 多目的研究交流室（W601 号室）========================================================================
12 月 12 日(水)14:00-14:05

趣旨説明
藤井智史（琉球大）

14:05-14:30

地デジパッシブレーダによる沿岸流の検出

88

永江要・浜比嘉正峻（琉球大工）雨谷純・新垣吉也（NICT 沖縄）、藤井智史（琉球大工）
14:30-14:55

アダプティブビーム形成による干渉波抑圧と Bragg 散乱エコー明瞭化
高橋龍平・小柳智之・鈴木信弘・若山俊夫（三菱電機）

14:55-15:20

仮想津波観測実験に基づく海洋レーダによるリアルタイム津波検知手法の検討
尾方浩平（愛媛大院）、門廻充侍（東北大災害科学国際研）、藤良太郎（愛媛大院／国際航業）、高橋智幸（関西大）、日向博文（愛媛大院）

15:20-15:45

AIS 情報由来のアンテナパターンによる流速データ品質の向上について
佐々木建一（JAMSTEC むつ）、橋向高幸（マリンワークス）山本秀樹・高田信・脇田昌英・渡邉修一（JAMSTEC むつ）

15:45-15:55

休憩

15:55-16:20

海洋レーダによる波浪研究の現状と和歌山県沖観測の初期解析
久木幸治（琉球大理）、片岡智哉（東京理科大理工）

16:20-16:45

視線方向流速を活用した 4 次元変分法による沿岸近傍の流動場推定
岡田輝久・坂井伸一・坪野考樹（電中研）

16:45-17:10

津軽海峡 HF レーダーの調和解析とナウキャスト手法の開発
石川洋一・田中祐介（JAMSTEC）

17:10-17:30

情報交換

12 月 5 日(火)9:30-9:55

海洋レーダで観測された宗谷暖流表層流速場の経年変動
江淵直人・深町康・大島慶一郎・高塚徹・石川正雄・白澤邦男・若土正曉（北大低温研）

9:55-10:20

津軽海峡 HF レーダーデータを用いた基礎的な解析と今後について
阿部泰人（JAMSTEC むつ／北大院水産）、安井智美・平譯享（北大院水産）、佐々
木建一（JAMSTEC むつ）

10:20-10:45

HF レーダーによる相模湾表層流の分析
小林諒也・早稲田卓爾・小平翼(東大新領域)

10:45-10:55

休憩

10:55-11:20

対馬海洋レーダーで観測した 15 年間の流況長期変化
青谷裕史・磯辺篤彦・上原克人(九大応力研)、岩崎慎介(寒地土木研)

11:20-11:45

水産振興を目的とした宮崎県における海洋レーダの活用について
渡慶次力(宮崎水試)、藤井智史・池原日向・大城弘貴(琉球大工)

11:45-12:10

海洋の今を見るために～海上保安庁における海洋状況把握(MDA)の能力強化に向けた取組～
藤岡ゆかり(海洋情報部)
12:10-12:30

総合討論

89

地球環境力学分野
研究集会

30AO‑S3
共同利用研究集会「東シナ海と日本海の海水循環と生物化学過程」"Water Circulation and Chemical-Biological Processes in East China Sea and Japan Sea"
研究代表者

石坂丞二（名大宇宙地球環境研究所）

１．目的と開催経過
東シナ海・日本海の生物生産には、それらの海域の流動や混合による栄養塩の流入や供給が欠かせな
い。特に東シナ海からの日本海への海水・淡水・物質の流入は、日本海の生態系に大きな影響を与えていると考えられる。応用力学研究所では、東シナ海の陸棚域および黒潮域とその周辺海域の循環に関する研究を長年継続的に実施しており、国内外研究機関との共同研究も多方面から進めている。その研究
内容は、名古屋大学や長崎大学で進めている生物環境との関連も深く、様々な研究プロジェクトを通して、多くの分野を包含した研究者コミュニティも形成されてきている。研究成果の共通理解を更に深めるため、継続的に開催できる研究集会の場を持つことが今後の共同研究の進展に大きく寄与すると思われる。これまでこの数年は東シナ海に焦点を当てた研究集会を行ってきたが、平成 29 年度からは東シ
ナ海と日本海の両海域を含め、流動や混合などの物理環境と、生物化学過程との関係を明らかにする研究集会を開催していくこととした。この内東シナ海に関しては、新学術領域研究「新海洋混合学」の A24 班の班会議と合同で行った。
出席者は、名古屋大学１名、長崎大学１名、愛媛大学２名、富山大学１名、鹿児島大学３名、東北
水研１名、石川県水産総合センター１名、富山県農林水産総合技術センター水産研究所１名、国立台湾大学５名、および九州大学７名であった。本研究集会では、長崎大学練習船長崎丸での東シナ海観測に関連して遠藤貴洋（九大）、吉江直樹（愛媛大）、張勁（富山大）、市川香（九大）、郭新宇（愛媛大）から、トカラ海峡観測に関連して、仁科文子（鹿児島大）、堤英輔（九大）、長谷川大介（東北水研）、吉江直樹（愛媛大）、小針統（鹿児島大）、張勁（富山大）、松野健（九大）、中村啓彦（鹿児島大）から、その他に関して、武田重信（長崎大）、石坂丞二（名古屋大）、郭新宇（愛媛大）、原田浩太
朗（石川県水産総合センター）、千手智晴（九州大学）、張勁（富山大）から話題提供があり、それぞれについて議論を行った。
２．研究集会の概要
研究集会は、2019 年１月 25 日(金)から１月 26 日(土)にかけて、九州大学応用力学研究所で行った。
まず、長崎丸を中心とした東シナ海の観測について５名が発表した。遠藤は、東シナ海陸棚縁辺部において、2017 年 7 月に鉛直第一モード、2018 年 7 月に鉛直第二モードの内部ソリトン波列が観測した結果について報告した。陸棚斜面の等深線に直交する北西方向に加えて、南西・西北西方向に伝播する
波列もみられ、その速度は方向によらず、第一モードは約 1.2m/s、第二モードは約 0.34m/s であった。
内部ソリトンの通過に伴う鉛直変位は 10～20m、水平（鉛直）流速の変動は潮汐流に匹敵する 0.2（0.1）
m/s に達し、最大振幅は北西に伝播する波列で観測された。波列は各伝播方向ともに約 1 日間隔で到来する傾向にあり、その発生過程に日周潮の影響が示唆された。吉江は、2018 年 7 月 24，25，26 日の断面観測について報告し、24・26 日は沖側、25 日は沿岸側に渦があり、中層の栄養塩とクロロフィル a

90

が増加していた。多波長励起蛍光光度計で測定した植物プランクトンでは、珪藻類（褐色藻類）の中層での変動が大きく、表層で藍藻、亜表層で緑藻系の植物もいることが示されたが、今後検証予定である。
張は、堆積物間隙水の栄養塩分布からその水中への供給の可能性について述べた。また、2017 年白鳳丸
での観測結果からセシウムが太平洋、ルソン海峡、東シナ海の中層にあるも示した。市川は、東シナ海の内部波の SAR 観測について述べ、Seninel-1A で 2015 年 3 月 14 日にきれいなデータがあり、他にも80 画像ぐらいはあり、潮時をあわせることも可能であるかもしれないが、風の影響等があり簡単ではな
いこと、3 月 14 日は内部波以外にも長い波長や黒潮フロント域周辺でざわつきがあることを報告した。
郭は、ルソン海峡から黒潮続流域での有光層（100m）への栄養塩の流入の計算を行った。ルソン海峡では当密度面の変化（湧昇）など、日本南岸は地形や渦での沿岸湧昇、続流域ではミアンダリングによる渦度の保存による影響が考えられた。また、台湾東部の栄養塩の季節変化では、夏に流速が強くなり栄養塩も高くなるが、観測とは分布が異なることを報告した。
次に、鹿児島丸でのトカラ海峡から九州東部の観測に関して８名から発表があった。仁科は 2018 年
11 月 17－25 日の航海の概要について述べ、屋久島沖から室戸沖

TS では黒潮系と内側域の水がはっ

きりと分かれていることを報告した。堤は、トカラ海峡での黒潮による混合の研究の現状をまとめた。
海山や海嶺等の地形と黒潮の関係で強い混合が起きており、モデルでも再現が可能であること、強い混合は海山の 1～２倍程度の距離にトラップされているものが多く、少し弱い混合は伝搬することを報告した。長谷川は、LISST-200X での粒子計測について述べ、現状ではまだデータの吟味が必要であることを報告した。吉江は、断面観測に沿った、植物プランクトン、光合成活性、栄養塩の変化について述
べ、トカラ海峡を通過した後２日ぐらいたった点で増加しているようにも見えるが、ラインによって陸の影響などが入り込んでいるようであること、サイズとしては、ナノ・ピコプランクトンが多いことを報告した。小針は、クロロフィル極大の下の硝酸塩フラックスのピークで採水した水の培養実験について述べた。栄養塩の少ない水で栄養塩供給に対して植物・動物が応答していること、ピコ・ナノ・マイ
クロプランクトンいずれも増加するが、ナノプランクトンに対する摂餌圧が高く食べられていること、それによって動物が増えているを報告した。ラグランジ観測でもトカラ以降に植物が増加し、中型・大型動物も増加しているが、増殖しているには速すぎるため、沿岸から入ってきている可能性が指摘された。張は、鹿児島丸 2018 年での航海での希土類の速報について述べた。鉛直混合と等密度混合が必要
であることはわかったが、どのような時間スケールで混ざるかはこの方法では難しいのではないか議論があった。松野は、ルソン海峡から四国沖にかけての、黒潮流域における乱流混合の研究状況についてまとめた。特に、地形と流れ（黒潮＋潮汐）でどのように鉛直混合が起こるかを、エネルギーバランスの観点から見ていく必要性。この乱流がエネルギー減衰、栄養塩の供給、生物生産への影響など、何にどう寄与しているかを明らかにすることが大切であることを報告した。中村は、来年度からのワシント
ン大学と共同研究について述べた。ワシントン大学では EX-FLOAT を 10 台平瀬に流して乱流を面的に測定し、日本側は係留系を設置したいと考えていることを報告した。
15 日には、その他の研究について報告があった。武田は、窒素固定を行なうトリコデズミウムとリケ
リアに関して、東シナ海での調査した結果について述べた。2018 年の長崎丸航海では後半にトリコデズミウムが多く、MODIS のクロロフィルも 19 日より 26 日が増加していること、リケリアは珪藻と一緒にいるため、深いところリンの比較的多いところに多く、トリコデズミウムはリンが必要でブルーム
が島回りに多い可能性を報告した。石坂は、海色衛星データを利用した東シナ海黒潮フロント域とトカラ海峡域のクロロフィル変動観測について述べた。2018 年の長崎丸観測時のひまわり 8 号での連続ク

91

ロロフィル画像では、長崎丸観測ラインに多くの表面クロロフィル変動が黒潮に沿って流れてきており、長崎丸観測との対応を今後詳細に調べる必要があること、トカラ海峡にも多くのクロロフィル変動が見られ、平瀬周辺では６月の MODIS 画像ではクロロフィルが高くなっているが、４月の SGLI データではむしろ低くなっていることについて報告した。郭は、黒潮本流域における栄養塩輸送に関する観測データとモデル結果の解析について述べ、栄養塩の輸送は第 1 モードは大蛇行の影響、第 2 モードは属流の安定・不安定と考えらえる 10 年近いゆっくりした変動で決まっていることを報告した。原田は、石川県沿岸の定置網における魚類相の変遷に関して主成分分析を行い、その変動要因について述べた。多くの魚種が石川県周辺の沿岸水温変動よりも東シナ海の長期変動と関連しており、産卵場との関係や対
馬暖流との関連などの可能性があること、2017 年 1－3 月は史上最低の大不漁であったこと、3 月４日・5 日に富山湾研究会「富山湾の不漁の原因を探る（仮）」が開催されることが報告された。千手は、以前行った伊豆小笠原海嶺付近の深層循環の西岸境界流に関する回転水槽実験に関して、地形が日本海に似ていることから、日本海の深層循環との比較を行った結果を報告した。張は、WESTPAC の GG06
(PEACE)について述べ、2019 年 5 月 20－21 日にソウル大学で会合が行われること、2020 年からの第２期には黒潮グループとの連携する可能性があることを報告した。
すべての発表ののちに、総合討論を行った。遠藤を中心に、名古屋大学宇宙地球環境研究所の共同利用・共同研究での研究集会に応募し、７月に予定している新長崎丸での航海の計画を詰めることとなった。また、来年度の九州大学応用力学研究所の共同利用・共同研究での研究集会は、東シナ海・日本海にとどまらず、広く東アジア縁辺海を対象とすることとなった。

92九州大学応用力学研究所 共同利用研究集会「東シナ海と日本海の海水循環と生物化学過程」
場所：九州大学 応用力学研究所
日時：2019 年 1 月 25 日 09:30～17:30
1 月 26 日 09:30～12:30

大会議室（本館 2F、玄関ロビーの上）
3 階 301 講義室

プログラム
1 月 25 日（金）１．長崎丸の観測（09:30～12:00）（１）遠藤貴洋（九大）：東シナ海陸棚縁辺部でのこれまでの観測結果（物理）（２）吉江直樹（愛媛大）：東シナ海陸棚縁辺部でのこれまでの観測結果（化学・生物）（３）張勁（富山大）：東シナ海陸棚縁辺部でのこれまでの観測結果（化学）（４）市川香（九大）：東シナ海や南シナ海の観測海域の過去の SAR 画像解析
（５）郭新宇（愛媛大）：台湾東部海域の栄養塩濃度の季節変化
２．6 月と 11 月のトカラ海峡観測（13：00～17：30）（１）仁科文子（鹿児島大）：かごしま丸航海の概要と海洋構造（２）堤英輔（九大）：トカラ海峡におけるこれまでの乱流観測とその取りまとめに向けて（３）長谷川大介（東北水研）：KG1815 における LISST-200X による粒子観測について（４）吉江直樹（愛媛大）：トカラ海峡から四国南岸にかけての栄養塩および植物群集組成の変遷（５）小針統（鹿児島大）：薩南海域に特異的な海洋混合に対するプランクトン群集の応答：
培養実験およびラグランジュ海洋観測による評価（６）張勁（富山大）：かごしま丸 KG1815 航海の速報：水塊混合について（７）松野健（九大）：黒潮流域における乱流混合：ルソン海峡から四国沖まで（８）中村啓彦（鹿児島大）：来年度の UW とのかごしま丸の観測計画（９）総合討論
１月 26 日（土）09:30～12:30（１）武田重信ほか（長崎大）：東部東シナ海における窒素固定藻類の分布と環境要因の関わり（２）石坂丞二（名古屋大）：「しきさい」で見た黒潮（３）郭新宇（愛媛大）：黒潮本流域における栄養塩輸送に関する観測データとモデル結果の解析（４）原田浩太朗（石川総水セ）：石川県沿岸の定置網における魚類相の変遷とその要因（５）千手智晴（九大）：日本海の深層循環に関する一考察：回転水槽実験からの示唆（６）張勁（富山大）：WESTPAC WG06 の活動報告と関連情報の紹介
総合討論

93

地球環境力学分野
研究集会

30AO‑S4「日本海及び日本周辺海域における環境急変現象（急潮）のモニタリング、モデリング及びメカニズム解明に関する研究集会」報告
研究代表者: 井桁 庸介 (水研機構日水研)
本研究集会は、2018 年 8 月 2 日から 3 日にかけて、九州大学筑紫キャンパ
ス応用力学研究所東アジア海洋大気環境研究センターにおいて開催された。この会合は今回が 4 回目の開催であり、モニタリング・急潮予報業務等を実務とする水産試験研究機関の担当者と、海洋物理学的な研究を継続してきた研究者とが議論することを目指したものである。
大学および試験研究機関を中心に、両日とも 38 名が参加し、合計 12 件の講演があった（講演内容はプログラム参照）。一題あたり、質疑応答含む 25 分という十分な時間を割いたため、非常に活発な議論が行われ、講演時間を大幅に超過することもあった。
今回も、日本全国で実施されているモニタリング・モデリングに関する発表がなされ、太平洋沿岸に関する発表が 6 題、日本海に関する発表が 5 題、日本周辺全体を対象とした発表が 1 題だった。沿岸で起きる短期的な環境変動に代表される、物理・生物・水産的な応答に関する数多くの講演がなされ、活発な議論が交わされた。高知県では、水産試験研究機関の担当者が精力的に流動等のモニタリングを展開し、大量のデータから問題となっている現象を数多く抽出した一方、その研究とリンクするようなモデル研究結果の発表もあり、これまで未解明だった紀伊水道～高知県沿岸の急潮の研究が大きく進む期待が持てる会合となった。その他にも、急潮に限らず、沿岸の海洋環境を大きく変える
暖水波及や、駿河湾、富山湾、若狭湾等における海水循環、渦形成に関する研究発表がなされ、今後の発展が期待された。また、本会合では、短周変動に限らず、海洋環境の平均場や経年変動に関する発表、議論もなされ、急潮等の極端現象を議論する上でのそれらの重要性が認識された。
総合討論では、これまで、急潮被害という認識に乏しかった長崎県からの、急潮被害の報告があり、急潮被害に関する定置網漁業者への啓蒙をどう行うか、
また長崎県における今後の急潮研究の端緒を開くための議論が行われた。これ
らの議論に基づき、参加者同士の懇親を深め、水産を背景にする研究者と海洋物理をバックグラウンドにする研究者の相互理解が進んだ。今後も、生物、水産系にも積極的に間口を広げ、このような議論を継続することで、新たな研究
シーズの創出が見込まれると感じられた。

94

プログラム――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――8
月 2 日（木）13:30～13:40
趣旨説明
13:40～14:05
高知県内における 2017 年から 2018 年にかけての急潮発生経過
猪原 亮（高知水試）
14:05～14:30
高知県東岸の急潮〇寄高博行（高知大黒潮圏／農林海洋）
・猪原亮（高知水試）
14:30～14:55
SETO システムを用いた高知県沿岸での急潮事例の調査
坂元 賢治（大阪管区気象台）
14:55～15:05
休憩
15:05～15:30
日本周辺海域をターゲットとした海洋過去将来予測・ダウンスケーリングデータセットの構築〇西川史朗(海洋研究開発機構)・ 若松剛(Nansen Environmental and Remote Sensing Center)・
石川洋一(海洋研究開発機構)・ 石崎廣(海洋研究開発機構)・ 田中裕介(海洋研究開発機構)・ 坂
本圭(気象研究所)・ 辻野博之(気象研究所)
15:30～15:55
駿河湾フェリー搭載 ADCP を用いた長期流動観測 －湾奥海域の顕著な季節変動－〇勝間田高明(東海大学・NPO 法人 海洋環境保全協会)・仁木将人(東海大学)・田中昭彦(東海大学)・髙嶋恭子（東海大学）
・杉本隆成(東京大学名誉教授)・丹佑之(東海大学・一般社団法人 無人機研究開発機構)
15:55～16:20
日本南岸沿岸域に影響を与える黒潮からの暖水波及の観測と発生機構の推定〇清水勇吾(水研機構中央水研)・伊藤大樹(水研機構中央水研)・安倍大介(水研機構中央水研)・
岡崎誠(水研機構国際水研)
16:20～16:45
豊後水道の底入り潮〇森本昭彦・浅原貫太・前谷佳奈（愛媛大）・滝川哲太郎（長崎大）

95

8 月 3 日（金）
9:15～9:40
台風が対馬海峡へ連行してきた高潮位に起因する山陰沿岸の急潮〇伊藤雅・井桁庸介（水研機構日水研）
9:40～10:05
富山湾周辺海域の海洋環境の経年変動パターン○小塚 晃 （富山水研）
・千手知晴（九州大学応力研）
10:05～10:30
2017 年の富山湾奥の沿岸流と沖合の流動場の関係について○福留研一（富山高専），千葉 元（大島商船高専），金山恵美（富山高専）
10:30～10:40
休憩
10:40～11:05
若狭湾環流形成と丹後半島への対馬暖流接岸との関係○井桁庸介(水研機構日水研)・兼田淳史(福井県大)・伊藤雅(水研機構日水研)・福留研一( 富山高専)・熊木豊(京都府海洋センター)・鮎川航太(福井県庁)
11:05～11:30
若狭湾における ADCP 搭載ブイの反射強度データの利用に向けた取り組み○兼田淳史(福井県大)・桂田慶裕（福井県水試）
11:30～11:45
総合討論

96

地球環境力学分野
研究集会

30AO‑S5（研究集会）

地球流体における波動と対流現象の力学研究代表者
伊賀 啓太（東京大学 大気海洋研究所）

研究集会の目的
近年の計算機技術の著しい進歩により，地球・惑星大気や海洋の小規模渦から大規模循環まで，計算機の上で再現できるようになった．そして，人工衛星による宇宙からの観測は，地球・惑星
全域での広域情報の入手を可能にした．今日では，地球科学は再現と検証の手段を得て，先端科学のひとつに変貌しつつある．そのような状況に於いて，地球流体力学は数値計算の結果や衛星
観測の厖大なデータを整理し統一的な理解を得るのに，重要な役割を担う学問である．本研究集会の目的は，複数の分野の地球流体力学に関連した研究者が一堂に会し，相互に最新の情報を交換し，新しい学問の展開を模索するものである．
研究集会の日時・場所
日 時: 2019 年 3 月 7 日（木）～3 月 8 日（金）会 場: 九州大学筑紫キャンパス 応用力学研究所

本館６階

多目的研究交流室(W601)

研究集会の概要
本集会は応用力学研究所と東京大学大気海洋研究所の間で交互に開催される研究集会であり、今回は２０回目にあたる。
発表内容は大別して、地球流体力学に関し回転成層流体の室内実験や理論的研究、地球大気海洋に関して、数値モデリングの改善や諸現象の力学的理解、惑星大気に関し金星や木星大気についての発表があった。発表は１５件あり、３０名の参加者があった。学部学生から名誉教授の発表まであり、情報交換や教育の場として重要な機会であった。これまで九大で世話人を努めてこられた和方教授が今年度定年退職を迎えられることになるが、この貴重な研究集会が今後とも引き継がれることが望まれる。
室内実験では、回転した水槽内の流体運動に関する議論があった。その一つは、海底深層流を模した実験で、水槽中に設置した部分的な仕切りにより流れの流動特性がどの様に変わるかの報告があった。また、高速で回転した水槽中に形成される軸対称流れの循環に関し理論解を導出し、さらにその流れ場の中に発生する不安定波動の線形安定解析についての報告があった。地球大気の研究では、台風に関連した２件の発表があった。台風の周りで波数２程度の強風域が台風の目の周りを旋回する現象が報告され、その観測データの解析と、数値モデルによる再現、エネルギー解析の報告があった。
もう一件は、LES による数値シミュレーションより、台風下層に２種類のロール状の風分布が存在することを示し、エクマン境界層解による鉛直シアー風の線形固有値問題から、その発生維持機構を議論した発表があった。
大気の局地循環に関し、ゲリラ豪雨の同化実験について報告があった。その予報には、時間的に非常に密な観測が必要であり、３０分程度の間隔でのデータ同化の必要性が指摘された。その際、雷のデータも取り入れる事により雲中の霰分布の改善に役立つとの興味ある発表があった。この雷と荷電の発生域の違いをどの様に考慮したら良いか議論があった。また日本海の海面水温の局地気象への影
響について報告があり、日本海の海水温の重要性が指摘された。またブロッキング高気圧の小規模渦の選択的吸収と予報可能性の関連に関する報告があった。次に対流圏の気象状況の再現性に関し、成層圏の影響に関する報告があった。気象数値モデルの上端境界を高くした（成層圏の計算精度をあげた）場合と低くした場合では対流圏の降雨にも変化があり、上端境界を高くした場合北極圏の極夜ジ
ェットの再現性が大きく改善されることが報告され、気象予報の向上には、成層圏を正確に計算する
必要性の提言があった。

97

海洋循環に関し、３層海洋モデルを風応力で駆動した際、海底に海山がある場合、その影響域がロ
スビー波として西方に伝わり西岸境界流へ影響するとの報告があった。その海山の水平スケールに依存する波動の群速度の違いにより、東方への伝播の可能性がないかなどの議論があった。
惑星大気では、金星スーパーローテーションの再現性に関する議論があり、鉛直渦粘性係数が大きい場合、スーパーローテーションの再現が難しいとの報告があった。また、金星には対称不安定の存在が可能ではないかとの指摘があった。最後に、木星大気についての話題もあり、アンモニア密度が増加した場合、湿潤対流が禁止される仕組みについての発表があった。

講演プログラム

３月７日（木）
12:50-13:00 代表者挨拶 伊賀 啓太(東大 AORI)
13:00-13:25 河田 裕貴(東大 AORI),伊賀 啓太(東大 AORI),横田 祥(気象研究所)，
栃本 英伍(東大 AORI)
台風の内部コア領域に見られる非軸対称構造に関する観測的・数値的研究
13:25-13:50 寺西 修二(京都産業大),高谷 康太郎(京都産業大)
位相依存性のない pseudomomentum の新たな定義について
13:50-14:15 千手 智晴(九大・応研),吉田 次郎(東京海洋大)
回転水槽実験による Stommel-Arons 型深層循環に対する鉛直壁の効果の検討：日本海深層流分布の解釈への応用
14:15-14:40 野口 尚史,小山 志穂里,松野 友樹(京大･工)乱流により駆動される粒子群の流動14:40-15:00

Break

15:00-16:30 和方吉信教授 最終講義
大気海洋力学の研究を振り返って
場所：九州大学筑紫キャンパス 事務棟（共通管理棟）3F 大会議室
19:00-21:00 ＊＊退職記念祝賀会＊＊

３月８日（金）9:00-9:25

伊藤 純至(東大 AORI),伊賀 啓太(東大 AORI),新野 宏(東大 AORI)
エクマン層と LES で再現した台風境界層の不安定解析

9:25-9:50

伊賀 啓太(東大 AORI)
円筒水槽内の回転する底面上の軸対称流の波の共鳴

9:50-10:15

加瀬 有理(富山大･理),松浦知徳(富山大)強流域に与える海底地形(海山・海嶺)の影響と中規模擾乱の発生

10:15-10:35

Break

98

10:35-11:00 前島 康光(理研),牛尾 知雄(首都大),三好 建正(理研)
ゲリラ豪雨予報高度化に向けた高頻度・高解像度データ同化実験
11:00-11:25 飯塚 聡(防災科研)
海面水温の誤差バイアスが豪雨に及ぼす影響
11:25-11:50 山崎 哲(AMSTEC)
2010 年夏ブロッキングの持続と予測におけるのストームトラックの寄与
11:50-12:15 河谷 芳雄(JAMSTEC),Kevin Hamilton(Univ. Hawaii),
Lesley Gray(Univ. Oxford),Scott Osprey(Univ. Oxford),渡辺 真吾(JAMSTEC),
山下 陽介(JAMSTEC)
成層圏が対流圏循環に及ぼす影響：MIROC-AGCM モデルを用いた考察
12:15-13:20 Lunch
13:20-13:45 松田 佳久(学芸大)
金星の大気大循環再考
13:45-14:10 杉本 憲彦(慶大),高木 征弘(京産大),松田 佳久(学芸大)
東西平均加熱による高速な金星スーパーローテーションの発生
14:10-14:35 高木 征弘(京産大･理),杉本 憲彦(慶大),樫村 博基 (CPS/神戸大),
安藤 紘基 (京産大),松田 佳久(学芸大)
金星大気における対称不安定の可能性
14:35-15:00 中島 健介(九大･理),福之上 嘉刀(九大･理)
木星型惑星における湿潤対流の禁止条件について発表１５件、参加者３０名

99地球環境力学分野
研究集会

30AO‑S6
海洋・海岸等における波動の解析モデルの比較研究代表者

鹿児島大学学術研究院・理工学域

柿沼太郎

研究の目的
申請者らは，平成 20 年度より，応用力学研究所の共同利用研究として，内部波を含む海洋波動の非線形問題に関して継続して研究を行なってきた．この成果を踏まえ，研究の更なる発展を目指し，様々な視点から海洋・海岸等における波動問題に関する研究を行なっている研究者らとともに，平成 27 年度より，応用力学研究所共同利用研究集会を開催している．研究集会では，質疑応答が大変活発に行なわれ，本研究集会の重要性が，参加者によって益々強く認識されている．そこで，平成 30 年度には，応用力学研究所共同利用研究集会として，波動モデルに関する最新の研究成果を踏まえ，各分野における波動現象に対して開発されてきたモデルを比較検討し，議論を行なうことを目的とした．本研究集会による成果は，申請者らの今後の応用
力学研究所の共同利用研究に活かされるのみならず，海洋学並びに海岸工学の両者の分野において，様々な波動問題に活用されるモデル開発のための，重要な基礎資料になると考えられる．
また，本研究組織は，本研究集会を経て有機的に連携し，それぞれのモデルが持つ利点や問題点を整理し，一つの統合的なモデルの開発を目指す．そのために，本研究集会では，海洋波動及び海岸波動の研究者のみならず，多相流体を含む様々な流体を対象とした数値モデルの開発者や，実験的に研究を進めている研究者，そして，応用物理学者並びに数学者を迎え入れ，
多様な角度から流体の波動問題に関して議論を行なう．
以上のように，本研究集会は，海洋・海岸等における波動をとりまく多彩な分野の研究者が，互いの情報を交換し，個々の研究の最前線やその拡がりを理解することにより問題意識を共有するとともに，従来のモデルを俯瞰し，更なる発展や展開のためのアイデアを生み出す場とする．こうした目的に照らせば，本研究集会は，共同利用研究拠点である応用力学研究所での開催が相応しいと考えられる．
研究集会の内容
本研究集会は，2018 年 12 月 15 日（土）14:00～16 日（日）12:20 に，九州大学応用力学研究
所の多目的交流室（W601 において開催された．なお，研究集会参加者の主メンバは，土木学
会海岸工学委員会波動モデル研究会のメンバであり，主催を土木学会海岸工学委員会波動モデ
ル研究会としたが，本研究会のメンバは，九州大学応用力学研究所，大阪市立大学及び慶應義塾大学の，物理学，応用数学，並びに，数学の研究者を含んでおり，九州大学応用力学研究所で開催するに相応しい研究集会となった．こうした分野横断的な活動を進めるにあたり，本研究集会の継続的な開催は，大きな意味を有している．参加者数は，両日とも，10 人であった．
すべての発表に対して，質疑応答が活発になされた．
まず，第 1 日の第 1 セッションにおいて，津波の数値解析に関する 2 件の口頭発表及び質疑応答が行なわれた．すなわち，全球津波伝播解析 Python モジュールの構築と，分裂を示す河川
津波の数値解析に関する発表がなされた．
次に，第 2 セッションでは，沿岸域における流体運動の数値解析に焦点が当てられ，2 件の口頭発表及び質疑応答が行なわれた．すなわち，没水堤周辺での不規則波の波高及び周期の変化とその再現計算と，超巨大台風による伊勢湾湾奥部における高潮浸水解析に関して発表された．
第 1 日には，懇親会が開催され，水の波に関する様々な対象をとりあげてきた理学・工学分

100

野の研究者間で，忌憚のない議論が行なわれた．
そして，第 2 日の第 3 セッションでは，波・流れの解析モデルに関して議論された．すなわ
ち，渦層モデルを用いた自由境界流れの解析と，磯部－柿沼モデルの数学解析に関する，2 件の口頭発表及び質疑応答が行なわれた．
更に，第 4 セッションでは，波動モデルの新展開に関して 2 件の口頭発表及び質疑応答があった．すなわち，KdV-Burgers 方程式の格子ボルツマン法による数値計算（第 2 報: 新しい定式化と計算結果）と，多層波動方程式の固有関数系グリーン関数の多段ステップ散乱問題への適用に関する研究成果が論じられた．
以上の発表内容の概要を含む，本研究集会のプログラムを以下に示す．

九州大学応用力学研究所

共同利用研究集会「海洋・海岸等における波動の解析モデルの比較」
日時2018 年 12 月 15 日（土）14:00～16 日（日）12:50

場

所

九州大学応用力学研究所

多目的交流室（W601）

主催

土木学会海岸工学委員会

波動モデル研究会

2018 年 12 月 15 日（土）開会の挨拶（14:00～14:10）
柿沼太郎（土木学会海岸工学委員会波動モデル研究会主査）
第 1 セッション －津波の数値解析－（座長: 辻）「全球津波伝播解析 Python モジュールの構築」（14:10～14:40）
新谷哲也（首都大学東京・都市環境学部）
沿岸の小領域から全球に至るまでのスケーラブルな津波伝播解析を目的として，重心ボロノ
イ図と TRiSK スキームに基づく非線形長波シミュレーターを開発 した．シミュレーターは
Python によって制御可能であり，既存の解析解との整合性の確認，及び津波伝播解析のテスト
計算の実施を行うことができた．
「分裂を示す河川津波の数値解析」（14:40～15:10）
柿沼太郎（鹿児島大学学術研究院・理工学域）
河川を遡上する津波が有する基礎的な特性を把握することを目的として，3 次元数値解析を行なった．河川幅及び静水深が一定の単断面河川においても，ソリトン分裂の発生に伴い，津波の伝播につれて津波高さが増加する場合があった．また，複断面河川において，位相速度に
河川横断方向の成分を有する津波を確認した．
休憩101

第 2 セッション －沿岸域における流体運動の数値解析－（座長: 新谷）「没水堤周辺での不規則波の波高及び周期の変化とその再現計算」（15:20～15:50）
平山克也（港湾空港技術研究所・海洋研究領域）
暫定利用する港湾の安全性や更なる被災リスクを評価するために，被災し水没した防波堤に残存する防波性能を把握する断面模型実験及びブシネスクモデルによる再現計算を実施した．
その結果，成分波間の非線形干渉により不規則波が短周期化する条件を見出し，不透過潜堤は，
特にうねりによる荷役障害が懸念される離島港湾では新たな静穏度対策となり得ること等を示した．一方，透過潜堤では波の分裂に比べ抵抗による減衰が卓越した．
「超巨大台風による伊勢湾湾奥部における高潮浸水解析」（15:50～16:20）
川崎浩司（ハイドロ総合技術研究所）
昨今，地球温暖化に伴う海面上昇と台風の強大化が懸念されている．したがって，1959 年の伊勢湾台風を上回る巨大台風が及ぼす影響について検討することは重要である．本研究では，
伊勢湾湾奥部を対象に，室戸台風級の超巨大台風時，および現在／将来気候から予想される最大高潮条件における高潮浸水計算を行い，超巨大台風による浸水特性について議論した．
懇親会
2018 年 12 月 16 日（日）第 3 セッション －波・流れの解析モデル－（座長: 金山）「渦層モデルを用いた自由境界流れの解析」（10:00～10:30）
松岡千博（大阪市立大学大学院・工学研究科）
界面と水上あるいは水中にあるバルク渦との相互作用が渦層モデルと点渦近似を用いて計算された．その結果，バルク渦はその渦度が小さくても，界面に大きな影響を与え，安定な界面を大変形させてケルビン・ヘルムホルツのような不安定性を引き起こすことが確かめられた．
「磯部－柿沼モデルの数学解析」（10:30～11:00）
井口達雄（慶應義塾大学・理工学部）
水の波の基礎方程式系に対する変分構造を利用して導出される磯部‐柿沼モデルについて数学解析を行い，波高水深比の小ささを仮定しない強非線形波に対しても成立する高次浅水波近似モデルになっていること，更に，これまでに知られている高次浅水波モデルよりも多くの点で優位なモデルであることを報告した．
休憩
第 4 セッション －波動モデルの新展開－（座長: 松岡）「KdV-Burgers 方程式の格子ボルツマン法による数値計算（第 2 報: 新しい定式化と計算結果）」（11:10～11:40）

102

辻

英一（九州大学・応用力学研究所）

非線形分散波動方程式である KdV-Burgers 方程式に関して，格子ボルツマン法を用いた，ある数値計算法を提案する．Burgers 方程式を解くのに有効であった Entropic LBM を用いて近似的に定式化し，先行研究と比較する．
「多層波動方程式の固有関数系グリーン関数の多段ステップ散乱問題への適用」（ 11:40～12:10）
金山進（日本大学・工学部）

多層波動方程式の線形分散関係式から導かれる固有関数系を用いて離散化を伴うことなく波
動流速場の解析を行うことができる．昨年度はグリーン関数の概念を導入することによって解析の際に扱われる代数方程式を系統的，効率的に解く手法を示したが，本研究においては境界が領域の両端に置いて与えられる場合にも拡張し，複数領域を対象とした境界値問題，すなわ
ち多段地形における散乱問題への適用方法を紹介した．
総括及び今後の活動・展望等に関する議論（12:10～12:40）
柿沼太郎
閉会挨拶（12:40～12:50）
辻英一（九州大学応用力学研究所共同利用研究集会世話人）

103

地球環境力学分野
研究集会

30AO‑S7「⽇本周辺海域の海況モニタリングと波浪計測に関する研究集会」報告
富⼭⾼等専⾨学校商船学科

福留研⼀

2018 年 12 ⽉ 13 ⽇から 12 ⽉ 14 ⽇にかけて，九州⼤学筑紫キャンパスにおいて，応⽤
⼒学研究所共同利⽤研究集会「⽇本周辺海域の海況モニタリングと波浪計測に関する研究集会」が開催された．本研究集会は，1998 年度の「対⾺・津軽海峡の海況モニタリングと⽇本海の波浪計測に関する研究集会」に始まり，3 回の研究集会名の変更を経て，2009 年
度よりは「⽇本海及び⽇本周辺海域の海況モニタリングと波浪計測に関する研究集会」として開催されてきた．21 回⽬を迎えた今年度は，より対象海域を広げる意図でタイトルを「⽇本周辺海域の海況モニタリングと波浪計測に関する研究集会」と変更し，⽇本周辺海域に関する最新の海況モニタリングと波浪計測結果はもちろん，数値シミュレーションや
データ同化といった，モニタリング結果を活⽤する側の講演も広く募集した．
今年度の研究集会には，⼤学および試験・研究・開発機関を中⼼に，現場観測に携わっている多くの⽅々にも継続してご参加頂いて，40 名の参加者と 13 題の講演があった．対象とする海域を広げたことで，講演では⽇本周辺海域を対象とした⾼解像度の気候変動予測データセット作成の取り組みや波浪再解析データの検証，⽇本沿岸の太平洋側における波浪モニタリングとモデリング，沖合津波の流れの計測と即時予測といった海域を⽇本海に限らない最新の成果が報告された．加えてグライダーやロボットといった新しい⼿法を⽤いたモニタリングと海況予測への取り組み，新しい海況計測機器を⽤いた旧計測機器データの検証，⽔産資源や⽣物環境への影響を理解・予測して情報提供することまで視野に⼊れた海況モニタリングの報告もあった．さらには，本研究集会の開催のきっかけともなった対⾺海峡の海況モニタリングに関する再解析結果や，東シナ海における⻑期の⽔塊構造の変動，海象と気象の相互作⽤についても成果が報告されるなど，幅広い海域における様々な⾓度からの現場観測，⼒学研究，数値シミュレーションに関する研究発表と活発な議論が⾏われた．今後とも，⽇本周辺海域の海況・波浪の研究に携わる研究者・関係者が⼀堂に会する集会となり、活発な議論と情報交換の場となることを期待する．最後に，本研究集会の開催を承諾して頂いた九州⼤学応⽤⼒学研究所，集会を開催するにあたりお世
話して頂いた広瀬直毅教授をはじめとする諸⽒に感謝する．

104

「日本周辺海域の海況モニタリングと波浪計測に関する研究集会」
日程: 平成 30 年 12 月 13 日（木）午後～14 日（金）午前*13 日の夜、懇親会を行います
場所: 九州大学筑紫キャンパス 応用力学研究所 東アジア海洋大気環境研究セ ンター6 階(http://www.kyushu-u.ac.jp/access/map/chikushi/chikushi.html)

Ｗ６０１

研究代表者: 福留研一(富山高専)所内世話人: 広瀬直毅(九大応力研)-----12 月 13 日（木）----13:50-14:00 趣旨説明
14:00-14:25
日本周辺海域の気候変動に関する将来予測
西川史朗・石川洋一(JAMSTEC)、若松剛(NERSC)
14:25-14:50
日本周辺海域の漂流波浪ブイデータによる再解析データの検証
久木幸治（琉球大理）
14:50-15:15
岩手県大槌湾の波浪モニタリングとモデリング藤井孝樹・小松幸生（東大院新領域/大気海洋研）、田中 潔（大気海洋研）
15:15-15:40
船舶の航行（AIS）データによる沖合津波の流れの計測と即時予測への利用
稲津大祐（東京海洋大）15:40-15:55

休憩

15:55-16:20
水産研究・教育機構における海洋モニタリングと海況予測への水中グライダー利用の取り組み
清水勇吾（水研機構中央水研）、奥西 武・筧 茂穂・長谷川大介（水研機構東北水研）、和川 拓・井桁庸介・本多直人・久賀みづき（水研機構日水研）、瀬藤 聡・赤松友成（水研機構中央水研）、黒田 寛（水研機構北水研）、
伊藤進一（大気海洋研）
16:20-16:45
四胴ロボット船による七尾西湾の観測原田浩太朗（石川水総セ）
16:45-17:10
ローター式流速計と超音波ドップラー流速計の比較実験
千手智晴（九大応力研）
17:10-17:30

情報交換-----12 月 14 日（金）----09:00-09:25
宮崎県の沿岸資源変動における豊後水道の重要性
渡慶次 力・中西健二・外山寛隆（宮崎水試）
09:25-09:50
九州西方沿岸域における気象津波の発生・増幅機構

105福澤克俊・日比谷紀之(東大院理)09:50-10:15
初夏の黒潮上における深い対流発生時の環境場
万田敦昌（三重大学生物資源科学部）
10:15-10:25

休憩

10:25-10:50
対馬海峡水温の日周変動に対する大気応答
趙 寧・劉 天然・広瀬直毅（九大応力研）、岩崎慎介（寒地土木研）
10:50-11:15
対馬海峡通過流量の再推定
内海勇哉（九大総理工）、髙山勝巳・広瀬直毅（九大応力研）
11:15-11:40
気象庁東シナ海 PN 線にみられる長期変化・十年規模変動 ～長期再解析データの整備～
小嶋 惇・村上 潔・中野俊也（気象庁 地球環境・海洋部）
11:40-12:10

総合討論

106

核融合力学分野
特定研究2

30特2‑1直線磁化プラズマにおける乱流構造の解析

九州大学 基幹教育院 山田 琢磨
プラズマ乱流中に発生するメゾスケール構造の一種であるストリーマー構造について、その媒介波と搬送波の非線形結合を解析した。従来までの方法では、時間方向と周方向の 2 次元計測によってまず揺動を周方向モード数に分解し、各モード数がマッチング条件を満たす組み合わせを抽出してから周波数方向のバイスペクトル解析を行っていたが、本研究ではある時刻でのタイムスライスを抜き出し、周方向のバイスペクトル解析を行った。結果、従来では分からなかった周方向モード
数内での非線形結合の詳細が明らかになり、周方向モード数の組み合わせによってはストリーマー構造の形成に寄与しないような成分があることが判明した。
1. 目的
ストリーマーはゾーナルフローと同様に、プラズマ乱流中のミクロスケール構造であるドリフト波が非線形結合することで発生するメゾスケール構造であり、その存在は径方向輸送に大きな影響を与える
ため、発生機構や制御・抑制を研究することは核融合プラズマの輸送を理解するうえで非常に重要である。九州大学応用力学研究所の直線プラズマ実験装置 LMD-U のような直線プラズマはトロイダルプラ
ズマに比べて低温で近接性に優れるため、乱流やメゾスケール構造の基礎的解析を行う点において有利である。LMD-U ではその利点を活かし、ストリーマーとその構造形成に重要な役割を果たす媒介波が世界で初めて発見された。計測は周方向静電プローブアレーと径方向駆動プローブによって行われ、相関解析により直線プラズマの 2 次元円断面内においてストリーマー構造は周方向に自己収束し、径方向に伸びた構造を持つことが分かり、また媒介波は径方向に節を持つ構造であることが分かった。ところがこれまでの解析方法では、時間方向と周方向の 2 次元計測を行った後、揺動を周方向のフーリエ変換
によって周方向モード数に分解し、各モード数がマッチング条件を満たす組み合わせはその周方向モード間に非線形結合が当然あるものとみなして抽出し、周波数方向でのバイスペクトル解析のみを行っていた。そこで本研究では逆に、ある時刻でのタイムスライスを抽出し、その中での周方向モード数間の非線形結合を詳細に調べるために周方向のバイスペクトル解析を行った。一例として、媒介波とストリーマー構造の包絡線の位相差をバイフェーズ解析により求めた。
2. 実験方法
直線プラズマ実験装置 LMD-U を用いてストリーマー実験を行い、静電プローブアレーでイオン飽和
電流（電子密度揺動）を計測することで、ストリーマー構造とその発生に重要な役割を果たす媒介波、またストリーマーを形作る搬送波（ドリフト波）を観測し、両者の間に存在する非線形結合を明らかにした。LMD-U は軸方向の長さが z = 3740 mm、内径 r = 450 mm の直線装置である。ソース部に付けられた内径 95 mm のガラス管に RF アンテナで 3 kW/7 MHz の RF 波を印加し、ヘリコンプラズマを発生することで真空容器内部に直径が約 100 mm の直線プラズマが発生する。軸方向に 0.09 T の磁場を発生させ、内部に封入したアルゴンの圧力を 1.5 mTorr に調整することで、ドリフト波乱流が非線形結合を通してストリーマー構造を形成する。このとき中心部の密度は 1019 m–3 程度、電子温度は 3±0.5 eV のおおよそ平坦な分布である。
軸方向 z = 1885 mm、半径 r = 40 mm の位置に周方向 64 チャンネル静電プローブが設置されている。
このプローブにより揺動を時間方向と周方向に詳細に観測し、特に精度の良い乱流の周方向モード数を観測することを可能にした。ストリーマー構造は搬送波が周方向に自己収束した構造体であり、その包絡線は媒介波と位相関係を保持する。つまり搬送波が形作る包絡線構造は媒介波と同じ周方向モード数と周波数を持つことになる。そのため、ストリーマーの位相構造を特定するためには、媒介波を参照波107

として、媒介波と 2 つの搬送波のバイスペクトル解析を行い、バイフェーズを計算すればよい。この時、バイフェーズが搬送波の包絡線（ストリーマー構造）と媒介波の間の位相差を表す。本研究では周方向での非線形結合を確認するため、ある時刻でのタイムスライスを抜き出し、周方向空間での各モード数
間のバイフェーズを計算する。隣り合うタイムスライスではバイフェーズの計算結果がほぼ似通ったものになるため、十分に時刻が離れたタイムスライスをいくつも抜き出し、その平均を取ることでバイフ
ェーズの計算結果とした。
3. 実験結果と考察
LMD-U のストリーマー発生放電（磁場 0.09 T、圧力 1.5 mTorr）で周方向 64
チャンネルプローブにより電子密度揺動を測定し、ストリーマーの包絡線構造、媒介波、搬送波を観測した。媒介波は周方向モード数 m1 = 1, f1 = –1.2 kHz で、最も振幅の大きく媒介波との結合が強い
搬送波は、m2 = 2, f2 = 7.8 kHz の波と m3 =3, f3 = 6.6 kHz の波であった。図 1 は密度揺動のタイムスライスを抜き出し、周方
向モード数（1, m, m + 1）間のバイフェーズ値を計算したものである。初めの 1は媒介波の周方向モード数を示し、m と

m + 1 は隣り合う周方向モード数を持

つ媒介波である。結果は、（1, 1, 2）の結合のバイフェーズ値のみ他の結合と大きく異なる値となり、他の結合はバイフェーズ値がほぼ変わらなかった。

図 1. 媒介波と搬送波間のバイフェーズの値、すなわち媒介
波とストリーマー構造の包絡線との位相差。横軸が m の場
合、媒介波（周方向モード数 1）と、搬送波（周方向モー
ド数 m および m + 1）間のバイフェーズ値を示す。
（1, 1, 2）の結合のバイフェーズ値のみ、他のバイフェーズ値と離れこの結果の妥当性を確認するために、た値を持つことが分かった。
実際に密度揺動の時空間構造から媒介
波成分を消去し、隣り合う周方向モード
数のみを抜き出して重ね合わせたところ、m = 1 & 2 以外の重ね合わせの結果は媒介波の山の位置にほぼ揺動が収束して存在しストリーマー構造を形作っていることが確認できたが、m = 1 & 2 を重ね合わせた場合は、揺動の収束する位置が他と全く異なり、ストリーマー構造の形成に全く貢献していないことが分かった。今後、この現象の詳細をさらに解析することで本研究を発展させる。
4. 研究成果報告[1] 山田琢磨, “閉じ込めを左右するメゾスケール構造～乱流内の非線形結合～”, 東京大学 先端電力エ
ネルギー・環境技術教育研究センター(APET)特別講演会 (Aug 27, 2018).
[2] 山田琢磨他, “PANTA における乱流の三次元構造”, 日本物理学会 2018 年秋季大会, 11aC101-2, 同志
社大学 (Sep 9-12, 2018).
[3] T. Yamada et al., “Three Dimensional Structure of Streamer in Drift Wave Fluctuations (Invited Talk)”, 2ndAsia-Pacific Conference on Plasma Physics, CD-I20, Kanazawa (Nov 12-17, 2018).
5. 研究組織
研究代表者：山田琢磨（九大） 研究協力者：稲垣滋、佐々木真（九大）、小林達哉（核融合研）

108

核融合力学分野
特定研究2

30特2‑2流体波動の局所分離解析に関する研究
九州⼤学応⽤⼒学研究所 ⼤貫陽平
背景

⼤気海洋(⼀般に地球流体)中の波動は、エネルギーおよび運動量のキャリアとして、惑星規模の物質循環の駆動に深く関わっている。計算機の発達に伴い、地球流体システムの再現を⽬的とした数値シミュレーションの精度は年々向上しており、そこから⽣み出される膨⼤なデータから各種波動成分の伝搬情報(フラックス)を解析して循環場へ与える影響を検証する作業が、世界中の研究グループによって進められている。既往研究においては、慣性
重⼒波およびロスビー波をひとまとめにしてフラックスを解析する⼿法が提案されて来た(例: Kinoshita et al. 2013, J. Atmos. Sci. , Aiki et al. 2017, Prog. Earth Planet. Sci.)が、地球流体システムのさらなる理解のためには、異なる種別の波動成分を分離して解析する⼿法の開発が望まれている。そこで代表者はこれまで、量⼦⼒学や⾳響学の分野で利⽤されている Wigner 変換の⼿法を導⼊することで、地球流体における新しい波動分離解析技術の開発を進めて来た。
興味深いことに、地球流体⼒学とプラズマ物理学には様々な類似性がある。例えば、地球⾃転に伴う渦度の南北勾配を復元⼒としたロスビー波は、プラズマ中に存在するドリフト
波と共通の⽅程式によって記述でき、そのため同⼀の分散関係を持つ。さらに、時間スケー
ルの異なる波動成分が共存し、相互にエネルギーをやり取りする過程が⼤きな関⼼を持って研究されている。これらのことから、地球流体波動を対象とした解析⼿法が、プラズマ波動にも応⽤できる可能性が期待される。そこで本研究では、地球科学と核融合科学の分野融合課題として、流体波動に普遍的に適⽤可能な波動の局所分離解析理論とそれを⽤いたデータマイニング技術について検討を⾏った。
理論の概要と数値データへの適⽤

⼀般に、流体波動は放物型の偏微分⽅程式によって記述され、特に時間定常解からのわず
かなずれについて線形化された⽅程式を⽤いて議論されることが多い。初等的には、⽅程式の係数が空間に依存しなければ、フーリエ変換と⾏列の対⾓化作業を組み合わせることで系に含まれる各種波動成分を固有モードとして分離することができる。しかし、空間的に変動する場においては、媒質の振動⽅向を規定する固有ベクトルや周波数が波数と位置座標の関数として変化するため、通常のフーリエ変換の⽅法を当てはめることができない。
本研究では、⽅程式の係数作⽤素を、Wigner 変換によって擬微分作⽤素の形式へ書き換
えてから漸近解析を⾏うことで、従来のフーリエ変換の⽅法を拡張して流体波動の分離解
析が可能なことを理論的に⽰した。分離によって得られた各種成分の信号から Wigner 分布関数を定義することで、エネルギー密度の時間変化が radiative transfer equation:

𝜕𝑤+ ∇& 𝜔 ∙ ∇) 𝑤 − ∇) 𝜔 ∙ ∇& 𝑤 = 𝑆
𝜕𝑡によって記述できることを提案し、⼀連の⼿法を海洋波動の数値シミュレーションデータ
に当てはめることで、慣性重⼒波とロスビー波を明瞭に分離することに成功した(図 1)。この成果は現在学術誌に投稿中である。

109

図 1: モデルデータから分離したロスビー波の信号、エネルギー密度およびフラックス.
検討内容

所内の研究セミナーおよび報告会で、核融合プラズマ分野の研究者に向け、前節で述べた
Wigner 変換を⽤いた波動分離解析技術についての研究報告を⾏った。その中で、⼤気海洋
分野で radiative transfer equation として認識されている理論モデルが、核融合分野ではwave kinetic equation と呼ばれ、その利⽤法に著しい類似性があるという情報を得た。
報告会終了後、プラズマ波動の wave kinetic equation に詳しい佐々⽊真⽒と個別に研究打ち合わせを⾏い、複数種の不安定モードが共存する系への本研究⼿法の適⽤可能性について議論した。具体的には、Sasaki et al. (2017, Phys. Plasmas)によって考察の対象となっていたシア流中プラズマの乱流⽣成過程において、ドリフト波と DʼAngelo モードの分離および wave kinetic equation の⽴式に Winger 変換の利⽤が有効ではないかという結論に達した。ただし、この系は複数種の不安定モードが縮退するという特殊な状況をはらんでおり、Wigner 分布関数の⾮対⾓成分の評価という、新たな課題が⽴ち上がっている。次年度
は、背景密度勾配や流速シアを伴うプラズマ中の不安定波動の解析を中⼼テーマに位置付け、特に背景流成分が乱流成分から受けるレイノルズ応⼒の評価に関して、本解析⼿法の有効性についての検討を重ねていく予定である。
研究組織: ⼤貫陽平, 稲垣滋, ⼩菅佑輔, 佐々⽊真 (九⼤応⼒研)
成果報告: ⼤貫陽平,「流体波動の局所分離解析に関する研究」, 応⽤⼒学研究所研究集会“波・流れ・乱流のセンシング・マイニング・モデリング”, 2019/2.

110

核融合力学分野
特定研究2

30特2‑3

九州大学 応用力学研究所 2018年度共同利用研究 成果報告書
サブテーマ研究代表者：
横井 喜充（よこい のぶみつ）
東京大学 生産技術研究所 基礎系部門 助教
課題：
乱流輸送の促進と抑制機構の理論・実験的解明：ヘリシティ効果
Theoretical and experimental explorations of turbulent transport enhancement andsuppression, with special emphasis on eﬀects of helicities
要旨：
輸送促進と抑制のダイナミクスに基づいて統一的な非一様プラズマの乱流輸送モデルを理論的に構築し，諸ヘリシティの計測を含む実験によって検証し発展させた．
序論：
乱れが存在すると一般に系の輸送が大きく促進する（渦粘性，渦拡散，乱流磁気拡散など）．しかし，系の幾何構造・回転，密度変動，不均一流れ，大規模磁場などを伴う現実の乱流では，対称性の破れによって系統的にエネルギー以外の乱流統計量（運動・磁気・クロスなどの諸ヘリシティ）が生成される．それらの効果で輸送が抑制され，乱れによる輸送促
進と輸送抑制のダイナミクスが系の発展を支配する．
サブテーマ研究代表者（横井）は，促進と抑制のダイナミクスに基づく乱流輸送モデルを提唱してきた．その発展には，プラズマ中の諸ヘリシティの実験的計測による検証・議論が不可欠である．応用力学研究所のPANTAをはじめとする実験装置は，プラズマ中のマクロな流れ・波動とヘリシティを含む乱流相関の時空発展の同時計測を可能とする．輸送促進と抑制のダイナミクスに基づく非一様乱流の統一的乱流輸送モデルの研究を理論と実験の両面から強力に推進していく．
方法：
横井の理論モデルに基づき，輸送と直結するゆらぎ場の相関の時空分布と平均場の非一様性とを同時に測定する．ゆらぎ相関としては，ゆらぎ強度の情報である，密度，速度，温度の自己相関に加えて，ゆらぎ構造の情報である諸ヘリシティ［運動ヘリシティ（速度＝渦度相関），磁気ヘリシティ（磁場＝電流密度相関），クロス・ヘリシティ（速度＝磁場相関）］などの時空分布を稲垣が計測する．諸ヘリシティの時空分布の直接計測は世界的にも例が限られており，それ自体として高い価値がある．その結果と平均場の分布と組み合わせることで，レイノルズ応力，乱流起電力，乱流熱流束などの実際の分布とモデル表現とを横井と稲垣で比較検討する．さらにヘリシティ自体とその生成率（別の乱流相関と平均場の非一様性の結合やプラズマ波動の伝搬）の時空分布とを比較することで，測定や観測が難しい場合に用いる代替観測量（proxy）の情報を得る．実験との比較結果を用いて，横井は乱流輸送モデルを発展させる．
結果：

111

測定する物理量の特定と，そのための実験設定の確認を行った．速度と磁場の同時測定を同じ制度で行うためには観測装置の開発も必要であるため，そのための検討を行った．
考察：
今回の研究を通じて，モデルの検証のためにどのような物理量をどのような時空分布で測定するかについての理解が深まった．乱流質量流朿やエネルギー流朿に関するモデルの検証には，速度と磁場の相関を非圧縮部分と圧縮生部分に分ける必要があることもわかり，今後の研究方針が明確になったと言える．
論文：[1] Valery V. Pipin and Nobumitsu Yokoi,
Generation of a large-scale magnetic ﬁeld in a convective full-sphere cross-helicity
dynamo, Astrophysical Journal, 859, 18-1-11 (2018/05)[2] Dmitry Sokoloﬀ and Nobumitsu Yokoi,
Path integrals for mean-ﬁeld equations in nonlinear dynamos, Journal of Plasma
Physics, 84, 735840307-1-7 (2018/06)[3] Nobumitsu Yokoi,
Turbulent dynamos beyond the heuristic modeling: Helicities and density variance,
AIP Conference Proceedings 1993, 020010-1-10 (2018/08)[4] Nobumitsu Yokoi,
Electromotive force in strongly compressible magnetohydrodynamic turbulence,
Journal of Plasma Physics, 84, 735840501-1-26 (2018/10)[5] Nobumitsu Yokoi,
Mass and internal-energy transports in strongly compressible
magnetohydrodynamic turbulence, Journal of Plasma Physics, 84, 775840603-1-30(2018/12)[6] Valera Titov, Rodion Stepanov, Nobumitsu Yokoi, Mahendra Verma, and Ravi
Samtaney,
Cross helicity sign reversals in the dissipative scales of magnetohydrodynamic
turbulence, Magnetohydrodynamics, 55, 1-7 (2019/02)
学会発表：[1] Nobumitsu Yokoi,
Multiple-scale analysis of turbulent transport in strongly compressible
magnetohydrodynamic ﬂows, European Geosciences Union General Assembly
Meeting 2018, EGU2018-12095 (2018/04)[2] Nobumitsu Yokoi,
Eﬀective mass and energy ﬂuxes in strongly compressible magnetohydrodynamic
turbulence: Density-variance and compressive cross-helicity eﬀects, American
Geophysical Society Fall Meeting 2018, NG23A05, (2018/12)112

核融合力学分野
特定研究2

30特2‑4

振幅変調反応性高周波放電中のナノ粒子量のエンベロープ解析
古閑一憲、白谷正治、稲垣滋

半導体デバイス製造の前工程において、プラズマプロセスは必須の技術である。近年の半導体デバイスの高性能化では、微細化から、3 次元スケーリングと呼ばれる多段積層化が進められている。このような３次元スケーリングにおいてもプラズマプロセスは必要であり、3次元のナノ構造体を精密に加工する必要があり、プラズマとナノ構造体の界面との相互作
用ゆらぎの抑制は重要課題である。この課題の解決には、プラズマとナノ界面の相互作用ゆらぎを解明する必要がある。本研究では，プラズマとナノ界面の相互作用を解明するため反応性プラズマ中のナノ粒子成長をナノ界面のモデルとして，プラズマとナノ粒子の相互作
用ゆらぎをプラズマ乱流物理の視点から解析することを目指している．これまでに振幅変調放電におけるナノ粒子量のゆらぎにプラズマ乱流解析を適用し，以下の成果を得ている。
1) 高周波放電 CVD プラズマ中で形成されるナノ粒子に関して、放電電圧の振幅変調がサ
イズ・サイズ分散の減少をもたらす [1]。
2) 結果 1)において、ナノ粒子とラジカルのカップリングが重要な役割を果たしている[2]。
3) 振幅変調放電におけるナノ粒子量のゆらぎにバイスペクトル解析を適用し、ラジカルとナノ粒子の非線形結合を確認した。
4) プラズマ乱流解析で用いられているエンベロープ解析を適用してプラズマとナノ粒子の相互作用ゆらぎの抽出と相互作用ゆらぎの伝播を評価することに成功した[3, 4]。
ここでは，放電空間中のナノ粒子のサイズを計測し、これらのゆらぎ構造との相関について検討した。
実験には、図 1 に示す容量結合型プラズマ CVD 装置を用いた[2]。反応容器中心に直径60mm(r = -30 ~ +30 mm)の 2 枚の電極を 20mm(z = 0 ~ 20mm)の間隔で設置した。Ar と DMDMOS(Si(CH3)2(OCH3)2)を、それぞれガス流量 40sccm、2sccm で容器内に導入し、圧力を166.3Pa とした。周波数 60MHz、電圧 120V の高周波電圧を電極間に印加し、プラズマを生成した。このとき、放電電圧に変調周波数 100Hz、変調度 30%の正弦波で振幅変調を加え、プラズマ密度に意図的に摂動を与えることにより、プラズマ密度の揺動がナノ粒子成長に与える影響について調べた。気相中ナノ粒子量の時空間変化は 2 次元レーザー散乱法で計測した。シート状 YAG レーザー光(厚さ 16mm、幅1mm、入射パワー2.0W、波長 532nm)を、接地電

GND極と放電電極間(電極間距離 20mm)に平行に入射し、ナノ粒子からの 90 度レーリー散乱光を、
干渉フィルタを装着した高速度カメラ(1000fps)
図 1. 実験装置図。

113

で撮影した[5, 6]。
レーザー散乱光(LLS)強度にエンベロープ解
析を適用して、ナノ粒子とプラズマの相互作用
ゆらぎを抽出した。例えば 100Hz を抜き出す場
合、LLS 強度に 94 -106Hz でバンドパスフィル
タをかけることで、LLS 強度ゆらぎの 100Hz 成
分を抜き出し、100Hz 振幅のエンベロープを得た。図２に電極中央（r=0mm）と電極の外周部（r=27mm）における相互作用ゆらぎの時空間分布を示す。電極外周部の法が、相互作用ゆらぎが顕著に表れる放電開始からの時間が早く、ｚ方向（電極間距離方向。z=0 が放電電極、z=20mm
が接地電極を示す。）全体にゆらぎ構造が存在している。
上述した相互作用ゆらぎとナノ粒子成長の相関を明らかにするため、各半径方向における放電開始後 8 秒におけるナノ粒子のサイズ分布を

図２．変調周波数 100Hz, 変調度調べた。結果を図３に示す。ゆらぎ構造が強く30%時の LLS 強度の 100Hz 成分の相発生しているエッジ部分では、7nm と 10nm に互作用ゆらぎ。（上図）r=0mm, （下ピークを持つ分布であったが、電極中央 11nm に図）r=27mm

ピークを持つ分布であり、ゆらぎ構造が強い領域では、ナノ粒子成長が抑制されていることが示唆される。
今後は、ゆらぎ構造とナノ粒子生成の相関について変調周波数依存性などから明らかにしたい。
参考文献[1] K. Kamataki, et al., J. Instrum. 7 (2012) C04017.

図３．変調周波数 100Hz, 変調度[2] M. Shiratani, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 53 (2014)

30%、放電開始後 8s 時の各半径位置

010201.

におけるナノ粒子サイズ分布。

[3] T. Yamada, et al., Nature Phys. 4 (2008) 721.
[4] T. Kobayashi, et al., Nucl. Fusion 55 (2015) 063009．
[5] M. Shiratani, et al., Faraday Discussions., 137 (2008) 127.
[6] S. Nunomura, et al., J. Appl. Phys., 99 (2006) 083202.
投稿論文：3 件、学会発表：国際会議 5 件、国内会議 2 件

114

核融合力学分野
特定研究2

30特2‑5

医療用 CT・MRI 技術を応用したプラズマ乱流計測
島根大学学術研究院理工学系 荒川弘之

背景と研究目標

応用力学研究所直線磁化プラズマ発生装置 PANTA では，乱流の時空間構造を高速に測定することが必要とされ、近年では、乱流への摂動がない、CT 技術を応用した手法やレーザーによる乱流測定手法の開発が進められている。開発においては、光検出器による線積分されたプラズマの発光情報からプラズマ乱流揺動の情報を画像再構成手法に
より再構築する必要がある。この際、医療分野で急速に開発が進んでいる、少ない点か
ら効率的に対象を測定可能な『圧縮センシング MRI』や『圧縮センシング CT』の手法を適用することで新たな乱流観測手法の開発が期待できる。本研究では、医療分野で開発が進められている圧縮センシングによる MRI・CT 手法を、レーザーによるプラズマ乱流計測に適用を行うための基礎的な検討を行う。

方法と検討結果

プラズマイオン流れ測定の基礎的な検討のため、 (i)数値シミュレーション結果を用いたベクトルトモグラフィーの検討と、(ii)レーザー吸収分光による信号強度の測定実験を行った。この際、医療用の CT 技術をそのまま適用する場合、レーザーを様々な方向から照射する必要がある。このため、本研究では、ラングミュアプローブを用いて開発されたプラズマ二次元揺動再構成手法(H.Arakawa Sci.Rep.2016)を応用して、一方向のみのレーザー照射で行う形とした。

(i)

数値シミュレーション結果を用いたベクトルトモグラフィー模擬
九州大学で開発されている、円筒形プラズマ中での乱流解析コード NumericalLinear Device (NLD)による乱流シミュレーション結果を用いて、計測模擬による検討を行った。イオン温度は、過去の実験で得られている、0.3eV とした。得られたポテン
シャル情報を元に、２次元周方向速度分布、２次元径方向速度分布の導出を行った。
これらを踏まえて、ベクトルトモグラフィーによる測定実験の模擬を行った。円柱状
プラズマの下方から磁場に垂直にレーザーを照射するとし、プラズマの回転は、プラズ
マの端における乱流揺動の位相変化から見積もった。イオンは、アルゴンイオンの
3d4F7/2準位から4p4D5/2 準位への励起の際の、レーザー光の吸収または蛍光を利用するとした。イオンの流れと温度により、吸収される波長のドップラーシフトとドップラー

115

広がりが起こる為、668.6138nmを中心波長として10GHz程度の掃引を模擬した。得られた波長ごとの線積分情報を元に、２次元密度分布、２次元周方向速度分布、２次元径
方向速度分布を再構成した。結果、元の２次元分布をおおよそ再現できることを確認した。

(ii)レーザー吸収分光実験
これまで開発しているレーザー誘起蛍光法では、アルゴンイオンの4p4D5/2への励起
後に、4s4P3/2への準位へ遷移する際の蛍光(442.6nm)を測定するための集光光学系を別途設置している。レーザー吸収分光法を用いた手法では、レーザー光の吸収量を測定するための光検出器を新たに設置するだけで大掛かりな集光光学系は必要なく、位置調整も容易である。このため、計測装置の簡易化ができる可能性がある。本研究では、線積分した吸収量の測定により、レーザー誘起蛍光法と比較した、本手法の可否を検討した。
レーザーは、円柱プラズマ中心を通過するように設置した。レーザー波長は、アルゴンイオンの3d4F7/2準位から4p4D5/2 準位への励起の際の吸収波長である、668.6138nmとした。プラズマを透過した光は、光ファイバにより伝送後、アバランシェフォトダイ
オードにより光強度を検出した。
得られた結果として、プラズマによるレーザー光の吸収量が非常に少なく、吸収量の測定には、数十回の繰り返し測定を行う必要があることがわかった。S/Nの改善には、プラズマの円柱の軸方向へレーザー径を拡大し、吸収量の増加を行う方法が考えられる。
一方で、現状のレーザー誘起蛍光による局所的な蛍光測定を用いた場合のS/Nの方が良
いため、蛍光の線積分を測定する形とした方が、本研究には適していると考えられる。

今後は、以下の検討により、本乱流測定手法の開発を行う。(a) 本研究によるシミュ
レーションの結果を元に、医療用圧縮センシング MRI や CT の技術を適用して、その画
質やノイズの評価により、どこまで測定点を減少させ、効率的に測定できるかを検討する。(b)新たな集光光学系設置により、レーザー誘起蛍光による線積分データを測定し、S/N の測定を行う。

・成果報告：
本検討に関する論文を査読付き論文へ投稿準備中である。

116

核融合力学分野
特定研究2

30特2‑6

デジタル分光を用いた ECE 計測の解析手法に関する研究
核融合科学研究所

土屋

隼人

１．要旨
デジタル相関 ECE 計測は高速デジタイザーのシーケンシャルモードを開発し LHD で運用されている。同計測をドイツの W7-X の ECE 計測に適応可能性を検討した。高速デジタイ
ザーを W7-X の ECE 計測器に試験的に接続し、初期結果を得た。
２．序論
様々な実験研究の計測にとって、高空間分解能かつ高時間分解能で現象を観測する
ことは一つの夢である。大抵の場合、空間分解能や時間分解能は測定器のハードウェアの性能で決まり、実験準備の段階でそれらは決められてしまう。実験後に解析を進めていくうちに、時間分解能を高めたいことや空間分解能を高めたいことがあるが、実験準備で見積もった分解能以上は実現できない。プラズマ研究においても同様で、乱流のようなスケールが小さく現象の時間スケールも小さい現象を観測する計測器が望まれている。
3.デジタルコリレーションＥＣＥ原理と LHD と W7-X への適応
電子温度計測の有効な手段として、電子サイクロトロン放射（ECE）計測が有効であることはよく認知されている。ECE の周波数帯は装置の磁場強度に比例し、テスラマシンの場
合数十ギガから数百ギガヘルツである。かつカットオフ密度との関連を考慮すると、ECE は高磁場装置で有効で、LHD の場合 50GHz 以上の ECE が計測に利用できる。
ECE を検波するためにヘテ
ロダイン検波を行うと、その中 間 周 波 数 帯 （ IF ：Intermidiate Frequency）は
通常ギガヘルツ帯であるので、従来はアナログ周波数フィルター（BPF）を使って周波数分離を行い、分離した各周波数のパワー検波していた （ 図 １ ． 左 側 ①
conventional block）。本提案手法では、IF を直接デジ
タイジングし、IF 波形をデータとして保存する。これにより、離散化された IF 波形

図１.LHD の DCECE 概念図

117

をフーリエ変換することで、IF の分光スペクトルを得ることができる（デジタル分光）[1,2]。
核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)においては高磁場領域から発せられる ECE を従来の BPF を使ったラジオメータとデジタル分光を使って検波している。今年度は同様のシス
テムをドイツのマックスプランク研究所（IPP）の Wendelstein 7-X (W7-X)の ECE 計測に試験的に導入し初期的な結果を得た。W7-X は超伝導ステラレータ実験装置であり、2015 年に実験を開始し、ECE 計測は電子温度分布と電子温度摂動を観測する主幹計測して稼動している。
今回は低磁場側 ECE がスーパーヘテロダインで周波数変換された IF をデジタル分光用に分波しデータ取得を行った。図２は高速デジタイザーに分波接続した様子である。図３に測定機器の熱ノイズ((a),(b))とあるプラズマ放電からの ECE 信号((c),(d))の IF 波形とそのスペクトルを示す。(b)より機器からノイズに特徴的な周波数がいくつかあることが分かる。(a)(b)よりプラズマからの信号は十分有
意な振幅であることが確認された。そのスペクトルはブロードであるが、機器からの特徴
的な周波数ピークよりおおきなスペクトル強度ではないため、解析の際には機器の特徴的なピークを取り除く必要がある。このことを踏まえ今後解析を進めていく。

図２.W7-X ECE デジタル分光接続の様子

図３.W7-X IF 波形とそのスペクトル a)プラズマがない場合の測定器の熱ノイズの波形ECE の波形b) 測定器の熱ノイズのスペクトル c)プラズマからのb) ECE の IF スペクトル

参考文献*1. Hayato TSUCHIYA, Sigeru INAGAKI1,2), Tokihiko TOKUZAWA, Naoki TAMURA and Yoshio
NAGAYAMA, Plasma and Fusion Research Volume 9, 3402021 (2014)*2 Hayato TSUCHIYA, Shigeru INAGAKI, Tokihiko TOKUZAWA, Naoki TAMURA, Yoshio NAGAYAMA,
LHD Experiment Group, Plasma and Fusion Research Volume11, 2402072 (2016)

118

核融合力学分野
特定研究2

30特2‑7東シナ海黒潮域における乱流混合過程の解明
沖縄科学技術大学院大学
沖縄マリンサイエンスサポートセクション
森 康輔
1. 目的
海洋における鉛直混合は，風や潮流によって励起される近慣性周期の内部波が大きく寄与しているが，特に風起源の内部波が深海に伝わり，強鉛直混合域を形成する過程には不明な点が多い。そこで本研究では，乱流の鉛直伝播メカニズムを解明するため，乱流微細構造
プロファイラーを用いて定点における乱流連続観測を実施し，乱流構造の時間変化を調べた。
2. 観測
カナダ Rockland Scientific 社製乱流微細構造プロファイラーVMP-500 を用いて，日本海の観測点 PM5 において（図 1），2018 年 10 月 9 日午前 8時頃から 24 時間連続で，長崎大学水産学部付属練習船長崎丸による乱流観測を実施した。観測範囲は表層から
水深約 500m まで，キャスト数は 39 回である。VMP-500 には様々なセンサが付属しているが，本研究で用いたパラ

図 1： 観測点

メータは，鉛直シア・水温・圧力である。
得られたデータからスパイク成分を取り除き，5 dBar のセグメントで 2.5 dBar 毎に，乱流エネ
ルギー散逸率ε[W/kg]を算出した。乱流計は，海面から一定速度で降下しながら計測するという特徴を持つ。降下速度が安定しない表層付近（海面から水深数十 m まで）は，εの算出が困難となるため欠測扱いとした。
3. 結果
εと水温の鉛直プロファイル時系列を図 2 に示す。18 時頃以降から表層付近でε～10-7
W/kg と比較的大きくなっており，これは，夜間の冷却による表層混合によるものと考えられる。鉛直方向に注目すると，10～30 dBar の間隔で 1 オーダ程度大きなεが離散的に分布するところがある（例えば，20 時頃の 70 dBar，90 ｄBar，110 dBar，140 dBar 付近など）。また，
水温躍層よりも下層において，ε極大層が数時間にわたり存在していることがわかる（例え119ば，16 時～19 時の 200 dBar 付近，1 時～5 時の 250 dBar 付近など）。
今後は，本航海で得られた流速や風などの他のデータを解析し，鉛直方向のεの離散的な分布や，中層のε極大，さらにそれらの時間変化の要因について調査する予定である。

(a)

(b)

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Oct 9

1

2

3

4

5

6

7

8

Oct 10

図 2： 乱流エネルギー散逸率ε[W/kg]と水温[℃]の鉛直プロファイル時系列(a)0～200 ｄBar，(b)0～650 dBar，コンタ間隔は太線 10℃，細線 2℃である。
4. 研究組織
研究代表者 沖縄科学技術大学院大学 森 康輔
所内世話人 九州大学応用力学研究所 遠藤 貴洋
研究協力者 九州大学応用力学研究所 千手 智晴

120

[時間]

核融合力学分野
特定研究2

30特2‑830 特 2-8

複雑ネットワークの手法を用いたプラズマ乱流時系列データの新しい解析手法の開発
サブテーマ代表者：高知工業高等専門学校ソーシャルデザイン工学科

谷澤俊弘

1 研究目的
超高温のプラズマ中に形成されるドリフト波乱流の物理的性質を詳細に理解するためには，プラズマ流体の
圧力・密度・温度・電位等の物理諸量が生み出す膨大な時系列データを詳しく解析しなければならない。近年，
本研究課題代表者（谷澤俊弘）および研究協力者（中村知道・兵庫県立大学）によって，時系列データを統計モデル化した後，ネットワークとして視覚化することによって直観的に理解する新しい手法が開発された。本
研究は，この手法を磁場閉じ込めプラズマ中のドリフト波乱流の大容量時系列データ解析に適用することにより，膨大な多次元時系列データから物理的情報を抽出する新しい手法を開発することを目的とする。

2 現在までの研究結果
本研究は 2012 年に谷澤と中村によって得られた時系列データのネットワーク化手法 [1] を円筒形直線型プラ
ズマ内ドリフト波乱流の観測およびシミュレーションから得られる時系列データに適用するものである。この手法では，時刻 t における時系列データ x(t) をその時刻以前のいくつかのデータ x(t − 1), x(t − 2), . . . とランダムノイズ ε(t) を用いて

x(t) = a0 + a1 x(t − l1 ) + a2 x(t − l2 ) + . . . + aw x(t − lw ) + ε(t)(1)

と線形モデル化する。ここで，パラメータ a0 , a1 , . . . , aw は実際に観測された時系列データと線形モデルによって生成されるデータ間の誤差の二乗平均を最小化し，さらにモデルの最適化基準として情報量基準を合わせて用いることにより，いくつかの時間遅れ項 x(t − l1 ), x(t − l2 ), . . . , x(t − lw ) から最適な部分集合を選び出すものとして決められる。この手法は Reduced Auto-Regressive Model (RAR) と呼ばれている。RAR モ
デルは時系列データが持つ周期をその時間遅れ項の中に必ず含むことがわかっている。
この RAR モデリングは多変数の時系列データにも有効であることがわかっている [2]。多変数に拡張された RAR モデルは，

xi (t) = ai,0 +

( wj
N
∑
∑
j=1

)
ai,j,k xj (t − lk )+ εi (t) (i = 1, 2, . . . , N )

(2)

k=1

で表わされる。ここで，j = 1, 2, . . . , N はチャンネル数である。本年度は，この多変数 RAR モデリングの方法を 64 チャンネルのプラズマ乱流データに適用し解析を行った。まず 64 チャンネル中の一つのチャンネルに注目し，ターゲットチャンネルとする。そのターゲットチャンネルを中心とする両側 15 チャンネルずつ，合計 31 チャンネルを探索範囲とし，最大ラグを 25 として多次元 RAR モデルを構築した。ここでラグは 10[µs]を単位とする。用いた時系列データ数は 1 チャンネルあたり 10000 点である。
結果の一部を列挙すると以下の通りとなる。

Ch 10: x10 (t) = 0.00012x8 (t − 1) + 2.26x10 (t − 1) − 1.88x11 (x − 2) + 0.51x12 (x − 3)121

Ch 20: x20 (t) = 0.025x19 (t − 1) + 1.96x20 (t − 1) − 0.90x21 (t − 2)
Ch 30: x30 (t) = 0.078x28 (t − 1) + 1.79x30 (t − 1) − 0.87x31 (t − 2)
Ch 40: x40 (t) = 0.31x38 (t − 1) − 0.26x39 (t − 2) + 1.65x40 (t − 1) − 0.67x41 (t − 2)
Ch 50: x50 (t) = 1.81x50 (t − 1) + 0.071x50 (t − 2) − 0.87x51 (t − 2)
Ch 60: x60 (t) = 0.013x58 (t − 1) + 2.34x60 (t − 1) − 1.60x61 (t − 2) + 0.23x63 (t − 4)
これらの結果を見ると，ターゲットチャンネルのデータはそのターゲットよりも番号が 1〜2 大きいチャンネ
ルのデータによって予測され，番号の大きいチャンネルから小さいチャンネルに向かって，その影響が伝播されている可能性が示唆される。

3 今後の研究の方向について
本年度の研究により，RAR モデルによる多次元時系列データ解析が全チャンネルについて，コンシステン
シーを持つ結果となることがわかってきた。来年度は，，本手法が新たなデータ解析手段として実用化できる
ように，この結果をさらに精密化し定量的に理解を深めていきたい。その際，多チャンネルであることで最適モデルを選び出すために多くの計算時間が必要となるため，高速な計算機の使用やアルゴリズムの最適化等が必要となる。また，その適用範囲を広げていくために，チャンネル数，ノイズレベル，非線形性等に対する手法の頑強性の考察も重要となると考えられる。

4 研究成果発表• Toshihiro Tanizawa, Tomomichi Nakamura, Fumihiko Taya, and Michael Small, “Constructing
directed networks from multivariate time series using linear modelling technique,” Physica A:
Statistical Mechanics and Its Applications, Vol. 512, 437-455 (2018).
• Tomomichi Nakamura, and Michael Small, Toshihiro Tanizawa, “Long-range correlation propertiesof stationary linear models with mixed periodicities,” Physical Review E, Vol. 99, 022128 (2019).

参考文献[1] Tomomichi Nakamura and Toshihiro Tanizawa: “Networks with time structure from time series,”
Physica A, Vol. 391, 4704-4710 (2012).
[2] Toshihiro Tanizawa, Tomomichi Nakamura, Fumihiko Taya and Michael Small, “Constructing directed networks from multivariate time series using linear modelling technique,” Physica A, Vol. 512,437-455 (2018).

122

核融合力学分野
特定研究2

30特2‑9平成 30 年度

応用力学研究所 特定研究（2）申請

報告書

研究課題名

直線ヘリコン波プラズマ内で誘起される電子密度・温度揺らぎの非接触計測
Non-intrusive measurements of fluctuated electron
density and temperature in a linear helicon plasma

平成３１年２月２８日
富田健太郎（九大総理工）、内野喜一郎（九大総理工）、稲垣滋（九大応力研）

123

要旨
プラズマの応用研究が多岐にわたる中、プラズマの巨視的な学理は著しく進展した。しかしプラズマ中のミクロな構造、例えば電子密度や温度の揺らぎ、中性粒子との相互作用等は、必然的に高空間・時間分解能かつ非接触なセンシング技術を必要とし、十分に把握されているとは言い難い。ヘリコンプラズマは比較的容易に生成する事が可能であり、磁化プラズマ
乱流やプロセスプラズマの基礎過程の研究に利用されてきた。応用力学研究所の直線プラ
ズマ乱流装置 PANTA では、ヘリコンプラズマ中に乱流を励起し、乱流が輸送に与える影響を多数のプローブや発光観測により進めている。ミクロな構造を定量的に評価するためには、プラズマの電子温度と電子密度の径方向分布の時間変化（ゆらぎの位相に対応した変化）を高精度に計測し、勾配と流束を評価する事が必須である。レーザートムソン散乱法はプラズマに与える擾乱が小さく、かつ高い空間（~0.1 mm）・時間（~10ns）分解能での計測が可能である。本研究ではトムソン散乱法を主軸として、プラズマ中のミクロな電子密度・温度
構造を、揺らぎの位相情報を含めた時間・空間多次元計測として達成することを目指す。今年度は電子密度・温度の実空間（プラズマの径方向）分布を、磁場強度・ガス圧力を変えつ
つ、多点計測により、詳細に明らかにした。その結果について報告する。

124

はじめに
プラズマの応用研究は、核融合を目指した磁場閉じ込めや半導体プロセス、高出力光源や農業・バイオ応用など、広範に渡っている。ヘリコンプラズマは比較的容易に生成する事が可能であり、磁化プラズマ乱流やプロセスプラズマの基礎過程の研究に利用されてきた。応
用力学研究所の直線プラズマ乱流装置 PANTA においてヘリコンプラズマ中に乱流を励起
し、乱流が輸送に与える影響を観察している。PANTA ではプラズマの計測にはプローブ法
や分光法が用いられてきたが、乱流駆動輸送のより定量的な評価を行うためにはプラズマの温度と密度の径方向分布を高精度に計測し、勾配と流束を評価する事が必須である。さらに PANTA では運転条件により、特定の周波数でのプラズマ揺らぎが増大することが観測されており、その場合の ne, Te を得ることも求められている。
トムソン散乱計測はプラズマに与える擾乱が小さく、かつ高精度に温度と密度が計測可能である。すでに行われているプローブ計測の結果から、電子密度・電子温度の範囲はそれ
ぞれ10 m 、数 eV と予想された。このようなプラズマに対しては、0.1 J クラスの小規模な可視光レーザーをプローブとした、比較的簡易なシステムでトムソン散乱計測が可能であると予想された。これまでに PANTA プラズマに可視プローブを用いたトムソン散乱計測システムを構築し、プラズマ中心位置における電子密度・電子温度計測の実証を行った[1]。
さらにプラズマ揺らぎに対応した ne, Te 計測まで拡張可能であることを、これまでに示してきた。本年度は、プラズマ径方向分布の詳細な計測・解析を行ったので、その結果について
報告する。

125

実験方法（レーザートムソン散乱法）
トムソン散乱計測は、核融合を目的とした磁場閉じ込めプラズマや、低圧半導体プロセス
プラズマ、さらには高気圧中で生成される大気圧非平衡プラズマなど、様々な電子密度・電子温度領域にあるプラズマに対して、すでに適用されている。PANTA プラズマで予想される電子密度・電子温度からのトムソン散乱信号は微弱であることが予想される。また、数 eV程度の電子温度であるため、可視波長（波長 532 nm を想定）プローブの場合、トムソン散乱スペクトル広がりは、レーザー波長を中心に、2, 3 nm 程度であると予想される。このとき、計測レーザーの一部がチャンバー窓表面などで乱反射し、迷光として分光器内に侵入して微弱なトムソン散乱スペクトルを覆い隠す恐れがある。まず、微弱な散乱信号に対しては、多くのレーザーショットからの散乱信号を、検出器側で積算計測することで対処した。また、迷光の除去に関しては、高い迷光除去性能が確認されている差分散型三回折格子分光器（以下トリプル分光器と呼ぶ）を構築・使用することで対処した。

実験装置
トムソン散乱計測に向けて、次のような実験装置を構築した。全体の装置配置を図１に示す。

図 1. PANTA 用可視トムソン散乱計測システムの配置図（図中スケールはすべて mm）
計測に必要な主な装置は、レーザー（Q スイッチ Nd:YAG レーザー）、分光器である。分
光器は実験用光学台の上に、各種光学部品を組み込んで自作した。分光器内の概要を図 2 に示す。図２には併せて、散乱光の受光光学系の概略を示した。1st レンズはできる限り大きな受光立体角が望ましいが、チャンバー外に配置せざるを得ないことや、保有するレンズ種

126

類の制限から、焦点距離 400 mm で、有効直径 46 mm のアクロマートレンズを使用した。
このレンズで一度平行光にした散乱光の一部を、f

220 mm のレンズで入口スリットに集光し、分光器内に導いた。分光器内の回折格子は、トムソン散乱で使用する偏向方向に高い回折効率を持つ、サインカーブ形状の反射型回折格子（刻線本数 2400 本/mm）を用いた。
スリット幅、焦点距離、回折格子条件などで決まる波長分解能は、0.2 nm程度であった。検出器には ICCD カメラ（米国 Princeton Instruments 社製

PIMAX4, 波長 532 nm における量子効率は 45%程度）を用いた。使用したプローブレーザーは移設が容易な小型のレーザー（米国 Continuums 社製 Surelite）を用いた。今回使用した第２高調波（波長532 nm）の出力は130 mJ程度であり、レーザーの繰り返し周波数は10 Hzであった。

図 2. トムソン散乱用トリプル分光器の概要図（図中スケールは mm）

図 3 に計測システム導入後の装置周辺の写真を示す。計測時、分光器やレーザー光軸は、背景光を除去するために完全に遮光した。図 4 には自作したトリプル分光器の写真を示す。
分光器および受光系の光軸調整は、PANTA チャンバー側面の反対側の窓から、波長532 nmの半導体レーザーを入射し、行った。

127

図 3. トムソン散乱システム導入後の PANTA 装置周辺写真。プローブレーザーのレーザー
ヘッドは写真下。レーザーは暗箱を通り、PANTA 装置した側に設置されたミラーおよび集光レンズを通り、チャンバー中心軸上で集光され、その後チャンバー上側のビームダンパ
ーに導かれる。トムソン散乱光の一部は、PANTA チャンバー横の窓からレンズで受光され、分光器内に導かれた。

図 4. 自作したトリプル分光器の内部写真。

128

本年度の計測では、ne, Te の詳細な径方向分布の計測を目指した。例えば温度勾配の変化を計測するには、10 点以上の多点計測が必要となる。また、1eV 程度の温度領域で、±0.1eVの温度決定精度は、実験環境上、困難を伴う。そこで計測点を増やすことで、温度決定精度を高めることとした。温度の検出下限として 0.1eV の分光システムで、100 点超の多点計測を行い、温度の径方向分布の計測を行った。

図 5. 電子密度・温度の位相データ取得のための同期系統図

129

実験結果と考察
レーリー散乱およびラマン散乱より、構築したシステムが正常に動作していることを確認したのち、トムソン散乱計測を行った。プラズマ生成条件は以下のとおりである。
・ プ ラ ズ マ 生 成 時 の Ar ガ ス 圧 は 1mTorr, 3mTorr, 5mTorr, 磁 場 強 度 は 600 Gauss,
1200Gauss, 1500 Gauss とし、合計 9 条件での計測を行った。

図 6. トムソン散乱計測例
計測レーザーの繰り返し周波数は 10Hz で、3000 ショットの積算計測を行った。プラズマとの同期は取らず、Duty 比 1:1 より、半数の 1500 ショットが実際の積算回数と考えた。計測
データの例を図 6 に示す。横軸は ICCD カメラのピクセル（1 ピクセル=13 μm）である。分
光器の仕様で決まる逆線分散は 1.35nm/mm であり、1 ピクセルあたり 0.0176nm の波長幅となる。装置関数は 0.27nm であった。計測レーザー波長（波長 532 nm, Δλ=0）付近の信号は、迷光除去のために差分散型分光器に設置したレーザー波長ストップ（逆スリット）によりカットされており、正しい計測値ではない。グラフ縦軸は信号強度であり、単位は Analogto-digital unit である。画像の縦方向は空間分布そのものであり、空間幅 0.5mm の散乱スペクトルを抜き出したもの、そのフィッティングを例として示した。

130

図 7. 径方向分布解析例

空間幅を 0.5 mm として、全データを解析した例を示す。それぞれにフィッテイング、絶対値較正を行うことで、径方向の 12mm 幅の空間分布が得られることがわかる。

131

図 8. 径方向分布計測のための各受光位置での感度特性
一度の計測視野や 10mm 程度である。これに対して PANTA でのプラズマ半径は、およそ50mm である。そこで、空間方向視野は、計測位置を変化させることで補った。

132

図 9. 電子密度の径方向分布の磁場強度依存性
電子密度の径方向分布を示す。ガス圧は 5 mTorr で固定した場合である。磁場強度の上昇に伴い、電子密度は増加していくことがわかる。また、プラズマ中心から周辺部に行くにつれ、
密度は減少していることがわかる。一方で、密度勾配は単調でない。密度勾配の変化位置も、磁場圧力により変化していくように思われる。

133

図 10. 電子密度の径方向分布の圧力依存性

ガス圧力を低下させると、単調に電子密度は低下した。この場合も、密度勾配は一定ではなく、プラズマ条件により、勾配変化点も移動しているように感じられる。

134

図 11. 電子温度の径方向分布の磁場強度依存性

電子温度の径方向分布について示す。圧力が 5mTorr 固定、磁場強度による電子温度の違いを示す。電子密度とは異なり、中心部での電子温度は、磁場強度の増加と共に低下していった。周辺部に行くにつれ電子温度は減少した。温度勾配の変化は、どの磁場圧力でも中心から 30mm（r=30mm）で共通して見られた。この点も電子密度とは異なる傾向を示した。

135

図 12. 電子温度の径方向分布の圧力依存性

同じ磁場強度では、圧力の上昇とともに電子温度は減少する傾向となった。5mTorr 圧力の時のみ、プラズマ中心付近での勾配がみられる。温度勾配は、共通して r=30mm で大きく変化している。

136

図 13. 各電子温度でのトムソン散乱スペクトル計測例
本計測では高い電子温度の決定精度が求められる。各温度でのトムソン散乱スペクトル例を示す。明確なスペクトル形状変化がみられることがわかる。

137

得られた電子密度・電子温度から、電子圧力の径方向分布を求めた。r=25mm 付近から、磁場強度の増加と共に、明確な電子圧力の違いが得られた。r=25mm 付近で、磁場圧力でプラズマ状態が変化している可能性がある

図 14. 電子圧力の径方向分布の磁場強度依存性138

図 15. 各条件での電子密度・温度の径方向分布

全９条件での電子密度・電子温度の径方向分布を示す。

139

まとめと今後の展望
本共同研究の本年度の成果を以下に示す。
・ PANTA 装置における異なる９条件のプラズマに対して、径方向分布の電子密度・電子温度をレーザートムソン散乱法で計測した。計測箇所を１００点以上とすることで、詳細な密度・温度の空間変化を観測可能とした。
・ 勾配長の分解能は 5mm 程度であり、特に温度の勾配変化観測の強力な計測手段となりうる。
今後の展望として、径方向分布で得られた精度での計測を、位相空間まで拡大させることを考えている。

論文発表
Kentaro TOMITA, Yuta SATO, Nima BOLOUKI, Tatsuro SHIRAISHI, Kiichiro UCHINO, Yudai
MIWA, Tatsuya KOBAYASHI and Shigeru INAGAKI, Measurements of Electron Density andElectron Temperature Using Laser Thomson Scattering in PANTA, Plasma and Fusion Research:
Regular Article, Vol. 12, 1401018 (5pages) (2017).

140

核融合力学分野
特定研究2

30特2‑10
分野融合研究会

応用力学研究所 稲垣 滋
本研究は「特定研究 2: 波・流れ・乱流のセンシング・マイニング・モデリング」における個別課題の成果の統合を議論する。
目的と背景
応用力学研究所は 3 つの研究分野から構成されている。そこで本研究所ならではの分野
融合領域研究の開拓が求められている。プラズマ、大気海洋、新エネルギーに共通したキーワードとして流体力学が挙げられる。特に多くの流体(多成流。多相流、反応流を含む)で普遍的に観測され、エネルギーや物質の輸送に大きな影響を与える波・渦・流れに着目する。本研究では、それぞれの領域で発展してきたこの波・渦・流れ、を観測(センシング),
解析(データマイニング, 可視化), 物理過程の抽出(モデリング)に関する情報交換及び議論を行う場を提供する事を目的とする。更には他分野で共通の手法となり得るデータサイ
エンスの導入についても議論する。そのため研究集会を開催し、特定研究 2 のサブテーマ
リーダー及び流体を扱う多方面からの研究者が一堂に会して議論する機会を設ける。個別のアプローチを統合することで、研究手法そのものに新たな展開がもたらされることが期待できる。

研究集会の開催2019 年 1 月 31 日から 2 月 1 日にかけて応用力学研究所 2F 会議室において研究集会を開催した。研究会のプログラムを添付する。

予算の執行
予算は研究集会参加の旅費に執行した。

研究集会のまとめ分野融合型共同研究としては初年度にあたる本年度は特に海洋・大気及びプラズマの分
野融合について、お互いのシーズとニーズの確認を行った。分野融合研究は理論・シミュ
レーション研究がやり易く海洋・大気及びプラズマ分野から乱流と波に関する理論と解析手法についての発表があった。海洋分野における Wigner 変換を用いた微分方程式の解法

141

はプラズマ乱流現象において現在進めている解析と非常に類似しており、海洋乱流現象と
プラズマ乱流現象に共通の物理がある事を示している。また、乱流の計算から求まる乱流強度と実際に観測される物質輸送との関係が複雑である事も共通していると認識された。
乱流強度と物質輸送の関連はプラズマ分野では実験観測されている。この点はプラズマ分野の利点と考えられる。そこで先ほどの Wigner 変換をプラズマ過渡輸送実験のデータ解
析へ適用できないか議論された。
また、近年盛んなデータサイエンスの手法を取り込んだデータ解析の紹介があった。医療用 CT・MRI はデータ処理技術によって支えられており、近年は圧縮センシングという手法を用いることで臓器の明瞭な像を得る事ができる。これをプラズマ CT に応用し、乱流解析を行うアイデアが示された。また、ソーシャルネットワーク科学の時系列データ解析手法が紹介された。自己回帰モデルでは全てのタイムラグに対し結合係数が決められるが、そこにスパース性を導入し結合係数 0 を許す解析(縮小自己回帰モデル)を行うことで、影響のあるなしを明確にすることができる。更にこのモデルを多変数系に拡張した。相関解
析からは元のモデルを推定することができないが、本手法ではモデルを与える事ができる。
この手法は時系列データのモデリングに対して非常に有効であると期待できる。これらデータ解析手法の進展について、それぞれの分野における適用性について討論した。
センシングに関して多くの話題が提供された。レーザーとマイクロ波を用いた先進的な乱流及び乱流駆動輸送の観測法が紹介された。トリプルグレーティング分光器を用いたトムソン散乱により様々な実験条件における PANTA プラズマの温度、密度の径方向勾配が得られた。PANTA プラズマの周辺では大きな温度勾配が形成されている事が明らかになった。
更に統計的平均法と組み合わせる事で温度揺動の推定が行われた。マイクロ波計測に関しては、周波数コム、超短パルス、高速周波数掃引技術を用いた様々なタイプの反射計が紹介された。先述の時系列データ解析チームから、信号のトレンドを除去したノイズライク
な成分の解析可能性が指摘された。反射計はプラズマの平衡分布や比較的大きな揺らぎを計測対象としているが、データ解析により極ミクロな揺らぎの情報が手に入る可能性がある。海洋分野ではプローブによる直接計測が行われているが、プローブを海面から海底に掃引する際に有限の時間がかかるため、その間の乱流構造の変化が指摘され、参照用のプ
ローブを加える事が議論された。
MHD を考慮した液体金属のシミュレーション結果が示された。液体金属流動はまさし
く電磁流体と中性流体との融合領域である。このシミュレーションではまだ熱輸送が含まれていないが、外部や内部の入熱による温度の非一様性を考慮できれば液体金属ダイバー
タや地球ダイナモの理解につながると期待される。

142

2019.01.17版
稲垣 滋
応用力学研究所研究集会“波・流れ・乱流のセンシング・マイニング・モデリング”
日時: 2019年1月31日-2月1日
場所: 応用力学研究所2F大会議室プログラム
1月31日(木)13:30-13:40
はじめに

(稲垣)

13:40-14:10
医療用CT・MRI技術を応用したプラズマ乱流計測 (荒川)14:10-14:40
複雑ネットワークの手法を用いたプラズマ乱流時系列データの新しい解析手法の開発 (谷澤)14:40-15:10
CFD手法による液体金属熱流動の解析 (胡, Jabir Al Salami)
休憩

15:30-16:00
直線ヘリコン波プラズマ内で誘起される電子密度・温度揺らぎの非接触計測 (富田)

16:00-16:30
流れベクトル量測定のためのマイクロ波センシング技術の開発 (徳沢)

16:30-17:00
全体討論
懇親会予定

2 月 1 日(金)9:30-10:00
日本海における乱流観測 (森)10:00-10:30
流体波動の局所分離解析に関する研究 (大貫)10:30-11:00
振幅変調反応性プラズマのナノ粒子量ゆらぎの相互相関解析 (古閑)11:00-11:30
乱流輸送の促進と抑制機構の理論・実験的解明：ヘリシティ効果 (横井)

11:30-12:00
全体討論

143

核融合力学分野
特定研究2

30特2‑11

流れベクトル量測定のためのマイクロ波センシング技術の開発
核融合科学研究所・ヘリカル研究部

徳沢季彦

１．目的
乱流は、自然界において普遍的に観測される物理現象であるが、磁場閉じ込め核融合プラズマ研究においても種々の乱流による物理現象の理解は最重要研究課題の一つである。特に非平衡な状態、現象が時間的に変化しているような状況における乱流の時空間構造を調べることは、この物理現象を理解する上で非常に重要である。しかしながら、タングステン・白金などの重金属をも溶かしてしまう高温高密度プラズマ実験においては、その計測手段が非常に限られている。そこで我々は、マイクロ波を用いた新しい非接触な計測手法の開発を行い、乱流の高精度な時空間構造を観測することを目指している。特に、乱流の流れる方向と強度を精度よく観測することを主目的として、これまでに周波数コムを用いたドップラー反射法を開発し、応用力学研究所の PANTA 装置や核融合研の大型ヘリカル装置 LHD などに適用し、乱流構造に関する大規模なデータを得られるようになってきた。このドップラー反射計を実験装置に多数取り付け、相関計測が可能となると、物理研究の理解に大変有用である。そのためには計測システムのコンパクト化省コスト化が重要となるため、今回、Dual comb 方式を用いたドップラー反射計システムの開発を行った。結果について以下に報告する。

２．Dual comb Doppler 反射計
プラズマ中の密度揺動による後方散乱波を計測することで、プラズマ密度揺動強度とそのフロー速度を調べることができるドップラー反射計であるが、空間分解能を高めるためには、プラズマ中へ入射する電磁波の周波数の数を増やす必要がある。そのため、マイクロ波帯の周波数コムを用いたドップラー反射計を開発し、PANTA 装置および LHD 装置に適用しているが、これまで、信号検出には入射した各周波数に対応したマイクロ波帯のフィルタバンクとその位相変化を測定する IQ 検出器が必要であった。これらのマイクロ波検出回

Comb
Generator 1
SG(710MHz)Multiplier26-40GHz

x2
AMP

Comb
(12-20GHz)
Generator 2

BPF(fc=26.27GHz)

Mixer2Mixer3

SG(730MHz)AMP(0.5-12GHz)

IQ
detection

Mixer1
LPF(fc=14.6GHz)

図１：Dual comb Doppler 反射計システムの概略図

144

路は、各素子を SMA コネクタでケーブル接続する必要から、コンパクトなサイズにすることが困難でかつコストも必要となり、せっかく多周波数を同時発生できるコ
ムジェネレータを用いても、フィルタバンクの数で利用できる周波数に制限が発生していた。そこで今回、二つの周波数コムを用いて、IF(中間周波数)を劇的に低減し、観測周波数を増大させるための省コスト化を目指した。
システムの概略を図 1 に示す。発振周波数をわずかに(20MHz)ずらして、2 つの周波数コムを動作させると、IQ 検出器に入力される、IF 周波数列は、n x 20 MHzの周波数コムとなる（n は整数）。これまでの 10 GHz
を超える周波数帯域からの大幅な低減ができ、表面実装

図２：IQ 検出基板の例。これで、4ch 分の IQ

型のフィルタやアンプ、ミキサ等の素子を利用すること出力が得られる。

ができる。これらを用いて作成した、IQ 検出回路基板を図 2 に示す。新計測システムの導入により、長距離相関など新たな知見が得られるようになった。

３．論文と学会発表
1. T. Tokuzawa, H. Tsuchiya, T. Tsujimura, M. Emoto, H. Nakanishi, S. Inagaki, K. Ida, H. Yamada, A. Ejiri, K.
Y. Watanabe, K. Oguri, T. Akiyama, K. Tanaka, I. Yamada, and LHD Experiment Group“Microwave frequency comb Doppler reflectometer applying fast digital data acquisition system in LHD”
Review of Scientific Instruments 89, 10H118- 1-5 (2018); doi: 10.1063/1.5035118
2. T. Tokuzawa, K. Oguri, S. Kubo, K. Tanaka, H. Yamada, K. Y. Watanabe, A. Ejiri, S. Inagaki, J. Kohagura,
T. Saito, and LHD Experiment Group“Developments of Millimeter Wave Backscattering Systems for Fusion Plasma Turbulence Measurements”
Proceedings of 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
Sep. 9 - 14, 2018@Nagoya Congress Center Nagoya, Japan [Th-P2-R2-1]
また、次の学会にて発表を行った。
1. T. Tokuzawa, H. Tsuchiya, T. Tsujimura, M. Emoto, H. Nakanishi, S. Inagaki, K. Ida, H. Yamada, A. Ejiri,
K. Y. Watanabe, K. Oguri, T. Akiyama, K. Tanaka, I. Yamada, and LHD Experiment Group“
Microwave frequency comb Doppler reflectometer applying fast digital data acquisition system in LHD”
22nd Topical Conference on High Temperature Plasma Diagnostics (HTPD2018) @April 16-19, 2018
@Paradise Point Resort & Spa, San Diego, California, USA [8.56]
2. T. Tokuzawa, M. Kobayashi, S. Masuzaki, S. Inagaki, K. Ida, H. Tsuchiya, H. Yamada, K. Y. Watanabe, K.
Oguri, K. Tanaka, I. Yamada, and LHD Experiment Group“Turbulence rapid reduction in the stable detached LHD plasma with magnetic perturbation application”
8th Asia-Pacific Transport Working Group (APTWG) International Conference, June 12 – 15, 2018
@ETCCUT, SWIP, Leshan, Sichuan, China [C-O1]
3. T. Tokuzawa, K. Oguri, S. Kubo, K. Tanaka, H. Yamada, K. Y. Watanabe, A. Ejiri, S. Inagaki, J. Kohagura,
T. Saito, and LHD Experiment Group“Developments of Millimeter Wave Backscattering Systems for Fusion Plasma Turbulence Measurements”
43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2018)
Sep. 9 - 14, 2018@Nagoya Congress Center Nagoya, Japan [Th-P2-R2-1]
4. T. Tokuzawa, S. Inagaki, N. Tamura, R. Sakamoto, K. Ida, T. Tsujimura, M. Emoto, C. Suzuki, H. Tsuchiya,
A. Ejiri, H. Yamada, K. Y. Watanabe, K. Oguri, K. Tanaka, G. Motijima, I. Yamada, and LHD ExperimentGroup; “Rapid Radial Propagation of Momentum Change and Flow Oscillation Associated with the Pellet
Injection”, 27th IAEA Fusion Energy Conference (FEC-2018) @2018.10.22-10.27 Mahatma Mandir,
Gandhinagar, Gujarat, INDIA [EX/P3-7]145

核融合力学分野
特定研究2

30特2‑12

CFD手法による液体金属熱流動の解析
九州大学応用力学研究所

胡長洪

1. Introduction
The divertor is an essential component of tokamak fusion reactors not only to extract the energy from theplasma to generate electricity, but also to expel reactor byproducts, also known as fusion ash, which adversely
affect the quality of plasma confinement and temperature. One of the main challenges facing divertor designis the tremendous energy fluxes (~ 107 W/m2) that divertors are projected to experience in electricity-producing
scale reactors1. At such thermal loads, even Tungsten, the material of choice for the divertors in ITER and
DEMO, can sustain cracks due to thermal shock and fatigue in addition to high rates of sputtering due toplasma influx2. Also, the ductile-to-brittle transition temperature (DBTT) for tungsten increases with neutron
irradiation, which may cause cracking of tungsten plasma facing components (PFCs)3. Such limitations ofsolid PFCs have motivated the consideration of liquid metals as viable alternatives for future tokamak designs.
The operation of a liquid metal (LM) divertor involves phenomena spanning multiple disciplines of physics
such as fluid dynamics, electromagnetism, thermodynamics and plasma physics. The evaluation andrefinement process of engineering designs of such a device must involve numerical simulations to avoid theprohibitive costs and durations of experiments.
Computational fluid dynamics (CFD) methods have been widely used in many industrial applications. CFD
method for magnetohydrodynamics (MHD) has also been studied and applied to simulation of liquid metal
flows4, which is called CMHD (computational magnetohydrodynamics) method. Due to multi-physics natureof the LM flows in the diverter, directly application of an existing CFD code will not be effective. The purposeof the present research is develop an new CMHD code that is capable of LM divertor simulations. Among theexisting well-established CFD methods, we chose SPH for numerical simulation of liquid metal flows. SPH isa mesh-free, Lagrangian method that is well-suited for multiphysics applications such as the problem
associated with the liquid metal divertors.
2. Development of SPMHD Method
The development of a hydrodynamics version of the SPH code has been completed. Figure 1 shows arecently obtained dam-break simulation to demonstrate the ability of capturing the complicated and highly
non-linear free-surface phenomena by our code.

Figure 1: Dam-break simulation using SPH
The above mentioned SPH features have motivated us to choose SPH for simulation of liquid metal divertor.
However, since SPH for MHD has not be well studied yet, in this research at first we extend the hydrodynamic

146

SPH code to the SPMHD (smoothed particle magnetohydrodynamics) code.
Governing equations for MHD can be described as follows.
    u   0
t
Du
1
1
1
  p  τ    j  B   g



Dt

where τ is the viscous stress tensor, j is the current density and B the magnetic field vectors. The latter two aregoverned by the following Maxwell equations.
  B i  0 j ,j   E  u  B  ,E  Bi
t

In the SPH framework, the fluid is discretized into material particles that in addition to carrying the fluid
properties, serve as interpolation nodes for the discretized fields. In this work, the weakly compressible
formulation of SPH is adopted.
As the first result of our SPMHD development, a 2-dimensional simulation of a Hartmann flow versus theanalytical solution for Hartmann numbers ( Ha  BL   ) of 8, 25 and 50 are presented in Figure 2, where
the Hartmann number is a non-dimensional number signifying the ratio of electromagnetic forces to viscous
forces. Comparison between the SPMHD result and the analytical solution is satisfactory.

Figure 2: Hartmann Flow simulation using SPH for Ha = 8 (blue), Ha= 25 (red) and Ha = 50 (magenta)
This research has just been started. Future work includes extending the present 2D code to 3D,
comprehensive comparison between 𝜙 and B formulations for liquid metal flows, implementation of
turbulence model and surface tension model, extending the present model to non-uniform, time varying
magnetic field, etc.
REFERENCES
1 S.V. Mirnov, V.N. Dem'yanenko, E.V. Murav'ev, J. of Nuclear Materials,Vol. 196–198, (1992).
2 T. W. Morgan, P. Rindt, G. G. van Eden, V. Kvon, M. A. Jaworksi and N J. Lopes Cardozo, Plasma Physics
and Controlled Fusion, Volume 60, N. 1 (2017).
3 P. Krautwasser, H. Derz, Kny, E, Plasma Physics And Fusion Technology (1995)
4 T. Yanagisawa, et al., Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys. (2013)
5 J. Monaghan,Reports on Progres in Physics, vol. 68 (2005)
6 H. Kumamaru, J. of Nuclear Science and Technology, Vol 54, No.2 (2017)
研究組織
九州大学応用力学研究所：
九州大学大学院総合理工学府：
九州大学応用力学研究所：

胡 長洪 （サブテーマ代表者）
Jabir Saif Said （大学院生）
稲垣 滋 （所内世話人）

147

核融合力学分野
特定研究2

30特2‑13

レーザー光波面の乱れを利用したプラズマの乱流計測手法とデータ処理方法の開発
核融合科学研究所・ヘリカル研究部 秋山毅志
目的
プラズマの閉じ込め性能を向上させるためには、乱流の物理機構を理解することが重要である。その計
測には様々な手法があるが、本研究ではレーザー光の波面の乱れからプラズマ乱流の情報を引き出す手法を提案し、実証することを目的とする。本手法は非接触で、かつ干渉や変調などの作用を用いずに、直接的に乱流を計測できる特長がある。
経緯と実験方法
大型望遠鏡では、大気の揺らぎによって天体からの光の波面が乱され、解像度が向上しない問題がある。これに対し、すばる望遠鏡では波面形状を計測し、乱れを可変形鏡で補正する補償光学により、解像度の大幅な改善に成功している。プラズマにレーザー光を入射した場合、乱流揺動に対応するのが望遠鏡での大気揺らぎであり、レーザー光の波面を測定することで、乱流揺動の情報が得られると考えられる。
この波面計測による電子密度揺動計測は、平成 27 年度より本格的に PANTA にて計測を開始した。当初利用した市販のシャックハルトマン波面センサーでは有意な波面の変化は観測できなかったことから、プ
ラズマ計測に最適化したシャックハルトマン波面センサーを自作した。撮像素子の画素数、シャックハルト
マンセンサーを構成するマイクロレンズアレイのレンズアレイ数・焦点距離などを最適化した結果、プラズマの揺動によると考えられる波面変動を捉えることができた。
一方、課題として明らかになったのは、波面としては比較的平面成分に近い非揺動成分（直進光成分）
が揺動成分よりも極めて大きいため、それらが僅かにでも変動すると揺動成分がマスクされることである。平
面成分の変動は、機械振動やレーザー光直径より構造が大きい空気の揺らぎが原因となっている。そのため、平成 30 年度は断熱性の高い素材で光学系を覆う風防を製作し、外部からの気流や温度変化を極力抑制した実験系とした。また、それでも残る緩やかな気流の変化による波面変動については、プラズマが無い時の波面形状を参照信号とし、プラズマがある時の信号から差し引くことで変化分をプラズマによる波面変動とした。以前から参照信号の取得は行っていたが、トリガー系の制約から、プラズマ有りの条件で 100
フレーム取得した後、プラズマ無しの条件で参照信号を 100 フレーム取得していた。そのため、10 分程度の時間差があり、気流の状態も変化するため、参照信号としての質が十分でなかった。そこで、トリガー系の改良を行い、PANTA でプラズマがオン・オフするタイミングに合わせてプラズマ有り・無しの波面を取得できるようにした。プラズマ有りのフレーム直後のタイミングで参照信号を取得して差し引くため、気流の変化を精度よく抑制することが可能になった。
開発・実験結果
図 1 にデータ処理方法を模式的に示す。PANTA のプラズマオン後 300 ms、プラズマオフ後 400 ms に撮像し、両者の差分を取ってハルトマンスポットの広がりを得る。ただし、スポットの変化は微小であるため、これを 100 組連続で取得し、それらを重ね合わせてランダムノイズを低下させる。更に、空間分解能は失われることになるが、個々のハルトマンスポットを更に重ね合わせて平均のサンプル数を増やし、スポットの広がりをより見えやすくした。
今回の実験条件で取得したハルトマンスポットの広がりを図 2(1)に示す。(a)は図 1 のデータ取得をプラ
ズマ無しで実施し、プラズマ無しのデータから無しのデータを差し引いたものである。理想的にはスポットの広がりは無いことになるが、(a)で示されている変化の程度は、本実験条件でのノイズレベルに相当する。加
熱パワーを 3 kW から 5 kW まで変化させた時のハルトマンスポットの広がりの様子を(b) -(d)に示す。加熱148

パワーを増大させるに従い、ハルトマンスポットの広がりが強くなっていることが示唆されている。図 2(2)は(b) -(d)と同条件でプラズマを生成した時の、静電プローブのイオン飽和電流である。加熱パワーを上げるほど、揺動の振幅が大きくなっていることが分かる。今回のハルトマンスポットの広がりの加熱パワー依存
性は、静電プローブでの計測結果と定性的に良く合致していると言える。

図 1 ハルトマンスポットの微小広がりを捉えるための信号処理方法

(1)

(2)

図 2 (1)得られたハルトマンスポット。加熱パワーを変えた時のハルトマンスポット変化（b-d）、(2)（b-d）と同条件で計測したイオ
ン飽和電流。

まとめ
基本的には以前のシャックハルトマン波面センサーの光学系と一緒であるが、平成 30 年は風防とトリガー系の整備により、気流の影響を更に低減させた条件で波面計測を実施した。ハルトマンスポットの広がり
は加熱パワーが大きいほど強くなり、同条件で静電プローブで計測した揺動振幅の加熱パワー依存性と定性的に一致した。この結果はハルトマンスポットの広がりが揺動を反映していることを強く支持するものであり、本研究で提案しているハルトマンスポット幅に注目した揺動計測の妥当性を示していると考えている。
研究組織
研究代表者：秋山毅志（核融合研）、早野裕（国立天文台）、服部雅之（国立天文台）、村上尚史（北海道大学）、玉田洋介（基生研）
研究協力者：居田克巳（核融合研）、稲垣滋（応力研）

149

核融合力学分野
一般研究

30FP‑1直線装置 PANTA における ITG 乱流輸送シミュレーション研究
量子科学技術研究開発機構

矢木雅敏

目的

九大応力研付属の直線装置 PANTA ではイオン温度勾配モード(ITG モード)の励起実験が検討されている。前回の共同研究においては、ジャイロ流体モデルに基づく線形解析コードを開発し、ITG モードが不安定になるパラメータ領域を探索した。本研究では、非線形モデルへと拡張し、コードに実装する。これにより直線装置における ITG 乱流輸送のシミュレーション研究を行い、実験に向けた提言を行うことを研究目的
とする。
研究成果

磁場閉じ込めプラズマにおける異常輸送の原因の１つにイオン温度勾配による微視的不安定性（ITG 不安定性）が挙げられる。ITG 不安定性の励起条件や、それらモード間の非線形結合の研究は、直線型磁化プラズマを用いた基礎実験において行われており、直線装置 PANTA においても、イオン温度計測が進められ流体モデルを用いた ITG 不安定性の解析が検討されている。ITG 不安定性はイオンの温度勾配と密度の比𝜂が閾値を超えることにより励起されるがイオン温度が数 eV と低くても𝑘# 𝜌% ~1のモードが不安定となり得る。そのため、有限ラーマ半径(FLR)効果を考慮したモデルによる解析が必要となる。ジャイロ流体
モデルを用い、ITG 不安定性の径方向分布を含む固有関数を解くための初期値コードを開発し、PANTA
における ITG 不安定性の線形成長率のモード構造とパラメータ依存性を明らかにした[1-4]。その一例を示す。電子とイオンの温度比τ = 𝑇+ /𝑇- を導入すると、τが小さな極限において閾値は
𝜂. =

2 5
+ 𝑏𝜏
3 9

と評価できる。ここで𝑏 = −∇8# は有限ラーマ効果を示す。図１に(𝜏, 𝜂)パラメータ空間における成長率の依存性を示す。

図 1 (a)大局モデルによる成長率の依存性、(b)局所モデルによる評価(有限ラーマ効果あり)、(c) 局所モ
デルによる評価(有限ラーマ効果なし)
この結果より、閾値は大局モデルと局所モデルでほぼ一致していることを確認した。また、有限ラーマ効果
が閾値を決める上で重要なパラメータになっていることも確認できた。
さらに非線形コードを開発する上で、𝑟 = 0における𝑚 = 1モードの境界条件を検討した。密度の発展方程150

式は円柱近似では
E 8# 1 1 𝜕Ψ
𝑑𝑛∇+ ∇∥ 𝑢∥ + D1 + 𝜂# F
=0𝑑𝑡
2 𝐿H 𝑟 𝜕𝜃
と与えられる。𝑟 = 0の近傍においてΨ~𝑟 L とすると𝑚 = 1に対し、𝐿H が空間的に一定の場合、左辺第３項
は有限の値を持ってしまうことが判明した。その状況を図 2 に示す。

図 2 𝑚 = 1の場合の固有関数を示す。上段左:𝑇# 、上段右: 𝑇∥ 、下段左:𝑛、下段右:𝑣∥
従って、𝐿H が空間的に変化し、𝑟 = 0において1/𝐿H → 0とならない限り、左辺第 3 項は有限の値にとどまってしまい、𝑛, 𝑢∥ の境界条件と整合しなくなる。次年度に向けた課題として、自己無撞着な境界条件を導入
するとともに、非線形項の評価するための数値スキームを検討することが考えられる。
参考文献[1] T. Ohno, N. Kasuya, M. Sasaki, M. Yagi, ‘Global Mode Analysis of Ion-Temperature-GradientInstabilities Using the Gyro-Fluid Model in Linear Devices’, Plasma Fusion Res. 13, 1401081 (2018).
[2] N. Kasuya, T. Ohno, M. Sasaki, M. Yagi, ‘Comparison of reduced sets of a gyro-fluid model for iontemperature-gradient instabilities in cylindrical plasmas’, Asia-Pacific Conference on Plasma Physics(Kanazawa, Japan, Nov. 12-17, 2018) BP-12[3] 糟谷直宏，大野友嗣，佐々木真，矢木雅敏, 基礎実験装置のプラズマ不安定性に関するシミュレーシ
ョン研究、第 16 回統合コード研究会（春日市、2018 年 11 月 29 日-30 日）3-5[4] 糟谷直宏，大野友嗣，佐々木真，矢木雅敏, 円筒プラズマにおけるイオン温度勾配不安定性に対する有限ラーマ半径効果,日本物理学会第 74 回年次大会（福岡市、2019 年 3 月 14 日-17 日) 17aK310-3
研究組織

矢木雅敏(量研機構)、糟谷直宏(九大応力研)、佐々木真(九大応力研)、稲垣滋（九大応力研）、糟谷和賀子（応用流れ研究所）

151核融合力学分野
一般研究

30FP‑2
タングステン合金の熱負荷特性に及ぼす添加元素の影響
京都大学複合原子力科学研究所
九州大学応用力学研究所

徐 虬
徳永和俊

1． 目的
一般的に、タングステンは低温脆化、再結晶脆化及び照射脆化などの弱点で核融合炉プラズマ対向材として問題がある。近年、W-Y2O3 合金が良い力学特性を示したため、注目されている。本研究では、
W-Y2O3 合金を用いて、重水素保持特性を調べた。
２．実験方法
液相ドーピング法及び放電プラズマ焼結する方法（SPS）でタングステン合金 W-Y2O3 を作製した。作製途中に 50%の冷間加工の工程を入れた。この合金から厚み 0.2mm、直径 5mm の試料を切り出した。試料の表面を粗研磨から鏡面研磨まで実施した。比較のため、1773K で 1 時間焼鈍した市販の純タングステンも使われた。核融合炉の中性子照射を模擬するために、両者に対して、京都大学大学院
工学研究科附属量子理工学教育センターに設置されたタンデム型静電加速器を用いて、室温で Fe イオ
ン照射を行った。Fe イオンエネルギーは 1MeV であった。損傷ピーク所の照射量は 0.3dpa と 1dpa であった。その後に、Fe イオンの未照射試料と照射した試料に対して、更にマグネットセパレータ付重水素イオン銃（オメガトロン社製）を用いて 5keV で重水素を注入した。重水素の照射量は 1.01020 から 1.01022 D+/m2 であった。注入後、1073K まで昇温脱離ガス分析法（TDS）により重水素の放出を調べた。昇温速度は 1K/s であった。
３．実験結果と考察
図１に Fe イオン未照射した純 W と W-Y2O3 合金における重水素照射による重水素放出の照射量依存性を示す。比較のため、SPS で作られたタングステンの重水素放出の特性も示す。図１(a)、(b)と(c)はそれぞれ市販の純タングステン、SPS の純タングステン及び W-Y2O3 合金の重水素脱離スペクトルである。すべての試料においては、放出された重水素の量が照射量の増加と共に増加した。SPS のタングス
テンの重水素放出量が最も多かった。このことからドープされた Y2O3 粒子がタングステン中の重水素の蓄積を抑制したことが分かった。市販の純タングステンにおいては、1.01022 D+/m2 まで照射しても重水素放出ピークは１つしかなかった。その放出ピークの温度は 430K であった。これは、試料表面の照射によって形成された欠陥にトラップされた重水素だと考えられる。一方、SPS の純タングステンは照射量の増加につれて、600K で新たに放出ピークが現れた。W-Y2O3 合金においては、SPS の純タング
ステンと同様に 700K で新たに放出ピークが現れた。この放出ピークは試料中に既存の欠陥によるものだと思われる。
図 2 に Fe イオンで損傷ピークの所に 0.3dpa まで予照射した純 W と W-Y2O3 合金における重水素照射による重水素放出の照射量依存性を示す。Fe イオンの予照射がない試料と同じように、放出された重水素の量が重水素照射量の増加と共に増加した。予照射した純 W の重水素放出量が予照射ない純 W
より高かった。また、Fe イオンの予照射で欠陥を形成したので、750K 付近で二つ目の重水素放出ピークが現れた。W-Y2O3 合金においても、同様な結果が得られた。すなわち、予照射した試料の重水素放出量が予照射ない試料より高かった。また、予照射した試料の二つ目の重水素放出ピークも高かった。
これは、欠陥密度は高い方が重水素をトラップ可能性は高いことを示している。一方、図 1 に示したよ
うに、W-Y2O3 合金が純 W より重水素放出量が高かったのに対して、Fe イオン照射した W-Y2O3 合金
においては、純 W に比べ、トータル重水素放出量がほとんど変わらなかった。特に、試料表面の欠陥にトラップされた重水素放出量が抑えられた。従って、Y2O3 粒子を添加した合金の耐照射性が向上された。Fe イオン予照射の照射量を増加しても同じ結果が得られた。
４．まとめ
液相ドーピング法及び放電プラズマ焼結する方法を用いて、W-Y2O3合金を作製した。この合金に対して、重水素照射を行い、重水素保持特性を調べた。また、中性子照射を模擬するため、Feイオン照射を行い、重水素保持特性に及ぼすFeイオン照射効果を調べた。ドープされたY2O3粒子がタングステン
中の重水素の蓄積を抑えただけではなく、W合金の耐照射性も改善された。

152

4x1016

9x10168x10161x1021/m2
1x1022/m2

7x1016

Desorption Rate (/m2s)

3x10162x10161x1016

200

400

600

800

1000

1x1020/m2
1x1021/m2
1x1022/m2

6x10165x1016(b) SPS W

4x10163x10162x10161x1016

1200

200

400

600

Temperature (K)(a) W-Y2O3

6x1016

Desorption Rate (/m2s)

800

1000

1200

Temperature (K)7x10161x1020/m2
1x1021/m2
1x1022/m2

5x10164x10163x10162x10161x1016
200

400

600

800

1000

1200

Temperature (K)

図1

重水素放出の温度依存性

1x10171x10171x10 20 /m 2

16

9x10

16

9x10

1x1021 /m2
1x1022 /m2

8x10

16

7x10

6x1016

16

Desorption Rate (/m2s)

16

Desorption Rate (/m2s)

Desorption Rate (/m2s)(c) 市販 W

1x1020/m2

市販 W

16

5x10

16

4x10

16

3x10

16

2x10

1x10162 00

8x10

1x10 20 /m 2
1x1021 /m2

W-Y2O31x1022 /m2

16

7x10

16

6x10

16

5x10

16

4x10

3x101616

2x10

1x1016
400

600

80 0

100 0

1 200

2 00

Temperature (K)

400

600

80 0

100 0

1 200

Temperature (K)図 2 0.3dpa(損傷ピーク)まで Fe イオン予照射した W と W-Y2O3 合金の重水素放出の温度依存性

153

核融合力学分野
一般研究

30FP‑3

直線プラズマ装置 PANTA における音速分子ビーム入射装置を用いた密度プロファイル制御
核融合科学研究所

小林達哉

1. 研究目的直線プラズマ装置 PANTA では磁場閉じ込めプラズマ中のドリフト波不安定性の非線形乱流構造の選択則を明らかにするため，実験パラメータを変えた放電を行い，様々な非線形乱流構造を再現する実験が行われている．変化させるパラメータは主に閉じ込め磁場強度と中性ガス圧の 2 つである．中性ガス圧を変化させると，イオン-中性粒子衝突周波数と電子密度勾配が同時に変化してしまう．これらの量はそれぞれドリフト波の線形減衰率と線形成長率を変化させる．
このためこれまでのパラメータスキャン実験では非線形乱流構造発展の際に，線形不安定性が及ぼす影響の切り分けが困難であった．新たなコントロールノ
ブを導入し，イオン-中性粒子衝突周波数を変化させずにプロファイルをコントロールする方法（若しくはその逆）の開発が望まれている．
直線プラズマ装置 PANTA には，主に計測ビームとして SMBI（Super Molecular
Beam Injection, 超音速分子ビーム入射）装置が導入されている．SMBI を入射し，密度揺動パターンの応答を観測することを本研究の目的とする．また，揺動パターンの変化の要因を同定することを最終的なゴールとする．本年度は乱流状態のアルゴンプラズマにヘリウム，ネオン，アルゴン SMBI を入射した際の密度・電位プロファイルの変化や，揺動の応答を観測した．
2. SMBI 実験
2.1 実験条件
図 1(a)に PANTA の schematic view (top view)を示す．円筒の真空容器の片側底面で RF により生成されたプラズマを軸方向磁場で閉じ込める．反対側の底面ではプラズマがターミネートされており，中性化したガスを排気するためポンプが取り付けられている．円筒側面にはプラズマを取り囲む計測ポートが配置されている．本研究では，主に 64-channel 周方向プローブアレ
イ 5-channel 径方向プローブアレイ（tip 間隔 1cm）を用いる．プラズマ生
成部から 1375mm 離れた位置に図 1(b)に示す SMBI 装置が取り付けられている．

154

本研究では， SMBI 特有の局所的にフォーカスした入射特性は積極的に用いず，むしろ長時間パルス入射で装置全体にガスを行き渡らせることを目的とする（ガスパフ装置として用いる）．パフするガス種は，He, Ne, Ar を用いる．1 回のガスパフで，装置内に満たされている中性ガスと同程度の粒子数が供給される．

図 1. (a) 直線装置 PANTA の schematic view．(b) SMBI 装置．
2.2 実験結果
図 2 は典型的な放電波形を示す．t=0.3s でガスパフを開始し，50ms 継続する．ガスパフが行われている間 He I 発光強度は増加し，ガスパフ終了後も微減はするが維持される．プラズマ密度を主に反映していると思われるイオ
ン飽和電流はガスパフ後もほとんど変化がない．このことから，入射されたヘリウムはほとんど電離されず，中性のまま装置内に留まっていることが考えられる．図 2(c)のスペクトルの変化をみると，Gas puff 後，高周波成分(f>5 kHz)が減り低周波成分(f<5kHz)が増える．
図 3 に，He, Ne, Ar パフ時の，イオン飽和電流と浮遊電位の変化を示す．イオン飽和電流に関しては，Ne 入射でほぼ変化なし，He 入射は勾配が微減，
Ar は全体的に増える傾向にあった．一方浮遊電位に関しては，He で勾配増，
Ne で微増，Ar は勾配減となった．これらの変化が Gas puff の直接的影響によるものか，Gas puff が揺動を変化させたことによる影響かを議論する必要
がある．

155

図 2. 放電の時間発展．(a) RF 入射パワー，反射パワー，ガスパフトリガ及び
He I 発光ライン強度，(b)5-channel probe を用いて計測した r=2-6cm の平均イ
オン飽和電流波形，(c)r=4cm で計測されたイオン飽和電流揺動スペクトルの時間発展

図 3. (a) He, (b) Ne, (c) Ar ガスパフ入射前後のイオン飽和電流プロファイ
ル及び(d) He, (e) Ne, (f) Ar ガスパフ入射前後の浮遊電位プロファイル

156

図 4. (a) He, (b) Ne, (c) Ar ガスパフ入射前のイオン飽和電流 2D スペクトル及び(d) He, (e) Ne, (f) Ar ガスパフ入射後のイオン飽和電流 2D スペクトル
図 4 には，ガスパフ入射前後の周波数―周方向モード数スペクトルの比較を示す．He ガスパフでは，4kHz のモードパワーが増え，高周波成分が減る．また，
m=-1 の Mediator のパワーが減る．Ne ガスパフは，その前後でイオン飽和電流のスペクトルにほとんど変化が見られない．Ar のケースでは，全体的にスペク
トルピークが低周波側にシフトしている．ガスパフ後のスペクトルは，単純にソースガス圧を上げた際の放電のスペクトルと良い一致を示す．
He と Ne を比較すると，中性ガス数，プロファイルの変化はよく似たものであるのにも関わらず，He では乱流スペクトルに有意な変化が見られ，Ne では見られなかった．今後は入射ガス量のスキャンを行い，入射ガス種の違いが揺動スペ
クトルにどの様に影響を及ぼすかを議論する．
3. まとめ直線プラズマ装置 PANTA において中性ガスパフ装置を開発した．He,Ne,Ar パフ実験を行い，次に列挙する変化を得た．
1. He gas puff:
・イオン飽和電流プロファイル：勾配が微減

157

・浮遊電離プロファイル：勾配が増・揺動スペクトル：低周波数揺動のパワー増
2. Ne gas puff:
・イオン飽和電流プロファイル：ほとんど変化なし
・浮遊電離プロファイル：勾配が微増
・揺動スペクトル：ほとんど変化なし
3. He gas puff:
・イオン飽和電流プロファイル：密度が全体的に増えた・浮遊電離プロファイル：勾配が減・揺動スペクトル：ガス入射後は，ソースガス圧を上げた際の揺動スペクト
ルとよく一致した．
研究組織
稲垣滋（九大応力研），佐々木真（九大応力研）

158

核融合力学分野
一般研究

30FP‑4

電磁的ジャイロ運動論解析結果に基づく乱流輸送係数を用いたダイナミクスシミュレーション
核融合科学研究所

登田慎一郎

磁気核融合エネルギーを実現するためには、乱流輸送の定量的な予測は最も重要な課題の一つである。最近、トロイダルプラズマにおいて乱流輸送に関して、多くのジャイロ運動論的シミュレー
ションが行われている。トカマク、ヘリカルプラズマにおけるジャイロ運動論的解析結果は実験観測結果と比較されている。トカマクプラズマでは、時刻ステップごとに直接ジャイロ運動論的解
析と結合させる輸送シミュレーションが大域的にされている。ヘリカルプラズマにおけるジャイ
ロ運動論的シミュレーションはトカマクプラズマと比べて、はるかに大きい計算資源を使う。なぜなら、前者はヘリカルリップル構造を捉えるために、磁力線に沿った多くのメッシュ点を必要とする。特にヘリカルプラズマでは、非線形ジャイロ運動論的シミュレーションを統合輸送シミュレー
ションコードと結合させるのは簡単でないので、高速に非線形解析結果を近似することができる
予測モデルが望まれている。乱流輸送に関する予測モデルは、大型ヘリカル装置 (LHD) での統合
輸送コードの中で他のシミュレーションコード（例えば新古典輸送コード）と、低計算資源を用いて、結合することができる。LHD においてジャイロ運動論的シミュレーションのイオン乱流時間
スケール ∼ 10μs と輸送シミュレーションの時間スケール ∼ 100ms は大きく違うので、ジャイロ運
動論的輸送モデルを用いた動的輸送シミュレーションを行うのはチャレンジングな研究課題である。
本研究では、粒子、熱輸送の拡散係数や流束をモデル化するために、数値シミュレーションにより、電子とイオンの両方のジャイロ運動論的方程式を解析した [1]。最初に、イオン温度勾配 (ITG)
モードが不安定化しているときに、LHD の高イオン温度放電において、非線形シミュレーション
から電子、イオン熱拡散係数を概算した。乱流ポテンシャル揺動と帯状流ポテンシャル揺動に関するモデル関数を電子、イオン熱拡散係数について示した。次に、線形成長率と帯状流の線形応答に関する特徴的な量（帯状流崩壊時間）を評価するために、線形ジャイロ運動論的シミュレーションを行う。モデル関数の二つの量（乱流ポテンシャル揺動と帯状流ポテンシャル揺動）は、混合長概算に関係する線形量と帯状流崩壊時間で近似される。線形シミュレーション結果を熱拡散係数モデ
ルに用いることにより、電子、イオン乱流拡散係数に対する非線形シミュレーション結果を再現することができた。密度勾配が、LHD プラズマでは径方向の数点で、ゼロに近くなるので、粒子輸送に関する信頼できる拡散係数モデルは示すことができなかった。非線形シミュレーション結果を定量的に再現するために、電子、イオン熱輸送に関する準線形流束モデルを提唱した。非線形シ
ミュレーション結果である電子、イオン熱流束は、熱拡散係数のモデルの正確さと同程度で、準線形流束モデルにより再現される。さらに、LHD での平坦化した密度分布でさえも適用できる準線形粒子流束モデルを提唱した。したがって、ジャイロ運動論的解析結果に基づく、熱拡散係数モデ159

ルと準線形流束モデルのような輸送モデルを示した。粒子輸送に関する準線形流束モデルは提唱することができたが、粒子拡散係数モデルは提唱することができなかった。一方、拡散係数モデル
は、２つの線形ジャイロ運動論的シミュレーション結果で評価される。準線形流束モデルが非線形解析結果を再現するために概算されるとき、線形解析結果である流束と揺動ポテンシャルの比が、混合長概算に関係する線形量と帯状流崩壊時間に加えて必要である。輸送シミュレーションコード
に流束と揺動ポテンシャルの比を取り入れるのは現在のところ困難である。輸送コードにイオンの熱拡散係数モデルを取り入れる方法はすでに報告している [2]。
乱流輸送について、ジャイロ運動論的解析結果に基づいた熱拡散係数モデルや準線形流束モデルを用いて、動的な輸送シミュレーションを行った [3]。新古典輸送については DGN/LHD データベースを用いている。イオン温度に関する動的シミュレーションの際に、イオンの熱輸送を評価する
ために、イオン熱拡散係数モデルを用いた。電子運動についてもジャイロ運動論的方程式の解析を行うと、LHD でのショットナンバー 88343 での高イオン温度プラズマの実験結果と矛盾しない、
イオン温度分布に関するシミュレーション結果が得られることがわかった。また、乱流輸送が新古典輸送よりも優位である。そして、実験結果のイオン温度分布と比べると、輸送について硬直性（stiﬀness）が強いことを示した。低イオン温度プラズマについても同様の解析を行い、イオン
温度分布の実験結果が、シミュレーション結果と矛盾しない。この時、イオン温度勾配不安定性による乱流輸送が新古典輸送より小さい領域が広い。また、電子熱拡散係数モデルと電子準線形
熱流束モデルを用いて、高イオン温度プラズマと低イオン温度プラズマについて、電子温度分布に関するシミュレーションを行い、実験結果と比較できるシミュレーション結果を得た。この時、電子準線形流束モデルは、イオン熱拡散係数モデルを用いて、電子準線形熱流束とイオン準線形
熱流束の比から評価される。電子熱輸送モデリングの際、イオン温度勾配不安定性に対しての電子温度勾配を含める研究は今後行われる。ジャイロ運動論的乱流輸送モデルを輸送シミュレーショ
ンに、低計算機資源で取り入れる方法 [2] を用いた。非線形結果を再現する簡約化モデルを用いた時に、輸送シミュレーション結果である温度分布は、実験結果と矛盾しないことがわかった。

[1] S. Toda et al., Phys. Plasmas Vol. 26 012510 (2019)[2] S. Toda et al., Journal of Physics: Conference Series 561, 012020 (2014)[3] S. Toda et al., Plasma and Fusion Research submitted (2019); The 27th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research and The 13th Asia Paciﬁc Plasma Theory Conference,
November 19-22, 2018, P1-26

160

核融合力学分野
一般研究

30FP‑5

金属間化合物における空孔型欠陥と水素原子の相互作用に関する研究
	
  	
  	
  	
  	
  	
  大阪府立大学工学研究科

堀史説

はじめに
	
  物質中の水素の材料への影響は様々な分野で重要な問題である。特に水素脆化や水素貯蔵などの観点から重要な課題の一つである。核融合炉など大量の放射線に晒され結晶として損傷を受けるような特殊な環境下では、その挙動がプラズマの安定化、熱伝導および強度などの材料特性劣化を促進するなど密接な関係を有しており、これらの相互作用について様々な研究が進められている。このような材料中の水素の状態は他の元素に比べて非常に難しく、微量検出や欠陥との結合捕獲状態などの評価は限られた手法で特定のものに限られて来た。加えて合金中の格子欠陥も必ずしも単純な状態で存在するわけではない。このような格子欠陥に対して陽電子消滅法は原子レベルでの空孔の検出に優れ、対消滅時の局所的な電子密度分布を簡便に詳細な評価が可能である。	
 	
  一方、現実問題として体心立方格子(bcc)からなる金属では水素同位体の貯留が大きな問題になっている。例えばタングステンに照射によって空孔型欠陥が導入されると、多量の水素が捕獲されるという報告がある。しかし bcc 金属が必ずしも同様の水素捕獲が起こる
訳ではない。我々のこれまでの研究で同じ bcc 構造を有する金属間化合物でも空孔当りに複数の水素原子が捕獲安定化する合金系があることが計算によって求められている。B2 型
規則構造を有する Fe-Al 合金での多量水素捕獲と考えられる空孔挙動を陽電子でも捉えてきた。同様に B2 型構造を有する Fe-Rh 合金においては鉄とロジウムの弾き出し閾エネル
ギーが大きく異なるため欠陥種の制御が容易であると考え、これまでは電子線照射前後の陽電子寿命測定と水素放出の実験を行い、Fe-Al 同様に空孔への水素捕獲が確認された。
今年度はさらに同時計数ドップラー測定などを積み重ね、照射による空孔種生成の比率およびそれらへの水素捕獲についてより詳しく検討した。
実験方法	
  アーク溶解にて作成した等比組成（化学量論組成）の Fe-Rh 合金インゴットをおよそ 10
mm×10 mm×1 mm の板状に切出し表面を鏡面研磨した。この試料を 3×10-4 Pa の真空中で 600℃、120 時間の焼鈍を行均一化熱処理したものを用い、エックス線回折により B2単相で特に今回は未照射でできるだけ残留空孔のない試料を事前に陽電子消滅測定で確認した試料を用い電子線照射に供した。電子線照射は京都大学複合原子力研究所(KURRI)にて線形型電子線型加速器を用いて 8MeV の電子線を照射温度 35〜40℃で照射量 1×1018 e/cm2 の照射を行った。照射後の試料にチオシアン酸アンモニウム溶液を用いた電解水素チ
ャージによる水素の注入を 0.3A/cm2 で 10 時間行った。これらの試料に対して、X 線回折、陽電子消滅寿命測定、同時計数ドップラー広がり測定(CDB)定を行った。今回は CDB 曲線の最小二乗によるフィッティングにより空孔の電子状態から空孔周囲の元素比の解析を試
みた。

161

実験結果
200

τ1
τ2

Positron  lifetime  [ps]

180
160
140
120
100
80
60

未照

電子線照射

水素チャージ

図１ 	
  電 子線 照射 後に 水素 チャ ージ した
Fe-Rh合金の陽電子寿命の経時変化

図２	
  電子線照射および水素チャージした
Fe-Rh合金のCDB比率曲線

図 1 は各試料の陽電子寿命測定結果を示す。 表	  電子線照射前後のCDBから求めた空孔比率
照射によって空孔が導入されていることがFe 空孔 : Rh 空孔
わかるが、これまでの寿命計算との比較でロジウム空孔ではないかと考えられている。図照射前２にこれらの試料の同時計数ドップラー拡が9 : 1
りスペクトルの比率曲線を示す。この曲線で電子線照射後は電子線照射後の比率曲線において低運動量領域が上昇しており空孔が導入されていることが陽電子寿命の結果と一致している。一方、
高運動量領域に純鉄の電子分布に対応するプロファイルが確認できる。そこで、このプロファイルから純鉄及びロジウムの電子運動量分布とのフィッティングにより空孔種の同定と存在空孔種の比率を求めた。表にその比率を示す。この結果を見ると鉄空孔が多く導入されいることがわかる。この結果はこれまでの陽電子寿命測定でロジウム空孔が導入されたとの結果に対し整合していないような結果であるが、電子による弾き出し損傷を計算したところ、8MeV の電子ではおよそ 8:2 の割合で鉄原子の弾き出しが多く起こり、空孔の比率もこれに従うことがわかった。そのため、ロジウム空孔も導入されるが、この照射では鉄空孔が優先的に導入されていたことが明示された。一方、水素注入後は陽電子寿命が減少しており、比率曲線においても低運動量領域が減少していることから、空孔中に水素原子が捕獲されたことが確認された。以上より、捕獲された水素原子は主に鉄空孔への捕獲であり、第一原理計算で予想されていた結果と良い一致を示した。
謝辞：本研究を実施するにあたり、共同研究により議論いただきました大澤先生に感謝致します。また、実験を実施するにあたり、電子線照射にご協力頂いた京大複合研の徐准教授及び阿部尚也技師に感謝いたします。
研究組織：堀史説（大阪府大工学研究科）、角倉優雅（大阪府大院生）、鷹野陽弘（大阪府大院生）、Xu Qiu（京大原子炉）、大澤一人（九大応力研）

162

30FP‑6

多層グラフェン膜の水素吸収特性に対する窒素添加効果

核融合力学分野
一般研究

Effect of doped nitrogen of hydrogen absorption characteristic for multilayer graphene films

名城大学理工学部 土屋 文
Bun Tsuchiya
Faculty of Science and Technology, Meijo Univ.

目的 安全でクリーンな水素酸素燃料電池は、火力発電や原子力発電に替わる発電機として世界的に大きな期待を寄せられている。本研究室では、多層グラフェン薄膜を水素(H)供給源とした水素酸素マイクロ燃料電池の開発に取り組んでいる。これまで、本研究室では、ミスト化学蒸着法を用いて作製した多層グラフェン膜は多量の水(H2O)および
H を吸収し、その吸収された H の解離温度は約 100℃以下であることを発見した。しかしながら、このマイクロ燃料電池の開発を目指すためには、より低い温度で H を解離する H 供給源を必要とする。本研究では、窒素(N)ドープにより点欠陥を形成させ、H 貯蔵量の増加および H 解離温度の低下を目指すため、イオンビーム分析の一つである反跳粒子検出(ERD)法を用いて、N ドープされた多層グラフェン薄膜内に蓄積された H 濃度を測定し、また、昇温ガス脱離(TDS)法により、H の解離温度を調べ、H 吸収・貯蔵・放出特性に対する N ドープの効果について明らかにすることを目的とした。
実験方法 ミスト化学蒸着法を用いて、1.3x10-3 Pa の真空排気および 1198 K に加熱された石英管内にミスト状のメラミンを含んだメタノールおよび 2%H2 を含有する Ar 混合ガスを流した後、Cu 板を 2 分間導入して多層グラフェン
薄膜試料を作製した。N ドープ量を変えるために、メラミンを加熱する温度を 423 および 473 K にした。ラザフォー
ド後方散乱(RBS : Rutherford Backscattering Spectrometry)法および光吸収法により、作製された多層グラフェン膜の厚さは約 8±3 nm (約 24±9 .層程度)であると評価した。次に、多層グラフェン薄膜試料を恒湿恒温器内に導入し、約297～303 K の室温および約 30-40％R.H.の相対湿度の雰囲気中に放置した。空気中の水蒸気が多層グラフェン薄膜内に飽和するまで吸収された後、量子科学技術研究開発機構に既存のタンデム型加速器からの 6.38–6.50 MeV N+イオンをプローブビームとした NRA 法を用いて、H および N 間の核反応(H(15N, )12C)により生成された 4.44 MeVのガンマ線を NaI (Tl) シンチレーション検出器により検出し、深さに対する H 濃度分布を数 nm の深さ分解能で測定した。次に、東北大学金属材料研究所に既存のタンデム型加速器からの 2.8 MeV He2+イオンをプローブビームとした ERD 法を用いて、作製した多層グラフェン薄膜試料を真空雰囲気で室温から約 573 K までの各温度において 10分間の等時加熱(isochronal annealing)を行い、各温度における捕捉 H 濃度の変化について調べた。また、空気暴露
後、九州大学応用力学研究所に設置された TDS 法により、放出ガス種の判別および各ガス種の解離温度を調べた。
実験結果および考察 室温から 573 K の温度までの各温度で 10 分間の等時加熱後、ERD 法を用いて測定された N
ドープ多層グラフェン膜の ERD スペクトルを測定した。ERD スペクトルから求めた作製後の N ドープ多層グラフ
ェン膜中の水素濃度は、多層グラフェン膜中の水素濃度とほぼ同様で H/C=0.74 であり、NRA 法により求めた結果と一致することがわかった。しかしながら、ERD 法では約 100 nm 以上と深さ分解能が低いため、膜表面上の H2O とインターカレーション中の H を分けることができない。従って、縦軸のピーク強度は、N ドープ多層グラフェン膜表面および層間の合計の H 濃度を表す。ERD スペクトルの強度は、加熱温度の増加とともに減少することがわかった。
加熱温度に対する N ドープ多層グラフェン膜中の捕捉 H 濃度の変化より、N ドープ多層グラフェン膜中の捕捉 H 濃
度は、グラファイト中の H 濃度が 673 K まで全く減少しないことに対して約 373 K 以下の低温で除々に減少し、573K で約 3 割程度まで減少することがわかった。この結果は、多層グラフェン膜中の水素濃度の変化とほぼ同様であった。グラファイトの場合、捕捉 H は 673 K 以上で CH4 の形状で放出されることが報告されているが、多層グラフェ
ン膜中の捕捉 H は、H2O あるいは H2 の形状で放出されていることが推測された。
TDS 法を用いて、N ドープ多層グラフェン膜を室温から 773 K まで 4 K/min の温度上昇速度で加熱し、N ドープ
多層グラフェン膜から放出されるガス種の判別を行った。バックグランド(試料の無い場合)、チタン水素化物(TiH1.99)、
163

Cu 板のみ、N ドープ多層グラフェン膜および Cu 板から得られた TDS スペクトルをそれぞれ図 1(a)～(d)に示す。図1(a)および(b)より、H2、CH4、H2O、CO、CO2 がバックグランドとして存在するが、773 K までの加熱により増加しないこと、H2 が約 500 K で TiH1.99 から放出されることを確認した。次に、図 1(c)より、H2O および H2 が Cu 板
から放出されないが、CO2 および CO がそれぞれ約 500 K および 600 K から放出されることを確認した。図 1 (d)より、CO2、CH4 および H2 が N ドープ多層グラフェン膜および Cu 板からそれぞれ約 400 K、423 K および 623 K から放出された。CH4 および H2 の放出は、N ドープ多層グラフェン膜表面から脱離および層間を占有した H 原子同士の再結合により生じたと考えられる。従って、ERD 法によって得られた 573 K 以下における捕捉 H 濃度の減少は、
歪んだ形状の表面および層間に占有された H が CH4 の形状で放出され、それ以上の温度では C-C 間の欠陥と結合した H 原子同士の再結合により生じたと考えられる。従って、ERD 法によって得られた 573 K 以下における捕捉 H 濃
度の減少は、歪んだ形状の表面に結合された CH4 の脱離によると考えられる。
まとめ NRA 法、ERD 法および TDS 法を用いて、真空内で約 573～773 K まで加熱された N ドープ多層グラフェ
ン膜中の水素濃度変化について調べた。大気に放置された多層グラフェン膜において、多量の H2O が表面に吸着され、微量の H が層間に占有されていることがわかった。また、これらの捕捉 H 濃度は約 373 K 以下の低温から除々に CH4 の形状で放出され、573 K で約 3 割程度まで減少し、それ以上の温度では H2 の形状で放出されることがわか
った。

10 -9
10-10

(b) TiH 1.99

4 K/minSensitivity, Current (A)Sensitivity, Current (A)10 -7(a) blank (without sample)

H2O

10-11
10-12
10

CH 4

-13

10-14

CO2

10-15
10

H2

CO

-16

10-17

300

400

500

600

700

10 -8
10 -9
10-10

H2O
CH4

10-11
10-12
10-13

800

300

10-13

Sensitivity, Current (A)Sensitivity, Current (A)

H 2O

10-12

H2
CO2

CO

300

400

500

600

600

700

800

(d) graphene/Cu, air exposure

4 K/min

CH4

500

10-8

(c) Cu, air exposure

10-11

400

Annealing Temperature (K)

10 -8

10-10

CO2

CO

Annealing Temperature (K)

10 -9

H2

4 K/min700

800

Annealing Temperature (K)

4 K/min

10-9

10-10

H 2O
CH4

10-11

10-12

10-13

H2

CO 2

CO

300

400

500

600

700

800

Annealing Temperature (K)

図 1 (a) バックグランド(試料の無い場合)、(b) チタン水素化物(TiH1.99)、(c) Cu 板のみ、(d) N ドープ
多層グラフェン膜および Cu 板を室温から 773 K まで加熱したときに得られた TDS スペクトル。

164

核融合力学分野
一般研究

30FP‑7

ジルコニウム合金中の水素同位体の挙動に関する第一原理計算
琉球大学教育学部

岩切宏友

若狭湾エネルギー研究センター

安永和史

京都大学エネルギー理工学研究所

森下和功

九州大学応用力学研究所

渡邊英雄，吉田直亮【研究の目的】
ジルコニウム合金は燃料被覆管として非常に優れた特性を有し、多くの軽水炉で利用されている。燃料被覆管として使用を続けていると、水素吸蔵量が増加していくとともに、c 軸方向への収縮ひずみが発生する。これは、ジルコニウム合金中における転位ループの生成が一因となっていると考えられているが、具体的なメカニズムは明らかにされていない。そこで、本研究では第一原理計算により、ジルコニウム合金中における水素の基礎的な挙動や、転位ループとの相互作用等を調べることを目的とした。本年度は燃料被覆管での使用は見込まれていないが、ジルコニウムを含んだ合金の一種である Be2Zr を試行的な研究対象とし、水素との基礎的な相互作用に関する研究を実施した。
【研究方法】
本研究では、電子状態を考慮した量子力学計算手法として SIESTA コードを使用した。SIESTA
では各原子に帰属する実在波動関数を基底関数として用いており，格子欠陥周辺などの局所的な電子状態を知るための効果的手法である。まず、構造最適化された Be2Zr 結晶を作成し、この構造の格子間位置に水素を付与することで Be2Zr 中における水素の捕獲位置の解明や全体的な構造の変化，捕獲エネルギーの計算等を行った。k 点サンプリングは Monkhorst-Pack 法で 4×4×4、擬ポ
テンシャルのカットオフ半径は 300 Ry である。さらに、各原子に作用する力が 0.005 eV/Ang 以
下になるまで構造最適化計算を実施した。
【研究結果および考察】
Be2Zr 中における水素の固溶状態を調べるために，Be2Zr の格子間位置に水素を配置し，水素を含めた構造最適化及びエネルギー計算，分子軌道計算を行った。第一原理電子状態計算における構
造最適化計算は「準安定状態」を探索する手法のため，原子の初期配置の影響を受ける場合がある。
特に，本研究で用いた Be2Zr は複雑な結晶構造を有する為，水素の初期配置の影響を受けやすい。
そこで，Be2Zr における結晶構造の対称性を考慮し，結晶構造の性質を代表し得る規約領域内において 9 パターンの初期配置を設定し，それぞれについての計算を行った。その結果，格子間位置における６種類の存在位置（サイト）を発見した。各サイトにおける水素の固溶エネルギーを表１に示す。もっとも安定なサイト（Site-1）は 2 個の Be と 3 個の Zr が形作る 6 面体（三方両錐体）の中心であり、このときの固溶エネルギーは－0.929 eV であった。このことは、Be2Zr は水素に対して発熱型の合金であることを示しており，大量の水素を固溶しうることが第一原理計算により示された。
次に、Be2Zr 中における水素のペアリング効果についての計算を実施した。隣接する格子間サイ
トに水素が複数存在する場合，近接効果により結合力や反発力が生じ，場合によっては分子化する。

165

これは Be2Zr における水素吸蔵量の上限に影響を与える。ここでは，格子間位置で隣接した 2 個の水素についての計算を行った。水素は表１で示したサイトのうち、近接したものを２か所選択して配置し、構造最適化計算を実施した。その際、ありうる限りの近接した格子間水素の組み合わせを考慮し、合計 9 パターンについての計算を行った。これを表２に示す。その結果、原子間距離が2.0Å以下の組み合わせは構造最適化計算の際に水素同士が強く反発し、安定なペアとして存在することができなかった。この結果により、Be2Zr 中の格子間位置においては水素同士のブロッキン
グ効果が作用することが明らかとなった。この結果より、Be2Zr 中における水素の最大固溶量の導出を見積もると Be2Zr のユニットセル中に最大４個の水素が固溶できることになり、Be2Zr 中における水素の最大固溶量は 3.53 wt％であることが示された。
表１

各格子間サイトにおける水素の固溶エネルギー

Site‐1(Be2Zr3)6⾯体

Site‐2(Be4Zr2)8⾯体

Site‐ 3
(Be4Zr2)8⾯体

Site‐ 4
(Be2Zr2)4⾯体

Site‐ 5
(Be2Zr4)8⾯体

Site‐6(Be6Zr2)
12⾯体‐0.929 eV‐0.688 eV‐0.641 eV‐0.540 eV‐0.099 eV‐0.008 eV

表２２個の⽔素配置

Be2Zr 中の格子間水素のペアリング効果

原⼦間距離(Å)（計算前）

原⼦間距離(Å)（計算後）

固溶エネルギー(eV)

⽔素1個当たりの固溶
解エネルギー(eV）

Site1‐Site1

2.39

2.44

‐1.85

‐0.92

Site1‐Site2

1.46

解離（反発による）－‐Site1‐Site3

1.19

解離（反発による）−‐Site1‐Site4

2.30

2.29

‐1.43

‐0.72

Site2‐Site2(第1近接)

1.68

解離（反発による）−‐Site2‐Site2(第2近接)

2.07

解離（反発による）−‐Site3‐Site3

2.07

解離（反発による）−‐Site4‐Site4(第1近接）

2.07

2.09

‐1.10

‐0.55

Site4‐Site4(第2近接）

2.73

2.60

‐1.06

‐0.53

（成果発表）
特になし

166

核融合力学分野
一般研究

30FP‑8
構造材料中の水素挙動に及ぼす水素導入方法の影響

Influence of Charging Methods on Hydrogen Behavior in Structural Materials
茨城大学工学部
1.

車田

亮

研究目的

核融合実験装置等の構造材料は、プラズマ対向材料を透過した中性子照射損傷を受けるとともに、重水素やトリチウム等が材料内部に拡散すると考えられる。一方、構造材料のき裂進展や破壊には、応力
腐食割れ（SCC）や活性経路割れ（APC）等がしばしば問題となり、その 1 つの要因として材料中の水素の影響が懸念されている。そこで、本研究では、構造材料（ステンレス鋼やアルミニウム合金等）中の水素の透過・放出挙動が、水素導入方法（電解水素チャージ法、水素プラズマチャージ法等）の違いに
よりどのように変化するかを調査することを目的とする。そのために、茨大の電解水素チャージ装置や水素プラズマチャージ装置と、九大応力研の高エネルギーイオン発生装置や SEM・TEM の微細組織観察装置を共同研究に利用する。その結果、材料に関する豊富な知識と経験を共有しながら核融合実験装置
等の構造材料の高性能化研究を推進するものであり、両者にとってメリットが大きい。
2. 実験方法
2.1 水素プラズマチャージ法
本年度はまず、研究の第一段階として、茨大の水素プラズマチャージ装置（イオンプレーティング装置）により、材料への水素導入を試みた。水素導入の有無については、アルミニウム基板上の酸化アル
ミニウムが水素プラズマにより、純アルミニウムに還元されたことで確認する。
本研究では、非平衡の反応を低温で発生させることが期待できるプラズマを利用して、酸化アルミニ
ウムの水素プラズマによる還元を試みた。
試料としては、表面を硫酸法による陽極酸化したアルミニウム板を用いることにした。アルミニウムが基板となることによりプラズマ処理時に電位を印加しやすいうえに、厚い膜を生成することができ、結果を容易に評価できるためである。まず、0.5mm 厚に圧延した 4N の純アルミニウム板から縦 15mm、横 50mm の試料を切り出し、陽極酸化およびプラズマ照射を行う面に#400 から#2000 までの湿式研磨を施した。その後、試料表面に付着している汚染物などを除去するため、アルカリ洗浄とデスマット処理を行った。アルカリ洗浄には、10%水酸化ナトリウム水溶液を用いて、室温で 1 分間の条件で洗浄を行い、さらに、10%硝酸水溶液を用いて、室温で１分間の条件でデスマット処理を行った。また、アルカリ洗浄の前後とデスマット処理後には、水道水による超音波洗浄を十分に行った。
その後、10%硫酸水溶液を用いて、室温で 10 分間の条件で陽極酸化処理を行った。陽極酸化皮膜のついたアルミニウム基板について、イオンプレーティング装置（AOT-IP-500W）を用いて、水素プラズマを照射した。陽極酸化前後およびプラズマ照射前後の各段階において、試料表面の SEM/EDX 分析を行い、陽極酸化により生成した酸化アルミニウムが、水素プラズマ照射により、純アルミニウムに還元されたかどうかを確認する。また、水素プラズマを照射した後、基板温度が 35℃以下まで低下した段階で、真空中で金プローブを基板に接触させ、金プローブと基板が接触してから、試験片の中心に向かって 40
μm 地点と 50 μm 地点間（10 μm）を照射面に沿って移動させ、接触抵抗や電圧電流特性を測定し，酸化アルミニウムが還元されたかどうかを確認する。
3. 実験結果及び考察
図１に水素プラズマの照射原理を示す。真空状態で、直流電圧により、チャンバー内の水素ガスをイオン化し、試料にマイナス電荷を印加することで、試料表面に水素プラズマを導入させる。
図２に水素プラズマ照射前後の EDX 分析結果を示す。水素プラズマ照射前後において、原子数濃度
分布の変化が認められず、SEM による表面の膜厚の変化も確認できなかった。したがって、今回の実験

167

では、材料表面への水素の導入はできなかった。今後の対策として、試料温度を上げての再実験や他のプラズマ照射装置（UBMS:UnBalanced Magnetron Sputtering）での実験を再検討する必要がある。

図１

水素プラズマ照射原理
図２4.

水素プラズマ照射前後の EDX 分析結果

まとめ

本研究は、核融合実験装置等の構造材料中の水素挙動が、水素導入方法によりどのように変化するかを解明することにより、重水素やトリチウムと構造壁との相互作用を抑制・制御できる知見を得て、核融合実験装置等の構造材料の健全性および実用寿命の延長に貢献することを目標に、構造材料（アルミ
ニウム合金）の表面を鏡面仕上げした後、水素プラズマチャージ装置（イオンプレーティング装置 AOTIP-500W）を用いて、材料表面に水素原子の導入を試みた。しかし、材料表面への水素の導入が出来なかったので、今後の対策として、試料温度を上げての再実験や他のプラズマ照射装置（UBMS:UnBalanced
Magnetron Sputtering）での実験を再検討する必要があった。
参考文献(1)井上泰一，伊藤吾朗，佐藤直幸，池畑 隆，中村雅史, 第 134 回春期大会講演概要集, 軽金属学会,
熊本大学, (2018.5.26-27), pp. 71-72.

168

核融合力学分野
一般研究

30FP‑9タングステンの熱負荷特性に及ぼす再結晶の影響
茨城大学工学部

車田 亮【目的】プラズマ閉じ込め装置のダイバータ板の表面材料としてスパッタリング特性や熱特性が良好な
タングステン(Ｗ)が使用されている。しかし、Ｗは低温脆化、再結晶脆化、照射性化の問題がある。特に、高熱負荷を受けるタイバータ板では、再結晶脆化が問題である。このため、再結晶温度が高く、さらに、高温強度が高い K や La ドープＷ合金が試作されている。しかし、これらのＷ合金は、ディスラ
プションや ELMs 時のパルス熱負荷より突沸等が発生し損耗量が大きいことが明らかとなっている。これに対して、研究代表者らは、
熱間等方圧加圧法(HIP)により製作されたＷ(HIP-Ｗ)について研究を進め、最も普及している粉末焼結Ｗとは組織が異なるためその特性も大きく異なり、たとえば、溶融接合用の電極に使用した場合特性が良好なことを明らかにしてきた。また、粉末焼結Ｗのような圧延組織を持つＷとは異なり残留歪みも小さいと考えられることから再結晶した際の結晶粒の粗大化の影響も少ない
ことが予想される。本研究では、粉末焼結 W と共に、HIP-Ｗの再結晶挙動やこれらが熱負荷特性に及ぼす影響を明らかにし、ダイバータ板の表面材料としての性能を評価することを目的とする。
【実験及び解析】本年度は、W 圧延材、及び再結晶 W 材に対する電子ビーム熱負荷実験について報告すると共に、昨年度報告した強度試験結果との対応について考察した。試料はアライドマテリアル製のW 圧延材、及びこの W 圧延材を再結晶処理した再結晶 W 材を使用した。試料サイズは 10mm×10mm
×1mm である。電子ビーム熱負荷装置を用い、試料は Cu 製の試験台に 5mmφの孔が開いた W 製の押さえ板で機械的に固定した。温度測定には低温、高温用の 2 台の二色放射温度計を使用し、ビーム照射部の温度を測定した。電子ビーム熱負荷装置の加速電圧は 20kV でビームサイズは約 3mmφである。また、試料に 100V の電圧を印加し、2 次電子や熱電子の放出を抑えた状態で試料電流を測定し熱流束を求めた。2 秒間の照射で電子ビームの照射部の最高到達温度が約 1300℃に達するようパワーを調節した。
2 秒間のビーム照射の後、冷却時間として 7.5 秒間保持することで、1 サイクルのトータルの時間を 9.5秒とした。このようなサイクルを、各試料に対し計 200 回繰り返した。また、損傷過程を確認するため適宜取り出し、走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて表面観察を行った。さらに、これらの実験結果を引張試験における応力・歪み曲線の温度依存性を元に考察した。
【結果】 図 1 に繰り返し熱負荷実験時のビーム電流と試料温度を示す。ビーム電流を調節することで、最高到達温度が約 1300℃となる温度変化を繰り返すことができた。また、表面温度は照射から 2 秒後に最高温度に達し、ビーム OFF 後、表面温度は下降し、次の照射開始と共に上昇している。図 2 に繰り返
し熱負荷を行った試料の SEM 像を示す。繰り返し熱負荷前では、W 圧延材の表面は滑らかで粒界部に凹凸などは識別できない。再結晶 W 材では、表面は滑らかであったが、SEM 像の明暗により粒界が確認できた。これは、再結晶材であるため、結晶方位の違いによる入射電子線のチャンネリングにより発生する SEM 像の明暗がはっきりしているためであると考えられる。熱負荷を 20 回繰り返し(20 サイクル)後の観察では、試料表面が変形していた。W 圧延材では結晶内に白線が確認でき、塑性変形による転位の移動により生じたすべり線であると考えられる。また、結晶粒界にも変形が生じていることがわかる。再結晶 W 材では W 圧延材よりも、表面の変形が大きい。結晶粒内は W 圧延材より多くのすべり線が見られ、結晶粒界も凹凸が生じていた。40 サイクル後では、W 圧延材、及び再結晶 W 材共に新たなすべり線や結晶粒界部分の凹凸に大きな変化は見られなかった 70 サイクル後では、W 圧延材では多少凹凸が激しくなっているが、大きな変化は見られなかった。また、再結晶 W 材も同様に顕著な変化は確認できなかった。200 サイクル後では、特に W 圧延材の損傷が急激に進み、表面の凹凸は激しくなり、結晶粒内、結晶粒界共にミクロなき裂が確認された。
【考察】図 2 に示されたように 20 サイクル後の W 圧延材では結晶内と結晶粒界で変形が見られたが、再結晶 W 材ではより大きな塑性変形によると思われる表面形状変化が確認された。また、引張試験の結果、再結晶化により降伏応力が約 1/3 に低下すると共に、延性が発現する高温では、W 圧延材では約10%の伸びに対して、再結晶 W 材では約 60％近く伸びることができることが分かった。従って、再結

169

再結晶 W 材

W 圧延材

再結晶 W 材5μm

5μm

200cycles

70 cycles

40 cycles

20 cycles

0 cycle

W 圧延材

Current (mA)

Temperature (℃)

晶 W 材では低い応力で塑性変形し、さらに伸び量も大きいため W 圧延材と比較し大きな表面形状変化が発生したものと考えられる。一方、さらに繰り返し熱負荷を加えた 200 サイクル後では、W 圧延材で微細な表面形状変化やミクロなき裂が発生している。これは、W 圧延材の場合は延性が発現する高温でも伸びは 10%と再結晶材に比べて小さいため、ミクロ
なき裂等の破壊が発生したものと考えられる。また、
150
Temperature
1400
20 サイクルから 70 サイクルまでは、W 圧延材、及びCurrent
再結晶 W 材共に大きな表面形状変化は見られなかっ100
1200た。これは、初めの数回で塑性変形を起こした後硬化し、塑性変形による表面形状変化が起こりにくいため
1000
50であると考えられる。しかし、W 圧延材ではさらに繰
800
り返し熱負荷による熱疲労により欠陥が蓄積され、同0
じ応力でもき裂発生による破壊につながったものと250 260 270 280 290 300
考えられる。また、延性が発現する高温では、再結晶Time (s)W 材では、粒界における破壊応力よりも粒内での降伏
図 1 電子ビーム照射実験中の応力が小さいため、粒界破壊は発生しなかったものと電流と表面温度変化(W 圧延材)
考えられる。

10μm
図2

10μm

W 圧延材、及び再結晶 W 材の電子ビーム照射による表面形状変化(SEM 像)

170

核融合力学分野
一般研究

30FP‑10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

公益財団法人若狭湾エネルギー研究センター 安永和史

1.

緒言
昨年度は、重イオン照射されたジルカロイ 2（Zry-2）試料中の損傷及び非損傷領域の微細組織を比較することにより、製造時からの存在と考えられる水素化物の弾き出し環境下での挙動を調査した。その結果、弾き出し損傷により 150 nm
未満のサイズの水素化物の密度が低下する現象が確認され、水素化物と弾き出しにより生じた空孔との反応により水素（H）が Zr 母相中に再固溶したと考察した。
ジルカロイ 4（Zry-4）は、加圧水型の軽水炉（PWR）の燃料被覆管材料として用いられている。Zry-4 の Zry-2 と異なる特徴は、成分元素に Ni を含まないこと及び製管時の加工に伴う転位が残存していることである。本年度は、Zry-4に元来存在する析出物について、その構成元素・サイズ・体積密度を調査した結果について報告する。
実験方法
試料は、Zry-4 の厚板をダイヤモンドワイヤーソーで六方晶の a 面に平行に切断後、ダイヤモンドシートで手研磨した100 m 厚の板状試料である。板状試料は 3 mmの円盤形に打ち抜き、電解研磨法（ツインジェット法）やイオン研磨法を併用して TEM 観察用に薄膜化した。ツインジェット電解研磨には九州大学応用力学研究所の TenuPol-5 を、イオン研磨には若狭湾エネルギー研究センターの PIPS（PRECISION ION POLISHING SYSTEM、Model 691、Gatan）をそれぞれ用いた。ツインジェット法による薄膜化条件は、電解液としてメタノール 950 ml、過塩素酸 50 ml の溶液を用い、25 V、-40℃である。イオン研磨による薄膜化条件は、円盤試料の中心領域が開孔するまで試料表裏を複数回反転しながら 6 kV の Ar イオンを照射、入射角は 6°である。さらに、仕上げ加工として 2 kV の Ar イオンを入射角 6°で 10
min 照射した。ION BEAM MODULATOR は DOUBLE、2 つのイオン源配置は共に TOP である。このイオン研磨により、ツインジェット研磨では得にくかった極薄領域を開口部周辺にもつ TEM 観察に適した試料が作製された。試料の微細組織観察には透過型電子顕微鏡（TEM、JEM-3000F、JEOL）を用い、STEM-BF（Scanning Transmission Electron
Microscopy-Bright Field）像及び STEM-EDS（Energy Dispersive Spectroscopy）マッピングにより元素分析した。電子の加速電圧は 300 kV である。
2.

結果および考察
図 1 左は Zry-4 薄膜の STEM-BF 像（a）、Fe 及び Cr の分布を示す STEM-EDS マッピング（b、c）、これら全てに

Zr の分布を重ね合わせた像（d）である。厚膜（電子線の透過強度が低く黒く観察される領域）から試料端の極薄膜（透けて観察される領域）を含む領域について特性 X 線分析を試みた。STEM-BF 中の黄色破線の矩形領域がそれで、白矢印方向に X 線の発生しない真空領域を終端に含めた。厚膜領域には、緑および赤の強度が強い点が観察され、それらの位置関係も一致していることから、Fe 及び Cr を含む析出物が存在していることが分かる。厚膜領域の析出物は STEM-BF
像では電子線透過量が低いため確認できなかったが、長時間の電子線の走査により発生した特性 X 線の積算による元素分布像により確認可能となった。体積密度が低い対象物の場合、その存在を多数捉えるためには、当然ながら観察すべき体積が増大する。そこで、TEM の拡大率としては比較的低倍率の 25 k で広範囲かつ十分な厚みも有する領域で観察した。今回用いた特性 X 線の積算による低密度の微視的対象物の撮像手法は、厚膜試料中の微視的組織に元素分布の局所的なゆらぎがある際には、その可視化及び定量化に有効な手段となり得ると考える。図 1 右は Fe、Cr、Zr の特性 X 線
強度の位置依存性を示すグラフである。試料端には Zr の特性 X 線強度が低くかつその増加が緩やかな領域が存在している。一方、試料端から厚膜領域の方向には急激に特性 X 線強度が増加している。膜厚評価には 0002 ブラッグ反射時に生じる等厚干渉縞を用いた。300 kV 電子の Zr 中での消衰距離は 45 nm である。また、Zr の特性 X 線強度変化も厚み評価

171

に利用した。まず、粗大析出物については d の点線で囲まれた領域（2 m 四方）に存在する析出物の個数から面密度を算出、その後、楔形を考慮にいれた厚みで除して体積密度を導出した。厚膜領域には体積密度 8.3x1018/m3 の Fe およびCr を含む析出物が存在していると評価された。粗大析出物のサイズ（長軸の測定値）は 47～330 nm の範囲に分布し、平均サイズは 130 nm と評価された。
図 2 は試料端の極薄領域において観察された微小析出物を示す STEM-BF 像である。微小析出物は近傍のもの同士が合体して成長する傾向があり、例として白破線で示した。微小析出物の体積密度は、2.4x1023/m3 と評価された。また、
微小析出物のサイズは 4～33 nm の範囲に分布し、平均サイズは 14 nm と評価された。サイズは粗大析出物と同様に長軸の測定値である。微小析出物の元素の組成については、現時点では不明である。微小析出物は粗大析出物の体積密度及びサイズを比較すると、体積密度は 4 桁高く、サイズは 1 桁小さい値をもつことが明らかとなった。
3.

まとめ
試料端近傍の極薄膜及び数百 nm 厚の厚膜を共に一視野に含む Zry-4 を TEM 観察することにより、サイズ及び数密度が顕著に異なる析出物の存在を明確にした。粗大析出物は Fe-Cr 系、微小析出物の成分は現時点で不明である。
研究組織
研究代表者：安永和史（公益財団法人若狭湾エネルギー研究センター主任研究員）
研究世話人：渡辺英雄（九州大学応用力学研究所准教授）
研究協力者：島袋瞬、牟田口嵩史（九州大学応用力学研究所技術職員）

図1

Zry-4 の微細組織の STEM 明視野像及び元素マップ（左図）。試料厚さを示す特性 X 線強度（右図）。

表1

図 2 試料端の極薄領域において観察された微小析出物。

172

Zry-4 に含まれる析出物のサイズ及び体積密度。

核融合力学分野
一般研究

30FP‑11
データ駆動的手法に基づいたトロイダルプラズマの熱輸送特性の理解

核融合科学研究所 ヘリカル研究部 横山 雅之

トロイダルプラズマの熱輸送モデリングを、多数の実験や熱輸送解析結果をデータベースとして、統計的手法
や、いわゆる「データ駆動科学」的手法によって行う試みを行っている。現在の実験での熱輸送特性を説明しう
るモデリングを行うとともに、新規の装置や将来の核融合炉の運転制御において、データベース作成のための“学習実験”を経て同様のデータ駆動的モデリングを行うことで、到達温度などを簡便かつ短時間で予測する上での有望な手法として確立することが期待される。
統計手法の端緒として、LHD プラズマにおけるイオン熱輸送係数の回帰式導出を行った [Ref: M.Yokoyama,
Plasma and Fusion Res. 9 (2014) 1302137, A Statistical Approach for Predicting Thermal Diffusivity Profiles
in Fusion Plasmas as a Transport Model.] 際のデータベース（イオン温度 2～7 keV の多数の実験結果に対して、
LHD 実験解析型の統合輸送解析スイート TASK3D-a による熱輸送解析を行った結果：およそ 3000 のイオン熱輸送係数解析データが含まれる）を九州大学の共同研究者との間で共有した。
このようなデータベースの共有は、データ駆動手法の核融合研究への今後の展開にとって重要なステップである。
赤池情報量規準（AIC）を用いた説明変数の選択、洗濯された変数でのモデルのあてはめ（goodness of fit）の向上などによって、拡散描像を仮定した際のイオン熱輸送係数が、それぞれのローカルな位置でのイオンのラー
マ―半径（プラズマ小半径で無次元化）、電子温度とイオン温度の比、イオン温度勾配スケール長（プラズマ大半
径で無次元化）などで決定係数 0.93 というあてはまりの良さで記述できることが最近示された。イオン温度勾配の情報をモデルのあてはめに用いることができる点が、従来のゼロ次元のエネルギー閉じ込め時間のスケーリン
グ則と質的に異なっている特長であり、これにより、イオン熱輸送係数が温度勾配にも依存しているという特性も浮かび上がっている。
従来の理論的議論に基づく理解と相補的に、このようなデータ駆動手法を応用していくことで研究の進展が図られていくものと期待している。

173

核融合力学分野
一般研究

30FP‑12

運動論的プラズマ・シミュレーションと実験との直接的な
Validation 解析
核融合科学研究所 ヘリカル研究部
沼波 政倫
研究の目的
磁場閉じ込め系におけるプラズマ輸送機構の解明と輸送予測は核融合研究における最重要課題の一つである。プラズマの位相空間分布関数の時間発展を扱うことが出来る運動論的な数値解析
手法は、このプラズマ輸送現象を第一原理的に評価し得る強力な手法として広く用いられている。
近年のプログラムコード開発の進展と大型計算機の性能向上によって、詳細な計算結果を与えられるようになってきたが、一方で、より定量的な解析や輸送予測、そして、計算結果の妥当性確認といった数値計算の信頼性に関する課題が重要になってきている。こうした背景の下、本研究
課題では、ジャイロ運動論的シミュレーションによるプラズマ乱流解析と、ドリフト運動論的シ
ミュレーションによる新古典輸送解析に対して、これまでに実施した数値計測技法 [1] を用いた実験計測模擬を行い、実際のプラズマ実験での観測結果と直接的な比較を行うことで、数値シミュ
レーションの定量的な Validation の実現を目指す。特に、前年度までの共同研究で進めてきた位
相コントラスト・イメージング（PCI）による数値計測模擬や、重イオンビームプローブ (HIBP)を模擬した電場測定などを実際のプラズマ配位等を対象に実施した運動論的シミュレーションの計算結果に適用し、運動論的シミュレーションの Validation 手法を発展させる。
研究方法
本研究課題では、局所フラックス・チューブ配位上でのプラズマ乱流現象を扱う局所ジャイロ運
動論的コード「GKV」[2] による磁場閉じ込めプラズマ乱流輸送シミュレーションと、ドリフト運動論に基づいて大域的な取り扱いが可能な新古典粒子コード「FORTEC-3D」[3] による新古典輸
送シミュレーションの計算結果を対象にして進める。ここで得られるジャイロ運動論的シミュレー
ションでの乱流揺動データや、新古典シミュレーションでの粒子密度分布データを計測モジュー
ルへ渡し、それを実際の観測手法を模擬しながら計測できるよう、下記に挙げる解析を進める。

• 乱流揺動の模擬計測と磁力線ラベル依存性の解析
前年度までの研究で課題となっていた単一の磁力線ラベルのフラックスチューブにおける乱流シミュレーションを拡張し、異なる磁力線ラベルに対するフラックスチューブを用意し、その上で GKV シミュレーションを実行し、そこで得られた乱流揺動分布データ (3 次元空間上の密度揺動分布データ) に対して、PCI 計測モジュールを用いて揺動スペクトルを取得する。この結果を実験で観測されたデータと直接比較し、より正確で定量的な輸送解析を進める。
• 新古典シミュレーションと電場計測模擬
FORTEC-3D コードによる新古典粒子シミュレーションでの密度分布データを利用し、重イオン・ビーム・プローブ (HIBP) 計測モジュールでの電場計測を目指す。特に、近年、その重要性が指摘されている磁気面上のポテンシャルの磁気面平均からのずれの効果を反映したシミュレーション・データに関する計測模擬を目指し、対象となる新古典輸送シミュレー
ションの実行と、計測モジュールに渡すべきポテンシャル分布を計算する。

174今年度の成果
平成 30 年度に実施した乱流揺動の計測模擬研究では、LHD 配位において異なる磁力線ラベルを持つ別々のフラックスチューブ上での GKV による乱流シミュレーションを実行し (図 1)、そこから得られる乱流揺動分布データに対する揺動計測模擬を実施した。線形計算による予備解析では、不安定性成長率等に磁力線ラベル依存性は殆どないことが確認されていたが、今回の非線形乱流シミュレーションでも、乱流揺動の波数スペクトルや帯状流成分の時間発展等について、磁力線に対する明確な依存性は確認されなかった。この乱流シミュレーションで得た揺動分布デー
タに対する PCI 模擬計測結果についても、同様に磁力線ラベル間に差異はなく、ほぼ同一の計測結果を得た。従って、少なくとも LHD 配位においては、磁力線ラベルを区別することなく、乱流揺動の計測模擬を実施できることが示された。
次に、FORTEC-3D コードによるドリフト運動論的粒子シミュレーションを実行し、新古典輸
送解析で得られる粒子分布から、HIBP 数値計測模擬ツールに適応可能なポテンシャル分布の計算を進めた。ここでは、磁気面平均量ではなく、磁気面上で変異分布を持ち、かつ径方向にも分布を持つ３次元分布としてポテンシャル分布データを計算する。これは、上述のように、粒子輸送研究の分野でその重要性が指摘されている磁気面上のポテンシャル分布の磁気面平均からのずれの効果をダイレクトに取り入れられたデータに対応している。また、ここで取得した３次元ポテ
ンシャル分布のデータにより、HIBP 計測ツールへの適用が可能になる。

図 1: LHD 配位における磁力線。フラックスチューブ乱流シミュレーションでは、ある特定の磁力線ラベルの近傍における局所乱流を扱っている。
まとめ
我々はこれまでに、プラズマ輸送の現象に対して、ジャイロ運動論やドリフト運動論に基づいた第一原理シミュレーションを用いて、定性的な議論のみならず、実験結果の定量的な再現をも目指し、研究を進めてきた。近年の計算機性能の大幅な向上にも助けられ、径方向の輸送フラックスなど 1 次元的な物理量に対しては、実験結果を再現し得る計算結果も得られてきた。しかし、実験との定量的な比較や再現には、詳細な実験観測データに対して、シミュレーション結果についても同等のデータ解析を行う必要がある。その中にあって、実験と対等な条件下で行う数値計
測模擬は、計算機シミュレーションと実際の生の実験データとを、ダイレクトに比較できる最終的な Validation 手法の一つである。本共同研究課題では、PCI 計測と HIBP 計測の数値模擬に着目し、定量的な数値計測模擬を進めてきたが、今年度では、局所乱流シミュレーションの磁力線
ラベル依存性に対する評価を行い、計測模擬についての妥当性を確認した。さらに、HIBP 計測模
擬に対応できるよう、新古典シミュレーションからポテンシャルの 3 次元分布データを取得した。
これを電場計測模擬に適用し、電場計測についても、実験観測との定量的な比較および Validation
解析を進めていきたいと考えている。
参考文献[1] N. Kasuya, et al., Plasma Sci. Technol. 13, 326 (2011).
[2] M. Nunami, et al., Plasma Fusion Res. 5, 016 (2010).
[3] S. Satake, et al., Plasma Fusion Res. 3, S1062 (2008).

175

核融合力学分野
一般研究

30FP‑13

LIF を用いた直線装置 PANTA における境界領域の高精度中性粒子計測
九州大学 総理工学研究院

寺坂健一郎

目的
本研究の目的は、直線装置 PANTA における中性粒子の温度や速度を計測し、流れ場の構造形成における役割を検討することである。近年の研究から、乱流プラ
ズマ中の最終的な流れ場の分布を決めるためには、減衰力や境界条件が重要な情報となる。こうした効果をもたらす重要な自由度として中性粒子がある。本研
究では、高精度レーザー誘起蛍光ドップラー分光システムを PANTA に導入し、イオンや中性粒子の速度や温度を計測し、プラズマ流形成に対する中性粒子効果（すなわち減衰力や境界条件）を実験定量的に調査することを目的とする。また、九州大学の直線装置 HYPER-II における装置間比較実験を行うことで、流れ形成の物理素過程に関する普遍性を抽出する試みに着手した。
結果
本年度の研究では、中性粒子計測用のレーザー誘起蛍光 (LIF) システムを直線装置 PATNA に実装することを目指したシステムの開発を行った。初めに、LIF計測に実績のある九州大学の HYPER-II 装置において入射系や測定条件の最適化を行った。プラズマ自発光に埋もれた微小な LIF 信号を抽出するためにロックイン検出法を用いることで、定常プラズマ中の準安定アルゴン原子のLIF スペクトル (速度分布関数) を得ることに成功した。飽和吸収分光スペ
クトル [図 1(a)] を用いて計測系の精度を評価したところ、10 m/s 程度の流れを識別可能であることが明らかとなった。図 1(b)は、 HYPER-II およびPANTA 装置で典型的な実験領域となる導入ガス圧力 0.1 Pa の場合の LIF
スペクトルで、流速 30±5 m/s、中性粒

176

図 1. 典型的な (a) : 飽和吸収分光
スペクトルと(b) : LIF スペクトル。

子温度 0.045 eV であり、中性粒子の運動量密度や圧力がプラズマの運動量密度や圧力に匹敵することが明らかとなった。
次に、本システムを PANTA に導入するために、図 2 のように既存のイオン計測用の LIF システムに中性粒子計測用のユニットを組み込んだ。中性粒子計測用に
772 nm の波長可変半導体レーザ
ーを用いた。従来のシステムと光軸を合わせることで、電気光学変調器 (EOM) を用いた振幅変調や波長計や Fabry-Perot 干渉計による波長較正をミラー1 枚の切り替

図 2. PANTA に構築した LIF システム

えで可能にし、効率的な計測が可の概観。中性粒子計測用のシステムを能なシステムを構築した。また、新たに導入。

径方向や周方向に加え、軸方向にもビーム入射が可能なシステムを整備した。
PANTA における中性粒子 LIF 計測の初期実験として、吸収分光計測を行った
ところ、準安定アルゴン原子の吸収波長で有意な吸収が確認できた。LIF 信号については信号－ノイズ比の改善が必要であり、今後はビームの集光や受光シス
テムなどの最適化を行うことで乱流プラズマや過渡現象中の中性粒子の速度分
布関数計測を順次進める予定である。
成果報告[1] 安部瑛美夏、寺坂健一郎、他 3 名、
「HYPER-II 装置におけるイオンと中性粒子の流れ構造形成」、第 35 回 プラズマ・核融合学会 年会、大阪大学

2018.12.4[2] 青木大輔、小菅佑輔「エンストロフィーを最小化する流れ構造に対する中性粒子の影響」

プラズマ核融合学会

九州沖縄山口支部

2018. 12. 15
研究組織
代表者：寺坂健一郎 (九大総理工)所内世話人：小菅佑輔
研究協力者：稲垣滋（九大応力研）荒川弘之（島根大学）

177

第２２回支部大会

核融合力学分野
一般研究

30FP‑14

タングステンにおける複合イオン照射下の欠陥形成と水素同位体滞留ダイナミックス
静岡大学学術院理学領域 大矢恭久

【目的】
核融合炉プラズマ対向材料であるタングステン（W）には、中性子等の高エネルギー粒子が入射し、水素同位体の捕捉サイトとなる照射欠陥が形成される。そのため、核融合炉における水素
リサイクリングを理解する上で、照射欠陥形成と水素同位体・滞留挙動を関連付けることが重要となる。しかし、核融合生成物であるヘリウム（He）や炉内不純物である炭素（C）が W に入射すると、He バブルや C-W 混合層が形成するため、中性子や重イオンの単独照射に比べて、水素同位体滞留挙動が複雑化することが予想される。そのため、本研究では鉄イオン（Fe2+）照射によって欠陥を導入した W に対して、C+・He＋同時照射を行い九州大学応用力学研究所の透過電子顕微鏡（TEM）を用いて照射欠陥および He バブルの挙動の観察を行った。また、重水素（D）
イオン照射・昇温脱離法（TDS）によって D 滞留挙動評価を行うと共に X 線光電子分光法（XPS）
分析を行い、欠陥導入 W 中の C+・He＋同時照射が水素同位体滞留挙動に及ぼす影響を評価した。
【実験】
試料としてアライドマテリアル社製歪取加工済多結晶 W（10 mmφ, 0.5 mmt）を用いた。量子科学技術研究開発機構(QST)高崎量子応用研究所の 3 MV タンデム加速器(TIARA)を用いて、室温にて 6 MeV Fe2+照射を 0.3 dpa まで行った。その後、Fe2+照射 W 試料に静岡大学にて三種イオン
同時照射システムを用いて、イオンエネルギー10 keV C+および 3.0 keV He+をイオンフラックス
1.0 × 1017 C+ (He+) m-2 s-1 にて、1.0 × 1021 C+ (He+) m-2 まで室温にて C+・He＋を同時に照射した後、九州大学応用力学研究所の透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて欠陥形成について観察した。また、
C+・He＋照射 W に対してイオンエネルギー1.0 keV D2+をイオンフラックス 1.0 × 1018 D+ m-2 s-1 にて、1.0 × 1022 D+ m-2 まで室温で D＋照射を行い、昇温速度 0.5 K s-1 にて室温から 1173 K まで TDSを行った。さらに、XPS にて炭素の化学状態の評価も行った。

【結果・考察】図 1 に Fe2+- C+・He+同時照射試料および、C+・He+同時照射試料、He+単独照射試料におけるTEM 写真を示す。各試料において、転位ループ及び直径 1 ~ 2 nm 程度のヘリウムバブルが形成していた。C+照射および He＋照射によって形成した転位ループの密度は、Fe2＋照射によって形成する密度よりも高いため、Fe2＋照射後に各イオン照射をした試料においても大きな変化は見られなかった。一方で、C+・He+同時照射試料では、各イオン単独照
射試料と比較して、さらに転位ループが
図 1 各イオン照射試料における TEM 写真

178

高密度になっていることがわかる。これは、C+およびHe+照射の欠陥密度が大きく、照射範囲が重なっているため鉄イオン照射を付与したものと比べて変化したと考えられる。He バブルに注目すると、バブルの大きさや密度は炭素濃度に依らず同程度であり、He
バブルの形成では、C＋照射に依らず He＋照射フルエンスに依存することがわかった。
図 2 に C+・He+同時照射 W および C+単独照射 W
における C 1s の XPS スペクトルを示す。どちらの試料においても 284.5 eV 及び 283.0 eV にピークが見られることから、C+照射により W 中に C-C 結合
及び C-W 結合が形成していることが分かった。C+
単独照射では、最表面では C-C 結合が多いのに対して、C+・He+同時照射試料では最表面に C-C 結合および C-W 結合が見られた。これらの結果から、同時照射試料では、照射中に He+照射によって W に照射された C がスパッタリングされることにより C 濃
度が減少したと考えられる。また、C+照射に関係なく同程度の He バブルの形成が起こったことから、

図 2 C1s の XPS スペクトル（上）C+・He+同時照射試料（下）C+単独照射試料

C に比べて He の方が W 中で安定に存在することがわかった。
図 3 に Fe2+照射後、各フルエンスにて C 同時照射
した W 試料における重水素 TDS スペクトルを示す。TDS スペクトルは 400 K、600 K、780 K の三
つのピークからなることがわかった。C+・He+同時
照射フルエンスの増加に伴い Peak 1 の重水素滞留量が増加している。これは C+照射および He+照射によって表面付近に高密度の転位ループが形成したためである。また、C+・He+同時照射によっ

図 3 Fe2＋照射後、C+・He+同時照射したて Peak 2 および Peak3 の D 滞留量は減少していW 試料における重水素 TDS スペクトルる。これは、He バブルが形成することで He＋単独
照射時と同様に D のバルク方向への拡散が抑制されるためだと考えられる。
以上の結果より、Fe2+— C+・He+同時照射試料では、表面付近で高密度の転位ループの形成による D 滞留量の増加が起こる。一方で、He＋照射による寄与が大きいため、C+非照射時と同様にHe バブルを形成し、拡散抑制効果によって試料中の全 D 滞留量が減少することが明らかとなっ
た。

2
179

核融合力学分野
一般研究

30FP‑15

結晶性固体材料における析出物の加工誘起高速オストワルド成長
東北大金研、熊本大

松川義孝

九大応力研

渡辺英雄

1. 背景
金属材料の強度や、高温クリープ変形（本来塑性変形が起こる臨界応力よりも低い応力で徐々に変形してしまう現象）に対する耐性、中性子照射損傷に対する耐性は、材料に含まれる析出物の種類や分布
状態によって大きく変化する。後者については例えば、析出量（つまり析出物の総体積）が一定の条件で比較すると、析出物粒子のサイズが小さいほど数密度は増大し、数密度が大きいほど材料特性は向上
する。析出物のサイズと数密度のバランスは温度に依存して変化する。ある程度高い温度まで加熱すると、系内の自由エネルギーを低下させるために、析出物の表面積を減らす方向に組織が変化する。その結果、析出物の平均サイズは増大し、数密度は減少する。元々大きい析出物はより大きく成長し、小さい析出物は消失することになる。これはオストワルド成長と呼ばれる現象であり、熱力学的な駆動力の下で、析出物同士が原子の授受をすることで発現する。原子の授受は、析出物を構成する原子が一旦マ
トリックスに再固溶し、拡散し、別の析出物に辿り着き、吸収されることで達成される。本研究では、
拡散モードの違いが析出物のオストワルド成長に及ぼす影響について検討する。具体的に着目した拡散モードは、転位を介した高速原子拡散（パイプ拡散）である。転位とは、結晶の内部で nm オーダーの局所的な原子配列の乱れが線状に連なった、nm から mm オーダーの長さを有する線欠陥である。その乱れた構造故に、転位においては原子の拡散が容易に起こり、その場合の拡散係数は通常の格子拡散（バルク拡散）よりも 3 桁以上大きいことが知られている[1]。透過型電子顕微鏡を用いたその場観察によって、転位で連結された 2 つの析出物粒子が成長・収縮する速度から、転位 1 本当たりのパイプ拡散係数が導出されている[1]。連結する転位が 2 本の場合は、拡散経路が 2 つになるという意味で、拡散速度（この場合は“ある時間内に授受される原子の数”として検出される）が 2 倍になる可能性があるが、転位の本数が拡散に及ぼす影響を定量的に検証した例はない。また、パイプ拡散がオストワルド成長に関与することで、析出物の平均サイズが最終的にどのように変化するのかを検討した例もない。平均サイズが変化するのであれば、材料が高温でクリープ変形する際に、耐クリープ特性がダイナミックに変化す
るということになる。この情報はまた、材料プロセッシングにおける微細組織制御技術の高度化にも有用である。本研究はこれらの未解決問題を念頭に置いて開始した萌芽的基礎研究である。
2. 実験方法
試料は軽水炉の燃料被覆管材料として最近開発された Zr–2.5Nb 合金である。これは実機材でありな
がらモデル合金並みにシンプルな組織を有しており、マトリックス（hcp 構造の Zr）に 1 種類の析出物（bcc Nb）のみが分散している。析出物の平均サイズは 56.8±0.8 nm、数密度は 1020 m-3 のオーダーである。これは完全焼きなまし材であり、マトリックスには転位が殆ど含まれない。完全焼きなまし材に含まれる転位の数密度（線密度）は一般に 1010 m-3 のオーダーである。この合金をそのまま加熱し、種々の温度でそれぞれ 3 日間熱処理した結果、析出物の平均サイズが増大する臨界温度は 580℃であり、平
均サイズは 64.4±1.2 nm まで増大することが明らかとなった。本研究では、転位を冷間加工（室温における圧延）によって導入してパイプ拡散の影響を検討した。転位の本数は圧延率で調整し、圧延率 5、10、20、50、90%の 5 条件について検討した。平均サイズ導出に用いた析出物粒子の数は、各条件につ180

いてそれぞれ 500~2,000 個である。
3. 結果及び考察
圧延率が 10%の試料を上述した手順で熱処理した結果、平均サイズが増大する臨界温度は 100℃であり、それ以上の温度で熱処理しても平均サイズはそれ以上殆ど変化しないことが明らかとなった。このときの平均サイズは約 61 nm であり、転位を含まない試料を 580℃で熱処理した場合の平均サイズよりも小さい。平均サイズの増加量を同じ温度で比較するために、580℃で 10%圧延材を熱処理することも試みたが、それより低い 450℃まで加熱した時点で転位組織が消失し始め、580℃に達したときには完全焼きなまし組織になってしまい、この温度では転位の影響を検討できないことが明らかとなった。拡散係数は、通常の拡散の場合、拡散長（拡散係数と時間の積）を温度に対してアレニウスプロットしたときの傾きから導出される。パイプ拡散の場合は、拡散長の代わりに平均サイズについてプロットすることになるが、本研究ではサイズの温度依存が顕著でなかったため、計算の前提が満たされない。この問題は想定外であり、今後要検討である。本研究では、これ以外にも予想外の発見がもう一つあった。圧
延率の増加に伴って、析出物の平均サイズが増大することが明らかとなった。加工後に試料に残留する転位の数密度には上限があり、この上限（1015 m-2 のオーダー）は一般に圧延率 20％程度で達するが、析出物のサイズはそれ以上の圧延率でも増大し続けることが明らかとなった。これはパイプ拡散が（室温で）圧延中に起ったことを意味する。平均サイズは 50%圧延材で 64.2±0.9 nm、90%圧延材で 65.8±1.2
nm であった。これは非圧延材を 580℃で熱処理した際の平均サイズと同等かそれ以上である。Zr 中のNb の拡散係数は、室温と 580℃では 15 桁異なる。580℃における熱処理が 3 日間（26 万秒）であるのに対し、室温における圧延に要した時間はせいぜい 3 秒であり、時間の差は 5 桁ということになる。したがって、拡散長で比較した場合の差は 20 桁である。本実験データの信憑性については、少なくとも電子顕微鏡観察におけるアーティファクトの影響は考えにくい。圧延材は転位を多数含むため、転位のコントラストに小さい析出物が隠れ、見落としてしまう可能性が考えられるが、20%以上の圧延では残留転位密度が増加しないため、20~90%圧延材における見落としの可能性は同程度ということになり、それによってサイズに差が生じることはないと期待される。
参考文献[1] M. Legros et al., Science 319 1646–1649, 2008.

4. 本年度 発表リスト[口頭発表リスト]
1) Y. Matsukawa, “The theory of precipitation hardening revisited: the effect of crystal structure on the obstacle
strength.” 8th Forum on New Materials, 2018.6.4-14, Perugia (Italy). （招待講演）
2) 松川義孝、大熊一平、阿部弘亨、“冷間強加⼯中の析出物のオストワルド成⻑動く転位を介した超⾼速パイプ拡散の可能性について”、日本金属学会秋期大会、2018.9.20-21 仙台（口頭）[論文リスト]1) [Book chapter] Y. Matsukawa, Crystallography of precipitates in metals and alloys: (1) Analysis of crystallography.
in: M. Ali (Eds), Crystallography, IntechOpen, published online on 2019.2.21. (DOI: 10.5772/intechopen.82693)
2) [Book chapter] Y. Matsukawa, Crystallography of precipitates in metals and alloys: (2) Impact of crystallography on
precipitation hardening. in: M. Ali (Eds), Crystallography, IntechOpen, published online on 2019.2.21. (DOI:
10.5772/intechopen.84273)

181

核融合力学分野
一般研究

30FP‑16

Fe-Mn モデル合金における特異な照射硬化とナノサイズの Mn 析出物形成の相関
京都大学エネルギー理工学研究所 藪内 聖皓、木村 晃彦

１．目的
鉄鋼材料における Mn および Ni は、オーステナイト形成元素としての役割が良く知られている。核融合炉の構造材料として使用が期待されている鉄鋼材料においては、低放射化対応として、Ni を Mn に置
き換えて合金設計されている。一方、Fe-Mn 合金は、他の 2 元系鉄基合金に比べ、照射硬化量が極めて大きく、照射脆化が促進される傾向を示すため、Mn 添加が及ぼす照射硬化への影響については国際的に高い関心がもたれている。
Mn による照射硬化促進の機構としては、Mn が空孔あるいは格子間原子と結合し、それが核となって、
Mn 析出物を形成することが考えられるが、その詳細は不明である。我々は、ナノサイズの Mn 析出物が格子間原子型の転位ループ上に析出すると仮定し、イオン照射した Fe-Mn 合金を透過電子顕微鏡により観察してきたが、Mn 析出物のサイズが１nm と極めて小さいため、Mn 析出物と転位ループの相対位置関係についてはいまだ確認されていない。
そこで本研究では、九大応力研に導入された高分解能分析電子顕微鏡（管理区域内設置）を用い、原子炉照射した Fe-Mn 合金の微細組織観察をおこない、格子間型転位ループとナノサイズの Mn 析出物の相対位置関係を明らかにすることを目的とする。
２．研究成果の概要
１）経過
圧力容器鋼の照射影響評価のための基礎研究として、鉄基モデル合金における照射脆化挙動に及ぼす中性子照射の影響を高照射量（高経年対応）まで調査した結果、Fe-Mn 合金では、高照射領域においてのみ、照射硬化量が顕著に増大することが判った。高経年化に伴う照射脆化の促進が懸念されることか
ら、この現象を「Mn 影響」と名付け、その発現機構に関する研究を実施している。この Mn 影響は、鉄格子の中に均一に固溶している Mn 原子と照射によって形成された Vacancy（V：空孔）や Interstitial（I：格子間原子）との強い相互作用に起因すると考えられるが、その詳細は明らかではない。特に、VMn 相互作用と I-Mn 相互作用のどちらが重要になるかについては、図 1 に示すようなモデルが提唱されているが、実験的な確証はまだ得られていない。

図 1 純 Fe と Fe-Mn 合金における中性子照射損傷組織生成モデル

182２）照射実験
中性子照射（290℃、5x1020n/cm2）により、Fe-1Mn および Fe-1Ni 合金は、顕著な照射硬化を示し、透過型電子顕微鏡による微細組織観察から、いずれも黒点状の微細な照射損傷組織が形成されていることが判明している。これらの損傷組織を TEM 内で焼鈍しながら直接観察すると、500℃まではほとんど変化しないが、550℃になるとそのサイズが大きくなることを既に報告している。純鉄に比べると、粗大化開始の温度が高温側にシフトしており、Fe-1Mn 合金では、格子間原子の易動度が純鉄に比べ低下していると考えられる。なお、平成 30 年度は新規導入の TEM の性能評価ならびに今後の中性子照射試料の観察に向けて RI 輸送に関する手続等の確認を行うとともに、「Mn 影響」メカニズムについて検討した。
３．「Mn 影響」のメカニズム
Fe-Mn 合金と Fe の照射損傷組織を比較すると、Fe-Mn 合金において転位ループの微細化が顕著に生じていることが判明している。転位ループは、a<100>型格子間型であることが判明しており、微細化の理由としては、格子間原子あるいは微細な転位ループの移動度が Mn 原子による捕獲効果により、低下していることがあげられる。すなわち、ここでは Mn 原子と Fe 格子間原子あるいは微細な格子間型転位ループとの相互作用により、それらの移動が Mn 原子により、抑制されたために、核生成サイト数が増加
し、成長が遅れたと考えることが可能である。溶質原子クラスターの形成の素過程に関しては、クラス
ターの核生成サイトが空孔型欠陥なのか格子間原子型欠陥なのかについては、不明であるが、TEM で観察された a<100>型の転位ループの形成が Mn 原子の存在により促進される様子をモデル化して示すと図2 の様になる。

一方、最近の高分解能分析電顕による TEM 観察によれば、イオン照射した Fe-Mn 合金

において、板状の Mn 集合体の形成が認められている。Mn 原子の集合には、Mn-V 対や Mn-I ダンベルな
どの移動が必要になる。また、Mn 原子単独の効果の他にも、酸素原子の関わりを示唆するデータも存在する。今後は、不純物酸素量の影響についても調査する。

４．まとめ
今後 JMTR や BR-2 炉を用いた中性子照射実験により、Mn 添加効果を低合金鋼の中性子照射影響評価に取り込んでいくための基礎的知見が得られると期待される。平成 29 年度は平成 28 年度に PIE が可能になった合金試料を九州大学に搬送し、高分解能 TEM を用いて観察する。
５．成果発表特になし。

183

核融合力学分野
一般研究

30FP‑17

高エネルギーイオン照射法を用いた新奇二次元層状物質の創製
量子科学技術研究開発機構 高崎量子応用研究所 圓谷 志郎
1. はじめにグラフェンはスピン散乱の要因であるスピン-軌道相互作用が小さく，無機
半導体を超えるキャリア移動度を示すことから，理想的なスピントロニクス・エ
レクトロニクス材料として注目されている[1]。一方でグラフェンは，半金属的な電気伝導特性を示すことから，素子応用を実現するためには，バンドギャップの導入の必要性が指摘されている。この有効な方法の一つにグラフェ
ンへのヘテロ原子のドーピングによるグラフェン化合物の作製がある。化学的手法を用いたドーピングによる酸化グラフェンや水素化グラフェン（グラファン）などが報告されているが，同手法ではドープ可能な原子種が限定されることに加えて位置選択的なドーピングが困難であるという問題がある。
我々は高エネルギーイオンをグラフェンとヘテロ原子との接合領域に照射
図１ ⾼エネルギーイオン照射にする新しいグラフェン化合物の創製法を探索している[2]。同方法では，電よるグラフェンへのヘテロ原⼦
ドーピングの概念図
子励起相互作用が支配的なエネルギー領域（数 MeV）のイオンビームをグラフェンに照射することで，電子励起後の緩和過程で空間的に近接し同様に励起状態にあるヘテロ原子との間で結合の組換え（置換）を生じさせ化合物を作製する（図 1）。本研究では，
フッ化リチウムとグラフェンのヘテロ構造に高エネルギーイオンを照射することで，フッ化グラフェンを作製した。
さらに同手法を用いた局所パターンドーピングの可能性を探索した。
2. 実験
多結晶 Cu 基板上に化学気相蒸着法によってグラフェンを成長した。さらに同グラフェン上に 100nmのフッ化リチウム層を成膜し，真空中において同ヘ
テロ界面に高エネルギーイオン（2.4 MeV 63Cu2+）を照射することでフッ化グラフェンを作製した。局所パターンドーピングについては，図 2 に示すプロセスにより行った。はじめに，微細加工によりグラフェンの素子構造を作製する。次にレジストをマスクとして
ヘテロ原子層となる LiF のパターンをグラフェン上に作製する。レジストを除去した後にイオン照射を行うことで，グラフェン上の任意の場所へのフッ素ド
図 2 局所パターンドーピングの⽅法
ーピングを行った。イオン照射後のグラフェンの電子状態や原子構造は顕微ラマン分光や X 線光電
子分光（XPS），放射光を用いた X 線吸収端微細構造（XAFS）などにより評価した。
3. 結果および考察
図 3 にグラフェンへの高エネルギーイオン照射によるラマンスペクトルの変化を示す。イオン照射量の増大に伴い，LiF 層の有無にかかわらず
グラフェンへの欠陥生成に起因する D バンドが増大することが分かった。一方で LiF/グラフェンへのイオン照射では，LiF 層の無いグラフェンへの照射に比べて D および 2D バンドが，それぞれ 20 および 40 cm-1
以上も低波数側へとシフトすることが分かった。D, 2D バンドのエネルギ
ーはグラフェンの電子状態を反映するため[3]，LiF/グラフェンへのイオン照射では，グラフェンの電子状態が変調されていることが示唆された。そこで LiF/グラフェンについてイオン照射後のグラフェンの電子状態を C
K-edge XAFS によって調べたところ，グラフェンの*由来のピークが減少するとともに，*(C-F)由来の構造（P2）が新たに現れることが分かった。
さらに X 線が斜入射の際の P2 構造の強度は垂直入射に比べて大きい

184

図 4 LiF/グラフェンへのイオン照射（1014 ions/cm2 ）後の C
K-edge XAFS ス ペ ク ト ル 。
*(C=C) ， *(C-F) お よ び*(C-C)由来のピークが観察される。

ことから，C-F 結合はグラフェンシートの面に対して垂直方向に配向していることが分かった（図 4）。XPS による炭素およびフッ素原子の化学状態の解析結果も合わ
せると，LiF/グラフェンへの 1014 ions/cm2のイオン照射によって 20 atom%ものフッ素原子がグラフェンシート上に化学結合（フッ化グラフェン）を形成することが明らかになった。
一方で LiF 層の無いグラフェンへのイ
図 3 イオン照射に伴うグラフェンのラマンスペクトルの変化。LiF 層は純オン照射では，D バンドのピーク強度が
⽔リンスで除去した。
(i) イオン未照射グラフェン/Cu。(ii,iii) 1013, 1014 ions/cm2
LiF/グラフェンへの照射に比べて小さい
照射グラフェン/Cu。(iv,v) 1013, 1014 ions/cm2 照射 LiF/グ（図 3）。D バンドと G バンドの強度比から
ラフェン/Cu。(vi) 1014 ions/cm2 照射 LiF/グラフェン/Cu を Cu
欠 陥 間 距 離 を 見 積 も る と 照 射 量 1014
から剥離し SiO2 上に転写。
ions/cm2 の場合で 10 nm であり，欠陥密度が 1%程度であることが分かった。このことは，ヘテロ原子層で被覆されていないグラフェンへのイオン照射では，欠陥生成が限定的であるということを示している。このため本研究では，フッ素原子の局所パターンドーピン
グの実施の際には，LiF 層を形成しない領域のグラフェンに対してもシャドーマスクを用いることなく試料全面へのイオン照射を行った（図 2）。
図 5 にフッ素原子の局所パターンドーピングを行ったグラフェンの SEM 像およびラマンスペクトルを示す。イ
オン照射の際の LiF 層の有無により SEM 像にコントラストが観察された。未照射のグラフェン，1014 ions/cm2 のイオンを照射した LiF/グラフェンおよび LiF 無しグラフェンのシート抵抗を測定したところ，それぞれ 33, 240, 1.2
 103 /sq. であったことから，同コントラストはフッ素原子のドーピングに伴うグラフェンの電気伝導特性の変化に起因することが示唆される。一方で，上述のようにグラフェンのラマンスペクトルにおける D バンドの増大や低波数シフトはフッ素原子のドーピングを反映しているため，顕微測定により局所的なドーピングの成否が評価できる。LiF 層を形成した領域（図 5: a,b,f,g）においては D バンドの顕著な増大や低波数シフトが観察されている。
一方で LiF 層を形成しない領域（図 5: c,d,e）では同変化は観察されない。これにより，フッ素原子のグラフェンへの局所パタ
ーンドーピングを実証することができた。
本研究の成果によって，高エネルギーイオン照射による局
所ドーピング法は，従来の化学的手法では実現困難なグラフ
ェンのドーピング状態の幅広い制御に加えて，グラフェン上の微小領域に位置選択的なドーピングが可能であることが明らかになった。本技術を発展させることで，局所構造制御により電子・スピン機能を構築したグラフェンデバイスの実現を可能
図 5 局所パターンドーピングを⾏ったグラフェンにし，ナノエレクトロニクスやスピントロニクスの技術に新たな進/SiO2 の SEM 像。LiF 層は純⽔リンスに歩をもたらすことが期待される。
より除去した（左）。グラフェン上の任意
参考文献[1] K. S. Novoselov, Nobel Lecture, 106 (2010).
[2] S. Entani, et al., RSC. Adv. 6, 68525 (2016).
[3] A. C. Ferrari, et al., Phys. Rev. Lett. 97, 187401 (2006).

の位置におけるラマンスペクトル（右）。

研究組織研究代表者：
圓谷 志郎 所属：量子科学技術研究開発機構
研究協力者：
水口 将輝 所属：東北大学金属材料研究所
所内世話人：
渡邉 英雄 所属：九州大学応用力学研究所
成果報告1) 圓谷 志郎，水口 将輝，渡邉 英雄，滝沢 優，楢本 洋，境 誠司，「高エネルギーイオン照射法によるグラフェン化合物の作製」2018 年日本物理学会秋季大会，10a-C11S-11
185

核融合力学分野
一般研究

30FP‑18
磁化プラズマの簡約化 MHD シミュレーション

法政大学 理工学部 電気電子工学科 西村征也
【研究目的】
磁場閉じ込め方式の核融合装置や天体近傍の宇宙空間においては、高温プラズマが背景磁場に磁化された状態にある。このような磁化プラズマにおいては、磁気再結合や圧力駆動型モードなどの電磁流体力学的（MHD）不安定性が発生する。
磁場閉じ込め核融合装置においては、トロイダルコイルの設置誤差や外部コイルによって磁場摂動が発生するが、有理面と共鳴するようなものを共鳴磁場摂動（RMP）と呼ぶ。RMP は強制的に磁気再結合を起こして磁気島やストキャスティック層を形成するが、この過程を RMP のしみ込みと呼ぶ。プラズマ流が存在する場合には、プラズマ流による遮蔽効果が存在するため必ずしも RMPのしみ込みが起きるとは限らない。
近年、RMP を周辺局在モード(ELM)の制御に用いる手法の研究が盛んに行なわれている。トカマ
クにおける ELM はバルーニングモードによって駆動される。バルーニングモードは高い波数領域
において不安定性を示すため、これを数値シミュレーションによって扱うには、数値安定性に優れたスペクトル法を採用する必要がある。共同研究の継続 4 年目である本年度においては、円形断面のトカマクプラズマに対する簡約化 MHD モデルのスペクトルコードを構築することを目的とした。
【研究方法】
磁化プラズマを記述する簡約化 MHD 方程式をモデルとして用いる。モデルは、渦度方程式、一般化されたオームの法則、圧力の発展方程式によって構成される。渦度、ベクトルポテンシャルの磁力線に平行な方向の成分、電子圧力が未知数であり、流れ関数と電流の磁力線方向の成分は渦度の定義式（ポアソン方程式）とアンペールの法則によって定まる。
コードの概要は以下である。各変数はポロイダル方向とトロイダル方向に複素フーリエ級数展開
されており、振幅は時間と小半径方向の位置のみの関数である。複素フーリエ級数展開されたモデル方程式に対して、小半径方向の微分を有限差分法で処理し、時間微分項に予測子・修正子法を適用する。ポアソン方程式を LU 分解を用いた手法によって解く。非線形項の計算においては擬スペ
クトル法を適用して実空間において評価する。実空間と波数空間の変換においては FFT を用いる。
次に、シングルコアに対して開発されたコードに対して、MPI を用いて並列化を行った。波数空間に対して 2 次元の領域分割を行い、時間積分の処理を行う。非線形項の計算においては、実空間における小半径方向の 1 次元の領域分割を行う。その際、allgatherv を用いて振幅の空間微分のローカル変数をグローバル変数にし、波数空間と実空間での情報のやり取りを行う。
【研究結果】
本年度実施した研究について、以下の内容を報告する。
1. テアリングモードのテストシミュレーション
古典テアリングモードが線形不安定な平衡に対してシミュレーションを行った。図 1 にテアリン
グモードの線形成長率の電気抵抗依存性を示す。低い電気抵抗の値に対しては、成長率は解析解が示す 3/5 乗のスケーリングに従うことが分かる。高い電気抵抗に対してこのスケーリングから逸脱する性質は、const-ψ近似の破れとして一般的に知られている性質である。テアリングモードの非186

growth rate

1 x10-1

1 x10

-2

1 x10

-3

1 x10-4 -7
1 x10

3/5

/ ⌘k

1 x10-6

1 x10-5

1 x10-4

1 x10-3

resistivity

図１ 成長率の電気抵抗依存性

図 2 ヘリカル磁束関数の等高線図

線形シミュレーションを行った結果、磁気島幅の成長の時間依存性が指数関数的から代数的へと変化するラザフォード領域が観察され、その後非線形飽和状態に至った。図 2 に磁気島が非線形飽和
した時刻におけるヘリカル磁束関数の等高線図を示す。以上のシミュレーション結果から、テアリ
ングモードが正確にシミュレーションできることが確認された。
2. バルーニングモードのテストシミュレーション
トカマクプラズマにおけるトロイダル曲率の効果をコードに実装し、抵抗性バルーニングモード
が線形不安定な平衡に対してシミュレーションを行った。シミュレーションにおいては、ポロイダ
ルモード数の最大値を 20、トロイダルモード数の最大値を 10 とした。図 3 に渦度揺動の等高線図を示す。図 3(a)はバルーニングモードの線形成長段階であり、悪い曲率領域である左半面において強い揺動が発生していることが分かる。図 3(b)は非線形飽和段階であり、渦度揺動がポロイダル周
方向に広がっていることが分かる。また、小半径方向の内側にも広がっていることが分かる。図 4に非線形的に修正された平衡圧力の径分布を示す。線形成長段階においては放物型であるが、非線形飽和段階においては内側の圧力が減少し、外側に輸送されていることが分かる。以上より、バルーニングモードが正確にシミュレーションできることが確認された。

図 3 渦度揺動の等高線図

図 4 圧力の径分布【まとめ】
本共同研究を通して、簡約化 MHD 方程式に基づくスペクトルコードの開発を行った。開発されたコードを用いた物理研究が今後の課題である。
研究者情報：

西村征也

187

核融合力学分野
一般研究

30FP‑19

中性粒子風由来のブロッブの発生と輸送特性に関するシミュレーション
中部大学

国際ＧＩＳセンター

杉田暁

目的
本研究の目的は、中性粒子風に由来する荷電分離およびブロッブの生成・伝搬が発生する条件を数値実験により明らかにし、直線装置 PANTA による核融合周辺領域(SoL 領域)の模擬実験の可能性を探ることにある。トロイダルプラズマを対象とした研究から、不均一磁場に由来する荷電分離とその結果生じるブロッブの輸送特性が研究されている[1,2]。これはトロイダルプラズマに特有の磁場不均一性や曲率に由来
する遠心力から生じる効果であるが、同様の効果が中性粒子流の効果を考慮することで得られることが報告されている[3]。本研究では、トロイダルプラズマを対象として申請者が開発したコードをベースに、中性粒子流を取り入れたモデルとの対応を明らかにし、直線装置でブロッブの発生を許す中性粒子の密度や流速のパラメータサー
ベイを行うことを目的とする。
結果
今年度は、これまで数値実験を行っていた環境を応用力学研究所から中部大学
国際ＧＩＳセンターに移行することにより、ハンドリング性の向上と高速化を図った。中部大学の計算機クラスタに GCC8 の GFortran と Open MPI による並列計算環境を構築し、高速フーリエ変換ライブラリ FFTW-3 を並列化コンパイル・準備した。また、データ解析・可視化環境として GSAF を導入した。応用力学研究所に設置している計算機クラスタと、中部大学の計算機環境を応用力学研究
所の VPN (Virtual Private Network)を経由して接続し、数値実験コードを移行した。
結果、数値実験コード、及びデータ可視化の環境が中部大学で可動することを確認し、以前の環境と比較して非線形の計算の速度が約 1.5 倍に向上することが確認できた。これは、CPU の性能及びメモリの帯域幅に加えて、数値コード中で IO のオーバーヘッドがかかっていた部分が SSD の環境に移行したことにより高速化されたことに依ると考えられる。

188

今後の展開今年度構築した計算機環境を用いて、応用力学研究所の直線プラズマ実験装置
PANTA においてブロブが発生する特徴的なパラメタを念頭においたパラメタス
キャンを行う予定である。磁力線方向波数がゼロに近い揺動も PANTA で観測されており[4]、交換型不安定性との比較が今後ますます重要となる。数値コードを整備することにより、直線装置 PANTA 実験との比較などをより迅速に進めることが可能となる。
謝辞
本研究は、九州大学応用力学研究所平成３０年度共同利用・共同研究 30FP-19の助成を受けたものです。
参考文献：[1] D.A. D’Ippolito, et al., Phys. Plasmas 9 222 (2002)[2] S. Sugita, et al., J. Phys. Soc. Japan 79 044502 (2010)[3] S. I. Krasheninnikov and A.I. Smolyakov, Phys. Plasmas 10 3020 (2003)[4]福田郁未、他７名、「直線磁化プラズマにおける軸方向不均一性の観測」プ
ラズマカンファレンス、23p-20、2017.11.20-24 姫路
研究組織
代表者：杉田暁（中部大学

国際ＧＩＳセンター）

所内世話人：小菅佑輔

189核融合力学分野
一般研究

30FP‑20

プラズマ乱流における非線形時系列データの統計解析
Statistical analysis of nonlinear time series in plasma turbulence

富山大学・人間発達科学部

成行 泰裕

研究目的：
プラズマ乱流の性質を理解する場合、その乱流を形成している擾乱間の非線形相互作用の解明が重要になる。一方で、プラズマ中には速度分布に起因する微視的不安定性
や熱的ノイズなどが存在するため、コヒーレントな波動間相互作用が卓越するとは限らない。
また、線形の分散関係がほぼ満たされている弱乱流と非線形性が卓越する発達した乱流とではスペクトルのべき指数等性質そのものが異なることも知られている。
本研究課題では、統計解析法の改良およびその手法の数値計算データや観測データへの適用を目指す。本年度は、前年度から引き続き行っている機械学習を用いた解析を行
った。

研究方法：
本研究の推進に当たっては、それぞれの研究グループが理論的・数値的に発展させた結果について、定期的に筑紫キャンパスに参集して議論を行うことを基本としている。

研究成果：
本年度は、前々年度から用いている九州大学応用力学研究所の PANTA 実験装置で生成されたプラズマ乱流の時系列データに対し、機械学習の一手法であるランダムフォレス
ト[1]を用いて回帰モデルを作成した。これまで同様に、32 本配置されている PANTA のプローブのある一つのプローブの観測データを目的変数、他の 6 本のプローブが観測したデータを説明変数とした。ランダムフォレストの計算には、統計ソフト R[2]の randomForest パッケージ[3]を用いた。randomForest のパラメータは mtry=2、ntree=1600 とした。本年度は、説明変数となるプローブの間隔(粗視化スケール)と予測性能の関係を、近隣モードからの単純平均による予測(補間)との比較を通じて議論した。これまでと同様、ある時間帯のデータで学習を行い、別の時間のデータを用いて性能の評価を行った。計算の結果、プローブ間隔が大きくなるにつれて単純平均による予測が急激に悪くなる一方で、ランダムフォレストの予
測性能はプローブ間隔が大きくなっても良い精度を保っていることが分かった。時系列としての解析を行わない単純な機械学習で良い予測ができるのは、明確な局所構造を含まない統計的定常状態のデータを周期境界(周方向のプローブ)で扱っているためである。同じ
PANTA のデータでも、局所構造が卓越する場合(solitary wave state[4])は同様の取り扱いが出来ない可能性があることに注意されたい。 一方で、今回用いたデータにおいては、狭い
プローブ間隔の場合は近隣モードの単純平均でも良い予測になることが分かった。

190

次に、予測データが再現している観測データの性質を議論するため、波形と周波数スペクトルの比較を行った。Figure 1、Figure 2 はそれぞれ観測データ（灰色線）、ランダムフォ
レストによる予測（黒実線）、単純平均による予測（黒破線）を示している。予測はプローブ間
隔が 4 本の際のものである。Figure 1 が示すように、ランダムフォレストによる予測は観測データの位相とよく一致していることが分かる。周波数スペクトル上でこの性質を見た場合、エネルギーの大きな周波数モード(7[kHz]付近)の再現として現れる(Fig.2)。これらの結果について、現在投稿論文を準備中である。

Figure 1 観測データ（灰色線）の波形とそれに対するランダムフォ
レスト（黒実線）、単純平均（黒破線）による予測。予測はプローブ
間隔が 4 本の際のものである。
[s]Figure 2 観測データ（灰色線）の

周波数スペクトルとそれに対する
ランダムフォレスト（黒実線）、単純平均（黒破線）による予測。周波数スペクトルは 0.450 [s]から0.460[s]の観測データを用いて計[Hz] 算したものである。

引用文献: [1] L. Breiman, Machine Learning, 45, 5–32 (2001); 平井有三，はじめてのパターン認識，森
北出版(2012). [2] R Core Team (2015). R: A language and environment for statistical computing. R
Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. URL http://www.R-project.org/. [3] A. Liaw and M.
Wiener (2002). Classification and Regression by randomForest. R News 2(3), 18-22. [4] T. Kobayashi et al,Plasma and Fusion Res., 12, 1401019 (2017).

公表状況：なし
研究組織：
成行泰裕（富大・人間発達）、佐々木真（九大・応力研）、羽田亨（九大・総理工）191

核融合力学分野
一般研究

30FP‑21

研究課題名：金属、合金および酸化物セラミックス中の水素同位体の溶解、拡散、放出挙動に関する研究
A study on dissolution, diffusion and desorption of hydrogen isotopes in metals, alloys and oxide ceramics

九州大学大学院総合理工学研究院
エネルギー理工学部門
橋爪

健一

１．目的
核融合炉では、ダイバータ材としてタングステンのような高融点金属あるいは黒鉛のような耐熱性材
料が候補材料である。ダイバータでは、核融合炉の燃料の水素同位体が高いエネルギーを持ったまま照射されるため、水素同位体の照射挙動とともに溶解、透過、リサイクリングなどが重要である。本年度の共同研究では、高融点材料で水素の溶解熱が異なるタングス
テン（W）とタンタル（Ta）について（表１参照）、水素同位体

表１

W と Ta への水素の溶解熱[1]（重水素、D2）をグロー放電プラズマによりそれらの金属に注入し、水素の高温放出挙動について応用力学研究所および当研究室

Metal

Hs (eV)の昇温脱離ガス分析装置(TDS)を用いて調べた。さらに、拡散解

W

+ 1.1

析ソフトである TMAP-4 を用いて、それぞれの金属からの水素

Ta

-0.39

の放出挙動をシミュレートし、実験結果と比較した。
２．実験
円板状の金属 W および Ta（φ6, 0.05 mmt）を試料とした。W と Ta 試料を 10-5Pa 以下の圧力で真空焼鈍（800℃、0.5 h）して、これを焼鈍試料とし、また、比較のために焼鈍を行わない試料を受入材試料とした。これらの試料に、重水素を AC グロー放電注入法[2]により室温で注入した。注入条件を表２に注入装置を図１に示す。重水素注入を行った試料について TDS 装置（図２、QMS: Inficon H200M）にて、昇温速度 0.5 ℃/sec で 1000℃まで試料を加熱し、D2 のスペクトルを測定した。
表２

グロー放電注入条件

D2 圧力

10 Torr

放電電圧

1.2 kV

周波数60 Hz

放電注入時間30 min

試料温度

室温
図１

グロー放電注入装置

図２

TDS 装置３．TMAP-4
TMAP4（Tritium Migration Analysis Program ver.4）を用いて、W からの重水素の放出挙動を計算した。試料の厚さは実験に用いた試料と同じ 0.05 mm とし、1%の水素が均一に金属に溶解しているという初期条件で計算した。境界条件としては、表面水素濃度をゼロとして拡散律速で水素放出が起こる場合を基準として水素の放出スペクトルを計算し、また、水素の表面再結合を考慮した。
４．結果と考察
図 3 と４に、Ta（受入材と真空焼鈍）試料の TDS 放出スペクトルを示す。真空焼鈍材では、水素の溶解熱を反映して、図４のように大量の重水素放出すなわち大量の水素溶解が見られる。一方、受入材で192

は、焼鈍材の 1/100 以下の放出量となっている。これは、受入材では Ta 表面に自然酸化物が存在し、注入された重水素が酸化被膜中から気相に再放出され、酸化膜内にはほとんど残らず、また Ta 金属中へ拡散溶解もわずかであったためと考えられる。Ta の酸化物は安定であり、水素の注入の抑制効果があるということがわかる。ただ、何れにしても水素の放出温度は 500℃以上と高くなっており、水素同位体の回収に高温加熱が必要なことがわかる。一方、W では、図５と６に示すように、受入材と真空焼鈍試料で TDS 放出スペクトルに明確な違いは見られず、W の場合酸化物の影響はほとんど見られない。水
素の溶解熱を反映して Ta に比べ溶解量も低い。また、放出温度も 200℃程度と低く、比較的低い加熱温度で水素同位体の回収ができることを示唆している。よく知られているように、水素同位体のリテンシ
ョン、インベントリーの視点からも核融合炉ダイバータ材として適した性質を有することがわかる。

図３ 受入材 Ta の D2 放出

図４ Ta の D2 放出

図５ 受入材 W の D2 放出

図６ W の D2 放出

図７に、TMAP-4 による表面での水素濃度を０とした
TDS 放出の解析結果（赤）を示す。100℃程度に小さなピークがあるが、図５、６に示したように実験結果では重水素の放出ピークが 200℃程度であり必ずしも一致していない。そこで実験結果を再現できるように、金属表面での水素の再結合を考慮した計算を行った。具体的には再結合速度が水素の表面濃度𝐶の二乗に比例し（𝑘𝐶）、その再結合係数 k が下記の式で表せるものとして、その活性化エネルギーErec を変化させて計算を行った。
𝑘

3.4𝑥10

exp

𝐸
𝑅𝑇

(1)

図７

TMAP-4 による水素放出解析

その結果、再結合の活性化エネルギーが 80~100 kJ/mol 程度で実験データを説明できることがわかった。
４．まとめ
W および Ta 中にグロー放電注入した重水素の TDS により以下の結果が得られた。(1) Ta では水素が大量に溶解し得るが、表面酸化物は注入量の抑制に役立つ。(2) W では表面酸化物の影響は小さく、また、溶解量は小さい。(2) W からの水素放出挙動は、拡散と水素の表面での再結合が支配している。
５．研究組織九大総理工：橋爪健一

大学院生：岩佐匡浩、浦部雄大、川口要人

田村元、藤啓太、桃谷紀広

九大応力研：渡辺英雄

参考文献[1] Y. Fukai, “The metal-hydrogen system”, Springer-Verlag (1993).
[2] K. Hashizume et al., J. Nucl Sci. Technol., 31 (1994) 1294.

193

九大工：岩松孝紀、田中勇渡、

核融合力学分野
一般研究

30FP‑22
高温プラズマ曝露炉内機器の表面変質と損傷に関する総合的研究

九州大学応用力学研究所

吉田直亮

１．研究目的
核融合炉の開発を目指す高温プラズマ閉じ込め装置のプラズマ対向表面は、プラズマとの強い相互作
用によって様々に変質し、その性能や寿命のみならずプラズマの特性や制御にも少なからぬ影響を及ぼすことが知られている。この現象は特に長時間放電下で顕在化し、放電の持続を妨げる重大な原因の一つであることも明らかになってきた。この現象を司るメカニズムを明らかにすることによって定常放電実現への対応策を見出すことは、核融合炉開発の基礎研究として重要な課題である。
本年度はこれまでに引き続き長時間放電実験が頻繁に行われている QUEST および LHD（核融合科学研究所）の真空容器内に多くのプローブ試料を設置し、高温プラズマとの相互作用等によってもたらされるプラズマ対向壁表面の変質とそれが水素の吸蔵・熱放出に与える影響について調べた。また、直線プラズマ装置 NAGDIS-II（名古屋大学）を用いて W 再堆積層形成に及ぼす同時 He プラズマ照射効
果についても共同研究を開始した。LHD や NAGDIS-II を用いての研究でも多くの興味深い成果が得られたが、紙面の制限もあり本稿では QUEST に関連する研究成果に絞り報告する。
２．実験結果及び考察
QUEST における 2018 年度の放電実験（2018S/S, 2018A/W）では CHI 放電実験及び 28GHz 高出力
入射電流駆動実験の短パルス放電（数秒以下）に加え、超長時間放電実験（2018S/S：放電時間＝30~56分、壁温度＝200ºC、2018A/W：放電時間＝30~60 分、壁温度＝120, 200, 150ºC）が一年ぶりに再開された。2017 年度は長時間放電実験が行われなかったこともあり、壁表面に新たに堆積した不純物は僅
かでその殆どは C であったが、長時間放電実験が再開された 2018 年度のキャンペーンでは再び金属元
素を多く含む堆積層が形成されるようになった。図１に上部壁（T）、赤道壁（E-）及び下部壁（B）に設置し 2018A/W の全放電に曝露したプローブ試料（Mo）の GD-OES 分析結果を示す。例えば、上部壁（T）の Fe, Cr, Ni, W の原子濃度はそれぞれ 24, 6, 3, 1.8 at%程度と評価でき、金属元素の濃度が35at%を超えた（残りの大半は C, O）。これらの元素は主に近傍の壁面から弾き出された元素が再堆積したものであることから、軽元素ではスパッタ率が高くなることを考慮すると、実際の上部壁（APS-W
被覆 SUS316L 板）を覆う堆積層の組成は金属元素が 50at%を超えているものと思われる。
図 2 に 2017A/W 終了後に取り外したプラズマ対向壁パネル（APS-W 被覆 SUS316L）から切り出した断面薄膜試料の TEM 写真を示した。APS-W の直上には先ず 2014-2015 年度に積もった C を主成分とする隙間の多い非晶質堆積層（白い像の部分）が形成され、その上に超長時間放電が頻繁に行われた2016S/S と 2016A/W で堆積した金属元素を多く含むナノ結晶粒子の集合体（黒い像の部分）が積もっている。1017 年度は長時間放電実験が無く上下壁への再堆積（ほとんどが C）が非常に少ないことから、2018 年度のキャンペーンは 2016 年度に形成された堆積層をプラズマ対向面として放電実験が行われたものと考えられる。即ち、超長時間放電で問題となる水素の粒子バランスを議論するには上下壁の場合厚さ 30～50nm の金属原子と C, O が混合したナノ結晶の集合体で表面が覆われた APS-W との水
素のやり取りを議論する必要が有ることが明らかになった。
赤道壁には上下壁とは異なり SUS316L 板材が使用されている。図３に 2016-2018 年度の 3 年間（6実験キャンペーン）赤道壁面上に固定されプラズマに曝した SUS316L 板材の GD-OES 分析結果を示す。堆積層の厚さは 40-60nm 程度で上下壁より少し厚い。堆積層中の Fe, Cr, W の原子濃度は深さによって、即ち、堆積した時期によって変動が大きいが、最大濃度はそれぞれ 35, 10, 12 at%程度で上下壁と比べ更に金属元素が高い堆積層になっている。
QUEST における超長時間放電の停止は、真空容器壁からの水素の再放出速度が徐々に増加し適切な194

プラズマ密度を保てなくなったことによって起こる。この現象を抑制し安定な放電を持続させるためには、壁のどの場所で水素の大きな再放出が起こっているのかを突き止める必要がある。そのためには、
先ず、それぞれの場所での水素の吸蔵能と放出温度特性を知る必要がある。すでに報告しているように2016 年度以降の金属元素を多量に含む堆積層は水素吸蔵能は低く、室温で注入した重水素は 190ºC までの加熱でその大半が熱放出される。従って壁温度 200ºC での放電実験では堆積層内に蓄積される水素量は少なくそれらが異常再放出現象に直接関与することは考え難い。堆積層を通り抜けた水素は下地の APS-W または SUS316L 中に侵入し更に内部へと拡散する。SUS316L は 100ºC 以上になると H を殆ど捕捉・保持できないのとは対照的に、APS-W はその欠陥の多い構造が原因となって大量の H を捕捉でき、しかも室温から 800ºC までの広い温度範囲で放出が起こる。プラズマ対向面の水素吸蔵能の観点からは APS-W を被覆した上下壁面が粒子バランスを支配している可能性が高い。
水素の捕捉・再放出は温度に敏感であるため、放電の途中で温度が上昇すると思わぬ再放出が起こる
可能性もある。また、入射する水素粒子のフラックスが高い場所では再放出のタイミングも早く、粒子バランスへの寄与も大きくなる。粒子バランスを支配している場所についての最終的な結論を得るためには、プラズマ対向面の精密な温度測定、各場所での入射水素粒子フラックスの測定などについても合
わせて調べる必要がある。
QUEST では今後壁温度を 300-500ºC に上げての超長時間放電実験が計画されており、現在の APSW にかわる水素リサイクリングを制御し易い W 材料とその被覆法が検討されている。十分圧延加工したタングステン薄板材（例えば、プランゼー社製 0.1mm 厚板材）では、200ºC で注入した重水素は全く内部に残留せず、室温で注入しても 250ºC までには全てが熱放出されることも判ってきた。この課題についても今後集中的に取り組んでいく予定である。

図１

図２

2018A/W における GD-OES 測定。各元素の深さ分布。スパッタ速度；40nm/s 程度

2017A/W 後に取り出した APS/被覆壁パネルの表面の断面組織

図３ 2016-2018 年度に赤道面
プラズマ曝露した SUS 板の GD-OES 分析

195

核融合力学分野
一般研究

30FP‑23

高エネルギーイオン照射された酸化物絶縁被覆の微細構造における熱処理による回復挙動
核融合科学研究所

菱沼 良光

１. 研究目的
液体金属や溶融塩を用いた核融合先進ブランケットの要素技術開発において、MHD による液体金属の圧損や透過によるトリチウム漏洩の抑制は大きな課題であり、その対策としてブランケット部材への酸化物被覆が検討されている。酸化物被覆層における中性子照射効果は、先進ブランケットを設計する
上で、大変重要な因子である。しかしながら、酸化物被覆層の中性子照射効果の研究については、国内
的に原子炉が停止している事情も然ることながら、大変手間がかかる上に長期間の照射時間を要する。
一方で、イオン照射は損傷領域が限定されるものの短時間で大きな照射量が期待できとともに、実際の中性子照射における加速試験に相当するものである。このように、酸化物被覆材の中性子照射効果を検討する上で、イオン照射実験からの知見は先進ブランケット設計に重要であると言える。そこで、九州大学応用力学研究所に設置されている重イオン照射が可能な高エネルギーイオン発生装置にて照射損傷された酸化物被覆層の微視的構造及び膜質の変化を明らかにすることを主目的とし、本研究ではイ
オン照射後の酸化物被覆層の微細組織における熱処理による回復挙動を検討する。

２．実験方法SUS316 基板(基板温度 500℃)に Y2O3 層を成膜した後、核融合研の MOCVD 装置にて Er2O3/Y2O3/SUS 二重被覆膜を成膜した。MOCVD 被覆は直径 10 mm、厚さ 1 mm の SUS 基板上に成膜し、その成膜条件は500 ℃の 3 時間とした。MOCVD 成膜後の Er2O3 及び Y2O3 被覆の膜厚はおよそ 800nm 及び 500nm であった。製作した Er2O3/Y2O3/SUS316 二重被覆材を九州大学応用力学研究所のタンデム型イオン加速器にて成膜表面に対してイオンビーム照射を実施した。なお、イオン源は 2.4 MeV の Cu2+イオンとした。イオンビーム照射前に Transport of Ions in Matter (TRIM)コードにて Er2O3/Y2O3/SUS における照射損傷速度を計算した。
TRIM 計算結果を基にして、本研究における照射損傷速度は Er2O3 層の中心付近である 1.44×10‐5 dpa/sec とし（図 1 参照）、室温にて 1.5 dpa 相当の Cu2+イオン照射を実施した。現在、照射損傷領域の微細組織の回復を目的とした種々の熱処理を実施している。
Cu2+イオン照射前後の Er2O3/SUS 単層被覆材の膜質変化の 1 つとして、Er2O3 被覆と SUS 基板との間の剥離強度に注目したスクラッチ試験を実施した。スクラッチ試
験は、自動車の多重塗膜や DLC 等の硬質被膜の剥離を数196

図 1 Er2O3/Y2O3/SUS 二重被覆層の Cu2+イオン
照射損傷速度の深さ依存性

値化する目的で頻繁に用いられており、すでに日本工業規格（JIS）にも認定されている試験法である。
一方、酸化物被覆層及び被覆層と SUS 基板界面の微細組織における Cu2+イオン照射前後の変化については、
集束イオンビ－ム加工機（FIB：日立製 NB‐5000）にてサンプリング及び薄片化加工を行い、走査型透過電子顕微鏡（STEM：日本電子製 JEM‐2800）観察をもって検
討した。

３．

結果と考察

室温での Cu2+イオン照射前後の Er2O3/Y2O3/SUS 層界(a) イオン照射前面における断面微細組織を図 2 に示す。図 2(a)はイオ
ン照射前試料を、(b)は 1.5dpa のイオン照射後試料をそれぞれ示す。図 2(a)の TEM 像からは、Y2O3 中間層の上に MOCVD にて Er2O3 層を成膜中に、Y2O3 中間層と SUS
基板の界面に 20nm 厚さ程度の Fe‐(Y)‐O 相が生成していることが分かる。これは、MOCVD 過程での Fe 原子と Y 原子の相互拡散によって生成したものと考えられる。図 2(b)に示すイオン照射後の界面では、照射によって Fe‐(Y)‐O 相が厚くなる傾向が見られた。これは、
図 1 に示す Cu2+イオン照射損傷速度の深さ依存性からも分かるように、界面付近の損傷速度は酸化物被覆層よりも大きいために、Y2O3 中間層への Fe 原子の拡散が促進されたためであると考えられる。また、イオン照
射前後の Fe‐(Y)‐O 相の制限視野電子回折（SAED）パタ－ンを比較すると、イオン照射によって、非晶質（ア(b) イオン照射後（1.5dpa 相当）
図 2
室 温 で の Cu2+ イ オ ン 照 射 前 後 のEr2O3/Y2O3/SUS 二重被覆層における断面 TEM 像(a) イオン照射前試料及び(b) 1.5dpa 相当のイオン
照射後試料を示す。

モルファス）化が進行していることが明らかになった。以上のことから、イオン照射の影響は、酸化物被覆層よりも酸化物/金属界面に強く表れることが分かった。
一方、イオン照射損傷量の増加に伴って密着強度は単調に低下する傾向が観測された。そして、1.5 dpaの照射損傷では、未照射と比較して約 70%の強度まで低下した。Cu2+イオン照射による密着強度の低下
要因としては、図 2 に示すように、イオン照射によって Fe‐(Y)‐O 相の生成促進及びアモルファス化等の層界面での微細構造変化によって界面付近の強度が低下したためであると考えられる。

研究成果：Y. Hishinuma et al. “Microstructure and peeling behavior of MOCVD processed oxide insulator coating
before and after ion beam irradiation”, Nuclear Materials and Energy, vol.16, (2018), p.123‐127197

核融合力学分野
一般研究

30FP‑24

鉄系合金の電磁気特性と照射ナノ組織の関係
岩手大学理工学部 物理・材料理工学科

鎌田康寛

目的
中性子照射環境下での鉄系遷移金属合金の磁性に与える照射効果の解明が重要とされている。例えば Fe-Co-Ni 系合金の場合、キュリー温度以上で常磁性に変態する性質に着目し、第四世代原子炉の自己作動型炉停止機構の電磁石としての利用が期待されている。磁性が照射により変化すると安全上問題となるため、照射効果の把握が必要である。その種の実験では中性子照射の実施が不可欠であるが、原子炉とホットラボが必要なため系統的な実験は難しい。代替実験として中性子と同様にカスケード損傷を起こすイオン照射が考えられるが、損傷領域が表面 1μm 以下のため、バルク材試料では損傷部のみの磁性を評価することが難しい。それに対して薄膜試料を使うと損傷領域のみの磁性評価が可能となる。ここで、鉄系 3d 遷移金属の磁性は結晶構造と密接な関係があると言われている。本報告では、Ni 濃度を変えて結晶構造を制御した Fe-Ni 合金薄膜を作製し、照射前後の構造・磁性を調べた研究成果を紹介する。なお、並行して実施した熱時効した Fe-Cr 合金のスピノーダル分解の研究成果については省略する。
実験方法
良質な薄膜作製のため、まず基板の前処理条件を調べた。MgO は潮解性があり、長期保管で表面に変質層が生じ得る。本研究では、Ar イオンミリングと酸素雰囲気中 1000℃熱処理を組み合わせ、AFM 及び
XPS で表面状態を調べて前処理条件を決めた。その基板上に超高真空蒸着法により合金薄膜を作製した。
500℃で 16, 24, 29, 36%Ni 合金を電子ビームで 200nm 蒸着し、600℃熱処理した。さらに、高真空ランプ加熱炉で 1000℃熱処理した。結晶成長の様子を RHEED でその場観察し、EBSD 及び XRD で構造解析を行った。イオン照射は、九州大・応用力学研究所のタンデム型加速器を用いて室温で 2.4MeV の Cu2+を照射した。その際の損傷量は SRIM コードより 0.9dpa と見積もられた。磁気特性は VSM により評価した。
結果及び考察最適化を行った MgO 基板の表面は、AFM よりテラスと原子層ステップが見られ、XPS より水酸化物がほ
とんど無いことを確認した(Fig.1)。その上に蒸着した合金薄膜の構造を調べたところ、600℃熱処理後の結晶構造及び成長方位は、基板の MgO(001)[100]に対して以下の通りであった。
16, 24%Ni：bcc(001)[110], 29%Ni：fcc(001)[100]＋bcc(001)[110], 36%Ni：fcc(001)[100]29%Ni については、1000℃熱処理後に fcc 単相となった。さらにイオン照射後、その fcc 相の一部が bcc
相に変化した(Fig.2)。続いて、照射前後で磁気測定を行ったところ、16, 24, 36%Ni では、磁化の変化は見られなかった。一方で、29%Ni では照射による磁化の増大を確認した(Fig.3)。
次に 29%Ni 合金で照射により飽和磁化が増加した原因を考える。照射前は fcc 相のみで飽和磁化は125 emu/cm3、照射後は fcc と bcc 相の混相で 701 emu/cm3 であった。新しく形成した bcc 相の飽和磁化が24%Ni の値(1535 emu/cm3)と同じと考え、元々存在した fcc 相の磁化が変化しないと考えた場合、試料全体の磁化は 294 emu/cm3 となり、実験値を説明できない。一方、fcc 相の飽和磁化が照射により 584
emu/cm3 まで約 5 倍増加したとすると実験値を再現できる。
ここで、fcc 相の磁化が照射により増加した原因を考える。Ni 組成が 30％前後の所謂 fcc-Fe-Ni インバー198

合金の磁性は、原子配列（規則・不規則状態）や原子間距離に強く依存すると言われている。本研究のFe-29%Ni 薄膜では、カスケード損傷による短距離秩序化や照射で導入された空孔による Fe-Fe 原子間距
離の増加が起こり、飽和磁化が増加した可能性が考えられる。
まとめ
結晶構造の異なる Fe-Ni 合金薄膜を作製し、磁性に与える照射効果を調べた。16, 24, 36%Ni では照射後、磁化は変化しなかったが、29%Ni では増大した。これは、fcc 相の一部が照射により bcc 相に変態したことに加え、fcc 相の磁化が約 5 倍増加したことによると考えられる。磁性が結晶構造に敏感な鉄系合金の場合、照射により磁性が大きく変化することを明らかにした。
成果報告（学会発表）：
・生内幸亜, 鎌田康寛, 村上武, 小林悟, 渡辺英雄, “Fe-Cr 二元合金の組織、硬さ、磁気ヒステリシス特性に与える熱時効効果”, 日本金属学会 2018 年秋期講演大会, 東北大, 仙台, 2018.9.19
・T. Oyake, Y. Kamada, T. Takahashi, T. Murakami, S. Kobayashi and H. Watanabe, “Ion Irradiation Effects on
Magnetic Properties of Fe-Ni Alloys”, JCS-14, Sep.26, 2018, Tohoku Univ., Sendai
研究組織 : 鎌田康寛, 小林悟, 村上武, 小宅智樹 : 岩手大・理工、渡辺英雄 : 九大・応力研

Fig. 1. MgO の AFM（上）、XPS（下）の結果(a) 処理なし (b) 酸素雰囲気中 1000℃熱処理後

Fig. 2. Fe-29%Ni 薄膜の EBSD 解析結果
(a) 成膜後 (b) 1000℃熱処理後 (c) 照射後
Fig. 3. 照射前後の MH 曲線

199

核融合力学分野
一般研究

30FP‑25
鉄合⾦の照射劣化挙動に関する基礎的検討
東芝エネルギーシステムズ⿅野⽂寿

1. はじめに
原⼦炉の⾼経年化対策では、交換が困難である原⼦炉圧⼒容器の照射脆化への対応が必要である。照射脆化による材料劣化について、運転年数の短い低照射領域では最近の研究で理解が進んでいるが、⾼照射領域での振る舞いやメカニズムは、まだ⼗分に理解されていない。照射脆化は、Cu 等のクラスタ（析出物）とマトリクス⽋陥（主に照射による転位ループ）に起因すると考えられており、特に Cu クラスタの寄与が⼤きい。⼀⽅で⾼照射領域では Cu
クラスタが飽和傾向にあり、その他の脆化因⼦の寄与が顕在化するという指摘がある。
本研究は、中性⼦照射による Cu クラスタ密度が飽和した⾼照射領域での照射挙動を知るため、模擬的に Cu ク
ラスタを作り、そこにイオン照射し⾼照射領域での照射挙動を評価することを⽬的とする。本報告は、その第⼀ステップ
として、Cu クラスタ模擬材を準備し、Cu イオン照射を⾏ったものである。
２．Cuクラスタ模擬材の作製
Fe中のCuは、析出強化元素として知られており、熱処理を活⽤することで、⾃動⾞をはじめとして、⼀般的に産業利⽤されている。このような知⾒を活⽤し、熱処理で、模擬脆化材を作ることを試みた。これまでの検討で、実⽤材程
度のCu量（0.1%以下）では、熱処理でCu析出物を作るのは容易でないため、規格上限である0.4％のCuを含む低合⾦鋼で、熱処理を⾏った。熱処理条件は、温度450℃で、熱時効時間は0、98、120、132時間である。
熱処理後の試験⽚のCu 濃度分布について、透過電⼦顕微鏡観察・元素マッピング分析を⾏った。TEM観察・分析は、応⽤⼒学研究所（⾺出アイソトープ実験センター内実験室）の200kV原⼦分解能顕微鏡を⽤いた。組成分析（マッピング）は電⼦線プローブ径0.2nmで、１ドットのビーム滞在時間20m秒、画素数256×256ドットで実施した。その結果、Cuクラスタの平均サイズ2〜3 nm、数密度〜1×1023 m-3であり、40 年程度経過した原⼦⼒プラントの圧⼒容器鋼におけるCuクラスタ分布を概ね模擬できていることを確認した。その測定結果を図１に⽰す。
3．イオン照射試験
Cu クラスタ模擬材は、切断・研磨により 0.13 mm の薄板に加⼯した。イオン照射に供するため、その薄板をディスクパンチで 2 mmに打ち抜き、あらかじめ準備しておいた SUS316 製の外径 3 mm、内径⽳ 2 mmのドーナツ
形の枠に押し込み固定した。これは低合⾦鋼が強磁性体であり、TEM 内での磁性の影響を低減するための対策である。その円盤型試験⽚を、両⾯から電解ジェット研磨により円盤中央部を薄膜化した。TEM で観察したところ、膜厚は100nm であった。ここまでの流れを図 2 に⽰す。
イオン照射試験は、九州⼤学応⽤⼒学研究所研究棟に設置されているハイボルテージ・エンジニアリング社製重イ
オン照射システムを利⽤した。加速電圧 2.4MeV で Cu2＋イオンを照射した。照射速度は１×10-4dpa/s で、照射量は 0.5 および 0.33dpa の２⽔準とし、照射温度は 80℃とした。このとき薄膜は場所によって厚さが異なるが、TEMでの観察領域である 100nm 厚さの場所で照射評価を⾏うこととし、Cu イオンは貫通するため、観察時に⾃⼰イオンである Cu イオンが組成的な影響を⽰すことはなく、⽣成された照射⽋陥のみの影響が⾒られることとなる。
4．まとめ

200

⾼照射領域での低合⾦鋼の組織挙動を模擬するため、模擬CuMnNiクラスタが分布した低合⾦鋼にイオン照射を最⼤0.5dpaまで実施した。0.5dpaは、これまで300℃でのイオン照射で明瞭な転位ループが観察されている照射量である。
5．今後の予定
中性⼦照射脆化した低合⾦鋼におけるマトリクス⽋陥の寄与を明らかにするため、TEM観察をすすめ、⾼照射時の挙動予測の検討を進めていきたい。
6. 研究成果報告
平林潤⼀、藤⽥敏之、⿅野⽂寿、渡邊英雄ら、「照射脆化因⼦の形成に伴う低合⾦鋼の電磁気特性変化」、⽇
本⾦属学会2019年春期⼤会、東京電機⼤

熱時効時間（h）

図1 熱時効材の電⼦顕微鏡観察・分析結果

201

図２ イオン照射試料の作成の流れ
研究代表者︓⿅野⽂寿
研究協⼒者︓藤⽥敏之
平林潤⼀
⽚⼭義紀（東芝エネルギーシステムズ）、
渡邊英雄（九⼤応研）

202

核融合力学分野
一般研究

30FP‑26
30FP-26

種々の熱入射法による材料表面の高エネルギー 密度入射損耗解析法の開発
応用ながれ研究所、レーザー技術総合研究所
九州大学応用力学研究所

徳永和俊

糟谷紘一

東京工業大学フロンティア材料研究所

概要

川路 均

計測用検出ヘッド先端薄板の高温化で発生する近表記の課題に関連する、最近の共同研究結果につ赤外光を、アップコンバージョンにより可視光に変いて、下記の諸項目についてその概要を述べる。(1)

換し、これを透明SiC越しに観測し、薄板そのもの

複合材料と厚さ計による損耗破壊監視計測法の設計の温度を測りたい。もちろん、貫通と同時に外方向と検討、（2）関連分光分析のための計測器の整備とに出てくる内部からの電磁波そのものも検出できる

初期テスト、(3)放射のアップコンバージョン法を利から、アップコンバージョンしなくとも、これらを用する新しい計測法の予備試験、(4)関連調査項目。

検出すれば、破壊の瞬間を検知できるから、一応は、大型装置の破壊に至る危険な状態は十分にモニ

目的

応用力学研究所の電子ビーム熱負荷発生装ターできる。これとは別に、破壊前後の検出ヘッド

置を用いて、諸材料表面を照射し、各種計測装置に薄板の温度変化の・その場測定が、アップコンバー

より、表面損耗量（喪失総質量）等を測定する。こジョン光の計測によりできることになれば、新しいれらの結果を生かして、極限状態材料の損耗破壊監

方法論的成果が得られることになる。

視計測法の確立を目指す。これらが本共同研究の最まず初めに、東京工業大学・ファインセラミック

終目標である。本研究では、近く再開する電子ビー

ス研究所の小型真空蒸着装置(日本真空アルバック

ム照射のために、関連計測装置の準備と新規な方法社製)により、タングステン箔やアルミナ薄板を加の調査・提案を行った。

熱し、応用ながれ研究所の既有溶融石英ファイバーと、九州大学・応用力学研究所の小型分光器(Ocean

複合材料と厚さ計による損耗破壊監視計測法の設Optics 社・HR2000CG 高速ブロードバンド分光器)

計と検討

により、発光スペクトルを測定した。初期の結果例

極限状態に対向するタングステン箔と透明 SiC 薄板の組み合わせヘッド背後から、SiC 板を、文末の参考資料1-2 に書いた。

の厚さを監視する方法については、厚さ計を新規に

その後に、米国品の代わりの中国産のアップコン

用意すれば実現可能であることが確認できた。高低バージョン材料を用意し、さらに分光測定関連の追額いずれかの厚さ計を用意するために、経費獲得の加用品の整備を進めたが、これらと小型真空蒸着装

努力を、現在引き続き継続中である。

置を併用する実験では、現在までのところ、明るい
アップコンバージョン光の計測には至っていない。

放射のアップコンバージョンと関連分光分析を含む、新しい計測法開発のための計測器の整備と予放射の変換による温度測定のための先進方法の模

備実験結果

索

前項とは少々異なるアイデアとし熱放射光によるアップコンバージョンの場て、高温固体壁等からの熱放射を測る方法として、

合、レーザー光に比べて輝度が低いので、多光子吸アップコンバージョン法を利用する新規な方法を提収アップコンバージョン過程のみに頼る（コヒーレ案しているが、ここでは、複雑な放射やノイズの影ント）アップコンバージョン光の発生効率は低い。

響を除いた、目的とする放射スペクトル領域に限定

そこで、将来の髙輝度熱放射が利用できる前の低輝した有用な計測法開発のための準備結果を示す。

度熱放射による変換光を得るためには、より髙変換

203

効率の先進材料を探す必要がある。利用できそうな効果によるプラズマ科学の展開」、「原子分子データ

材料の調査結果を以下に述べる。

応用フォーラムセミナー」合同研究会、平成30年
12月19日-12月21日、核融合科学研究所.

インコヒーレントアップコンバージョン材料の調3.

査と応用のための準備

http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/

文献調査により、下記の波長変換効率の高い３種のインコヒーレントアッ

press_release/2017/170130/

プコンバージョン材料を見つけた。開発担当者にサ4.

ンプル提供を依頼したが、３件とも、現在までの所

https://www.titech.ac.jp/news/2017/039848.html

提供許可は得られていないが、インターネットのリ

5. K.Yoshihara, M.Sakamoto1, H.Tamamitsu,

ンク先を参考資料3-5 に示す。現在、最終例についM.Arakawa, K.Saitow, Extraordinary Fieldて素材を購入し、試しに自作する用意をしている。

Enhancement of TiO2 Porous Layer up to 500fold, Advanced Optical Materials

関連の深いその他の技術情報収集

上記と異な

DOI:10.1002/adom.201800462, 2018.

る方法として、２件の新しい提案を附記する。

6. M.Sakamoto, T.Kawawaki, M.Kimura, J.Jhon,

1 新しい熱電変換材料の発見とその応用が、ごく最

M.Vequizo, H.Matsunaga, C.Sampath,

近参考資料6 に公表されている。

K.Ranasinghe, A.Yamakata, H.Matsuzaki,

2 モスアイ材料の利用可能性の検討

A.Furube, T.Teranishi, Clear and Transparent

本研究への応用が期待される、蛾の眼（モスアイ）

Nanocrystals for Infrared-Responsive Carrierの構造に習った、光反射率低下・無反射コート層

Transfer, Nat. Commun., Article ASAP, Januaryの、SiC, サファイア、ダイヤモンド、タングステ

24, 2019, DOI https://doi.org/10.1038/s41467-

ン材料表面処理が、参考資料7 に記載されている。

018-08226-2.

2019/02/19 に市販品の見積書送付を電子メールに

7. http://elseed.com/jproducts/jmpss/て依頼したが、応答はまだない。

8. J.Straus, K.Kolacek, K.Kasuya et al,
Response of plasma-facing materials to

極短波長ナノ秒EUVレーザー光による材料損耗

nanosecond pulses of extreme ultraviolet

研究の詳細結果は参考資料8 にあるので、紙面の都

radiation.

合により、ここでは繰り返し述べない。

https://doi.org/10.1017/S0263034618000332

Laser and Particle Beams 1-15,

Cambridge Univ. Press, 2018.
参考資料
1. 糟谷紘一、徳永和俊

ほか、電子ビーム照射に謝辞

この研究は、九州大学応用力学研究所の国よる材料表面の高エネルギー密度入射損耗開始閾値

内共同研究費（分類番号30FP-26）及び 東京工業大の評価、九州大学応用力学研究所共同利用研究成果

学フロンティア材料研究所一般B共同研究費（採択報告書、平成 29 年度（第21号）pp. 196-197,

番号22）の援助を受けて実施した。本研究を進める

2018.

にあたり、九州大学応用力学研究所（徳永和俊准教

2. 糟谷紘一、徳永和俊、本越紳二、川路均、授、糟谷直宏准教授、拠点事務室）、東京工業大学

J.Straus

K.Kolacek、et al, 井澤靖和、藤田雅

フロンティア材料研究所（川路均教授、共同利用推之、砂原淳、本越伸二、島田義則、谷口誠治、中進室）、応用ながれ研究所（糟谷惠子副代表）、核融

井光男、波長変換による高熱流束測定、「原子分子合科学研究所、レーザー技術総合研究所の各位過程研究と受動・能動分光計測の高度化のシナジー

どの方々にお世話になった。

204

2019/02/28 報告

な核融合力学分野
一般研究

30FP‑27
大規模シミュレーションによる MHD 不安定性の 3 次元構造解析

核融合科学研究所 ヘリカル研究部 佐藤雅彦
高ベータ LHD プラズマは、プラズマ周辺部にて磁気丘が存在するため、理論的には MHD 不安定である。しかしながら、LHD 実験では、体積平均ベータ値が約 5%の高ベータプラズマが得られおり、MHD 不安定ではあるものの、その飽和レベルは閉じ込め性能に大きな影響を及ぼしていないことを示唆している。これまでに行ってきた MHD モデルに基づくシミュレーション研究では、高ベータ
LHD プラズマはプラズマ周辺部にて抵抗性バルーニングモードが不安定であるが、非線形段階において不安定性の影響がプラズマ中心部まで及ぶことにより、中心圧力が大きく減少することを示してきた[1]。この MHD モデルに基づくシミュレーションは、LHD 実験結果を再現するに至っておらず、計算モデルの改良が必要であることを示唆している。そこで、本年度においては熱イオンを運動論的に取り扱うように計算モデルを拡張し、熱イオンの運動論的効果が抵抗性バルーニングモードに対す
る影響について調べた。本研究では、拡張された MEGA コードを用い、熱イオンをドリフト運動論、
電子は断熱モデルを仮定した流体モデルで取り扱っている。MHD 平衡は HINT コードにより構築し、中心ベータ値が約 7.5%のプラズマを仮定した。この平衡はプラズマ周辺部にてメルシエ不安定な領域が存在する。初期平衡においては、電子圧力とイオン圧力は等しいと仮定し、HINT 平衡により得られた圧力の半分で与えている。簡単のために密度の初期分布は一様であると仮定した。また、イオンの分布関数はマクセル分布を仮定した。
トロイダルモード数が n=10 の抵抗性バルーニングモードに対して解析を行なった結果、運動論的
MHD モデルから得られた線形成長率は、MHD モデルより得られる成長率の約 60％程度であることがわかった。この時の n=10 モードの電子圧力、および、イオン圧力の摂動成分の固有関数を図 1 に示す[2]。電子圧力の揺動レベルに対してイオン圧力の揺動レベルが減少しており、特に、磁力線に垂直方向のイオン圧力の揺動成分が著しく抑制されている。この原因を調べたところ、歳差ドリフトにより、捕捉イオンがモード構造を横切るように運動するため、MHD 不安定性に対する応答が著しく弱くなるからであることがわかった（図 2）。今後は、非線形飽和レベルへの熱イオンの運動論的効果の解析を進めていく予定である。

図 1. n=10 の抵抗性バルーニングモードの揺動
圧力の固有関数分布。黒線は電子圧力（Pe）、緑、赤線は磁力線は磁力線方向のイオン圧力（Pi||）
線に垂直方向の電子圧力（Pi ）を示している。
振幅は電子圧力の(m,n)=(13,10)モードの振幅で規格化されている。

205

図 2. 磁気面上の電子圧力の揺動成分の等値面、および、捕捉イオンの軌道。赤、青の領域は、電子圧力の揺動成分が正、負の領域に対応する。
捕捉イオンは、モードの振幅が正、負の両方の領域を通過する。

4
(A)
OH

-45kA turn
(B)

OH

-70kA turn

先に述べた LHD プラズマの解析の他、トーラス装置 PLATOに対する MHD 不安定性の解析のため、PLATO の磁場平衡の構築も行った[3]。磁場平衡の評価には、統合輸送解析コード TASKの平衡解析モジュール EQU を使用した。EQU モジュールでは、
ポロイダルコイル電流を含めた自由境界プラズマの平衡計算を行うことができる。このモジュールを用いて、ポロイダルコイ
ル電流変化に対応したプラズマ形状パラメータ(楕円度 κ や Z
三角度 δ)を評価した。図 3 に EQU モジュールを使用した
PLATO 装置における平衡磁場配位の計算結果を示す。ここでは、プラズマ電流 75kA、三角度 0.5 程度、楕円度 1.7 程度を仮定しており、PLATO 装置で標準的な条件での平衡磁場配位に対応する。次に、三角度と楕円度を変化させた計算結果を図 4に示す。(A)は、図 3 に示す標準的な平衡磁場配位のコイル電流のうち OH コイルを-45kA turn に下げることで三角度と楕
Fig. 2
円度を大きくした計算結果である。一方、(B) は反対に OH コイ(
ルを-70kA turn に上げることにより三角度と楕円度を抑えた
計算結果となっている。今後は、これらの MHD 平衡に対して
MIPS コードを用いた MHD 安定性の解析を進めていく予定である。

VMEC [5]

(A)

(B)

R
(κ = 1.7, δ = 0.5) EQU
図 3.) EQU モジュールより得られ
た、標準平衡配位であるκ=1.7,
δ=0.5 とした時の平衡磁場配位。

Z

PLATO

1.7

2

2

PLATO

: -130kA turn: -5.0 kA turn: 0. 0 kA turn:-9.6 kA turn

Z

Z

Fig. 3

R

R

EQ

(

R

(A)
(κ = 2.0, 楕円度
図 4.Fig.
(A) 4楕円度と三角度を大きくした場合（κ=2.0,
δ=0.79）と(B)と三角度を小さくした場合（κ=1.5,
δ=0.36）の平衡磁場配位。
δ = 0.79) (B)(κ =1.5, δ = 0.36)[1] M. Sato et al, Nuclear Fusion 57 (2017) 126023.
4 
[2] M. Sato et al, 27th IAEA Fusion Energy Conference (2018), TH/P5-25.
PLATO[3] 富松修平他, プラズマ・核融合学会
九州・沖縄・山口支部 第 22 回支部大会 (2018), P-17.

4

TASK

(B)

EQ

EQ

EQU

EQU
VMEC

[5]

206

2
3

)

核融合力学分野
一般研究

30FP‑28

水素プラズマスパッタ法で形成される多孔質金属膜への水素蓄積と透過挙動
九州大学大学院総合理工学研究院 片山一成
【緒言】
水素は利用時に環境負荷が小さいことからクリーンな二次エネルギーとして注目されており、水素の製造・貯蔵・輸送に関連する技術開発が進められている。水素の安全取扱の観点や高機能材料開発の観点から、種々の材料
における水素挙動の理解が求められている。ジルコニウムやパラジウム等が高い水素吸蔵特性を有するのに対して、白金やタングステン(W)等はほとんど水素を吸蔵しないことが知られている。しかし報告者らの研究により、
水素プラズマスパッタリングを利用してこれらの金属から形成される薄膜は、膜形成過程で多量の水素を捕捉することが明らかとなっている。また、形成後に重水素プラズマを照射すると、比較的高濃度に重水素が保持されることも観測されている。応用力学研究所とのこれまでの共同研究により、重水素プラズマスパッタリングにより形成される W 膜は、数 nm の微結晶粒から構成され多くの空隙を有することがわかっている。このことから捕捉された水素の多くはナノスケールの微結晶粒の粒界や空隙に捕捉されていると推定される。このような知見は、将来
水素貯蔵用機能性材料の開発に進展をもたらす可能性がある。しかしながら、成膜過程での水素挙動については十分には理解されておらず、微細構造と水素吸蔵・放出挙動との関係性や水素取込に寄与する放電中の水素形態について詳しく調べる必要がある。
スパッタ・成膜過程では、膜成長表面はワーキングガスである水素ガス、プラズマからの水素イオン、スパッタ
ターゲットからの反跳水素等にさらされる。しかしながら、それぞれの水素が W 膜形成過程での水素捕捉にどのように寄与しているかについては明らかとなっていなかった。一昨年度の応用力学研究所との共同研究において、プラズマスパッタ装置内に基板設置ステージを取り付け、異なる環境下における W 膜と水素捕捉量を調査した。
その結果、スパッタターゲットからの反跳水素の影響が支配的であることが示唆された。反跳水素が膜表面に衝突した後、プラズマ中に反射するもの、表面層に蓄積するもの、内部へ浸透するものが想定されるが、未だ明らかにされていない。昨年度の応用力学研究所との共同研究において、成膜過程で膜を透過する水素挙動を観測するための実験装置を作製した。本研究では、作製した実験装置を用いて、成膜過程での水素透過フラックスを測定するとともに、温度の効果について調べた。
【実験方法】
昨年度実施した共同研究において、既設の RF 水素プラズマスパッタリング装置の接地電極を改造し、膜及び基板を透過した水素を質量分析計で測定できるようにした。本年度は温度効果を評価するために、側面石英窓に赤外
線ランプを設置し、外部から透過部を加熱する仕組みを追加した。Fig.1 に改良した装置概略図を示す。
真空チャンバー下部フランジから 1/2 インチステンレス管を挿入し、金属ジョイントを介して ICF34 フランジが溶接された 1/4 ステンレス管を取り付けた。ターゲットからの距離を変更することができるよう、金属ジョイン
トに挿入した 1/4 ステンレスは O リングにより固定し、可変かつ気密性が保持される構造とした。ICF34 フランジに、銅ガスケット、ニッケル基板を乗せ、最後に ICF34 穴あきフランジで挟み込んで締め付けた。ニッケル基板によってスパッタリング装置内の空間と接地電極内の空間とが物理的に隔絶されている。RF 電極には、タングステン板を設置した。ICF フランジ近傍にプローブを設置し流入する電流値を測定した。
ターボ分子ポンプによりプラズマ側及び透過側の真空排気を十分に行い、プラズマ側の真空ポン
プをロータリーポンプに切り替えた。透過側に設置された四重極質量分析計（QMS）を立ち上げて、信号の安定待ちを行った。その後、プラズマ側にマ
スフローコントローラーを介して水素ガスを導入
しガス圧を調整した。また、この際供給した水素の透過側へのリークがないことを確認した。その後
RF 電極に 13.56MHz の RF 電力を印加して電極間にプラズマを点火し、ニッケル基板上への薄膜の形成をはじめた。標準的な放電条件は、RF 電力
100W、水素圧力 10Pa、ニッケル基板厚み 20m、
電極間距離 6.5cm とした。
Fig.1 RF 水素プラズマスパッタリング装置

207

4

Recombination coefficient [m /s]2

Permeation Flux [atom/m /s]【結果及び考察】
標準放電条件において、赤外線ランプによる外部加熱を行った場合と行わなかった場合の水素透過フラックスとニッケル基板温度の経時変化を Fig.2 に示す。本実験により成膜過程において水素が W 膜及びニッケル基板を透過していることが明確に示された。このことは、膜の成長過程において膜表面層に入射された水素同位体は、入射位置付近に留まるだ
けではなく、80℃程度と比較的低温条件においても膜中を拡散移動していることを示す。
プラズマからの熱負荷のみでは、ニッケル基板温
度は 80℃程度まで緩やかに上昇した。赤外線ランプ
による加熱を追加することで、140℃程度まで温度
Fig.2 水素透過フラックスの経時変化(フラックス左を上昇させることができた。温度が高い方が透過フ
軸：▲外部加熱なし、●外部加熱あり、温度右軸：
ラックスの立ち上がりが急峻であり、最大値も大き△：外部加熱なし、〇：外部加熱あり)い。ある時間から透過フラックスは減少に転じ、時TMAP calculation間に比例して低下を続けることがわかった。
-35
R=2.3×10-34
放電開始後の急峻な増加は、ニッケル基板に直接入射さ
R=2.3×1017-33
Experimental
10れた水素が、プラズマ側表面に形成される W 膜によって
R=2.3×10
プラズマ側への再放出を妨げられることに生じたものと考えられる。ニッケル中の水素拡散係数は、温度の上昇とともに増加することから、外部加熱を行った方が、透過開1610
始時間が早く、透過フラックスも大きくなったと考えられる。時間とともに膜厚が増加し、水素の入射飛程を超えると、水素は W 膜に入射され、その一部は、ニッケル基板
へ拡散・浸透し透過する。W 膜中の拡散はニッケル中の拡1510散に比べて遅いことから、水素の直接入射によってニッケ
0
10000
20000
30000
40000
ル中に高い濃度で存在していた水素が透過側へ拡散・放出Time [sec]されることで、透過フラックスがピークを示した後、徐々Fig.3 水素透過フラックス実験結果と TMAP を用に減少すると考えられる。10000sec 以降は、時間ともにいたフィッティング結果の一例
一定速度で透過フラックスが低下していることから、Wo
膜厚の増加に比例して透過フラックスが減少していると
Temperature [ C]
600 400200
考えられる。
-18
10
プラズマ駆動透過による透過速度を決定するパラメー
This work
Tungsten(Anderl)
タは、単純には拡散係数と再結合係数による。W 膜中の水-2310Nickel(Pick)
素拡散係数については、これまでの研究において W 膜付
きニッケル基板を試料とするガス駆動透過実験を通じて-28
定量済みである。そこで、水素挙動解析コード TMAP を10用いて、再結合係数をパラメータとする、実験結果へのフィッティングを行った。TMAP では膜厚の時間変化を模擬-33
10
できないことから、ある時間での実験結果に対するフィッティングを行った。なお、ニッケル中の水素拡散係数、溶-38
解度定数は Robertson らの値[1]を用いた。Fig.3 に示すよう
10
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
に再結合係数の値によって透過フラックスが大きく異な
1000/T [1/K]
り、プラズマ駆動透過速度を評価する上で、再結合係数がFig.4 再結合係数の比較
重要な物質移動パラメータであることがわかる。得られた再結合係数をタングステンバルク材[2]およびニッケルの報告値[3]と比較して Fig.4 に示す。W 膜の再結合係数
は、温度が高い方が小さな値となることがわかった。
今後、温度範囲を拡張して実験データを取得する予定である。
参考文献[1] W.M. Robertson, Z. Metallkde. 64 (1973), 436.
[2] R.A. Anderl, et al., J. Nucl. Mater. 176&177 (1990) 683-689.
[3] M.A. Pick, K. Sonnenberg., J. Nucl. Mater. 131 (1985) 208-220.
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。

208

核融合力学分野
一般研究

30FP‑29

九州大学 応用力学研究所 平成３０年度共同利用・共同研究 成果報告 30FP-29

プラズマ乱流における非線形伝搬と、局地集中豪雨の統計解析への応用の研究（Nonlinear Propagation Phenomena in Plasma Turbulenceand Its Application to Statistical Analysis of Localized Torrential Rainfall）

杉田 暁 1、佐々木 真 2、荒川弘之 31

中部大学 中部高等学術研究所 国際ＧＩＳセンター、2 九州大学 応用力学研究所、3 島根大学

序論
近年、乱流プラズマに外部から擾乱を印加することにより、プラズマの強い応答が非線形・非局
所的に伝搬することが、実験［１］、及び非線形シミュレーション［２］で明らかにされた。この応答の非局所的かつ弾道的な伝搬過程は、広く自然科学、社会科学の分野において重要となる現象である。大気・海洋・土壌汚染に代表される環境問題や、伝染病の感染、各種災害時の正誤入り混じった情報など、リスクが相互に関連した事象や情報は、非線形的に、時空間的に波及・伝搬する特徴を有しているが、既存の古典的な拡散モデルでは記述できない現象であり、このような事象を理解し、共存し、持続可能な社会を構築することは、人類社会に課せられた大きな課題である。特に、平成２６年８月に広島市を襲った豪雨に代表される、突発的な局地的大雨や集中豪雨、及びそれに伴う洪水・内水氾濫や、地すべり・土石流などの災害に、急激な状況変化への対応ができず、被害が生じる事例が増加している。近年整備されてきた、時空間に高分解能かつ国土全域を覆う気象データを利用して、局地的大雨や集中豪雨に関する知見を得、そのダイナミクスを理解することにより、減災に寄与することは重要である。
著者は、これまで核融合プラズマ乱流中で、乱流の塊（クランプ、ブロッブ）が非線形的に伝搬し、非拡散的な輸送を駆動する現象について非線形シミュレーションと統計的解析手法を用いて研究を行ってきた［３］。また、地理情報システム／デジタルアースを利用した防災に関する研究を行い、気象と自然災害の重要性に着目している［４］。これらの経緯から、気象、特に局所的な集中豪雨に関しての実証的な統計的定量化、及び非線形ダイナミクスの統計的手法による定式化の可能性があるため、今回の研究対象の情報として選択した。

方法
本研究で取り扱う気象データとして、気象庁・一般財団法人気象業務支援センターの配信する「高解像度降水ナウキャスト」を用いた。高解像度降水ナウキャストは、2014 年 8 月 7 日から配信の始まった新しいデータで、５分間隔で配信される全国 250m メッシュの格子データであり、そのサイズは、圧縮状態で１日あたり 46GB にもなる大規模データである。全国 20 ヵ所のドップラーレー
ダー、気象庁・国交省・地方自治体の保有する全国 10,000 ヵ所の雨量計の観測データ、国交省ＸＲ
ＡＩＮ等を活用することで実現されている。本年は、この大規模データを用いて名古屋地区（緯度136.5〜137.9, 経度 34.4〜35.8）、期間（2016 年８月２１日〜９月１１日）について、突発的降雨

209

九州大学 応用力学研究所 平成３０年度共同利用・共同研究 成果報告 30FP-29の時空間構造の抽出を行い、その統計解析を行った。

結果
２次元空間における空間分布を伴う降雨の時間発展から閾値を超える降雨の時空間構造を抽出した。閾値には強い降雨である 7mm/h を選択した。図１のように、空間２次元構造の閾値を超える
降雨領域の時間発展について時間・空間の３次元的な「塊」としてその等値面を得た。抽出した時空間構造の一例を図２に示す。この３次元構造の起点の位置が、突発的降雨の発生した場所に対応し、この構造の時間発展から突発的降雨の伝播方向やその速度を知ることができる。図２の例では、太平洋側で発生した突発的降雨が伝播速度は 20km/h 程度で北方向へ伝播し、その寿命が 100 分程度であったことが分かる。

図 2 降雨量の時空間構造：降雨
図 1 降雨量の時空間構造抽出方法

量 7mm/h の等値面（黒線は三河湾付近の海岸線）

展望
本研究の成果として得た伝搬の性質（伝搬方向・伝搬速度）を、地理空間と統合して解析すること
により、具体的な応用を検討する。例えば、当該地域住民へのゲリラ豪雨対応のリードタイムを評価し、アラートに役立てることや、アメダス観測点等をモニタリングポイントとして、そこで大雨が観測された場合のその後の時間発展の予測を考慮したハザードマップ策定などに貢献することが考えられる。

謝辞
本研究は、九州大学応用力学研究所平成３０年度共同利用・共同研究 30FP-29、中部大学問題複合体を対象とする共同利用・共同研究 IDEAS201831、及び文部科学省私立大学戦略的研究基盤形成支援事業（S1201030）の助成を受けたものです。

210九州大学 応用力学研究所 平成３０年度共同利用・共同研究 成果報告 30FP-29

参考文献
［１］

S. Inagaki, et al., Nuclear Fusion 53 (2013) 113006.

［２］

N. Kasuya, et al., Plasma Phys. Contrl. Fusion 57 (2015) 044010.

［３］

S. Sugita, et al., Plasma Fusion Res. 9 (2014) 1203044.

［４］

S. Sugita, et al., 5th Digital Earth Summit (2014) and 6th Digital Earth Summit (2016).

211

核融合力学分野
一般研究

30FP‑30

プラズマ乱流現象に関する可視化手法の開発と応用
有明工業高等専門学校・一般教育科

竹内伯夫

トフィールドカメラに関するサービスおよび製【研究目的】
核融合プラズマ研究において、プラズマの揺造を終了した。現在は公式サイトも閉鎖し、オン動・乱流の現象を理解することは核融合発電実現

ラインヘルプや本体および LYTRO ILLUM 専用のＰのための重要な課題の 1 つである。現在、応用力

Ｃソフトウェアの操作マニュアルなども使用で学研究所では乱流プラズマ実験装置において、プ

きない状況にある。

ローブや超高速度カメラを用いた測定およびシ【検証方法】

ミュレーションにより揺動・乱流の解析が進められており、プラズマは 3 次元に複雑に動いている

本研究において、ライトフィールドカメラの特ことが判明している。平成 29 年度の共同利用研性およびＰＣソフトウェアを理解し、奥行きに相究において、ライトフィールドカメラを用いた画

当する z 方向を特定する方法ついて検証する。図

像解析によるプラズマの揺動解析の手法の開発

１に検証実験の様子を示す。

を始め、x-y 平面の 2 次元においてプラズマの位置を求める画像解析プログラムを作成した。本年
度はライトフィールドカメラの性能を確認し、画像から奥行きである z 方向の位置情報を得ることを検討する。この手法が確立できればライトフィ
ールドカメラの１枚の撮影画像からプラズマの位置情報（3 次元座標）を得ることができる。プラズマの乱流現象解析手法の１つとしての可能

図１

検証実験の様子性を検証する。
ライトフィールドカメラの主レンズの先端か【ライトフィールドカメラについて】

ら 5.0cm、10.0cm、15.0cm にある位置に被写体をライトフィールドカメラは、被写体からの光線

置き、カメラでそれぞれの被写体にピントを合わ

を、三次元的な情報も含めて記録することが可能

せた際にカメラの液晶に表示される「スポット深であり、イメージセンサーの前面にマイクロレン度」の情報を調べる。その後、撮影した写真をパ

ズアレイを配し、光線の明暗だけでなく、光線のソコンに転送し、それぞれの画像に対してソフト

入射方向に関する情報も記録するカメラである

ウェアで 3 つの被写体にピントを合わせた「フォ[1]。撮影後にピントを自由に移動させたり、被ーカス」の値を調べる。カメラ本体に表示される

写体深度を変えたりした画像を出力することが「スポット深度」はソフトウェア上では表示されできる特徴を有している。本研究で使用したライ

ず、逆にソフトウェアで表示される「フォーカス」

トフィールドカメラは 2014 年に発売されたはカメラ本体には表示されないため、その関係に

LYTRO 社の「LYTRO ILLUM」である。ライトフィ

ついても調べることにした。

ールドカメラはその構造から市販されている商品は限られていたが、LYTRO 社は 2017 年にライ

212

正確に測定できることを確認できた。ソフトウ【検証結果および考察】

ェアで表示されるフォーカスの値はピントを本検証で撮影した画像の例として、ピントを一番手前の被写体に合わせて撮影した写真を合わせた位置が-4.0 であり、その値はピントを図２に示す。今回、3 つの被写体に対して定点手前にすると小さく、奥にすると大きくなるこのライトフィールドカメラでピントをそれぞとが分かっている。スポット深度とフォーカス

れ合わせた写真を撮影した。図の中の矢印はピの間には相関はあるが、直接の関係は今回の測ントを合わせた位置を示す。前述の通り、それ定では見つけることができなかった。

ぞれの画像は後からピントを合わせることが可能であり、初めにカメラでピントを合わせた【まとめと今後の予定】

画像と、後からその場所にピントを合わせた画

昨年度の研究によりライトフィールドカメラで撮影した画像から x-y 座標を、本年度の取り組像はまったく同じになることを確認した。

みにより z 座標を特定、すなわち１枚の画像から対象となる物体の３次元位置情報を得ることができることを示した。今後は、座標特定の精度、
実際のプラズマの画像での適用について検証していく予定である。一方でフォーカスについてはカメラに関する正しい知識も必要であることを感じた。また、LYTRO 社のライトフィールドカメ
ラ事業終了に伴い、別の３次元位置情報取得方法

図２ ライトフィールドカメラの撮影画像についても模索していく予定である。

また、被写体のカメラ主レンズの先端からの【研究体制】

位置、スポット深度、フォーカスの値（それぞ・代表者 有明高専 一般教育科 竹内 伯夫

れ 3 回の測定の平均値）をまとめたものを表１

・協力者 有明高専 一般教育科 鮫島 朋子に示す。

有明高専 技術部 森田 恵一
・世話人 九州大学 応用力学研究所 稲垣 滋

表１

被写体位置、スポット深度、フォーカスの
【謝辞】

関係
被写体

スポッ

フォー

フォー

フォー

昨年度に続き、ライトフィールドカメラについ

位置

ト深度

カス 1

カス 2

カス 3

て共に調査した有明高専電気工学科 4 年の西村

5.0cm

16cm

-3.07

-16.10-21.04

勇輝氏と宇都隆史氏に感謝申し上げる。

10.0cm

21cm

9.53

-3.66

-8.79

15.0cm

27cm

14.80

1.64

-3.85

【参考文献】[1] 蚊野 浩「ライトフィールドカメラ Lytro の動作原理とアルゴリズム」第 127 回微小光学

カメラの液晶に表示されるスポット深度は
被写体の奥行きを示すものである。主レンズの研究会, Vol.31, No.1, pp.17-22, 2013.

先端からの位置に約 11cm を足した値となって

http://www.cc.kyoto-su.ac.jp/~kano/pdf/paper/201

いることが分かり、カメラで奥行き位置がほぼ3%20MOC%20Lytro.pdf

213核融合力学分野
一般研究

30FP‑31長時間放電におけるタングステン壁排気の物理素過程の解明と制御

九州大学応用力学研究所 中村一男
目的：QUEST および LHD における長時間放電を支配する壁排気について、タングステンに特化してその物理過程の解明と制御を目的とする。LHD におけるヘリウム長時間放電では、Phase 1 において高い正の排気率を示し、Phase 2 において負の排気率に転じ、Phase 3 において再び正の排気率が復活する。壁飽和と堆積層で解釈されている。QUEST における水素長時間放電では、Phase 1 において高い
正の排気率を示し、粒子供給は時間とともに減少する。Phase 2 において粒子供給は停止したり再開したりを繰返す。Phase 3 において粒子供給は全く行われなくなり、H一定制御不可となる。高温壁における APS-W の壁排気で解釈されている。本共同利用研究では、APS-W の壁排気の物理素過程を解明するとともに、その制御の方法の探索を目的とする。
序論：タングステン（Ｗ）は高融点、高熱伝導度、低熱膨張率、高質量密度を有する耐熱材料である。
Ｗコーティングは核融合炉における冷却配管、熱シールドなどの表面特性の改善に利用される。Ｗコー
ティングの技術として APS (Atmospheric Pressure Spray)と VPS (Vacuum Plasma Spray)がある[1]。
溶射Ｗの壁排気の物理素過程を解明するには、溶射過程の解明、溶射Ｗの特性評価が必要である。溶射Ｗの熱的特性評価として、電子ビームを熱源とした熱負荷装置を用いた熱負荷実験、市販ソフトウェア
ANSYS を用いた熱解析が共同利用研究でなされている[2]。また、タングステン（Ｗ）を ITER や原型炉のダイバータ板として使用する計画である。その使用に際しては破壊靭性の評価が必要である[3]。タングステン（Ｗ）の非等方性が破壊方向に及ぼす影響について調査・検討したので、その内容について報告する。
調査内容：身近な破壊の例としては、昨年 9 月 6 日に起きた「平成 30 年北海道胆振東部地震」の際の土砂崩れがある。土という等方性材料に鉛直方向の重力が加重されれば、その重力は土砂内に仮定した斜面に直角方向の圧縮応力度 と平行方向のせん断応力度に分解される。圧縮応力度に比例した摩擦力（せん断抵抗力）𝜎tan𝜃がせん断応力度と逆方向に働く。せん断応力度がせん断抵抗力𝜎tan𝜃を上回ったとき土砂崩れが起きると考えられる。そのクーロンの破壊基準をモールの応力円とともに
図１に示す。土の場合はせん断応力度が 0 でも、何らかのせん
断抵抗力（粘着力）c が働く。したがって、モールの応力円がクーロンの破壊基準と接するとき、すなわち、鉛直方向から 45 度の方向より少し大きな角度で、土がせん断破壊して、土砂崩れが発生する。
金属の場合も、等方性金属材料に圧縮応力を加重すると、圧縮方向から 45 度の方向に、せん断破壊による縞模様が見られる（図２）[4]。金属内に仮定した斜面に働く垂直応力度およびせん断応力度の角度依存性を図３に示す。45 度の方向でせん断応力度が最大となり、その角度でせん断破壊すると考えられる。すなわち、延性材料の降伏条件としてよく用いられるトレ214

図１．クーロンの破壊基準とモールの応力円．

図２．せん断破壊による縞模様

スカの最大せん断応力説「最大のせん断応力度がある値に達すると降伏が起きる」と一致する。
検討内容：タングステン（Ｗ）のように非等方性がある場合、破壊方向はどのように影響されるかを考える。ヤング率は非等方性を有している。しかし、その非等方性は応力-ひずみ関係式に影響を与えるが、モールの応力円には影響を与えない。すなわち、線形弾性論の範囲では、破壊強度（降伏強度）の非等方性に影響を与え 図３．垂直応力度およびせん断応力度の角度依存性
るのみと考えられる。せん断破壊強度（降伏強度）が非等方性をもち、加重方向のせん断破壊強度が直角方向のせん断破壊強度の半分の場合を考える。せん断応力度の平行、直角のいずれかの成分がせん断破壊強度に達したときその方向に破壊すると考える。




)
 y  min(  , // )  min(  ,cos  sin 
cos  2 sin 
この破壊条件をモールの応力円とともに図４に示す。クーロンの破壊基準と似ているが、土砂崩れと逆に、加重方向から 45 度の方向より少し小さな角度で破壊すると考えられる。参考までに

図４．非等方性材料の破壊条件のモールの応力円

身近な破壊の例として、木柱を繊維方向に圧縮した場合のせん断破壊写真を図５に示す。
非線形弾性論については今後の検討課題である。

[1] O. Kovarik, P. Hausild, J. Siegl, T. Chraska, J. Matejicek,
Z. Pala, M. Boulos: The influence of substrate temperature
on properties of APS and VPS W coatings, Surface &Coatings Technology 268 (2015) 7-14.
[2] K. Tokunaga, T. Hotta, K. Araki, Y. Miyamoto, T. Fujiwara,
M. Hasegawa, K. Nakamura, A. Kurumada, M. Tokitani, S.
図５．非等方性材料のせん断破壊例
Masuzaki, K. Ezato, S. Suzuki, M. Enoeda, M. Akiba:
Thermomechanical Behavior of Plasma Spray Tungsten
Coated Reduced-Activation Ferritic/Martensitic Steel,
Journal of IAPS, Vol.24, No.2 (2016) 73-78.
[3] 徳永 和俊，松尾 悟，栗下 裕明, 外山 健, 長谷川 真, 中村 一男: ITER-grade タングステン圧延材における疲労予き裂導入と破壊靭性評価, 原子力学会, 茨城大学水戸キャンパス (2019).
[4] J. M. Gere, S. P. Timoshenko: Mechanics of Materials, Third SI Edition, Chapman & Hall (1995) 87.

215

核融合力学分野
一般研究

30FP‑32

酸化物結晶における照射欠陥形成およびその安定性
九大工

山口芳昭（院），吉岡

聰，安田和弘，松村晶

CEA-Saclay Jean-Marc Costantini
1. 目的
蛍石構造酸化物セラミックスは放射線環境下において優れた耐照射損傷性を持つことが報告されている。二酸化ウラン（UO2）は軽水炉燃料としての実績があり、立方晶安定化ジルコニア（YSZ）
は長寿命核種の核変換母相材料として期待されている。これらの材料中には核分裂片による高密度電子励起損傷が誘起され、イオン飛跡に沿ってイオントラックと呼ばれる柱状の照射欠陥が形成される。これまで、UO2 の模擬材料として同一の結晶構造と類似の物性値を持つ CeO2 中に形成されるイオントラックに関する研究が行われており、CeO2 中のイオントラックは蛍石構造を保持するものの、直径 2 nm 程度の領域で原子数密度が低下していることが明らかにされている(1),(2)。一方、YSZ は蛍石構造を呈する酸化物であるが、酸素副格子位置に構造空孔が存在し、また、室温から 1400 ℃にかけて熱伝導度は約 1.7 W/(m・K)と、UO2 と CeO2 の 1/3 以下の低い値を示す。この
ため、YSZ 中のイオントラックは UO2 と CeO2 とは異なる構造や形成効率を示すことが考えられるが、
YSZ 中のイオントラック構造と蓄積過程に関する知見は十分ではない。本研究では核分裂片を摸擬した高速重イオンを照射した YSZ の微細構造を透過電子顕微鏡法により観察し、YSZ 中イオン
トラック構造とイオントラック蓄積過程を明らかにすることを目的とした。
2. 実験方法
ZrO2 に Y2O3 を 9.8 mol%添加した板面(001)面の YSZ 単結晶、および 8 mol%の Y2O3 を含む YSZ 粉
末から作製した焼結体を使用した。YSZ 粉末を一軸加圧および静水圧加圧により柱状ペレットに成形し、1600 K まで昇温した後、12 時間保持して室温まで冷却し、焼結体を作製した。焼結体を低速ダイアモンドカッター、SiC 耐水研磨紙で厚さ約 500 μm にし、YSZ 焼結体および単結晶を
直径 3 mm の円板に打ち抜いた。これらを回転研磨機により厚さ約 150 μm にした。この試料に日本原子力研究開発機構のタンデム加速を用いて 340 MeV Au26+イオン、200 MeV Xe14+イオン、100 MeV
Kr8+イオンを室温にて 1×1011 ~ 1×1015 cm-2 まで照射した。ディンプラーにより照射試料の中心領域を厚さ約 20 μm まで薄くし、Ar イオン研磨装置を用いて薄膜試料とした。この試料を九州
大学超顕微解析研究センター内のハイコントラスト補助電子顕微鏡(JEOL、JEM-2100HC)により明視野法を用いて加速電圧 200 kV にて観察した。また、同施設内に設置される収差補正走査/透過電子顕微鏡(JEOL、JEM200F)を用いて走査透過電子顕微鏡法による高分解能観察を行った。
3. 結果および考察
100 MeV Xe14+イオン、200 MeV Xe14+イオン、340 MeV Au26+イオンを照射したYSZ中のイオントラックはフォーカス条件に依存して白黒反転するフレネルコントラストとして観察された。このことは、YSZ中イオントラックの中心領域において、原子数密度がCeO2と同様に低下していることを示している。図1 (a)~(c)は340 MeV Au26+イオンを(a) 1×1011 cm-2、(b) 5×1011 cm-2 (c) 2×1012

216

cm-2まで照射したYSZのTEM明視野像である。観察はイオントラックがスクリーンと平行になる方向
から、+1.0 μmのデフォーカス条件で行った。イオントラックは黒いドット状のコントラストとして観察され、その平均直径は1.8 nmであった。100 MeV Kr8+イオンと200 MeV Xe14+イオンの場合、
イオントラック直径はそれぞれ
1.3 nmと1.5 nmであり、CeO2のイ
オントラック直径に比べ小さい値となった。図1 (d)に100 MeV Kr8+
イオン、200 MeV Xe14+イオン、340
MeV Au26+イオンを照射したYSZ中のイオントラック数密度と200
MeV Xe14+イオンを照射したCeO2中のイオントラック数密度(1)の照射
量依存性を示す。100 MeV Kr8+イオンの結果を除き、イオントラック
数密度は低照射量において照射量にほぼ比例して増加しており、このことはイオントラックが電子励起損傷から直接的に形成されていることを示している。また、イオントラックの形成効率が1以下であることが分かる。100 MeV Kr8+
イオンをYSZに照射した条件においては、イオン照射による点欠陥

図 1 (a)~(c)340 MeV Au26+イオンを照射した YSZ の TEM 明
視野像、および(d) YSZ と CeO2(1)中イオントラック数密度の照射量依存性が蓄積することによりYSZの熱伝導度が低下し、ダメージ領域における形成効率は非ダメージ領域における形成効率よりも大きくなることが考えられる。一方で、すべての照射条件において、イオントラック数密度は高照射量域において飽和しており、イオン
トラックの形成と回復が平衡していることを示している。
図１の結果に基づいて、蓄積過程のモデリングを行った。その結果、イオントラック形成効率と回復影響領域は電子的阻止能値の増加に従って増大すること、およびYSZ中のイオントラック
形成効率と回復影響領域の値はCeO2に比べて著しく小さい値を示した。以上の結果は、YSZ中のイオントラックでは溶融状態から回復が効率よく起こっていることを示唆している。

217

核融合力学分野
一般研究

30FP‑33
逃走電子の超高感度計測法の検討

核融合科学研究所・ヘリカル研究部 秋山毅志
目的
プラズマディスラプション時に発生する逃走電子は、真空容器内構造物に重大な損傷を起こしうる。そのため、ITER でも発生の抑制、または発生時の速やかな散逸方法などが求められ、様々なトカマク装置で研究がなされている。散逸方法を確立するうえで必要なのは、高感度でかつ応答時間が速い逃走電子の計測である。本研究では、逃走電子の高感度計測法としてプラズマからの RF 放射計測を提案し、その有用性を検証する。
経緯と研究の重要性
LHD では浦項工科大学との共同研究でイオンサイクロトロン放射（Ion Cyclotron Emission（ICE））やホイ
ッスラー波の領域に相当するプラズマから数十 MHz～数 GHz の放射を計測し、高エネルギー粒子の研究を実施してきた。LHD にてポロイダルコイル電流を掃引する特殊な運転をした際、イオンサイクロトロン
加熱及び中性粒子ビームの入射無しに、極めて強い RF 放射が観測された。一方で、磁気計測には大きな変化が観測されておらず、プラズマ電流としては計測不可能なほどごく少数の逃走電子でも、強い RF
放射を誘起していることが推測される。本観測結果は理論的な検討を要するものの、RF 計測は逃走電子に対して感度が高く、RF 放射計測は逃走電子の初期の成長段階で感知し、ペレットやガスパフの入射を速やかに行うことに資する可能性がある。更に、RF 放射計測は簡易な金属製アンテナでも感度良く観測でき、設置場所の制約も少ないという利点がある。そのため、ITER のように一般的な計測器でも設置が困難で、極めて高い放射線環境下にある装置でも容易に設置ができる。
現在、QUEST では稲垣教授を中心に Ion Cyclotron Emission (ICE) 計測の計画が進められており、それの一環として逃走電子の計測手法としての RF 放射計測の妥当性や有用性を検証する。
RF 放射計測は、ITPA Diagnostic Topical group meeting にて Action item の 1 つとなっている。RF 計測
が LHD や KSTAR でなされているような高エネルギー粒子研究だけでなく、逃走電子の高感度検出も可能になれば、物理研究のための計測という位置付けだけでなく、装置運転のための計測という大きな価値も持つことになり、計測の重要、設置の優先度が高まる。特に ITER のファーストプラズマでは、ECH 加熱
入射時に逃走電子の発生を抑えるため、干渉計で測定する電子密度が一定値以下であれば、ECH 入射を停止するというシナリオが考えられている。もし、高感度の逃走電子の計測が容易に行うことができれば、RF 放射強度を直接的な制御信号とすることができるため、ITER 運転や計測器検討に対するインパクトは大きいと考えられる。
検討結果
図 1 に、LHD でコイル電流スイープをした際に発生した RF 放射の観測結果を示す。この時の中心磁場強度は 0.917 T であり、QUEST の 4 倍程度である。LHD での RF 放射計測は、フィルタバンクによる周
波数毎の強度計測（図 1 右側）と、図 2 に示す高速サンプリングによる周波数スペクトル計測からなる。150～250 MHz 程度の周波数帯が t =3 秒程度から観測されている。3.3 秒には中性ガスの増加がみられる
が、これは逃走電子が真空容器壁をスパッタしているためと推測される。図 2（1）の周波数スペクトルは 0,150, 280, 430 MHz の大きな構造に、4 MHz の高調波が重畳した構造になっている。4 MHｚはプラズマ周辺での磁場強度に対応した、重水素の ICE 基本周波数である。QUEST にて同様な運転を行うとすれば、磁場構造の違いはあるにしろ、概ね 1 MHz 程度の高調波が観測されるものと考えられる。LHD では、図 2（2）観測に電流導入端子の先端にかぎ型の長さ 30 cm の無酸素銅製ダイポールアンテナを用いている。
高調波成分の計測も考え、LHD と同様のアンテナで十分計測可能であると考えている。プラズマへの距218

離が LHD よりも近くなることから、プラズマへの影響も懸念されるため、これを回避するのであれば、DIII-Dの ICE 計測と同様に、絶縁体（DIII-D ではカーボンタイル、QUEST ではセラミックを検討）の裏側にループアンテナを設置することでも計測が可能と思われ、より設置が容易になる。

図 1 LHD でのポロイダルコイル電流スイープ時に観測した RF 放射

(1)

(2)

図 2(1) 図 1 の放電で観測した RF 放射の周波数スペクトル, (2) LHD でのダイポールアンテナ

まとめ
LHD での観測結果、及びアンテナ設計を参考に、QUEST での RF 放射計測系の検討を行った。LHD
での 0.9 T 低磁場運転で強い放射が観測されているため、逃走電子発生時には概ね同じオーダーの周波数帯で放射が予測され、同様の計測系を設置することで、通常の放電時の ICE に加え、逃走電子に関連すると推測される放射を観測可能と考えられる。
研究組織
研究代表者：秋山毅志（核融合研）、Gunsu Yun（浦項工科大）、稲垣滋（応力研）

219

核融合力学分野
一般研究

30FP‑34
プラズマに対向した堆積層の動的水素リテンションに関する研究

京都大学大学院工学研究科 高木郁二
１．目的
プラズマに対向した固体表面における水素リテンション（保持量）は、プラズマの長時間維持に大きな影響を及ぼす因子である。本研究では、タングステン基板に蒸着したタングステン膜を、プラズマ対
向壁における堆積層の模擬試料として、イオンを注入した蒸着膜における重水素のリテンションを実験的に調べた。
２．方法
試料は九州大学片山先生に提供いただいた、タングステン板に水素プラズマ RF スパッタ法によってタングステン蒸着膜を生成した試験片である。試料の性状などを表１に示す。W や He イオンのエネル
ギーは、蒸着膜中に損傷が生成するように選んだ。W と He が生成する損傷が最大となる深さは、それ
ぞれ、0.22 m と 0.35 m である。
表１ 試料一覧
試料名

寸法

W-W01
W-W02
W-W03

15x15x1mm3

蒸着 W 厚さ

照射イオン

平均損傷量

照射時温度

0.84 m

－

0 dpa

－

0.75 m

4.8MeV-W

0.3 dpa

常温0.97 m

0.4MeV-He

1.1 dpa

250℃

実験では、蒸着膜を重水素プラズマに曝し続けた状態で 3He イオンを照射し、核反応を利用して蒸着
膜中の重水素濃度の深さ方向分布を測定した。この測定方法では定常状態での重水素のリテンションを測定することができる。重水素のエネルギーは 1eV 程度であるため、蒸着層に損傷は生成させない。
３．実験結果
図１に W を注入した W-W02 試料における重水素の深さ方向分布の例を示す。横軸は表面からの深さ、縦軸は重水素濃度である。深さ 0 に濃度のピークがあるのは表面に重水素が吸着しているためである。120℃での測定は２回行ったが、常温から8.0x1020

1.0

before280℃
after280℃

重水素濃度(cm-3)

うにかなり低かった。次に 280℃に加熱すると濃度は増加し、その後 120℃に戻してから測定すると最初の状態よりもはるかに濃度が高くなっていた。濃度が高くなった深さはイオンが照射損傷を生成させた領域とほぼ一致した。
これはイオン

6.0x10200.8Wイオン照射損傷分布0.6

4.0x1020
0.4
2.0x1020

損傷量(dpa)

120℃に加熱した状態での濃度は図１に示すよ0.2

注入によって欠陥が生成し、加熱によって欠陥が0.0

水素のトラップとなったためと考えられる。蒸着

0.0
0.0

膜中の平均重水素濃度は 400℃までほとんど変化せず、トラップは比較的深いことが分かった。

0.2

0.4

深さ(μm)

0.6

0.8

図１ 120℃の W 注入 W-W02 における重水素

また、400℃でアニールしてもトラップは消滅しの深さ方向分布220

なかった。
非照射の W-W01 試料でも He イオンを注入した W-W03 試料でも加熱によってトラップが生成した
が、W-W03 試料の重水素濃度は他の２試料よりも高く、300℃まで加熱すると一部の重水素は脱トラッ
プし、400℃のアニールによって一部のトラップが消滅した。
４．考察
生成したトラップの性状を表２に比較して示す。これらの情報と、空孔の移動温度、複空孔や転位のアニール温度などから総合的に考察した結果、次の結論を得た。
表２ 生成したトラップの比較
試料

照射

トラップ
生成温度

平均トラップ密度
深さ

400℃アニール後

アニール前

W-W01

無し

280℃

深い

2×1020cm-3

0.8×1020cm-3

W-W02

W

280℃

深い

1.4×1020cm-3

1.4×1020cm-3

W-W03

He

250℃

比較的浅い

3.3×1020cm-3

1.6×1020cm-3(1) トラップは単空孔の移動によって生成する。
(2) 空孔型の欠陥の安定性から判断すると、全ての試料について複空孔がトラップとして働いている。
(3) He は空孔と複合体を形成してトラップとして働く。このトラップは複空孔よりも浅く、400℃で消滅する。
今年度の申請書に記載したように、1eV 程度の低エネルギー水素原子の反射に関する実験も行った。
詳細は省略するが、今までは、ある仰角と方位角に反射された水素のみを検出していたために全体の反射係数を得ることが困難であったのに対し、今年度の実験では反射された水素原子を反射率の高い円筒管で集めてから検出する方法を採用することによって、水素に覆われたホウケイ酸ガラス表面における粒子反射係数が 0.93 という非常に高い値であることが分かった。
論文・学会発表リスト
学会発表
中野晋太郎、中川雄貴、高木郁二、「RF 放電管から飛来する水素原子の径方向分布」、日本原子力学会
秋の大会 1N18、2018/9/5-7、岡山市.
研究組織
代表者
研究協力者
研究協力者
研究協力者
研究協力者
所内世話人

高木郁二
花田和明
井上大起
中野晋太郎
中川雄貴
花田和明

京都大学大学院工学研究科
九州大学応用力学研究所
京都大学大学院工学研究科
京都大学大学院工学研究科
京都大学大学院工学研究科

221

教授
教授
修士２年
修士２年
修士１年

核融合力学分野
一般研究

30FP‑35

2019 年 2 月 28 日
株式会社 日立製作所 研究開発グループ「2018 年度王昀

九州大学共同利用研究成果報告書」

題目：安定化元素を添加したオーステナイト系ステンレス鋼の照射特性評価
１．目的
沸騰水型原子炉（BWR）の炉内構造材を適用対象として，耐食性，耐応力腐食割れ（SCC）性並びに耐照射性を向上した材料の開発に取り組んでいる．本研究の一環として，安定化元素 Ta 添加を施した
高 Cr 高 Ni のオーステナイト系ステンレス鋼の開発を進めている．本開発材の照射誘起粒界偏析（RIS）
や照射硬化などの照射特性に及ぼす構成元素の影響を理解するために，重イオン照射後の試験片を対象に，照射欠陥の定量評価を実施した．
２．開発材の化学成分
耐照射性への添加元素影響を明確化することを目的として，安定化元素 Ta を添加した開発材を試作した．また，比較のため，現行材 SUS316L と市販の冷間圧延材 SUS310S を用意した．表 1 にこれらの開発材と比較材の化学組成を示す．
表 1 開発材の化学成分
照射試験
○
○
○
○
○
○

開発材
H23-3
H23-4
H23-5
H23-6
SUS310S
SUS316L

C
0.013
0.013
0.013
0.013
0.050
0.009

Si
0.52
0.49
0.50
0.51
0.58
0.60

Mn
0.93
0.93
0.92
0.93
0.74
0.89

P
S
0.025 0.001
0.022 0.002
0.023 0.002
0.024 0.001
0.020 ＜0.001
0.018 0.005

Cu
0.29
0.28
0.29
0.28

Ni
14.30
18.94
19.36
21.52
19.22
12.26

Cr
17.57
25.03
25.03
20.94
25.41
16.31

(mass%)
Mo
2.2
<0.01
<0.01
2.2

V
Nb
0.07 <0.002
0.08 <0.002
0.08 <0.002
0.08 0.00

Ta
0.43
0.21
0.40
0.41

Al
0.039
0.047
0.030
0.047

N
0.020
0.021
0.020
0.019

O Base material
0.003
SUS316L
0.004
SUS310S
0.007
SUS310S
0.004 γ相安定化

2.1

３．照射試験片
上記の各供試材から，3mm×0.2mmT の円盤試験片を作製して，「エメリー研磨→ダイヤモンドペース
ト研磨→コロイダルシリカ研磨→電解研磨」の順に，表面を仕上げた．代表例として，SUS316L の照射
試験片の外観と組織を図 1 に示す．
４．照射欠陥の観察と定量評価
温度 300°で照射量 1dpa の Fe2+イオンで照射した各供試材を対象に，照射欠陥の観察を実施した．照射試験片から厚さ 100 nm 前後の電子顕微鏡観察用試験片を製作した．照射欠陥の観察は，収差補正走査･透過電子顕微鏡（STEM）JEM-ARM200F を用いて行った． STEM の電子線を照射表面近傍の断面に入射させ，深さ方向で微細組織分布を観察した．また，照射欠陥の数密度を求めるために，同 STEM 装置に搭載された電子エネルギー損失分光（EELS）装置を用いて，損傷ピーク深さ近傍領域での試験片の厚さを測定した．
代表例として，SUS310S と 0.4Ta+SUS310S (H23-5)の WBDF (Weak Beam Dark Field) 像を図 2 に示す．
照射欠陥は白いコントラストで観察された．また，EELS により両試験片の損傷ピーク深さ近傍領域で

222

得られた試験片厚さの評価結果を図 3 に示す．両者の厚さは 100 nm 以下となり，ほぼ同等であった．
図 4 に上記 6 つの供試材から得られた深さ方向の照射欠陥数密度分布を示す．Ta を添加した開発材は，全体的に照射欠陥の数密度の最大値は 4×1022/m3～7×1022/m3 となり，SUS316L と SUS310S に比べて低
かった．
５．まとめ
Ta を添加した開発材を対象に実施した照射欠陥の定量評価結果から，Ta 添加により照射欠陥の数密度が低減し，優れた照射特性を得ることが実証された．
６．今後の課題と対応
今後は拡散理論に基づき，今回得られた照射欠陥の定量評価結果から開発材の耐 RIS 性，さらに IASCC
性向上のメカニズムを検討する予定である．

(a) 照射試験片の外観(b) 照射試験片の表面観察（SUS316L）

図 1 照射試験片の外観と組織観察

表面

図 2 照射試験片断面の WBDF 像

223

(a) SUS310S(b) 0.4Ta+SUS310S (H23-5)
EELS による照射損傷領域の厚さ評価

Number density, d (m-3)○ 18Cr(SUS316L)● 18Cr+0.45Ta(H23-3)■ 21Cr+21Ni+0.45Ta (H23-6)◆ 25Cr(SUS310S)◆ 25Cr+0.22Ta (H23-4)◆ 25Cr+0.45Ta (H23-5)

1.4E+23

1.75

1.2E+231.50

1.0E+23

1.25

8.0E+221.00

6.0E+220.75

4.0E+220.50

2.0E+220.25

0.0E+00

0.00
1000 1200 1400

0

200

400

600

800

Depth, x (nm)

図 4 照射欠陥数密度の分布

224

Dose (dpa/s)

図3

核融合力学分野
一般研究

30FP‑36

複合照射環境下におけるタングステンの水素同位体吸蔵特性に関する研究
筑波大学数理物質系

坂本瑞樹

１．はじめにプラズマを取り囲む材料の表面状態は、照射損傷、スパッタリング、再堆積、バブル形
成等の様々なプラズマ・壁相互作用（PWI）現象に起因して変化する。さらに核融合炉におけるプラズマ対向材料は、中性子、水素同位体、ヘリウムの複合照射環境下に置かれることになる。このような複合照射環境下における材料の水素吸蔵特性に関するデータは数少なく、今後データベースを構築していく必要がある。本研究では、核融合炉のプラズマ対向材料の最有力候補であるタングステン材料に注目し、中性子を模擬した重イオンによる表面改質及び重イオンとヘリウムや水素同位体の複合照射による材料の表面改質が水素吸蔵特性へ与える影響を明らかにすることを目指した。本年度は、ヘリウムプラズマ照射が材料表面改質に与える影響に注目して実験を行った。
２．実験結果及び考察
今回実験に用いた小型プラズマ生成装置 APSEDAS は、真空容器の周りに 2 個の磁場コイルが設置されており、真空容器中心で最大約 0.05T の磁場を発生させることが可能である。真空容器上部のヘリカルアンテナに 13.56MHz の高周波を印加することによって直径約 50mm のプラズマが生成される。APSEDAS の向かい合ったポートを用いて、キセノン
ランプ光源、ロッドレンズ、偏光子、試料、回転検光子、ズームレンズ、分光器となるように光学系が組まれ、分光エリプソメトリーシステムが構築されている。直線偏光光の入射角はタングステンの擬ブリュースター角に近い 75°である。また、偏光子の前後にスリットを設置し、キセノンランプ光が試料にのみ照射されるようになっている。さらに、プラズマ照射中のその場測定を行うため、プラズマ発光とキセノンランプ光源由来の試料反射光を区別できるよう、ロッドレンズと偏光子の間に光学シャッターが導入されている。試料を反射した p 偏光と s 偏光の位相差と振幅比を角度で表した Δ と Ψ を測定する。
今回実験に用いた試料は ITER 仕様タングステン（10 x 10 x 1 mm3）で、プラズマ照射領
域は中央の 8mmφである。照射したヘリウムプラズマの電子密度は約 1.3× 1017 m−3 であり、試料へのイオンの入射エネルギーは約 37eV である。照射フラックスは約 1.5×
1021 m−2 s−1 であり、フルエンスが 5.5× 1024 m−2 までプラズマ照射した。放射温度計で測定した照射中の試料表面温度は約 575-610K であった。
図 1(a)及び(b)に、He プラズマ照射前と照射中の波長 450-800nm における Δ と Ψ のスペ
クトルをそれぞれ示す。He プラズマ点火後、450-800 nm の波長範囲において Δ は減少し、
Ψ は増加し続けた。また、プラズマ点火後約 400 秒で Δ と Ψ の変化量は飽和し一定とな
り、Δ は約 6°下降し、Ψ は約 1.5°上昇することが明らかとなった。今回のヘリウムプラズ

225

マ照射ではヘリウムイオンのエネルギーと試料表面温度が低いため、これまでの結果から表面形状等の変化は見られないが、材料表面では改質が起きていることが示された。今後、
このような試料に重イオン照射を行い、複合効果について調査していくことが課題である。

ψ (deg)Δ (deg)プラズマ照射前
0 - 72 sec
144 - 216 sec
792 - 864 sec
3574 - 3646 sec

Wavelength (nm)Wavelength (nm)図１ヘリウムプラズマ照射前及び照射中における試料を反射した p 偏光とs 偏光の(a) 位相差 Δ と(b) 振幅比 Ψ のスペクトルの時間変化

３．研究組織研究代表者：坂本 瑞樹（筑波大学・数理物質系・教授）
所内世話人：渡邉 英雄（九州大学・応用力学研究所・准教授）
共同研究者：坂本 隆一（核融合科学研究所・教授、微細組織解析）
共同研究者：時谷 政行（核融合科学研究所・助教、微細組織解析）
共同研究者：寺門 明紘（筑波大学・数理物質科学研究科・D3、表面計測）
共同研究者：野尻 訓平（筑波大学・数理物質科学研究科・D3、プラズマ計測）
共同研究者：鈴木 佑 （筑波大学・数理物質科学研究科・M2、材料表面解析）
４．成果報告(1) Y. Suzuki, M. Sakamoto, S. Ino, N. Ezumi, Y. Nakashima, “Diagnostics for Surface of Tungsten
Exposed to Deuterium Plasma by Spectroscopic Ellipsometry”, 12th International Conference onOpen Magnetic Systems for Plasma Confinement (2018.8.27-31, Tsukuba, Japan) P35.
(2) 鈴木佑、坂本瑞樹、他 8 名、「プラズマ照射によるタングステン表面変化の分光エリ
プソメトリー測定」第 35 回プラズマ・核融合学会年会 （2018.12.3-6, 大阪大学吹田キャンパス）4Pp79.

226

核融合力学分野
一般研究

30FP‑37
平成 30 年度 応用力学研究所 共同研究 報告書
QUEST 装置周辺プラズマに対する粒子リサイクリングと衝突輻射モデルの構築
Modeling of particle recycling and collisional radiation for edge plasmas in QUEST
慶應義塾大学大学院理工学研究科 畑山明聖，星野一生，巽瞭子，坪谷友香
九州大学応用力学研究所

花田和明

１．研究背景・目的
これまで，核融合炉のプラズマ対向材料として炭素材が考えられてきたが，トリチウムの長時間吸蔵による装置の早期放射化が問題となり，現在では金属材の使用が見込まれている．
しかしながら，長時間運転の際に，金属材が持つ燃料粒子の短時間吸蔵（動的吸蔵）特性によって，炉心への粒子放出が起こり，プラズマ密度制御が妨げられるという問題が生じる．
核融合炉長時間運転の実現にはプラズマ密度の制
Fig.1 Overall concept of the present model (cited from Ref. [3])

御が必要であるため，動的吸蔵特性が炉心プラズマ密度に与える影響を解析し，炉心プラズマとプラズマ対向
壁間の粒子循環（水素リサイクリング）を理解することが重要である．
球状トカマク QUEST 装置はプラズマ対向材に金属が用いられ，プラズマ密度が比較的低いため，動的吸蔵が支配的であるという特徴がある[1,2]．そのため，長時間運転時の動的吸蔵特性に伴う水素リサイクリングの解析に適していると言える．
以上を踏まえ，本研究では，１）QUEST 装置周辺プラズマに対する粒子リサイクリングと衝突輻射モデルのFig.2 Schematic drawing of the model geometry including構築を行い，２）実験と比較することによりモデル妥当

the main plasma. (cited from Ref. [3])性を検討し，よって，最終的には，３）今後の核融合炉

イクリングの解析を行い，球状トカマク QUEST 装置にの長時間定常運転に向けた水素リサイクリングおよびおける実験との比較を行う．
より具体的には，QUEST 装置を Fig.2 に示すように三炉心プラズマ密度制御手法の検討に寄与することを目つの特徴的な領域，すなわち，１）炉心プラズマ領域，２）的とする．

周辺プラズマ領域（SOL 領域），及び，３）プラズマ対向2.モデルの概要

壁（第一壁およびリミタ）に分ける．さらに，各々の領域上で述べたように，本共同研究では QUEST 装置周に対して空間的な平均密度を支配する，いわゆる０次辺プラズマとプラズマ対向壁との相互作用（Fig.1）を考

元粒子バランスの式を基礎方程式とする．すなわち，

慮したプラズマ０次元モデルおよび周辺プラズマからの以下に示す，０次元粒子バランスの式から，各領域の発光線強度計算モデルを構築し，水素リサ

平均粒子密度を計算する：
227

各々，真空容器内の中性水素分子の平均密度, ガ

１）炉心プラズマ領域

dnM
n
a2
  M  SM ,  M 
M
2 M DMdt

スパフによる粒子ソース，第一壁（あるいはリミタ）からの中性粒子リサイクリングソース，気相中における反(2.1)

ここで， nM ，  M ， a ， DM 及び SM は，各々，炉心プラズ

応による分子生成ソース，同様に反応による分子損

マ平均密度，閉じ込め時間，プラズマ小半径，及び，イ

出（解離反応，分子イオン生成など），排気による粒オン化粒子ソースを表す．また，  M は平均密度とプラ

子損出を表す．また，  H 2 は分子の真空容器内の閉ズマ表面密度との比を表す空間分布ファクターを表す．

じ込め時間を表す．

２）周辺プラズマ領域（SOL およびリミタ領域）b) 中性原子nH
dnH
 S Hgain  S Hloss  S HCX  2
dt
H

dnSOL
n
L//
 (1  f wall ) S Diff  SOL  S SOL ,  // dt
 //2 SOL Cs(2.5)

ここで， nH ， S Hgain , SHloss ,及び， S HCX は，各々，真空(2.2)
ここで， nSOL ， f wall ， Sdiff  nM /  M ，  // ， L// ， C s ，及

容器内の中性水素原子の平均密度,気相中におけるび SSOL は，各々，周辺プラズマ平均密度，炉心プラズ

反応による原子生成ソース，同様に反応による原子マから流出しプラズマのうちでプラズマ対向壁に輸送損出（イオン生成など），及び，荷電交換反応によるされるプラズマの割合，周辺プラズマ領域の 磁力線

低温原子の損出を表す．また，  H は原子の真空容方向のプラズマ閉じ込め時間， 周辺プラズマ領域

器内の閉じ込め時間を表す．

の磁力線の長さ，イオン音速及びイオン化粒子ソー

さらに，式（2.4）,スを表す．また，  SOL は空間分布ファクターを表す．

(2.5)の基底状態の水素分子，原子密度に加えて，振動励起分子や励起原子をも考慮しまた，上記，領域１），２）でプラズマ粒子種としては，

た衝突輻射モデル（CR モデル）を構築した．上のプラズ

電子(e)，水素イオン(H+)，水素分子イオン(H2+,H3+)をマ及び壁に対する０次元モデルとこのＣＲモデルとを結考慮する．

合することで QUEST 装置における分光計測実験との比較が可能となる．すなわち，本研究で構築したモデ

３）プラズマ対向壁
dnWall Wall 2kWall 2


nWall
dt
dWall dWall

ルにより，実験で観測される Hα 線の強度と中性粒子の(2.3)

イオン化量，炉心プラズマ密度やプラズマ対向壁へのここで， nwall ， wall ， d wall は，各々，第一壁（あるいは，

粒子入射束との関係を考察することが可能となる．

リミタ）における水素原子平均密度，壁へのプラズマ粒
子束密度，及び，粒子が吸蔵される壁（再堆積層）の厚3.結果さを表す．また， kwall は壁における水素原子の再結合

2.で構築したモデル，及び，QUEST 装置パラメータを係数を表す．

用いて計算した結果を次頁，Fig.3 及び Fig.4 に示す

モデルでは，プラズマ粒子に加えて，中性粒子（分子[3][4]．ただし，計算にあたっては，簡単のため，①第一H２，原子 H）についても以下の 0 次元粒子バランスの

壁とリミタの材料及び再堆積層の厚みは等しい，②リ式を解く．ただし，中性粒子は磁力線には束縛されないミタ前面でのリサイクリングによるイオン化ソースを無視ため,する，③壁からの粒子放出係数 kwall をパラメータとして，

炉心プラズマ領域と周辺プラズマ領域とを区別しない．

二つの場合（ kwall  0.2 1038 m4 /s,a）中性分子1.0  10 38 m 4 /s ）について，計算結果を実験結果[4]と

dnH 2
dt

-Puff
/ Lim
 S HGas S HWall S Hgain
 S Hloss S HPump

2
2
2
2
2

nH 2

比較した．その他の解析条件，考慮した気相中での反H応過程などの詳細については，文献[3]を参照されたい．

2

(2.4)
ここで， nH2 ， S

Gas -Puff
H2,SWall / Lim
H2

, S

gain
H2

, S

loss
H2

, S

Pump
H2

Fig.3(a) と(b)との比較からわかるように，初期

は，

228

Fig. 3 Time evolution of the H atom wall-inventory. (Left: Experimental result [4], Right: Simulation result).
Difference of the wall temperature in the experiments (Red: room temperature, Blue: 373K) is treated withdifference of the kwall in simulation. (cited from Ref. [3])Fig. 4H intensity observed in the experiment (Left) [4] and calculated with QSS-CR model (Right).
(cited from Ref. [3])的には壁への吸蔵粒子数には，差はみられない．しかまた，壁の温度が高い程（粒子放出係数 k wall が大きい）

し，長時間経過すると，実験では壁温度が高い程，計ほど，この傾向が顕著に現れている．

算では粒子放出係数 k wall が大きいほど，吸蔵粒子数の以上のように本研究で構築したモデルは，定性的に飽和が早い．壁温が高い程，粒子放出係数 k wall が大きは，実験と概ね良い一致をみている．しかしながら，定いと考えられるから，実験と計算とは定性的に良い一致

量的には壁が飽和に達するまでの時間が実験結果にが得られている．また，吸蔵粒子数飽和レベルは，粒子比較して，短いなどの問題もある．

放出係数 k wall の値に依存するが，計算で用いた粒子放上で述べたように，上記，文献[3]の解析では，①実出係数 k wall の値は，非現実的な値ではなく，他の実験

質的に第一壁とリミタの区別をせず，壁全体を同一にから示唆される現実的なオーダーの範囲にある[5]．

扱っていた，また，②リミタ前面でのリサイクリングの効実験では，プラズマからの Hα 線発光強度がある閾

果を無視してきた．最近，これらの簡単化を行わず，さ値を下回ったら外部からガスパフを行うことによってプらに，プラズマ及び中性粒子の空間分布の効果を表す

ラズマの密度制御を行っている[4]．Fig.4(a)と(b)との比ファクターをより現実的な値にすることで，定量的にも較から，計算結果は Hα 線発光強度に関する実験結果

実験により近い値を得ることが可能になってきているを定性的によく再現していると考えられる．すなわち，[6]．

放電時間が長くなるにしたがって，Hα 線発光強度のピ
4.結論と今後の課題

ーク間の周期が長くなること，

本研究で構築したモデルは，上で説明したように
229

QUEST 装置における粒子リサイクリング特性の理解に

分子活性化再結合の解析」，第 12 回核融合エネ

役立つことは，もちろん，今後の核融合炉長時間運転

ルギー連合講演会，ピアザ淡海(滋賀県立県民交

におけるプラズマ対向壁への粒子吸蔵特性を含むグロ

流センター)，2018 年 6 月．

ーバルな粒子リサイクリング特性の理解や，炉心プラ
ズマ密度制御についての知見を得るための有用な解析ツールになり得ると考えられる．
今後は，ASDEX-U, JET などの，さらに大型かつ高密度プラズマ条件下における長時間放電に対しても，本研究で構築したモデルを適用する．よって、さらなるモデル妥当性検証とモデル改善を継続するとともに，ＩＴＥ
Ｒや原型炉クラスの核融合炉の長時間運転，炉心密度制御の検討に寄与していきたい．

参考文献[1] K. Hanada, et al., Plasma Science and Technology 18,1069 (2016).
[2] K. Hanada et al., Nucl. Fusion 57, 126061(2017).
[3] K. Okamoto, et al., Contrib. Plasma Phys. 58,
602(2018).
[4] T. Honda, Department of Advanced Energy
Engineering Science, Kyushu University, Master’s
thesis (2014).
[5] T. Murakami, et al., Int. Conf. Fusion Reactor Material(ICFRM2017), Aomori, Japan, Nov. 5-10, 2017
(poster presentation).
[6] S. Kitaoka, Department of Applied Physics andPhysico-Informatics, Keio University, Graduation
Thesis (2019).

本研究に関連する成果発表
１．学術論文（査読有）(1) K. Okamoto, R. Tatsumi, K. Abe, A. Hatayama and
K. Hanada, “Modeling of Plasma and Its Wall
Interaction for Long Term Tokamak Operation”,
Contributions to Plasma Physics, 58, 602-607 (2018).
(2) Y. Tsubotani, R. Tatsumi, K. Hoshino, andA.Hatayama, “Analysis of Molecular Activated
Recombination in Detached Divertor Plasmas”,
Plasma and Fusion Research, (2019) in Press.
2. 国内学会発表（１）坪谷友香，巽瞭子，星野一生，畑山明聖，「非接触ダイバータプラズマにおける ELM 発生時の230

核融合力学分野
一般研究

30FP‑38QUEST に お け る 水 素 原 子 密 度 空 間 分 布 の 分 光 計 測
京都大学大学院工学研究科

四竈 泰一

目的
トカマク周辺部のイオン流れは，プラズマ不安定性や粒子輸送等の制御因子であることが明らかになっている．このためイオンのトロイダル・ポロイダル速度の空間分布計測にもとづく流れの駆動・散逸機構の解明に向けた研究が世界的に進められている．このような 状 況 の 中 で ，QUEST で は 電 子 サ イ ク ロ ト ロ ン 共 鳴 加 熱（ ECH）単 独 で 維 持 さ れ た ，イ オ
ンへの直接の運動量入力が無いプラズマにおける流れの研究が進められている．
代 表 者 等 は ， 多 視 線 分 光 を 用 い た C2+ ， O+不 純 物 イ オ ン 速 度 の 空 間 分 布 計 測 シ ス テ ム を開発し，流れの駆動・散逸機構の研究を進めてきた．本課題では，散逸の一因と考えられている，プラズマ中に侵入した水素原子とイオンの荷電交換による運動量損失を実験的に明らかにするために，水素原子発光線強度を空間分解計測し，原子の励起発光過程のモデリングを用いて水素原子密度の空間分布を算出した．
方法
QUEST の 28 GHz ECH 放 電（ #35787，プ ラ ズ マ
電 流 -80 kA） を 用 い て 実 験 を 行 っ た ． MH16 ポ ートを利用し，中央平面上に設置したトーラス中心
か ら の 距 離 が 0.25-0.96 m の 範 囲 の 16 視 線 を 用 いて 水 素 原 子 バ ル マ ー 線 （ 主 量 子 数 n = 2-5， 波 長
434 nm） の 発 光 を 集 光 し た ． 集 光 し た 光 は 光 フ ァイ バ で 伝 送 し ， 既 設 の 分 光 器 （ Andor AM-510; 焦点 距 離 1 m，回 折 格 子 1800 本 /mm）に よ り 分 光 し ，CCD で ス ペ ク ト ル を 計 測 し た ．ス ペ ク ト ル の 波 長
範 囲 は 約 12 nm， 波 長 分 解 能 は 視 線 に 応 じ て 変 化
し ，約 20-40 pm で あ っ た ．ス ペ ク ト ル 強 度 は 標 準
光源を用いて絶対感度校正した．電流が立ち上がる 途 中 の t = 2.25-2.55 s（ フ レ ー ム 2），2.7-3.0 s（ フレ ー ム 3） の 2 つ の 時 間 帯 の デ ー タ を 解 析 し た ．

図 1. 観 測 視 線

-2

-3

-1

(x10 W m sr )結果(#35787)
ECH
バ ル マ ー 線 ス ペ ク ト ル か ら 放 射 輝 度 を 求 め ，平1.4
滑化スプライン関数で補間した後にアーベル逆変H
1.2
換を用いて放射率の径方向分布へと変換した．フ
1.0
レーム 3 のデータに対する逆変換結果を図 2 に示
す．
0.8
次に，放射率から励起上準位の水素原子密度をCS
0.6
求め，トムソン散乱計測で得られた電子温度・密0.4
度 を 入 力 と す る 衝 突 輻 射 モ デ ル 計 算 （ K. Sawada
and T. Fujimoto, J Appl. Phys. 78, 2913 (1995)）を 行
0.2って基底準位の水素原子密度を求めた．この際，0.0
水素イオンの再結合および水素分子の解離により
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
R (m)
生成する励起原子は無視した．後者の寄与は不明
だが，主量子数が大きくなるほど小さくなる．
図 2. バ ル マ ー γ 線 放 射 率 の 径 方 向
水素原子密度の径方向分布を図 3 に示す．エラ
分 布 （ フ レ ー ム 3）
ーバーは発光強度および電子温度・密度の誤差を考慮して評価した．センタースタック近傍では電子温度・密度のデータが無いため解析を行っていないが，水素原子密度はセンタースタッ
クに向かって増加していると考えられる．
求めた水素原子密度の妥当性を確認するために，フレーム 3 の解析結果を真空容器壁に231設置されている高速電離真空計で(#35787)
ECH
計測した水素分子圧力と比較した．
温 度 300 K を 仮 定 し て 圧 力 を 水 素
分子密度に換算した値，また，最nH/2 @ 0.92 m
も 外 側 の 位 置 （ R = 0.92 m） で 求
p/kBTめた水素原子密度を 2 で割った値(high-speed IG)
CSを図 3 中に実線で示す．これらのartificial
値はファクター2 程度で一致しており，プラズマ中の水素分子密度が不明なため定量的な議論はできないが，求めた水素原子密度のオーダーは妥当だと考えられる．また ，フ レ ー ム 2 の 水 素 原 子 密 度 は
図 3. 水 素 原 子 密 度 の 径 方 向 分 布周辺部で 1 桁程度小さくなっており，時間変化のメカニズム解明が求められる．
図 3 の 結 果 か ら ， フ レ ー ム 3 の 時 間 帯 で は R > 0.7 m の 領 域 に 水 素 イ オ ン と 同 程 度 の 密
度で水素原子が存在しており，荷電交換による水素および不純物イオンの運動量損失が有意になっている可能性があることが分かった．
成果報告[1] N. Yoneda, T. Shikama, H. Zushi, et al., “Spectroscopic measurements of impurity ion
toroidal and poloidal flow velocities and their dependence on vertical magnetic field in
QUEST toroidal ECR plasmas” Plasma Fusion Res. 13, 3402087 (2018)．
[2] T. Shikama, K. Hanada, K. Nii, et al., “Measurement of the ion species dependence of the
intrinsic edge rotation in spherical tokamak QUEST”, 23rd Plasma Surface Interaction inControlled Fusion Devices No.297, 2018/6 (ポ ス タ ー ).
[3] 四 竈 泰 一 ，「 QUEST に お け る 不 純 物 イ オ ン ト ロ イ ダ ル 回 転 の 発 光 分 光 計 測 」RIAM フォ ー ラ ム 2018 2018/6（ 招 待 ） ．
[4] 米 田 奈 生 ，四 竈 泰 一 ，花 田 和 明 ，他 ，
「 QUEST ECH プ ラ ズ マ に お け る 不 純 物 イ オ ン
ト ロ イ ダ ル 流 れ の 磁 場 配 位 依 存 性 」 第 35 回 プ ラ ズ マ ・ 核 融 合 学 会 年 会 5p72 2018/11（ ポ ス タ ー ）．

232

核融合力学分野
研究集会

30FP‑S1
共同利用研究集会

第 16 回トロイダルプラズマ統合コード研究会

16th Burning Plasma Simulation Initiative (BPSI) Meeting
研究代表者

京都大学
所内世話人

村上定義
糟谷直宏

１．研究集会の開催目的

応用力学研究所においては、これまで京都大学との共同研究により核燃焼プラズマ統合
コード構想を発足させ、活動を行ってきた（http://p-grp.nucleng.kyoto-u.ac.jp/bpsi/）。このプ
ロジェクトは、科研費「核燃焼プラズマ統合コードによる構造形成と複合ダイナミクスの解析」(2004~2006)、「統合コードによる ITER プラズマのマルチスケール物理に関する総合的研究」(2007~2010)、「トロイダルプラズマの運動論的統合シミュレーションコードの開発」(2008~2012)等によって部分的に支援されてきた。各年度の活動状況および次年度の活動計画を含めて研究会を毎年開催している。今回で第 16 回目となるが、第 11 回よりトロ
イダルプラズマに対象を拡大し、炉心プラズマと周辺プラズマ、MHD 現象と輸送現象、高エネルギー粒子と乱流輸送、加熱・電流駆動と長時間運転等の複合現象の統合モデリング
およびそのシミュレーションについて、包括的なアプローチとして議論している。第 2 回〜第 8 回と第 11 回〜第 15 回は応用力学研究所の共同研究集会として開催してきた実績がある。
２．開催日時
開催日程： 2018 年 11 月 29 日（木）－ 30 日（金）開催場所： 九州大学応用力学研究所 2 階大会議室
講演数：19 件、参加者数：27 名
３．研究集会の内容

トロイダルプラズマにおける複合現象の統合モデリングおよびそのシミュレーションの進展について議論するため研究集会を 2 日間にわたって開催した。外国(韓国)からの参加者も含めて講演 19 件の申し込みが集まった。件数は前年度と同程度であり、他の学会も同様な時期に集中しているので参加を見合わせた研究者がいたことを考慮するとまずまずの件数といえる。初日午前の核融合フォーラムサブクラスターとの合同会合で内外の研究情勢の報告と今後の研究方針の議論の後、午後よりこの一年の研究進展を紹介する講演を行った。内容別に分類するとトーラス統合シミュレーション 5 件、加熱 3 件、輸送モデリン
グ 3 件、高エネルギー粒子 1 件、乱流 6 件、材料 1 件であった。便宜上分類をしたが複数の分野にまたがる内容も多い。どれも質の高い研究成果報告であった。統合コードスキー
ムにビックデータ解析などの新たな手法を適応することで研究の幅が広がってきている印象がある。今回のプログラムの特徴は初日午後に統合シミュレ－ションに関する横断的セッション、および 2 日目午前に乱流輸送に関する英語セッションを設けたことである。ま233

た、乱流、運動論効果、材料特性などに関して、プラズマ複合現象のシミュレーションの基盤となる基礎研究の発表が数多くあり、幅広い研究内容を含む研究会とすることができた。このように毎年新たな話題も随所に加えながら研究会の数を重ねることができている。
さらに本年はポスドク・学生による講演が 7 件あり、例年以上に若手の活躍が見られたことも印象的である。以下に講演内容を抜粋して説明する。
本年度の研究講演最初のセッションは統合シミュレ－ションにおける各要素についての横断的な構成とした。林はコア輸送について、2020 年より稼働予定の JT-60SA トカマク装
置の運転シナリオ統合モデリングの成果を報告した。日欧共同でコードのベンチマークを行い、さらにトロイダル回転制御の各要素を取り入れながらモデルを進展させた。そして
JT-60SA の高ベータ定常運転シナリオについて、回転制御と不純物パフによりダイバータ
熱負荷も規定内に収めた形で提示した。矢本は周辺輸送について、SONIC コード開発の進展を報告した。複数種の不純物輸送を扱えるようにすることで、JT-60SA におけるネオン・
アルゴン混合注入効果の定量的評価を行い、ダイバータ熱負荷低減への有効性を示した。
本多はコア輸送の大域的解析について新しい数値手法を提示した。遺伝的アルゴリズムを用いて方程式の定常解を求めるコードを発展させプラズマ分布の定常解を得た。そして統合コードスキームに組み込み、JT-60SA の高ベータ放電解の高速算出を可能とした。福山は加熱解析について、運動論効果を含む波動コード開発の進展について報告した。積分形の誘電テンソルを用いて、電子サイクロトロン波のモード変換における有限ラーマ半径効果を評価した。
2 日目午前は外国からの参加者も含めて、乱流輸送に関する英語セッションを構成した。
矢木は密度分布が中心でくぼみを持つ場合の、勾配が正となる領域で起こる粒子ピンチ効果について報告した。イオンミキシングモードと電子ドリフト波の競合について、理論解
析を含めて説明した。小菅はストリーマの引き起こす密度変動が周波数変動を通じて乱流に作用し、ストリーマ成長をもたらす機構について報告した。ストリーマと帯状流の選択性に言及した。Choi は電磁的ジャイロ運動論シミュレーションを行い、磁気揺動熱流束の向きと大きさについてモード構造の対称性に着目した分類を行った。非線形流束が準線形
流束を凌駕して熱流束の向きを変える場合があることを示した。
その他にも多くの課題について、様々な観点からの研究が報告された。登田はジャイロ
運動論コードより導出した熱拡散係数および準線形粒子流束モデルを用いて LHD プラズ
マにおける輸送解析を行った。成田はジャイロ運動論コードよりニューラルネットワーク
を用いた粒子輸送モデルを構築し、輸送計算の高速実行を可能とした。そして、JT-60U プ
ラズマの解析を行った。村上は電子サイクロトロン加熱により非軸対称プラズマで生じる
トロイダル流についてドリフト運動論コードを用いた評価を行った。磁場リップル捕捉電子の径方向運動がトルク生成に寄与する。リップル構造と熱電子捕捉時間の関係からトルクの大きさが決まる。続いて山本は HSX ヘリカル装置での電子サイクロトロン加熱によるトロイダル流生成について評価した。準ヘリカル対称配位とミラー配位時の比較を行い、実験と傾向の一致を見た。大澤はタングステン中の空孔存在下の水素吸蔵に関して報告した。第一原理計算により、それぞれの水素原子個数時の結晶構造中における水素位置を示した。沼波は LHD における複数種粒子を含む粒子輸送に関する研究成果について報告した。
乱流および新古典不純物粒子フラックスのパラメータ依存性を示し、粒子バランスについ234

て議論した。奴賀は中性子発生量の評価を通じて LHD における高エネルギー粒子の閉じ込めについて議論した。前田は LHD の熱フラックスに関するニューラルネットワークモデルの構築について報告した。凌は LHD 型核融合炉の輸送解析結果について報告した。森下はデータ同化手法を LHD の輸送解析に適用した結果について報告した。佐々木は円筒装置における密度勾配駆動及び流れシア駆動不安定性の競合とその結果現れる流れパターンの分岐について報告した。糟谷はジャイロ流体モデルを用いた円筒プラズマにおけるイオン温
度勾配モードの不安定化条件とトーラス装置の統合乱流シミュレーション計画について講演した。
来年度も第 17 回研究会を九州大学で開催するべく応用力学研究所共同研究に応募する
こと、プロジェクト内での共同研究を活性化すること、来年度の研究会形式や日程等を議論して、閉会した。
４．研究集会プログラム(18 min talk+7 min discuss or (15 or 10) min talk+5 min discuss)

11 月 29 日(木)9:10 – 12:30

核融合エネルギーフォーラムサブクラスターとの合同会合

12:30 – 13:30

昼休み

13:30 – 13:40 はじめに
村上 (京大)(座長：村上)13:40 – 14:05 講演 1-1
林 (量研)
Predictive integrated modelling of plasmas and their operation scenarios towards
exploitation of JT-60SA experiment
14:05 – 14:30 講演 1-2
矢本 (量研)Extension of SONIC code toward mixed-impurity seeding capability
14:30 – 14:55 講演 1-3
本多 (量研)
Development of the integrated model with the iterative solver GOTRESS
14:55 – 15:20 講演 1-4
福山 (京大)Progress in kinetic full wave analyses in fusion plasmas
15:20 – 15:40

休憩(座長：林)
15:40 – 16:05 講演 1-5
登田 (核融合研)
Modeling of turbulent particle and heat transport in helical plasmas based on gyrokinetic
analysis
16:05 – 16:30 講演 1-6
成田 (量研)235

Particle transport modeling based on gyrokinetic analyses of JT-60U plasmas
16:30 – 16:55 講演 1-7
村上 (京大)Simulation study of toroidal flow generation by ECH in non-axisymmetric tokamak
plasmas16:55 – 17:15 講演 1-8
山本 (京大)Effects of electron cyclotron heating on the toroidal flow in HSX plasmas
17:15 散会
18:30 – 21:00

懇親会 (炙り炉端 山尾 博多駅前にて)

11 月 30 日(金)9:30 – 9:35 事務連絡
(座長：糟谷)9:35 – 10:00 講演 2-1
Yagi 矢木 (量研)
Revisit ion-mixing mode
10:00 – 10:25 講演 2-2
Kosuga 小菅 (九大)How pattern is selected in drift wave turbulence: role of parallel flow shear (tentative)
10:25 – 10:45 講演 2-3
Gyung Jin Choi (Seoul Univ.)
Gyrokinetic simulation study of parity dependence of magnetic transport
10:45 – 11:05

休憩(座長：登田)11:05 – 11:30
講演 2-4
大澤 (九大)Stable structure of hydrogen in tungsten di-vacancy and its isotope effect
11:30 – 11:55
講演 2-5
沼波 (核融合研)
Kinetic simulations for particle transport of multi-species plasmas in LHD
11:55 – 12:20 講演 2-6
奴賀 (核融合研)
Analysis of energetic particle confinement in LHD using neutron measurement andFokker-Planck codes
12:20 – 13:30

昼休み(座長：矢木)
13:30 – 13:50 講演 3-1
前田 (京大)Modelling of heat transport in LHD using neural network with non-dimensional input
parameters236

13:50 – 14:05 講演 3-2
凌 (京大)
Integrated simulation study of LHD type fusion reactor by TASK3D
14:05 – 14:20 講演 3-3
森下 (京大)Integrated transport simulation of LHD plasma using data assimilation
14:20 – 14:45 講演 3-4
佐々木 (九大)Chirality of helical flows in plasma turbulence
14:45 – 15:10 講演 3-5
糟谷 (九大)Study of plasma instability by numerical simulations in basic experimental devices
15:10 – 15:30 まとめ糟谷 (九大)15:30 散会237

核融合力学分野
研究集会

30FP‑S2
国際プラズマ乱流データ解析ワークショップ

応用力学研究所 稲垣 滋
目的と背景
プラズマ乱流及び乱流輸送に関するデータ解析に関する国際的なワークショップを開催する。本議論を契機にプラズマ乱流実験および乱流物理の理解の深化に寄与する。本研究集会は高エネルギーイオン輻射に関して行ってきたワークショップ及び日中プラズマ乱流
データ解析ワークショップという日中の研究者による研究グループが中心となり行われてきた作業会を更に発展させたものである。本作業会を契機にその後大きく進展した研究が多く、近年の乱流物理の進展に大きく寄与している。一例として流れと乱流揺動との関連の理解、イオンサイクロトロン放射(ICE)と高速イオン分布との相関の観測が挙げられる。
このようなこれまでの活動において、応用力学研究所を中心とした研究グループの存在感は極めて高く、中国の若手研究者らを先導する立場にあった。本作業会を主催する事で応
用力学研究所のリーダーシップが強化され、アジア及び世界でプラズマ乱流研究を先導する事を目指す。今回はヨーロッパとの交流を主眼に置いた。

研究集会の開催
開催日時：2018.5.21-23
開催場所: 九州大学

応用力学研究所

現地実行委員長: 稲垣

滋

予算の執行
Max-Planck 研究所からの 1 名(Hallatschek), Warwick 大学からの 1 名(Dendy)の招聘旅費に執行した。
本研究集会の特徴
本研究集会は実作業を重要視する。招待者らによる話題提供、問題定義の後、各テーマの詳細講演を行う。その後データ解析作業を行い、参加者全員が一同に会し途中結果の報告及び議論を行う。最終日には作業結果をレビューし、サマリーを行う、という形式で行われた。今回は更に招聘者の所属先(Warwick 大学)への派遣についても議論した。
研究集会のまとめ
本研究集会では乱流, MHD, 高速粒子の相互作用の理解をテーマとし、これらに深く関わる測地線音波モード(GAM),

ICE, ドリフト波について議論を行った。以下に具体的な課

題と議論の内容を示す。

238

1. Progress of GAM simulation
ジャイロ運動論コード CGYRO と２流体コード NLET を用い、同一のパラメータで得られる輸送を比較し、流体近似の検定を行った。衝突パラメタが大きい場合は衝突性バルーニ
ング乱流を、低い場合はコア・エッジ境界領域のイオン温度勾配乱流の領域を考えた。この中で、例えば GAM の周波数特性の違いにも着目し、乱流と GAM の相互作用を含めた輸送について、流体モデルの適用範囲を明らかにした。
2. Particle-Wave Interaction
ICE は高エネルギー粒子とプラズマとの相互作用により生じる。この理解には波動と粒子との相互作用の観測が重要である。応用力学研究所に今年度着任された池添准教授は、アルフベン波とイオンの相互作用に関する実験観測を筑波大学の GAMMA10 装置で行ってきた。その成果を発表し、ICE の専門家の Dendy 教授と議論を行った。並せて、JT-60U
における ICE 計測結果についての検討も行われた。
また、期間が別となるが Dendy 教授の共同研究者である Chapman 氏の来日に合わせ、ICE bursts during ELM in KSTAR tokamak と題したセミナーを行うとともに、本ワー
クショップの続きとしてデータ解析を行った。
3. Turbulence Intermittency
ドリフト波乱流が示す突発性について議論を行った。近年用いられるようになったハース
ト数をPANTAプラズマについて求め、その結果を議論した。ハースト数は解析の時間窓の長さに対して依存性を持つ結果が得られ、短時間の解析では値が十分収束していない可能性が指摘された。時間窓を比較的長く設定し、ハースト数の半径方向分布を求め、乱流揺動が長期記憶を持つ領域を観測した。今後、この解析を進めドリフト波乱流の突発的現象との対応関係をまとめることとなった。
来年度は佐々木助教がWarwick大学に半年ほど滞在する予定であり、この間に国際的なデータ解析のネットワーク作りに着手する予定である。

239

International Workshop for Advanced Data Analysis of Plasma(May 21st- 23rd at RIAM Kyushu Univ.)
5/21 (Mon.)
10:00 Inagaki: Welcome and Introduction
10:15 Scientific session:
30 min. Inagaki: Recent Progress of PANTA Experiment
30 min. Hallatschek: Progress of Gyro-simulation of GAM
30 min. Sasaki (presented by Inagaki): Theoretical progress on GAM
Lunch
13:30 Scientific session:
30 min. Kosuga: Phase Space Turbulence
14:00 – Working session: Hallatschek, Inagaki, Kosuga
technical aspects of ICE, PANTA tour, etc.
5/22 (Tue.)
10:00 Scientific session:
30 min. Boyu: Hurst analysis of turbulence in PANTA
30 min. Dendy: Simulation of ICE in a tokamak/LHD plasma I
30 min. Discussion
Lunch
13:30- Working session: Hallatschek, Dendy, Inagaki
Scientific stay at Warwick Univ., future research plan
5/23 (Wed.)
10:00 Scientific session:
30 min. Dendy: Simulation of ICE in a tokamak/LHD plasma II

240

30 min. Ikezoe: Interaction between wave and high energy particles inmagnetized plasmas
30 min. Discussion
Lunch
13:30- Working session: Ikezoe, Dendy, Inagaki
Technical aspects of ICE, QUEST tour, budget application etc.

241

新エネルギー力学分野
特定研究3

30特3‑1

特定研究報告書
タ イ ト ル：

次世代パワーエレクトロニクス信頼性・設計技術研究代表者：

首都大学東京 理工学研究科 和田圭二

所内世話人：

西澤 伸一

１．緒言
本研究では，パワーエレクトロニクス技術の信頼性向上とそれを実現する回路設計技術の確立を目的とする。特に，次世代のパワーデバイスとしての利用拡大が期待されている SiC (シリコンカーバイド)パワーデバイスの利用を前提とした検討を行う。パワーエレクトロニクス回路は，パワーデバイスのスイッチングにより電力の変換を行う。この技術は，太陽光・風力で発電した電気エネルギーを有効利用するためには必須の技術であり，さらには EV（電気自動車）にも必
要不可欠な技術である。
本研究では，現在利用が想定されている 1,200V 耐圧のパワーデバイスを対象として，実際に産業用途で使用される動作環境下でパワーデバイスのスイッチング試験および連続動作による試験を行い，デバイスの劣化性能を評価検証する。さらに，動作制限値近傍（電圧・電流・温度）条件下におけるスイッチング試験を行い，SiC パワーデバイスの劣化性能評価を行う。これらの研究成果により，既存の SiC パワーデバイスの``弱点’’を明確にする。さらに，この研究成果から，SiC パワーデバイスの劣化を防ぐための回路設計と制御範囲の制約条件について検討を行う。

２．研究方法
既存の Si（シリコン）パワーデバイスを対象とした耐量評価試験法を参考にして，SiC パワーデバイスを対象とした評価
回路を設計・製作する。なお，SiC パワーデバイスの特長の一つとして，従来素子よりも高速にスイッチングできるために，電気的特性を評価するための電圧・電流計測技術が重要となる。そのため，測定手法を考慮した評価回路試作が必須となる。また，現在 SiC パワーデバイスは国内外の複数のメーカより販売されているが，それぞれの電気的特性が異なるために代表的なメーカ 3 社程度を抽出し，性能評価試験を行う。このとき，パワーデバイス周辺にはインダクタ・
キャパシタの受動素子も必須となるので，これらの電気的なパラメータによる違いも評価する。

３．実験結果図１に評価回路を、図２に評価時のテストパターンを示す。また、表１に試験したデバイスを、表２に評価回
路パラメータを示す。図３に JFET の評価欠陥一例を示す。繰り返し評価試験として、5000 回のスイッチング
試験を行い、初期および 5000 回スイッチング後の IV 特性の変化を実測した。その結果、JFET では繰り返
し試験前後の抵抗変化は初期抵抗値に対して数%増加し、MOSFET では 30～70％と大きく抵抗値が増加することがわかった。つまり MOSFET は動作に伴い特性劣化を呈する。この差異が、MOSFET のゲート酸化膜の劣化に起因するのか、JFET と MOSFET のデバイス物理の差異に起因するのかは、今後、評価を進めていく予定である。あわせて、シリコンパワーデバイスとの比較を行う。

242

図１

評価回路
図２

表１

デバイスパラメータ

評価テストパターン

表２ 評価回路パラメータ

図３ JFET 評価結果の一例

243

新エネルギー力学分野
特定研究3

30特3‑2
振動発電マルチフェロイック薄膜における 3D 応力解析

物質・材料研究機構・機能性材料研究拠点 木村秀夫
目的

マルチフェロイック体は、電気・磁気・力学特性を結びつけるものとして注目を集め、電気磁気効果を中心に基礎的研究が進められている。研究代表者は早くからマルチフェロイック体の振動発電応用を進め、マルチフェロイック体薄膜に走査プローブ顕微鏡のカンチレバーを通して応力を加えることで、強誘電性ドメイン、強磁性ドメインがスイッチできることを明らかにし（Sci. Rep., 6, (2016), 31867；NPG
Asia Mater., 9, (2017), e349）、自然振動エネルギーの発電応用を目指している。しかしながら、応力印加効
果を詳細に明らかにすることは困難で、実験的には応力印加とドメインスイッチの関係を明らかにできず、シミュレーションにより応力印加状態を調べる必要がある。応用力学研究所は結晶に関するシミュ
レーションに実績があるため、共同研究により応力印加ドメインスイッチの応力状態シミュレーションを実施したい。ドメインスイッチのシミュレーションにより、どのように 3D で応力が伝達されるのか、結晶成長において欠陥が発生した場合の影響を明らかにして実験結果と比較することで、最終的な振動発電へと繋げる。
実験方法

マルチフェロイック体薄膜は、レーザー堆積法（PLD 法）にて研究代表者機関で作製する（研究代表者）。作製条件を変えて成膜し、作製条件と欠陥との関係及び走査プローブ顕微鏡によるドメインスイッ
チの条件を実験的に明らかにしておく（研究協力者）。応用力学研究所では、スーパーコンピューターシ
ステムを用いて、有限要素法等による応力印加シミュレーションを実施する（所内世話人）。走査プロー
ブ顕微鏡のカンチレバーを通しての応力印加は、ナノメ―トルオーダーの局所領域への応力印加になるため、カンチレバー周辺での応力状態はシミュレーションでなければ明らかにすることができない。さらに、ドメインスイッチについての新しい概念として、応力勾配によるフレクソエレクトリック効果の影響が議論され始めているため、本共同研究においても、シミュレーションで応力勾配の程度を 3D で明らかにし、実験結果と比較する。

応力印加強誘電ドメインスイッチ、強磁性ドメインスイッチの概念図【NPG Asia Mater, 9, (2017), e349】
実験結果

まず、3Dシミュレーションと比較する実験を実施した。実験に使用する薄膜は Bi4Ti3O12-nBiFeO3(BTFO: n = 1–3, 5) で、PLD法により膜厚350mmとなるようにPt/Si基板結晶上に成膜した。すでに化学
溶液法により作製した0.5Ba(Z0.8Ti0.2)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3 ファイバー結晶を用いて応力勾配Flexoelectric244

効果によるセルフポーリングを検討しており、それをベースとして研究を進めた。
薄膜については、走査プローブ顕微鏡により微細な表面、ポーリング状態を観察するとともに、マク
ロなポーリング状態観察には強誘電体テスタを使用するが、強誘電体テスタが故障したため、マクロ観察は実施できなかった。
今年度が共同研究の初年度であったため、3Dシミュレーションの条件設定までができた程度で、3Dシ
ミュレーション実施までには至らなかった。

ファイバー結晶による Flexoelectric 効果セルフポーリングの概念図【Nano Energy 50, (2018), 97】
今後の展開

マルチフェロイック体に関する研究は基礎研究にとどまっていたが、本研究により応力のファクターを考慮することが可能となり、マルチフェロイック体の応用研究への展開が期待される。マルチフェロ
イック体は、応力センサー、振動発電デバイス、セルフチャージングパワーセルへの展開が期待でき、センサー材料研究に貢献することができる。
これまでは 14nN から 1300nN の応力印加を行ってきたが、デバイス応用、時間経過後の再ポーリング
を考えると、できるだけ小さな応力であることが望ましい。10nN 応力印加を目指す。その応力評価には
3D シミュレーションの実施が必要不可欠である。走査プローブ顕微鏡の圧電応答顕微鏡（PFM）、磁気力顕微鏡（MFM）を利用して、カンチレバーを介して応力印加を行ってきたが、カンチレバー先端の曲率半径（50µm）はカンチレバーの種類ごとに異なるため、今後は異なる曲率半径のカンチレバー（20µm,7µm）を用いることで応力勾配を変化させ、Flexoelectric 効果利用に必要な応力勾配の値を明確にする。
研究成果報告発表論文：無し
学会発表：(1) Domain switch by multi-field in multiferroic thin films using SPM, Hideo Kimura, Tingting Jia,

Hongyang Zhao, Zhenxiang Cheng, The 2019 International Symposium on Future Materials, No.
T4.4, (30th January -1st February, 2019, Wollongong).
研究組織

物質・材料研究機構：木村 秀夫 グループリーダー
JIA Tingting NIMS ポスドク研究員
応用力学研究所：西澤 伸一 教授

245

新エネルギー力学分野
特定研究3

30特3‑3

次世代パワーエレクトロニクスシステム用受動部品
九州工業大学 大学院生命体工学研究科 長谷川 一徳
要旨省エネルギーに必要不可欠であるインバータ回路の構成要素であるキャパシタ（コンデンサ）は他の部品に比べ低寿命であり，キャパシタの寿命がインバータ回路自身の寿命を決定している。研究代表者はこれまでに，加速劣化試験により電解コンデンサ劣化の直流バイアス依存性を実験的に検討し，劣化の進行に伴なう ESR 増加率とキャパシタンス低下率では異なる傾向を有することを確認した。これは，電解コンデンサの劣化診断には ESR・キャパシタンス双方のモニタリングが必要であることを示している。本研究では，回生の必要ないモータドライブにおいて広く利用されているダイオード整流器・三相 PWM インバータを用いたシステムにおける直流リンクコンデンサのモニタリング手法を提案し，実リプル電圧・電流から ESR とキャパシタンスを独立に抽出できることを確認した。
1. 序論
インバータにおける直流リンクコンデンサは信頼性低下の大きな要因であることが指摘されている。コンデンサの健康状態の診断のため，コンディションモニタリングが注目されている。コンデンサの劣化は等価直列抵抗(ESR: Equivalent Series Resistance)の増加率またはキャパシタンスの低下率で判断される。
研究代表者らは先に，加速劣化試験により電解コンデンサ劣化の直流バイアス依存性を実験的に検討し，劣化の進行に伴なう ESR 増加率とキャパシタンス低下率では異なる傾向を有することを確認した。これは，電解コンデンサの劣化診断には
ESR・キャパシタンス双方のモニタリングが必要であることを示している。

S =
2fS

Diode
rectifier2S, 6S SW. ripple
LDC

Load

本研究では，回生の必要ないモータドライブにおいて広く利用されているダイオード整流器・三CUTる。これは，コンデンサの実リプル電圧・電流から
ESR とキャパシタンスを独立に抽出できる点に特LL

VS相 PWM インバータを用いたシステムにおける直流リンクコンデンサのモニタリング手法を提案す

Three-phase
PWM inverter𝑣

図1

DC blocking
filter𝑖

ダイオード整流器・三相 PWM インバータ実験

回路図

長がある。

C

RS

図2 被測定キャパシタ等価回路

246

RL

DC Block𝑣

Capacitor
under
Test

𝑖

図3

𝜔

𝑍

Divider𝐼𝜔1⁄ 𝜔 𝐶

𝑍

𝑅

𝜔
𝑍

𝑉

𝑣

𝑍

Fitting curve

FFT
𝜔

𝜔

FFT

𝜔

𝑍

Extraction

𝜔ProfileESR/キャパシタンスモニタリング提案法のブロック図
Capacitancedecrease

𝜔

2. 実験回路構成
図 1 に電源側にダイオード整流器を用いた三相ESRincrease𝑍

PWM インバータの回路構成を示す。ダイオード整流器は電源周波数の 6 倍成分(6S)のリプル電流を理論的に発生する。これに加え，実際には三相電源電

Initial curve

圧のわずかな不平衡に伴い電源周波数の倍成分成𝜔分(2S)も生じることがある。一方で，三相 PWM イ 図 4

インピーダンスプロファイルの変化

ンバータはキャリア周波数成分とその整数倍成分のリプル電流を発生する。そのため，直流リンクコ
ンデンサのリプル電流には数 10 Hz から数 10 kHz にわたる広い周波数成分が含まれる。
後述の ESR/キャパシタンスモニタリングにあたっては，直流リンクコンデンサ電圧のリプル成分の検出が必要であるが，ダイオード整流器・三相 PWM インバータシステムにおいてはリプル成分よりも直流電圧成分の方がはるかに大きな振幅を有する。本論文では Fig. 1 中に示す直流ブロックフィルタを導入し，リプル成分𝑣のみを検出する。これは一次のハイパスフィルタで構成されており，カットオフ周波数は次式で与えられる。
𝜔[rad/s](1)

ここで，CF と RF はそれぞれ一次ハイパスフィルタを構成するキャパシタンスと抵抗である。実験では，ダイオード整流器が発生する 2S 以上の周波数成分を通過させるため，カットオフ周波数
を 33 Hz とした。一方で，リプル電流検出はコンデンサの負側に電流センサを挿入している。
3. ESR/キャパシタンスモニタリング法
リプル電流は多数の周波数成分で構成されており，次式で表される。
𝑖∑𝐼𝜔 sin 𝜔 𝑡𝜑(2)

ここで，ICUT(k)と𝜑 はそれぞれ各周波数成分の振幅と初期位相を表している。図2に解析で用いる被測定キャパシタの等価回路を示す。RSはESR値を表している。直流リンクコンデンサのリプル電圧vCUTは247

次式で与えられる。
𝑖 𝑑𝑡

𝑣
∑

𝐼

𝑅𝑖
𝜔 sin 𝜔 𝑡

𝜑

𝑅 ∑

𝑑𝑡

∑

𝜔 sin 𝜔 𝑡𝐼𝐼𝜑cos 𝜔 𝑡𝜔𝜑

𝑅 sin 𝜔 𝑡𝜑(3)(3)式から各周波数成分の振幅は次式で与えられる。
𝑉

𝜔

𝐼

𝑅

𝜔

(4)

(4)式を(3)式で除算すると，各周波数におけるインピーダンスが次式で得られる。
𝑍

𝑅

𝜔

(5)

(5)式は被測定コンデンサの電流・電圧波形の各周波数成分を，FFT を用いて抽出することでインピー
ダンスプロファイルを作成できることを示している。実験から得られるインピーダンスプロファイルにフィッティングカーブを導入することで，複数の周波数成分を含む波形からも ESR・キャパシタンスを算出できる。
図 3 にモニタリング手法のブロック図を示す。FFT を用いてリプル電流・電圧の各周波数成分 ICUT(k)と VCUT(k)を抽出し，各周波数におけるインピーダンス ZCUT(k)を算出する。ZCUT(k)のプロットによりインピーダンスプロファイルを作成し，最小二乗法を用いてフィッティングカーブを描くことで ESR とキャパシタンス値を独立に算出する。図 4 に ESR 増加・キャパシタンス低下時のインピーダンスプロフ
ァイルの変化を示す。ESR 増加時は高周波域のインピーダンスが増加し，キャパシタンスの低下は低周波域の傾きが増加する。
4. 実験結果と考察
Table I に実験回路の定格と回路定数を示す。本研
究では ESR とキャパシタンス値の変化を模擬するた

表1

実験回路の定格と回路定数

System Power ratingP

1.5 kVA

AC current rating

IS

5.8 A

AC voltage rating

VS

150 V

Line frequency

fs

60 Hz

Condition C: CUT = 1000 F (キャパシタンス低下を

DC inductor

LDC

2.5 mH (6.3%)

模擬)

Load inductor

LL

4 mH (12.5%)

Load resistor

RL

10 

す。(b)では(a)の結果に比べ ESR 増加に伴いインバ

Carrier frequency

fC

10 kHzータのキャリア周波数成分が増加している。一方，Output frequency

fO

50 Hz

(c)ではキャパシタンスの低下に伴いダイオード整

Capacitors under test

CUT

1100 or 1000 F

流器の 2S と 6S 成分が増加している。

Unit capacitance constantHCUT

15.0 ms (1100 F)

め以下の 3 条件で実験を行った。
Condition A: CUT = 1100 FCondition B: CUT = 1100 F，150 mの抵抗を直列に挿⼊ (ESR 増加を模擬)

図 5 にコンデンサのリプル電圧波形𝑣を示

of the capacitors248

13.7 ms (1100 F)

5

10
iCUT
0
[A]

𝑣
0
[V]

-10
-5

10 ms
10 ms

(b) Condition A.

(a) Condition A.
5

10
iCUT
0
[A]

𝑣
0
[V]

-10
-5

10 ms
10 ms

(b)

(b)

Condition B: ESR increase of 150 m.
5Condition B: ESR increase of 150 m.

10
iCUT
0
[A]

𝑣
0
[V]

-10
-5

10 ms
10 ms

(c) Condition C: Capacitance decrease of 100 F.

(c) Condition C: Capacitance decrease of 100 F.
図5

リプル電圧 𝑣

図6

実験波形

リプル電流 iCUT 実験波形

図 6 にコンデンサのリプル電流波形を示す。
Condition A~C ともほぼ同一の波形であった。これはインバータが発生するリプル電流がリプル電圧に依存せず電流源と見なせるためである。ダイオード整流器からのリプル電流も DC リアクトルの影響でほぼ変化しない。
図 7 にインピーダンスプロフィルを示す。これは図 5 のコンデンサ電流波形と図 6 の直流リンク
電圧波形それぞれの FFT 結果を用いて作成している。フィッティングカーブは(5)式を用いてモデリングしている。図 7(a)においてキャパスタンス値は使用したコンデンサの公称値 1100 F とほぼ一致している。図 7(b)では ESR が 261 mに増加しており，この変化は直列接続した抵抗値におよそ一致している。図 7(c)ではキャパシタンス低下し，使用したコンデンサの公称値にほぼ一致している。
5. まとめ本研究では，ダイオード整流器を電源側に使用した三相 PWM インバータにおける直流リンクコ
ンデンサのモニタリング手法を提案した。実験により，提案法はコンデンサの実リプル電圧・電流波形から ESR とキャパシタンス値を独立に抽出できることを実証した。
提案法では，コンデンサを取り外すことなく，かつ検出用の電流なども必要としないため，コンデンサの実動作環境におけるオンラインのモニタリングが可能である。

249

5

FFT Result
Fitting Curve
C = 1099 F
ESR = 62 m

ZCUT (k) []研究代表者: 長谷川 一徳
所内世話人: 西澤 伸一
成果報告
K. Hasegawa, S. Nishizawa, and I. Omura, “ESR and capacitance1(measurement)

0.1

monitoring of a dc-link capacitor used in a three-phase PWM

0.1

1
10
Frequency [kHz]inverter with a front-end diode rectifier,” Microelectron. Rel., vol.
88-90 pp. 434-437, Sep. 2018.

50(c) Condition A.

ZCUT (k) []5

FFT Result
Fitting Curve
C = 1006 F
ESR = 261 m

1(measurement)

0.1
0.1

1
10
Frequency [kHz](b)

ZCUT (k) []550

Condition B: ESR increase.
FFT Result
Fitting Curve
C = 928 F
ESR = 74 m

1(measurement)

0.1
0.1

1
10
Frequency [kHz](c) Condition C: Capacitance decrease.
図7250

インピーダンスプロファイル50

新エネルギー力学分野
特定研究3

30特3‑4

特定研究報告書
タ イ ト ル：

高耐圧パワーデバイス用電極の接合信頼性研究代表者：

北九州市環境エレクトロニクス研究所 宍戸 信之

所内世話人：

西澤 伸一

１．緒言
パワーデバイスは電力有効利用のためのキーデバイスである。安心安全なエレクトロニクスシステムの実現には、そのパワーデバイスからなるパワーモジュールの高信頼性・長寿命化が必須となる。特に、次世代高耐圧パワーデバイス
は高温下での動作が要求されるため、異種材接合部であるデバイス電極実装部での熱疲労による破壊が深刻な問題となる。標準的な電極接合技術としてワイヤボンディングが多用されているが、次世代パワーエレクトロニクスで想定される 200 度以上の高温環境下での寿命の定量予測には至っていない。高温下での材料の変形は弾塑性のみならず
クリープまでもが複雑に絡み合うが、現状ではこのような過酷な環境下での材料物性データの蓄積が乏しいために、そこでの寿命も定性的な予測ないしは実機試験による事後評価が主体となっている。本研究では、材料物性データを正しく反映した数値シミュレーションによって、熱疲労における損傷モデルの構築を目指す。また、あわせて高温動作に並列する技術として抜熱技術（冷却技術）の定量的検討を行う。これにより、次世代パワーエレクトロニクスにおいて求められている超高パワー密度モジュールを実現するための、接合形態・材料の探索、抜熱技術の定量的予測評価を行うことで、次世代パワーエレクトロニクスの開発・普及を加速する。

２．FS 検討
図１にパワーデバイスモジュールの故障モードの模式図を示す。

図１ パワーモジュールの構造、および故障モードの例

251現状のパワーモジュールは、図１に示すように、パワーデバイス下部は絶縁基板などの複数層接合により形成され、またパワーデバイス上部は、メタルワイヤ―ボンディングにより形成されている。パワー半導体動作に伴い、損失に伴う発熱が発生し、モジュール温度が上昇する。その際、図１に示すような複合構造系では、熱膨張係数の差異により、各部位に大きな応力、変形が発生し、亀裂故障などが誘発される。主な故障
モードは、１）ワイヤ―ボンディング接合部での温度変動、それに伴うシリコンパワーデバイスおよびワイヤーの熱膨張係数の差異に伴う変形、その結果として生じる疲労亀裂、（２）絶縁基板とベースプレートの接合部に代表されるはんだ系材料により接合されている異種材料接合部での熱膨張係数の差異に伴う変形、はんだ内部および、はんだ・ベースプレート界面などに生じる疲労亀裂、（３）モジュール内に充填されているレジンなどの封止材料とモジュール構成部材の熱膨張係数際に伴う疲労亀裂、がある。
図２にワイヤーボンド部の疲労解析モデルの例を示す。図２のモデルを用いて有限要素法により、弾性ひずみの定量的解析を行った。その結果、（１）式で表される相当非弾性ひずみ成分は最大温度に対して単調に増加する傾向が示すことが分かった。

（１）
しかしながら、一般に報告されている実験結果では、
室温から温度が上昇するにしたが、疲労故障の発生頻度が上昇するが、200℃を超えると発生頻度は一定
図２ ワイヤ―ボンディング疲労解析モデルである。そこで、疲労亀裂は界面近傍に発生することから、（２）式により、界面近傍の非弾性ひずみエネル
ギーを評価した。すると、200℃までは温度上昇とともに非弾性ひずみエネルギーが上昇し、200℃を超えると上昇がおさまり変曲することがわかった。そのため、界面近傍の塑性ひずみに注目することで、ワイヤ―ボン
ディングの疲労亀裂を定量的に評価できる可能性があることがわかった。
（２）
図３に抜熱技術に関しる定量的推算結果を示す。横軸はパワーデバイスに対する熱拡散面積効果を意味する。図３から、小型パワーモジュールでは、パワーデバ

図３ 冷却技術毎の熱抵抗

イスからの発熱を小面積で抜熱する必要があるため、熱抵抗が大きくなることがわかる。また冷却技術として、空冷、水冷、二相流の順で、熱抵抗が小さくなり抜熱効果が大きいことがわかる。
補足：
本研究の一部は、PCIM Europe 2019（Nuremberg（独）、2019 年 5 月）において発表を行う予定である。

252

新エネルギー力学分野
特定研究3

30特3‑5Si 絶縁ゲートバイポーラトランジスタによる少数キャリアライフタイム
劣化に関する研究明治大学 理工学部 小椋 厚志

1.

背景および目的n-type FZ-Si , 55 Ωcm

Si 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(SiIGBT)は高耐圧パワーデバイスとして今後のTrench fabrication

主流になると期待され様々な開発が進められ

Gate Oxidationている[1]。その中でも耐圧を維持したまま、Wet (33 nm)(900oC, 12 min, H2O)

キャリアの注入効率を上げることでキャリア

Dry (33 nm)(1050oC, 16 min, O2)の蓄積量を増やし、ON 抵抗を低減させる
IE(Injection Enhancement)効果の発見および向B-base/P-emitter Anneal(1050oC, 60 min N2)

上は Si-IGBT 高性能化の大きなきっかけとなった。IGBT の更なる高性能化のためにはドリ
フト層により多くのキャリアを蓄積させるこ

図 1. IGBT ゲート作製プロセスとが必要であり、IE 効果に加えて高キャリア
ライフタイムが必要になる。しかしキャリア
ライフタイムは IGBT 作製プロセスの際に劣化してしまう。そこで、本研究では IGBT 作
製プロセスがキャリアライフタイムに与える影響について評価を行い、キャリライフタイ
ム劣化の要因を特定することを目的とした。
2.

実験手法および測定試料概要
図 1 に本研究で評価した IGBT 作製プロセ

図 2. 酸化膜除去前(a)と除去後(b)の Si 基板のスの一例を示す。図 1 のプロセスは IGBT の断面状態

ゲート形成プロセスである。本研究では特にセスにおけるキャリアライフタイムへの影響

ゲート酸化膜作製及びトレンチゲート形成とを評価した。また、本測定ではゲート酸化膜

その後の活性化熱処理プロセスに着目してキがついている状態と酸化膜除去後にキンヒドャリアライフタイムの評価を行なった。試料

ロンメタノールパッシベーションを行った 2は n 型の FZ-Si(Floating Zone-Si), 抵抗率 55 Ω

種類の状態でキャリライフタイムの測定を行cm の 3 inch ウエハを用いた。測定試料は Dryった。図 2 に酸化膜除去前後における Si 基板

酸化, Wet 酸化のみを施した試料(Dry 酸化, Wetの断面状態を示す。図 2 より酸化膜除去前は酸化)、トレンチ形成後に Dry 酸化, Wet 酸化酸化膜中の固定電荷や Si/SiO2 の界面準位とをそれぞれ施した試料、Dry 酸化, Wet 酸化後

バルク欠陥などにキャリライフタイムは影響にそれぞれ活性化熱処理を施した試料の合計されるのに対して酸化膜除去後は終端されな

6 種類の試料と未処理ウエハ(As-grown)を用かったダングリングボンドとバルク欠陥によいた。これらの試料のキャリアライフタイム

りキャリライフタイムは影響されることになを測定することで IGBT ゲート作製プロ

る。

253

Normalized capacitance

Lifetime (µs)

10000

1000

100

10

Dry Oxidation
Wet Oxidation
Dry Oxidation with Trench
Wet Oxidation with TrenchAs-grown

Oxide

1 MHz

0.8
0.6

Dry
Wet
Dry/Anneal
Wet/Anneal
Ideal

0.4
0.2
0

1

As-grown

1

Oxide etch-off +Quinhydrone

-2

-1

-0.5
0
Voltage (V)0.51

図 4. 高周波 C-V 特性の測定結果

図 3. キャリアライフタイム測定結果
3. 結果及び考察-1.5

表 1. 界面準位密度, 固定酸化膜電荷,
キャリアライフタイムの関係

3.1 キャリライフタイム測定結果

Process

Interface State
Density(cm-2 eV-1)

Fixed Oxide
Charge(cm-2)

Lifetime (μs)

Dry

6×1010

3.1×1010

1280

Wet

3×10

11

5.6×1010

63

イフタイムは劣化しているが、酸化膜除去後

Dry/Anneal

7×1010

4.1×1010

1320

はキャリライフタイムがほぼ同等の値まで大Wet/Anneal

6×1010

3.0×1010

1190

図 3 に各試料のキャリアライフタイム測定
結果を示す。図 3 より Dry 酸化, Wet 酸化の双方ともゲート酸化プロセスによりキャリアラ

きく向上していることが分かる。この結果よがキャリアライフタイム劣化の要因であるこりゲート酸化プロセスにおけるキャリライフ

とを示している。更に n 型の場合において酸タイムの劣化は Si バルク中ではなく酸化膜に化膜固定電荷は上昇することで電界効果パッ

起因していると考えられる。また、Dry 酸化,

シベーションの効果をもたらし、キャリライ

Wet 酸化の双方ともトレンチ形成によってキ

フタイムは向上すると報告されているが表 1ャリライフタイムが劣化しているが同様に酸ではその傾向は見られない。しかし表 1 より化膜除去後にキャリライフタイムは回復して界面準位密度の大きさによりキャリライフタいる。トレンチ形成によるキャリアライフタ

イムは依存していることが分かる。以上よりイムの劣化はトレンチ形成により酸化膜部分

ゲート形成プロセスでは酸化膜の中でも特にの密度が増えたからだと考えられる。

Si/SiO2 界面準位密度がキャリライフタイムの3.2 C-V 特性とキャリライフタイムの関係

劣化要因であると考えられる。

図 4 に Dry 酸化, Wet 酸化, 及びその後活性

参考文献[1] K. Kakushima et al., IEDM2016, 268 (2016).

化熱処理を行った試料の高周波 C-V 特性の測定結果を示す。また、表 1 に同試料の界面準
位密度、固定酸化膜電荷、キャリライフタイ
ムの関係を示す。図 4 より Wet 酸化プロセス
では活性化熱処理後に C-V 特性が理想曲線に近づくのに対して、Dry 酸化プロセスでは活性化熱処理前後でほとんど変化がみられない。
また表 1 より Wet 酸化プロセスでは活性化熱処理後にキャリライフタイムは向上するがDry 酸化プロセスでは活性化熱処理前後でほとんど変化がみられない。この結果も酸化膜

254

新エネルギー力学分野
特定研究3

30特3‑6

特定研究報告書
タ イ ト ル：ダイヤモンドパワーデバイスのシミュレーションに関する研究研究代表者：

東京工業大学 工学院

所内世話人：

西澤 伸一

角嶋 邦之

１．緒言
半導体ダイヤモンドは、広いバンドギャップと高い絶縁耐圧を示すため、高電圧用の高効率電力変換パワーデバイスとして期待されている。同じくワイドバンドギャップとして研究がされている SiC や GaN と比較すると、電子・正孔共に高い移動度を示し、更に高い熱伝導率を示す利点がある。特に良好な pn 接合が形成できるため、バイポーラ動作のならず、アバランシェによる高電圧印加時の保護機能など、デバイス設計の自由度が高い利点もある。近年のダイヤモンドの成長技術の進展により、高品質な p,i,n 層の形成が可能となっており、不純物濃度も広い範囲で実現することができるようになっている。しかし、ダイヤモンドデバイス設計に関しては、Si パワーデバイスを模倣した報告が多く、ダイヤモンドならではのデバイス構造が提案されているわけでは必ずしもない。この要因は、電子・正孔のキャリア輸送が Si のそれとは異なっており、適切にシ
ミュレーションができていないことが要因である。
本研究の目的はダイヤモンドのキャリア輸送をモデル化し、汎用デバイスシミュレータの中にパラメータを取り込み、ダイヤモンドデバイスの特性を示すことである。高濃度ドーピングを行ったダイヤモンドで発現するホッピング伝導、低キャリア注入でみられるエキシトン形成など、極低温 Si でみられる現象が室ゴンでも起こるため、これらの効果をデバイスシミュレータ中に取り込み、報告されている実デバイスを再現することを試みる。応用力学研究所の西澤教授で有するダイヤモンド物性の知見とパラメータ、新しい基板構造を有効にシミュレーションに取り込むことで、迅速にシミュレータを立ち上げることを試み、ダイヤモンドならではのデバイス構造の創出につなげる。

２．基本方程式の導出
電子および正孔の連続式は以下で記述できる。

n divJ n  Rn
t

(1)



p
 divJp  Rpt(2)

ここで、（１）、（２）右辺第 2 項が、キャリア生成と再結合を表している。ダイヤモンドでは、シリコンと異なり、エキシトン生成による再結合を考慮する必要がある。しかし、エキシトンに関する定量的理論式はいまだ成立していない。そこで、今回は、エキシトン生成を含めた総合キャリア生成・消失過程として、これまでに報告されている実験結果を用いることとする。
また、電子および正孔の電流方程式は以下で記述できる。

255

Jn  q n nE  qDn gradn (3)Jp  q p pE qDp gradp (4)
ここで、（３）、（４）の右辺第１項が、バンド伝導およびホッピング伝導を総合的に考慮したドリフト電流を表している。またホッピング伝導の物理に関しては、ｎ型ダイヤモンドでは nearest-neighbor hopping (NNH)が優勢であり、ｐ型ダイヤモンドでは variable-range hopping (VRH)が優勢である。そのため、ｎ型およびｐ型ダイ
ヤモンドのホッピング伝導の移動度は以下で記述できる。

H 
m 

1 qR H2 W exp 2R H   ph exp  H  ,
6 kT
 kT 

(5)

qR m2
W 

 ph exp  2R m  m 
kT
kT 

  T  m 
qRm2
m


 ,
ph exp  kT  T  

(6)

さらにポアソン方程式は、以下で記述できる。

E   gradV(5)qdivgradV   ( p  n  N D  N A ) (6)

なお、ポアソン方程式は通常のシリコン半導体での式と同一であり、ダイヤモンド固有の記述はない。

３．今後の計画
上述の通り、本年は、ダイヤモンドパワーデバイスを記述する半導体基本方程式の導出を行った。今回はダイヤモンド特有の物理であるホッピング伝導およびエキシトンに関して、前者はｎ型およびｐ型の場合のホッピング伝導モデルを特定した。また後者は現段階で定量的理論式の報告がなく、新たな構築も困難であることから既に報告されている実験結果から総合値としての参照値を用いることとした。
今後、これらの半導体基本方程式を連立、数値解析を行うことで、ダイヤモンドパワーデバイスの構造および動作の定量的な検討を行っていく。なお、数値解析対象とするパワーデバイスは、先行的に実験結果が報告されているダイオード、および JFET などのトランジスタ構造を考えている。

256

新エネルギー力学分野
特定研究3

30特3‑7

ᑠᙧ㢼ຊⓎ㟁⏝ࣃ࣮࣡ࢥࣥࢹ࢕ࢩࣙࢼࡢ༢⊂㐠㌿᳨ฟ࡟࠾ࡅࡿᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡢᙳ㡪ᮾி⌮⛉኱Ꮫ⌮ᕤᏛ㒊㟁Ẽ㟁Ꮚ᝟ሗᕤᏛ⛉ ㏆⸨ ₶ḟ
1. ᗎㄽ

ȴW͕ȴY

⣔⤫㐃⣔つ⛬ (1) ࡟ࡼࡾศᩓᆺ㟁※ࡢࣃ࣮࣡ࢥࣥࢹ࢕ࢩࣙࢼ㸦PCS:Power Conditioning System㸧ࡣ೵㟁᫬࡟ 0.2 ⛊௨ෆ࡟ PCS ࡢ㐠㌿ࢆ೵Ṇࡍࡿ༢⊂㐠㌿㜵Ṇᶵ⬟ࢆලഛࡋ࡞ࡅࢀࡤ࡞ࡽ࡞࠸࡜ᐃࡵࡽࢀ࡚࠸
ࡿࠋᐃ᱁ 10kW ࡢᑠᙧ㢼ຊⓎ㟁⏝ࣃ࣮࣡ࢥࣥࢹ࢕ࢩࣙࢼࢆ⏝࠸࡚ᑠᙧ㢼㌴ࡢ⣔⤫㐃⣔࡟㛵ࡍࡿᬻᐃᑐᛂ᪉ἲ(2),PV ⏝ PCS ࡢㄆドヨ㦂᪉ἲ(3)ࢆ
ཧ⪃࡟, ༢⊂㐠㌿ヨ㦂ࢆ⾜ࡗࡓ࡜ࡇࢁ, ᐃ᱁ 200V ࡢᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࢆ᥋⥆ࡋࡓሙྜ࡟, ุᐃᇶ‽࡛࠶ࡿ 0.2 ⛊௨ෆ࡟༢⊂㐠㌿ࢆ᳨ฟ࡛ࡁ࡞࠸ሙྜࡀ
ぢࡽࢀࡓࠋࡑࡇ࡛, ヨ㦂࡟⏝࠸ࡿᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡢ✀㢮ࢆኚ࠼࡚ᐇ㦂ࢆ⾜࠸,ఱࡀ᳨ฟ᫬㛫࡟ᙳ㡪ࢆ୚࠼ࡿࡢ࠿ࢆㄪ࡭ࡓࠋࡑࡢ⤖ᯝ, ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡀᾘ
㈝ࡍࡿ↓ຠ㟁ຊࡀ኱ࡁ࠸⛬, ᳨ฟ᫬㛫ࡀ㛗ࡃ࡞ࡿ⤖ᯝࢆᚓࡓࠋࡲࡓࡇࡢ
ഴྥࡀ, ඹ᣺ᅇ㊰ࡢ≉ᛶࢆ⏝࠸࡚ᐃᛶⓗ࡟ㄝ࡛᫂ࡁࡿࡇ࡜ࢆ♧ࡋࡓࠋࡲࡓ㸪༢⊂㐠㌿㜵Ṇヨ㦂࡟࠾࠸࡚ࡣ ᐃ⤖ᯝ࡟኱ࡁ࡞ࡤࡽࡘࡁࡀฟࡿ
ࡀ㸪ࡇࡢࡤࡽࡘࡁࡢせᅉࢆ≉ᐃࡍࡿࡓࡵࠊ௵ពࡢ఩┦࡛⣔⤫ᶍᨃ㟁※࠿ࡽ㐽᩿ྍ⬟࡞㐽᩿ჾࢆసᡂࡋ㐽᩿఩┦ࡢᅛᐃࢆ⾜ࡗࡓࠋࡉࡽ࡟ࠊᅇ
㌿ᶵ㈇Ⲵࡢ↓ຠ㟁ຊࡀ࿘ᮇⓗ࡟ኚືࡍࡿࡢ࡛ࠊࡑࡢ್ࢆཧ↷ࡋࢱ࢖࣑ࣥࢢࢆィࡾ㐽᩿ࢆ⾜࠺ࡇ࡜࡛ࠊ㐽᩿᫬ࡢ↓ຠ㟁ຊࢆᚑ᮶ࡼࡾࡶ㧗࠸⢭ᗘ୍࡛⮴ࡉࡏࡿࡇ࡜࡛ࡤࡽࡘࡁࢆపῶࡍࡿࡇ࡜ࢆヨࡳࡓࠋ

Motor
loads
ᅗ 1 ༢⊂㐠㌿ヨ㦂ᅇ㊰⾲ 1 ༢⊂㐠㌿᫬㛫㸦ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵ↓㸧
ϸ3

ϸ4

2. ᐇ㦂ᴫせ༢⊂㐠㌿ヨ㦂ࢆ⾜࠺࡟࠶ࡓࡾ, ᅗ 1 ࡢࡼ࠺࡞ᅇ㊰ࢆ⏝࠸ࡓࠋࡲࡓ, ㈇Ⲵ⿦⨨࡜ࡋ࡚ࡣ, ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵ(ᐃ᱁ 200V ࠾ࡼࡧᐃ᱁ 100V 㥑ື), ඹ᣺㈇Ⲵࢆ⏝࠸ࡓࠋヨ㦂ࡋࡓ PCS ࡟ᦚ㍕ࡉࢀࡓ༢⊂㐠㌿᳨ฟ᪉ᘧࡣ, ࢫࢸࢵࣉὀධ௜ࡁ࿘Ἴᩘࣇ࢕࣮ࢻࣂࢵࢡ᪉ᘧ࡛࠶ࡿࠋࡲࡎ㸪ඹ᣺㈇Ⲵࡢࡳࡢ
ሙྜ࡜ඹ᣺㈇Ⲵ࡜ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡢ୧᪉ࡀ࠶ࡿሙྜ㸦ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡣ A ࡜ B
ࡢ 2 ✀㢮ࢆ⏝ពࡋ㸪࠿ࡘ๓ẁ࡟⤯⦕ኚᅽჾࢆ௜ࡅࡓሙྜ࡜௜ࡅ࡞࠸ሙ
ྜࢆᐇ᪋㸧࡟ࡘ࠸࡚㸪ࡑࢀࡒࢀ༢⊂㐠㌿஦௳ࢆィ ࡍࡿᐇ㦂ࢆ⾜ࡗࡓࠋḟ࡟㸪༢⊂㐠㌿᫬㛫ࡢࡤࡽࡘࡁࢆᥦゝࡍࡿᡭẁ࡜ࡋ࡚㸪௵ពࡢ఩┦࡛⣔⤫ᶍᨃ㟁※࠿ࡽ㐽᩿ྍ⬟࡞㐽᩿ჾࢆసᡂࡋ㐽᩿఩┦ࡢᅛᐃࢆ⾜ࡗࡓࡇ࡜㸪࠾ࡼࡧᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡢ↓ຠ㟁ຊࡀ࿘ᮇⓗ࡟ኚືࡍࡿࡢ࡛ࢱ࢖
࣑ࣥࢢࢆィࡾ㐽᩿ࢆ⾜࠺ࡇ࡜ࡢຠᯝࢆㄪ࡭ࡓࠋ
3. ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵ࡜༢⊂㐠㌿᫬㛫ࡢ㛵ಀ

3I 200-V
Power
supply













PV

PV

PV

PV

PV



PV

PV

PV

PV

PV



PV

PV

PV

PV

PV



PV

PV

PV

PV

PV



PV

PV

PV

PV

PV

⾲ 2 ༢⊂㐠㌿᫬㛫㸦ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵ᭷࣭ኚᅽჾ↓㸧

⾲ 3 ༢⊂㐠㌿᫬㛫㸦ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵ᭷࣭ኚᅽჾ↓㸧༢⊂㐠㌿≧ែ࡟࡞ࡿ࣮ࣟ࢝ࣝᅇ㊰࠿ࡽ⣔⤫࡬ࡢ₻ὶ㸦ᅗ 1 ෆࡢ߂ܲ࡜
߂ܳ㸧ࢆ PCS ฟຊ㟁ຊ PPCS=2.5kW ࡢ-10%, -5%, 0%, 5%, 10%࡜ࡋࡓሙྜࡢ༢⊂㐠㌿᫬㛫ࡢᐇ㦂⤖ᯝࢆ⾲ 1㹼3 ࡟♧ࡍࠋ⾲ 1 ࡼࡾ㸪ඹ᣺㈇Ⲵࡢ
ࡳࡢሙྜࡣ༢⊂㐠㌿᫬㛫ࡀᖖ࡟ 0.1 ⛊ᮍ‶࡛࠶ࡗࡓࠋࡇࢀ࡟ᑐࡋ㸪ඹ᣺㈇Ⲵ࡜ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵ A ࡢ୧᪉ࡀ࠶ࡾ㸪ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡢ๓ẁ࡟⤯⦕ኚᅽჾࢆ
௜ࡅ࡞࠸ሙྜࡣ㸪⾲ 2 ࡢࡼ࠺࡟༢⊂㐠㌿᫬㛫ࡀ㛗ࡃ࡞ࡾ㸪࠿ࡘ༢⊂㐠㌿ࡀ⥔ᣢࡉࢀࡸࡍ࠸߂ܲ=0, ߂ܳ=0 ࡛ࡣㄆドヨ㦂ࡢุᐃ᮲௳(2)࡛࠶ࡿ 0.2 ⛊ࢆ㉸࠼ࡓࠋࡋ࠿ࡋ⾲ 3 ࡼࡾ㸪ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡢ๓ẁ࡟⤯⦕ኚᅽჾࢆ௜ࡅࡓሙ
ྜࡣ㸪࡯ࡰࡍ࡭࡚ࡢ᮲௳࡟࠾࠸࡚௜ࡅ࡞࠸ሙྜࡼࡾ༢⊂㐠㌿᫬㛫ࡀ▷ࡃ࡞ࡗࡓࠋ
⤯⦕ኚᅽჾࡢ᭷↓ࡀఱ࡟ᙳ㡪ࡍࡿ࠿ࢆ⪃࠼ࡿ࡜㸪ࡲࡎ⤯⦕ኚᅽჾ࡜ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡀᐃᖖ≧ែ࡛ᾘ㈝ࡍࡿ᭷ຠ࣭↓ຠ㟁ຊࡀኚࢃࡿࠋ⤯⦕ኚᅽჾ࡟ࡣᕳ⥺᢬ᢠࡸ₃ࢀ࢖ࣥࢲࢡࢱࣥࢫࡀ࠶ࡿࡢ࡛㸪⤯⦕ኚᅽჾࢆ௜ࡅࡿ࡜ࡑࢀࡽࡢ㐃⣔Ⅼ࠿ࡽぢࡓ࢖ࣥࣆ࣮
ࢲࣥࢫࡀ኱ࡁࡃ࡞ࡾ㸪᭷ຠ࣭↓ຠ㟁ຊᾘ㈝ࡀῶࡿࠋูࡢᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵ B ࢆ౑ࡗ࡚ᐇ㦂ࡋࡓ࡜ࡇࢁ㸪ࡑࡢᐃᖖ≧ែ࡛ࡢ↓ຠ㟁ຊᾘ㈝ࡀ୍␒ᑠࡉ࠿ࡗࡓࡀ㸪༢⊂㐠㌿᫬㛫ࡶ▷࠿ࡗࡓࠋ௨ୖࡼࡾ㸪༢⊂㐠㌿᫬㛫ࡢ㛗࠸㡰࡟ᐃᖖ≧ែ࡛ࡢᾘ㈝↓ຠ㟁ຊࡶ኱ࡁ࠸࡜ゝ࠼ࡿࠋ

257

 ࡇࡢ⌮⏤ࢆ㸪ᅗ 2 ࡢඹ᣺ᅇ㊰࡛ࡢᾘ㈝↓ຠ㟁ຊ࡜࿘Ἴᩘኚື
ࡢ㛵ಀ࡟╔┠ࡋ࡚ㄝ᫂ࡍࡿࠋᅗ 2 ࡢᅇ㊰ࡣ༢⊂㐠㌿≧ែࡢ࣮ࣟ࢝ࣝ࡞ᅇ㊰ࢆ༢⣧໬ࡋࡓࡶࡢ࡛͕஺ὶ㟁※ࡀ W^͕‫ࡀܮ࡜ܥ‬ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵ
ࢆྵࡴඹ᣺㈇Ⲵࢆ⾲ࡍࠋ⡆༢ࡢࡓࡵ͕᢬ᢠ㈇Ⲵࢆ┬␎ࡋ࡚࠸ࡿࠋ
㟁※㟁ᅽࢆ͕ܸ ͕㟁※࿘Ἴᩘࢆ݂ ͕‫↓ࡢܥ࡜ܮ‬ຠ㟁ຊࢆࡑࢀࡒࢀܳ௅ ͕ܳ஼࡜ࡍࡿࠋࡇࡢ᫬͕㟁※ࡀ౪⤥ࡍࡿ↓ຠ㟁ຊ߂ܳࡣ(1)ᘧ࡜࡞ࡿࠋ
߂ܳ = ܳ௅ െ ܳ஼ =

ܸଶ
ܸଶ
݂ଶ
െ 2ߨ݂‫ ܸܥ‬ଶ =ቆ1 െ ᇱమ ቇ
2ߨ݂‫ܮ‬
2ߨ݂‫ܮ‬
݂ᅗ 2 ඹ᣺ᅇ㊰(1)ࡇࡇ࡟㸪ඹ᣺࿘Ἴᩘ݂ ᇱ ‫ ؠ‬1Τ൫2ߨξ‫ܥܮ‬൯ ࢆ⏝࠸ࡓࠋ(1)ᘧ࡟࠾࠸࡚㸪
ܸ=200V, ඹ᣺࿘Ἴᩘ݂ ᇱ = 50 Hz (༢⊂㐠㌿ヨ㦂࡟࠾࠸࡚߂ܳ = 0ࡢᐇ㦂᫬ࡢ≧ែ)ࢆ௦ධࡋࡓ᫬ࡢ↓ຠ㟁ຊ߂ܳ࡜࿘Ἴᩘ݂ࡢ㛵ಀࢆᅗ 3࡟♧ࡍࠋ‫ ⾲ࡣ࡟ܮ‬6 ࡟♧ࡋࡓ㸱✀㢮ࡢᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡢᾘ㈝↓ຠ㟁ຊ࡜ྠࡌܳ௅ ࡟࡞ࡿ‫ࢆܮ‬௦ධࡋࡓࠋᅗ 3 ࠿ࡽࢃ࠿ࡿ㏻ࡾ, 50Hz ௜㏆࡛ࡣ, ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡢ↓ຠ㟁ຊᾘ㈝ࡢ኱ࡁ࠸㡰࡟ഴࡁࡀ⦆ࡸ࠿࡟࡞ࡗ
࡚࠸ࡿࠋࡘࡲࡾܳ௅ ࡀ኱ࡁ࠸࡯࡝㟁※㸦༢⊂㐠㌿ヨ㦂᫬ࡢ PCS㸧ࡀ↓ຠ㟁ຊ߂ܳࢆ౪⤥ࡋࡓ㝿ࡢᐃᖖⓗ࡞(᭱⤊ⓗ࡟ⴠࡕ╔ࡃ)࿘Ἴᩘ
ࡢࡎࢀ |݂ െ ݂ ᇱ | ࡀᑠࡉ࠸ࡇ࡜ࢆព࿡ࡍࡿࠋࡇࢀࡼࡾ, ࢫࢸࢵࣉὀ
ධ௜ࡁ࿘Ἴᩘࣇ࢕࣮ࢻࣂࢵࢡ᪉ᘧ࡟ࡼࡾ PCS ࡀ↓ຠ㟁ຊࢆὀධࡋ࡚ࡶ, ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡢ↓ຠ㟁ຊᾘ㈝ࡀ኱ࡁ࠸࡜࿘Ἴᩘኚືࡀᑠࡉࡃ, ༢⊂㐠㌿᳨ฟ࡟᫬㛫ࡀ࠿࠿ࡿ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿࠋᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵ $ኚᅽჾ↓ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵ $ኚᅽჾ᭷ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵ %4. ༢⊂㐠㌿᫬㛫ࡢࡤࡽࡘࡁపῶ
౑⏝ࡋࡓᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡢᾘ㈝↓ຠ㟁ຊࡢ ᐃ⤖ᯝࢆᅗ 4 ࡟♧ࡍࠋ࡞
࠾ࠊᅗ 4 ࡢ↓ຠ㟁ຊࡣᅗ 1 ୰ࡢ▮༳ࡢࡼ࠺࡟ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵ࠿ࡽฟ࡚
࠸ࡃྥࡁࢆṇ࡜ࡋ࡚࠸ࡿࡓࡵ㈇ࡢ್࡜࡞ࡗ࡚࠸ࡿࠋᅗ 4 ࠿ࡽ௒ᅇ౑⏝ࡋࡓᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡢᾘ㈝↓ຠ㟁ຊࡣ 2 ⛊࡯࡝ࡢ࿘ᮇ࡛᣺ືࡍࡿ
20 var ⛬ᗘࡢኚືᡂศࢆྵࡴࡇ࡜ࡀ☜ㄆ࡛ࡁࡓࠋ
߂ܲ =0, ߂ܳ =0 ࡢ᮲௳࡟࠾࠸࡚㸪UV ┦㛫㟁ᅽࡢ㐽᩿᫬ࡢ఩┦ࢆ
IGBT ࢆ⏝࠸ࡓࢫ࢖ࢵࢳ࡛タᐃࡋ㸪࠿ࡘᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡢ↓ຠ㟁ຊࡢ᫬㛫ኚ໬ࢆ⪃៖ࡋࡓࢱ࢖࣑ࣥࢢ࡛ࡢ㐽᩿ࢆ⾜ࡗࡓ㝿ࡢ༢⊂㐠㌿᫬㛫ࢆᅗ 5 ࡟♧ࡍࠋ࡞࠾ࠊᅗ 5 ࡢ┤⥺ࡣྛ఩┦ࡢᖹᆒ್ࢆ᭱ᑠ஧஌
ἲ࡛┤⥺㏆ఝࡋࡓࡶࡢ࡛࠶ࡿࠋᅗ 5 ࡼࡾ㐽᩿᫬ࡢ⣔⤫㟁ᅽࡢ఩┦࡟ࡼࡾ༢⊂㐠㌿᫬㛫ࡢᖹᆒ್࡟ 20 ms ⛬ᗘࡢࡎࢀࡀ⏕ࡌࡿࡇ࡜ࡀ
☜ㄆ࡛ࡁࡓࠋࡇࢀࡣࠊPCS ࡀ⛣ືᖹᆒ್ࢆồࡵࡿࡓࡵ࡟⾜࠺⣔⤫࿘Ἴᩘࡢ₇⟬ࢆ᪥ᮏ㟁ᶵᕤᴗ఍ࡢつ᱁[4]࡟ࡼࡾ 1 ࢧ࢖ࢡࣝࡈ࡜࡟
ࡋ࡚࠸ࡿࡇ࡜࡟㉳ᅉࡍࡿ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿࠋྠᵝ࡟ 270r࡟࠾࠸࡚ 20
ms ࡯࡝㐜ࡃ࡞ࡗࡓ⤖ᯝࡀ 1 ᅇ⏕ࡌ࡚࠸ࡿࡢࡣࠊఱࡽ࠿ࡢ⌮⏤࡛
᳨ฟࡀ 1 ࢧ࢖ࢡࣝ㐜ࡃ࡞ࡗ࡚ࡋࡲࡗࡓࡶࡢ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿࠋࡲࡓࠊ
ᅗ 5 ࡢ඲⤖ᯝ࡟㛵ࡋ࡚༢⊂㐠㌿᫬㛫ࡢᖹᆒ್ࡣ 224.87 msࠊᶆ‽೫ᕪࡣ 10.00 ms ࡛࠶ࡗࡓࠋࡇࢀࡣ఩┦ࡢᅛᐃ࠾ࡼࡧ↓ຠ㟁ຊࡢㄪᩚࢆ⾜ࢃ࡞࠸ሙྜ࡜ẚ࡭ࠊᶆ‽೫ᕪࡀ 40%⛬ᗘῶᑡࡋࡓࠋ

ᅗ 3 ඹ᣺ᅇ㊰ࡢ↓ຠ㟁ຊ࡜࿘Ἴᩘࡢ㛵ಀ

ᅗ 4 ᅇ㌿ᶵ㈇Ⲵࡢ↓ຠ㟁ຊࡢ᫬㛫ኚ໬ཧ⪃ᩥ⊩[1] ᪥ᮏ㟁Ẽᢏ⾡つ᱁ጤဨ఍㸸ࠕ⣔⤫㐃⣔つ⛬ࠖ㸪JEAC9701-2012㸪(2012)[2] ᪥ᮏᑠᙧ㢼ຊⓎ㟁༠఍:ࠕᑠᙧ㢼㌴ࡢ⣔⤫㐃⣔࡟㛵ࡍࡿᬻᐃᑐᛂ᪉
ἲ͕ࠖ https://www.jswta.jp/[3] 㟁ẼᏳ඲⎔ቃ◊✲ᡤ:ࠕከᩘྎ㐃⣔ᑐᛂᆺኴ㝧ගⓎ㟁ࢩࢫࢸ࣒⏝⣔⤫㐃⣔ಖㆤ⿦⨨ࡢಶูヨ㦂᪉ἲࠖ㸪JETGR0003-4-3.0㸪(2014)[4] ᪥ᮏ㟁ᶵᕤᴗ఍㸸ࠕపᅽ㓄㟁⥺࡟㐃⣔ࡍࡿኴ㝧ගⓎ㟁⏝୕┦ࣃ࣮࣡ࢥࣥࢹ࢕ࢩࣙࢼࡢᶆ‽ᙧ⬟ືⓗ༢⊂㐠㌿᳨ฟ᪉ᘧ㸦ࢫࢸࢵࣉὀධ௜࿘Ἴ
ᩘࣇ࢕࣮ࢻࣂࢵࢡ᪉ᘧ㸧ࠖ㸪JEM1505㸪(2015)258

ᅗ 5 㐽᩿఩┦࡜༢⊂㐠㌿᫬㛫ࡢ㛵ಀ

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑1

極低レイノルズ数翼の革新的空力向上の為の基礎研究
同志社大学 理工学部 平田勝哉

同志社大学 理工学部 髙橋 江梨香
同志社大学 理工学部 髙田 稜一
九州大学 応用力学研究所
九州大学 応用力学研究所

内田 孝紀
杉谷 賢一郎目的
低レイノルズ数領域における翼の空力特性の把握は，無人航空機 UAV／超小型航空機 MAV の開発や
昆虫／鳥／種子の飛行システムの解明，小型風力／水力発電機の開発などにおいて重要である．しかし，その様な低 Re 領域での翼の空力特性についての理解は，層流-乱流遷移などと関係した複雑かつ無視できない Re 数効果の為，未だに充分ではない．現象の強い非線形性が，解析および数値計算，実験の精度や信頼性に様々な技術的困難さをもたらす為である．本研究では水槽を用いた可視化実験を行い，得られた画像に PIV 解析をし，数値解析で得られた流れ場の可視化図との比較を行う．
実験方法
本実験では，翼モデル周りの流れの可視化として，作業流体に直接トレーサー粒子を混ぜる手法を行った．トレーサー粒子は比重が水に近い，ナイロンパウダーを用いた．トレーサー粒子の径は充分小さ
く，流れによく一致する．測定面は，翼スパン方向である⚫

翼スパン方向から見た流れの撮影

台車に設置したアクリル板は水面に対して平行であり，翼モデルは，そのアクリル板と水面に直角になるように取り付ける．この時，水中に沈んでいる部分は，水面から水底より 1cm 高くなるようにした．
カメラは台車と同期運動するように取り付けた．また，光源にはスライドプロジェクターを利用し，自作のスリットによって光を収束させ，シート光になるようにした．尚，この光源も翼モデルを取り付けた台車に固定されており，撮影時は台車と同期して動く．シート光は翼モデルの後方に進行方向に対して平行な面に当たるようにし，さらに水中に浸かっている部分を長くすることで，撮影する流れが翼の端や水面の影響が極力出ないように留意した．
結果と考察
図 1(a)は，本実験で撮影した動画をもとに作成した PIV 解析画像の一例である．また，図 1(b)は数値計
2

算の結果から得られた速度ベクトルの図である．どちらの図も Re = 8.0×10 ， = 18 deg.である．
図 1 の(a)と(b)を比較すると，数値計算による可視化図では，翼の後方で流れが収束または広がるように振る舞う場所が見られ，実験による可視化図でもそれを部分的に確認できる．また，どちらの画像でも翼の後縁付近で，流れが翼に巻き込まれる形で逆流しているのが確認できる．
図 2 は，各翼型における流れの定常/非定常性と二次元/三次元性で分類した図である．NACA0015 は，FP や iNACA0015 とは，異なる特性を示すことがわかる．

259

(a) α = 18[deg.] (in experiment)(b) α = 18[deg.] (in computation)
2

Fig.1 Streamlines for FP at Re = 8.0×10 and  = 18 [deg.] The color represents speed of flow(a) FP(b) NACA0015(c) iNACA0015

Fig.2 Stability diagram for each airfoil

まとめ
極低レイノルズ数での基本的翼型の空力特性と流れの可視化に関する実験と計算を実施した．その結1

果は Re = 10 程度でも翼形状により空力特性や流れが，異なることを示している．この事実は，流れの強い制御能力を示唆しており，今後の研究により有効な応用可能性が期待できる．

260

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑2

高品質多元系熱電材料の単結晶成長と特性評価
宮崎大学 工学部 環境・エネルギー工学研究センター
永岡章
宮崎大学 工学部 電子物理工学科
竹内 麻奈人、吉野賢二
１．はじめに多元系 I-III-VI2 族や I2-II-IV-VI4 族化合物は、熱電変換材料や太陽電池材料といったエネルギー変換材料として期待されている。実際に CuInTe2 多結晶焼結体は 823 Kにおいて無次元性能指数 ZT=1.61、Cu2ZnSnSe4 多結晶焼結体は 850 K において ZT=
0.95 が達成されている[1, 2]。これまで報告されている化合物サンプルは多結晶焼結体であり、粒界がフォノン散乱を促進するという利点もあるが、同時にキャリア輸
送のバリアとなり電気的特性を低下させている。また、構成元素やドーパントにレアメタルである In や Ga を使用しているため環境負荷の点で問題がある。本研究では環境調和した CuSbS2 や Cu2ZnSnS4 に注目し、これらの材料が持つカチオン元素の不規則構造によって固有の低熱伝導度を有していると考え、電気的特性を向上させるために独自の結晶成長による良質な単結晶サンプルを熱電材料に応用した。これまでに Cu-poor 組成 Cu2ZnSnS4 単結晶で、400 K において関連する I2-II-IV-VI4 化合物
より 1.5-45 倍大きな ZT = 0.2 を示すことを報告している[3]。更なる熱電特性の向上のために結晶の高品質化、組成制御やドーピングによって格子欠陥によって物性制
御し、環境調和した高効率熱電材料開発を目指す。本報告では、CuSbS2 単結晶の結晶成長と熱電特性について述べる。
２．実験方法高純度原料(5N: Cu, Sb, S)を石英管に真空封入後、1100 ̊C で溶融させ Feed となる
CuSbS2 多結晶を作製し、成長温度 600 ̊C、温度勾配 40 ºC /cm、成長速度 4 mm/day の条件でゾーンメルト法を用いて CuSbS2 単結晶を成長させた。得られた単結晶を用いて電気的特性と熱電特性評価としてキャリア濃度 p、移動度 μh、電気伝導度 σ、熱伝導度 κ、ゼーベック係数 S を測定した。
３．結果と考察
Figure 1 に 3 ゾーンからなる結晶炉内の温度プロファイルを示す。中心ヒーター温度は 600 ̊C で融点より 50 ̊C 程度高く設定して液相を形成している。中心‐下部ヒー
ター間の温度勾配は 40 ̊C/cm に設定することで液相ゾーンの長さを 1 cm 程度にコントロールしている。Figure 2 に得られた CuSbS2 単結晶を示す。インゴットサイズは
直径 10 mm、長さ 30 mm 程度である。
エネルギー分散型 X 線分析(EDS)から得られた組成分析結果は、インゴット全体においてに均一であり、平均組成として Cu: 25.7 atm.%, Sb: 24.8 atm.%, S: 49.5 atm.%であり、わずかに Cu-rich 組成を示した。サーモプローブ測定から伝導型は P 型を示した。これらの結果と第一原理計算による報告 [4]より、Sb サイトの Cu (CuSb)置換欠陥が支配的であると考えられる。
Table 1 に室温における電気的特性と熱電特性を示す。ホール移動度 μh は、これまで報告されていた多結晶サンプル 32 cm2/Vs より 2 倍大きな 65 cm2/Vs を示した [5]。

261

Fig. 1 結晶成長炉内の温度プロファイル

Fig. 2 CuSbS2 単結晶インゴット

Table 1 室温におけるCuSbS2 単結晶の電気的特性と熱電特性
p [cm-3]

σ [S/cm]μh [cm2/Vs]

S [μV/K]κ [W/mK]

8.08×1016

0.85

65.7

490

0.92

熱伝導度 κ=0.92 W/mK は、ZT > 1 を達成している CuInTe2 の 3.5 W/mK at 300 K よりも小さな値を示し [1]、熱電材料として高いポテンシャルを有する事を示した。この固有の低熱伝導度は、CuSbS2 中の電子のローンペアによる electrostatic repulsion のためと考えられる。
４. まとめ
本研究は、環境調和型 CuSbS2 材料の熱電特性に注目し、高品質な単結晶サンプル
を用いて熱電材料としてのポテンシャルについて調査を行った。電気特性と熱電特性において、これまで報告されている CuSbS2 多結晶サンプルよりも優れた結果を示した。特に室温における熱伝導度 κ=0.92 W/mK は、ZT >1 を示す同系統の多元系材
料よりも 3 分の 1 程度の小さい値を示し、熱電材料として大きなポテンシャルを持つ事を明らかにした。
５. 謝辞
This work was supported in part by the Collaborative Research Program of ResearchInstitute for Applied Mechanics, Kyushu University.
引用文献[1] Y. Luo et al., Adv. Energy Mater. 6, 1600007 (2016).
[2] X. Y. Shi et al., Appl. Phys. Lett. 94, 122103 (2009).
[3] A. Nagaoka et al., Appl. Phys. Express 11, 051203 (2018).
[4] B. Yang et al., Chem. Mater. 26, 3135 (2014).
[5] L. Wan et al., J. Alloys Compd. 680, 182 (2016).

262

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑330ME–3風レンズ風車用の炭素繊維強化複合材（CFRP）の衝撃圧縮特性に及ぼす負荷方向と温度の影響
岡山理科大学

１．緒

工学部

中井

賢治

言

原子力発電所の事故以降、国内外において再生可能な新エネルギとして風力発電が注目されている。
九州大学では、エネルギ効率を高めた次世代風車「風レンズ風車」を開発し、山間部や海上に設置して、様々な性能実験を行っている。今後、エネルギ効率を更に高めるためには、軽量でかつ高強度，高剛性である大型風車を開発する必要がある。このような観点から、風車の大型構造部材に金属材料に代わって炭素繊維強化複合材（CFRP）の使用が計画されている。九州大学応用力学研究所のエネルギ変換工学分野では、真空樹脂含浸製造（Vacuum assisted Resin Transfer Molding：VaRTM）法による CFRPの開発研究が新しいテーマとして開始されている。この手法を用いると、風車や集風体など複雑な大型部材を製作することが比較的容易になる。風レンズ風車が、台風や大波・高波浪による衝撃を受けた時の安全性を評価するために、CFRP の衝撃特性データが不可欠である。また、風レンズ風車を設置する場所によっては、直射日光などの影響により風車の温度が上昇することもあるため、設計する際には温度の影響も考慮する必要がある。
本研究の目的は、VaRTM 法により成形した直交積層カーボン／エポキシ複合材の主軸 3 方向すなわ
ち繊維（1-），面内横（2-），板厚（3-）方向における静的・衝撃圧縮応力－ひずみ特性の温度依存性を、実験的に評価することである。高ひずみ速度（最大 103/s）での圧縮応力－ひずみ関係の温度依存性（T= 20, 40, 60, 80 °C）を、ホプキンソン棒法 1) 及び電気炉により決定した。また、インストロン試験機
及び恒温槽を用いて、低ひずみ速度（10–3/s）における圧縮応力－ひずみ関係の温度依存性を求めた。
これらの結果を比較することにより、ひずみ速度と温度が主軸 3 方向における圧縮特性（極限圧縮強度，
極限圧縮ひずみ，極限圧縮ひずみ値までの吸収エネルギ）に及ぼす影響について考察した。
２．積層板と圧縮試験片の形状寸法
供試材として、VaRTM 法により成形された厚さ約 10 mm の直交対称積層（[0/90]8S）カーボン／エポキシ複合材を使用した。この積層複合材の強化繊維材，マトリックス樹脂の種類及び繊維体積含有率を、表 1 に示す。この積層複合材から、最上・下面での繊維方向（1-d），面内横方向（2-d），板厚方向（3-d）に対して機械加工により直径 d = 8 mm の円柱状の静的および衝撃試験片を採取した。円柱状試
験片の適正な細長比（長さ l／直径 d）の制約上、以下のように形状寸法を決定した。静的圧縮試験片の形状について、ASTM E9-89a2) 規格で推奨されている細長比 l／d = 1.5～2.0 となるように長さ（l = 12mm）を決定した（3-d についてのみ、板厚の制限により l = 8 mm とした）。一方、衝撃圧縮試験片の形状については、標準型ホプキンソン棒試験における適正な試験片細長比の範囲（0.5≦l／d≦1.0）3) に入るように、長さ（l = 4 mm）を決定した。
表 1 本試験で使用した複合材の強化繊維材，マトリックス樹脂の種類及び繊維体積含有率
Cross-ply carbon/epoxy laminated composite
Fiber
HTS40 F13 12K (Toho Tenax)
MatrixEpoxy XNR/H 6815
Fiber volume ratio Vf
0.56

263

３．試験方法及び手順
３・１

静的圧縮試験

インストロン試験機（モデル 5500R）及び恒温槽を用いて、室温及び高温（T= 20, 40, 60, 80 °C）下にて低ひずみ速度で圧縮試験を行なった。静的試験片を試験機の上下圧縮治具間に挟み、一定クロスヘッド速度 1 mm/min で試験片が破壊するまで圧縮負荷を行なった。繊維（1-），面
内横（2-）方向の圧縮試験（図 1 参照）では、試験片端面での帚状変形（end brooming）に引続き縦割れが生じて非常に低い極限圧縮強度しか得られないので、この破壊モードを阻止するために円形（d = 8mm）の孔をあけた高強度鋼リング 4)（直径 30 mm，厚さ 3 mm，ステンレス鋼 304 製）を試験片両端に取り付けている（図 2 参照）。また、試験片温度を正確に計測するため、試験片に直接熱電対（ST-23E-100-GW2-ASP，安立計器株式会社）を取り付けている。

Environmental
chamberSteel rings

Specimen

Specimen

Steel rings

Extensometer

Thermocouple◦(T = 20, 40, 60, 80 C)

10 mm

図 1 直交積層複合材の繊維（1-），面内横（2-）
方向における静的圧縮試験の様子
３・２

図 2 直交積層複合材の繊維（1-），面内横（2-）
方向における静的試験に使用した鋼製リング
図 3 に示す標準型ホプキンソン棒装置及び電気炉を

ホプキンソン棒法による衝撃圧縮試験使用して、室温及び高温下にて衝撃圧縮試験を行った。本装置は、主として入出力棒（JIS SUJ2，直径
16 mm，長さ 1500 mm）と打出し棒（JIS SK5，直径 15.9 mm，長さ 350 mm）から構成されている。
衝撃試験片を入力棒と出力棒の間に挟み込んで取り付ける。棒／試験片間の摩擦の影響を軽減するために、試験片の両端面には二硫化モリブデンを塗布している。試験手順及び測定理論の詳細については、
著者らの文献 5) を参照されたい。また、静的試験と同様、試験片に直接熱電対を取り付けている。
1200
Gun barrel

Hand valve
Air v alve

1500
Input bar

Striker bar

 16

Pressurechamber ( 15.9 x 350)

Channel steel

Cushion750

1500
Output bar
750

Gage no.1

Gage no.2

Stopper ringV-block

Supportblock

Thermocouple(Dimensions in mm)

Thermometer

Compressor

Input bar
Electric furnace

Output bar

Specimen
Specimen

図 3 圧縮型ホプキンソン棒装置の概略図

264

Temperature controller

４．試験結果及び考察
面内横（2-），板厚（3-）方向における、室温（T = 20 °C）及び高温（T = 60 °C）での静的・衝撃圧
縮応力－ひずみ関係の比較を、図 4 に示す（繊維（1-）方向については、面内横方向と同じ傾向のため、省略する）。どの負荷方向，温度においても、ひずみ速度の上昇と共に初期の傾き（初期係数），極限圧
縮強度（最大圧縮応力値）  C は増加しているが、極限圧縮ひずみ  C は低下していることがわかる。また、ひずみ速度に関係なく、両負荷方向とも温度の上昇と共に  C は低下しているが、  C は負荷方向により傾向が異なっている。静的及び衝撃における  C を、温度に対してプロットした結果を図 5 に示す。
どの負荷方向，どの温度においても、  C は正のひずみ速度依存性を示している。また、温度，ひずみ速度に関係なく、板厚方向における圧縮特性値は、他の 2 方向におけるそれよりも非常に高い。これは、板厚方向では、母材であるエポキシ樹脂の固有の粘弾性特性による影響が大きいためである。さらに、
低ひずみ速度（10–3/s）において繊維，面内横方向では、温度 T が 60～80 °C の範囲において  C の急激な低下が認められる。また、板厚方向では、同温度範囲において  C はほとんど変化していないことがわかる。これは、母材が軟化しても、直交している繊維に支えられているためであると考えられる。
以上の結果を考察するために、面内横方向及び板厚方向における静的圧壊モードの温度依存性を調べた。それらの写真を、図 6, 7 に示す。面内横方向では、温度が 20～60 °C の範囲では母材内でのせん断破壊が生じている。一方、温度が 80 °C では、図 6 中の試験片側面の走査型電子顕微鏡（SEM）写真に示すように、繊維の座屈が生じている。これは、試験片温度が母材であるエポキシ樹脂（XNR/H 6815）のガラス転移点（Tg = 90 °C）に近づいたため、母材が著しく軟化したためである。また、板厚方向では母材内でのせん断破壊が生じており、温度が上昇するにつれてクラッシングも認められるが、基本的には破壊形態に大きな違いは認められない。
図 5 より、高ひずみ速度（約 103/s）での  C は、どの方向でも温度上昇による急激な低下が認められない。これは、衝撃試験では、試験片内を荷重ではなく応力波が作用するため、繊維の座屈が生じる前に完全に圧壊したと推測される。

1000
T oC  = 10-3/s
2-d 2060
3-d 20
60

800
600

X
X

400

X
X

200
0

X
X

.

CU (MPa)

Cross-ply CFRP.

 ≒103/s

Ultimate strength

Compressive stress (MPa)1000

X
X: Failure
X

Cross-ply CFRP

0.05

0.1

Compressive strain

0.15



図 4 直交積層複合材の室温及び高温下での面内横，板厚方向における静的・衝撃圧縮
応力－ひずみ関係

.

1-d

800

2-d
3-d

600
400
200
0

0

.

 = 10-3/s  ≒103/s

0

20

40

60

80

100

120

o

Temperature T ( C)

図 5 直交積層複合材の静的・衝撃極限圧縮
強度の温度及び負荷方向依存性265

図 6 直交積層複合材の面内横方向における
静的圧壊モードの温度依存性
５．結

図 7 直交積層複合材の板厚方向における
静的圧壊モードの温度依存性

言

直交積層カーボン／エポキシ複合材の繊維（1-），面内横（2-），板厚（3-）方向の圧縮応力－ひずみ特性（極限圧縮強度，極限圧縮ひずみ，吸収エネルギ）のひずみ速度・温度依存性を、標準型ホプキン
ソン棒法及びインストロン試験機を用いて評価した。その結果、次のような結論を得た。
(1) どの負荷方向，温度においても、ひずみ速度が上昇するにつれて、極限圧縮強度はわずかに増加
するが、極限圧縮ひずみ及び吸収エネルギは低下する。また、ひずみ速度，温度に関係なく、板厚方向の圧縮特性値は繊維・面内横方向のそれよりも非常に高い。
(2) 低ひずみ速度では、繊維及び面内横方向における極限圧縮強度の温度依存性は板厚方向におけるそれよりも非常に高い。これは、繊維及び面内横方向では、高温下にて繊維座屈が生じたためである。しかし、高ひずみ速度では、極限圧縮強度の温度依存性は負荷方向による影響はほとんど認められない。
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。ここに記して、感謝の意を表する。
参考文献
1) H. Kolsky: An investigation of the mechanical properties of materials at very high rates of loading,
Proceedings of the Physical Society, Vol. B62 (1949), 676–700.
2) ASTM E9-89a: Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.01, American Society for Testing andMaterials, Philadelphia (1995), 98–105.
3) G. T. Gray III: ASM Handbook, Vol. 8, Mechanical Testing and Evaluation, ASM International,
Materials Park, OH (2000), 462–476.
4) J. Lankford: Compressive damage and failure at high loading rates in graphite fiber-reinforced
polymeric matrix composites, Advanced Composite Materials, Vol. 19 (1991), 553–563.
5) 横山隆，中井賢治，稲垣智也：一方向強化カーボン／エポキシ積層複合材の衝撃圧縮破壊挙動：直交異方性材料の主軸 3 軸における特性，材料，Vol. 58, No. 11 (2009), 887–894.

研究組織・ 研究代表者

中井

賢治（岡山理科大学

・ 研究協力者

福島・ 研究協力者

氏峰

大地（岡山理科大学

・ 所内世話人新川和夫（九州大学

工学部

翼（岡山理科大学大学院

機械システム工学科）

工学部

工学研究科

機械システム工学科）

応用力学研究所

266

機械システム工学専攻）

新エネルギー力学部門）

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑4

波浪中の浮体・船舶に関する革新的 EFD 技術に関する研究
広島大学大学院工学研究科輸送・環境システム専攻
教授 岩下 英嗣

研究目的

1.

波浪中の浮体や船舶に作用する流体力や動揺の計測技術はある意味完成された技術となっているが、近年の数値流体力学の進展に伴い、その結果を検証するためのより高精度な実験データが必要になって来ている。そこで切望されるデータとは、浮体や船舶に作用する流体力や、その外力を受けて生じる動
揺など、いわゆる積分量としてのデータではなく、浮体や船舶が造波する波や物体表面の圧力などの局部的な物理量であり、これらを計測・解析する新たな技術の開発が急務となってきている。
こうした背景を受け、本研究では、水槽実験において船舶や浮体の圧力分布の新しい計測技術を確立することを目的としている。 昨年度までの共同利用研究を通じて、既に世界初となる表面全域での非定常圧力分布計測に成功しており、今年度からはその成果をベースに計測精度の更なる向上を目的とした研究を展開する。

研究組織

2.

氏

名

岩下 英嗣
柏木 正
大西 宏尚
福本 隆央
伊藤 勇介
三浦 颯馬
胡 長洪

3.

所

属

職

広島大学大学院工学研究科 輸送・環境システム専攻
大阪大学大学院工学研究科地球総合工学専攻
広島大学大学院工学研究科 輸送・環境システム専攻
広島大学大学院工学研究科 輸送・環境システム専攻
大阪大学大学院工学研究科地球総合工学専攻
大阪大学大学院工学研究科地球総合工学専攻
九州大学応用力学研究所

名

教授
教授
修士 2 年
修士 1 年
修士 2 年
修士 1 年
教授

役割・担当
代表者・実験解析
実験指導
実験補助
実験補助
実験補助
実験補助
CFD 解析

実験の概要

圧力分布計測試験に加えて船側波形の計測を行うことで時々刻々の水面位置 (圧力が 0 の瞬間) を把握できるため，高解像度な圧力分布を得ることができる. 革新的な EFD 技術を導入したこの 2 つの試験により船体表面非定常波動場の可視化を行う.

3.1.

供試模型について実験で使用したバルクキャリア船型を Fig. 1 に，主要目を Table 1 に示す．

Fig. 1: Bulker
Lpp [m]B[m]d[m]∇[m3 ]Cb
Aw [m2 ]Table 1: Bulker 主要目
2.4000xB (= xG )[m]0.4000KB[m]0.1280BMT [m]0.0983
BML [m]0.8000KG[m]0.8354
κyy /L267

0.05100.06620.1016
3.21350.10800.25003.2.

圧力計についてFiber Bragg Gratings

োೝ୾FBG センサーの仕組みを Fig. 2 に示す. FBG(Fiber Bragg
Gratings) とは光ファイバーの中に回折格子を刻んだものである．入射光が FBG を通過する際，回折格子 (グレーチング) の間隔によって変化するブラッグ波長と呼ばれるある特定の波長を持った反射光を生じる (それ以外の波長の光は透過する)．センサーが圧力や温度変化などによりたわみ変形すると，回折格
子の間隔が変化し，ブラッグ波長も変化する. この原理を利用
して圧力の測定を行う．
本試験で使用した FBG 圧力センサーの特徴として，以下の３つが挙げられる.

්ૌ୾

ખೝ୾

୾ই॓ॖং

D ૗஄৐
ಓৡ
Fiber Bragg Gratings

োೝ୾

ખೝ୾

්ૌ୾

୾ই॓ॖং

E ૗஄৏

Fig. 2: FBG 圧力計計測原理

小さく，薄い
多点同時計測計測部は長さ 15mm，幅 9mm， 光の特性を活かした WDM(波長厚さ 0.6mm，データを伝送する 分割多重伝送) 方式により，一本光ファイバーは直径 0.155mm と の光ファイバーに複数の FBG を
センサー自体が小さいため，船 刻むことが可能である. これによ
首船尾のような局率の大きい箇 り計測システムが簡素化し，多所での計測も可能となっている. 点同時計測を行うことができる.

温度影響の補正
1 つの圧力センサーには圧力用と温度用の 2 つの FBG が刻まれている. この温度用の FBG は計測点近傍で温度影響を計測し，圧力の計測値から取り除くことを目的としている.

Fig. 3 と Fig. 4 に本試験で使用した FBG 圧力センサーとひずみゲージ式圧力センサーを示す. Fig. 5には FBG センサーの設置位置を示す. 本研究では，抵抗増加に寄与する喫水線より上部にも計測点を設
け，FBG センサーは全 30 断面 333 点で計測を行う. 比較用として, ひずみゲージ式圧力センサー 19 点
埋め込み, 合計 352 点で圧力計測を行う.
F.P.part

A.P.part

1.00

0.75

1.25
1.50

Fig. 4: 歪みゲージ
式圧力計
3.3.

0.25
9.998

9.875

10.25

9.75
9.625
9.25

9.00
8.50

2.50
3.5-5.0

0.375

10.125

2.00

Fig. 3: FBG 圧力計

0.50

8.00

3.00

7.50
7.0-5.5

Fig. 5: FBG 圧力センサー設置位置

船側波高計について

容量式波高計を応用して作成した波高計を計測断面のガースに沿って設置する. 船体側面全域と船首部の合計 29 断面で計測を行う．Fig. 6 に波高計の設置位置を示す. 計測位置ごとに断面形状が異なるため，キャリブレーションによって沈下量に対する出力電圧を算出しておき，曳航試験の計測値を解析する際はその値を利用する.

Fig. 6: 船側波高計の設置位置

268

3.4.

水槽試験

圧力分布計測試験と船側波形計測試験は同じ波条件で行う.
1) 運動計測試験
運動計測装置設置図を Fig. 7 に示す. 速度あり (Fn = 0.18) の向かい波状態で波条件 λ/L = 0.3〜
2.0 の範囲で 8 パターン計測する．船体運動はポテンショメータ，抵抗 (Fx ) は歪みゲージで計測する．
λ/L = 0.5, 0.8, 1.25 の波条件については反復試験を行い, 平均と標準偏差を算出する.
2) 強制動揺試験 (Heave & Pitch) & 波強制力試験
強制動揺装置設置図を Fig. 8 に示す．速度あり (F n = 0.18) の向い波状態で λ/L =0.50, 0.80, 1.25 に相当する動揺周期で 3 パターンをそれぞれ計測する．3 分力検力計で Fx , Fz , My を計測する.
船体表面圧力と船側波形は解析時の位相基準を船体中央とし，船体運動, 抵抗は船体中央から xG 離れた重心周りとしている．

z

z
) D

D

)

) I

x

㹄

x

xG

Fig. 8: 強制動揺装置設置図

Fig. 7: 運動計測装置設置図

圧力分布計測の運動計測試験時のシステム図を Fig. 9 に示す．光ファイバー系の FBG 圧力センサー
は測定器を介して PC2 で収録される．電気系のひずみゲージ式圧力センサー，船体運動 (surge, heave,
pitch)，抵抗，波振幅の計測値は 1) EDX(ユニバーサルレコーダ) で収録される．水槽の中心付近のトリ
ガーポイントを曳航電車が通過した際に両方の系にトリガーが入り, データを PC1 に集めた後トリガーを基準に時刻合わせを行い計測値の解析を行う．全 360 チャンネルで同時計測を行う.
船側波高計測では電気系のシステムのみで計 37 チャンネルで計測する.
ਗ਼ਞ௺୾ই॓ॖং‫௺ش‬3&
3&

ঘॽং‫ش‬१ঝঞ॥‫شॲش‬॔থউ ॔থউ

୾ॖথॱট।‫ ॱش‬೾৒ஓ ¼ઈ৿ੑ೾ಎ઼

:DYH

ऱङा।‫ش‬४এॸথ३ঙও‫ॱش‬ऱङा।‫ش‬४ૄಓৡੑ

)%*७থ१‫ش‬লভःణৈੑ
৉঱ణৈੑ

Fig. 9: 計測システム図
1)

EDX · · · アンプ，フィルター，A/D 変換を一括で行うことができる収録機器269

ॺজफ़‫ش‬

試験結果と考察

4.

試験結果と比較する数値計算手法として，ストリップ法，Enhanced-Uniﬁed Theory, ランキンパネル法の結果を示している. ランキンパネル法は岩下 3) により提案された無限遠条件をパネルシフト法（PSM)と簡易結合法（SCM) により満足させたランキンパネル法 (RPM(PSM+SCM)) を用いる．

4.1.

船体運動

2

|X1|/A2|X3|/A2|X5|/A

RPM
EUT
Strip method
Ship-motion (Pressure)
Ship-motion (Ship-side Wave)

Fig.10 に 2 つの計測試験で得られた船体運動の結果と数値計算による結果を示す．左からSurge, Heave, Pitch の運動の無次元値とそれに対応した位相を示しており，横軸は波長船長
比 λ/L である．圧力分布計測時と船側波形計
測時との船体運動の結果はよく一致しており，Fig. 10: 船体運動 (Fn =0.18, β = 180 degs.).
再現性も高い. 同波条件での結果を入射波を基準として位相修正することで，時々刻々の水面位置を圧力計測に反映することが可能だと判断できる .
Heave 運動の計測値には λ/L = 1.25 付近に同調点が見られ，RPM と EUT では大きく推定している．
Pitch 運動では λ/L = 1.6 に同調点が見られるが，数値計算による推定の誤差が大きい.
0
0

180

1

2

λ/L

3

arg(X1)

0
0

180

1

2

λ/L

0
0

3

arg(X3)

180

90

90

4.2.

1

1

1

1

λ/L

2

3

arg(X5)

90

0

0

0

-90

-90

-90

-180

-180

-180

船体表面非定常圧力λ/L = 0.80 で試験した時の非定常圧力のコンター図を Fig.11 に示す．計測結果と計算結
果 (RPM) を sin 項と cos 項に分けて描いている. 計測結果の赤い長手方向の実線は喫水面を表しており，喫水より上部の広域でデータが得られている. Fig.12 には Ord. 1.25, 5.0, 9.0,
9.5 の断面での非定常圧力の振幅の 1 次成分を無次元化した値と位相について示している. 横Fig. 11: 非定常圧力分布 (λ/L=0.80, β = 180 degs.)
軸はセンサーの設置位置 θ(degs.) で，0 deg. が船底，90 degs. が喫水面を表している. 船尾では RPM の計測結果は計測値とよく一致しているが，船首部では水面付近で大きな誤差が見られる. これはセンサーが水面を出入りすることが原因だと考えられる.
cos component

cos component

sin component

sin componenta) Experiment-1

5

Ord. 1.25

P/ρgA

Exp. (FBG sensor)
Cal. (RPM)
Cal. (EUT)
Cal. (Strip method)

5

Ord. 5.00

P/ρgA

5

b) RPM-0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1

0Ord. 9.00

P/ρgA

0.1

0.2

5

4

4

4

3

3

3

2

2

2

2

1

1

1

1

4
3

0
0
180

30

arg(P)60

θ (degs.)

90

0
120 0
180

30

arg(P)60

θ (degs.)90

120 0018030

arg(P)60

θ (degs.)

90

180

90

90

0

0

0

0

-90

-90

-90

-90

30

60

90

-1800
120

30

60

90

-1800
120

0.4

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Ord. 9.50

30

θ (degs.)

60

90

120

30

60

90

120

arg(P)

90

30

60

90

-1800
120

Fig. 12: 非定常圧力分布 (Fn =0.18, λ/L=0.80, β = 180 degs.)

270

0.5

P/ρgA

0
120 0

90

-1800

0.3

船側波形

4.3.

λ/L=0.80 の向かい波条件における船側波形の結果を Fig.13 に示す. 縦軸に波振幅を入射波で無次元化下値をとり，横軸は計測位置を半船長で無次元化した値である. 上の図は船体表面上での波振幅の 1
次成分について，実線で計測値，破線でランキンパネル法による計算結果を示している . 船首付近で計測値と計算結果との差が大きい. 下の図は船体中央から 300mm の位置での波形を示している. 船体近傍と比較して，数値計算による推定精度が高いことがわかる.
2

ζ/A Ship surface

cos component (Exp.)sin component (Exp.)cos component (Cal.)sin component (Cal.)

1

2

0

-1

-1

1

0
X/(L/2)cos component (longitudinal)
sin component (longitudinal)cos component (Cal.)sin component (Cal.)

1

0

-2

ζ/A y=300mm from C.L.

-2

-1

1

0
X/(L/2)-1

Fig. 13: 船側波形 (Fn =0.18, λ/L=0.80, β = 180 degs.)
非定常圧力線形重ね合わせ

4.4.

λ/L=0.80 における強制振動試験，波強制力試験から得られたデータをもとに非定常圧力の線形重ね合わせを行ったものを Fig.14 に示す．これを Fig.12 のと比べると，船首船底付近では運動自由の計測値と傾向が似ているが，船首水面付近では重ね合わせ解が少し小さくなっている．重ね合わせ解は非線形影響が小さいことを考えると，船首水面付近では運動自由計測時の結果には非線形影響が含まれていると考えれられる．
P / ρgA

5

Ord. 5.00

32
1
0

P / ρgA

5

RPM (DBF)
EUT
Strip mthod
FBG (Exp.)FBG (superposed)

4Ord. 9.00

4

3

3

2

2

30

arg(P)60
θ (degs.)

90

120

0

Ord. 9.50

cos component

cos component

sin component

sin component

1

1

0

P / ρgA

5

4

0

30

arg(P)60
θ (degs.)

90

120

0

0

30

arg(P)

180

180

180

90

90

90

0

0

0

-90

-90

-90

-180

-180

-180

60
θ (degs.)

90120b) Superposeda) Experiment-1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

1Fig. 14: 線形重ね合わせによる非定常圧力分布
Fig. 15: 線形重ね合わせによる非定常圧力分布(Fn = 0.18, λ/L=0.80, β = 180 degs.).
(Fn =0.18, λ/L=0.80, β=180 degs.)．

5.

おわりに

本研究で得られた成果を以下に示す．

1. FBG 圧力センサーの導入や波高計の改良などで EFD 技術を向上させ，これまでにない広範なデータの取得に成功した.
2. 高解像度な圧力分布と船側波形から船体表面非定常波動場の可視化が可能である.
3. 計測結果をいくつかの数値計算法と比較し，その有用性も確かめられた.

REFERENCE
1) 柏木正，岩下英嗣：船体運動 耐航性能編，船舶海洋工学シリーズ，成山堂書店，2012.

271

2) 岩下 英嗣，柏木 正，伊藤 悠真，関 裕太；周波数領域ランキンパネル法による低速/低周波数域での耐航性能計算 , 日本船舶海洋工学会論文集第 24 号，2016
3) 岩下 英嗣；周波数領域ランキンパネル法における無限遠条件の数値処理について，日本船舶海洋工学会論文集第 24 号，20164) 若原正人，谷上明彦，新郷将司，中島円，深沢塔一，金井健，FBG を用いた表面貼付型多点圧力センサの開発，日本船舶海洋工学会論文集第 7 号，2007.

272

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑5高効率海上輸送用地面効果翼機の機体形状に関する研究
広島大学大学院工学研究科輸送・環境システム専攻
教授 岩下 英嗣

1. 研究目的
現在、世界の物流の 99% は低速大量輸送機器の船舶であり、高速少量輸送機器の航空機は旅客や高付加価値物の輸送に限られて利用されている。昨今、航空機を用いた高速かつ大量輸送を高効率で実現するための次世代の特殊航空機の研究開発が各国で進められている。それは地面効果を利用した地面効果
翼機 (WIG) と称される特殊航空機であり、地球温暖化問題を抱えた将来において有望な輸送機器であると期待されている。本研究では、これまで当方で進めてきた前翼式地面効果翼機を離れて、より地面効
果が確保できる高高率な機体形状について検討することを目的としている。

2. 研究組織
氏

名

所

属

職

名

役割・担当

岩下 英嗣
大西 宏尚
新田 皓平

広島大学大学院工学研究科 輸送環境システム専攻
広島大学大学院工学研究科 輸送環境システム専攻
広島大学大学院工学研究科 輸送環境システム専攻

教授
修士 2 年
修士 1 年

代表者
実験補助
実験補助

吉田 茂雄

九州大学応用力学研究所

教授

実験指導

3. 理論計算非圧縮，非粘性，非回転の理想流体と仮定し，空気場を一定速度 U (m/s) で進む翼を考える．Fig.1 に物体固定座標系を示す．SH は物体表面，SW は後流面，SF は
自由表面を表している．法線ベクトル n は流体内向きとし，自由表面は剛体壁，後流面は主流に沿って平行に流れると仮定する. 空気の速度ポテンシャルを Φ(x, y, z) =U [−x + φ(x, y, z)] と表し，空気の攪乱速度ポテンシャル
φ は次の境界条件を満足する.

∇2 φ = 0∂φ(x, y, z)
[H]
= nx
∂n
∂φ(x, y, z)
[F ]
=0
∂n
[K] p+ − p− = 0

Fig. 1: Body-ﬁxed coordinate system.

[L]

(1)
on SH

(2)

on SF

(3)

on SW

(4)

流体領域に Green の第 2 定理を適用すると，次の積分方程式が得られる．

φ(P )
−
2

∫∫

∂G(P, Q)
φ(Q)dS −
∂n
SH
∫∫
∂φ(Q)
G(P, Q)dS=−
SH ∂nQ

ただし，

1
G(P, Q) =
4π

(

)

1
1
r
+ 0 , 0r rr∫∫

∂G(P, Q)−[φ(Q+T ) − φ(QT )]dS
∂n
SW
(5)

}

√

=

273

(x − x0 ) + (y − y 0 ) + (z ∓ z 0 )(6)−
ここで，φ(Q+T ) と φ(QT ) は後縁上下面での速度ポテンシャルを表している．一定要素の仮定に基づき離散化した後，境界条件 (2)，(4) 式の下で数値的に解くことができる．このとき，SH 上の圧力は，

p(x) − p0∂φ(x)=2− ∇φ(x) · ∇φ(x)ρU 2 /2∂x(7)により求めることができる。ここで、p0 は大気圧、ρ は空気密度である。(7) 式中の速度ポテンシャル φの偏微分は、翼表面上の速度ポテンシャル分布を 2 次元のスプライン関数で表して数値微分により求めている。こうして得られた圧力を SH 上で積分することにより、i 方向に作用する力とモーメントがFi = −∫∫

SH{p(x) − p0 } ni dS(i = 1 ∼ 6)

(8)

により得られる。ただし、(n1 , n2 , n3 ) = n, (n4 , n5 , n6 ) = x × n である。

4. 実験の概要
4.1 供試模型について
本実験に用いた模型を Fig.2 に示す．ノーズ部，前翼部，尾翼部及び主翼部の圧力計測部は紫外線硬化型のアクリル系樹脂を用いて九州大学応用力学研究所所有の 3D プリンター (Project 3500 HDMax) で製作した．主翼は，翼中央部から左翼端への長さを y とし，無次元値 y/b/2 を定義し，y/b/2 = 0.300，
0.600，0.900 の 3 断面，翼端板高さ hE の 1/3 の間隔で 2 断面の圧力計測部を有している．計測孔の数はそれぞれ，SectionA(32 点)，Secti on B(32 点)，Section C(29 点)，Section D(16 点)，Section E(16点)，の合計 125 点ある．計測孔の位置は翼後縁からコード長を除した値 (x/c) は，Fig.2 中の表のように設定している．表面には直径 0.8mm の圧力計測孔が設けられており，圧力は計測孔から樹脂ピース内部に直径 1.5mm のポリウレタンチューブが差し込まれており，翼内部を通って微差圧式圧力センサーへと接続されている．圧力計測部以外の部品はケミカルウッド材 (サンモジュール) であり，大きめに製作された樹脂をケミカルウッド材で接着後，切削加工により表面を滑らかにしている．

6HFWLRQ$
㻺㼛㻚
㻝
㻞
㻟
㻠

㼤㻛㼏
㻜㻚㻥㻡㻠
㻜㻚㻥㻠㻣
㻜㻚㻥㻝㻥
㻜㻚㻤㻢㻣

㻺㼛㻚
㻡
㻢
㻣
㻤

㼤㻛㼏
㻜㻚㻤㻞㻟
㻜㻚㻣㻣㻥
㻜㻚㻣㻟㻣
㻜㻚㻢㻡㻤

㻺㼛㻚
㻥
㻝㻜
㻝㻝
㻝㻞

㼤㻛㼏
㻜㻚㻢㻜㻟
㻜㻚㻠㻣㻜
㻜㻚㻟㻟㻤
㻜㻚㻞㻠㻥

㻺㼛㻚
㻝㻟
㻝㻠
㻝㻡
㻝㻢

㼤㻛㼏
㻜㻚㻞㻜㻡
㻜㻚㻝㻢㻝
㻜㻚㻝㻞㻠
㻜㻚㻜㻥㻡

㻺㼛㻚
㻝㻣
㻝㻤
㻝㻥
㻞㻜

㼤㻛㼏
㻜㻚㻝㻜㻠
㻜㻚㻝㻟㻞
㻜㻚㻝㻢㻝
㻜㻚㻞㻠㻥

㻺㼛㻚
㻞㻝
㻞㻞
㻞㻟
㻞㻠

㼤㻛㼏
㻜㻚㻟㻟㻤
㻜㻚㻠㻣㻜
㻜㻚㻢㻜㻟
㻜㻚㻢㻡㻤

㻺㼛㻚
㻞㻡
㻞㻢
㻞㻣
㻞㻤

㼤㻛㼏
㻜㻚㻣㻟㻣
㻜㻚㻣㻣㻥
㻜㻚㻤㻠㻠
㻜㻚㻤㻥㻠

㻺㼛㻚
㻞㻥
㻟㻜
㻟㻝
㻟㻞

㼤㻛㼏
㻜㻚㻥㻝㻣
㻜㻚㻥㻟㻠
㻜㻚㻥㻠㻞
㻜㻚㻥㻡㻞

㻺㼛㻚
㻝
㻞
㻟
㻠

㼤㻛㼏
㻜㻚㻤㻢㻠
㻜㻚㻤㻡㻥
㻜㻚㻤㻟㻤
㻜㻚㻤㻜㻝

㻺㼛㻚
㻡
㻢
㻣
㻤

㼤㻛㼏
㻜㻚㻣㻢㻥
㻜㻚㻣㻟㻤
㻜㻚㻣㻜㻣
㻜㻚㻢㻡㻜

㻺㼛㻚
㻥
㻝㻜
㻝㻝
㻝㻞

㼤㻛㼏
㻜㻚㻢㻝㻜
㻜㻚㻡㻝㻠
㻜㻚㻠㻝㻤
㻜㻚㻟㻡㻠

㻺㼛㻚
㻝㻟
㻝㻠
㻝㻡
㻝㻢

㼤㻛㼏
㻜㻚㻟㻞㻟
㻜㻚㻞㻥㻝
㻜㻚㻞㻢㻠
㻜㻚㻞㻠㻟

㻺㼛㻚
㻝㻣
㻝㻤
㻝㻥
㻞㻜

㼤㻛㼏
㻜㻚㻞㻠㻥
㻜㻚㻞㻣㻜
㻜㻚㻞㻥㻝
㻜㻚㻟㻡㻠

㻺㼛㻚
㻞㻝
㻞㻞
㻞㻟
㻞㻠

㼤㻛㼏
㻜㻚㻠㻝㻤
㻜㻚㻡㻝㻠
㻜㻚㻢㻝㻜
㻜㻚㻢㻡㻜

㻺㼛㻚
㻞㻡
㻞㻢
㻞㻣
㻞㻤

㼤㻛㼏
㻜㻚㻣㻜㻣
㻜㻚㻣㻟㻤
㻜㻚㻣㻤㻠
㻜㻚㻤㻞㻝

㻺㼛㻚
㻞㻥
㻟㻜
㻟㻝
㻟㻞

㼤㻛㼏
㻜㻚㻤㻟㻣
㻜㻚㻤㻡㻜
㻜㻚㻤㻡㻢
㻜㻚㻤㻢㻟

㻺㼛㻚
㻝
㻞
㻟
㻠

㼤㻛㼏
㻜㻚㻣㻣㻠
㻜㻚㻣㻣㻜
㻜㻚㻣㻡㻤
㻜㻚㻣㻝㻡

㻺㼛㻚
㻡
㻢
㻣
㻤

㼤㻛㼏
㻜㻚㻢㻣㻣
㻜㻚㻢㻠㻞
㻜㻚㻢㻝㻣
㻜㻚㻡㻡㻤

㻺㼛㻚
㻥
㻝㻜
㻝㻝
㻝㻞

㼤㻛㼏
㻜㻚㻡㻟㻝
㻜㻚㻠㻥㻥
㻜㻚㻠㻡㻥
㻜㻚㻠㻠㻜

㻺㼛㻚
㻝㻟
㻝㻠
㻝㻡
㻝㻢

㼤㻛㼏
㻜㻚㻠㻞㻝
㻜㻚㻠㻜㻠
㻜㻚㻟㻥㻠
㻜㻚㻠㻜㻡

㻺㼛㻚
㻝㻣
㻝㻤
㻝㻥
㻞㻜

㼤㻛㼏
㻜㻚㻠㻞㻜
㻜㻚㻠㻡㻥
㻜㻚㻡㻡㻤
㻜㻚㻢㻝㻣

㻺㼛㻚
㻞㻝
㻞㻞
㻞㻟
㻞㻠

㼤㻛㼏
㻜㻚㻢㻠㻞
㻜㻚㻢㻣㻣
㻜㻚㻢㻥㻢
㻜㻚㻣㻞㻠

㻺㼛㻚
㻞㻡
㻞㻢
㻞㻣
㻞㻤

㼤㻛㼏
㻜㻚㻣㻠㻣
㻜㻚㻣㻡㻣
㻜㻚㻣㻢㻡
㻜㻚㻣㻢㻥

㻺㼛㻚
㻞㻥

㼤㻛㼏
㻜㻚㻣㻣㻟

6HFWLRQ%

6HFWLRQ&

6HFWLRQ'
㻺㼛㻚
㻝
㻞
㻟
㻠

㼤㻛㼏
㻜㻚㻤㻜㻠
㻜㻚㻣㻥㻜
㻜㻚㻣㻢㻞
㻜㻚㻣㻜㻡

㻺㼛㻚
㻝
㻞
㻟
㻠

㼤㻛㼏
㻜㻚㻢㻝㻢
㻜㻚㻡㻞㻣
㻜㻚㻠㻤㻤
㻜㻚㻠㻢㻥

㻺㼛㻚
㻝
㻞
㻟
㻠

㼤㻛㼏
㻜㻚㻠㻠㻥
㻜㻚㻠㻤㻤
㻜㻚㻡㻞㻣
㻜㻚㻢㻝㻢

㻺㼛㻚
㻝
㻞
㻟
㻠

㼤㻛㼏
㻜㻚㻣㻜㻡
㻜㻚㻣㻢㻞
㻜㻚㻣㻥㻜
㻜㻚㻤㻜㻠

㻺㼛㻚
㻝
㻞
㻟
㻠

㼤㻛㼏
㻜㻚㻣㻡㻡
㻜㻚㻣㻠㻟
㻜㻚㻣㻝㻤
㻜㻚㻢㻢㻣

㻺㼛㻚
㻝
㻞
㻟
㻠

㼤㻛㼏
㻜㻚㻡㻤㻥
㻜㻚㻡㻝㻝
㻜㻚㻠㻣㻢
㻜㻚㻠㻡㻥

㻺㼛㻚
㻝
㻞
㻟
㻠

㼤㻛㼏
㻜㻚㻠㻠㻞
㻜㻚㻠㻣㻢
㻜㻚㻡㻝㻝
㻜㻚㻡㻤㻥

㻺㼛㻚
㻝
㻞
㻟
㻠

㼤㻛㼏
㻜㻚㻢㻢㻣
㻜㻚㻣㻝㻤
㻜㻚㻣㻠㻟
㻜㻚㻣㻡㻡

6HFWLRQ(Fig. 2: Experimental model.

4.2 風洞試験
Fig.3 に実験システムを示す．3 軸トラバーサーに 3 分力計 (日計電測製 Y113M1 型) とストラットを取り付け，その下部に供試模型を取り付ける．ストラット前方に取り付けられたピトー管は，全圧と静圧274により，流速を計測するとともに，静圧計測用チューブを途中で分岐させ，微差圧式圧力センサー (CellInstruments 製 µ DAQ 32DTC) の基準静圧入力ポートに接続する．計測静圧入力ポートには，供試模
型の表面圧力計測用ポリウレタンチューブををストラット後方を通して接続する．
発信機 (NF 製 DF1906) に信号を送り，外部トリガーを発信させ，µDAQ 32DTC と 3 分力計の計測を同サンプリング周波数 (500Hz)，同時刻で行う．3 分力計で得られた歪みはストレインメーター (日章電機製 DSA-100A) により電圧に変換され，ユニバーサルレコーダー (共和電業製 EDX-200A-4H) を経
由して LAN ケーブルで計測用パソコンに出力される．µDAQ 32DTC に関しても同様にデータを LAN
ケーブルで出力させ，3 分力と風速，圧力を合わせて 36 チャンネルの計測を行っている．
地面効果内での計測を行うに際し，境界層を低減させる手法として，地面板を設けている．発達した境界層を板前縁で再スタートさせることで境界層を低減させた結果，計測位置において，約 20mm の厚さまで境界層を低減できている．
飛行高度は，翼前縁から地面板までの高さ h を主翼のコード長 c で除した値である h/c を定義し，主翼単独と全機で飛行高度 h/c を変化させて実験を行っている．風洞の流速は U = 20m/s に設定し，Re = 4.0 × 105 の領域で実験を行っている．
Traverser

outputȣ-DAQ 32DTC

Pitot tube

PC

outputTransmitter
Pressure (Reference)

Pressure (Wing section)

Static pressure

Trigger( DF1906 )InterfaceWind (20 m/s)

Data Recorder( EDX-200A )Pressure scanner(ȣDAQ 32DTC )Pitot tube

Ampliﬁler

3-component
load cell

Pitot tube

(Static pressure)

Strut

Trigger

Wing model( DSA-100A )(Static pressure)

3-component
load cell

Ground plate

Whole airframe modelP( Y113M1)(Aerodynamic
forces & moments)

Fig. 3: Experimental system for measuring aerodynamic forces and moments and pressuredistribution
simultaneously.

5. 実験結果と考察
5.1 飛行高度変化時の全機空力特性
まず，機体迎角 0.0deg. に固定し，前翼迎角を αF ，主翼迎角を αM ，尾翼迎角を αT と定義し、前翼迎角と飛行高度 h/c を変化させた時の全機空力特性の計算結果と風洞試験の実験結果を Fig.4 に示す．実線が計算結果，プロットが実験結果である．
各前翼迎角において，揚力及びピッチングモーメントが実験結果は計算結果よりも高くなっている．
この原因は尾翼に揚力が発生していないためではないかと考えられる．ここで，同時に計測した尾翼の翼断面 section G，H における表面圧力分布を Fig.5 に示す．本来，水平尾翼には，主翼による吹き降ろしの影響により，相対迎角が負となる流速が作用することで，下向きの揚力が発生している．しかし，Fig.5 の水平尾翼表面圧力を見ると上面と下面の圧力差がほとんど生じていないことが分かる．これは，実験システム上尾翼部の風上側にあるストラットが影響しているものと考えられる．これらのことより，尾翼に働くはずであった負の揚力が発生せず，結果として，全体の揚力が上昇し，機首下げ方向のピッチングモーメントが増えたものと思われる．

275

1

CL

0.1

CD

0.05

Calculation (αF=3.0 degs.)
Calculation (αF=6.0 degs.)
Calculation (αF=9.0 degs.)
Experiment (αF=3.0 degs.)
Experiment (αF=6.0 degs.)
Experiment (αF=9.0 degs.)

0.5

CM

0.025

0

0.05

-0.025

0

1

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0

h/c

CP

25

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

-0.05

0.35

0.4

0.45

0.5

CL/CD

0.55

0.6

0.65

0.7

h/c

h/c

αT=0.0 degs.

αF=3.0 degs.
αF=6.0 degs.
αF=9.0 degs.

2015

αM=3.0 degs.

0.5
10
Z

5
0

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0

CP

0

0.35

0.4

0.45

0.5

h/c

0.55

0.6

0.65

1

X

Y

0.7

h/c

Fig. 4: Aerodynamic properties of the Canard-Conﬁguration WIG with diﬀerent angle of attack offront wing at αB = 0.0 deg. (αT = 0.0 deg., αM = 3.0 degs.).

2(p-p0)/(ρaU /2)

1

1
Calculation(αF=9.0 degs.)
Experiment(αF=9.0 degs.)

0.5(p-p0)/(ρaU2/2)

0.5

0

0

-0.5

-0.5

(G)

X

Z

(H)

Y

-1

1

0.5

0

-1
0.5

0

-0.5

x/c

x/c

Fig. 5: Pressure distribution of horizontal tail wing (αT = 0.0 deg., αF = 9.0 degs., h/c = 0.35,
αB = 0.0 deg.).

5.2 前翼の有無における全機での翼表面圧力分布の比較
主翼の風上側には，前翼が存在しているため，主翼の翼表面圧力に対しての干渉影響は存在すると思われる．そこで，主翼の翼表面圧力分布における，前翼ありとなしの結果を比較することによって，前翼と主翼の干渉影響を見ていく．飛行高度 h/c = 0.35 における前翼あり (前翼迎角 αF = 9.0 degs.) と前
翼なしの結果を Fig.6 に示す．Section A から E にかけて，前翼ありとなしの結果にほとんど相違が見られないことが分かる．したがって，前翼が主翼の風上にあることによって主翼の翼表面圧力に対しての干渉影響はほとんど無いということが分かる．

276

-1

(p-p0)/(ρaU2/2)-1(p-p0)/(ρaU2/2)

-0.5

-0.5

-0.5

0

0

0

0.5

Calculation(With front wing)Calculation(Without front wing) 0.5
Experiment(with front wing)Experiment(without front wing)

0.5

1
1

0.5
x/c

0

1
1

(a) Section A : y/(b/2)=0.295

0.5
x/c

0

1
1

0.5
x/c

(b) Section B : y/(b/2)=0.6022-1(p-p0)/(ρaU2/2)-10(c) Section C : y/(b/2)=0.898

2(p-p0)/(ρaU /2)-1(p-p0)/(ρaU /2)
section A

-0.5

-0.5

0

0

section B
X

Z

Y

0.5

section C

0.5

1
1

0.5
x/c

0

1
1

(d) Section D : end-plate (1/3 height)

0.5
x/c

section D
section E

0(e) Section E : end-plate (2/3 height)

Fig. 6: Sectional pressure distribution on the main wing with end-plates of the Canard-Conﬁguration
WIG（h/c = 0.35，αF = 9.0 degs.)．
5.3 主翼単独時と全機における圧力分布の比較
ここで，Fig.7 に計算で得られた主翼単独及び WIG 全機における主翼の翼表面圧力分布を示す．主翼単独は，主翼迎角 αM = 3.0 degs. の結果，WIG 全機は機体迎角 αB = 0.0 deg.，前翼迎角 αF = 9.0 degs.
の結果である．横軸には翼後縁からの距離をコード長で除した値を取っている．Section A，B，C において翼下面の正圧，及び，Section D，E において翼端板内側の正圧が，主翼単独時に比べ全機時の方が減少していることが分かる.
2

-1

2

(p-p0)/(ρaU /2)-1(p-p0)/(ρaU /2)

-0.5

-0.5

-0.5

0

0

0

0.5

0.5

Calculation(Whole airframe)

0.5

Experiment(Whole airframe)
Calculation(Main wing only)
Experiment(Main wing only)

1
1

0.5
x/c

0

1
1

(a) Section A : y/(b/2)=0.295

0.5
x/c

0

1
1

0.5
x/c

(b) Section B : y/(b/2)=0.6022-1(p-p0)/(ρaU2/2)-10(c) Section C : y/(b/2)=0.898

2(p-p0)/(ρaU /2)-1(p-p0)/(ρaU /2)
section A

-0.5

-0.5

0

0

0.5

0.5

section B
X

Z

Y

1
1

0.5
x/c

(d) Section D : end-plate (1/3 height)

0

1
1

0.5
x/c

0

section C

section D
section E(e) Section E : end-plate (2/3 height)

Fig. 7: Pressure distribution on the main wing for two conditions of main wing only (h/c = 0.35，
αM = 3.0degs.) and whole airframe (h/c = 0.35，αF = 9.0degs.，αB = 0.0deg.)．

277

5.4 胴体幅を小さくしたモデル
次に，胴体幅のみを小さくした計算格子モデルを作成し，その計算結果を比較する．現在の形状の胴体幅を基準 (100% として，胴体幅を 95%，90%，85%，80%に変更した時の全機における空力特性を
Fig.8 に示す．現状の形状よりも胴体幅を変更した形状では，揚力係数が約 15%，抗力係数は約 10%の上昇が見られ，揚抗比を見ると h/c = 0.35 では約 5%減少している．また，h/c が上昇すると約 3%の減少になっている．
0.5

CLCalculation (width : 100%)
Calculation (width : 95%)
Calculation (width : 90%)
Calculation (width : 85%)
Calculation (width : 80%)

0.05

CD

0.01

CM

0.005

0

-0.005

0

1

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0

h/c

CP

15

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

-0.01

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

h/c

h/c

CL/CD

10
0.5
5

Z

Width(%)
0

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55
h/c

0.6

0.65

0.7

0

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

X

Y

0.7

h/c

Fig. 8: Aerodynamic eﬀect of the fuselage at h/c = 0.35, αF = 9.0 degs..

6. おわりに本研究で得られた成果を示すと以下のようになる.

(1) 前翼式地面効果翼機に対し，前翼，主翼，尾翼，胴体間の空力干渉を圧力レベルで詳細に示した．
(2) 全機という複雑なモデルにおいても，境界要素法を用いた理論計算により，機体全体に働く空力及び主翼の翼表面圧力分布の推定が可能であることが確認された．
(3) 主翼単独時に比べ，全機では主翼下面における正圧が減少し地面効果が損なわれていることが理論計算及び実験結果に見られており，その原因として胴体との干渉影響が大きいことが明らかになった．地面効果の損失を小さくする機体形状として、中翼式、主翼の位置変更などの検討が必要である．

REFERENCE
1) 伊藤 悠真；地面効果内を飛行する 3 次元翼の空力に関する研究，卒業論文，20112) 伊藤 悠真；地面効果内を飛行する 3 次元翼の空力に関する後流影響と自由表面干渉影響について，
修士論文，20133) 片野 彬；前翼式地面効果翼の圧力分布に関する研究，修士論文，20174) Jaspa PORANANONT；Asymmetric Aerodynamics of a Wing Flying in the Ground Eﬀect，Master’s Thesis，20152785) 小頭 康孝；地面効果翼の水中曳航試験における自由表面影響に関する研究，2013
6) 田端 貴明，村上真貴；広島大学新型風洞の性能評価に関する研究，2015
7) Ahmed, M.R., Takasaki, T. and Kohama Y. ; Aerodynamics of a NACA4412 Airfoil inGroundEﬀect, AIAA JOURNAL, Vol. 45, No. 1，2007279

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑6

多層接結構造を有する多次元カーボン織物複合材料の開発
信州大学繊維学部
機械・ロボット学科 倪 慶清
九州大学応用力学研究所
汪 文学
１． 目的
炭素繊維強化プラスチック（ CFRP）は，比強度および比剛性において金属材料よりも優れており，軽量かつ高強度な材料である．それらの優れた特徴により，自動車，航空機およびスポーツ用品等に広く使用される．また，CFRP は繊維方向に弾性率および強度が高いので，材料設計の際に繊維の配置方法を変えることによって，自由な設計が可能である．従来のCFRP は炭素繊維を一方向に揃えて配置されたもの
や，一重の炭素繊維織物に樹脂を含浸させ，必要な厚みの分だけ積層して製造される．しかし積層構造であるため，板厚方向の強化が不十分であり，さらに，層間は樹脂の硬化による接着のため，層間じん性が低いという問題がある．
そこで本研究では，接結糸を含む多重織物に着目した．接結糸とは，織物の組織内に含まれる，層と層を繋ぐ糸のことである．その織物を利用して CFRP を作製すれば，一層あたりの厚みを増加させることができる．その結果，設計した CFRP の板厚にするために必要な層数を減らすことができる．また，接結構造を有する CFRP の層間じん性は，単純な多重織物を用いた CFRP より大幅に向上されることが予想されており，新しい高じん性の積層板の開発が期待される．
２．実験手法◆多重織物

多重織物は特注の高強度繊維対応型小幅織機を用いて製織した。今回は接結点と接結構造を最適化するため，４種類の多重織物を作製した。炭素繊維はT300 3000-40Bを用いた．製織した構造の一例
はFig.1に示す．図１に示す4種類の四重織物の組織を設計し，構造材としての性能を比較検討する．織物A
では接結構造のない四重織物である.織物Bでは各2層間を接結糸を6本用いる四重織物である.織物Cでは2層と3層を接結糸を4本用いる.

Fig.1. Four kinds of textile structures with different connecting patterns of yarns.

◆CFRP作製

作製した多重織物を用いてVaRTM 成形によりCFRPを作製した．本研究では成形型を使わずに，2枚の離型フィルムの間に積層させた織物を配置し作製した．エポキシ樹脂および硬化剤はナガセケム
テックス株式会社製のDENATITE XNR 6815およびDENATITE XNH 6815を用いた．作製した四重織物を中央に配置し，その上下に東レ株式会社製トレカクロスC06343を4枚ずつ積層し計12層とした．作製した四重織物の中央がき裂進展面となる．初期き裂導入のため，6層目と7層目の間にフロン工業株式会社製のテフ
ロンPFAフィルム(厚さ25μm)を50mm挿入した．
◆破壊じん性評価

JIS K 7086に基づきDCB(Double Cantilever Beam)試験を株式会社島津製作所製の万能材料試験機オートグラフAG-20kNDを行った．DCB試験により各試験片のき裂進展過程のモードⅠ層間破壊じ280

ん性値を求めた．モードⅠ層間破壊じん性値GIRはJIS K 7086に基づく式(1)を用いて得た．

ここで，P(N)はき裂進展過程の荷重，λ(mm/N)はき裂進展過程のCODコンプライアンス，B(mm)，2H(mm)は試験片幅および厚さ，α1(N1/3/mm2/3)は近似直線の傾きである．
３．結果および考察
3.1 モード I 層間破壊じん性値

開発された構造材料の力学的性能評価に曲げ試験と DCB(Double

cantilever beam)試験を行った. 各試料の DCB 試験の荷重-COD 曲線を図２に示し，階段状の曲線を示している．最初のき裂進展による荷重低下及びさらなるき裂進展に伴い，層間におけるき裂進展抵抗の様子がわかる．き裂進展過程のモードⅠ層間破壊じん性値を Table 1 に示す．接結構造をもつ試験片 B,C,D が接結構造を持たない試験片 A よりも高い破壊靭性値を有していることが明らかである.接結構造をもつ試験片D が最も高い破壊靭性値を示し，従来構造に比べ 3 倍弱増大している.CFRP 立体構造における接結糸によるき裂進展抵抗の向上は著しいことがわかる．

Fig.2. The load-COD curves of four kinds of textile structures with different connecting patterns of yarns.

Table 1 Mode I fracture toughness of four kinds of textile structures (kJ/m2)

A
B
C
D

1
0.205
0.912
0.961
1.128

2
0.326
0.845
0.566
0.900

3
0.879
1.033
1.200

4
0.444
0.842
0.777
0.762

5 average
0.478
0.363
0.669
0.869
0.913
0.850
0.963
0.990

４．まとめ
本研究では，層間じん性を向上させる方法として多重織物に着目し,複数の層を連続的な接続糸を介して層間を接合した織り方で一体化した多層構造の開発を行った．また，接結組織を変えた多重織CFRPを作製した．その結果，多重織技術を用い，層間の接合効果のある接結糸を入れた多重織物を創製することができた．また，き裂進展面に入れた接結糸は、CFRPのモードⅠ層間破壊じん性値に対して非常に効果的であり，き裂進展量を抑制することができた．
５．研究組織研究組織

１．信州大学繊維学部機械・ロボット学科

倪

慶清（研究代表者）

２．九州大学応用力学研究所

汪

文学

281

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑7
予見風速に基づくフィードフォワード制御による大型垂直軸風力発電システムの出力・荷重変動抑制
大阪府立大学

大学院工学研究科

涌井徹也

１．序論
大水深海域の広大な日本では浮体式洋上風力発電に期待が寄せられている．水平軸型タービンを用いた浮体式洋上風力発電システムの研究・開発は国内外で進められているが，垂直軸型タービンを用いたシステムの研究も行われている．垂直軸型タービンは，増速機や発電機などの重量物を低位置に設置できること，さらにはジャイロ効果による復元効果が期待できるなど浮体式洋上システムに用いた場合の利点を有している．風力発電システムでは，定格発電出力の制約を満たし，かつ設備利用率を向上させるために高風速域で出力制御を行う．浮体式システムに用いるような大形垂直軸型タービンでは，翼ピッチを操作することが技術的に困難である．したがって，タービン翼をストラットに固定し，一定回転数下でのタービン翼の空力（失速）特性を利用して出力制御を行う必要がある．この場合，定格発電出力が得られるのは定格風速が流入した場合のみとなり，それ以外の風速域では発電出力が低下して設備
利用率の低下を招く．そこで本研究では，陸上設置式大形垂直軸型風力発電システムの高風速域での設備利用率を向上させることを目的とした出力制御方法を提案した．これまでに構築した回転数フィード
バック制御を拡張し，風力タービン流入風速の予見値に応じて回転数フィードバック制御系の設定値をフィードフォワード操作することで発電出力を定格値に制御した．さらに，乱流変動風況下での動的シ
ミュレーションを行い，構築した出力制御方法の有効性を明らかにした．

２．回転数設定値のフィードフォワード操作に基づく出力制御
出力制御を行う垂直軸型風力発電システムの応答を表すブロック線図を図 2 に示す．この出力制御方
法では，まず，発電機トルク操作に基づく回転数のフィードバック制御系を構築し，その設定値を流入
風速予見値に応じてフィードフォワード操作する．流入風速予見値に対して定格発電出力が得られるローター回転数は，垂直軸型タービンの空力特性に基づいて関数化する．ローター回転数の応答は慣性モーメントに起因する遅れ特性を有しており，その時定数はシステムが大型化するほど長くなる．したがって，回転数設定値を流入風速予見値に応じて逐次操作した場合には回転数偏差が増大し，発電機トル

図 1 出力制御を行う垂直軸型風力発電システムのブロック線図282

クや発電出力の変動が顕著になる．そこで，一次遅れフィルタを介した回転数設定値を回転数フィード
バック制御系に入力することとする．発電機トルク操作に基づく回転数フィードバック制御には比例積
分動作を採用する．ローター回転数の応答には，回転周波数の翼枚数倍で変動するタービントルクに起因した変動が重畳するため，一次遅れフィルタを介したローター回転数を制御量とすることでタービントルクの変動に伴う発電機トルクの過剰な操作を抑制する．

３．乱流変動風況下での出力制御挙動分析
３・１

計算条件

3 枚翼の直線翼垂直軸型風力タービンを用いた陸上設置式システムを対象とする．構築した連成解析モデルを浮体式洋上システムに適用することを視野に入れ，直径 86 m，翼長手方向長さ 103 m の大型風
力タービンを想定した．主要諸元は複数の設計荷重ケースにおける空力荷重解析に基づいて決定した．
定格発電出力は 3000 kW に設定した．対象システムは，出力運転中に流入風速に応じて 3 通りの運転モード（定周速比運転，定速運転，定出力運転）を有する．まず．定周速比運転から定出力運転に切り替える流入風速を 8 m/s に設定する．流入風速 8 m/s でのローター回転数は 7.648 rpm となり，これを定速運転下での回転数設定値とする．発電出力が定格値に到達するのは流入風速 11.8 m/s であり，これより高風速において定格発電出力を保持するように回転数設定値を変化させる．回転数設定値フィルタのカ
ットオフ周波数は回転数制御系の共振周波数よりも低く設定し，流入風速の予見値は風力タービン受風
面内の空間平均値が誤差なく計測できるものと仮定した．
３・２

定常特性分析

空力-弾性-制御連成シミュレーションを用いて算出したシステムの定常特性として，流入風速に対する発電出力およびローター回転数を図 2 に示す．本研究で構築した出力制御の比較対象として，回転数制御のみを行う場合の結果も併せて示している．流入風速 8 m/s 以下の定周速比運転および流入風速 8～12 m/s の定速運転ではどちらの制御方法でも同一の定常特性となる．しかし，流入風速 12 m/s 以上の
高風速では，出力制御を行う場合には定格発電出力が保持されるのに対して，回転数制御のみを行う場
合には流入風速 13 m/s 付近で最大値 3500 kW に到達する．これは，一定回転数下で風速が上昇すると周速比とパワー係数がともに低下するのに対して，流入気流動力が風速の 3 乗で増加することによる．
出力制御を行う場合のローター回転数は，定格発電出力に到達した後に一度減少する．その後は風速の上昇に対してパワー係数の減少と流入気流動力の増加が相殺するようにわずかに増加する．以上の分析を踏まえ，風速変動下では回転数設定値を流入風速 1 m/s 刻みで離散化し，流入風速予見値に応じて内Speed control
Feedforward power control

4000
3000
2000
1000
0
0

5

10

15

20

25

30

Rotor speed rpm

Power output kW

挿することとした．
Speed control
Feedforward power control

10
8
6
4
2
0
0

5

10

15

20

Wind speed m/sWind speed m/s(a) 発電出力(b) ローター回転数
図 2 システムの定常特性

283

25

30

３・３

乱流変動風況下での制御挙動分析

TurbSim で作成した乱流変動風況（平均風速 15，18 m/s）下での動的シミュレーション結果を図 3, 4に示す．出力制御および回転数制御のみを行う場合の流入風速（タービン受風面平均値），ローター回転数，および発電出力を取り上げており，出力制御に関しては回転数設定値も併せて示す．出力制御を行う場合には，回転数設定値が流入風速予見値に応じて変化する．回転数設定値フィルタのカットオフ周
波数を回転数制御系の共振周波数よりも低く設定しているため，いずれの平均風速においてもローター
回転数は設定値の変動に良好に追従し，発電出力は定格値（3000 kW）付近で変動する．一方，回転数制御のみを行う場合は，平均風速 18 m/s の乱流変動風況下では出力制御を行う場合とほぼ同様の運転挙動になる．これは出力制御時の回転数設定値が回転数制御における回転数設定値（7.648 rpm）近傍で変動することによる．しかし，平均風速 15 m/s の場合には発電出力が定格値から大きく外れて変動していることがわかる．以上より，予見風速に基づくフィードフォワード制御を用いることによって，幅広い
風速範囲において定格発電出力を良好に保持できることを明らかにした．発電出力の制御性能は流入風

Spatial average ofwind speed m/s

Spatial average ofwind speed m/s

速の予見精度に依存するため，今後は予見誤差の影響を明らかにすることが課題となる．
20
15
10
5

10 [min]

Time

25
20
15
10

8.0
7.8
7.6
7.4
7.2
7.0

Speed control
Feedforward power control
Feedforward power control (Set point)

10 [min]

Time

8.0
7.8
7.6
7.4
7.2
7.0

Speed control
Feedforward power control
Feedforward power control (Set point)

10 [min]Time(b) ローター回転数

Speed control
Feedforward power control

Generator power kW

Generator power kW(b) ローター回転数
4000
3500
3000
2500
2000
1500

Time
(a) 流入風速（受風面平均値）

Rotor speed rpm

Rotor speed rpm(a) 流入風速（受風面平均値）

10 [min]10 [min]Time(c) 発電出力

4000
3500
3000
2500
2000
1500

Speed control
Feedforward power control

10 [min]Time(c) 発電出力

図 4 乱流変動下での運転挙動（平均風速 18 m/s）

図 3 乱流変動下での運転挙動（平均風速 15 m/s）

４．論文と学会発表のリスト(1) T. Wakui, T. Nishoka, R. Yokoyama, “Dynamic Load Analysis of a Large-Scale Vertical Axis Wind Turbine-Generator System
Using Aero-elastic-control coupled simulation”, Proceedings of the Grand Renewable Energy 2018, Paper No. P-We-21, pp. 1–4.
(2) 涌井徹也, 西岡拓哉, 横山良平, 回転軸動揺下での大形垂直軸型風力タービンの空力特性解析, 第 40 回風力エネルギ
ー利用シンポジウム, pp. 273–276, 2018.12.04-2018.12.05, 科学技術館．
(3) 涌井徹也, 西岡拓哉, 横山良平, 回転数設定値のフィードフォワード操作に基づく大形垂直軸型風力発電システムの出力制御, 第 40 回風力エネルギー利用シンポジウム, pp. 409–412, 2018.12.04-2018.12.05, 科学技術館．

284

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑8

風・波併存時の係留浮体に関する模型実験およびシステム同定
代表者 神戸大学海洋底探査センター 橋本 博公
所内責任者 九州大学応用力学研究所 末吉 誠

はじめに我が国の浮体式洋上風力発電を考える際には，台風や津波来襲時の安全確保が重要な課題となる．洋上再生可能エネルギー利用の実現には，長期にわたる運用の安全を保障するための安全性評価の確立が欠かせない．特に浮体式プラットフォームの位置保持に係る係留索の破断は深刻な漂流事故に繋がりうるため，アンカーの把駐力や係留索の挙動を踏まえた浮体動揺の推定が重要となる．しかしながら，浮体動揺は係留系と複雑に連成するため，安全評価のための数値シミュレーションモデルの構築は容易ではない．こうした背景を踏まえて，本研究では係留浮体模型に対する波・風併存時の水槽実験を実施し，このデータを用いたシステム同定を行うことで，複雑な連成影響を取り扱うための数学モデルの確立を目的としている．
今年度は，線形ばねで係留されたセミサブ浮体を対象に，水槽試験により水平方向の自由減衰振動の運動時刻暦を取得し，運動方程式中に含まれる付加質量および減衰力係数のパラメータ同定を行った．

模型実験の概要
セミサブ浮体を用いた模型実験は，神戸大学の浅水槽にて行った．本水槽は長さ 60.0 m，幅 6.0 m であり，水位は 0.8 m に設定した．排水量調整のためのバラスティングを行った後に，浮体の両端にばねを取り付けた．ばねは L 字アングル材を用いて両端を固定した．ばねの取り付け上下位置は，連成運動が誘起されないように，浮体の重心と同じ高さに調整した．さらに，水槽壁による反射波の影響を避けるため，浮体は水槽幅方向の中央に浮かべ，浮体の振動方向が水槽長手方向となるように曳航電車の副台車を利用して L 字アングル材を固定した．浮体とばねの取り付け状況を図 1 に示す．
1 自由度の自由振動試験については，水面が落ち着くまで待った後，浮体を水平に手で引くことで変位を与え，この状態から静かに浮体を離した．浮体運動については，2 台のカメラを用いて浮体に取り付けた複数のマーカーの動きを録画し，株式会社ディテクト社製 3 次元運動解析ソフトウェア DIPPMotion V/3D を用いて取得した．

図 1 セミサブ浮体とばねの取り付け状況285

なお，事前にばねの検定を行った結果，95 mm の変位まで線形性が確認されており，検定結果を用いて算出したバネ定数は k=0.409 N /mm であった．
パラメータ同定結果
本研究では寺田*によって提案された逐次型のデータ同化手法をセミサブ浮体の自由減衰振動に適用した．その詳細については参考文献を参照されたい．模型実験は水平方向の 1 自由度運動であり，他の運動との連成は考慮せず，式(1)で与えられる運動方程式中の付加質量 a および減衰力係数 b の推定を行った．なお，復原力係数 c にはばね定数 k を既知として与えている．m は浮体の質量であり 39.5 kg である．
(𝑚 + 𝑎)𝑥̈ + 𝑏𝑥̇ + 𝑐𝑥 = 0(1)

パラメータ同定における再現波形と実際の観測波形との比較を図 2，逐次パラメータ同定結果を図 3に示す．推定されたパラメータの最終値は，付加質量 a=12.9 kg，減衰力係数 b=7.23 N∙s/m であった．再現波形は観測波形を高精度に再現できており，パラメータ同定が正しく行われたものと考えられる．ただし，本来は固有周波数に対して一定値と考えられる付加質量と減衰力係数が時間の経過に伴って変化しており，ビデオカメラを用いた 3 次元の運動計測精度に問題があるように思われる．
3

15

2
10

valuesx (cm)

1
0
-1

0

5

10

15

20

5

-2
0

-3

0

t (s)

＊

10

15

20

t (s)

Observation waveform

図2

5

Reproduction waveformab

観測波形と再現波形の比較

図 3 パラメータ同定結果

寺田大介，時系列解析による動揺パラメータの直接推定法 - 一自由度モデルによる検証 -， 日本船舶
海洋工学会論文集，第 9 号，pp.127-137，2009.

まとめ
セミサブ浮体模型を用いた水平方向の自由減衰振動の計測を行い，この時系列を用いた逐次データ同化の結果，観測波形と再現波形が良好に一致することが確認された．今後は模型実験の運動計測精度を向上させるとともに，6 自由度運動方程式のパラメータ同定へと発展させていきたい．
成果報告
なし

286

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑9高空風力発電の有効な方式の検討（株）ＴＭＩＴ・研究開発部・所長、
首都大学東京名誉教授
藤井 裕矩
要旨

風力エネルギー発電方法について、安定した豊富な風力が得られる空中風力発電について要素技術を含む基礎研究を行っている。世界的にも先進的な高度な技術が要求されるため、現在 4 つのタイプ：１）
ポンピング型、２）テザー伝達型、３）ねじれ伝達型、４）フライゲン（発電機浮揚型）を念頭に置き、それらの重要な要素技術について検討を行っている。そのうち、テザー型についてはその基礎的な部分である軽量風車を改良し風洞実験の上、本年度は昨年に続きフィールドテストを行い所期の性能が得られることを検証した。
研究開発
風力発電においては風況の良いところとして、地表部のキャノピーを越えた
高度の位置が一つとしてあげられる。このような高空における風力発電技術はい
まだ未開発の分野として残されているが、海外でも米国、オランダなどで開発されつつあり実用開発も近いと思われる。本
研究は、日本で関係する研究者たちが高空風力を利用した風力発電の研究を主軸にして結集したものである。高空風力発電手法として現在 4 つのタイプ：１）ポ
ンピング型、２）テザー伝達型、３）ね
じれ伝達型、４）フライゲン（発電機浮揚型）を念頭に置き、それらの重要な要
素技術について検討を行っている。このFig.１

妻沼グライダー滑空場におけるフィールドテスト（2019 年 1 月 24-27 日）

うち２）のテザー型は、断続的な発電がおこなわれる主流に対して連続的な発電を継続することを目標とした極めて独創的なものである。このために用いられるテザー技術はエネルギー伝達機構として有望視されているものであり、一昨年度九州大学大型境界層風洞を用いたデモンストレーションによって伝達性能を実験的に調べた。昨年度は凧によって風車を浮上させて行うデモンストレーションを計画し実施したが、浮上させた風車の風向を安定させることが出来なかった。本年度は、風車の更なる改良とともに、昨年度に続いて凧によって風車を浮上させて行うフライトテストを行った（Fig.1）。これにより風車の風向の安定を得ることが出来るとともに。凧のように高度や位置が振れる場合の伝達機構を合わせた検討を行い、定格３０W 発電機により３１W の発電を得るなど所期の結果を得ることが出来た。

287

九州大学応用力学研究所における共同研
究の大きな枠組みとして平成 22 年度より「新エネルギー力学」の分野が作られ、九州大学でも風力発電技術の研究開発にかかわっており、この分野の研究者である吉田教授の参加により研究を進めている。このため、九州大学応用力学研究所の共同研究として研究の継続を行っている。
実験日程と経過フェーズ 1.5（0.2ｋW 級）の垂直軸風車を試作し（Fig.2）、本年度は実験研究フィールド

Fig.２

風車モデル（フェーズ 1.5）

テストを加えて以下のように実施した。
2018 年 6 月 17-22 日 GRE2018 に参加し下記のように発表した。
Hironori A. Fujii, Hiroshi Okubo, Yusuke Maruyama, Tairo Kusagaya, Yasutake Takahashi,
Takeshi Akasaka, and Hiroki Endo, “TETHERED HIGH SKY WIND ENERGY GENERATION (HSWG)
PROGRESS REPORT IN 2018,” a90570. Grand Renewable Energy 2018 International Conference
and Exhibition、2018,June 17 (Sun) –22 (Fri), Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan2018 年 11 月 13 日 空中風力発電の手法についてカイトによる発電システムを開発した。
（福岡
県奈多海岸）
2018 年 12 月５、6 日 第 40 回風力エネルギーシンポジウム（科学技術館（千代田区））に「エアボーン風力発電・新コンセプト」のセッションを構成して６件の研究発表を行った。
2018 年 12 月６日 「第７回高空風力発電研究会全体会議」を科学技術館（千代田区）で開催した。
（出席者 22 名）
2019 年 1 月 24-27 日 空中風力発電の手法について軽トラックによる走行実験を用いてフィールド試験を実施した。
（埼玉県妻沼グライダー滑空場）
2019 年 3 月 19 日 「第８回高空風力発電研究会全体会議」を極地研究所（立川）で開催予定。

技術課題への成果
本年度の研究成果により、以下の２つの技術課題について、２）のようにフィールドテストによるデモンストレーションを行った。
１）高空風車において、軽量であることとともに、ブレードが十分な空力特性を持つこと、さらに、必要な強度を持つことが必要である。本年度においてはフェーズ 1.5（0.2ｋW 級）の直線翼風車をモーターで回転させてトルク特性を風洞で測定し風車性能の試験を行った。
２）風車の更なる改良とともに、風車を浮上させて行うフライトテストを行い、凧のように高度や位置が振れる場合の伝達機構を合わせた検討を行った上で、定格３０W 発電機により３１W の発電を得るな
ど所期の結果を得ることが出来た。
４）風車モデルの性能実験については、風力エネルギー利用シンポジウムなどの学会、さらに、フィールドテストの成果については（日本機械学会関東支部第 25 期総会・講演会、18E14,2019 年 3 月 18-19288

日、千葉工業大学）、ならびに第 8 回全体会議で研究成果としてまとめた。
主に以上の３点については結果と考察について、いずれも、「研究成果報告」の節で示したように学会、もしくは全体会議で発表し、議論した。
（「研究成果報告」の項参照。
）
研究組織
氏名

所属

役職

藤井 裕矩

ＴＭＩＴ

所長

大久保 博志神奈川工科大学

教授

永尾 陽典

神奈川工科大学教授

佐藤 強

神奈川工科大学

博士課程 1 年

新川 和夫

九州大学

教授

吉田 茂雄

九州大学

教授

赤坂 剛史

金沢工業大学

講師

関

和市

東海大学

教授

内山 賢治

日本大学

教授

草谷 大郎

都立産業技術高専

准教授

真志取 秀人

都立産業技術高専

准教授

山本 広樹

都立産業技術高専

准教授

冨田 匠

首都大学東京学部 4 年

髙橋 泰岳

福井大学

准教授

近藤 智行

福井大学

修士課程 2 年

中嶋 智也

大阪府立大学

講師

遠藤 大希

TMIT

客員研究員

丸山 勇祐

前田建設

研究員

岩原 誠

(有) ザクシス

代表取締役

中台 章

ジオスポーツ（株） 代表取締役

研究成果報告（主なもの）、第 49
１）藤井裕矩,遠藤大希,草谷大郎, 内山賢治、「テザー係留型飛行体の運動に関する基礎研究」
期日本航空宇宙学会年会講演会、2E051C09、平成 30 年 4 月 19-20 日、東京大学。
。
２）Hironori A. Fujii, Hiroshi Okubo, Yusuke Maruyama, Tairo Kusagaya, Yasutake Takahashi,289

Takeshi Akasaka, and Hiroki Endo, “TETHERED HIGH SKY WIND ENERGY GENERATION(HSWG) PROGRESS REPORT IN 2018,” a90570. Grand Renewable Energy 2018 International
Conference and Exhibition、2018,June 17 (Sun) –22 (Fri), Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan３）藤井裕矩、赤坂剛史,大久保博志, 草谷大郎,丸山勇佑, 中嶋智也,高橋泰岳,遠藤大希,中台章,菊池雅行「高空風力発電の極地での有効活用手法の研究」、「第15回南極設営シンポジウム」2018年6月4日(月)、国立極地研究所
４）草谷大郎、黒田茂将、冨田匠、藤井裕矩、「一体型オールインフレータブル飛行機モデルの無人展
開から飛行まで」、第５回ブイヤント航空講演会、平成３０年7月1６日、東京都立産業技術高等専門学
校５）近藤智行、形川雅文、高橋泰岳、長尾晃一朗、東浦邦弥、「高空風力発電のためのヒステリシス制
御によるカイト飛行の検証」第40回風力エネルギー利用シンポジウム、日本風力エネルギー学会、2018
年12月4-5日,科学技術館、千代田区、東京, C３－2.
６）丸山勇佑、原田恭輔、大久保博志、藤井裕矩、佐藤強、遠藤大希、岩原誠、関和市「直線翼風車を用いた高空風力発電システムの開発―風洞実験とフィールドテストー」第40回風力エネルギー利用シンポジウム、日本風力エネルギー学会、2018年12月4-5日,科学技術館、千代田区、東京, C３－３．
７）大久保博志，畠山凌，小野寺未，佐藤強，藤井裕矩，丸山勇祐、「直線翼風車を用いた高空風力発電システムの開発」日本機械学会関東支部第25期総会・講演会、18E14,2019年3月18-19日、千葉工業大学．
謝辞
本研究は、九州大学応用力学研究所の共同利用研究（一般研究）の助成を受けたものである。

290

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑10

CT 画像を利用した数値解析法の脳神経外科への応用
京都府立医科大学脳神経外科 梅林大督
1. 緒

言

超高齢社会の到来とともに，骨粗鬆症患者が急増している．骨粗鬆症になると大腿骨の頸部骨折や椎体の圧迫骨折（図１）が容易に生じるようになり，骨折とともに患者の QOL は大幅に低下する．高齢者の場合に骨折の治癒が容易でないと，そのまま寝たきりの原因となることも多い．臨床における骨粗鬆症の判断は，主に DEXA 法
等による骨密度の測定値から算出される YAM 値に基づいて行われるが，YAM 値は骨密度の平均的な値であるため，力学的な指標である骨強度に必ずしも対応しているとは言えない．骨強度を評価するためには，骨密度分布に加えて骨の形状や構造をも考慮することが必要である．そこで本研究では，脊椎疾患を有する 79 名の患者の脊椎 CT 画像より，178 個の椎体を抽出して３D 数値モデルを作成し，損傷力学を導入した FEA により椎体強度を求めて，YAM 値との相関関係について調査した．
2. 解析方法
脊椎疾患で稲沢市民病院脳神経外科を受診した 79 名（男性 24 名，女性 55 名，年齢 39 歳～96 歳）の脊椎 CT
画像より計 178 個の椎体を抽出し，３D 数値モデルを作成した（図２）．作成したモデルは，皮質骨に相当する表面をシェル要素，内部を４面体要素で分割し，底面を完全拘束，上面に分布荷重を与えることで椎体の圧縮状態を模擬し解析を行った．骨の力学モデルとしては，引張変形は線形弾性，圧縮変形は弾塑性を用いた．さらに，引張応力下での要素の損傷は，最大主応力が臨界値に達したときに発生し，一方，圧縮応力下での要素の損傷は，まず相当応力が降伏強度に達すると塑性変形が生じ，その後，最小主ひずみが臨界値に達すると圧潰が生じるとした．また，表面のシェル要素のひとつが損傷したときの荷重値を骨強度と定義した．CT 画像を用いたモデル作
成と骨強度の評価までの一連の作業は，臨床用に開発された骨強度解析ソフトウェアの Mechanical Finder CLINIC（RCCM 社）を用いて行った．

Fig.1 Vertebra compression fracture

Fig.2 Procedure of 3D-modeling and strength analysis

各患者の YAM 値と CT-FEM により評価した椎体強度から，それぞれ次の式で定義される骨密度に基づく骨粗鬆症評価指標 OPIBMD と骨強度に基づく骨折危険性評価指標 OPIBS を求めた．

OPI BMD  YAM 70

andOPI BS  Bone strength 2500

ここで，70%と 2500N はそれぞれ YAM 値と骨強度の基準値であり，YAM 値が 70%より低いと骨粗鬆症と診断され，骨強度が 2500N より低いと骨折の危険性が高いことを示している(1)．したがって，OPIBMD < 1 の場合は，骨粗鬆症と診断される可能性が高く，一方，OPIBS < 1 の場合は，骨折の危険性が高いことに対応している．

291

3. 結果と考察
図３に 79 名の患者の大腿骨の YAM 値と腰椎の YAM 値の相関関係を示す．相関係数は 0.679 であり正の相関があることがわかり，大腿骨の骨密度が高いと腰椎の骨密度が高いことを示している．しかし，一部の患者では，腰椎の YAM 値が正常（70%以上）であるにも関わらず，大腿骨の YAM 値は 40%より低い値を示しており，大腿骨頸部骨折が生じる可能性があることを示唆している．
このように，
データ全体としては正の相関はあるものの，患者によっては一方の YAM 値が低い場合もあるので，大腿骨と腰椎の両方で YAM 値を評価する必要があると考えられる．
図４に OPIBMD と OPIBS の相関関係を示す．ここで，L1,2,3 はそれぞれ第 1,2,3 腰椎，T12 は第 12 胸椎を示している．OPIBMD < 1 は骨粗鬆症と診断される可能性が高い領域であり，OPIBS < 1 は骨折の危険性が高い領域を示している．OPIBMD < 1 の領域内に存在していても OPIBS > 1 を示している椎体が少なからず存在し，低骨密度でも強度的には問題がない椎体が存在することが分かる．一方，OPIBMD > 1 であり骨粗鬆症とは診断されないが，OPIBS < 1 となっている椎体が複数存在している．このことは，骨密度測定の結果では骨粗鬆症が認められないが，突然椎体が骨折する危険性を有していることを示唆している．今回の調査では，79 名中 10 名の患者
が，正常骨密度・低骨強度の椎体を有していた．特にある患者は，OPIBMD = 1.36 であり十分に高い YAM 値を示していたが，L2 の OPIBS は 0.54 でありかなり低い骨強度を示していた．なお，この患者の L3 の OPIBS は 1.4 であり強度的には問題なく，椎体によっても強度が大きくばらつくことが分かった．

Fig.3 Correlation between femur YAM and lumbar YAM

Fig.4 Correlation between OPIBS and OPIBMD

文献(1) Imai, K., et al., “Assessment of vertebral fracture risk and therapeutic effects of alendronate in postmenopausal women using
a quantitative computed tomography-based nonlinear finite element method”, Osteoporosis International, 20 (2009), pp.801810.

292

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑11

Mechanical influence of implant number on the mucosal tissue underimplant-retained overdentures using a combination method of mechanicalreaction analysis and Finite Element Analysis.
Yasuyuki Matsushita, Kyushu university

Summary
Stress in the mucosal tissue under the denture base was evaluated using a combinationof mechanical reaction analysis and FEM analysis.
Differeces in the mucosal stress distribution were detected among CD, 1-, 2-, 3- and 4IOD.
3- and 4-IOD reduced the mucosal stress in posterior part more than in 1- and 2-IOD
did.
Purpose:This study was performed to investigate and compare the mechanical influenceof implant number on the mucosal tissue under implant retained-overdentures using a
combination method of mechanical reaction analysis in experiment model and finite
element analysis.
Methods:
Five implants were placed between left and right mental foramina inedentulous mandibular experiment model. Following four types of implant overdentures(IOD) were established. 1-IOD; retained by single mid implant. 2-IOD; retained by two
implants. 3-IOD; retained by mid and left and right most distal implants. 4-IOD;
retained by four implants except for mid implant. Locator attachment was chosen as
overdenture retainer. Complete denture (CD) was established as a control model. A
50N load was applied onto the right first molar position of the overdenture, and thebending moment on each implant and the overdenture displacement were measured.
Additionally, a FEA model was prepared based on DICOM data of the experimentmodel. The interface between the denture base and mucosal tissue was assumed to be acontact interface and the interface between bone and mucosal tissue was assumed to becontinuous interface. Displacement data measured by the experiment model analysis
were inputted into the FEA model, and the stress distribution and maximum stress value
in the mucosal tissue under the posterior part of the denture was evaluated.

293

Results:
1. Displacement
The vertical displacement of the posterior part of denture base in loaded side
showed the greatest, there was no difference in vertical displacement among CD,
1- and 2-IOD. However, the displacement of denture base significantly decreasedin 3- and 4-IOD.
2. Mucosal stress
1) Loaded side
Higher stress distribution was shown in posterior part in CD. Moderate stress
distribution in loaded side was shown in 1- and 2-IOD. In addition, thelowest stress distribution in loaded side was observed in 3- and 4-IOD.
2) Non-loaded side
Except for CD, maximum stresses in unloaded side were lower than those inloaded side.
The highest stress value was shown in CD. The highest stress peak value wasobserved in 4-IOD, followed in order by 3-, 2- and 1-IOD.
From standpoint of mucosal stress reduction, 3- and 4-IOD were better for stress
distribution than 1- and 2-IOD. Additionally, from standpoint of minimum
intervention and economical effect, 3-IOD was better plan.
Conclusion:
Within this limited study, stress in the mucosal tissue under the denture base wasable to be evaluated using a combination of mechanical reaction analysis and FEM
analysis.
Differeces in the mucosal stress distribution were detected among CD, 1-, 2-, 3- and 4IOD.
3- and 4-IOD reduced the mucosal stress in posterior part more than in 1- and 2-IOD
did.

294

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑12心筋組織のエネルギー変換メカニズムに関する研究
国際医療福祉大学

医学部

松本拓也

1. 緒言
スキャホールド疾患や欠損した組織・臓器を治療する技術として、再生医療技術が注目されており、三次元組織体の活用が期待されている。中でも特に注目が集まっているのが細胞
シート工学である。細胞シート工学は細胞-細胞間および細胞-ECM 間の接着を保持できる。細胞シート工学は、臨床において心臓疾患の治療に応用されている。患者の細胞から作製した骨格筋細胞シートを心臓に移植することにより拡張型心筋症の治療に成功したという報告
図１.本研究の発想がなされている。また、自己複製能と多分化能を有する
人工多能性幹細胞(iPS 細胞)の樹立により再生医療分野は著しい発展を遂げている。このヒト iPS
細胞から心筋細胞への分化誘導が確立されつつあり、再生医療や創薬研究における重要な細胞源として期待されている。そこで本研究の発想は図１のようにスキャホールドとヒト iPS 細胞由来心筋細胞（hiPS-CM）を組み合わせることにより心筋組織の拍動を動力とするポンプ様デバイスの作製を目指した。まずは、hiPS-CM による組織体の構築と足場材の評価を行うことを目的とした。今回ス
キャホールドの材料としてポリジメチルシロキサン(PDMS)に着目した。PDMS とはガス透過性、透明性が高く、加工が容易な生体適合性材料である。よって、hiPS-CM の拍動挙動と PDMS の力学的特性について検討を行った。
2. 実験方法
1) hiPS-CM による組織体形成
心筋組織を構築するために使用された hiPS-CM は、Carmy A であった。Carmy A は、Myorige によって iPS 細胞から心筋細胞に分化した細胞である。細胞組織体を調製するために使用した培養基板
は、温度応答性 24 ウェル平底プレート（CellSeed）であった。 hiPS-CM を 1.0×106 cells / wellで播種し、37℃、湿度 100％、5％CO2-95％air のインキュベーターで培養した。このとき、培地としては、10μMRock inhivitor を添加した解凍用培地（Myorige）を用いた。培地は毎日交換し、初日は全量交換し、その後半量交換した。このとき使用した培地は維持培地（Myorige）であった。 ７日後に培地を４℃に冷却した培地に交換して細胞組織体を調製した。作製した細胞組織体を毎日撮
影し、拍動を観察した。
2)PDMS の作製
今回用いた PDMS（Dow Corning Toray）は主剤と副剤の 2 つの液剤からなるものであった。主剤と副剤を混合後、脱気を行い 3 日間静置させた。このとき主剤と副剤の混合比を 5：1、10：1、15：
1、20：1 と変化させた。作製した PDMS に対し引っ張り試験を行った。
3)PDMS 上での hiPS-CM の培養
主剤と副剤の混合比が 5：1 の PDMS と一般的な細胞培養に用いられるポリスチレン製ディッシュ
上で hiPS-CM を 1.0×106 cells ずつ播種し 1）同様培養を行った。このとき、各条件では、材質の違いにより、表面の組成が異なる可能性があるため、コラーゲンコートを行い、基板の表面物性の均一化を図った。

295

3. 結果および考察
１）hiPS-CM 組織体の評価
hiPS-CM 組織体は作製後 7 日間培養を行った。図２に
hiPS-CM 組織体の形態を示す。hiPS-CM 組織体のサイズは徐々に減少し、そして凝集しているように見えた。これは細胞間の結合が増加することにより細胞間の距離が縮まったためであると考えられる。図３に心筋細胞の拍動振動数を示す。拍動振動数は、BV Workbench を使用してアニメー
ションを分析することによって得た。 1 日目から 4 日目に拍動振動数が減少し、4 日目から 7 日目にかけて増加することが示唆された。組織体形成後初期はそれぞれの細胞が局所的に拍動することで安定せず振動数が減少しそれから細胞間のギャップ結合形成により組織体全体が同調し拍動が安定したと考えられる。
２）PDMS の力学的特性
図４は、作製した PDMS の引っ張り試験から得た応力―ひずみ線図である。ヤング率は図４のグラフの傾きから求められ、得られた弾性率は、5：1－1100[kPa]、10:1－860[kPa]、
15:1－530kPa 20:1－75kPa となった。、このことから異なる弾性率を持つ PDMS の作製に成功したことを確認した。
３）PDMS 上での hiPS-CM の拍動挙動
図５に培養 7 日目の輝度の変化を示す。このグラフを BVWorkbench により解析した拍動振動数は TCP-0.146[Hz]、PDMS5：1-0.391[Hz]となった。TCP のヤング率は約 2[GPa]といわれており、作製した PDMS のほうがヤング率が低く生体環境により近いため拍動周期が短くなった と考えられる。また、ヤング率の低い基板上では細胞の進展が抑制されることにより、立体的になり細胞間の接地面積が増加することで細胞間の情報伝達が促進されたこと も考えられる。
4. 結言
本研究では、温度応答性培養プレートを用いた iPS-CM 構
造体の作製と混合比を変化させることによる硬さの異なる
PDMS の作製、PDMS 上での hiPS-CM の培養と拍動挙動の観察に成功した。hiPS-CM は凝集や基板の硬さによって拍動挙動が変化することが示唆された。

図２.形態写真

図３.拍動振動数の変化

図４.応力-ひずみ線図[1]Okita K, Yamanaka S. Induction of pluripotency by defind
factors. EXPERIMENTAL CELL RESEARCH 316: 2565-2570,
2010

図５.PDMS 上の輝度変化296新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑13

CT 画像を利用した数値解析法の脊椎外科への応用～びまん性特発性骨増殖症のバイオメカニクス解析～
佐賀大学整形外科
1.

馬渡正明，森本忠嗣

緒 言
背骨を支える靭帯には，椎体の後方を縦に走る後縦靭帯，前面を走る前縦靭帯，椎弓をつなぐ黄色靭帯等があり，後縦靭帯と黄色靭帯は椎骨と共に脊柱管を形成している．これらの靭帯（とくに前縦靭帯
を中心に）に骨化を生じ、広範囲に脊柱が癒合し強直化する病態はびまん性特発性骨増殖症（diffuse
idiopathic skeletal hyperostosis; DISH）と称される。近年の高齢者外傷の増加とともに、DISH 例の骨折は増加している。DISH 例では、軽微な外傷で骨折を生じ、癒合していない脊椎とは異なる骨折形態を呈する。さらに、不安定が強く骨癒合不全や遅発性麻痺を生じることも問題となっており、その病態の解明は喫緊の課題である。
本研究では，胸椎の DISH 例２名の患者の CT 画像から椎体モデルを作成し，圧縮と引張負荷が作用した場合の微視的骨損傷の発生について，正常椎体モデルとの比較検討を試みた．
2.

解析方法
61 歳と 75 歳の男性 DISH 症例の脊椎 CT データより，5 個および６個の胸椎と椎間板で構築される脊椎モデルを構築した．また比較のために 56 歳の女性の CT 画像を基に骨化を含まない正常脊椎モデルを構築した．以下，61 歳骨化症モデルを First case，75 歳骨化症モデルを Second case，56 歳正常モデ
ルを Third case と略記する．これらのモデルを図１に示す．CT 値から骨密度を推定し，さらに keyakの式を用いてヤング率を計算した．底部を固定し，上部に圧縮と引張荷重を最大 2000N まで加えて応力解析を試みた．また，要素単位で破壊が生じる骨損傷モデルを用いて逐次的に生じる骨破壊現象を再現した．
3.

結果および考察
図２に T8-T10 でのヤング率の平均値の分布状態を示す．56 歳の女性(Third)が最も低いヤング率分布を示しており，3 人の内で平均的骨密度が低いことに対応している．一方，First と Second では T8 とT9 の境界領域で高いヤング率を示しているが，これは靭帯の骨化による骨密度の上昇を示している．

First
図１

SecondThrid

骨化症モデル(First&Second)と正常モデル

図２

297

ヤング率の分布状態(T8-T10)

モデル上面に 2000N の圧縮荷重（左図）と引張荷重（右図）を負荷したときの破壊した要素の分布状
態を図３に示す．圧縮と引張の両条件ともに，骨化した靭帯と椎体の接合部から破壊が生じていることが分かる．また，破壊要素の累積状態を First case と Third case の場合について図４に示す．横軸はstep 数を表しており，1 step は 200N に対応している．DISH 例の First case では圧縮よりも引張りの方が破壊要素の発生数が多く，荷重の増加とともにその差も広がっていく．一方，正常モデルの Third
case の場合，破壊要素の発生数は圧縮と引張でほとんど同じであり，負荷形態の差が生じていない．これらの結果より，DISH 例は骨折が生じる負荷形態に影響を及ぼすことが示唆される．なお，Third caseの方が First case よりも破壊要素数が多いが，これは図２に示すように Third case の方が低骨密度を示しており，今回用いた損傷モデルでは，低骨密度は低破壊条件に対応することに起因していると考えられる．

First caseSecond Case

図３ 破壊要素の分布状態（2000N）

First case

Third Case

図４ 破壊要素の累積状態．横軸は step 数を表し 1 step は 200N に対応する．
3.

結 言
今回初めて DISH 例に CT-FEM の手法を応用し，靭帯の骨化が椎体骨折の形態に重要な影響を及ぼす可能性があることが示唆された．次年度の研究では，症例数を増やして解析を行い，骨化が椎体骨折に及ぼすメカニズムについてより詳細な検討を進めていく予定である．

298

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑14骨密度分布を利用した骨の力学特性予測法の構築
千葉大学大学院医学研究院整形外科 松浦 佑介
1. 緒

言整形外科分野における骨強度を評価する手法として，X 線 CT 画像を用いた有限要素解法（CT-FEM）による骨強度解析が行われている．患者自身の骨の X 線 CT 画像から 3D-CAD モデルを作成するため，個人の骨とほぼ同一の構造を有する 3 次元骨モデルを作成できる．また，CT 画像から骨密度を推定し，骨密度から Keyak らが作成した予測式により，ヤング率や降伏応力といった材料特性を推定することもでき，有限要素解析を行うことで患者個別に骨強度の予測や評価が可能である．しかし，最近の研究から Keyak の式では実験結果を十分に表現できないことが明らかになっている．そこで本研究では，Keyak や Keller の実験式を用いた CT-FEA と大腿骨の力学試験結果を比較し，問題点を検討するとともに，新たな材料特性予測式の検討を行った．
2. 方法
献体 4 名の大腿骨の CT 画像を Mechanical Finder ver.9.0 で読み込み，3 次元大腿骨モデルを作成した．1 人目の献体からは左大腿骨モデル（モデル A）を作成し，2，3，4 人目の献体からは右大腿骨モデル（モデル B，C，D）を作成している．実際の圧縮試験（以下実験）と同様の条件を想定し，図 1 のように大腿骨の遠位部には骨固定用の樹脂の 3D-CAD モデルを作成し，骨頭部には圧縮試験機の治具の 3D-CAD モデルを作成した．次に，大腿骨の骨密度を
HU 値から推定した．さらに，ヤング率や降伏応力といった材料特性を予測式により骨密度から算出した．荷重拘束条件として，骨固定用樹脂の底面を完全拘束とし，治具の 3D-CAD モ
デルの上面に 10mm の強制変位を与えた．そして，破壊要素数が一定値を越え
Fig.1 Distribution of bone density.

た時点で解析を終了した．
本研究では，現行の材料特性予測式や修正式（新たに提案した予測式）など，複数の予測式ごとに解析を行っており，それぞれの解析結果と実験結果の荷重-変位関係を比較検討を行っている．
まず初めに，現行の材料特性予測式である Keyak，Keller-original（以下 Keller-o）を用いて有限要素解析を行った．これはモデル A，B の 2 つで行い，現行の材料特性予測式と実験結果の整合性の確認を行った．
次に，複数の新たな材料特性予測式を定義し，それぞれの予測式ごとに材料特性を推定して解析を行った．低骨密度領域 0.23（g/cm3）以下の要素数の割合が多いモデルで実験結果と解析結果の整合性が特に低く，さらに解析結果の最大荷重が実験結果の最大荷重に比べ大きくなる傾向があることがわかっている．つまり現行の予測式では低骨密度領域の要素数の割合の多いモデルの剛性が高く見積もられており，整合性が低く十分に表現できていない．そこで，このモデルの剛性を下げるために，低骨密度領域 0.23（g/cm3）以下のときヤング率を小さくする必要があると考えられた．
これらを踏まえ Keller-o の式を基本に，指定範囲内（0<BMD≦
0.23）の骨密度からヤング率を算出する際にヤング率を 0.5 倍にした Keller-modified（0.5）（以下 Keller-m（0.5）），0.25 倍としたKeller-m（0.25）を新たな材料特性予測式とした．この予測式とKeller-o の関係を図 2 に示す．骨密度 0.23（g/cm3）以下で Keller-mのヤング率が 0.5，0.25 倍に低下しているのがわかる．
なお，剛性の整合性を高めるために新たな材料特性予測式では非破壊解析を行った．剛性値とその値が実験結果の剛性に対してどの程度変化しているか（変化率）を比較検討することで，より実験結
果と解析結果の整合性を高める材料特性予測式について検討を行っ
Fig.2 Prediction formula

た．

(Keller-o, Keller-m(0.5) and Keller-m(0.25))299

3. 結果と考察
モデル A，B の実験結果と Keyak，Keller-o の式を用いた解析により得られたモデルの荷重-変位曲線を図 3 に示す．モデル A と B の実験結果を比較したところ，モデル A よりも B の方がより剛性が高く，最大荷重も大きな差が生じている．Keyak での解析結果を比較すると，
2 つのモデルの解析結果はあまり差がなく，2 つのモデル共ほぼ同じ荷重-変位関係を示した．実験結果と解析結果を比較した際，大きな差が生じており，解析結果では剛性は非常に高いものの，実験では早い段階
で破壊が生じている．
実験結果と Keller-o での解析結果を比較したところ，全てのモデルについて Keyak の式よりも整合性が高いことが確認された．特にモFig.3 Compressive mechanical properties.

デル B の整合性は高く，剛性や最大荷重は近い値となった．しか（Experiment, Keyak and Keller-o）

し，モデル A の実験結果と解析結果では整合性が見られなかった．
これらの結果より，実験結果と解析結果の整合性を高めるにはヤング率と降伏応力を骨密度より算出する際により低ヤング率で高降伏応力となる予測式を用いる必要があると考えられる．
実験結果と Keller-m（0.5），Keller-m（0.25）の式を用いて解析により得られた剛性と変化率を表 1 に示す．変化率は最大でモデル A の Keller-m（0.5）の 95（%）となったが，最小ではモデル C の Keller-m（0.5）の -2（%）と非常に小さな値となった．全体で見ると，モデル B，C，D は変化率が小さいため，Keller-m は実験結果と整合性が高いと言える．モデル A は変化率が 95，61（%）と大きくはなったが，図 1 のように現行の材料
特性予測式と実験結果では Keller-m を用いた場合以上に整合性が低いことがわかる．これより，モデル A においても，Keller-m は整合性が高いと言える．
これらより，今回検討を行った新たな材料特性予測式 Keller-m は他の予測式と比べ実験結果と解析結果との整合性がより高いものとなっており，実験結果を表現できていることがわかった．これはモデルの骨密度分布を分析し，補正を行う骨密度の範囲を決定したためであると考えられ，新たに提案した材料特性予測式が実験と解
析の整合性を高めるのに有効であると考えられる．
4. 結
言本研究では，献体大腿骨の実験結果と CT-FEA の結果を比較し，現行の材料特性予測式（Keyak，Keller-o の式）
では，実験結果を予測することができなかったことを踏まえ，Keller-o を元に Keyak の式よりも低ヤング率，高降伏応力な新たな予測式を提案し，実験と解析の比較検討を行った．その結果，指定範囲内の骨密度から算出されるヤング率を補正することで実験結果と解析結果の高い整合性が示され，提案する修正式の妥当性が示された．

Table.1 Stiffness and rate of change
Model

A

B

Prediction

Stiffness

Rate ofPrediction

Stiffness

Rate offormula(kN/mm)change (%)

formula(kN/mm)change (%)

Experiment

0.56

-

Experiment

0.29

-

Keller-m(0.5)

1.09

95

Keller-m(0.5)

0.25

-2

Keller-m(0.25)

0.90

61

Keller-m(0.25)

0.20

-5

Experiment

1.71

-

Experiment

2.61

-

Keller-m(0.5)

1.46

-15

Keller-m(0.5)

2.04

-33

Keller-m(0.25)

1.38

-19

Keller-m(0.25)

1.95

-38

Model

C

D

300

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑15

バイオセラミックスとポリマーの複合化による骨組織再生用材料の開発
大阪大学附属病院未来医療センター

名井

陽

1. 緒言
大規模な骨欠損の治療には,自家骨やバイオセラミックス製人工骨を用いた骨移植治療が施される (1). しかし,人工骨は自家骨に比べて骨形成能が遅いことが問題として挙げられており,近年研究が進められている再生培養骨は,組織工学的手法を用いて多孔質構造の足場材料と細胞を組み合わせることで,骨形成能の向上が期待されている. 再生培養骨の開発においては，足場材料が重要な役割を持っており，生体適合性と力学特性を有する足場材料について検討されている．原材料としては，ハイドロキシアパタイト(HA)や-リン酸三カルシウム(β-TCP)等のバイオセラミックスが中心であるが，最近では，力学的特性を向上させるためにバイオセラミックスと生分解性ポリマー等の生体適合性ポリマーを複合化した材料も検討されている (2).また,生分解性ポリマーのポリ L 乳酸
(PLLA)とポリカプロラクトン（PCL）はブレンドすることで力学特性の制御が可能であることが知られている.本研究では，HA 多孔体にポリマーブレンド PLLA/PCL 多孔質構造を導入した新規複合系足場材料を作製し，圧縮変形挙動と力学特性に及ぼすブレンド比の影響について調査した．
2. 実験方法
HA 多孔体はテンプレート法を用いて作製した．HA 粉末と PVA 溶液の混合溶液に PU(ポリウレタン)スポンジを含浸し乾燥させた後，電気炉を用いて 400℃,6 時間で PVA 溶液および PU スポンジを焼失させたのち,1300℃，4 時間で焼結させ HA 多孔体を得た．次にペレット状の PLLA と PCL をジオ
キサン溶液に溶解して 3wt％の溶液を調整した．PLLA/PCL の混合比は 100/0，80/20，60/40，40/60，
20/80，0/100 とした.これらの溶液に HA 多孔体を浸漬し凍結乾燥を施すことで，複合多孔質構造体を作製した．以降,これらの複合多孔質構造体を H-L100/C0,H-L80/C20,H-L60/C40,H-L40/C60,HL20/C80,H-L0/C100 と略記する.これらの複合多孔質構造体に関して，FE-SEM による微細構造の観察,XRD による結晶構造解析，小型材料試験機を用いた圧縮試験を行い力学特性の評価を行った.
3. 結果および考察作製した HA/PLLA/PCL 複合多孔質構造体のFE-SEM 画像を Fig.1 に示す.海綿骨に類似した構造が HA により形成されており,HA 骨格構造の内部に PLLA/PCL による多孔質構造が形成されていることが確認できた.また,HA 多孔体に PLLA/PCL 多孔体を複合化することで気孔率は 97.9％から 90.9％程度まで減少した.平均
気孔径も約 333 ㎛から約 37 ㎛まで減少した.
これは,HA 多孔体の空隙に PLLA/PCL の多孔質構造が形成されることにより,気孔率および気孔径が減少したものと考えられる.この結果より,ポリマーブレンドは細孔形状に依存しないと考えられる.
加熱による HA 粉末の結晶相の変化を Fig.2に示す.焼結前の HA 粉末では,HA 単一の結晶
相 が 認 め ら れ た . こ の HA 粉 末 を 加 熱 す ると ,400 ℃ で は HA 単 一 の 回 折 線 が 認 め ら

Fig.1 FE-SEM micrograph of HA/PLLA/PCL

301

れ,1300℃では HA の他に-TCP の回折線が認められた.こ●●:HA▲:β - TCP

ックスの一種で,徐々に患者自身の骨に置換する性質を持つことで 知られ てい る.また,加熱温度 の上 昇とともに,HA のピーク強度は増加している.
Fig.3 に HA 多孔体および HA/PLLA/PCL 複合多孔質構造

Intensity (a.u.)の-TCP も HA と同様に人工骨に使用されるバイオセラミ

●
●

●

1300℃

● ▲

程において HA の脆性破壊が支配的となり,HA 骨格構造が

10

15

20

▲●

▲.

25

30

35

40

2(deg.)

局所的な 破壊 を繰 り返 した こと によ るも のと 考え られ

Fig.2 XRD results of HA

る.一方で HA/PLLA/PCL 複合多孔質構造体では,ひずみ初期に弾性変形を示した(領域Ⅰ）のち応力がほぼ一定のま250

ま圧縮が進行するプラトー領域を示した(領域Ⅱ).さらⅠ

ⅡStress(kPa)Ⅲ

H-L100/C0
H-L80/C20
H-L60/C40
H-L40/C60
H-L20C80
H-L0/C100HA200に圧縮が進行すると,多孔質構造が圧縮により緻密化し,骨格構造 内部 に多 孔質 構造 のポ リマ ーが 存在 する こと▲

As received

繰り返しながら圧縮変形が進んでいった.これは,変形過複合多孔質構造体の圧縮変形挙動の違いは, HA 多孔体の

●
▲

400℃

体の圧縮試験の結果を示す.HA 多孔体では,応力の増減を応力が上昇していった(領域Ⅲ）.HA 多孔体と HA/PLLA/PCL

●●

150
100

で，HA 多孔体の柱構造が破壊した後も全体の構造が維持
50されることにより変形の連続性が保たれ,形態安定性が向上したものによると考えられる.

0

HA/PLLA/PCL 複合多孔質構造体の力学特性を調べるた

0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Strain

めに,応力-ひずみ曲線より,領域Ⅰの圧縮弾性率,ひずみFig.3 Compressive test results

0.4 までのエネルギー吸収量を算出した結果を Fig.4 にof HA and HA/PLLA/PCL

示す.PCL 含有量の増加に伴い圧縮弾性率およびエネルギ

め,細孔形状による力学特性への影響は小さいと考えられる.PCL 含有量の多い H-L0/C100 から H-L20/C80 までは圧縮弾性率および吸収エネルギーはほぼ一定の値を示す
が,PLLA 含有率の増加に伴い H-L40/C60 から H-L100/C0 までは圧縮力学特性は直線的に増加する傾向を示した.これらの結果より混合比を変化させた PLLA/PCL ポリマーブ
レンドの導入により複合多孔質構造体の圧縮力学特性の制御が可能であることが示唆された.

Compressive modulus (MPa)

質構造は,すべてのブレンド比において類似しているた

2.5

60
Compressive modulus
Energy Absorption

2

Energy Absorption (kJ/m3)

ー吸収量が減少する傾向を示した.ポリマー部分の多孔

45

1.5

30
1
0.5
0

15
HA

0

20

40

60

80 1000

PCL content (wt%)

4. 結言
Fig.4 Mechanical properties
本研究では，新規骨再生用足場材料の開発を目指し，HA
of HA and HA/PLLA/PCL
多孔体と生分解性ポリマーブレンド PLLA/PCL の複合多孔質構造体の作製を行った．HA 多孔体の骨格構造内に PLLA/PCL ポリマーブレンドの多孔質構造を有する複合多孔質構造体の作製に成功した．HA 多孔体にポリマー相を導入することで，HA 単体に比べて圧縮弾性率および吸収エネルギーが増加した．力学特性は PLLA 100%において最大となり，PCL の含有率が増加するにしたがって低下する傾向にあった．
参考文献(1) S. V. Dorozhkin, Biomaterials, 31(2010), pp. 1465-1485(2) P. Yos and M. Todo, Advanced Materials Research, 858(2014),pp. 96-102.
302

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑16

大気乱流による気圧変動の直接測定のための円盤型プローブの性能評価
海上保安大学校基礎教育講座

近藤文義

１．実験目的
大気境界層内において乱流により生じる気圧変動を計測する際に問題となる、風が生む動圧について、その影響を取り除くために用いられているプローブの性能評価を行うことを目的とした実験を行った。
本実験においては、市販されている２種の円盤型のプローブについて、任意の風速値に設定することのできる大型境界層風洞を利用し、風速と風向を変えることによって動圧の影響を円盤型プローブがどの程度除去できているのか定量的に把握した。
２．実験方法図１のように、Paroscientific 社と Young 社の異なる形状の円盤型のプローブを水平固定時に両者の高さが 1.40m となるよう三脚を用いて風洞の左右に設置した。また風洞の中央には、測定感部が円盤型のプローブと同じ高さになるよう３つのピトー管を水平に並べ、同じく測定感部が 1.55m の高さになる
よう超音波風速計をピトー管より風下側に設置した。超音波風速計より風上側にある円盤型プローブとピトー管の設置位置については、それぞれが有る無しによって測定値に影響が出ないことを確認した。
さらに風洞の外には Vaisala 社の微差圧計を設置し、微差圧計の片側の測定部に円盤型プローブ、もう片方の測定部にはピトー管の静圧測定部をブレードホースでそれぞれ接続した。ピトー管の静圧測定部
を風洞内の静圧（基準圧）とし、風洞内で風を起こすことで生じる動圧を除去した円盤型プローブ内の圧力値との差を微差圧計で測定して、円盤型プローブによる動圧の除去程度を把握した。また風速値は
超音波風速計の出力値を用いた。
実験では先ず始めに、プローブの姿勢を水平に、かつ水平風向に対して正対にして、風速を 0 ~ 25 m/s
まで 5 m/s 間隔で変えていき、それぞれの風速値に対して微差圧計の出力値を記録する。次に、各姿勢に対する動圧の影響も把握するため、プローブの姿勢を鉛直方向に 5 度間隔で±45 度まで変えながら、
風速値を先と同様の間隔で変えた。さらに水平風向に対しても動圧の影響も把握するため、30 度間隔でプローブの水平方向の姿勢を 90 度まで変えて、先の正対時と同様に風速とプローブの鉛直方向の姿勢を変えながら、動圧の除去程度が変わるのかといった実験も実施した。

図１

Paroscientific 社（左）と Young 社（中）の円盤型プローブの外観、および実験風景（右）303

３．実験結果
図２は Paroscientific 社（図左）と Young 社（図右）の円盤型のプローブを水平風向に対して、正対（図上）もしくは直角（図下）に向け、プローブの姿勢を鉛直方向に+45 度まで 5 度間隔で変えながら
風速を 0 ~ 25 m/s まで 5 m/s 間隔で変えた時のピトー管の測定値（Pref）に対する円盤型プローブ内の圧力値（Pmes）との差を示したものである。Paroscientific 社のプローブ内の圧力測定値は水平風向に対して正対した時、風速が増加するに連れて２次関数的にピトー管の静圧測定値よりも小さな圧力値を示し、また鉛直風向が大きくなるほど小さな値をとる結果となった。この結果は Young 社のプローブについても同様の傾向であるといえるが、風速そのものの大きさに対する動圧の除去の程度はParoscientific 社の方が大きいことが分かった。一方で、プローブの姿勢を水平風向に対して直角に向けたときも風速に対して２次関数的に変化し、ピトー管の静圧測定値よりも小さな圧力値を示したが、鉛直風向の変化に対して依存性は、Paroscientific 社と Young 社のプローブともにみられなかった。図には示さないが、プローブの水平風向に対する傾き角が大きくなるにつれて鉛直風向の変化に対しての鉛直風向の変化に対する依存性は小さくなっていた。この傾向は、プローブの姿勢を鉛直方向に−45 度まで変化させたときにも同様であった。

図２

Paroscientific 社（左）と Young 社（右）の円盤型のプローブの風速と風向に対する依存性

４．研究成果報告なし
５．研究組織研究代表者・近藤文義（海上保安大学校）研究世話人・内田孝紀（九州大学）

304

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑17
九州大学 平成30年度 応用力学研究所 共同利用研究成果報告書
IR-FZ法による単結晶育成における集中加熱条件の最適化
山梨大学大学院 総合研究部 綿打敏司

緒言
赤外線加熱浮遊帯溶融(Infrared convergent floating zone: IR-FZ)法は坩堝不要の帯溶融法の一つである。適切な組成の溶媒を用いることで偏析制御したり、分解熔融化合物の単結晶も育成できたりする。しかし、育成結晶の大口径化が難しいため、育成結晶の大口径化技術の確立も一つの研究課題である。代表者らが見出した回転楕円面鏡の傾斜効果はその１つである[1]。従来同一水平面内にあった回転楕円面鏡のランプが配置される焦点位置と加熱光が集中する焦点位置を傾けることによりルチル単結晶の育成において固液界面の形状を制御でき、20度傾けた条件で直径19 mmまで育成結晶を大口径化することができた。しかし、回転楕円鏡の傾斜角度を大きくすると加熱効率が著しく低下した。また、20度傾けた条件では、
直径12 mm程度を超える大口径原料を利用した育成が困難であったため、育成結晶の大口径化には原料供給速度を結晶育成速度に比べて3倍大きくする必要があった。その結果、育成長が原料長に比べて著しく短くなった。
最近、代表者らは、IR-FZ法によるルチル単結晶の育成において回転楕円鏡の集光位置を
溶融帯表面近傍に近づける効果を調べた結果、集光位置を最適化することで回転楕円面鏡を傾けなくても溶融帯が安定化されることがわかった[2]。原料供給速度と結晶育成速度を等しくした条件で、従来、育成結晶と原料棒の回転軸上にあった集光位置を溶融帯表面に近づ
く方向に2, 4 mm移動させた条件で結晶育成すると直径16 mmの原料でも安定な溶融帯を形成し、直径15 mmのルチル単結晶を育成できた。そこで本研究では、原料供給速度と結晶育成速度を等しくした条件で、IR-FZの回転楕円面鏡の配置と原料径を系統的に変化させ、各配置で利用可能な原料径と育成可能な結晶径の上限を調べた。
実験
TiO2粉末を原料として使用し、ラバープレス法により25～37 mmφ×70～80 mmLの円柱状に原料棒を成形し、冷間等方圧加圧法(CIP)を用いて300MPaまで加圧した。空気雰囲
気中で1200℃，5時間焼結するなどして結晶育成に用いた。
回転楕円面鏡の集光位置を変化できる赤外線集中加熱炉を使用した。集光位置が育成結晶と原料の回転軸上にある場合
Table I. Summary of growth condition of Rutile crystals
を0とし、溶融帯表面に近づく
M-L position /mm+4+6+8
方向を正と定義した。この装Feed dia. (sintered) /mm
16, 18 18, 21, 23, 25 23
置を用いて表1に示したよう
3~5/40に+4~+8 mmの異なる集光位 Rotation rate (upper/lower) /rpm
5.0
置で結晶育成に用いる原料径 Feeding rate /mm/h
5.0を変化させ、育成可能なルチ Growth rate /mm/h
ル結晶径の上限を系統的に調Atmospheric gas

305

Air, 3L/min.

べた。表1には、原料と育成結晶の回転速度や移動速度、育成雰囲気についても記した。
a
結果と考察
図１に代表的な育成結晶の例として直径 18mm の原料棒を用いて集光位置を回転軸上から 4 mm と 6 mm
溶融帯表面近傍に近づけた条件で育成した結晶の写真を示した。図 1a に示した集光位置を 4 mm とした条件での育成では、融液が垂れやすく、溶融帯を安定に保持することが困難であり、融液垂れなしに結晶育成を行うことは困難であった。一方、6 mm とした条件での育成で10 mm
は、図 1b に示したように 4 回対称のファセットを示す 10 mm

Growth directionb

直径 16mm の結晶を育成することができた。

異なる集光位置で様々な直径の原料棒を用いて育成した結果を丸印と十印で図 2 にまとめた。図 2 には文献 2の結果を三角印と×印で合わせて記した。どちらの場合も塗りつぶした記号は安定な溶融帯を保持することが可
能で育成結晶に良好な 4 回対称のファセットを確認でき
Fig. 1. Rutile crystals grown using
たことを示している。一方、白抜き記号は、育成中の溶
feed of 22 mm in diameter at the M融帯が不安定で育成結晶と原料棒との接触がしょうじや L system position
Growthdirection
10 mm of +4 mm(a) and

結論
集光位置を最適化することで直径21mmまでの大口径原料棒を用いたIR-FZ育成が可能となり、育成結
晶を直径20 mmまで大口径化することができた。

+6 mm (b).
30
Feed diameter /mm

すかったことを示している。十印と×印は融液が垂れ易く溶融帯の形成すら困難であったことを示している。集光位置を 6 mm とすることで直径 21 mmの原料棒まで安定に溶融し、結晶育成を行うことができ、育成結晶径は 20 mm に達した。しかし、より一層大口径の原料棒を用いた育成では、集光位置を変化させても溶融帯を安定化させることができず、結晶育成は困難であった。

25
20
15
Ref.[2] Present work
stableunstablemelt drop

10
5
0

0

2
4
6
Mirror Position /mm

8Fig. 2. Summary of the growth of rutile
crystals using feed rods with various
diameters at the various M-L system
positions.

参考文献[1] S. Watauchi et al., J. Cryst. Growth, 360 (2012) 105–110.
[2] S. Watauchi et al., J. Cryst. Growth, 496 (2018) 69-73.

306

1

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑18

波浪中を低速航行する船舶に働く流体力と動的応答に関する研究
A Study on Hydrodynamics and Dynamic Responses of Vessel
with Low Forward Speed in Waves
広島大学

肥後

靖

Summary
When we operate big ships like bulk carrier, we have no choice but to sail in rough weather
for ﬁnancial and environmental reason. Then, it is usual to slow down consciously.
Research about ship performance of normal speed has been conducted a lot, but researchin the case of low speed is very few.
The objectives of this research is to inspect the appropriateness of theory numericalcalculation by theory formulation on the assumption of low speed and experiment on low
speed using model ship (Fn=0.05).
In this study, it can be counted the term of U 2 as 0 on the assumption that the ship speed
is extremely slow. Then, the author attempt to create the new calculation method that canbe easily calculated the velocity potential at low speed.
In this year, an experiment on model ship at Kyusyu University was implemented, andthose will be used for validation of numerical code which will be developed based on the
new low speed approximation by using Green function method.
1. 緒言
タンカーやコンテナ船、貨物船のような大きな商船を運用する際、経済的或いは環境的理由によって、荒天の地域を航行せざるを得ないことがある。この時、船舶は波浪による船速低下を起こすが、さらに運行者が船舶の安全を考慮して意識的減速を行うのが通常である。
もし、船舶が荒天の地域を通常の速度で航行した場合、高波などにより船体が煽られ、スラミング現象やスクリューが露出し空転に近い状態になるプロペラレーシング現象や、甲板冠水などを起こす。特に、スラミング現象は重大海難事故の主原因であり、船体の折損事故に繋がる危険性がある。
これは船の運行上好ましくない状態である。これらを踏まえて、耐航性能の観点から船体の構造および強度を考える場合には、定常航行の速度ではなく、荒天時の低速航行時の耐航性を基に構造設計する方が実用的と考えられる。
低速航行時の耐航性能を基に構造設計することで、経済性が重要となる商船を安全に運1307

行させることが必要があると考えられるが、耐航性能研究では、Fn=0.2 程度の通常航行の性能に関する研究は多く実施されているものの、低速時の耐航性能に関する研究は少ない。
そこで本研究では、船舶の速度が低速であることを前提とした理論定式化を行い、一般にノウハウの集積である三次元有速境界要素法の簡便化を試みる。さらに、模型を用いた低速航行試験（Fn=0.05 程度）を行い、理論数値計算の妥当性について検証することを目的として実施する。今年度は、将来、理論を定式化し、それに対応する数値計算コードを開発した
際の妥当性検証のために、九州大学応用力学研究所深海水槽で、低速条件下での模型試験を実施する。
2. 水槽試験
本研究において、計測および定式化に用いた座標系は Fig.1 の通りである。実験は 2018
年 8 月に九州大学応用力学研究所の深海機器力学実験水槽(L×B×D=65m×5m×7m)にて(Photo 1)、運動計測試験を実施し、この実験により船体運動および波浪中抵抗増加の計測を行った。

Fig.1 Coordinate system
尚、波入射角については、水槽形状の制限から、正面向い波(β=180 度)の場合のみ実施
した。

308

Photo 1 Tank of RIAM

2.1 供試模型
本実験で用いた供試模型は Fig. 2 に示す RIOS（Research Initiative on Oceangoing Ships）
プロジェクトで使用したバルクキャリアー船型である。
RIOS の主要目を Table 1 に、Body plan を Fig. 3 に示す。

Fig. 2 Model309

Table 1 Principal particulars of model

Lpp (m)2.4000Κyy/Lpp0.2500B (m)0.4000xB (m)

0.05100.1280KB (m)

0.0662∇ (m )

0.0983

KG (m)

0.1080Cb

0.8000BMT (m)0.1016

Aw

0.8354

BML (m)3.2135d (m)3

Fig.3 Body plan of RIOS bulker

2.2 運動計測試験

Fig.4 Test set-up

310

曳航電車に Fig.4 に示すような運動計測装置を設置し、当該装置に付属しているポテンシ
ョメータにより surge、 heave、 pitch の計測を行った。また、前後のロッドに取り付けた
三分力計で抵抗増加の計測を行った。運動（surge、heave、pitch）、トリガー、波高計の計
測値はそれぞれ、アンプを経由して EDX 装置に集約され、PC に収録される。集められたデータは後述する解析方法にて解析される。本実験の計測システムを Fig.5 に、計測データ
項目を Table 2 に示す。

Fig.5 Measurement system of motion-free test

Table 2 Measurement items
チャンネル番号

計測項目

計測装置

Ch. 1

トリガー

Ch. 2

出会い波

サーボ式波高計(電車固定)

Ch. 3

Surge

ポテンショメータ

Ch. 4

Heave

ポテンショメータ

Ch. 5

Pitch

ポテンショメータ

Ch. 6

抵抗 (f1)

三分力計

Ch. 7

抵抗 (f2)

三分力計

Ch. 8

入射波

容量式波高計(地上固定)

ここで、出会い波高計は動的応答の位相差を求めるために使用し、入射波高計は同振幅比を求めるために使用する。また、トリガーは船体と地上に固定した入射波高計の間に生じる距離位相を補正するために、出会い波高計が入射波高計の真横を通過した際に加えられる信号で、動的応答の位相差を補正する。
運動計測試験の入射波の条件及び実験条件を Table 3 に示す。

311

Table 3 Experimental condition
フルード数 Fn

λ/L

0.05

0.3、0.5、0.55、0.7、0.75、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.4、1.8、2.0、
2.5、3.0

0.10

0.3、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、0.95、1.0、1.1、1.2、1.4、1.8、2.0、2.5、3.0

尚、入射波高 H は、基本的に波岨度 H/λが 1/30 以下になるように決定している。
2.3 解析方法
本実験においては、入射波を入力データとして、運動応答特性および抵抗増加などの出力
データを取得し、それらのフーリエ解析を介して最終的に各出力データの応答特性を得る。
その際、応答特性については、入力データとの振幅比および位相差（位相遅れ）でまとめられる。すなわち、入射波の振幅をζa、波長をλ、円周波数をω、出会い円周波数をωe としたとき、波入射角βが 180 度であるので、入射波の式は

ζ(x;t)=ζacos(ωet+kx)と書ける。ただし、k は波数で無限水深を考えているので k=ω2/g である。この入射波の中で模型は

ξ1(t)=|ξ1|cos(ωet+ε1)
ξ3(t)=|ξ3|cos(ωet+ε3)
ξ5(t)=|ξ5|cos(ωet+ε5)で運動を行う。ここで、ξi は i=1,2,3 に対して、各々surge、heave、pitch が対応している。
各運動モードの応答特性は、入射波の振幅との比、|ξ1|/ζa、|ξ3|/ζa、|ξ5|/kζa 並
びに入射波との位相差ε1、ε3、ε5 で示す。
また、抵抗増加については、予め平水中で各速度に対する造波抵抗 F0 を計測しておき、非定常造波抵抗 FS から F0 を差し引く方法で抵抗増加を求めている。従って、抵抗増加係数

RAW は
RAW=-(F0--FS)/ρgζa2(B2/L)で表される。
6312

3. 結果と考察
3.1 運動の検証
Fig.6 に Fn=0.05 における船体運動の応答関数を示す。各運動モードにおいて、上図が振幅比、下図が位相差を表している。現段階では低速近似法による数値計算コードの開発が完了していないので、比較の対象として、EUT（Enhanced Unified Theory）と Strip 法の計算結果もあわせて示す。船体運動の応答特性は振幅、位相差共に計算結果(特に Strip 法)と良く一致しており、実験そのものの精度に問題はないと思われる。今後、低速近似法による計算方法を確立し、実験結果と比較考察するための対象とする。

Fig.6 Ship motion in Fn=0.05

一方で、Fn=0.10 における船体運動の応答関数を Fig.7 に示す。Fn=0.10 の場合は、Fn=0.05の場合と異なり、実験結果にばらつきが見られる。特に、pitch においてはこのばらつきが看過できない程度のため、その原因を調査するためにばらついた波周期で繰り返し実験を実施したが、改善は見られなかった。後で判明したことであるが、実はこのばらつきは水槽
側壁の影響であることが分かった 1)。本実験で使用した模型船の船長、水槽の幅などの条件
が、柏木ら 1)が想定した条件と偶然ではあるが酷似しており、実験値がばらつく入射波長も柏木ら 1)が予想した波長と一致しており、はからずも柏木ら 1)の計算の妥当性を証明する実験結果を提供することになった。逆の言い方をすると、柏木ら 1)の計算方法の優秀さを証明する実験となった。さわさりながら、実験としての精度には問題があると思われるので、本実験結果は低速近似法の妥当性検証には使用しないと判断した。いずれにしても、Fn=0.10
は想定している低速域(Fn=0.05 程度)とは大きく外れるので参考程度に止めることにした。

7313

Fig.7 Ship motion in Fn=0.10

3.2 抵抗増加の検証

Fn=0.05 および Fn=0.10 における抵抗増加係数の実験結果を Fig.8、Fig.9 に各々示す。
運動と同様に Fn=0.05 の場合は、計算の妥当性検証の使用に耐える程度の精度と考えられるが、Fn=0.10 の結果はばらつきが見られる。これは前述のように水槽側壁の影響と考えられる。

Fig.8 Added resistance in Fn=0.05

Fig.9 Added resistance in Fn=0.10

4. 結言
低速航行に対する計算法を確立し、当該方法の妥当性を検証するための低速条件下での水槽試験を遂行した。その結果、Fn=0.05 での運動応答試験は妥当性検証の使用に耐えると考えられる程度の適正な精度で遂行されたことが確認された。
8314

今回は、時間の関係上、運動計測試験のみを実施したが、今後流体力計測試験も実施し、低速近似理論による数値計算コードによる計算結果との比較検討を行う必要がある。
尚、境界値問題の解法については、U2 を高次の微小量として無視することによって、積分方程式とその核関数である Green 関数を求める定式化は一応完了しており、その結果を参考として本報告書に添付する。この定式化に沿った数値計算コードの開発が急がれる。

参考文献
1) 柏木 正、大楠 丹、稲田 勝：波浪中を前進する船に働く流体力への水路側壁影響の研究、日本造船学会論文集、168 号、p. 227-242

315(1990)

参

考

316

317

318

319

320

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑19大島海峡における潮流パワーポテンシャルの季節変動

鹿児島大学理工学研究科（工学系）
九州

32 Ｎ

１．はじめに
九州南方海上にある奄美大島周辺海域には潮流の強い海峡や瀬戸が複数存在し，奄美大島と加計呂麻島の間にある大島海峡（図-1）は九州離島の潮流発電の適地の一つとされている．國里ら（2015 年）によると，大島海峡の潮流パワーポテンシャルは海峡

山城

28.4Ｎ

31

名瀬

東シナ海
30

奄美大島

屋久島

28.2
大島海峡

29 奄美大島28
28
128 129

130

加計呂麻島

129.2

131Ｅ

129.4

129.6Ｅ

東部の待網岬沖で約 1.5kW/m2 に達することが指摘されている．し奄美大島

かし，これは水温と塩分を一定とした数値計算の結果であるため，

大島海峡

密度成層を与えると，ポテンシャルはもっと小さくなることが予
加計呂麻島

想される．本研究の目的は，海水密度の鉛直構造の季節変化に伴St.1
待網岬 St.2って，大島海峡の潮流パワーポテンシャルがどのように変動する
図-1 奄美大島周辺海域

か，明らかにすることである．
２．数値計算本研究では，図-2 に示す海域を計算領域とし，非構造系三角系格子を用いた 3 次元有限体積法数値モデル（FVCOM）（Chen et al.，2006 年）によって，数値実験を実施した．モデルの海岸・海底地形については，日本水路協会と本研究室が収集したデータを使用した．メッシュ幅は開境界において最大（3 km），大島海峡において最小（30 m）とし，鉛直座標は σ

図-2 計算領域

座標 20 層に分割した．開境界では海洋潮汐予測モデル NAO.99Jb（Matsumoto et al.，2000 年）の主要 8 分潮（S2，M2，N2，K2，K1，
P1，O1，Q1）を与えた．初期条件，境界条件で与える水温と塩分については，気象庁の FORA-WNP30 再解析データを使用した．海面を通して与える熱フラックスは，
東海大学の J-OFURO3 データセットを使用した．

第十管区海上保安本部が名瀬検潮所（図-1）において 2010 年 1～3月に収集した実測潮位データと比較すると，計算結果が観測結果と強い正の相関（相関係数：0.99）を示し（図-3），観測結果を良く再現している．第十管区海上保安本部が 2010 年 1～3 月に大島海峡 St.1 で

図-3 名瀬の潮位の観測と計算の比較

実施した定点観測で収集した流速データと比較すると，流れの向きに2.0

ついては，計算結果（図-4 中の青点）が上げ潮時で観測結果（図-41.0中の赤点）よりもやや南寄り，下げ潮時でやや北寄りになり，両者に若干の違いがみられるが，流れの大きさについては，計算結果が観測

0.0

結果にほぼ匹敵している．2010 年の大島海峡南方 St.2 における海水-1.0

密度（𝜎 ）の鉛直分布の季節変動を図-5 に示す．𝜎 は 1～3 月では鉛

-2.0

直方向に一様で，4～7 月にかけて𝜎 の鉛直勾配は徐々に大きくなり，
8～9 月に最大となっている．その後，10～11 月で鉛直勾配は急激に小

321

-2.0

-1.0
0.0
1.0
東成分[m/s]2.0

図-4 St.1 の潮流の観測と計算の比較

徹

奄美大島
奄美大島
St.3

大島海峡

加計呂麻島

待網岬

m/s

m/s

図-7 待網岬沖の絶対流速の水平分布

図-6 奄美大島周辺の絶対流
速の水平分布図-5 St.2 における𝜎 の鉛直分布の季節変動（上：本研究の計算結果，
下：FORA-WNP30 再解析データ結果）

さくなり，12 月では𝜎 が鉛直方向にほぼ一様となっている．この結果は，密度成層の一般的な季節変動を良く再現している．FORA-WNP30 再

0.85
0.84
0.83
0.82
0.81
0.8
0.79
0.78
0.77
0.76
0.75
0.74
0.73
0.72
0.71
0.7
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

図-8 St.3 における月別平
均絶対流速（m/s）

図-9 St.3 における月別平均した潮流パワーポテンシャル（kW）

解析データでは夏季に密度の大きな鉛直変化が出現し，これと比較すると，本研究の夏季の成層強度は若干弱い結果となっている．
３．大島海峡における潮流パワーポテンシャルの季節変動
2010 年の場合について密度成層を考慮した潮流数値計算を実施し，奄美大島周辺海域表層の年平均
絶対流速の水平分布を図-6 に示す．強い潮流が奄美大島北部と大島海峡周辺に出現している．大島海峡の強潮域は海峡東部に存在し，待網岬沖 St.3（図-1）付近で最大流速を示している（図-7）．
St.3 の海面における絶対流速の月別平均の時系列を図-8 に示す．流速は 3 月に最大値（0.84 m/s）を持って冬季に大きく，8 月に最小値（0.74 m/s）を持って夏季に小さくなっている．この流速変化に対応して，潮流のパワーポテンシャルも 3 月に最大（0.61 kW/m2）と８月に最小（0.42 kW/m2）をとり（図-9），冬と較べると，夏は約 31％減少している．年平均すると，パワーポテンシャルは 0.5 kW/m2
で，國里ら（2015 年）の結果と比較してかなり小さいことが示唆された．

４．結論
FORA-WNP30 の水温と塩分データ，J-OFURO3 の熱フラックスデータを FVCOM に与えて，奄美大島
周辺海域における密度成層を考慮した潮流数値計算を行った．潮位，潮流の計算結果は観測結果をほぼ再現し，計算結果の妥当性が確認された．そこで，流速の計算結果を用いて大島海峡の潮流を調べ，潮流が最強となる地点が待網岬沖に存在することを示した．さらに，その地点の潮流パワーポテンシャルは季節によって変動し，3 月に最大，8 月に最小をとることを明らかにした．

５．研究組織研究代表者：鹿児島大学／山城徹

研究協力者：鹿児島大学／小牧弘幸，鹿児島大学／濱添洸也，九州大学／胡

322

長洪

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑20

強制動揺試験による円筒型 OWC 装置のエネルギー変換特性に関する研究
九州大学大学院工学研究院

安澤

幸隆

1. 目的
著者らは波力発電の実用化に向けて，仕組みが単純で可動部が水中になく，広範な普及に有利である発電用振動水柱(以下：OWC)カラムを有するマルチカラム型発電浮体の研究開発を行っている．先行研究において複数 OWC カラムの相互干渉影響を含んだ波浪中応答を計算するプログラムを開発し，水槽サイズにおいては広い波長域にわたって定性的・定量的にほぼ推定できることが確認されたが、実機サイズになるとスケール影響があり、それを考慮した性能推定が必要であることを理論的に示した。そこで、そのスケール影響を水槽試験で確認することと、当波力発電浮体が動揺したときの応答特性を明らかにすることを目的として、深海機器力学実験水槽で OWC 装置を鉛直方向に上下させる強制動揺試験を行った。
2. 中型 OWC 装置模型による鉛直方向強制動揺試験
本研究では OWC 装置の中型模型(想定している実機の 1/12 のサイズ)を使用している。OWC 装置はアクリル製である。また、今回 OWC 装置の中型模型を強制上下動させるための強制動揺装置に OWC 装
置の中型模型を適切な喫水で取り付けるために、冶具とフレーム構造を設計・製作した。OWC 装置模型が強制動揺装置に取り付けられた状態を Fig.１に示す。今回使用した OWC 装置の主要目とノズル比を
Table2 に示す。

Fig.1 強制動揺装置の下に取り付けられた円筒形 OWC 装置
Table 1 円筒型 OWC 装置模型（1/12 スケール）の主要目
カラム直径 D

カラム高さ H

喫水 d

ノズル比 ε500mm

1000mm

375mm

1/200

本研究で使用する模型は、Fig.2 の左に示すような円筒形の OWC 型装置の模型である。

323

Fig.2 円筒形 OWC 装置と等価空気ダンパ力学モデル
3. 水槽試験結果と考察
力学的には、波によって、円筒下部の水が上下方向に波強制力によって励振され、上部の空気室の体積を変化させるときに、空気エネルギーになるエネルギーの一次変換を表している。この空気エネルギーが最終的に電気エネルギーに変換されることになる。ここでは一次変換における力学を対象としている。空気室の体積の変動と、圧力の変動を計測することによって、圧力と空気室高さ変動、またはその速度との関係が得られる。

∆p = Ca ∆z + K a ∆z(1)

ここに Δp：空気室の圧力変動（圧力が大きくなる方を正とする）、Δｚ: 空気室高さ変動（空気室高さが小さくなる方を正とする）。
これまでの研究により係数 Ca、Ka は、Δz の振幅の大きさや、周期に依存することがわかっている。また、Fig.2 右図の中の Cw は、流体（水）の造波減衰、粘性減衰、渦によるエネルギー散逸などが含まれる。
計測から得られた、空気室高さの変動を heave 運動の振幅で割って無次元化したものの振幅と位相の周波数応答を Fig.3 に示す。

Fig.3 Heave 運動変位に対するカラム内水面の変動振幅(左)と位相（右）Fig.3 空気室等価減衰係数の強制動揺周期による変化
その結果から、ノズル付き空気室の等価減衰係数を同定した結果を、Fig.4 に示す。グラフ中の実線は、空気室を非圧縮性の理想流体と仮定して得られる次の理論式から計算した結果である。また、Fig.4 に、空324

気室の空気エネルギー以外で消費されるエネルギーに関する等価粘性減衰を表す。周期 1.75 秒を最小として、周期の長い側、短い側に単調に増加していることがわかった。

𝐶𝐶𝑎𝑎 =
ここに縮流係数81

� � 𝜌𝜌𝑎𝑎 �

3𝜋𝜋 2𝐶𝐶𝑠𝑠 =0.72、空気密度

𝐴𝐴𝑤𝑤

𝐴𝐴𝑁𝑁 𝐶𝐶𝑠𝑠(2)

� 𝐴𝐴𝑤𝑤 ∆𝑧𝑧̇𝜌𝜌𝑎𝑎 =1.3 (kg/m3)

Fig.4 空気室のエネルギー消費以外の等価減衰係数の周期による変化
5. 研究成果報告
OWC 装置中型模型の強制動揺実験を行うために強制動揺装置の冶具に合わせたフレームの設計を行い
空気室内圧力、空気室高さなどの計測を行った。その計測結果をもとに空気室の等価空気ばね定数と等価
減衰係数を動揺周期ごとに求めた。その結果、空気室の等価ばね定数の値については実験結果から有意な値を得ることができなかったが、等価減衰係数については、空気室内空気を非圧縮性としたときの減衰係数の理論値より、実験計測から導出した等価減衰に理論解の方が大きくなった。
また、強制動揺の周期の違いによって、OWC 内の水位変動振幅はあまり変動せず、OWC 装置の heave
変位とカラム内水面変動の位相差が大きく変化することが明らかになった。
今後、空気の圧縮性影響およびスケール影響が明確になるための実験を行う必要がある。
6. 研究組織安澤幸隆（九州大学大学院工学研究院

岡本侑都（九州大学大学院工学部地球環境工学科４年）

木下

順次 （九州大学工学部

胡

長洪 （九州大学応用力学研究所

技術部

海洋システム工学部門

）
教授）

325

教授）

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑21
垂直軸風車の主要コンポーネントに作用する空力荷重の研究

三重大学 大学院工学研究科 機械工学専攻 前田 太佳夫
１．要旨
垂直軸風車の主要部材として支持材に注目し，支持材の根元に作用する空力荷重を測定した．また，支持材荷重を発生させるのは翼であるため，翼周りの流れの数値解析を行い，翼に作用する荷重について考察を行った．
２．序論
垂直軸風車は水平軸風車とは異なり，主要部材として風車の回転軸と翼を接続する支持材を有する．
支持材には，翼の空力荷重に起因するモーメントに加えて，支持材自体に加わる空気抵抗も作用するうえ，垂直軸風車特有の複雑な流れにより，複雑な力が作用する．そのため，垂直軸風車の導入を促進す
るため，支持材に加わる荷重の測定とその要因となる翼の数値解析を行った．
３．方法
垂直軸風車の支持材に加わる荷重の解明を目的とし，風洞実験により，直線翼垂直軸風車の支持材根元に加わる荷重の計測を行い，翼枚数やロータ直径と荷重の関係を明らかにした．一方，実験結果には，翼が回転していることで，流入風速と周速度から計算される幾何学的な迎角に基づいて予測される荷重とは，異なる挙動も見られた．そのため，回転による影響が大きい空力中心まわりのモーメントに注目し，モーメント変動の原因を解明するため，CFD 解析を実施した．
４．結果と考察(1) 垂直軸風車の翼に流入する相対流れの角度(迎角)はアジマス角により大きく変動する．注目している翼がアジマス角 90°のとき上流，180°のとき下流にあると定義すると，翼枚数 3 枚でロータ直径 2m の風車の場合，翼の迎角はアジマス角 35°と 130°で正負が入れ替わる．そのため，翼で発生する半径方向力は 1 回転中に正負が入れ替わる．また，相対流れが半径外側から翼に流入する場
合（迎角が負の場合），翼で発生する半径方向力は半径内側に働き，アジマス角 70°で半径内向きの半径方向力は最大となる．
(2) 翼に発生する接線方向力や単独翼トルクは，揚力の向きと大きさにより最適な条件が決まる．翼枚
数 3 枚でロータ直径 2m の風車の場合，アジマス角 90°で最大値を示す．
(3) 風車 1 回転中，翼の空力中心まわりのモーメントは変動する．この変動は，翼の負圧面から正圧面にまわり込む流れや，相対流入角および翼面の剥離によって発生した渦の影響を受け，アジマス角に応じて複雑に変動する．
(4) 半径内側の翼面では，剥離しかけた流れが遠心力を受けて，翼から剥離せず表面に沿って流れる．
この流れは，失速の遅れおよび翼で発生する揚力の増加を引き起こすと考えられる
５． 学会発表(1) Keiichirou Kawai, Takao Maeda, Yasunari Kamada, Yuhei Hoshino, MEASUREMENT OF
AERODYNAMIC FORCE ACTING ON SUPPORT STRUCTUREOF A STRAIGHT-BLADED VERTICAL AXIS WINDTURBINE, Proceedings of GRAND RENEWABLE ENERGY (2018), CD-ROM, 4p.
(2) Yuhei Hoshino, Takao Maeda, Yasunari Kamada, Keiichirou, Kawai, EXPERIMENTAL STUDYON LOAD IMPACT ACTING ON STRAIGHT-BLADED VERTICAL AXIS WIND TURBINE, Proceedings of
GRAND RENEWABLE ENERGY (2018), CD-ROM, 4p.

326

６．研究組織
研究代表者

前田太佳夫，三重大学大学院工学研究科機械工学専攻，教授

研究協力者

鎌田

研究協力者

河合慶一郎，三重大学大学院工学研究科機械工学専攻，博士前期課程

研究協力者

星野

研究協力者

松田健太郎，三重大学大学院工学研究科機械工学専攻，博士前期課程

所内世話人

吉田

泰成，三重大学大学院工学研究科機械工学専攻，准教授
雄平，三重大学大学院工学研究科機械工学専攻，博士前期課程
茂雄，九州大学応用力学研究所，教授

図１

幾何学的迎角と半径方向力係数の変化

図３

空力中心まわりのモーメントの変化

図２

図４

327

単独翼トルクの変化

翼近傍の相対速度のコンター図

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑22津軽海峡フェリーの船体が風速計の出力に及ぼす影響

弘前大学･地域戦略研究所

本田 明弘

序論
筆者は洋上における風況に関する調査を行う簡便な方法の一つとして、図１に示す定期航行フェリーに設置された風向・風速計の出力を分析する事を試みている。その中で風向・風速計の出力が、船体によって歪められている可能性について実験的に調査を実施した。
風速計の海面上の高さは 27.3m と比較的高いものの、ブリッジの上方に位置しているために船体の影響を受けやすいものと想定された。
図１ 観測を実施している定期航行フェリー

実験方法
本実験は、応用力学研究所の地球大気動態シミュレー
ション装置（大型境界層風洞）で実施した。図２に風洞内に設置した海面板の上に設置した船体模型（縮尺 1/200、発泡ウレタン製）と模型上部に設置した熱線風速計を示す。なお熱線風速計は２成分のＸ型でありプローブの向きは主流方向と鉛直方向の風速成分が測定可能なように設置され、遠隔で高さ方向の位置が制御できるトラバー
ス装置で支持されている。
風洞で発生する風速は 5m/s 程度として、海面板上の風
速の高度分布はほぼ一様流であることを確認し、各風向において風向風速計の位置において船体模型の有無での平均風速の比率を、高さ方向に求めた。
図２ 実験に用いた船体模型（縮尺 1/200）

実験結果

図３は、風速約５ m/s における、各風向における測定結果を、縦軸対数目盛で示す。ここで風向角を０°における結果を見ると、風速計の設置されているデッキ上 10m 付近の風速は 10%程度増速していることを示している。まら風向
角が３０°～６０°と増大するにつれて、風速の増速率はさらに大きくなる傾向にある。

考察
試験結果においては、デッキ上比較的低い位置から 70m 程度まで船体の影響で増速している結果となり、風向６０°においては高さ方向の分布形状は風向０°、３０°の形状と異なる傾向にある。
この結果は、今回の試験における模型上の風向風速計の計測位置が、大きな風向となるにつれて風路の側壁に近づくことも影響しているものと考えられるが、ブリッジの上部における流れの剥離は比較的小さく抑えられ、増速域が広がっているためと考えられる。
いずれにしても、今回対象とした船舶に設置された風向・風速計で測定される風速は、10%程度の増速が生じている328

ものと考えられ、評価に際しては考慮する必要があることが判明した。

謝辞
本実験の遂行に際し、データ解釈と討論でご議論頂いた九州
大学応用力学研究所の内田 孝紀准教授、大屋 裕二特任教授、実験に際して格別のご助力を頂いた松島 啓二氏、渡邉 公彦氏、高田 青氏に感謝いたします。
研究組織代表者 本田 明弘 弘前大学地域戦略研究所・教授
協力者 久保田 健 弘前大学地域戦略研究所・准教授

参考文献
１． 本田 明弘, “津軽海峡フェリーの観測データを用いた洋上風 況の調査”, 第 25 回 風工学シンポジウム (2018)

図３ 風向ごとの船体による風速歪329

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑23帆布を用いた小型風車のトルク特性に関する実験的研究

弘前大学･地域戦略研究所

久保田 健

序論
再生可能エネルギーの利用促進が叫ばれる中、風車は電力利用を目的とした大型機の高効率化・高性能化と社会実装が進んでいる。小型の風力エネルギー利用機器については、エネルギー製造コストが大型のものに比して割高になるため、一般的には商用化（系統連携しての売電）は難しい。この状況において、非電化地帯である海上や山岳部などにおいて、生成したエネルギーをその場で消費する局所完結型のシステムとしては利用価値が見込まれる場合がある。
我々は小型のローテーション･フロー･タービンと命名した抗力式垂直軸風車を用いたエネルギー利用システムの構築を目指している 1)。件の風車の回転原理はクロスフロー風車に類するも、上流側入力風の抗力による回転力、加えてタービン内部で形成される旋回流が翼の内側を多段に押すことで順方向の回転力を生じる。また、抗力式特有の低風速下でも機能すること、ならびに鳥や人間に害をおよび雄懸念の少ない低回転性（過剰に回転しないこと）に特徴をもつ。
本研究では、ローテーション･フロー･タービンの翼材に帆布を用い、帆布素材の利点（柔らかく容易に形状をアレンジできる）を活かして、垂直軸風車の軸長を変えつつ、翼の弛み（サグ）を調整した場合の風車性能を調査した。

実験方法
本実験は、応用力学研究所の地球大気動態
シミュレーション装置（大型境界層風洞）で実施した。図 1 に垂直軸風車：ローテーション･
フロー・タービンの仕様（左～鉛直断面）と実験時の外観図を示す（中央、右）。タービンは
直径 1000 mm、周均等化位置 8 枚の帆布製直線翼で各翼の外端と回転中心のなす角を35°とした。帆布自体の縦長さは 755 mm であって、基準軸長 750 mm のときに直線翼、軸長

図 1 実験に用いたローテ―ション・フロー（垂直軸抗力式）タービを 610 mm まで短縮することで弛み割合（サンの断面形状（左）と、実験時の構成機器の外観写真（中央：サグ率

グ率＝翼全長/弛み長）を変えた。帆布材質は、0%（L:750mm）の直線翼、右：サグ率 19%（L:610mm）．

ポリエステル系ゴム引布（厚み：0.53mm）を用いている。
風洞で発生する風速は 3, 5, 7m/s としたが、低風速下では帆布の重力由来の下弛みがみられることを考慮し、本稿では、帆布がカテナリー曲線形状と認識される風速 7m/s の結果のみを考察した。また、周速比の制御は、減速機付きサーボモータ（オリエンタルモータ製 NX94MS-PS10）を回転数制御モードにて用い、トルクと回転数計測にはトルクメータ（UNIPALSE 製 UTM2-10Nm）を用いて計測した。トルクデータは 2000 Count/sec で取得し、30 秒間の平均値について、サーボモータ駆動のインバータノイズを除去して評価した。得られたトルク値と周速比から、トルク係数―周速比（CQ―）曲線を見積もった。

実験結果
図 2 は、風速 7 m/s における帆布製垂直軸風車の翼長別トルク係数の周速比依存性を示す。直線翼となる L:755 mm
では周速比に対して直線的な挙動を示し、λ=0.1 で約 0.28 のトルク係数が得られ、λ≒0.55 でトルクは消失する。翼長が短くなるとトルクが消失する周速比は低下する傾向がみられ、L:610 mm ではλ≒0.32 でトルク係数は消失、すなわ
ち回転力が消失することがわかった。一方、λ<0.2 の低周速比域におけるトルク係数は翼長に単調に依存しない。尚、各計測点で若干の計測値のばらつきがみられるが、この原因は低速運転におけるサーボモータの剛性パラメータの設定
が必ずしも最適ではなかったことに起因して時折スムーズに回転しないバックラッシュの影響と考えている。

330

λ=0.1 におけるトルク係数について翼長依存性としてまとめた結果を図 3 に示す。総じて低周速域におけるトルク係数
は、帆布翼の翼長を短くすることで顕著に変化することがみてとれるが、直線状態からわずかに弛ませることでトルク係数は増大する。一方、過剰に弛ませるとトルク係数は低下する傾向がみられ、今回の風車仕様ではサグ率で 3%付近が極大値となる。

考察
λ=0.1 において最高値を示した L:730 mm の風車では、風
速 7 m/s にて 3.8 Nm のトルクを生じている。風速 5 m/s では、
実測、理論値ともに約 2 Nm であって矛盾しない結果が得られ

図 2 トルク係数（CQ）―周速比（λ）曲線の翼長依存性．

ている。また直線翼（L: 755 mm）の場合は風速 7 m/s にて約 3
Nm のトルクを発生していることが確認された。
本研究の風車を用いたエネルギー利用機器として、ピストンポンプを組み込んだ風力直動式の送気ポンプシステムが既に実

図 3 λ=0.1 におけるトルク係数の翼長依存性．

証試験に供されており（図 4）、ピストンポンプであるためにクランク機構を介するが、回転角に依存したトルク変動が生じる。
仔細は割愛するも、現仕様のシステムでは送気時に要求される
最大トルクは 3 Nm であって、直線翼で運転していることを踏まえると、システムは風速 7 m/s 程度で機能していることがわかった。翼長を増長することでトルクは増大するため、低風速でも対応する仕様とできるが、コストに直結するため好ましいとは言えない。今回得られた、僅かなサグ率の設定による 20%

図 3 λ=0.1 におけるトルク係数の翼長依存性．

強のトルク向上は、システムコストの低減、設計風速の改善に寄与するものであって、有用な知見が得られたと考える。

謝辞
本実験の遂行に際し、データ解釈と討論でご議論頂いた九州大学応用力学研究所の内田 孝紀准教授、大屋 裕二特任教授、実験に際して格別のご助力を頂いた松島 啓二氏、渡邉 公彦氏、高田 青氏に感謝いたします。
研究組織代表者 久保田 健 弘前大学地域戦略研究所・准教授
協力者 本田 明弘 弘前大学地域戦略研究所・教授
桐原 慎二 弘前大学地域戦略研究所・教授
志田崇 弘前大学大学院理工学研究科・博士後期 2 年

沈

健 弘前大学大学院理工学研究科・博士後期 3 年

参考文献
図 4 青森県北部沿岸域に設置した風力式送気ポンプシス

1. 南條 宏肇, “抗力型風力発電の力学的モデルと発電出力の最適化評価”, Journalof JWEA, Vol. 32, pp. 102-108 (2008).

テム実証機の外観写真．

331

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑24
垂直軸風車の３次元効果の数値解析

鳥取大学 工学部機械物理系学科

原 豊

１．はじめに揚力型の垂直軸風車では，多くの場合に翼を回転軸に結合するアームが必要であり，その断面形状によっては大きな損失が発生する．本研究では，昨年度，CFD 解析によってアームが風車性能に及ぼす３次元効果について調べたが，物体表面に垂直に作用する圧力しか考慮しなかった．本年度は，表面せん断応力の解析を主として行
い，アームおよび翼面上に作用する摩擦力に起因する抗力と圧力起因の抗力の比較を行った．
２．方法
計算対象は昨年度と同様の 2 枚翼 H 型ダリウス風車 DU-H2-5075(直径：D = 0.75 m, 高さ：2H = 0.5 m)である(図１参照)．直線翼の翼型は NACA 0018 であり，翼弦長は c = 80 mm である．この風車に，図 2 に示す３種類の断面形状のアームを仮定し CFD 解析を行った．翼型アームの断面は NACA 0018，アーム弦長は b = 40 mm とした．
翼型アームの最大厚みは a = 7.2 mm である．矩形アームの断面は縦を a = 7.2 mm，横を b = 40 mm の長方形とし，円形アームの直径は d = 7.2 mm である．最大厚み a (または直径 d) を基準とした各アーム断面の抗力係数は，翼型が Cd = 0.055, 矩形が Cd = 0.9，円形が Cd = 1.2 である．アーム長 L はいずれも 0.355 m とした．計算ソルバーにSTAR-CCM+を使用した．計算は 3 次元非定常非圧縮を仮定した RANS であり，SST k-ω を乱流モデルとして採用した．計算設定は昨年度と同じであり，主流風速 U∞は 7 m/s，先端周速比( λ = Rω/U∞ ，R はロータ半径，ω は角速度)は最大出力状態( λ = 2.9 )にほぼ相当する λ = 3 とした( N = 535 rpm )．直線翼の翼弦長 c に基づくレイノル
ズ数は Reb = 1.1×105 である．
本研究では，CFD で計算した物体表面の圧力およびせん断応力の分布から，翼やアームの局所に作用する抗力を求める．図 3 に抗力の計算に用いた相対座標系(記載はないが x 軸は翼およびアームの弦方向を向いており，y軸は r 軸と同じ方向を向く)，および圧力と表面せん断応力を抽出した断面位置(図中の赤色の点線)を示す．アームは半径方向(r 方向)に 5 mm 間隔の 70 断面を選択し，翼については，赤道面(z = 0)を基準として，1/2 翼 (長さ：H) について 5 mm 間隔で 50 断面を選んで，各断面まわりの圧力および表面せん断応力の分布を計算した．表面
せん断応力の抽出断面と同じになるように，圧力の抽出断面は，昨年度の研究より個数を増やして解析を行った．

図 1 計算対象

図 2 アーム断面

図 3 表面せん断応力と圧力の計算位置

３．主な結果と考察
図 4(a)にロータ１回転にわたって平均した圧力に起因する抗力係数のアームスパン方向分布を示す．同様に図4(b)は平均圧力抗力係数の 1/2 翼スパン方向分布である．図 4(a)に示されるように，アーム断面形状に依らず，翼との接合部( r/R = 1 )に近づくほど相対風速が増加するため圧力抗力が増す傾向にある．図 4(b)からは，翼とアー
ムとの接合部( z/H = 0.5 )付近において翼の回転力減少すなわち翼の圧力抵抗の増加が見られる．図 5(a)にロータ

332

(a) アーム上の分布(b) 1/2 翼上の分布(a) アーム上の分布

図 4 1 回転平均の圧力抗力係数の分布(b) 1/2 翼上の分布

図 5 1 回転平均の摩擦抗力係数の分布

１回転で平均した表面せん断力に起因する摩擦抗力係数のアームスパン方向分布を示す．同様に図 5(b)は平均摩擦抗力係数の 1/2 翼スパン方向分布である．図 5(a)に示すように，矩形アームのみアーム上の摩擦抗力係数がマイナスになっているが，これはアームの前縁角部からはく離が起こり，矩形アームの上下両面の前方部で逆流が発生し，それによって表面せん断応力が抗力ではなく，回転力として働いているためである．図 5(b)を見ると，アームが存在することによって，翼面上の摩擦抗力も増加する傾向があることがわかる．翼とアームとの接合部( z/H = 0.5 )付近において，局所的に摩擦抗力係数の落ち込みがあるが，これはアームと翼の接合部の面積に相当
する摩擦力が計算に含まれないためである．
アーム（図 4(a)）と翼（図 4(b)）を統合した圧力抗力は，矩形アーム>円形アーム>翼型アームの順で大きく，
図 5(a),(b)を統合した摩擦抗力は，翼型アーム>円形アーム>矩形アームの順で大きい．圧力と摩擦力で傾向が異なるが，圧力抗力に比べて摩擦抗力が 1 桁以上小さいため，両者を合わせた総合抗力は，矩形アームを持つ風車が最大となる．これは，各アームを持つ３種類の風車の出力係数（λ = 3 の場合）の大小関係と符合する傾向である．
【研究組織】
原 豊

代表者

鳥取大学

准教授

堀田直希

協力者

鳥取大学

修士 2 年

住 隆博

協力者

佐賀大学

准教授

秋元博路

協力者

大阪大学

特任教授

吉田茂雄

所内世話人

九州大学応用力学研究所教授【成果報告】(1) Naoki Horita, Yutaka Hara, Chiasa Harada, Shigeo Yoshida, Hiromichi Akimoto, Takahiro Sumi, Numerical Analysis on
the Effects of Arm on the Straight Blade of a Vertical Axis Wind Turbine, Grand Renewable Energy 2018 (GRE2018)
International Conference, O-We-13-2, 2018.6.17-22, Yokohama, Japan(2) 堀田直希, 原 豊, 吉田茂雄, 秋元博路, 住 隆博, 直線翼垂直軸風車のブレードとアームの粘性摩擦分布に関する数値解析, 日本機械学会 2018 年度年次大会, J0510303, 2018.9.10-12, 関西大学
(3) 堀田直希, 原 豊, 吉田茂雄, 秋元博路, 住 隆博, 直線翼垂直軸風車の異なる断面形状の水平アームに働く流体力分布とその翼への影響に関する数値解析, 第 40 回風力エネルギー利用シンポジウム, pp. 397-400,
2018.12.4-5, 科学技術館(4) 堀田直希，垂直軸風車特性へのアームの影響に関する数値解析，2018 年度修士論文，50 ページ，2019.2.15 公聴会，鳥取大学333

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑25
バタフライ風車の翼に作用するツイストモーメントに関する研究

鳥取大学 工学部機械物理系学科

原 豊

１．はじめに鳥取大学を中心とする研究グループは，小形風力発電の低コスト化を目指して，過回転抑制機構を備えた直径7 m のバタフライ風車（図１）を開発している．しかし，図 1 の試作機に搭載した過回転抑制機構は，翼が遠心力で半径方向に移動して翼軸まわりに傾斜(ツイスト)する機構であり，耐久性に懸念がある．そこで空気力すな
わち翼を傾斜させる作用を持つツイストモーメント（以後 TM）を利用し，翼が半径方向に移動せずに過回転抑制動作が可能な機構を考案した．本研究では，この新しい機構における翼の TM を翼素運動量理論(以後 BEM)と
数値流体力学解析(以後 CFD)を用いて予測し, 両解析の比較から BEM による予測の妥当性を検討した．
２．方法
図 2 は新たに考案した空気力で翼をツイストする過回転抑制機構の模式図である．図 2 では模型サイズ(ロータ
直径約 38 cm；3 枚翼)を仮定した模式図となっており，翼は１枚のみ図示している．初期状態として翼には初期傾斜角(η0)を設定しており，回転数が増加すると翼軸まわりに作用する TM が大きくなって翼は傾斜し，空力ブレーキとなる．翼軸は２つのベアリングで回転可能に保持され，半径方向には移動しない．翼軸の端には傘歯車(小)が取付けてあり，ロータ回転中心の傘歯車(大)と結合されている．この傘歯車の組み合わせによって，図 2 には図示されていない他の翼と同調した動作を可能とする．傘歯車(大)にはねじりバネ(定数：k)を取付けてあり，回転数が減少した場合には，そのねじりバネの復元力によって翼を元の状態に戻す．本過回転抑制機構の特性を決定する重要なパラメータには，ねじりバネ係数と初期傾斜角の他に，翼の翼軸への取付位置(xa)がある．
本研究では，図 1 の 7 m バタフライ風車に，図 2 の新過回転抑制機構を取付けた仮想的な風車ロータを仮定す
る．この仮想ロータにおいて，現在の試作機で使用している 5 kW 発電機の特性に合った最適な設定値として，
ねじりバネ係数：k = 38 Nm/deg，翼取付位置：xa = 57 % c，初期傾斜角：η0 = 2 deg を BEM 計算によって見出した．図 3 はその最適設定値を仮定した場合の TM, 傾斜角(η)，ロータ回転トルク(Q)，ロータ回転数(N)の風速依存である．図 3 に示すように，風速 26 m/s 以上では，ロータ回転トルク Q と回転速度 N が減少しており，高風速における過回転が抑制されることが予測されている．この BEM 予測結果の妥当性を調べるために，汎用計算ソ
フトウェア STAR-CCM+ ver.13.0 を使用して，URANS による CFD 解析を行った(乱流モデル：SST k - ω)． ただし，図 1 の実機は 5 枚翼ロータであるが，計算コストの問題から，CFD 解析の対象は，ロータ直径：D = 7 m, ロ
ータ高さ：H = 2.7 m の三角状の翼１枚から構成される１翼ロータとした．翼弦長は c = 242.3 mm であり, 翼断面は NACA 0018 である．図 3 の中から， 9 つの風速状態（V = 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60 m/s）を選択し，これらの状態における回転数 N と翼傾斜角(ツイスト角)η を条件として与えて CFD 解析を行い，各状態における TM と
ロータ回転トルク Q を計算した．各状態において収束が早かったため，計算は 3 回転まで行い，最後の１回転のデータを解析した．

図 1 バタフライ風車

図 2 新規の過回転抑制機構の模式図

334

図 3 BEM による TM 等の予測

３．主な結果と考察
図 4 は CFD 解析の一例であり， Q 値等値面（Q = 5s-2）と等値面上の渦度(カラー表示)によって，翼からの渦放出を示している．図 4 の状態は，風速 V = 20 m/s, 傾斜角 η = 13.1 deg であり，翼の上部と下部から放出される
渦サイズが大きく異なっている．この差によって TM が生じると推測される．図 5 は図 4 と同じ状態におけるロータ１回転中の TM の変化に関する BEM と CFD の比較である．図 5 からわかるように，TM の変動の局所ピークについては，その大きさや位相が BEM と CFD で異なっているが，大局的には風車１回転の TM の挙動については，両者は定性的に一致している．1 枚翼ロータが１回転する間の平均 TM の風速依存性について，BEM 予想と CFD 解析の比較を図 6 に示す．図 6 より，V = 10～30 m/s の範囲では，平均 TM は BEM よりも CFD が上回り，
V = 40 m/s 以上では逆転する結果となっている．V = 10～25 m/s の範囲で BEM と CFD の差が大きいが，この範囲
では回転数が 100 rpm 前後まで大きくなっており，ロータを横切る流れ場が広がることが推測される．したがって，流れの広がりを考慮していない BEM と，流れの広がりが考慮される CFD との間で差が生じたと考えられる．
それでも，TM についての BEM 予測は CFD 解析とオーダー的に一致し，定性的にも良く合っていると言える．

図 4 CFD による渦放出の予測

図 5 TM のアジマス依存性の予測

図 6 平均 TM の風速依存性の比較【研究組織】
原 豊

代表者

鳥取大学

准教授

山本 柊

協力者

鳥取大学

修士 2 年

田川公太朗

協力者

鳥取大学

准教授

住 隆博

協力者

佐賀大学

准教授

吉田茂雄

所内世話人

九州大学応用力学研究所教授【成果報告】(1) Yutaka Hara, Kotaro Tagawa, Shigenori Saito, Keisuke Shioya, Takeshi Ono, Kenji Makino, Kazutoshi Toba, Takakazu
Hirobayashi, Yousuke Tanaka, Kazuo Takashima, Susumu Sasaki, Kengo Nojima, Shigeo Yoshida, Development of a
Butterfly Wind Turbine with Mechanical Over-Speed Control System, Designs, 2(2), 17, 2018.06. published,https://www.mdpi.com/2411-9660/2/2/17(2) 原 豊, 瀧本翔太, 三浦卓也, 田川公太朗, 吉田茂雄, バタフライ風車翼のツイストモーメントの数値解析,
日本機械学会流体工学部門講演会, OS6-6, 2018.11.29-30, 蓬峽殿(室蘭市)(3) 三浦卓也, 原 豊, 田川公太朗, 吉田茂雄, 傾斜する三角状の風車翼に働くツイストモーメントの数値流体力
学解析, 日本機械学会中国四国学生会第 49 回学生員卒業研究発表講演会, 612, 2019.3.6, 山口大学(宇部市)(4) 箕田充志, 原 豊, 上代良文,「スッキリ！がってん！風力発電の本」, 146 ページ， 電気書院, 2018.8.27 出版,
ISBN: 978-4-485-60034-4(5) 特許出願：特願 2018-157631，【発明者】原 豊, 斎藤栄徳, 塩谷啓介, 【出願日】2018.8.24

335

新エネルギー力学分野
一般研究

30ME‑26

集流装置付き潮流発電装置の性能に及ぼすタービンハブ比の影響
佐賀大学 海洋エネルギー研究センター

村上 天元

【要旨】
表題研究の予備段階として，以下の相反転方式潮流タービンを用いた曳航実験を実施した．具体的には，浮体の動揺状態における発電の可能性を調査するため，双胴フロートにタービン模型を設置し，この浮体モデルを種々の波周期および波高の向かい波条件において係留索で曳航し，浮体挙動を計測した．
【序論】
本研究の潮流発電装置には，前後二段のプロペラ（ランナ）が内外二重回転電機子をそれぞれ駆動する“相反転方式”を採用した．本相反転方式は，二重の回転電機子が互いに逆方向にトルクを釣り合わせながら回転し，両プロペラは流れの角運動量変化が相殺されるように相反回転する．すなわち，磁界を切る速度が速くなるので，発電機径の縮小，起電圧の増加，極数の減少，回転速度の減少（キャビテーション対策に有利）を可能にする．また，前後のプロペラ間および内外の回転電機子間で回転トルクが相殺され，外部に反作用が働かないので頑強な据え付けベッドやパイルを必要としない．本研究では，
この相反転発電ユニットモデルを浮体に搭載し，波浪中における発電性能を実験的に検討した．
【実験方法】
Fig. 1 は曳航装置内の模型の配置を示す．実験は，九州大学応用力学研究所の深海機器力学実験水槽（全長 65 m，幅 5 m，水深 7.5 m）で行った．規則波の波高は，0.028 m，0.056 m，0.084 m の 3 通り，
浮体と波の出会い周期は，0.464 s，0.541 s，0.788 s の 3 通り変化させて，向かい波の条件で計測を行った．タービン模型は，想定実機（プロペラ直径 7 m，流速 4 m/s の場合，出力 500 kW）の 1/35 スケールモデルであり，ハブ比は 0.25 である．実験では，浮体模型の左舷船首側に取り付けたモーションセンサ
（MicroStone 社製 MVP-RF8-HC-500）によって角速度を計測し，Fig. 2 に示す浮体側面の光学式運動計
測用マーカ 2 点の高速度カメラ（DITECT 社製 HAS-U2）による撮影および画像解析により，変位，速度，加速度のデータを取得した．また，右舷
船 首 に 設 置 し た ロ ー ド セ ル （ Tokyo
Measuring Instruments Lab.社製 TCLN1KNA）によって張力を計測した．なお，
実験では，まず造波機で波を発生させ，その後曳航装置の走行を開始し，曳航装置が 0.756 m/s 一定速度に達した時
点から計測を開始した．
【実験結果】
性能評価指標である出力比 P/P0 は以下の式で定義される．
Fig. 1

浮体式潮流発電ユニットモデルの配置

336

P/P0 = Cp/Cp0(Vt/V0)3
ここで，Cp/Cp0，Vt，V0 はそれぞれ

Fig. 2光学式運動計測用マーカ（P1 および P2）

Fig. 3

Yaw 角による出力係数比の変化

出力係数比，Surge および Heave 方向速度の合成速度，曳航速度を表す．なお，Fig. 3 は従前の実験結果であり，出力係数比 Cp/Cp0 の Yaw 角による変化を表している．Fig.
3 の Yaw 角は本実験における浮体の Surge および Heave
方向速度の合成速度ベクトルと Surge 方向速度ベクトルとのなす角に相当する．
Fig. 4 は実験結果の一例であり，波高 H = 0.056 m 一定
で，出会い周期が T = 0.464 s，0.541 s，0.788 s の 3 通りの場合の出力比を比較している．T = 0.464 s および 0.541
s の場合，最高出力比は P/P0 = 1.1~1.2 程度であり，T =0.788 s の場合は最高出力比が P/P0 = 1.5 と高い値を示した．浮体の運動においては，周期 T = 0.464 s，0.541 s，
0.788 s いずれの場合も Surge 方向と比べて Heave 方向の運動が顕著であった．また，出会い周期 T = 0.464 s 一定
で，波高を H = 0.028 m，0.056 m，0.084 m の 3 通り変化
させた場合は，波高がいずれの場合も P/P0 の最大値は 1.2程度であり，出力比に及ぼす波高の影響は殆ど見られなかった．
【成果報告】
なし【研究組織】
研究代表者

村上 天元

佐賀大学

研究協力者

永田 修一

佐賀大学

研究協力者

今井 康貴

佐賀大学

Fig. 4337

出力比 P/P0

新エネルギー力学分野
研究集会

30ME‑S1

第 11 回 九大 2D 物質研究会（主催：応用力学研究所 (30ME-S1)、共催：日本表面真空学会九州支部）「2D 物質の形成と構造・物性評価」

日時：平成３１年２月２２日（金） １３：００～１７：１０
場所：九大西新プラザ 大会議室 A

０．１３：００〜１３：１０
九大院工

田中

悟

教授

「研究会について」
１．１３：１０〜１３：３０
九州大応力研

教授

寒川

義裕

教授

「窒化物半導体成長モデリングの進展：不純物混入機構の考察」
GaN（窒化ガリウム）は，電力変換システムに実装されるパワーデバイス用の次世代半導体として注目されている．例えば，電気自動車のモーター駆動用に応用される場合，デバイスには 1200Vの耐圧が要求される．要求特性を実現するには，結晶材料中のキャリアー濃度を 1016 cm−3 以下に制御する必要がある．一方，GaN 結晶成長に用いられる有機金属気相成長では，Ga 原料のトリメチル
ガリウムに炭素（C）原子が含まれているため，薄膜成長中に意図しない C 混入が生じることが知られている．n-GaN 結晶中の C 原子はアクセプターとして働くため，キャリアー濃度を 1016 cm−3 以下に制御するには，C 不純物濃度も 1016 cm−3 以下に制御する必要がある．本講演では，GaN 有機金属気相成長における C 混入機構を第一原理計算に基づく理論解析により考察し，C 不純物濃度の低減方法を議論する．
２．１３：３０〜１３：５０
京都大院工

船戸

充

准教授

「GaN/AlN 極薄量子井戸構造の光学特性」
分子層レベルで薄い GaN 量子井戸構造を Al(Ga)N 障壁層でサンドイッチした構造は，高い内部量子効率を持った紫外光源として有望な構造である．加えて，偏光特性を利用した光取り出しの改善や直線偏光光源への応用も期待される．われわれは，GaN の結晶成長において GaN 膜厚の分子層レベルでの自己停止機能を見出し，それに基づいて GaN/AlN 極薄量子井戸構造を作製することに成功した．また，その光物性を効率および偏光に着目して評価している．それら結晶成長と光物性評価について報告する．
３．１３：５０〜１４：１０
九州大院総理工

水野

清義

教授

「電界放出低速電子回折装置の開発」
表面構造の解析には表面敏感な低速電子線を用いた低速電子回折が用いられることが多く，これまでに SiC(0001)上の Si4O5N3 層をはじめ，数多くの表面構造を決定してきた．しかし，長周期構造の場合，回折スポット間隔が狭くなり，強度測定ができなくなるという問題がある．そこで，コヒーレント長の長い電界放出電子線を用いることにより，回折スポットをシャープにすることを試みている．電界電子放出源は電解研磨により作製したタングステン針を，電界イオン顕微鏡を用いた

338

ガスエッチングによってさらに先鋭化し，1 kV 以下の低い引出電圧を達成している．得られた電界
電子放出源を真空中を移動させて低速電子回折装置の電子源とし，シリコンや SiC 表面からの回折パターンを観察したところ，熱電子源の場合と比較して，回折スポットの広がりを半分以下に抑えることができるようになった．
４．１４：１０〜１４：３０
筑波大院数理物質

神田

晶申

教授

「層状超伝導体原子層膜を用いた渦糸量子状態操作」
層状物質には磁性や超伝導を示すものもあり，グラフェンと同様，劈開によって薄膜化することができる．我々は最近，層状超伝導体に着目している．
超伝導体は完全導電性の他に完全反磁性を示すが，第 2 種超伝導体では磁場中で磁束量子𝛷 を単位とした磁束が貫く渦糸状態が出現する．この磁束と周りの環状電流を渦糸という．渦糸はバルクの超伝導体では三角格子を組むのに対し，微小な超伝導体中では試料形状に依存した配置をとる．
我々は以前，独自の手法（微小トンネル接合法）を用いて微小なアルミニウム蒸着膜における少数
渦糸の検出と配置の制御に成功した．この際，渦糸配置間の転移が巨視的量子トンネリングによって起きていることを示唆する結果を得たが，異なる試料間の再現性が悪く，厳密な議論ができなかった．これは蒸着膜の表面凹凸が原因であると考えている．そこで今回，表面凹凸が原理的には存在しない，層状超伝導体劈開膜を用いて，同様の実験を行うことを計画した．発表では，原理の説
明と初期的な実験結果を報告する．
５．１４：３０〜１４：５０
宇部高専

碇

智徳

教授

「MIES による異種原子吸着した SiC 再構成表面上の電子状態観測」
アルカリ金属及び酸素を吸着した際の SiC 再構成表面を準安定原子誘起電子分光法(MIES)と低速
電子線回折法(LEED)により観測した．MIES では，He 準安定原子をプローブとすることで表面構造を非破壊で再表面の電子状態を抽出できる．Si 基板表面において，アルカリ金属は触媒として酸素原子の表面への吸着を促進することが分かっている．その効果を利用して，アルカリ金属を前吸着し，酸素を曝露した後に基板加熱を施すことで SiC 再構成表面での酸化膜形成を試みた．同時に，この表面上でのアルカリ金属原子による挙動を調べた．
休憩

１４：５０〜１５：１０

６．１５：１０〜１５：３０
富士電機

藤井

氏

「金属/グラフェン/SiC 界面の電気特性とその制御」
単原子層の炭素材料であるグラフェンはこれまでの基礎・応用を含めた多くの研究により，グラフェンの適応先は広がりを見せている．その一つとして半導体の接合制御が挙げられ，金属/グラフ
ェン/n 型 SiC 接合では一般的な半導体の描像に従わずオーミック接触が形成されることが報告され[1]，さらに，水素インターカレーションによりショットキー接合へと劇的に変化することも示された．そこで今回，このメカニズム解明を目的に金属/グラフェン/p 型 SiC の界面特性を評価し，n 型の場合と比較することで界面での相互作用と界面のバンド構造について考察を行った結果，グラフ
ェン/SiC 界面におけるバッファ層を介したダイポール生成と，その消失による現象が示唆された．
今後，さらなる最適化による大きな変調が期待できる．

339

７．１５：３０〜１５：５０
名古屋大院工乗松

航准教授「SiC 上エピタキシャル炭化物からのグラフェン成長」
我々はこれまでに，SiC に加えて炭化チタン，炭化アルミニウムの熱分解によるグラフェン成長について報告している．本研究では，炭化ホウ素薄膜および炭化タンタル薄膜の熱分解によって成長したグラフェンについて報告する．炭化ホウ素薄膜から得られたエピタキシャルグラフェンは，高濃度にホウ素ドープされることがわかっている．今回は特に，格子ミスマッチの大きいグラフェ
ン/B4C および B4C/SiC 界面の原子配列について詳細に報告する．一方，炭化タングステンが特異な電子構造を持つトポロジカル半金属であることが最近報告されており，類似の構造を有する第三遷移金属炭化物である炭化タンタルもまた，トポロジカル物質としての新規物性が期待される．炭化タンタル表面に成長するグラフェンの構造的および電子状態を明らかにすると共に，大気中での炭化タンタル表面酸化抑制効果について議論する．
８．１５：５０〜１６：１０
九州大 GIC Pablo Solís-Fernández 氏「Synthesis of AB-Stacked Bilayer Graphene on Cu-Ni Films」
Physical properties of graphene greatly depend on the number of layers and on their relativeorientation. In particular, a tunable band gap can be obtained in bilayer graphene (BLG) by
the application of a vertical electric field. This is interesting for a variety of electronic
and optoelectronic applications for which the lack of a band gap of monolayer graphene is
an issue. However, an almost perfect AB-stacking of the two layers is required, withmisalignments below 0.1º. This demands efficient direct synthesis methods suited forlarge-scale production, unlike methods relying on layer-by-layer transfer.
Here, we will introduce our recent progress on the CVD growth of BLG on Cu-Ni alloy thinfilms. The precise mixing of the two catalysts results effective for tuning the number oflayers of the graphene, allowing to growth large-areas of BLG. Moreover, by controlling of
the CVD synthesis parameters we could to increase the ratio of AB-stacked BLG from ~70 % toover 99 %, with virtually no twisted areas. This highly-ordered BLG occurs during the CH4
supply, in contrast to our previous work in which low AB/twist ratio BLG grows during thecooling down step of the CVD process. This new growth mechanism is expected to contributeto the realization of large-area semiconductor arrays based on AB-stacked BLG.
９．１６：１０〜１６：３０
島根大院工 影島 愽之 教授「層状物質で覆われた Cu 表面でのグラフェン成長素過程の理論検討」
表面がグラフェンや h-BN といった層状物質で覆われた場合，Cu 表面上でのグラフェンの成長はどのように影響を受けるのだろうか？我々は，成長の素過程を第一原理計算を使って調べることで，この問題について検討を行った．まず C 原子は，表面がグラフェンや h-BN で覆われていようと，グラフェンや h-BN 上よりも Cu 表面上に吸着しやすい．このため，グラフェン成長は Cu 表面上で起こることに変わりは無いと考えられる．この他，吸着サイトとその安定性を調べ，表面拡散パスを同定，拡散の障壁高さと障壁を越える遷移確率が表面を覆う層状物質によってどのように影響を受けるのかについても計算を行った．

340

１０．１６：３０〜１６：５０
九州大院工

田中

悟

教授

「グラフェン直接転写によるモアレ系積層グラフェンの形成」
グラフェンシートを 2 枚重ねた二層グラフェンは，面方位を互いに回転させることでモアレ系を形成し，そのモアレ超格子が電子状態に大きな影響を与える．しかし，積層グラフェンの作製は精
密な回転角制御が困難であることや角度分解光電子分光(ARPES)などによる電子状態観察に必要な大面積化が難しい．そこで，本研究では剥離が容易な SiC-CVD 法によるグラフェンの真空中直接転写および反射高速電子線回折(RHEED)によって回転角を制御した大面積の二層グラフェンを作製した結果について報告する．
１１．１６：５０〜１７：１０
東京大物性研

小森

文夫

教授「ツイスト 2 層グラフェンの電子状態」
ツイスト２層グラフェンでは，ツイスト角度に依存した層間の相互作用のために，パイバンドが大きく変化することが知られている．しかしながら，自然に形成されたツイストグラフェンや剥離
グラフェンを張り合わせた試料は面積が狭く，層間相互作用にも一様でなくがあり，角度分解光電
子分光(ARPES)による系統的な研究が困難であった．そこで，我々はグラフェン直接転写による大面
積なツイストグラフェンを用いて ARPES による研究を行っている．４度ツイストした２層グラフェ
ンでは，層間相互作用によるパイバンドの変形が観測された．

主催者：田中 悟（九大院工）世話人：寒川義裕（九大応研）

341

第１１回九大 2D 物質研究会
主催：応用力学研究所，共催：日本表面真空学会九州支部「２D 物質の形成と構造・物性評価」
平成３１年２月２２日（金） １３：００〜２０：００
於 九大西新プラザ （発表１５分＋質疑５分＝２０分）
０．

１３：００〜１３：１０

九大院工 田中 悟 教授
「研究会について」
１．１３：１０〜１３：３０
九大応力研 教授 寒川 義裕 教授「窒化物半導体成長モデリングの進展：不純物混入機構の考察」
２．１３：３０〜１３：５０
京大院工 船戸 充 准教授「GaN/AlN 極薄量子井戸構造の光学特性」
３．１３：５０〜１４：１０
九大院総理工水野 清義 教授
「電界放出低速電子回折装置の開発」
４．１４：１０〜１４：３０
筑波大院数理物質 神田 晶申 教授「層状超伝導体原子層膜を用いた渦糸量子状態操作」
５．１４：３０〜１４：５０
宇部高専 碇 智徳 教授「MIES による異種原子吸着した SiC 再構成表面上の電子状態観測」
休憩 １４：５０〜１５：１０
６．１５：１０〜１５：３０
富士電機 藤井 氏「金属/グラフェン/SiC 界面の電気特性とその制御」
７．１５：３０〜１５：５０
名古屋大院工 乗松 航 准教授「SiC 上エピタキシャル炭化物からのグラフェン成長」
８．１５：５０〜１６：１０
九大 GIC Pablo Solís-Fernández 氏「Synthesis of AB-Stacked Bilayer Graphene on Cu-Ni Films」
９．１６：１０〜１６：３０
島根大院工 影島 愽之 教授「層状物質で覆われた Cu 表面でのグラフェン成長素過程の理論検討」
１０．１６：３０〜１６：５０
九大院工 田中 悟 教授
「グラフェン直接転写によるモアレ系積層グラフェンの形成」
１１．１６：５０〜１７：１０
東大物性研 小森 文夫 教授「ツイスト 2 層グラフェンの電子状態」
１２．１７：１０〜２０：００
総合討論
342

新エネルギー力学分野
研究集会

30ME‑S2
高空風力発電の技術動向の検討（株）ＴＭＩＴ・研究開発部・所長
首都大学東京名誉教授
藤井 裕矩
要旨

風力エネルギー発電方法の新しい手法である高空風力発電について、国際会議において成果を公表するとともに研究集会を全体会議として 2 回開催しプロジェクトの遂行について議論を行った。本課題は世界的にも先進的で高度なプロジェクトであるため、種々の調査・研究発表と意見交換を行った。
１．はじめに本研究グループは、高空風力を利用した風力発電の研究を主軸にして結集したものであり、大学・会
社・研究所における航空宇宙技術ならびに風車技術に関して専門的な学識と経験を持つ研究者たちを核として構成して種々の技術調査と研究開発を行っており、これらを検討するために全体会議を適宜開催している。
一方、九州大学応用力学研究所における共同研究の大きな枠組みとして風力発電技術の研究開発にかかわっている。いま、九州大学応用力学研究所「新エネルギー力学」の分野の研究者である吉田教授の参加とともに研究範囲を充実することにした。このため、九州大学応用力学研究所の共同研究として研究集会を開催し、高空風力発電について議論を深め、我が国における本課題の進め方についてまとめた。
２．高空風力を用いた発電に関する研究会議について、研究会議は、第７回全体会議を 2018 年 12 月 6 日に日本大学駿河台キャンパス「船橋共通会議室」で開催したほか、第８回全体会議を 2019 年 3 月 19 日に国立極地研究所において開催する。
さらに、高空風力の最先端の研究成果が発表される国際会議においても研究検討状況を公表した。
2018 年 6 月 17-22 日

GRE2018 に参加し下記のように発表した。

Hironori A. Fujii, Hiroshi Okubo, Yusuke Maruyama, Tairo Kusagaya, Yasutake Takahashi, Takeshi
Akasaka, and Hiroki Endo, “TETHERED HIGH SKY WIND ENERGY GENERATION (HSWG)
PROGRESS REPORT IN 2018,” a90570. Grand Renewable Energy 2018 International Conference
and Exhibition、2018,June 17 (Sun) –22 (Fri), Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan2018 年 12 月 6 日第７回全体会議（日本大学駿河台キャンパス）2019 年 3 月 19 日第８回全体会議（国立極地研究所）◎「高空発電研究会」第７回全体会議（2018 年 12 月 6 日）
「第７回高空風力発電研究会全体会議」＆「第 5 回東京工芸大学・風工学共同研究拠点・共同集会」

2018 年 12 月 6 日（木）10 時より 16 時 30 分まで、場所：日本大学駿河台キャンパス「船橋共通会議室」
10:00-10:05 趣旨説明【藤井裕矩（TMIT）】
10:05-10:20 「高空風力発電研究会」活動中間報告【藤井、丸山勇佑（前田建設）】・JWEA内に設置する研究会（空中風力発電研究会について）343

・極地研との共同研究
・その他 全体スケジュールなど＊技術検討課題【司会：大久保 博志（神奈川工科大）】10:20-10:35 高橋 泰岳（福井大）「第2回フィールドテストに向けて」
10:35-10:50 丸山「直線翼風車風洞実験とフィールドテスト（仮題）」
10:50-11:05 草谷 大郎（都立産技高専）「空中風力発電実験の改善技術（仮題）」
11:05-11:20 遠藤 大希（TMIT）「高空風力発電用地上発電システムの実験的研究（仮題）」
11:20-11:35 葉山 清輝（熊本高専）「可変カイト翼付きマルチコプター（仮題）」
11:35-12:50 吉田 茂雄（九大）「九大における風力発電について（仮題）」
12:50-13:00 藤井「JWEAに設置する研究会について（仮題）」<昼食>＊高空風力発電I 【司会：草谷】
13:30-14:30 パネル：風車浮揚技術の課題その1【高橋、草谷、岩原 誠（ザクシス）、中台 章（ジオスポーツ）】
・プラットフォーム制御技術・プラットフォーム改善技術・発電要素技術
高橋、草谷、岩原、中台「フィールドテストの問題点と対策（仮題）」＜休息＞
14:40-15:50 パネル：風車浮揚技術の課題その２【大久保、高橋、草谷、山本】都立産技高専）、丸山、藤井、赤坂剛史（金沢工業大学）、栗田篤（トライアス）、黒崎 保秀（BS-Tech）】
・動力伝達技術・地上基地技術・性能/安全性等評価
大久保、高橋、赤坂「次回フィールドテストに向けて（仮題）」を中心に＜休息＞＊高空風力発電II 【司会：丸山】
16:00-16:30 パネル「高空風力発電：今後の展開」
以上◎「第８回高空風力発電研究会全体会議」（2019 年 3 月 19 日）「九州大学応用力学研究所共同利用研究集会」＆「第 6 回東京工芸大学・風工学共同研究拠点・共同集会」＆「第 1 回極地研空中風力発電研究会」
2019 年 3 月 19 日（火）10 時より 1７時 30 分まで、大学共同利用機関法人 情報・システム研究機構 国立極地研究所 5 階会議室

(National Institute of Polar Research)■第一部．空中風力発電研究会
司会【丸山（前田建設）】
10:00-10:15 趣旨説明【藤井裕矩（TMIT）】
10:15-11:30 空中風力発電研究会について（１）．日本風力エネルギー学会 空中風力発電研究会の設置について検討（２）．空中風力研究会 会則 の承認について検討（３）．日本風力エネルギー学会誌 空中風力発電特集号 発行について検討（４）．空中風力発電研究会の活動内容の検討

344

調査研究
（４－１）世界と日本の空中風力発電動向調査研究の進め方 藤井、遠藤、草谷（４－２）寒冷地（北海道や極地研との共同研究）における風力発電の実現に向けた調査研究の進め方 遠藤、佐藤（４－３）空中風力発電用の飛翔体調査研究の進め方 草谷、高橋、赤坂、葉山（４－４）空中風力発電用の風車調査研究の進め方 丸山、遠藤、関（４－５）空中風力発電のマーケットリサーチの進め方 黒崎、遠藤<昼食>■第二部．高空風力発電に関する技術研究
12:30-12:50 趣旨説明【藤井裕矩（TMIT）】（１）高空風力発電の基礎技術【司会：】（今年度のフィールド試験や風洞実験活動を中心に）12:50-13:10 話題提供：大久保博志（神工大）「神工大における風量発電について（仮題）」
13:10-13:30 話題提供：（九大）「九大における風力発電について（仮題）」
13:30-13:50 話題提供：高橋泰岳（福井大）「福井大における風力発電について（仮題）」
13:50-14:10 ディスカッション： 岩原（ザクシス）、大久保（神奈川工大）
フライゲン、テザー関連、（２）高空風力発電に向けた発電機の検討【司会：】14:10-14:40 パネルディスカッション
Grougen： 遠藤、大久保、

fligen： 中台、大渡（３）高空風力発電に向けた飛翔体の検討【司会：】14:40-15:00 話題提供：葉山「空中風力発電用カイトの研究（仮題）」
15:00-15:20 パネルディスカッション・プラットフォーム制御技術・プラットフォーム改善技術・発電要素技術
高橋、赤坂、藤井、中台、遠藤、葉山（４）高空風力発電に向けた風車の検討【司会：】15:20-15:50 話題提供： 丸山 「風車用の翼の検討（仮題）」
15:50-16:10パネルディスカッション
コメンテーター 黒崎、中嶋（５）高空風力発電に向けた飛行制御の検討【司会：】16:10-16:30 話題提供：赤坂「ドローンにつて（仮題）」（６）航空風力発電のマーケティングリサーチ 【司会：丸山】
16:30-16:50 話題提供：黒崎「小型風車の市場について（仮題）」
ディスカッション、関、（７）まとめ 【司会：丸山（前田建設）】
16:50-17:20 藤井「空中風力発電研究会と今後の進め方（仮題）」345

４．研究成果報告（主なもの）
１）藤井裕矩,遠藤大希,草谷大郎, 内山賢治、「テザー係留型飛行体の運動に関する基礎研究」、第 49
期日本航空宇宙学会年会講演会、2E051C09、平成 30 年 4 月 19-20 日、東京大学。
。
２）Hironori A. Fujii, Hiroshi Okubo, Yusuke Maruyama, Tairo Kusagaya, Yasutake Takahashi, Takeshi Akasaka,and Hiroki Endo, “TETHERED HIGH SKY WIND ENERGY GENERATION (HSWG) PROGRESS REPORTIN 2018,” a90570. Grand Renewable Energy 2018 International Conference and Exhibition、2018,June 17 (Sun)–22 (Fri), Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan３）藤井裕矩、赤坂剛史,大久保博志, 草谷大郎,丸山勇佑, 中嶋智也,高橋泰岳,遠藤大希,中台章,菊池雅行「高空風力発電の極地での有効活用手法の研究」、「第15回南極設営シンポジウム」2018年6月4日(月)、国立極地研究所
４）草谷大郎、黒田茂将、冨田匠、藤井裕矩、「一体型オールインフレータブル飛行機モデルの無人展
開から飛行まで」、第５回ブイヤント航空講演会、平成３０年7月1６日、東京都立産業技術高等専門学
校５）近藤智行、形川雅文、高橋泰岳、長尾晃一朗、東浦邦弥、「高空風力発電のためのヒステリシス制
御によるカイト飛行の検証」第40回風力エネルギー利用シンポジウム、日本風力エネルギー学会、2018
年12月4-5日,科学技術館、千代田区、東京, C３－2.
６）丸山勇佑、原田恭輔、大久保博志、藤井裕矩、佐藤強、遠藤大希、岩原誠、関和市「直線翼風車を用いた高空風力発電システムの開発―風洞実験とフィールドテスト―」第40回風力エネルギー利用シンポジウム、日本風力エネルギー学会、2018年12月4-5日,科学技術館、千代田区、東京, C３－３．
７）大久保博志，畠山凌，小野寺未，佐藤強，藤井裕矩，丸山勇祐、「直線翼風車を用いた高空風力発電システムの開発」日本機械学会関東支部第25期総会・講演会、18E14,2019年3月18-19日、千葉工業大
学．
５．まとめ
再生可能エネルギーにおける風力発電の将来的な手法として、高空の強い恒常的な風力を利用する手法
であり、世界的にも先進的な高度なプロジェクトであるため、種々の調査と研究発表と意見交換を行った。また、高空風力発電について研究集会を全体会議として 2 回開催し、国際会議において成果を公表するとともにプロジェクトの遂行について議論を行った。
謝辞
本研究は、九州大学応用力学研究所の共同利用研究（研究集会）の助成を受けたものである。

346

核融合力学分野
若手

若-1

磁化プラズマ中での乱流 · 非線形揺動のローカルトモグラフィを用いた詳細計測
九州大学 応用力学研究所 山﨑 広太郎
磁化プラズマ中で生じる乱流・非線形揺動の時空間構造をより詳細に観測し解析することを目的として，トモグラフィを用いた揺動の二次元計測手法の開発を進めている．本研究では，現在開発しているトモグラフィ計測システムのプラズマ中心部での分解能を更に向上させることを目的として，ローカルトモグラフィ導入の検討を行った．ローカルトモグラフィ
導入の検討を行うために，トモグラフィ計測により得られたデータから空間構造の特徴量を抽出する解析手法の開発と，視線配置を変えた場合に得られる再構成画像の空間分解能の比較を行った．トモグラフィ計測データから乱流・非線形揺動の時空間構造を定量的に評価することを目的として Fourier-Bessel 級数フィッティングを用いた揺動の空間分解能の大域的な特徴量の抽出と，径方向に矩形関数を用いることによる揺動の局所的な振幅・回転速度およびねじれの定量的な評価方法を考案した．また，これまで用いてきたトモグラフィ計測器とほぼ同じ本数の計測視線をプラズマ周方向 6 点に分配し，観測領域での視線密度を向上させた場合におけるトモグラフィ計測の空間分解能の変化を検証した．同じ観測視線数でも周方向に視線を分配した方がより高い空間分解能を実現できることが判明したため，ローカル
トモグラフィを行うためには従来の視線と反平行な視線ではなく異なる周方向角度からの観測視線の追加を行う方が分解能向上に効果があることを示唆する結果が得られた．

· 研究目的 (i) 二次元データから空間構造の特徴量抽出 (ii) 視線密度向上によるトモグラフィ計測の空間分解能比較
本研究の目的は，ローカルトモグラフィを用いることによる磁化プラズマ乱流現象の詳細な計測 · 解析である．トモグラフィを用いた乱流揺動計測の初期結果は出ていたため，計測により得られた二次元再構成画像の時系列データから乱流揺動を解析する上で重要な物理量を抽出する手法を確立する必要がある．また，この解析手法を用いることで，トモグラフィ視線の改良を行った際に得られる解像度の評価を行う．そのため本研究では (1)Fourier-Bessel
級数フィッティングおよび矩形関数を用いた空間構造解析手法の開発 (2) トモグラフィ計測
視線の視線密度を向上したトモグラフィ計測の実施および既存のトモグラフィ計測器との解像度比較を行った．

(i) トモグラフィ再構成画像から空間構造の特徴を抽出する手法の開発
トモグラフィ計測により得られた再構成画像からプラズマの二次元空間構造を定量的に評価することを目的として，再構成画像に Fourier-Bessel 級数をフィッティングする手法がこれまで用いられてきた．しかし Fourier-Bessel 級数は基底関数が無限個存在するため，空間構造を解析する上で必要な基底関数のみを選択する方法が必要になる．そこで Fourier-Bessel
級数フィッティングを行う前に適切な基底関数の組を選択する手法を考案した．この手法では以下の手順で基底関数を選択する．

(1) 候補となる基底関数と再構成画像の内積を計算し，内積の値が大きい順に基底関数を選定する．
(2) フィッティングに用いる基底関数の数を (1) で選んだ順番に増やしていき，その都度赤池情報量基準 (AIC) を計算する．ここで AIC はフィッティング誤差 χ2 ，再構成画
像のピクセル数 N とフィッティングに使用した基底関数の数 M を用いて以下のように定義した．
ξ(M ) = N log(χ2 ) + M

347

(3) AIC 最小となる位置での基底関数の組を採用する．
再構成画像の時系列データに対してフィッティン
グを行う前にこの操作を行うことで，不必要な基底関数を用いることなく空間構造の定量化を行うことが可能になった．再構成画像の時系列データに対して Fourier-Bessel 級数フィッティングを行うことで，発光量分布の対称・非対称構造の抽出や揺動がプラズマ断面全体で示す平均的な周方向モード
数 ⟨m⟩ の抽出など，揺動が示す大域的な特徴を抽出・定量化することが可能になった．トモグラフィ
により得られた揺動の二次元構造の時系列データ(図 1(a1-3)) から抽出した ⟨m⟩ の時間発展を図 1(b)に示す．この手法についてまとめた論文は Review
図 1: (a1-3) トモグラフィ計測で得of Scientific Instruments に投稿し受理されているられた揺動の空間構造の時間変化．
(成果報告 論文 1)．
(b) 平均的な周方向モード ⟨m⟩ およ
一方で，揺動の振幅の径方向分布や回転角など，
び (c)m=1 揺動のねじれ ∆Θ の時間
揺動の局所的な性質を議論する上で重要な空間構
発展
造の特徴を抽出することを目的として，径方向に矩形関数 hn (r) を採用した基底関数 hn (r)cos(mθ) を用いた解析手法を考案した．この手法∑
では再構成画像 ε(r, θ) を ε(r, θ) = m,n (am,n cos(mθ) + bm,n sin(m)) のように展開し係数
am,n , bm,n を用いることで，ある径方向位置 n における揺動の回転角 Θ を以下のように定義できる

Θm,n =

bm,n1
arctan(
).
m
am,n

(1)

再構成画像の時系列データに対してこの展開を行えば回転角 Θm,n の時系列データが得られるので，Θm,n の時間微分をすることで揺動の角速度 ωm,n を得ることができる．また，異なる径方向位置での回転角の差を計算することで揺動が示す空間構造のねじれを定量化することが可能になる．m=1 揺動の空間構造のねじれを評価したものを図 1(c) に示す．この手法についてまとめた論文を Plasma Physics and Controlled Fusion に投稿するために現在執筆を進めている．
これらの手法を用いることで，磁化プラズマ中で生じる揺動の空間構造が示す大域的 · 局
所的な特徴をトモグラフィ計測データから定量化することが可能になった．

(ii) 視線密度を向上したトモグラフィ計測器を用いた乱流揺動計測
本研究の目的はローカルトモグラフィを用いることによりプラズマ中心部での現象をより詳細に観測することである．これまでの計測器では発光量の視線積分量を観測する直径3mm のコリメータを既に 5mm 間隔で配置しており，これ以上コリメータの密度を高める
ことは困難である．そこで，これ以上コリメータを密に配置するのではなく周方向に観測
視線を分配することで分解能を高める方針を採用し検討を行った．検討を行うために既存のトモグラフィ計測器 (図 2(a)) と同程度の視線数を周方向 6 点に配置することで観測領域での視線密度を高めたトモグラフィ計測器 (図 2(b)) を新たに導入し，これまで用いてきた
トモグラフィ計測と同時に計測を行うことでプラズマ部分で観測される揺動の空間構造の比較を行った．同じ時間における発光量分布の揺動成分を従来のトモグラフィと新たに導入したトモグラフィで比較した例を図 3 に示す．新たに導入したトモグラフィ計測器でもこれまで用いてきたトモグラフィ計測器でも同様の揺動空間構造が観測されることが確認

348

図 2: (左) これまで用いてきたトモグ
ラフィ計測器 (右) 新たに導入したトモ
グラフィ計測器の視線配置

図 3: (a) これまで用いてきたトモグラフィ計測器を用いて得られた揺動の空間構造 (b) 新たに導入したトモグラフィ計測器を用いて得られた揺動の空間構造できた．また，(i) で紹介した矩形関数を用いた画像解析法を用いて r=4cm における揺動の周方向スペクトルを抽出したものを図 4 に示す．これまで用いてきたトモグラフィ計測器
でも新たに導入したトモグラフィ計測器でも同じ周方向スペクトルが得られていることから，これら２つのトモグラフィ計測器で同じ現象が観測されいることが分かる．また，新たに導入したトモグラフィ計測器ではこれまで用いてきたトモグラフィ計測器に比べてプ
ラズマ中心部により多くのピクセルを配置し再構成できていることから，新たに導入したトモグラフィではより詳細に揺動の空間構造を観測することが可能であることが判明した．

· 考察
今回行った再構成画像の比較および周方向スペクトルの比較により，観測視線を周方向に分配し観測領域における視線密度を向上させることでトモグラフィの空間分解能が向上することが判明した．
この結果は，ローカルトモグラフィを行うためにはこれまで用いてきた視線の反対側から反平行な
計測視線を導入するのではなく，反対側の視線と並行にならない観測視線を導入する必要があることを示唆している．

· その他成果
これまで発光量分布再構成には MLEM 法と呼ばれる反復法を用いてきた．アルゴリズムの性質上，
図 4: (a) これまで用いてきたトモ
この手法を用いてプラズマ発光分布の時系列デー
グラフィ計測で得られた r=4cm におタを生成するには長い計算時間が必要になる．そける周方向スペクトル (b) 新たに導こで，重み関数を用いたマトリックス法と呼ばれる入したトモグラフィ計測で得られた再構成手法を用いることで MLEM 法により生成しr=4cm における周方向スペクトルた再構成画像に近い画像を出力する方法を考案した．この内容をまとめた論文を Plasma and Fusion
Research に投稿し受理されている (成果報告 論文
2)．
また，新しいトモグラフィ計測器の導入して解像度比較実験を行った際に，直線プラズマの軸方向３箇所で同時にトモグラフィ計測を行い揺動の三次元空間構造計測も行った．揺動349

の三次元空間構造計測に関する結果についても論文投稿準備を進めている．

· 成果報告論文

1. K. Yamasaki, A. Fujisawa, and Y. Nagashima “A proposal of Fourier-Bessel expansion with optimized ensembles of bases to analyse two dimensional image”, Review
of Scientific Instruments 88, 093507 (2017),
doi: 10.1063/1.5000744 (査読あり)
2. Kotaro YAMASAKI, Akihide FUJISAWA, Yoshihiko NAGASHIMA, and Shigeru
INAGAKI, “Fast Algorithm for Tomographic Reconstruction for Plasma Emission”,
Plasma and Fusion Research, 12, 1201045 (2017),
doi: 10.1585/pfr.12.1201045 (査読あり)
発表

1. 山﨑 広太郎, 藤澤 彰英, 永島 芳彦, “トモグラフィによるプラズマ乱流の空間構の観
測-Fourier-Bessel 関数フィッティングを用いた画像解析-”, 画像研究会, 核融合科学研究所, 岐阜県土岐市, 2017 年 9 月 21-22 日, (口頭発表, 査読なし)
2. 山﨑 広太郎, 藤澤 彰英, 永島 芳彦, 佐々木 真, 稲垣 滋, 糟谷 直宏, 小菅 佑輔, 荒川 弘之, 山田 琢磨, 金 史良, 狹間田 一誠, 多和 航希, 元吉 喬望, 松尾 士, 上原 耀, “トモグ
ラフィを用いた磁化プラズマ乱流の三次元空間構造観測”, Plasma Conference 2017,21P-37, 姫路商工会議所, 兵庫県姫路市, 2017 年 11 月 20-24 日 (ポスター発表, 査読なし)
3. 山﨑 広太郎, 藤澤 彰英, 永島 芳彦, 佐々木 真 , 稲垣 滋, 糟谷 直宏, 小菅 佑輔, 荒川 弘之, 山田 琢磨, 金 史良, Zhang Boyu, 挾間田 一誠, 松尾 士, 上原 耀, 荒木 健, 丸井 一
生, 星野 智, “PANTA における構造非対称性と孤立波振動との相互作用の二次元観測”第 35 回プラズマ・核融合学会 年会, 3p-21, 大阪大学吹田キャンパス コンベンション
センター, 大阪府吹田市, 2018 年 12 月 3-6 日, (ポスター発表, 査読なし)
4. 山﨑 広太郎, 藤澤 彰英, 永島 芳彦, 佐々木 真 , 稲垣 滋, 糟谷 直宏, 小菅 佑輔, 荒川弘之, 山田 琢磨, 金 史良, Zhang Boyu, 挾間田 一誠, 松尾 士, 上原 耀, 荒木 健, 丸井
一生, 星野 智, “直線磁化プラズマにおける構造非対称性と孤立波振動の二次元観測”,
日本物理学会 第 74 回年次大会, 17aK310-6，九州大学 伊都キャンパス, 福岡県福岡市,
2019 年 3 月 14-17 日, (口頭発表, 査読なし)

350