北海道大学低温科学研究所
技術部技術報告第 24 号2018 年 12 月

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表紙の写真

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2018 年ロシア船マルタノフスキー号の観測中に見かけたザトウクジラ（ベーリング海）。
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2018 年度技術報告会開催に寄せて
本日、第 24 回低温科学研究所技術部技術報告会を開催する運びとなりました。日頃よりご支援を賜っております関係各位に、この場をお借りして厚く御礼申し上げます。
本報告会は、技術部の一年間の活動を所内外の皆様に知って頂く機会であるとともに、参加者間の情報交換の場をご提供することにより、新技術の活用や新たな研究展開へのきっかけを見出して頂く機会としても企画しているものです。どうか、実り多い報告会になります
よう、参加者の皆様の活発なご議論をお願い致します。
また、技術部職員にとりましては、この会は、自分たちが日頃行っている技術支援が具体的にどのような研究成果に結びつくのかを知り、利用者の皆さんの意図や要望をよく理解する大変良い機会になります。それにより、自ら新たな創意工夫や改善点を見出し、新たに習得すべき技術を探索し、柔軟な発想の元手となる新たな知識を求めるなど、自己研鑽に向かう強い動機づけを得ることができます。参加者の皆様には、是非この機会に、奇譚のないご意見やご要望をお聞かせ下さるようお願い申し上げます。
さて、最先端の研究を推進するには、最先端の技術による裏付けが必須であることは言を俟たないことと思います。既成品のない新たな実験装置の開発や、高度な研究設備の維持・管理はもとより、研究現場で直面する様々な技術的課題に対する迅速かつ柔軟なサポートを確実に行うことのできる、高度な技術と幅広い知識をもった技術者が必要です。その上で、研究者と技術者とが一体となって問題解決に取り組むことができる、融通性のある仕組みや雰囲気を堅持することが重要です。そうすることで、既存の枠にとらわれない独創的な発想が生まれ、先駆的な研究成果を迅速に発信する研究所本来の機能が最大限に発揮されることになります。
技術部職員一同は、こうした要請に応え、今後も高度なパフォーマンスを発揮し続けられるよう、教員・事務職員と協力して一丸となって努力して参る所存です。今後とも、低温研技術部に対する皆様のご支援とご鞭撻をよろしくお願い申し上げます。

2018 年 12 月 7 日
技術部長

渡辺 力

目次
1. ダイオードツリーの光吸収様式
隅田 明洋・森 章一・千貝 健・平田 康史・佐藤 陽亮・齋藤 史明・
加藤 由佳子・小野 数也・若土 もえ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2. 南極における大気−氷床−海洋相互作用観測の進展
青木 茂・小野 数也・森 章一・平野 大輔・深町 康・大島 慶一郎・
豊田 威信・杉山 慎 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3.「マイコンを使用した電子工作入門：ラズパイを使ってみた」のその後
千貝 健 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4. 2018 年ベーリング海日露共同観測における技術部の貢献
西岡 純・小野 数也・平田 康史・藤田 和之 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

5. 北西グリーンランド調査における堆積物コアサンプラーの利用
安藤 卓人・漢那 直也・杉山 慎・関 宰・平田 康史・佐藤 陽亮 . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6. 2018 年ロシア船観測〜船内 LAN について〜
小野 数也 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

7. ワイヤー放電加工機による精密加工
佐藤 陽亮 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

8. 全学教室系技術職員組織の一元化に伴う作業依頼の仕組みについて
高塚 徹・平田 康史 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

9. 南極ラングホブデ氷河での熱水掘削
杉山 慎・箕輪 昌紘・伊藤 優人・山根 志織 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

10. 多結晶氷薄膜上での表面融解
佐﨑 元・Chen Jialu・村田 憲一郎・長嶋 剣 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

11. キャメストの導入
藤田 和之 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

12. 海外の観測ロケットを用いた微小重力実験用ダスト再現装置の作製
木村 勇気・齋藤 史明・中坪 俊一・千貝 健・森 章一・
左近 樹・稲富 裕光 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

ダイオードツリーの光吸収様式
隅田 明洋 1、森 章一 2、千貝 健 3、平田 康史 2、佐藤 陽亮 2、
齋藤 史明 2、加藤 由佳子 3、小野 数也 3、若土 もえ 11. 生物環境部門寒冷域植物生理生態分野
2. 技術部装置開発室
3. 技術部先端技術支援室

はじめに
森林の葉群が吸収する光の量が葉群の鉛直方向の広がりによってどのような影響を受けるかを調べる目的で、小型フォトダイオード（小型ソーラーパネル）を葉に模して空間中に配置した人工の樹冠状構造物 “ダイオードツリー” を製作し、樹冠の光吸収量を実測しようとする研究を進めてきた（隅田ら、2016､ 2017）。本報では製作したダイオードツ
リー第 1 号器を用いた予備的実験の概要とその結果、および今後の課題について報告する。本研究は、科学研究費助成事業（挑戦的萌芽研究）「ダイオードツリーによる樹冠の太陽光受光量の再評価と応用への基盤確立（代表 隅田明洋）」（平成 28 年度～平成 30 年度）の助成を受け、低温科学研究所技術部スタッフの協力によって行っている。

実験の概要
ダイオードツリー（以下、“ツリー”）は、一辺 3 mm 程度の小型フォトダイオードを直径 20 cm の平面上に隙間を空けて 640 個配置し、これを 1 つの層として、複数の層を鉛直方向に等間隔に配置できる仕様とした（図 1）。直径 20 cm の平面の面積に対する、
フォトダイオードおよびその支持体を含む構造物による被覆面積の割合は、1 層あたり約36 ％だった。層と層との鉛直方向の間隔は調節可能である。このツリーを 1 m の高さの円筒に入れ、円筒上部から LED 光源で下向きに光を照射し、各層が受ける光強度に応じて生じた電流量を層ごとにパソコンに記録した（図 1）。この円筒の内部は、水平方向に均質であるような空間を模倣するため、内面を鏡面仕上げにしてある（図 2）。
現実の植物群落の葉群による光吸収様式（受光量の鉛直方向の減衰パターン）を近似す
る Beer-Lambert 則*1をツリーが成立させるかどうかを確かめるため、10 層を等間隔でツリーに取り付け、各層による発電量を入射光に対する相対的な光強度に換算して、各層の受光量を評価した。
また、層間の鉛直方向の間隔の違いによって光吸収様式が変わるかどうかを調べるた
め、5 つの層を使って、層間の間隔を 5 cm, 10 cm, 20 cm の 3 通りに設定し、それぞれに対して同様の実験を行った。層間の間隔が短くなるほど、下側の層へ届く光が上側の層の*1 植物群落の葉群中の任意の水平面上の相対的な明るさ I／ I0 と、その水平面より上側の葉の面積（本研究ではフォトダイオードとそれを支持する構造物の水平面への投影面積（＝被圧面積））の総和 F との間に I／ I0＝exp( −kF )という関係式が成立すること。k はこの関係式をグラフ上に描いた時の直線の傾きを表す定数。
1

構造物によって完全に遮られたり部分的に遮られたりしてできる影（本影、擬本影、半影などと呼ばれる）の影響が現れやすくなるので、下側の層の受光量が少なくなり、その結
果 Beer-Lambert 則を表すグラフの傾きが大きくなると予想される。

1m

光

Φ＝2 0 cm
図1

ダイオードツリーの模式図。

図2

内面を鏡面仕上げにした円筒内のダイ
オードツリー。

層間の間隔○：20ｃｍ◇：10ｃｍ□： 5 ｃｍ

図3

図4

ある層より上側のダイオード等の投層の鉛直方向の間隔を変えた場合。

影面積の総和（積算被圧物面積）と３つの設定による直線は統計的に各層の受光量の相対値との関係。点差がない。

線は Beer-Lambert 則を表す直線。

2

結果と今後の課題
10 層を使った実験から、下側の数層を除けば、ツリーの光吸収様式が Beer-Lambert
則をほぼ満足させることがわかった。特に、最上層から 5 層目までは、Beer-Lambert 則がうまく成立していた（図 3）。この結果は、現実の植物群落で観察される葉群の光吸収様式をツリーが適切に再現したことを示す。
層間の鉛直方向の間隔の違いの影響を調べる比較実験においては、予想に反して、間隔にかかわらず 3 つの設定の Beer-Lambert 則の式は一致した（図 4）。この結果が得られた理由として次の 3 つが考えられる。第一に、ツリーおよび円筒内側の表面の光反射率が高いため、光源からこれらに当たった光が何度も反射を繰り返したことにより、本影、半影などができにくいほぼ完全な散乱光状態を作り出していたと考えられる。本実験のシステムは Beer-Lambert 則を再現するという目的に対しては理想的なシステムであったが、鉛直方向の間隔の違いの影響を調べるためにはシステムの改良が必要である。今後
は、筒内部およびダイオードの下面を、光が反射しにくい黒色の塗料で塗るなどにより、光の乱反射状態が起きにくいシステムを用いて実験を行う予定である。
第二に、製作したシステムの設計上の理由から、層間の鉛直方向の距離を 5 cm より短
くできなかったため、本影や半影などが出来にくくなったことが考えられる。システムを改良するなどにより、層間の距離を 1 cm 程度まで短くできるようなシステムに改良して実験を行う予定である。
第三に、光源の問題が考えられる。本報告の実験では、点光源に近い LED を円筒の天
井面 3 カ所から照射するシステムであったため、１つの光源による１個のフォトダイオー
ドの下の影が別の光源からの光で照らされる結果、下の層に本影や半影などが出来にく
くなったことが考えられる。このため、今後は光源からの放射が広がらないような工夫を光源に施す予定である。

参考文献
隅田 明洋、森 章一、千貝 健、佐藤 陽亮、齋藤 史明、中坪 俊一「樹木葉群の光吸収様式を推定するダイオードツリー製作の概要」北海道大学低温科学研究所技術部技術報告、22、2016 年 12 月。
隅田 明洋、森 章一、千貝 健、小野 数也、加藤 由佳子、佐藤 陽亮、齋藤 史明「ダイオードツ
リー製作における問題と対応」北海道大学低温科学研究所技術部技術報告、23、2017 年
12 月。

3

南極における大気－氷床－海洋相互作用観測の進展
青木 茂 1, 2、小野 数也 3、森 章一 4、平野 大輔 5、深町 康 5、
大島 慶一郎 1, 5、豊田 威信 2、杉山 慎 1, 6
1. 共同研究推進部
2. 水物質循環部門大気海洋相互作用分野
3. 技術部先端技術支援室
4. 技術部装置開発室
5. 水物質循環部門海洋・海氷動態分野
6. 雪氷新領域部門氷河・氷床分野

はじめに低温研が 2015 年より共同研究推進部のプログラムとして掲げる「南極気候システム」（Antarctic Cryosphere – Ocean System: ACROS）と国立極地研究所が中心となって立ち上げたプロジェクトは、日本南極地域観測第 9 期 6 か年計画（2016 年度から 2021 年度）の重点観測研究として推進されている。このプロジェクトは重点観測研究の 3 つのサブテーマのうちの１つを担うものである。プロジェクトの目的とする南極域での大気－
海洋－海氷－氷河・氷床の相互作用を理解する手段として、極地・極域海洋での先端的な
無人自動観測装置の導入推進を目指し、この一環として様々な観測機材の開発と活用に取り組んでいる。大規模な観測機材を実際に南極の現場で運用するためには、単に機材の開発に止まらず、設置方法の確立やその訓練・習熟など、成功までには超えなければならないハードルが数多く存在する。また、大規模装置の導入と平行して、多様な物理パラ
メーターを多点で取得できるような、機動的な観測機材の開発も重要である。
2018 年度はこのプロジェクトの 3 年目として、第 60 次日本南極地域観測（JARE 60）
で昭和基地近傍リュツォ・ホルム湾における定着海氷の観測を中心として実施する予定である。海氷観測に関する幾つかの機器・装置の準備に取り組んだが、特に氷温プロファイラの製作に尽力した。また、これまでの観測の成果も順調に得られつつあるが、JARE 58 で設置した「浮沈式ブイプラットフォーム」については、取得したデータをJARE 59 で回収することに成功した。

浮沈式ブイプラットフォーム
本プロジェクトでは、海洋における水温や塩分の鉛直構造を測定し、衛星通信経由でデータ転送を行う観測の実現を目指している。低温研では、（株）IHI との共同で、係留式の自動浮沈式観測ブイの実用化に携わってきた（青木ら 2015）。本体ブイは、機体の浮力を調節することにより上下し、固定点での鉛直プロファイルを取得する。海氷が存在す
る場合は浮上を停止し、海氷のない場合に海面まで浮上し衛星経由でデータを伝送する仕組みとしている。

4

このブイを JARE 58 での投入に向けて、設置訓練用のプラットフォームを製作し、国内訓練航海において「しらせ」による投入訓練を行った。これにより「しらせ」の高い舷高からの設置手順を確認、これに習熟したうえで、2 月末に南極ケープダンレー沖にブイ本体を設置した（図 1）。
JARE 58 観測期間中には、期待していた衛星通信はなかったものの、JARE 59 においてプラットフォーム本体を回収することに成功した。本体に残されたデータから、11 月中旬までの 8 ヶ月強について、ほぼ期待通りのデータを取得したことが確認できた ＊（図 2）。一方で、鉛直プロファイルについては、必ずしも毎回海面下 20 m 程度（海氷被覆時の上昇上限）まで取得できているわけではなかった。今後この原因の究明が必要である。
海氷生成の開始から最盛期のデータは取得できたため、計画としては概ね成功したとはいえるものの、今後の運用するうえでは、極域におけるオペレーションの制約を考えると、あと 2 – 3 ヶ月のバッテリー寿命が望まれるところであった。「しらせ」で実施した初めてのオペレーションとしてはこのブイの運用は十分な成果をあげたものと考えるが、これを連続的に運用するためには、バッテリーの不足や係留系設置の複雑さなど、幾つかの課題も明らかになった。今後の運用に向けて、改善の努力をしていく予定である。

図１

JARE 58 での IHI ブイの投入風景。

＊ 11 月末に観測終了したのはバッテリーの枯渇が原因であった。
5

図2

IHI ブイによって得られた観測期間中の塩分の鉛直プロファイルとその時間的な経緯。

図3

JARE 59 用の氷温プロファイラ。ケーブルの中に温度センサーを埋め込んでいる。蓋の裏には GPS 受信用アンテナを備える。

図4

JARE 59 で得られた各深度での氷温の時間変化。
6

図5

JARE 60 用の氷温プロファイラ。8 ｍ 用と 3 ｍ 用を用意した。

氷温プロファイラ
定着氷の発達を知るためには、海氷内部構造の理解が必要である。氷厚および氷内部の時間変化を把握する目的で、氷温プロファイラを製作し、JARE 59 において観測を実施した。JARE 59 用に製作したプロファイラは、温度センサーを 10 cm 間隔で配置し、深度 2 m までの計測が可能だった（図 3）。耐寒ボックスの蓋下面に GPS センサーを配置し、測定した位置と同時にボックス内のロガーにデータを蓄積する。乾電池 4 本で、1 年以上の継続的なデータが取得可能であるが、JARE 59 ではオペレーション上の都合で、
7 m 程度の厚さの氷に設置し約１日間使用した（図 4）。設置後から結氷がはじまり、10 時間程度後には周囲の氷温になじんでいることが分かる。短期間ではあるものの、センサー、
データロガーともに正常に動作したことが確認できた。
今回は、基本的に同じデザインであるが、より氷厚の厚い部分での運用を目指し、3 mと 8 m のケーブル長をもつ 2 本のシステムを用意した（図 5）。3 m ケーブルについては
10 cm （0 – 150 cm）と 25 cm （150 – 300 cm）で、センサーは 22 個、8 m ケーブルについても 10 cm （0 – 400 cm）と 25 cm （400 – 800 cm）で 50 個装着した。JARE 60 ではこれをリュツォ・ホルム湾南方の厚い多年氷域で 1 年間運用することを目指している。その観測運用の結果を踏まえつつ、将来的にはさらに多面的な海氷観測に応用していきたいと考えている。
7

おわりにJARE 59 では、自動観測装置の一環として「しらせ」からの運用を想定した大水深用の水中無人探査機（ROV）を導入した。定着氷域における観測を実施し、大量のオキアミが海底付近に群生している状況の撮影に成功した。群生している状況は過去に報告はされているものの、実際の撮像記録はなく、世界初の貴重な成果が得られた。このような成果は、従来型の観測機材を用いて着実に得られている成果に対しても、新たな意味を与え得るものと期待している。
来年度となる JARE 61 には、このプロジェクトのハイライトであるトッテン氷河近傍域での現場観測展開を予定している。この観測の実現のためには、技術部による機器開発と観測実施が不可欠である。これらの取り組みが、日本の南極観測による大きな成果につながるものと確信している。
参考文献
青木 茂、小野 数也、深町 康、大島 慶一郎 「オホーツク海知床沖における氷海モニタリングシ
ステムの開発試験」 北海道大学低温科学研究所技術部技術報告、2 0、5 – 9、2015.

8

「マイコンを使用した電子工作入門：ラズパイを使ってみた」
のその後
千貝 健
技術部先端技術支援室

はじめに
Raspberry PI（ 以 下 、ラ ズ パ イ と 言 う ）と は 、ARM プ ロ セ ッ サ を 搭 載 し た シ ン グ ル ボ ー ド
コ ン ピ ュ ー タ で あ り 、英 国 で 教 育 向 け の 安 価 な コ ン ピ ュ ー タ と し て 開 発 さ れ た 。い ろ い ろ な
種類があり、3,000−6,000 円以内で購入可能である。USB や有線 LAN、HDMI などのインターフェースを搭載（最近のものは無線 LAN も内蔵）していて、パソコンとして使用できるほか、
基 板 上 に あ る 汎 用 入 出 力 端 子 に 電 子 回 路 を つ な い で コ ン ト ロ ー ル す る こ と が で き る 。電 子 工
作 や 自 作 サ ー バ 構 築 と 言 っ た 分 野 で 人 気 と な っ て い る よ う な の で 我 々 も 手 を 出 し て み た 、というのが 3 年前 [1] 。その時テスト用に作った温度計を長期動作させた結果を報告する。

測定結果
ラ ズ パ イ を 使 っ た 温 度 計 の 全 体 像 は 図 1 の よ う に な っ て い る 。ラ ズ パ イ か ら テ ス ト 基 板 を経 て 温 度 セ ン サ ー が つ な が っ て い る 。温 度 セ ン サ ー は 、床 付 近 、天 井 付 近 、そ の 中 間 に 設 置
さ れ て い る 。天 井 付 近 の 温 度 セ ン サ ー の そ ば に 、エ ア コ ン 吹 き 出 し 口 が あ る 。レ イ ア ウ ト は
温度測定開始時から変更していない。
約 4 年 間 の 温 度 測 定 結 果 を 図 2 に 示 し た 。ま た 、測 定 数 を 表 1 に 示 し た 。毎 年 9 月 に 欠 測
が あ る の は 、全 学 停 電 が あ り そ の 間 停 止 し て い る た め で あ る 。2018 年 8 月の 欠 測 は 機 器 故 障の た め で あ り 、後 述 す る 。2018 年 9 月 の 欠 測 は 地 震 に よ る 停 電 と 節 電 要 請 の た め の 機 器 停 止に よ る も の で あ る 。こ れ ら を 除 く と 、そ こ そ こ 順 調 に 動 い て い る と 言 っ て よ い だ ろ う 。温 度
測 定 は ア ッ プ デ ー ト・ア ッ プ グ レ ー ド 実 行 中 に も 続 け ら れ る が 、イ ン ス ト ー ル さ れ る ソ フ トの 種 類 や 再 起 動 の タ イ ミ ン グ で 測 定 プ ロ グ ラ ム を 動 か す こ と が で き な い 時 間 が で き 、ど う しても欠測が出てしまう。

通常メンテナンス
長 期 動 作 中 に 行 な っ た こ と は 、停 電 対 応・故 障 対 応 以 外 に は OS・ソ フ ト ウ ェ ア の ア ッ プ
デートとデータのバックアップだけである。
ラ ズ パ イ は 小 型 の パ ソ コ ン な の で 、攻 撃 か ら 守 る た め に OS や ソ フ ト ウ ェ ア を 適 宜 ア ッ プ
デ ー ト す る 必 要 が あ る（ 特 に 、イ ン タ ー ネ ッ ト に 直 接 接 続 し て い る 場 合 に は 常 に 最 新 の 状 態が 望 ま し い ）。数 ヶ 月 に 一 度 ほ ど 、気 が 向 い た 時 に ア ッ プ デ ー ト を 行 な っ た 。OS の バ ー ジ ョンアップ（アップグレード）は、新しいバージョンが出てからしばらく経過し、方法が公式非
公 式 含 む ネ ッ ト 上 の い た る 所 で 掲 載・紹 介 さ れ 、不 具 合 な ど が 出 尽 く し た だ ろ う タ イ ミ ン グ
9図 1 温度測定装置の全体像。

表 1 測定数。
年月

測定数

年月

3212 / 4464

2015/
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

2014/

*12

測定数

年月

4463 / 4464
4031 / 4032
4449 / 4464
4320 / 4320
4464 / 4464
4320 / 4320
4464 / 4464
4464 / 4464
4264 / 4320
4464 / 4464
4320 / 4320
4464 / 4464

2016/
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

測定数

年月

4464 / 4464
4176 / 4176
4464 / 4464
4320 / 4320
4464 / 4464
4320 / 4320
4464 / 4464
4464 / 4464
4083 / 4320
4464 / 4464
4320 / 4320
4464 / 4464

2017/
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

測定数

4462 / 4464
4002 / 4032
4464 / 4464
4320 / 4320
4464 / 4464
4320 / 4320
4464 / 4464
4461 / 4464
3940 / 4320
4464 / 4464
4320 / 4320
4464 / 4464

年月

測定数

2018/
1
2
3
4
5
6
7
8
9
**10

4464 / 4464
4032 / 4032
4463 / 4464
4320 / 4320
4464 / 4464
4320 / 4320
4464 / 4464
2784 / 4464
1553 / 4320
2068 / 4464

測定数は、（温度測定が成功した回数）/（その月に測定が失敗しなかった場合の数）で示した。
* 途中から** 途中までで行うこととした。また、ラズパイで使用した OS（Raspbian）のベースとなった OS（Debian）
は 、新 し い バ ー ジ ョ ン が 出 て か ら 約 1 年 で 通 常 サ ポ ー ト が な く な る た め 、そ の 前 に 実 行 す ることとした。2016/2/2 に 7（wheezy）から 8（jseeie、2015/4 リリース）に、2017/8/10 に 8（jessie）
から 9（stretch、2017/6 リリース）にアップグレードした（アップグレード方法は割愛）。前回
書 い た「1-wire 機 能 の 有 効 化 方 法 の 変 更 」[1] の よ う な 大 き な 変 更 は な く 、特 に 難 し い こ と はなくアップデート・アップグレードができた。
測 定 デ ー タ の バ ッ ク ア ッ プ を 年 数 回 行 な っ た 。2018/10 現 在 、全 測 定 デ ー タ は 4 年 弱 で7 MB 程 度 で あ る 。こ の サ イ ズ だ と ネ ッ ト ワ ー ク 越 し に コ ピ ー が 一 瞬 で 終 わ る 。本 ラ ズ パ イ
で 採 用 し た 16 GB の マ イ ク ロ SD カ ー ド が 測 定 デ ー タ で 容 量 オ ー バ ー に な る こ と は な い だ
ろう。

故障対応
• 無線 LAN アダプタ
前 回「 一 度 無 線 LAN ア ダ プ タ を 故 障 の た め に 交 換 し た 」と 書 い た [1] が 、そ の 後 も う 一 度
故 障 交 換 し た 。そ れ 以 外 に 、数 ヶ 月 に 一 回 く ら い の 頻 度 で 通 信 で き な く な る こ と が あ っ た 。
た だ し 、無 線 LAN が 一 時 的 に 使 え な く な っ て も 、ラ ズ パ イ が フ リ ー ズ す る わ け で は な く 温10図 2 約 4 年間の測定結果：室内三箇所の温度変化を 10 分毎に測定。

度 測 定 プ ロ グ ラ ム は 停 止 し な い た め 、温 度 測 定 は 続 け ら れ て い た 。通 信 で き な く な る 場 合 は
ア ダ プ タ が 高 温 に な っ て い る の で 、熱 暴 走 し て い る と 思 わ れ る 。再 起 動 す れ ば 使 え る の で 、ping を 用 い て ネ ッ ト ワ ー ク に 接 続 で き な い 場 合 に 再 起 動 す る ス ク リ プ ト を 作 成 し 、cron で
定 期 的 に 実 行 す る よ う に し た と こ ろ 改 善 し た 。こ れ で も 復 帰 し な い こ と が ま れ に あ っ た が 、
11

そ の 場 合 は ラ ズ パ イ の 電 源 を 切 り 、少 し 時 間 を お い て か ら 電 源 を オ ン に す る と 復 帰 し た 。前
回無線 LAN 子機をスリープしないようにした [1] が、これが問題の可能性がある。OS のバー
ジョンが変わっていることだし、要再検討だろう。

• マイクロ SD カード
2018 年 8 月 、マ イ ク ロ SD カ ー ド が 壊 れ 、読 み 込 み は で き る が 、新 た に 書 き 込 み が で き な
く な っ た 。ラ ズ パ イ 温 度 計 製 作 時 に 、ラ ズ パ イ か ら マ イ ク ロ SD カ ー ド を 取 り 出 し 、い つ も使っている Linux マシンで dd コマンドを用いたバックアップ＆リストアにより、別のマイクロ SD カ ー ド で ラ ズ パ イ が 正 常 に 動 作 す る こ と を 確 認 し て い た 。し か し そ の 時 に 使 っ た マ イ
ク ロ SD カ ー ド は 別 の 用 途 で 使 っ て し ま っ た 。壊 れ た マ イ ク ロ SD カ ー ド は 読 み 込 み が で きる の で 上 記 同 様 に バ ッ ク ア ッ プ し 、た ま た ま 持 っ て い た 新 品 未 使 用 の マ イ ク ロ SD カ ー ド に
書 き 込 ん だ 。し か し 、ラ ズ パ イ が 起 動 し な い 。壊 れ た SD カ ー ド か ら の バ ッ ク ア ッ プ が 駄 目
だ っ た の か と 思 い 、上 記 の 動 作 実 績 の あ る バ ッ ク ア ッ プ フ ァ イ ル を 使 用 し て も 駄 目 。同 じ マ
イ ク ロ SD カ ー ド を 4 枚 持 っ て い た が 全 て 駄 目 。や り 方 が 悪 か っ た の か と 別 の 方 法 を 試 し た
り・・・と、一週間くらいあれやこれやと悩んだ後、ふとマイクロ SD カードが悪いのではと思 い た ち 、容 量 偽 装 SD カ ー ド を 調 べ る ソ フ ト（h2testw や check flash）を 使 っ た と こ ろ 、チ ェ ッ ク が 16 GB 中 4 GB 弱 し か 通 ら な い（PC に 入 れ る と 16 GB と 認 識 さ れ る が 、実 際 に は4 GB し か 使 え な い ）。新 た に 入 手 し た マ イ ク ロ SD カ ー ド で 、と り あ え ず 2018 年 10 月 中 旬（本稿作成時）までは問題なく動いている。

おわりに
通信トラブルの際に再起動するように設定し、10 分毎に 3 台の温度センサーで温度を測定し フ ァ イ ル に 保 存 す る 、保 存 し た フ ァ イ ル を 別 の PC か ら 定 期 的 に 読 み 込 む 、と い う 動 作 を
約 4 年 間 連 続 動 作 さ せ た 。無 線 LAN ア ダ プ タ 、SD カ ー ド 周 り の ト ラ ブ ル が あ っ た が 、お お
む ね う ま く 動 い て い る 。連 続 稼 働 と い う 観 点 か ら 、ラ ズ パ イ が 測 器 ＋ デ ー タ ロ ガ ー と し て 実
用 可 能 で あ る と い え る だ ろ う 。今 回 は 手 間 取 っ た が 、同 じ 機 能 を 持 つ ラ ズ パ イ を 大 量 に 作 成（ コ ピ ー ）す る こ と も 簡 単・安 価 な た め 、故 障 か ら の 復 帰 も 速 い だ ろ う 。安 価 で コ ン パ ク ト 、
電 子 回 路 に も 応 用 で き る PC と い う こ と で 、ラ ズ パ イ は 使 用 者 次 第 で 無 限 の 可 能 性 を 秘 め て
い る 。電 子 回 路 と Linux を 触 っ た こ と が あ れ ば 、す ぐ に 使 い こ な せ る だ ろ う 。興 味 あ る 人 はぜひ使ってみてほしい。
ラ ズ パ イ を 使 っ た 温 度 計 は 、平 成 27 年 度 低 温 科 学 研 究 所 技 術 部 技 術 奨 励 費 に よ り 製 作 されたものである。

参考文献[1] 千 貝 健, 森 章 一, マ イ コ ン を 使 用 し た 電 子 工 作 入 門：ラ ズ パ イ を 使 っ て み た, 北 海 道 大 学
低温科学研究所技術部技術報告, 21, 50–55, 201512

2018 年ベーリング海日露共同観測における技術部の貢献
西岡 純 1, 2、小野 数也 3、平田 康史 4、藤田 和之 4
1. ŚJi{YMƢŉŪŵUyV{2. £ÃŪŵĒƸƺ
3. ČƖƺ ŷČƖĖĔç
4. ČƖƺƙƉǃŢç

北太平洋を理解するための日露共同観測の必要性ơŏÑCÅ8# ƛƺ´ß÷ŀéôÑ .ĺŜƭŋƫè+ń)'ũ=@'? 5#
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ロシアとの国際共同観測の実施
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おわりに（謝辞）
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17

北西グリーンランド調査における堆積物コアサンプラーの利用
安藤 卓人 1、漢那 直也 1、杉山 慎 1, 2 、関 宰 3、平田 康史 4、佐藤 陽亮 4
1.
2.
3.
4.

北極域研究センター
雪氷新領域部門氷河・氷床分野
水・物質循環部門大気環境分野
技術部装置開発室

はじめに
地球上の様々な海域や湖沼において、堆積物の柱状サンプル（コア試料）がこれまでに採取されてきた。鉛直的に採取されたコア試料の大部分は、過去に降り積もった堆積物であり、過去の気候や環境（古気候・古環境）を理解するために広く利用されている。堆積物コア試料のような過去の記録を保持している試料は、「古気候アーカイブ」ともよばれ、低温科学研究所が誇るアイスコア試料も該当する。古気候アーカイブを用いることで、気候変動のメカニズムを理解することができるが、それに呼応した生態系や氷河・氷床の変化を読み解くことで、はじめて今後の環境変化に対する理解ができる。しかし、そのためには、気候変動に起因した様々な変化が古気候アーカイブにどのように記録されているかをまず理解する必要がある。そこで注目されているのが、人為的な影響が顕著に現れ、気候変動のメカニズムの大部分が解明されている過去数十年間（人新世：Anthropocene）の記録をもつ古気候アーカイブである。特に沿岸堆積物コア試料は、堆積する速度が速い
ためにより細かな変動を追跡でき、人為改変の影響を強くうけるため、人新世の研究に有効である。沿岸堆積物を様々な地域で採取するためには、簡易的なコアサンプラーの開発が必要であるが、水深が 100 m を超えるような場合には、どうしても大掛かりな設備が必要になる。今回の場合も、グリーンランド北西部において堆積物コア試料を採取する上で、水面下 200 m ほどでも採取が可能な簡易的なコアサンプラーが必要であった。本発
表では、グリーンランド調査のために改良・開発を依頼した簡易堆積物コアラサンプラーの使用状況と今後の課題について報告する。グリーンランド調査は、北極域研究推進（ArCS）プロジェクトの一環として実施した。

製作作業
KC Denmark 社製のユニバーサルパーカッションコアラー（Universal Percussion
Corer）について、接合部の修繕、接続するコアバレルの新規購入と改良、フタの製作を行なった。接合部については、既存のステンレスバンドが腐食していたため、新たに購入した。コアバレルは、コアラーに付属している正規品（外径 71 mm、内径 68 mm、長さ1,200 mm）の本数が少なく、新たに 5 本の製作を行なった。しかし、サイズと材質が同じパイプが国内では市販されておらず、代わりに類似した材質のパイプ（アクリル製：外径 70 mm、内径 66 mm、長さ 1,000 mm）を用い、先端、末端部をエッジ状に成型加工18した。フタについては、新たに購入したアクリルパイプに合うようにテフロン棒から製作した。

使用状況と今後の課題
グリーンランドの調査の前に、えりも町豊似湖（水深 15 m）と弟子屈町屈斜路湖（水深100 m）にて試験的な調査を行なった。豊似湖では手動上げ下ろしで 20 cm 程度、屈斜路
湖ではウィンチによる上げ下ろしで 40 cm を超える堆積物が採取できた。採取した試料については、豊似湖試料に関しては理学院の沢田健准教授、屈斜路湖試料は京都大学の山﨑新太郎准教授が今後分析に使用する予定である。この時点での懸念事項は、サンプラー上部に設置するおもりの重量や水圧にアクリルパイプが耐え得るかどうかであった。
北西グリーンランド Bowdoin フィヨルドにおける調査は、海洋底表層試料を採取し、コアサンプリングをする前に底泥の観察を行なった。特に氷河性の堆積物には、氷山によって運ばれる粒径の大きい礫が含まれることがあり、礫によるアクリルパイプの破損を防ぐために、コアラーを下ろす前に確認をする必要があった。結果的に、ウィンチによる上げ下ろしで 2 地点において、73 cm（水深 198 m）と 38 cm（水深 176 m）のコア試料が採取できた（図）。これらの試料については、現地で 1 cm ごとにスライスして持ち帰り、現在分析を進めている。
採取の際には、事前に想定していたような破損もなく、接合部が外れるといったような問題もなかった。しかし、コア切断時にパイプを密封するためのフタがなかなか開かなかった。フタに関しては機密性よりも堆積物密閉後の引圧を考慮した上で、今後は余裕を持った径でフタを製作した方が良いであろう。また、下部のフタを押し出すために、ハンマーを使用した結果、アクリルパイプにあたりひび割れが生じた。衝撃に弱いことを実感するとともに、コアラーを下ろす前には掘削場所の選定が必要だと再認識した。

図

堆積物コアサンプラーの全体像（左）とグリーンランドで採取された堆積物（右）。
192018 年ロシア船観測〜船内 LAN について〜
小野 数也
技術部先端技術支援室

はじめに
低温科学研究所技術部は、2006 年からオホーツク海の船舶観測のサポートを、乗船を含めて行ってきた（西岡ら 2007 など)。今回、ロシア船マルタノフスキー号を使い、千島海峡・ベーリング海・アナディール湾での観測を行った（西岡ら 2018)。本稿では構築した船内サーバやネットワークを中心のサポート内容を紹介する。
ロシア船は、現在では当たり前のようにある船内ネットワークが全く整備されていない。そのため、全て一から構築・配線しなくてはならない。本観測では、過去のロシア船観測のために導入した NTP サーバ（小野ら 2009）、ネットワークカメラ（小野と藤田
2010、小野 2011）、衛星通信を利用したメール送受信システム（小野 2011）に加え、2015 年白鳳丸航海で導入した表層モニタリングシステム（小野 2015）などをそれぞれアップデートし、船内ネットワーク上に設置した。

アップデートしたサーバ類
今回導入したサーバ類の配置・配線を図 1 に示す。様々なサーバ類を導入したが、主に以下のようなサーバを新規導入・更新した（図 2）。なお、これら全てのサーバ設置・
配線、さらに回収は乗船者に協力していただいた。
NTP サーバ：2014 年に行ったマルタノフスキー航海（以後 Mu14、西岡と小野 2014）と同じ機種を利用した。Mu14 では ntpd と com ポートに直接アクセスした GPS
ログの取得のため、com ポートを 2 つ占有していたが、今回は com ポート 1 つで構築できるよう、gpsd デーモンを導入した。
無線ルータ：Mu14 では居室全体にまんべんなく電波が届くようにルータを設置した（図 3 左：1 階の無線ブリッジ）が、それでも 3 階居室まで電波が届きにくく、最終的には有線 LAN を這わせた。3 階には研究者の部屋が 2 部屋あったため、一人しか繋がらなかった。この問題を解消するため、3 階廊下に新たに無線中継機を設置し、ネットワークの不通を解消させた（図 3 右）。何度かネットワークが不通になったが、ユーザからの連絡がすぐにありネットワークケーブル・電源ケーブルの抜けをすぐに発見できた。
インターネットカメラ：船上観測（特に大きな船舶）では、船内操作部屋と屋外とのコ
ミュニケーションをトランシーバで行うが、観測の状況を視覚的にとらえることで、船内に居る人間はオペレーションが非常にしやすくなる。インターネットカメラは
LAN を使って、ブラウザからリアルタイムで監視できる非常に有用なツールであ20

る。Mu14 と同様に、重要な 3 カ所を操作部屋から見られるようにした。さらに屋外への接続には外部電源を必要としない PoE（Power over Ethernet）を利用した。
スクリーンショットを図 2 に示す。ネットワークの遅延を防ぐため、カメラ画像が見られるのは、操作部屋の PC と観測責任者の PC のみアクセス可能とした。

図1

Mu18 でのネットワーク構成。太枠で囲んだサーバ類は新たに導入したもの。
21

図2

操作部屋のサーバ類。左奥：トラック表示 PC。右奥：ウェブカメラ表示 PC。左手
前：メール・FTP・Webサーバ。なお奥のノート PC の下には NTP サーバ （モニタは右側 ） とモニタ表示リングサーバを設置した。

図3

左：無線ブリッジ （1 階 ） と右：無線中継機 （3 階 ） の設置の様子。

メールサーバ：Mu14 と同様のイリジウム衛星通信を利用したメールシステムを導入した。今回からセキュリティを強化するため、船上から低温研にある陸上サーバへのアクセスは、SSH を介するようにした。外部から陸上サーバへ SMTP と SSH のポートはアクセスできるよう、北海道大学情報基盤センターへインバウンド通信制限解除申請し*1、アクセスできるようにした。衛星通信の特性上、アクセス範囲を設定できなかったため、陸上サーバとの通信を鍵認証のみとし、特定のマシン以外＊1

http://www.iic.hokudai.ac.jp/pdf/pamphlet2017_j.pdf
22

からのアクセスを遮断し、セキュリティを強化した。基本は 1 時間おきのメール送
受信、ファイルサイズの上限を 200 kB としたが、必要に応じてメールの送受信間
隔を 10 分などに変更させながら、陸との通信を確保させた。しかし残念ながら、いくつか通信に関わる以下のようなトラブルが発生した。
・衛星通信の不通
Mu14 では全部の期間を通じて 1、2 度しか起きなかったルータのハングアップが 1 日 1 回程度起きた（特に昼間）。放置して数時間後、勝手に復旧することもあったが、しないときもあった。そこで、メールの送受信ができなかった時には自分にメールで知らせるようにし、手動で送受信し、できなかった場合はルータを再起動させた。
・返信メールの To: のホスト名が変更されて返ってくる
陸上メールのホスト名は okhotsk?? という名前で、別名を iridium に設定した。
船上のアドレスは全て user@iridium で作成したが、ある複数ユーザからの返信
が user@okhotsk?? 宛になっていた。相手側の SMTP サーバによるものとわかったが、メールの配送は user@iridium 宛に届いたものだけを船上へ送っていたた
め、ユーザに配送されなかった。さらに悪いことに user@okhotsk?? 宛に届いたメールは drop する設定になっており、２日程度気づかず、対応が遅れた。確認できただけで、宛先が差し代わる SMTP サーバは数カ所あり、当然ながらそれら通信相手のメールサーバの設定は変更できない。そこで、ホスト名のメールア
ドレス user@okhotsk?? 宛でも船上へメールを配送するように設定を変更した。
その結果、全てのメールが届くようになったが、ユーザは連絡する相手からの自分への宛先が user@okhotsk?? と自分の設定したメールアドレスと違うため、多少混乱はあったが、該当ユーザにわかるように説明した。
・特定ユーザにメールが送信されない観測も終盤に差しかかろうとした頃、ある船上ユーザからのメールが一切届かないと陸から連絡がきた。そこで該当ユーザの設定を確認したところ、From がuser@iridium ではなく、user@iriduim となっていた。それが原因で、相手サーバがスパムメール扱いと判断され、スパムフォルダにすら入っていなかったのかもしれない。該当ユーザの From を修正後、メールが届くことを確認した。
・地震の影響でアクセス不能
2018 年 9 月 6 日に起きた北海道胆振東部地震の影響で起こった北海道全域の停電や、北海道大学のネットワークメンテナンスによる不通があった。陸側のサーバは研究所にあるため、アクセスができなくなった。他に連絡手段を確保しておくべきだったのかもしれない。

23

衛星通信を使ったメールはトラブルが多いため、現状では、このシステムの運用・管理には、ある程度の専門知識を持ったサーバ管理者等の乗船は欠かせないと改めて感じた。
モニタリング表示サーバ：航行しながら海水を組み上げ、リアルタイムで水温・塩分・
クロロフィル濃度を計測する装置を利用し、web を通じて、地図上に値を自動的にプロットするサーバ（小野 2015）を導入した。このサーバを導入することにより、現在の表面海水の状況や全体像がリアルタイムで把握することができる上、モニタリング装置自体が正常に計測できているかのチェックも部屋から確認できた（図 4）。
この装置は独立した GPS アンテナを使用していたが、接触が悪くなり使えなくなったため、40 m の RS – 232C ケーブルを作成して、操作部屋（2 階）から観測室（1 階）まで屋外を這わせて接続した（図 1）。また 、内部スクリプトに、西経が表示されないバグがあったため、すぐに表示できるよう修正した。

図4

図5

モニタリング表示サーバで描いたクロロフィル濃度。

Mu18 での現在位置・船速を示した例。西経の航跡も表示できている。

24

現在の位置を示す PC：Mu14 では、フリーソフト「GPS – NMEA データモニタ」を導入し、現在の位置や船速を表示させるソフトを利用したが、knot 表示ができないなど、不便が多く使いづらかった。今回「カシミール 3D」を導入し地図上に現在位置をプロットさせるようにした。登山用によく使われるソフトだが、GPS のNMEA データをリアルタイムで読み込むことができ、自分で作ったビットマップの地図を重ねることができるため採用した。非常に使い勝手は良く、GMT（Generic
Mapping Tools）で作図した海底地形図を重ね合わせて、way point を観測点として設定し・トラック表示ができた（図 5）。また、Windows 標準の拡大鏡を使い、文字部分を拡大表示させ、ユーザが見やすくした。なお、現在位置・船速を誰でも船内のあらゆるところで確認できるようにするため（無線 LAN の届く範囲で）、このスクリーン画面を 5 分ごとに web サーバアップロードするように設定した。マイル表示の定規があり、次の観測点にいつ到着するかの目安を立てやすかった。しかし、ソフトの標準では使えない点が 1 つあった。本航海は東経 180°をまたぐ観測だったが、図 5 を例にすると、標準だと東経 180°より東のトラックが表示されない。そこで現在位置が西経（マイナスで表示）になった時、NMEA データを 360°を足して東経で表示、地図上にプロットさせた。
ネットワークプリンタ：Mu14 では、ほとんどのユーザが初期設定できず、使えないユー
ザが多く、直接 USB メモリを挿して直接印刷するユーザもいた。Mu18 では乗船
前にプリンタの情報を送り各自ドライバーをインストールしてもらった。大きな混乱もなく、プリントアウトできていたようだ。

おわりに自前で作る船上のネットワーク構成としては、ほとんどやりつくした感がある。同時に、全体として非常に大きなネットワーク、かつ多くのサーバ類（図1）で構成されてしまったため、運用自体がますます厳しい状態になってきた。実際、船内で何度か停電が起こり、全ての管理サーバがダウンするなどのトラブルも発生した。観測することを最優先にしているため、なかなかトラブルシューティングの両立が厳しい時もあった。運用・管理・監視は必要最低限しかできず、不安を抱えたユーザもいたかもしれない。それらを解消するため、ネットワーク専属の人員が必要になってくるかもしれないが、ベッド数も限られているので、難しい。
パスワードをかけないNASを運用したところ、勝手に固定IPからDHCPに換えられており、混乱した。おそらく何もわからない悪意のないユーザが設定を変更してしまったためだと思われるが、パスワードを設定しないという管理者として絶対してはいけない
ことをしてしまったことを反省している。他にも細かい事案は色々あったが、これらネットワーク機器の安定的な運用ができたのは、乗船者が協力的で理解があったからだと思う。この場を借りてお礼申し上げたい。
25

参考文献
小野 数也、千貝 健、福士 博樹

船上観測で使用する NTP サーバの構築：低温科学研究所技術部技術報告、 15 、2009 年、31 – 36。
小野 数也、藤田 和之

2010 年クロモフ号航海 〜2007 年航海からの更新点〜：低温科学研究所

技術部技術報告、16 、2010 年、55 – 58。
小野 数也

2011 年ロシア船観測の PC ネットワーク：低温科学研究所技術部技術報告、 1 7 、2011 年、11 – 14。
小野 数也

サーバの構築〜船上観測での運用〜：低温科学研究所技術部技術報告、2 1、2015 年、10 – 13。
西岡 純、中塚 武、小野 数也

2006 年西部オホーツク海航海（Kh06 航海）の概要：低温科学

研究所技術部技術報告、1 2、2007 年、1 – 4。
西岡 純、小野 数也

ロシア船・東カムチャツカ海流域観測におけるサポート体制：低温科学研

究所技術部技術報告、 20 、2014 年、30 – 33。
西岡 純、小野 数也、平田 康史、藤田 和之

2018 年ベーリング海日露共同観測における技術

部の貢献：低温科学研究所技術部技術報告、24 、2018 年、13 – 17。

26

ワイヤー放電加工機による精密加工
佐藤 陽亮
技術部装置開発室

はじめに
日常業務の中で金属の加工を行う機会は多く、またその加工精度もより高いものが求められてきている。低温研技術部にあるワイヤー放電加工機（FUNUC ROBOCUT a–
C400iA）は導電性材料であればどんな材料でも加工ができ、旋盤やフライス盤といった切削加工機では加工ができない薄板や厚物等の加工も行うことができる。しかし、一般形状に関する加工は日常業務で頻繁に行うが、より条件設定が難しいとされる精密加工に関してはいまだ行ったことがない。そこで、今回は日常よく使用するアルミ材を用いて、仕上げ面をよりきれいにするための加工方法の習得や加工精度の実験等を行った。

仕上げ加工方法の習得
ワイヤー放電加工機では、1 回の加工では加工面が荒くなってしまうため、複数回に分けて仕上げ加工することによって加工面をきれいにする方法が用いられる。
加工物がダイ形状（メス側）の場合は 1 回目の荒加工が終わった時点で、中子が切り落ちるので加工を一時停止し、中子を取り除いてから仕上げ加工を行う（図 1）。
一方、複数回の加工で問題となるのは加工物がパンチ形状（オス側）の時である。荒加
工時に材料を切り落としてしまうと仕上げ加工が出来なくなるため、あらかじめ切り残し部分を作り、切り落とさずに仕上げ加工までを行い最後に切り落し加工を行う（図２と図 3）。最終的に切り落とし加工を行う際に加工面をきれいにするため、複数回仕上げ加工を行う必要がある。一度目の切り落とし加工で製作物が切り落ちてしまわないように、切り落とし加工を行う前に加工物を瞬間接着剤で仮固定することにした。いろいろと試

図1

ダイ形状の加工図2

パンチ形状の加工

27

図3

パンチ形状切り落し加工

してみた結果、切り落とし加工前に中粘度の接着剤で付けすぎないように仮固定すると
比較的うまくいくことが分かった。

加工精度の実験
板厚 150 mm のアルミ材を 300 mm × 300 mm の正方形に切り出し、寸法をマイクロメータで測定する実験を行った。また、同じサイズの物をダイ加工、パンチ加工で切り出し、はめ合わせてみて隙間の観察も行った。図 4 にダイ加工とパンチ加工の加工物を、
図 5 にそれをはめ合わせた様子を示す。
使用しているワイヤー放電加工機では、切り出したい加工物のサイズや材質、ワイヤーの太さ、さらにダイ加工かパンチ加工か等の条件を入力すると、ワイヤーを左右にオフセットさせてより正確な寸法の加工物を切り出すようになっている。また、手動でのオフ
セット値の調整も 0.001 mm 単位で可能となっている。オフセット値を 0.001 mm 単位で変更したものを数パターン加工し、マイクロメータで寸法測定を行った結果、オフセット
値の変化量と同じく寸法も変化しており 0.001 mm 単位での精密加工が可能であることを確認した。

ダイ加工

パンチ加工

図 4 ダイ・パンチ形状の加工物

図 5 はめ合わせた様子

おわりに
今回、平成 28 年度技術部技術奨励費の助成をいただき、仕上げ加工技術の習得と、精密加工の検証を行うことができた。仕上げ加工によりきれいな加工面が得られれば、切削加工よりも作業時間が短縮できる場合も出てくると思われる。また、より高い精度が求められる加工に対しても対応が可能であることが分かった。今回加工したアルミ以外にも、
ステンレスやチタンやモリブデンなど難切削材の精密加工や、テーパ加工などの複雑形状の加工等、習得していきたい技術がまだあるので今後も実験・検証を行っていきたいと思う。

28

全学教室系技術職員組織の一元化に伴う作業依頼の仕組みについて
高塚 徹 1 、平田 康史 2
1. 技術部先端技術支援室
2. 技術部装置開発室

概要
全学教室系技術職員（以下技術職員）の組織一元化に伴い技術支援本部の運営体制が整備された。平成 30 年 10 月 1 日新たな運営が実施され、人事異動通知より技術職員は現部局に在籍し、かつ技術支援本部兼務となった。そこで組織と作業依頼の仕組みについて
技術報告会にて発表する。

29

南極ラングホブデ氷河での熱水掘削
杉山 慎 1, 2 、箕輪 昌紘 3、伊藤 優人 4、山根 志織 2, 5
1.
2.
3.
4.
5.

共同研究推進部
雪氷新領域部門氷河・氷床分野
チリ・アウストラル大学
水・物質循環部門海洋・海氷動態分野
北海道大学大学院環境科学院

はじめに
氷河の熱水掘削は、氷の底面や内部にアクセスするための縦孔を掘削する技術である。
掘削歯を使った機械的な掘削や、電熱融解を用いた掘削と比較して、圧倒的に大きな掘削速度を持つことがその特徴である。熱水流量に応じて掘削深度を伸ばすことが可能で、南極の内陸ではニュートリノの観測を目的とした 2000 m 以上の掘削に利用されている（Benson et al., 2014）。筆者らは、技術部装置開発室の協力を得て 2007 年に熱水掘削シ
ス テ ム を 開 発 し 、 ス イ ス の 山 岳 氷 河 で 運 用 を 開 始 し た （ 津 滝 ら 2007、 Tsutaki and
Sugiyama, 2010）。その後はシステムの増強と改良を進めながら、パタゴニア、東南極、南極半島などでの氷河観測活動に使用している。本報告では、2017 年 12 月から 2018 年
2 月に実施した南極ラングホブデ氷河での棚氷掘削について紹介する。

研究対象地
ラングホブデ氷河（69°12' S、39°48' E）は東南極の昭和基地近傍に位置する南極氷床の溢流氷河である（図 1a）。その末端部は年間流動速度 120 m a −1 で海洋に流入しており、末端付近は数 km にわたって棚氷（氷床につながったまま海水に浮いて海洋に張り出した氷）を形成している（図 1b）。筆者らは 2011 年 12 月から 2012 年 2 月にかけて第 53
次南極地域観測隊としてこの氷河を訪れて、接地線（棚氷と接地氷床の境界）近傍での熱水掘削と棚氷下での観測に成功した（福田ら 2012、Sugiyama et al., 2014）。今回は第59 次観測隊に参加して、棚氷全域での氷下海洋観測を目的として熱水掘削を実施した。

図1（a） 研究対象地。（b） ラングホブデ氷河末端部に掘削地点を示す。

30

図2

ラングホブデ氷河における熱水掘削オペレーション。2018 年 1 月 9 日撮影。

図3（a） 掘削孔の拡大に用いた熱水掘削ヘッド。（b） 棚氷下の海底堆積物を採取したサンプラー。

熱水掘削と観測の概要
掘削は低温科学研究所の熱水掘削システムによって行った（図 2）。本観測で用いたシステムは高圧熱水装置（Karcher HDS1000）3 台を使用して、約 80 ℃の熱水を毎分 30 Lで噴出する。ポンプで熱水装置に供給された氷河上の融解水は加熱・加圧されて、掘削深よりも長く準備した掘削ホースによってノズルに導かれる．ウィンチを手動で操作してノズルとホースをゆっくりと孔内に降ろしながら，適切な速度で氷河を掘削する。
2017 年 12 月 31 日から 2018 年 1 月 23 日にかけて、氷河末端から 0.5 – 2.5 km の範
囲 4 地点で掘削に成功した（図 1b）。各地点での氷厚は 234 – 412 m であり、 4 地点での総掘削距離 1740 m に要した時間は 46 時間であった（平均掘削速度 38 m hr−1：杉山ら 2018）。掘削に消費した燃料は、ヒーター用の軽油 880 L、ポンプ用のガソリンを 220 Lである。掘削孔は通常 100 mm 程度の直径となるが、掘削地点のうち一か所では、直径129 mm の係留系（長期水中測定システム）を棚氷の下に設置する必要があった。そこで初めての試みとして、低温科学研究所・技術部にて製作した直径 140 mm の掘削ヘッドによる孔径の拡大を行いこれに成功した（図 3a）。
掘削孔は凍結によって塞がってしまうため、概ね 1 – 2 日以内に水温・塩分・流速流向の測定、水中ビデオカメラによる孔内と棚氷下の観察、海水と海底堆積物のサンプリング

31

を実施した（山根ら 2018）。堆積物のサンプリングには、過去に技術部装置開発室にて開発、製作した氷河底面サンプラーを使用した（図 3b：西村ら 2008）。その場観測とサンプリングを終了した後、3 つの掘削孔にそれぞれ係留系（温度・塩分・流速流向センサ）、
水圧・温度センサ、温度測定用サーミスターチェーンを設置して、棚氷下の海洋と氷内部で長期間の測定を開始した。

おわりに多くの科学的課題を残す氷河氷床底面を研究する上で、熱水掘削は非常に効果的なツールである。その機材と技術を持つ研究機関は世界的にも限られており、低温科学研究所が保有するシステムの価値は高い。これまでの技術部の尽力に感謝すると共に、今後も掘削能力の拡大や、掘削周辺技術の開発への協力をお願いしたい。ラングホブデ氷河での観測は、南極地域観測第 9 期重点研究観測「氷床・海氷縁辺域の総合観測から迫る大気−氷床−海洋の相互作用」の一部として実施し、科研費新学術領域研究「熱−水−物質の巨大
リザーバ 全球環境変動を駆動する南大洋・南極氷床」（17H06316）の助成を得た。青木茂氏，田村岳史氏らプロジェクト関係者、および高村真司氏、土屋達郎氏ら観測隊メンバーの支援に感謝する。
参考文献
Benson, T., J. Cherwinka, M. Duvernois, A. Elcheikh, F. Feyzi, L. Greenler, J. Haugen, A.
Karle, M. Mulligan and R. Paulos, 2014: IceCube Enhanced Hot Water Drill functionaldescription. Annals of Glaciology , 55 (68), 105 – 114.
Sugiyama, S., T. Sawagaki, T. Fukuda and S. Aoki, 2014: Active water exchange and life near
the grounding line of an Antarctic outlet glacier. Earth and Planetary Science Letters,
39 9C, 52 – 60.

Tsutaki, S. and S. Sugiyama, 2010: Development of a hot water drilling system for subglacialand englacial measurements. Bulletin of Glaciological Research, 27 , 7 – 14.
杉山慎，箕輪昌紘，伊藤優人，山根志織， 2018: 南極ラングホブデ氷河における熱水掘削. 北海
道の雪氷，37 ，7 – 10．
津滝俊，杉山慎，中鉢健太，2007: 熱水ドリル掘削システムの構築，北海道大学低温科学研究所
技術部技術報告，13 ，25 – 28．
西村大輔，津滝俊，吉澤猛，杉山慎，新堀邦夫，2008: 氷河底面堆積物コアサンプラーの開発，北海道大学低温科学研究所技術部技術報告，1 4，15 – 18．
福田武博，杉山慎，澤柿教伸，2012: 第 53 次南極地域観測隊 ラングホブデ氷河熱水掘削，北海道大学低温科学研究所技術部技術報告， 18 ，5 – 8．
山根志織，杉山慎，箕輪昌紘，伊藤優人，2018: 南極ラングホブデ氷河における棚氷下の海洋環
境. 北海道の雪氷， 37 ，75 – 78．

32

多結晶氷薄膜上での表面融解
佐﨑 元、Chen Jialu、村田 憲一郎、長嶋 剣
雪氷新領域部門相転移ダイナミクス分野

はじめに
氷結晶の表面は、ゼロ℃以下の温度においても薄い水膜で覆われることはよく知られている。この現象は表面融解と呼ばれ、氷の滑りやすさや復氷、凍上、雪結晶の形態形成、
食品や臓器の保存、雷の発生など、幅広い現象を支配するため、古くから多くの研究が行われて来た。特に、NMR 法、Ｘ線回折法、偏光解析法などの様々な分光学的手法を用いて、温度が融点に近づくに連れて水膜（擬似液体層と呼ばれる）の厚みが顕著に厚くなることが報告されている。しかし、擬似液体層が観察される最低温度（臨界温度）は、研究によって –90 〜 –1 ℃と大きなばらつきを示す。このような臨界温度の大きなばらつき
は、測定手法および試料氷の作製方法の違いによるものと考えられる。特に、分光学的な手法の場合には、検出感度は高いが空間分解能に劣る。また、通常の光学顕微法の場合には逆に、空間分解能は高いが高さ方向の感度は低い。
このような制限を克服するべく、我々はオリンパス株式会社と共同で、レーザー共焦点
微分干渉顕微鏡（LCM – DIM）を開発し、その改良を続けて来た。LCM – DIM を用いると、氷単結晶表面上の水１分子高さの段差（単位ステップと呼ばれる：0.37 nm 高さ）を良好なコントラストで可視化できる [1]。本手法を用いて、氷結晶表面上には形態が異なる 2 種類の擬似液体層が存在することや、擬似液体層は準安定相として過渡的に氷結晶上に生成することなどをこれまでに見出して来た [2 – 4]。しかしその一方、氷単結晶中の格子欠陥が擬似液体層の生成を顕著に促進することも見出した [5]。このことより、試料
氷結晶の作製方法の違いも擬似液体層の臨界温度に大きな影響を及ぼすのではないかと着想した。
そこで本研究では、高品質な氷単結晶とは性質が最も大きく異なると予想される「多結晶氷薄膜」を作製した。そして、多量の結晶粒界や格子欠陥を含む多結晶氷薄膜上で擬似液体層を、LCM – DIM を用いてその場観察した。なお、LCM – DIM に加えて、擬似液体層の成長・縮小を数 10 nm 高さの精度で計測できるマイケルソン型光干渉計を用いた。
その結果、多結晶氷薄膜上では、単結晶氷上に比べて顕著に低温まで擬似液体層が安定に存在することを見出した。

結果と考察
まず、単結晶氷上でも擬似液体層が生成する温度(–2.4 ℃)のもとで、クロスニコル状
態の反射型偏光顕微鏡を用いて観察した多結晶氷薄膜を図１A に示す。多結晶氷薄膜中には粒界が明瞭に観察できる。薄膜上には明るく観察される部位と暗く観察される部位が存在する。図 1A のゲインとオフセットをさらに調整した結果を図 1B に示す。そうす
33

ると、図 1A 中では暗く観察されていた結晶粒（白黒矢印頭）中にも粒界が良好なコント
ラストで観察された。さらに、図 1B 中の四角で囲んだ部分を拡大し、経時変化を観察した結果を図 1C – E に示す。結晶粒上の暗く観察される部位が、時間とともに互いに合体してゆく様子が観察された（黒矢印頭）。この様に暗く観察される部位が顕著な流動性を示すことより、暗く観察される部位は液相（すなわち擬似液体層）であることがわかる。
以上の観察より、図 1F に模式的に示した様に、多結晶薄膜上には擬似液体層（QLL）が存在することがわかる。
図 1 で擬似液体層が暗く観察されたことは、以下の様に理解できる。多結晶薄膜中では結晶粒はランダムに配向しているため、結晶粒の表面は光学的に異方的である。そのため、入射した偏光が結晶粒表面で反射する際に、偏光面は回転する。そのため、反射光は検光子を透過することができ、結晶粒表面は明るいコントラストを示す。一方、擬似液体層の表面は光学的に等方的であるため、入射した偏光が擬似液体層表面で反射する際には、偏光面は回転しない。そのため、反射光は検光子を透過することができず、暗く観察された。すなわち、多結晶粒表面をクロスニコル状態の反射型偏光顕微鏡で観察すること
で、擬似液体層を暗いコントラストによって識別できることがわかった。
さらに多結晶薄膜表面をマイケルソン型二光束干渉計で観察した結果を図 2 に示す。
図 2A においても図 1 と同様に、裸の多結晶粒の表面は明るく、そして擬似液体層の表面は暗く観察されている。図 2A の四角で囲んだ部分のゲインとオフセットを調整し、拡大した結果を図 2B に示す。そうすると、擬似液体層表面には、参照ミラーとの間で形成された光干渉縞を明瞭に観察することが出来た。この光干渉縞が動く方向より、擬似液体層

図 1

多結晶氷薄膜上での擬似液体層の反射型偏光顕微鏡観察。偏光子と検光子はクロス
ニコル状態にセットされている。温度 -2.4 ℃のもと、過飽和水蒸気中で観察した。
（A） 裸の結晶粒表面は明るく、そして擬似液体層表面は暗く観察されている。（B） 画像（A）のゲインとオフセットをさらに調整した結果、白黒三角頭（A）の擬似液体層の下の結晶粒を明瞭に観察することが出来た。（C – E） 図 1B 中の四角で囲んだ部位を拡大し、経時変化を観察した様子（C: 0 s、D: 231 s、E: 420 s）。黒矢印頭で示した様に、隣り合った擬似液体層は顕著な流動性を示し、互いに合体した。（F） 多結晶氷
薄膜上の擬似液体層（QLL）の模式図。

34

図 2

多結晶氷薄膜のマイケルソン型光干渉計観察。（A） 図 1 と同様に、裸の結晶粒表面は明るく、そして擬似液体層表面は暗く観察されている。（B） 図 2A 中の四角でかこった部分を拡大し、ゲインとオフセットを調整した結果。擬似液体層上で光干渉縞が明瞭に観察されている。干渉縞の動きより、擬似液体層が成長もしくは縮小しているのかを、数 10 nm 高さの精度で決定できる。

が成長もしくは縮小しているのかを数 10 nm 高さの精度で決定することができる。水蒸
気圧が過飽和状態の場合には擬似液体層が成長する様子が観察されたが、水蒸気の過飽
和度を徐々に低下させると、やがて擬似液体層は成長から縮小に転じた。この擬似液体層が成長から縮小に転じる境界の水蒸気圧は、擬似液体層が安定に存在できる最小の水蒸
気圧、すなわち臨界水蒸気圧を示す。なお、裸の結晶粒の成長・昇華を観察することより、
気固平衡水蒸気圧も決定した。
図 3 は、様々な温度領域で、擬似液体層の臨界水蒸気圧（▲）と気固平衡水蒸気圧（△
および実線）を決定した結果を示す。その結果、本研究で用いた最低温度 –16.2 ℃においても、擬似液体層は多結晶氷薄膜上で安定に存在できることがわかった。擬似液体層は氷単結晶表面では –2.4±0.5 ℃以下の温度で消滅することより、多結晶上では擬似液体層が存在できる温度領域が顕著に低くなることがわかる。この結果は、多結晶氷薄膜中に含まれる大量の結晶粒界や格子欠陥が、擬似液体層が安定に存在できる温度領域を顕著に低下させることを強く示唆する。なお、図 3 において、▲プロットが△に比べて常に大きいことに注目いただきたい。この結果は、多結晶氷上でも単結晶の場合と同様に、擬似液体
層は準安定相であることを示す。すなわち、擬似液体層は氷表面が融けるのではなく、過飽和水蒸気が凝縮することで速度論的に生成することを示す。

35

図３

多結晶氷薄膜上で擬似液体層が安定に存在できる臨界水蒸気圧 （▲） および気固平衡
曲線 （△および実線）。図中の点線は気液平衡曲線を示す。実験を行った最低温度は–16.2 ℃であった 。

おわりに本研究では、観察チャンバーの特性上、多結晶氷薄膜上で擬似液体層が存在しうる臨界（最低）温度を決定するにはいたらなかった。今後、より低温下で実験できる観察チャン
バーを作製し、臨界温度を決定する予定である。また、本研究では、多結晶氷薄膜上に存在する液滴状の擬似液体層は観察できたが、薄層状の擬似液体層を観察することは出来なかった。観察に用いたマイケルソン型干渉計の倍率(× 2.5)が低すぎたことが原因の一つであると考えられる。今後、より高倍率で光干渉観察が可能なリニーク型の光干渉計をさらに作製することで、薄層状の擬似液体層の観察にも挑みたい。このリニーク型光干渉計を用いて擬似液体層の生成をさらに詳細に観察することで、擬似液体層の生成におよぼす結晶粒界と格子欠陥の寄与を明らかにしたい。
参考文献[1] G. Sazaki, S. Zepeda, S. Nakatsubo, E. Yokoyama, Y. Furukawa, Proc. Nat. Acad. Sci. USA.,10 7, 19702 – 19707 (2010).

[2] G. Sazaki, S. Zepeda, S. Nakatsubo, M. Yokomine, Y. Furukawa, Proc. Nat. Acad. Sci. USA.,10 9, 1052 – 1055 (2012).

[3] H. Asakawa, G. Sazaki, K. Nagashima, S. Nakatsubo, Y. Furukawa, Proc. Nat. Acad. Sci.

USA., 11 3 (7), 1749 – 1753 (2016).
[4] K. Murata, H. Asakawa, K. Nagashima, Y. Furukawa, G. Sazaki, Proc. Nat. Acad. Sci. USA.,113 (44), E6741 – E6748 (2016).

[5] G. Sazaki, H. Asakawa, K. Nagashima, S. Nakatsubo, Y. Furukawa, Crystal Growth &Design, 13 , 1761 – 1766 (2013).
36

キャメストの導入
藤田 和之
技術部装置開発室

はじめに
現在、装置開発室の工場で使用されているほとんどの工作機械には、機械を動かすた
めの様々な指令を出す「数値制御装置（NC）」がついており、これらの機械は「NC 工作機械」と呼ばれる。NC 工作機械の動作は、工具が移動する XYZ などの座標位置の値や工具が進む速度などを指定した NC データと呼ばれる数値データによって制御される。
この数値データは工作機械に直接入力することもできるが、加工方法や形状が複雑な場
合に手入力では時間がかかる。そこで「あらかじめ PC 上でこの数値データを作り、工作
機械にその数値データを転送する」という便利なツールを取り入れるため、キャメストを導入した。

CAM ソフト「キャメスト」
CAM とは、CAD* 1データなどを使用して PC 上で NC 工作機械の加工プログラム（NCデータ）を作成するソフトウェアである。CAD で作成された形状に対し、「使用する工具」「工具の動かし方」「工具の回転数」「加工するスピード」「切削量」などの加工条件を設定することで「ツールパス」と呼ばれる工具の軌跡情報を作成する。ツールパスはPC 上で視覚的に検証することができるため、工具が材料に食い込んで工具が機械に接触するなど、加工プログラムに問題がある場合でも工作機械を動かす前に発見することができる。NC プログラムの作成工程では、加工部品の材質と形状から、適切な工程（段取り方法など）、エンドミルの種類、加工条件を決めて情報としてインプットしなければならない。刃物メーカーの推奨条件や、過去の経験などを加味しながら、できるだけ短時間できれいに加工するための順序や方法を考えつつ、①材料が熱をもって変形しないようにする、②工具が折れないようにする、③工具が機械にぶつからないようにする、などの注意をはらう。
2 次元 CAM ソフトである「キャメスト」は図面から手早く CAD データを作成できるだけではなく、CAD 図からマシニングセンターやフライス盤用の NC プログラムを作成できるという特徴を持っている。他にも同等の機能を有するソフトはいくつかあるが、学内で利用しているユーザが多く、アドバイスを聞くことができるため導入に至った。

*1 PC で図面を作成するためのソフトウェア。
37

図2

図 4

図1

真空チャンバー固定用架台。

3 次元 CAD 図。

図3

CAM による加工形状や加工方法の選図52 次元図面。

形状や加工方法、加工条件をもとに NC
プログラムに変換。

択。

38

加工手順
真空チャンバー固定用架台（図 1）を例に、加工手順を示す。まず、CAD で図面を作成する（図 2 と 3）。次にその平面図から「キャメスト」を使い NC プログラムに変換する（図 4 と 5）。最後に作成した NC プログラムを NC フライス盤に読み込ませて、加工する。

CAM の導入効果
この CAM ソフト「キャメスト」を導入することにより、以下のような利点が得られた。
1．品質面
従来の汎用工作機械では、工具の運動は作業員のハンドル操作によって行うが、これに対して NC 工作機械は、その運動を加工指令情報によって自動制御できる。プログラ
ムに基づいて 2 軸以上を同時に正確に動かすことができるため、円弧などの曲面や複雑な形状の加工を、高精度で行うことができる。よって、水準の高い加工精度を安定して得ることが可能となった。また、作業の主体が作業者から機械に移るので、作り間違
いがなくなり、品質の安定化も図れる。さらに、刃物の摩耗や機械精度のムラをプログ
ラムによって補正することも可能になった。
2．生産性
適正に設定された切削条件をプログラムに入力すれば、機械の能力ぎりぎりのとこ
ろで常に加工が行えるので無駄な動きがなく、1 個当たりの加工時間は短く製作することができる。プログラムをスタートすれば作業者は機械を監視するだけなので、ほかの作業に取り掛かることができる。時間を有効活用できるため、生産性の向上が図れる。
3．安全面
作業者が直接操作を行う必要がなくなり、切屑から身を守る位置で操作を行うことができるため、安全が確保できる。

おわりにこの「キャメスト」の導入には平成 25 年度低温研技術部技術奨励費の助成を頂いた。
クオリティの高い製品を短時間で製作出来るよう、さらに材質や形状に合わせて最適な加工条件を見つけるために技術力を高めたい。また今後も技術奨励費を活用し、スキルアップに努めたいと考えている。

39

海外の観測ロケットを用いた
微小重力実験用ダスト再現装置の作製
木村 勇気 1, 2、齋藤 史明 3、中坪 俊一 4、千貝 健 5、森 章一 3、左近 樹 6、稲富 裕光 4
1. 共同研究推進部
2. 雪氷新領域部門宇宙雪氷学グループ
3. 技術部装置開発室
4. 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所
5. 技術部先端技術支援室
6. 東京大学天文学教室

はじめに
我々は、2012 年 12 月と 2015 年 9 月に宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所の観測ロケット S – 520 – 28 号機、および 30 号機をそれぞれ用いた微小重力実験を実施し、10 –4 G オーダーの非常に質の良い微小重力環境下で宇宙ダストの再現実験を行うことに成功した。
28 号機では、宇宙における鉄の存在形態を理解することを目的に、その主な供給源である超新星爆発（特に Ia 型超新星）の後に、鉄粒子が生成する可能性を調べる再現実験を行った。天体観測からは、星間空間では鉄の 99 % が固体の粒子として存在していると信じられてきたが、天体観測では金属鉄は直接検出できないために、その存在形態は直接的には確かめられていない。鉄ダストの生成過程の再現において、蒸気の冷却による過飽和度の増加の時間スケールと、原子同士の衝突頻度の比として表される無次元パラメー
ター “L” は、生成環境の類似性を表す指標となる。今回の微小重力実験で鉄を加熱蒸発させて発生した蒸気が冷えて固体粒子（ダストの類似物）を生成したところ、この L の値が、超新星爆発によるダスト生成過程と同じ 10 4 のオーダーになった。ダスト生成過程と相似形をなす実験を行うことができたことは、超新星爆発で鉄粒子が作られる過程の再現に成功したことに対応する。この核生成過程を二波長干渉計で観察し、核生成理論を用いて解析した結果、鉄ダストがガスから生成する時、鉄原子同士の付着確率は、0.002 % 程度と、従来のダスト生成モデルで使われていた値 100 % に比べて 5 桁も小さいことを発見した。これは、宇宙で鉄は金属として存在することは難しいことを示唆しており、通説を否定する成果となった（Kimura et al. 2017）。一方で、試料を回収することができなかったために、核生成過程に重要なもう一つのパラメーターである表面自由エネルギーを決めることはできなかった。
30 号機では、ダストの主な供給源の一つである酸素リッチな晩期型巨星の周囲で最初に生成することから、その後の宇宙ダストの進化を支配すると考えられるダストに着目した。酸素リッチ星の赤外線スペクトル観測では、星に近いところで 13 µm 帯にダスト
起源のフィーチャーが捉えられており、その起源物質として、星の光を吸収して再蒸発し40

ない透明で、かつ難揮発性の鉱物としてアルミナが考えられている。しかし、アルミナの再安定構造であるコランダムのバルク結晶の光学定数を用いた計算で合わせているだけ
で、実験的に再現されていないために、確証はないのが現状である。そこで、天体周辺に存在するダストの赤外線スペクトルと直接比較できるスペクトルを取得するために独自に開発した、『浮遊ダスト赤外線スペクトルその場測定装置』を小型化してロケットに搭載した。微小重力環境下でアルミナの核生成実験を行い、13 µm 帯の赤外線スペクトルをその場で測定することに成功した。その結果、半値幅の狭い 13 µm 帯を示す赤外スペク
トルの取得に成功した（Ishizuka et al. 2018）。この成果により、恒星風の化学組成や密度、温度環境など、様々な物理・化学パラメーターを厳密に決定できるようになると期待される。しかしながら、日本の観測ロケットは試料を回収することができないために、実験試料と装置は 28 号機と同様に太平洋に沈んでおり、今回生成した粒子が本当に酸化ア
ルミニウムの最安定相であるコランダムであることを明確に示すことができなかった。
もし、生成試料を回収することができたなら、そのサイズや数密度、結晶構造や結晶性などの情報を得ることができ、どの結晶の物理定数や赤外線スペクトルが得られたのかを明らかにできるために飛躍的に大きな成果を得ることができる。さらに、実験装置も再利用できる点も大きなメリットである。そこで我々は、試料回収が可能なスウェーデンのロケットとアメリカのロケットを使用したダストの生成実験を行うべく、プロジェクトを立ち上げた。
2016 年 12 月に宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所の宇宙理学委員会にダストの核生成ワーキンググループとして認められ、国際共同プロジェクトを行うべく、準備をスタートした。その後、2017 年 4 月に同宇宙科学研究所の戦略的基礎開発予算（理学）に採択され、2017 年 7 月には DUST （Determining Unknown yet Significant Traits）という プ ロ ジ ェ クト 名 で 小規 模 計 画に 採 択 され た。 そ し て 、2017 年 10 月 に NASA の“Astrophysics Research and Analysis” プログラムに採択されたことで、打ち上げに向けて実験装置の検討、作製も本格的に始まった。現在はスウェーデンでの打ち上げも決まっており、それに向けて準備を進めている。ここでは、低温科学研究所と宇宙科学研究所の技術室の協力の元に検討、作製をすすめている実験装置について紹介する。

搭載実験装置
前回までの 2 回の実験で搭載した二波長マッハツェンダー型レーザー干渉装置と浮遊ダスト赤外線スペクトルその場測定装置を改良して実験に臨む。28 号機の実験では干渉計を 3 台、30 号機の実験では干渉計を 2 台と赤外装置を 1 台搭載したのに対して、今回のスウェーデンの実験では、それぞれ１台ずつ、アメリカの実験では、干渉計 4 台に赤外装置 2 台を搭載予定である。前回までの装置との大きな制約の違いはベースプレートのサイズである。S – 520 観測ロケットでは直径 420 mm のベースプレートを用いていたのに対して、スウェーデンのロケットでは直径 405 mm に収める必要がある。アメリカの

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実験でも同様の装置を用いるため、このサイズ以内にすべてを収めることになる。さらに、スウェーデンのロケットでは重量制限もあり、55 kg 以内に収めなければならない。

図 1

アメリカの観測ロケットを用いた微小重力実験用に作製している実験装置の CAD イ
メージ図。左はロケット搭載後にチェンバー内を真空引きしたのちにバッファーガスを導入するための壁が取り外された状態。右は内部の実験装置が見えるように壁を取り除いた状態。打ち上げ時には、壁が取り付けられ、スキンと呼ばれるロケットの外筒に収められる。二波長マッハツェンダー型レーザー干渉装置 （IFC） 4 台と浮遊ダス
ト赤外線スペクトルその場測定装置 （IRC） 2 台、インターフェイス装置 （IF・HC） 1
台から構成される。上から IFC – 01, IFC – 02, IRC – 01, IF・HC, IFC – 03, IFC – 04,
IRC – 02 である。全長 1,400 mm、直径 405 mm、重量約 150 kg である。スウェーデ
ンの観測ロケットを用いた実験では、干渉計 1 台と赤外装置 1 台、インターフェイス
装置だけを搭載する。

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図2

二波長マッハツェンダー型レーザー干渉装置（左）と浮遊ダスト赤外線スペクトルその場測定装置（右）の鳥瞰図。ベースプレートの切り欠きは、スウェーデンのロケットでロケット側や他の実験装置のケーブルを通すために用意した。

図3

図4

今回新たに開発した試料採取機構。矢干渉計と実像を記録するための画像

印で示す穴の開いた遮蔽板を、超音波記録装置（右）と電源の供給や遮断にモーターである時間間隔で動かすこより自動で記録の開始シグナルや停とで、その間に存在している粒子を採止シグナルを出せる装置（左）。

取する。粒子同士の接合による凝集過程を追うことができる。

図１に実験装置の三次元 CAD 図を、図 2 に今回搭載する二波長マッハツェンダー型
レーザー干渉装置（左）と浮遊ダスト赤外線スペクトルその場測定装置（右）の鳥瞰図を示す。実験装置の基本構成は S – 520 観測ロケットと同様であるが、今回は試料を回収できるために、図 3 に示す試料採取機構を搭載する。超音波モーターにより遮蔽板を動かして、穴位置を動かすことで、ある時間内に存在しているダスト類似物を透過型電子顕微鏡
観察用のグリッド上に採取する。この採取機構は、ヨーロッパ側の共同研究者である
Jürgen Blum 氏がナノメートルサイズの粒子同士の接合のしやすさを見積もるのを主な43

目的として搭載する。また、データ記録媒体を回収することもできるため、30 フレーム毎秒で記録した干渉計と実像のデータを、図 4 に示すドローン用の小型の装置でマイクロ SD カード上に記録する。この装置を用いて記録するには、電源供給後に録画開始ボタンを押して、電源が遮断される前に録画停止ボタンを押す必要がある。録画開始は、電源が供給されてからある時定数を持って自動で開始させることで容易に対応できた。一方で、記録停止操作を行う前に電源が切れると、記録中のデータがファイルとして残らない。そこで、電源を失った後も数秒間給電して記録停止操作を行えるようにするために、
容量の大きなコンデンサーを用いて回路を組んだ
浮遊ダスト赤外線スペクトルその場測定装置は、S – 520 観測ロケットの波長領域 11 –17 µm に比べて 2 倍以上広い、8.1 – 36 µm の波長領域でスペクトルの取得が可能で（分解能 R = 110 – 190）、かつスウェーデンの観測ロケットの重量制限をクリアするために上部の光学系を外しても運用可能にした点に特徴がある。これにより測定波長領域は 8.1 –23.7 µm となるが、炭化チタンダストの実験（次項参照）には問題とならない。

目指すサイエンス
スウェーデンの観測ロケットを用いた微小重力実験では、星間物質の主要成分の一つである炭素質物質の生成に必須のデータを取得し、その進化史を明らかにすることを目的としている。特に来年度実施予定のフライトでは、炭化チタンダストに注目する。具体的には、以下の 3 つを目的としている。
1. 難揮発性物質の炭素が、常にコア－マントル粒子のマントルを構成している理由の解明
2. 炭素リッチ星が示す 21 µm フィーチャーの起源に制約を加える
3. 炭素質ダストが惑星の種となるペブルを作る効率を調べる
この実験で、2020 年代に、はやぶさ 2、OSIRIS Rex や MMX が回収する炭素を含んだ小惑星試料や、次世代赤外線天文衛星 SPICA などによる観測データの解釈の根拠となる実測データを取得できると期待している。
アメリカの観測ロケットを用いた微小重力実験では、酸素リッチ星および原始太陽系星雲におけるシリケイトダストの生成過程に注目する。具体的には、以下の 6 つを目的としている。
1. 結晶質シリケイトと非晶質シリケイトの凝縮条件の解明（なぜ、質量放出率の大きな星だけが結晶質シリケイトの赤外フィーチャーを示すのか）
2. 準安定共晶凝縮 （Metastable Eutectic Condensation） 仮説の検証
3. プレソーラー粒子の表面物質に制約を加える（シリケイトはアルミナの上に不均質核生成するのか、均質核生成により独立にダストとなるのか）
4. 星間空間における鉄の存在形態の解明
5. アストロノミカルシリケイトの実態解明
6. シリケイトダストが惑星の種となるペブルを作る効率を調べる
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シリケイトは宇宙の至る所に存在しており、地球表層の主要鉱物でもあることから、最も重要な鉱物の一つである。その核生成過程を理解するために必須の、クラスターからナノ粒子へと成長する過程における構成分子の付着確率や表面自由エネルギーを求め、赤
外線スペクトルの時間変化から結晶化の初期過程を解明することで、宇宙物質の創成史を確立できると期待している。
参考文献
Ishizuka, S., Kimura, Y., Sakon, I., Kimura, H., Yamazaki, T., Takeuchi, S., Inatomi, Y.,
2018. Sounding-rocket microgravity experiments on alumina dust. Nature

Communications, 9 , 3820 (6pp).
Kimura, Y., Tanaka, K. K., Nozawa, T., Takeuchi, S., Inatomi, Y., 2017. Pure iron grains
are rare in the universe. Science Advances, 3 , e1601992.

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2018 年 12 月 7 日発行
編集者：齋藤 史明・千貝 健
北海道大学 低温科学研究所 技術部〒060-0819 札幌市北区北 19 条西 8 丁目