北海道大学低温科学研究所
技術部技術報告第 27 号

2021 年 12 月

表紙の写真

2021 年 2 月、新たに導入された低温研フォークリフト。この導入により、重たい荷物を安全かつ効率的に運ぶことが可能となった。今後も活躍が期待される（本文 P. 1 と P. 7）。
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北海道大学低温科学研究所
技術部技術報告第 27 号

2021 年 12 月

2021 年度技術報告会開催に寄せて
本日、第 27 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。まず、日頃よりご支援を頂いている皆様に、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として、また、参加者の皆様に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企画しているものです。是非、実り多い報告会になりますよう、皆様の活発なご議論をお願い致します。
技術部職員にとりましては、この会は、利用者の皆様の意図や要望をよく理解する大変良い機会です。どのような現場でどのようなサポートが必要とされているかを具体的にイメージすることができますし、加えて、自らの日頃の支援が生かされた研究の成果を目にすることは、技術者としての貢献を確認できる貴重な機会になります。それにより、引き続き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。
常に最先端の研究を強力にサポートできるような最先端の技術を提供したい。それが技術部職員一同の思いです。新たな実験装置の開発や、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つ技術者として今後も高いパフォーマンスを発揮し続けられるよう、研鑽に努めて参ります。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。
末尾になりましたが、お忙しい中、本報告集へのご寄稿と報告会でのご発表をご用意下さいました皆様、ご出席の皆様に御礼申し上げます。本日はどうぞよろしくお願い申し上げます。

2021 年 12 月 3 日
技術部長 渡辺 力

目次
1. 新規導入されたフォークリフトについて
小野 数也、森 章一、佐藤 陽亮、、藤田 和之、斎藤 史明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2. 観測船におけるクリーン観測と観測装置の改良
西岡 純、小野 数也、藤田 和之、平田 康史 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3. 南極における大気―氷床―海洋相互作用観測の発展
青木 茂、小野 数也、森 章一、平田 康史、中山 佳洋、大島 慶一郎、
豊田 威信、杉山 慎 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4. 氷晶核能測定装置の開発 2
大塚 美侑、飯塚 芳徳、森 章一、斎藤 史明、宮﨑 雄三 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5. 非接触温度計をラズパイに取り付けた
小野 数也 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6. 宇宙形成史を探る超広視野・広帯域サブミリ波カメラの開発
竹腰 達哉、大島 泰、陳 家偉、李 建鋒、宇野 慎介、井上 修平、
長沼 桐葉、丹羽 佑果、都築 俊宏、藤田 和之、香内 晃、中坪 俊一、
美馬 覚、田井野 徹、川邊 良平 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

7. 低温観察用チャンバー 2 号機の開発について
佐﨑 元、斎藤 史明、森 章一、宮本 玄樹、長嶋 剣、村田 健一郎 . . . . . . . . . . 23

8. ラズパイを使った GPS ロガーの製作
曽根 敏雄、千貝 健 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
9. 凍土用ボーリングビットの製作
藤田 和之、森 章一 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
10. 自作 Qplus センサーを用いた原子間力顕微鏡によるアモルファス氷の表面形状測定
都丸 琢斗、日高 宏、香内 晃、渡部 直樹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

11. 水／氷界面に生成する“未知の水”の直接観察・物性決定を可能にしたダイナミックアンビルセルの製作
新家 寛正、佐藤 陽亮、森 章一、斎藤 史明、木村 勇気 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

新規導入されたフォークリフトについて
小野 数也 1、森 章一 2、佐藤 陽亮 2、藤田 和之 2、斎藤 史明 2
1. 技術部先端技術支援室
2. 技術部装置開発室

はじめに
低温科学研究所技術部は令和 3 年 2 月、新たに小型のフォークリフトを導入した（以後、フォークリフト）。フォークリフトは主に研究観測のトラックへの積み込みと積み下ろしを目的としている。本稿は、所内でフォークリフトが利用可能となったこととを周知する意味を込めて、所内での利用方法や作業実績を示す。

低温研での利用について
フォークリフトはいわゆるカウンタバランスフォークリフト *1 と言われるもので、最大荷重は 500 kg である（図 1）。普段は野外観測準備室に格納されている。一般的に 1 t
未満のフォークリフトの操作には免許の必要はないが、安全衛生管理の観点から「フォークリフト運転特別教育」を受講した教職員のみが操作可能とした。他にも低温研敷地内、屋外のみ使用可能（野外観測準備室、技術部工場を除く）などと定めている。詳しくは、運転特別教育受講済みである著者まで連絡いただきたい。

図1

新たに導入されたフォークリフト。

1 フォークとマストを車体前方に備え、車体後部には荷の重さに見合うカウンタウエイトを設けたフォークリフト。他にもリーチフォークリフト、サイドフォークリフト、ウォーキフォーク
リフトなどの種類がある。
1

今年度の実績
納品されてから 12 月現在まで、月に 1 回程度の利用があった。主な作業内容に、・新青丸航海：トラックへの積み入れ （図 2：4 月 7 日）、終了後トラックからの積
み下ろし （5 月 6 日）。
・南極地域観測隊：観測物資のトラックから積み下ろし （4 月 5 日）、観測物資のトラックへの積み入れ （8 月 3 日） と事前準備 （図 3：8 月 2 日）。
があった。導入前はメッシュパレットを狭いトラックの中で組み立て、ガラス玉を積み入れていたが、広い場所で安全かつ大人数での作業が可能となった。

おわりにフォークリフトを導入することにより、より安全な荷役が可能となった。小型とは言え、安全な運用を心がけたい。また、容易に整理でき、トラックに直接積めるため、野外観測準備室などに置いてある観測物資（特にバラ物資）はパレットに載せておく事をお勧めしたい。何かあれば、遠慮なくお近くの技術職員まで相談いただきたい。

図2

図3

新青丸航海、積み込みの様子。

荷物積み込みの前日、メッシュパレットの整理。ガラス玉を入れたままの状態で、2段に重ねることができ、さらに重ねたままトラックへ積み込むことができた。
2観測船におけるクリーン観測と観測装置の改良
西岡 純 1、小野 数也 2 、 藤田 和之 3、平田 康史 3
1. 環オホーツク観測研究センター
2. 技術部先端技術支援室
3. 技術部装置開発室

はじめに
環オホーツク観測研究センター （以下センター） では、オホーツク海や北太平洋の生物生産を制御する栄養物質の循環を明らかにするため、海水中の微量元素である鉄分の分析を進めている。海水中の鉄分の分析にはナノモルレベルの濃度を正確に分析する必要がある。そのためにはサンプリングから分析にかけて徹底的に汚染を制御するクリーン技術を使用する必要があり、そのための技術開発が欠かせない。またセンターでは、オ
ホーツク海で生物生産を生み出すメカニズムを明らかにするために、南部オホーツク海に定点を設けた時系列観測を開始した。その時系列観測の中で沈降粒子を収集するためのセジメントトラップの設置とその周辺海域の観測を 2020 年 12 月から 2021 年 4 月にかけて実施した。本報告では、①新たに改造したクリーン採水システムのテストと表層採水デバイスの製作、②南部オホーツク海に設置したセジメントトラップ係留計、③海氷融解期に実施した南部オホーツク海観測、における技術部のサポートについて紹介する。

① 新たに改造したクリーン採水システムのテストと表層採水デバイスの製作
我々が実施しているロシアとの共同研究のような設備の十分でない研究船での観測においてもクリーン採水ができるシステムを構築するために、SeaBird 社製の SBE32c シ
ステムの改造を実施した。通常 8 L までしか装着できずサンプル量に制限があるシステ
ムを、12 L のニスキン-X 採水器 12 本を装着できるように改造した。また、外洋域での荒天時にも観測が実施できるようにステンレス製の錘が装着できるように改造した。採水時に汚染を防ぐために全てのステンレスのパーツはテフロンコートした。改造した
SBE32c システムは、実際にクリーンサンプリングに使用できるかを試すために白鳳丸
KH-19-6 次航海で使用し、クリーンに採水ができることが実証されている白鳳丸の採水システムと比較した （図 1）。その結果、両システムで採水し分析した溶存鉄濃度および未ろ過鉄濃度の値は一致し、改造した SBE32c システムがクリーン採水に十分使用できるスペックを持つことが確認された。
また、船舶から表層海水をクリーンに採水するためのデバイスを技術部で製作した。
11 m のカーボンファイバー製の竿の先端に、PVC 製のポリカーボネートボトルのホルダーを装着し、表層海水をクリーンに掬えるデバイスを製作した。このデバイスは
2021 年 4 月に南部オホーツク海で実施した新青丸航海にて使用し、うまく採水できることを確認した （図 2）。

3図１（左上） 白鳳丸クリーンシステムと （左上） 改造した SBE32c クリーン採水システムとの比較結果 （右図）。

図2

表層海水デバイスとテスト。

② 南部オホーツク海に設置したセジメントトラップ係留計
オホーツク海で生物生産を生み出すメカニズムを明らかにするために、南部オホーツク海に定点を設け沈降粒子を収集するためのセジメントトラップの設置を行った。2020 年
12 月に当センター主催の白鳳丸 KH-20-12 航海を実施し、網走沖クリル海盆斜面域に観測定点を設け（図 3、地図黄色点）、MacLane 社製セジメントトラップ MARK78G-21 を
水深 577 m に設置した。サンプリングは 2020 年 12 月 25 日 01:00JST から始まり、17 日間のインターバル、合計 374 日間サンプルを採取する設定としている。サンプルカップには、塩分を 5 psu 高めた 2.5 %中性ホルマリン溶液を満たしてサンプルの腐敗を防いでいる。セジメントトラップは 2022 年度に回収する予定である。
4

図3

図 4

セジメントトラップの設置。

表層クリーン連続採水システム。左上：船内に取り込んだ水をブース内でクリーンに採水する。右上：船内に取り込んだ水の水温・塩分・蛍光値などを測定する。左下：曳航体。航行することにより、採水口の先端が沈み、ポンプで海水を汲み上げて、船内に取り込む。右下：この採水作業に並行して XCTD 観測も行なった。

図5

表層モニタリングの結果 （左から塩分、水温、クロロフィル蛍光）。
5

③ 海氷融解期に実施した南部オホーツク海観測
海氷融解期の南部オホーツク海で起こる植物プランクトン大増殖の観測するために、
2021 年 4 月 11 日から 5 月 1 日にかけて新青丸航海を実施した。観測ではベクトラン
アーマードケーブルを使用したクリーン CTD 採水、表層クリーン連続採水システム（図 4） を使用した表層モニタリングを駆使した観測を実施した （図 5）。観測の結果、南部オホーツク海において海氷融解水が表層に広がる様子をとらえることに成功し、海氷融解水が栄養物質循環と植物プランクトンブルームに与える影響を解明するためのサ
ンプルの採取に成功した （図 6）。この航海では、クリーン採水、表層モニタリングシス
テム等で技術部のサポートを得ている。

図6

海氷融解水が栄養物質循環と植物プランクトンブルームに与える影響。

6

南極における大気-氷床-海洋相互作用観測の発展
青木 茂 1, 2、小野 数也 3、森 章一 4、平田 康史 4、中山 佳洋 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）における重点観測研究として推進されている。プロジェクトが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、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、運用成功までに超えなければならないハードルが数多く存在する。また、観測機材の国内での整備および準備と現場までの輸送は、必須であり欠かせないステップである。
2021 年度はこのプロジェクトの最終年度として、第 63 次日本南極地域観測 （63rdJapanese Antarctic Research Expedition: JARE63） において、昭和基地近傍を囲むリュ
ツォホルム湾にあるラングホブデ氷河上での氷河・氷河底海洋観測、およびリュツォホル
ム湾・ケープダンレー沖・トッテン氷河近傍海域における海洋観測を実施する予定である。このための氷河上輸送用橇の準備や海洋観測機材の整備と準備、および研究所からの荷だし・荷受けの輸送作業を実施した。またこれまでの観測を終え、研究所に帰ってきた機材にロギングされているデータの取得・整理やプロファイラープラットフォーム機
材の調整などといった作業を実施した。

時系列プロファイラー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、これまで （株）IHI と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）。係留された本体ブ
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

7

データを伝送する仕組みとしている。このブイは 3 月から 11 月までの半年を超えるデー
タ取得に成功した。

図1

時系列係留プロファイラー。（左）2020 年 2 月に回収した状態、（右）その動作原理。

しかしながら、上記のブイは流速が強い場合に浮上に困難があることが判明した。そのためこの方式とは別の機構を試す目的で、ウィンチによって上下するプロファイラーを導入した （図 1）。ベースは日油技研製の SeaSAW であり、これに海氷を回避するためのプログラムを実装し、衛星経由のデータ伝送ユニットを装着して運用した。一年間の運用を想定して 2019 年の 3 月に設置したところ、上下してプロファイルを取得したのは、ひと月程度にとどまった。一年後の 2020 年 2 月の回収時には、浮上したときに位置を知らせる衛星通信機能がプログラム通りに作動したため、回収することには成功した。
データ取得が短期間に終わった原因は、基板の配線が衛星回線の利用のシークエンスにともなって電力を消費するようになっており、プロファイラー本体と衛星ユニットを結合すると頻繁なコミュニケーションが起こり、余計な電力を消費する状態だったことにあると判明した。この予期せぬ動作についての原因をつきとめ、これを修正した。

深海水温時系列観測の実施と解析
本プロジェクトでは、リュツォホルム湾沖コスモノート海 4500 m 深の海底上において、プロジェクト開始にさきだって 2005 年から継続している海底圧力計システムによる観測の一部を継承し継続してきた。圧力計のプラットフォームに高精度水温計を搭載し、データロガーに水温データを取得している。今年度の回収およびデータロギングの成功により、15 年を超える貴重な長期連続水温データが取得できた。
この底層水温は、これまで経年変動を伴いつつ上昇傾向にあると捉えられてきた。しかし、今回取得できたデータは全体的に低下傾向を示し、2005 年の観測開始時の水温レベ
ルに近づきつつあるようにもみえる。さらなる監視が必要である。

8

図2

底層水温時系列観測の結果。赤字で示した期間が今回回収したセンサーによる部分
を示す。

図3

国内物資輸送における作業風景。フォークリフトの利用により、重量物の移動が省力化できた。

9図4

熱水掘削用のドリルを氷河上で輸送するための橇。ラッシングベルトで固定して使用する。

観測輸送支援フィールドでの観測を行う上では、観測機材の万全の準備と国内および現地での安全な輸送がその基礎となる。本プロジェクトの南極におけるフィールド観測には、多くの重量物の利用が伴い、その輸送量も多量にのぼる。
国内輸送の段階では、今年度より導入されたフォークリフトによるトラック輸送が輸送作業の効率化に寄与した （図 3、小野ら 2021）。メッシュパレットやパレットに搭載したブイ群など、重量物の安全な移動と省力化に威力を発揮した。また、今年度計画されている氷河上での観測物資輸送のために、新たに輸送用の橇を製作した （図 4）。以前にも海氷上での物資輸送用に同様の橇を製作したが、今回の橇も熱水掘削用のドリルをはじめ、大型の機材を氷上輸送するうえで必須の機材である。こうした基盤的な作業は目立たないものの、なくてはならない工程であり、観測作業全体への貢献度は高い。

おわりに今年度で本プロジェクトはいったん終了する。プロジェクト全体では、トッテン氷河の前面や周辺広域における海洋観測の成功をはじめ、リュツォホルム湾への暖水流入とそれにともなう白瀬氷河の融解の発見など、世界的に見ても画期的な成果を得ることができた。今年度の JARE63 の観測成果をもちかえり、現在出版に向けて努力中の成果とあわせて、プロジェクト全体の成果として社会に還元していく。
10

今回のプロジェクトで得られた成果と経験に基づき、南極海洋観測においても新たな観測プロジェクトが始まる。この中で低温研も引き続き中心的な役割を担う。従来の観測機材やこれまで開発した機材による観測を継続するほか、さらに新たな観測手法の開発に臨む。氷海域での汚染フリーな海水のサンプリングや遠隔操作型無人潜水機（Remotely Operated Vehicle） や自律型無人潜水機 （Autonomous Underwater Vehicle）
による採水など、新たな観測・測定ニーズも生まれつつある。これまでの技術部による機器開発と観測実施に対する尽力に感謝するとともに、今後も引き続き観測への貢献を期待するものである。
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、 20、5 – 9、2015.
小野 数也、森 章一、佐藤 陽亮、藤田 和之、斎藤 史明 「新規導入されたフォークリフトについて」 北海道大学低温科学研究所技術部技術報告、 27、1 – 2、2021.

11氷晶核能測定装置の開発２
大塚 美侑 1、飯塚 芳徳 2、森 章一 3、斎藤 史明 3、宮﨑 雄三 2
1. 大学院環境科学院
2. 雪氷新領域部門氷河・氷床分野
3. 技術部装置開発室

1. 背景と目的
大気中に存在する雲は液体と固体の雲粒によって構成される。どちらも、エアロゾルが雲核となるが、海塩粒子や硫酸塩粒子などの水溶性エアロゾル粒子は液体雲粒を形成す
る雲凝結核となりやすく、鉱物性粒子や生物起源粒子などの疎水性エアロゾルの一部は固体の雲粒 （氷晶） を形成する氷晶核 （INPs） となりやすい。氷晶の核形成にはいくつかの経路 （昇華核・凍結核・凝結凍結核・接触凍結核） があり、INPs を含む一部の雲滴のみが均質核形成温度 （約 -38 ℃） よりも高い温度で凍結が起こるため、INPs による不均質核生成・（内部浸漬） 凍結核は特に重要な経路である。こういった INPs による不均質
核生成機構を明らかにするためには、どのようなエアロゾル粒子がどの程度 INPs として働く能力 (氷晶核能) を持つのか明らかにする必要がある。とりわけ、北極圏では大気温が低い傾向にあり、下層大気中で氷晶と過冷却雲滴の混在する雲 (混相雲) が頻発しているため、熱帯や温帯と比較して氷晶核がより重要になる。エアロゾルの持つ氷晶核能解明に向け、北極圏の現地で採取したエアロゾルの氷晶核能について理解は進みつつあるが、過去のエアロゾルの氷晶核能についてはよくわかっていない。本研究では、北極圏における過去の氷晶核エアロゾルの実態解明に向け、グリーンランドのアイスコアに含まれる
過去のエアロゾルの氷晶核能を復元する装置を開発している。

2. 改良中装置の概略およびバックグラウンド検証
2.1. 改良中装置の概略と制御系
エアロゾルの持つ INPs として働く能力(氷晶核能)の評価には、w / o エマルジョン化
した試料液滴を -38 ℃以下まで冷却していき、結果より得られる、ある温度における試料液滴の凍結割合が用いられる。試料液滴中に氷晶核能が高いエアロゾルが含まれる場
合、比較的高い液温で凍結する。氷晶核能となるエアロゾルが含まれない液滴 （例えば超純水; 比抵抗約 18.1 − 18.2 MΩm） は -38 ℃付近まで凍結が起こらない。したがって試料液滴の凍結温度を調べることで、試料中に含まれるエアロゾルの氷晶核能を考察することができる。そのため、w / o エマルジョンを 0 ℃から -40 ℃の温度範囲において、冷却速度を可変することができる冷却装置を開発している。
現在、バックグラウンド検証実験を行うに際して改良中の装置の概略図を図１に示す。
本装置は生物顕微鏡 （WRAYMER、BX − 2700TL） のステージ上に設置したエマルジョ
ン試料を液体窒素によって約 1 ℃ / min の冷却速度で冷却していく。顕微鏡には顕微鏡
12

用 USB デジタルカメラ （WRAYMER、NOA シリーズ） を接続しており、透過光で実験中の様子を撮影することができる。撮影した画像からエマルジョン試料に含まれる液滴の凍結の有無を判別する。
冷却速度の制御には、任意の温度勾配プログラムを組むことができるデジタルプログ
ラム調節計 （株式会社チノー、KP1000） を用いた。試料温度の測定には調節計に接続した白金測温抵抗体を用いた。白金抵抗体の実測値とプログラム設定値はソフト TRAMS
Ⅳ （株式会社チノー） によって常時監視することができる。

図１

装置の概略。

2.2. 改良中の実験空間冷却システムについて
昨年度まで実験空間の冷却には、電気的制御が容易なペルチェ素子を用いていた。今年
度は透過光による光学顕微鏡観察の必要性などがあり、ペルチェ素子による冷却では構造が複雑かつ大型になる事から、液体窒素による冷却システムを構築し、予備実験を繰り返した。予備実験の結果と、過去に製作した冷却装置の経験から、実験空間として図 2 に示す試料冷却板を設計し、現在製作を行っている。

13

図2

試料冷却板の構造。

試料冷却板の構造は、対物レンズの焦点距離 （約 6 mm） で観察可能な設計とした。実験空間は空間内の温度ムラを小さくするため、無酸素銅による冷却板で囲み、底部は比較
的熱伝導率の良いサファイアガラスとした。また、外部との断熱性を良くするため、この冷却板はガラスとステンレスによる密閉筐体内に断熱空間を介して支持される。
温度調節方法としては、デジタルプログラム調節計からの制御信号によって冷却用液
体窒素の流量を変化させる方式を採用した。調節計の設定を最適化すれば、この液体窒素
流量を可変する冷却方法でも誤差 0.5 ℃以内の温度管理が可能である。留意点として、今回の冷却方法は、真空ポンプを使用してタンクから液体窒素を吸引する基本構造である
ため、減圧状態で液体窒素が蒸発し続け、温度低下によって配管内にて窒素の凝固が起こりやすい。
3. 超純水液滴を用いた予備実験による実験環境の検証
超純水水滴が氷晶を形成する温度が -38 ℃付近であることから、-40 ℃まで冷却していき、改良中の装置環境で超純水水滴が理論値近くまで凍結が起こらないかどうか確認
し、装置改良後の実験環境の妥当性を事前に検証した。実験方法の詳細は以下のとおりである。銅製冷却ブロックに実験エリア （直径 5 mm、高さ約 1.5 mm の円筒型、アクリル製底面） を設け、設置したエマルジョン試料（分散相: 超純水、連続相: Mineral Oil + Span
80 : 0.15 wt %）を冷却し、その温度と液滴凍結割合の時間変化を顕微鏡で観察した。
図 3 と 4 に 2021 年 10 月 7 日に行った実験の結果を示す。プログラム調節計により-1 ℃ / min の冷却速度を設定し、-40 ℃まで冷却実験を行った。実験中に撮影した写真か
ら液滴の凍結判別及び凍結割合の計測（観察した液滴総数 170）をおこなった。結果、液滴凍結割合 50 %の温度は約 -35 ℃付近となり、理論値に近い値となった。

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凍結割合

1

0.5

0
-40

-35

-30

-25

温度 (℃)

図3

図4

バックグラウンド検証実験における凍結割合の結果。

冷却実験中の液滴写真。上から順に約-29.02 ℃、-30.88 ℃、-38.60 ℃ （全液滴凍結）。凍結が起こると液滴の色が変化するため、輝度の変化により凍結の有無を判別することができる。

4. まとめアイスコア試料に含まれるエアロゾル試料の氷晶核能を評価するために、氷晶核能測定装置の開発を継続しおこなっている。現段階では、バックグラウンド環境実験で得られる結果が理論値を精度よく再現できるような環境構築が出来つつある。今後は改良版の装置で引き続きバックグラウンド検証を行なっていく予定である。
15

非接触温度計をラズパイに取り付けた
小野 数也
技術部先端技術支援室

はじめに
氷温プロファイラーを製作して以来（青木ら 2018）、しばらく電子工作をしていなかった。今回、学習のため、非接触温度計を Raspberry Pi（以後ラズパイ）に接続し、どのようにデータが得られるかを調べた。簡易に実現する方法としては、他に Arduino などもあるが、今回はデータの切り出し加工が容易なラズパイで接続した。なお、この課
題は令和 2 年度技術部技術奨励費の助成で行った。
ラズパイは ARM プロセッサを搭載したシングルプロセッサコンピュータで、Linuxの知識があれば、驚くほど簡単に操作できる。電子工作のボードとしてだけではなく、超小型 PC としても利用可能で、サーバ機能を有した、電子機器として広く利用可能である。

温度計テスト
今回利用した温度計は OMRON 社製形 D6T MEMS 非接触温度センサである （図 1）。
温度値が直接アウトプットされるため、プログラミングなどを利用した難しい計算は一切必要としない。−40 ℃から測定できるものや、1024 ピクセル測定できるものがあり、使い分けることにより様々な用途に利用可能である。

図1

非接触温度計（OMRON D6T-32L-01A）をラズパイに繋いだ様子。

16

インターネットで入手可能なサンプルプログラム*1 を利用し、32×32 ピクセルで視野角が上下左右それぞれ 90°のもの（D6T-32L-01A）で、作図した （図 2）。非常に簡単な手順で、温度センサーとして利用でき、感動すら覚えた。

図2

筆者が手を広げた時の温度分布（解像度は 32×32）。

おわりに今回、温度計を Raspberry Pi に繋ぎ、サンプルプログラムを動かし、データを出力しただけである。コネクタ作りに苦労したぐらいで、非常に手軽で小型の非接触温度センサーが構築できた。ディスプレイに表示できれば、簡易なサーモグラフィになり、サー
バ機能を使って web にアップロードすることも可能である。GPS を取り付ければ、平面的な温度分布を見ることができる。今後は令和 3 年度技術部技術奨励費で助成いただいたドローンに取り付けることを目的にし、できるだけ全体を軽くしたもので、地表面や海水面のデータが取れるかなどを調べてみたい。
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「南極における大気—氷床—海洋相互作用観測の進展」 北海道大学低温科学研究所技術部
技術報告、 24、4 — 8、2018。

*1 https://github.com/omron-devhub/d6t-2jcieev01-raspberrypi
17宇宙形成史を探る超広視野・広帯域サブミリ波カメラの開発
竹腰 達哉 1 、大島 泰 2 、陳 家偉 3 、李 建鋒 3 、宇野 慎介 3 、井上 修平 3 、長沼 桐葉 4 、
丹羽 佑果 5 、都築 俊宏 2 、藤田 和之 6 、香内 晃 6 、中坪 俊一 7 、美馬 覚 8 、田井野 徹 9 、
川邊 良平 10

1. 北見工業大学
2. 国立天文台 先端技術センター
3. 東京大学 天文学教育研究センター
4. 電気通信大学
5. 東京工業大学
6. 北海道大学 低温科学研究所
7. 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所
8. 情報通信研究機構 未来 ICT 研究所神戸フロンティア研究センター
9. 埼玉大学 理工学研究科
10. 国立天文台 科学研究部

はじめに ― 科学目標
星や銀河はいつ、どれだけ作られてきたのだろうか。可視・近赤外線望遠鏡による大規模な銀河探査からは、星形成率が時代をさかのぼって赤方偏移 z =1−2 (60−100 億年前) にピークを持ち、それより昔 (z > 3, 115 億年以上前) では急速に低下することが示されてきた[1]。一方、サブミリ波帯では、近年のハーシェル宇宙望遠鏡による観測から、高い星形成率の起源が赤方偏移 z = 6 (128 億年前) までさかのぼるという、驚くべき可能性が示唆がされている[2]。しかし、サブミリ波帯での高赤方偏移銀河 (z > 3) のサンプ
ル数は 100 個程度しかなく、未だに大きなバイアスがあると考えられる。このような状
況を打破するため、初期宇宙の銀河サーベイに最適な、次世代のサブミリ波カメラ開発を推進中である。図 1 に示すように、波長 2 mm 帯から 450 µm 帯に渡る 6 色の同時撮像
観測を、単一装置では世界で初めて実現することで、ハーシェルよりも遠方の星形成銀河の測光学的赤方偏移の精密推定が可能になり、初期宇宙における真の星形成の描像の確立が期待される。

多色サブミリ波カメラの概要
本装置は、北極圏のグリーンランドに設置されている直径 12m のサブミリ波望遠鏡、
グリーンランド望遠鏡 (GLT) [3] への搭載に向けて開発を推進している。GLT は現在

Thule に設置されているが、地上有数の電波天文サイトとして期待されるサミット基
地 (標高 3200 m) への移設が計画されている。GLT はチリ、アタカマ砂漠で運用中のALMA 望遠鏡の 1 素子である 12 m アンテナのプロトタイプとして開発されたアンテナであり、テラヘルツ帯も観測可能な高精度な鏡面を持つ。また、既存サブミリ波望遠鏡と比べて広い受信機室を持つため、図 2 に示すような広視野な結像光学系を構築することが可能であり、アタカマ砂漠にある ASTE 10 m 望遠鏡[4]やハワイ・マウナケア山頂
18図1

様々な赤方偏移の星形成銀河のスペクトルエネルギー分布と、GLT カメラの観測バンドの関係。赤方偏移によるピーク位置の違いを利用して、初期宇宙の星形成銀河の測光赤方偏移に制限を与える。ハーシェル宇宙望遠鏡は z = 3 程度までの銀河の検出に適しているが、新カメラはより初期宇宙に近い星形成銀河の検出と赤方偏移推定に最適である。さらに、これらのデータを組み合わせることで、より高精度な赤方偏移推定が可能になる。

図2(左図) GLT 光学系設計解。約 2 m 強の大きさの受信機室キャビン内に、最大直径 80 cm 程度の光学ミラーを含むの 3 枚の自由曲面ミラーを配置する。また、2 枚の高密度ポリエチレンレンズを

4 K 以下のクライオスタット内に設置する。極低温検出器の動作温度である 250 mK になる焦点面直径は、およそ直径 16 cm となる。 (右図) 波長 450 µm でのストレール比マップ。黒円は視野 18′ を示し、視野全面でストレール比 0.85 を超える無収差光学系となる。

19

図3

(左図) 多色同時撮像焦点面の概念図。光学系によって集めた電波は光学フィルターによって不要な波長帯を除去し、ホーンアンテナと平面アンテナを通してチップ上にカップルさせる。その後、
バンドパスフィルターによって色分けしたのち、極低温検出器 MKID でサブミリ波を検出する。 (右図) 試作した多色検出器チップ。

に設置されている JCMT 15 m 望遠鏡の視野 8 分角と比べ、5 倍の視野面積となる 18 分
角もの広視野光学系を構築できることを確認している。
図 3 に極低温焦点面検出器の概念図と検出器チップの試作品を示す。本カメラは 1 つの焦点面で 3 色同時撮像を実現するため、オンチップバンドパスフィルターを用いた多色検出器技術を導入する。これをフィルターやホーンアンテナと合わせてモジュール化
した焦点面系の製作を進めている。サブミリ波光学フィルターは、帯域外の放射の混入を避けるために必要なコンポーネントであり、多色同時撮像のための広い観測帯域幅を確保するために、新規に設計・製作する必要があった。そこで電磁界シミュレーション
ソフトの COMSOL を用いて設計を行い、商用のフレキシブルプリント基盤技術を応用した安価かつ短納期を実現する製作技術を確立した[5]。ホーンアンテナアレイは、北大
低温研での製作実績のあるコニカルホーンアンテナ[4]を 91 素子にしたものを製作する予定である。また、サブミリ波の検出器には、国内にも製作技術があるマイクロ波力学
インダクタンス検出 (MKID) を用いる。現在は評価試験用に、MKID を平面アンテナや
バンドパスフィルターなど、シリコンウェハーに実装するデザインの詳細設計を進めている。これらをモジュール化したものを、ASTE 望遠鏡用カメラのために開発した測定環境を用いて、まずは 8 ピクセル程度のモジュールを製作し、光学性能の検証を行う予定である。
極低温の焦点面をサポートする構造体には図 4 に示す、新たな材料を用いる計画である。等方性黒鉛を断熱保持構造に使った大型極低温焦点面ステージは、4 K のベースから 250 mK ステージをつなぐ構造体であり、高い断熱性と冷却時間の短縮を両立させるものであり、すでに製作と冷却試験が完了している。これまで極低温ステージのサポート材として用いられている Vespel と比べ、4 K 以下での熱絶縁性能が高いにもかかわら20

図4(左図) 等方性黒鉛を用いた極低温焦点面ステージ、下から 4 K, 1 K, 350 mK, 250 mK ステー

ジで、中央のヘリウム 3 吸着式冷凍機で極低温まで冷却する。それぞれのステージをつなぐ構造材として、極低温で熱伝導率が急激に小さくなる等方性黒鉛を用いている。 (中央図) シリコンアルミ複合材を用いたコニカルホーンアンテナアレイ。開口直径は 5.5 mm、長さは 16 mm である。 (右図)ホーンアンテナ間の壁構造。100 µm の壁厚さを実現している。

ず、それ以上の温度での熱伝導が良いため、速い冷却サイクルと低い到達温度を両立することが可能になった。また構造強度が高いこと、価格が安いことも大きなメリットであり、今後、極低温が必要な物理実験での利用が進むことが期待される。
また、シリコンウェハーと相性の良い低熱収縮率 (アルミの約 1/3) をもち、かつ超伝導検出器の性能悪化を避けるための超伝導磁気シールド性 (T c = 1.2 K) を持つ、シリコ
ンアルミ複合材 (Si 70%, Al 30%) をホーンアンテナ・検出器ウェハーのパッケージ材として利用する予定である。これらの新素材の加工技術は、大型焦点面を実現する上での重要な基盤技術であり、今後様々な分野にも展開できるであろう。

今後
我々は、2025 年頃の GLT での運用開始を目指して、この新たなサブミリ波カメラの開発を推進している。本装置は、超広視野と多色同時撮像によって、既存のサブミリ波観測装置の 10 倍以上の観測効率の改善が期待される。そのため宇宙星形成史の理解にとどまらず、銀河団中の暗黒物質の分布の解明や、銀河系内の星形成領域に対する星間ダストの観測など、様々なテーマでも科学観測が提案されており、多様な天文学的成果の創出が期待される。さらに、2030 年代に実現が期待される次世代大型サブミリ波望遠
鏡 LST[6]においても、本研究で開発される多色同時撮像手法や広視野光学系の設計技術が応用できるため、GLT 望遠鏡での科学運用の実現は、LST の実現に向けた重要なマイルストーンとなる。

21

謝辞
本研究は、低温科学研究所の一般共同研究 (20G013, 21G006,「グリーンランド氷床からの超広視野サブミリ波宇宙探査観測の実現」) として開発を推進しています。本計画の前身となる ASTE 望遠鏡の多色サブミリ波カメラ、そして現在推進中の ASTE 望遠鏡に開発を推進している超広帯域サブミリ波分光系 DESHIMA の開発とあわせ、サブミ
リ波天文観測装置開発への多大な貢献に対し、低温科学研究所の皆様に感謝を申し上げます。
また、本研究は JSPS 科研費 17H02872, 19K14754, 21J20742, 文部科学省卓越研究員事
業 JPMXS0320200188 (竹腰), 自然科学研究機構国立天文台研究交流委員会の助成を受けたものです。

参考文献[1] Piero Madau & Mark Dickinson, “Cosmic Star-Formation History”, Annual Review of Astronomy and Astrophysics 52, 415, 2014[2] Michael Rowan-Robinson, Seb Oliver, Lingyu Wang, et al., “The starformation rate densityfrom z = 1 to 6”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 461, 1100, 2016[3] Satoki Matsushita, Keiichi Asada, Makoto Inoue, et al., “Commissioning status of theGreenland Telescope (GLT)”, Proc. SPIE, Ground-based and Airborne Telescopes VII,
1070029, 2018[4] Tatsuya Takekoshi, Tetsuhiro Minamidani, Shunichi Nakatsubo, et al., “Optics Design and
Optimizations of the Multi-Color TES Bolometer Camera for the ASTE Telescope”, IEEE
Transactions on Terahertz Science and Technology, 2 (6), 584, 2012[5] Shinsuke Uno, Tatsuya Takekoshi, Tai Oshima, et al., “Demonstration of wideband metal
mesh ﬁlters for submillimeter astrophysics using ﬂexible printed circuits”, Applied Optics,
59 (13), 4143, 2020
[6] Ryohei Kawabe, Kotaro Kohno, Yoichi Tamura, et al., “New 50-m-Class Single Dish Telescope: Large Submillimeter Telescope (LST)”, Proc. SPIE, Ground-based and Airborne
Telescopes VI, 990626, 201622

低温観察用チャンバー２号機の開発について
佐﨑 元 1、斎藤 史明 2、森 章一 2、宮本 玄樹 1、長嶋 剣 1、村田 健一郎 1
1. 雪氷新領域部門相転移ダイナミクス分野
2. 技術部装置開発室

１．はじめに氷は地球表面上で最も多量に存在する材料の一つであるため、氷の相転移（成長、融解、昇華等）は気象や環境問題をはじめとした様々な現象を支配する。そのため、氷結晶表面で進行する様々な相転移現象を分子レベルで理解することは極めて重要である。
これまで我々は、氷結晶表面上の水１分子高さの単位ステップ（図１：結晶表面に普遍的に存在する分子層の成長端）を直接光学観察できる高分解光学顕微鏡を開発し [1]、氷結晶の成長カイネティクスの分子レベル計測 [2] や、氷結晶の表面融解に伴い生成する擬似液体層の直接観察 [3] を行ってきた。しかし、技術部にこれまで製作していただいた観察チャンバーでは -25 － 0 ℃の温度領域での観察しかできなかった。一方、液体窒素温度に近い -160 ℃程度の低温度下では、超高真空チャンバー中で氷結晶表面の走査型トンネル顕微鏡観察が行われている（図 2）[4]。しかし、-160 － -25 ℃の幅広い温度領域では、ステップのサーマル・ラフニング （図 2 → 図 1） や、氷結晶最外表面の無秩序化など[5, 6]、数々の興味深い現象が手付かずで残っている。そのため、我々は -160 － -25 ℃の温度領域での光学その場観察実験を実現するべく、その場観察チャンバーの開発に昨

図1

結晶の六角底面上で、2 次元島状の分子層 （0.37 nm 厚み） が出現
し、横方向に広がることで氷結晶 が 成 長 す る 様 子 [1] 。 温 度 は-10.0 ℃。

図2

23

氷 Ih 結晶六角底面上の分子層の走査型トンネル顕微鏡像（115 K）[4]。

年度より取り組んできた。今年度は、ようやく実用に耐えうると期待される 2 号機が完成したので、これまでの紆余曲折を紹介する。

２．基本コンセプトと１号機
低温用その場観察チャンバーの概念図を図 3 に示す。無酸素銅製のステージ A と B に、真空 （ロータリー）ポンプを用いて液体窒素を送液することで、両ステージを冷却した。また、銅ステージには加熱のためのヒーターが取り付けられている。液体窒素の送液量とヒーターの加熱量を、制御器を用いて精密に制御することで、上部および下部の銅図3

低温様観察チャンバーの概念図。

ステージの温度を独立に制御した。
開発にあたり最初に苦心した点は、配管内部での液体窒素の固化をいかに防ぐか、であった。液体窒素の場合、沸点は -196 ℃であるのに対し、凝固点は -210 ℃である。そのため、真空ポンプによる減圧を利用して液体窒素を送液しようとすると、液体窒素の昇華に伴う温度低下により、配管内で液体窒素が容易に固化してしまい、観察チャンバーを冷却できなくなった。はじめは、配管の断熱性を向上させるなどの手段を講じたが全て逆の効果しか得られなかった。そのため最終的には、デュワーから観察チャンバーまでの配管を銅製とし、配管に常に外部から熱を与えることで、液体窒素の固化を防止した。
主に令和 2 年度に製作した、低温観察用チャンバー１号機の断面図を図 4 に示す。断面図中、斜め網掛けがかかっていない部分は、空気 （あるいは窒素） で満たされている。

ステージ A
ステージ B

図4

ステージ B-150 － -20 ℃の温度領域で、所定の蒸気圧下で、氷結晶表面を光学観察する
ための観察チャンバー１号機。

24

図5

低温観察チャンバー１号機のステージ B 上の温度分布。左図で示した地点 1－3では、大きな温度分布が見られた （-90 ℃において最大 10.4 ℃）。

観察するための氷結晶を担持・温調するためのステージ A、および観察する氷結晶に水蒸気を供給するための氷を担持・温調するためのステージ B（ステージ A の周囲に同心円状に配置）が密閉空間中に配置された構造を持つ。両ステージには液体窒素を供給し、ヒーターによる加熱によって所定温度に温調する。ヒーターからの発熱量をできるだけ低減させるため、液体窒素の流量を電磁バルブで制御した。後に紹介する 2 号機に比べて、ステージ A と B がテフロン製のスペーサーを介して熱的に接触している点が大きな特徴である。
観察チャンバー１号機を運転して、ステージ B 上の温度分布を計測した一例を図 5 に示す。図 5 左に示す様に、液体窒素の入口を地点１、入口と反対側を地点 3、その中間を地点 2 とした。地点 2 の温度が最も低い理由は定かではないが、地点 3 では液体窒素は既に蒸発しているため、最も温度が高いと考えられる。図５右に示した様に、-90 ℃では
最大 10.4 ℃の温度差がステージ B 内部に存在することがわかった。そのため、このままでは氷結晶表面の精度の良いその場観察実験を行うことはできないと結論づけた。

３．改良を加えた２号機
低温観察チャンバー1 号機では観察ステージ B 内部の大きな温度分布が問題となった。
そのため、2 号機では観察ステージをできるだけ「空間」を利用して熱的に分離し、チャンバー内での各部材同士の熱接触を最小にすることをコンセプトとした （図 6）。ステー
ジ A および B は、互いにその周囲と力学的な強度が確保できる最小面積しか接触しておらず、ステージ B も、液体窒素を送液する銅パイプでしかチャンバー外周部とは接触していない。また、１号機ではチャンバーB 内部で液体窒素を一周循環させたが （図 5 左）、
2 号機ではチャンバーB 内部で液体窒素を循環させる距離を半周と小さくした （図 7 左）。
25

図6-150 － -20 ℃の温度領域で、所定の蒸気圧下で、氷結晶表面を光学観察する
ための観察チャンバー2 号機。

図7

低温観察チャンバー2 号機のステージ B 上の温度分布。左図で示した地点 1 －3 では、最大でも 0.8 ℃の温度差しか見られなかった。

観察チャンバー2 号機を運転して、ステージ B 上の温度分布を計測した一例を図 7 に示す。温度を計測した地点については図 7 左をご覧いただきたい。その結果、図 7 右に示した様に、ステージ B 内部での温度の分布を 0.8 ℃以内に抑え、ほぼ均一な温度分布を実現することに成功した。また、1 号機ではステージ B の温度は -100 ℃程度までしか下がらなかったが、2 号機ではステージ B の温度を -140 ℃まで低下させることができた。これも、チャンバー中でのステージ B の熱接触を最小に抑えた成果である。
以上示した様に、低温観察チャンバーおよびその温度制御システムを技術部に製作していただくことで、これまで全く実験例がない温度領域で氷結晶を光学観察できるチャ26

ンバーが出来上がった。今後、本チャンバーを用いて、これまで誰も直接観察することができなかったステップのサーマル・ラフニングや氷結晶表面上の無秩序化層についての研究が飛躍的に進み、氷の表面融解についての統一的な理解が得られることを期待している。

５．おわりに本稿よりおわかりのように、当研究グループが行いたい研究を実現するための実験装置
は、一切市販されていない。そのため、これまで全ての実験装置を技術部で製作していた
だいてきた。そのため、当グループの研究には技術部のご支援が必要不可欠である。技術部よりこれまでいただいてきた多大なご支援に心より感謝申し上げる。
参考文献[1] G. Sazaki, S. Zepeda, S. Nakatsubo, E. Yokoyama, Y. Furukawa, "Elementary steps at thesurface of ice crystals visualized by advanced optical microscopy", Proc. Nat. Acad. Sci. U.

S. A., 107, 19702 − 19707 (2010).
[2] M. Inomata, K. Murata, H Asakawa, K. Nagashima, S. Nakatsubo, Y. Furukawa, G. Sazaki,"Temperature dependence of the growth kinetics of elementary spiral steps on ice basal
faces grown from water vapor", Crystal Growth & Desing, 18, 786 − 793 (2018).
[3] K. Murata, H. Asakawa, K. Nagashima, Y. Furukawa, G. Sazaki, "A new thermodynamic
origin of surface melting on ice crystals", Proc. Nat. Acad. Sci. U. S. A., 113, E6741 − E6748(2016).
[4] S. Nie, N. C. Bartelt, K. Thürmer, "Evolution of proton order during ice-film growth: An
analysis of island shapes", Phys. Rev. B, 84, 035420 (2011).
[5] M.A. Sánchez, T. Kling, T. Ishiyama, M.-J. van Zadel, P.J. Bisson, M. Mezger, M.N. Jochum,
J.D. Cyran, W.J. Smit, H.J. Bakker, M.J. Shultz, A. Morita, D. Donadio, Y. Nagata, M.
Bonn, E.H.G. Backus, "Experimental and Theoretical Evidence for Bilayer-by-Bilayer
Surface Melting of Crystalline Ice", Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 114, 227 − 232 (2017).
[6] Y. Nagata, T. Hama, E.H.G. Backus, M. Mezger, D. Bonn, M. Bonn, G. Sazaki, "The surfaceof ice under equilibrium and non-equilibrium conditions", Accounts Chem. Res., 52 (4),1006 − 1015 (2019).

27

ラズパイを使った GPS ロガーの製作
曽根 敏雄 1、千貝 健 2
1. 水・物質循環部門
2. 技術部先端技術支援室

1

はじめに
従来品よりはるかに低価格な高精度の RTK （real time kinematic） 測位が可能な GNSS

(Global Navigation Satellite System / 全球測位衛星システム) モジュール （図 1） が発売され、これを用いて数 cm 以内という精度での GPS 測位が実用化されてきた（トランジス
タ技術編集部ほか、2018）。しかし測位結果がリアルタイムで得られる RTK 測位は基地局
情報をリアルタイムで移動局へ送るという操作が必要で、これが運用上支障となることもある。一方、測位結果がリアルタイムでは得られないが、同精度で解析を行う PPK （postprocessed kinematic） という方法があり、多くの地形測量ではこの方法で十分な場合も多い。基地局と移動局それぞれがデータを保存しておけば、後で PPK 解析が行える。
そこで、本稿は GNSS モジュールにスイス U-Blox 社の高精度のデファレンシャル測位の可能な NEO-M8T,NEO-M8P、ZED-F9P 等を、ロガーに Raspberry Pi（以下ラズパイ）を用いることにより安価に GPS ロガーを製作すること、またこれを初心者でも製作ができることを目標とした。このロガー１台を移動局、もう 1 台を基地局として、2 台使用すれば、RTKLIB （トランジスタ技術編集部ほか、2018） というソフトを用いて PPK 測位が行える。上記の GNSS モジュールと Windows PC を用いれば高精度測位が実現できるが、実際に野外で PC を取り扱うことは、特に移動局では困難である。
ラズパイとは、マイクロ・コンピューターの一種であり （千貝・森 2015；千貝 2018）、
小型軽量で低消費電力という利点もある （図 2）。GPS 測位にラズパイを用いる例はこれまでにもあるが （例えば鈴木 2019、吉田 2019a と b）、ラズパイの初心者が扱うには敷居が高い。そこで初心者がなるべく簡単にラズパイを GPS ロガー化する手順を本稿に記す。

図１

GNSS モジュール基板。左から M8P （CQ 出版社）、F9P （CQ 出版社）、F9P （Sparkfun）。

28

図2

2

ラズパイ 3B+（上）とラズパイ ZERO Wi-Fi（下）。

機器構成
必要な物品を以下に説明する。

2-1 GNSS モジュール基板
U-Blox 社の NEO-M8T,NEO-M8P （1 周波）、ZED-F9P （2 周波） を用いた基板が各社から販売されている （図 1）。 性能としては、精度・利用開始までの待機時間で 2 周波のZED-F9P が上回るが、消費電力大きく、価格は高くなる。
2-2 ラズパイ
ここではラズパイ ZERO Wi-Fi をロガーとした。消費電力が大きくなるが、ラズパイ 3、
ラズパイ 4 などでも良い（図 2）。
2-3 マイクロ SD カード
ドライブレコーダー用か工業用規格のカードを使用する方が良い。容量は 8GB か 16GBあれば良いが、使用状況による。
2-4 接続ケーブル・アダプター
ラズパイ ZERO Wi-Fi は HDMI のコネクターが特殊なので、変換アダプターが必要になる。電源は USB-micro B ケーブルからとる。USB ポートは micro B が１つだけである。
GNSS モジュールと接続する際には、USB アダプターが必要となる。マイクロ SD カード
アダプターも必要となる。使用するラズパイの種類によって、各コネクターの種類が異なる場合がある。
29

2-5 アンテナ
GNSS モジュールに対応する GPS アンテナが必要である。
2-6 ジャンパーピンあるいはピンソケット、1 kΩ 抵抗
ジャンパーピンは 2.54 mm ピッチのものが 1 ケあれば良い。つまみ易いように背の高い形状のピンが良い （図 3）。ただし他の用途にも同じラズパイを使用する場合には、使い方によってはジャンパーピンでショートが発生する可能性がある。その場合ピン同士を直接接続するジャンパーピンではなく、ピンの間に 1 kΩ 程度の抵抗を入れたピンソ
ケット （メス） を使うのが安全である （図 3）。
2-7 電源最低でも 5 V、2 A 程度は必要である。スマホ充電用の USB 電源でも良い。
2-8 製作時等に必要なもの
ラズパイを単独で作業するために HDMI ディスプレイ、USB マウス、USB キーボードが必要である。また測定終了後に GPS ログデータを USB メモリーにコピーする際にも使用する。Wi-Fi 接続は、ラズパイの初期設定時に使用する。

図3

ジャンパーピン(左 2 つ)と抵抗を付けたピンソケット（右 2 つ）。

3 GNSS モジュールの設定
U-blox 社の u-center という Windows PC でのみ作動するソフトウェアで、GNSS モジュールの設定をする。ここでは、GNSS モジュールを ZED-F9P とする。GNSS モジュールをPC と USB 接続して、適切な com ポートを選び、通信速度を 115200 にする。[View] [Generation 9 Advanced View] を選んで、衛星の種類と搬送波を確認する。画面下の Write
to layer で RAM,BBR,Flash にチェックして [Send Configuration] のボタンを押すと設定を保存できる。[View] - [Message View]を選択する。次に左枠の [UBX] - [CFG] を選ぶ。ツリー
構造の選択肢の中から [MSG] を選んで、以下のメッセージを出力先 USB に指定する。
30

[UBX] - [CFG] - [MSG]
01-35 NAV-SAT
01-07 NAV-PVT
02-15 RXM-RAWX
02-13 RXM-SFRBX
F0-00 NMEA GxGGA
同じくツリー構造の選択肢の中から [PRT] を選んで、USB で入出力するフォーマットを選択する。
[UBX] - [CFG] - [PRT]
Target: 3-USB

Protcol in:0+1+5 -UBX+NMEA+RTCM3

Protcol out :0+1+5 -UBX+NMEA+RTCM3
同じくツリー構造の選択肢の中から [RATE] を選んで （ [UBX] - [CFG] - [RATE] ）、計測頻度 （例えば 200ms） を選択する。最後に、[UBX] - [CFG] - [CFG] を選んで、左下の Send を押して、設定を保存する。この選択は一例であり、必要に応じて設定は変えてもらいたい。

4

ラズパイを GPS ロガー化するための手順
今回紹介する GPS ロガーの基本動作は、ラズパイ単独で RTKLIB を作動させて GPS のログを取ることである。RTKLIB とは、オープンソースの GPS 解析ソフトである （トランジスタ技術編集部ほか、2018）。今回は rtkexplorer の WEB ページの記事を参考にした *1。
ラズパイは電源投入後にシステムが立ち上がり、自動的に GPS ログを取り始める。終了させるときは、ラズパイの基板上のあるピンを連結させることで、安全にシステムを終了し電源を切れるようにした。
4-1 windows PC での作業
SD カードフォーマッターでマイクロ SD カードをフォーマットする。次に Raspberry Pi
Imager （ラズパイの SD カード作成ツール） でマイクロ SD カードに Raspberry Pi OS （32bit） を書き込むが、10 分程度かかる。
以下の 4 つのファイル （Appendix 1 – 4 参照） をワードパッドやメモ帳などのテキスト編集ソフトで作成し、USB メモリーに保存する。
1

ttkexplorer, Pi Zero Based GPS data logger, http://rtkexplorer.com/pi-zero-based-gps-data-logger/（2021 年 10 月 20 日確認）31

・str2str_start.sh・gpslog.service
・shutdown_by_pin26.py
・shutdown_by_pin26.service
ファイル名に sh, py, service の拡張子をつける。
4-2 ラズパイでの作業
Raspberry Pi OS を書き込んだマイクロ SD カードをラズパイに入れる。HDMI ディスプ
レイ、USB マウス、USB キーボードをつないで、電源をつなぐ。最初に OS の初期設定を行い、その後 Wi-Fi に接続する。アップデートすると 20 – 30 分程度かかることもある
が、しなくても特に問題はない。
・RTKLIB のインストール：「LXTerminal」（画面左上の右のアイコン）を起動させ、下の文を入力する。
$ git clone https://github.com/tomojitakasu/RTKLIB.git
RTKLIB のダウンロードが始まるが、これには数分かかる。以下のコマンドで実行ファイルを作成する。
$ cd /home/pi/RTKLIB/app/str2str/gcc$ make
少し時間がかかる。途中 Warning と表示されるが気にしない。アンテナを接続した GNSS
モジュールを接続して以下のコマンドを実行し、日付時刻と bite 数が表示されればよい。
$ cd /home/pi/RTKLIB/app/str2str/gcc$ ./str2str -in serial://ttyACM0:115200 -out ~/output.ubx
Ctrl+C キーを押して停止する。output.ubx というログファイルが出来ている。先ほど作成
した 4 つのファイルが入った USB メモリーを、ラズパイの USB ポートに挿入し、/home/piにラズパイのファイルマネージャーを使ってコピーする。次に windows で作成したファ
イルの改行コードを CR+LF (Windows) から LF (Linux) へ変換する。
$ cd /home/pi/$ tr -d '\r' < str2str_start.sh > outputfile$ mv outputfile str2str_start.sh$ tr -d '\r' < gpslog.service > outputfile$ mv outputfile gpslog.service$ tr -d '\r' < shutdown_by_pin26.py > outputfile$ mv outputfile shutdown_by_pin26.py$ tr -d '\r' < shutdown_by_pin26.service > outputfile$ mv outputfile shutdown_by_pin26.service32

ラズパイ起動後、GPS ログを自動的にとるための作業：以下のコマンドを実行する。
$ cd /home/pi$ sudo chmod +x str2str_start.sh$ sudo mv gpslog.service /lib/systemd/system（File 名 gpslog.service の次に一つ空欄があることに注意）$ sudo systemctl daemon-reload$ sudo systemctl enable gpslog.service
動作確認は、次の様にする。
$ sudo systemctl start gpslog.service$ sudo systemctl status gpslog.service
止めるには

Ctrl＋C キーを押して停止する。

$ sudo systemctl stop gpslog.service
GPS ログファイルは、/home/pi/gps の中に作られる。ファイル名は log1、log2、という具合に順番に作られる。ラズパイ動作終了作業：以下のコマンドを実行する。
$ chmod 755 ~/shutdown_by_pin26.py
ここでラズパイ終了作業をテストするには、次の様にする。
$ cd /home/pi$ ./shutdown_by_pin26.py
画面が静止するが、次のピン操作をすると shutdown する。ここでいうピン操作とは、ラズパイのピンヘッダーを上側においた時に、2 列あるピンの下側の一番右 （39） と右から2 番目 （37） の二つのピンの両方にジャンパーピンソケット （図 3） を一瞬だけ挿す操作である。
・終了作業プログラムを自動起動させるための作業：以下のコマンドを実行する。
$ sudo mv shutdown_by_pin26.service /lib/systemd/system$ sudo systemctl daemon-reload$ sudo systemctl enable shutdown_by_pin26.service
設定が反映されない場合は、一度 reboot するとよい。
以上で、ラズパイを GPS ロガー化する作業は終了である。さらに省エネ対策として、
Wi-Fi と Bluetooh をオフにするのも良い。デスクトップ画面の右上のアイコンを操作してオンオフが選べる。アンテナ、GNSS モジュール、ラズパイと結線したのちに電源をつな
ぐと、ラズパイが起動して自動的にログを取り始める。ログを取り始めると緑の LED が点滅する。終了するためには、ピン操作をする。屋外で使用する時などロガーとしてのみ使用する時には、マウス、キーボード、ディスプレイは不要である（図 4）。この GPS ロ
ガーは移動局、基準局のどちらにも使用できる。
33

図4

GPS ロガー一式の例。右上から時計回りに、アンテナ、F9P 基板、USB アダプター、
ラズパイ、USB 電源

4-3 データの読み出し
データの解析は、windows PC で RTKLIB を用いて行う。しかし windows では、このファ
イルを直接マイクロ SD カードから読み込むことが出来ない。そこで、マウス・キーボー
ド・ディスプレーをつないでラズパイを立ち上げ、USB メモリーを挿し、ログファイル
を USB メモリーにコピーする。この USB メモリーにコピーしたファイルは Windows PC
で読むことができる。ただしラズパイ ZERO Wi-Fi でこれをやると、動作が遅く、不具合が生じることがあったので、最近ではラズパイ ZERO Wi-Fi をロガー専用とし、代わりにラズパイ 3B+を使っている。ラズパイ ZERO Wi-Fi 用に作ったマイクロ SD カードは、ラズパイ 3B+でも動作する。またラズパイ 3B+でロガー用のマイクロ SD カードを作り、それをラズパイ ZERO Wi-Fi で使用することも可能である。有線 LAN の使用や USB ポートの数など、ラズパイ 3 で作業する方が操作性は良い。ゆとりがあるならラズパイ 3 以上の機種で作業することをお勧めしたい。またこのカードを差し替える方法では、Wi-Fi 機
能のない種類のラズパイ ZERO でも、GPS ロガーとして使用できる。

5

おわりに
本稿は、ラズパイ初心者がなるべく簡単に実用 GPS ロガーを製作するための手引きとなることを目的とした。このため、実際には GPS 時間を液晶ディスプレイに表示できるGPS ロガーを製作したが、本稿では必要最低限の GPS ロガー機能のみ紹介した。ラズパ
イを指定時間に ON/OFF できる装置も市販されており、これと組み合わせれば簡単にインターバル計測が行え、地形変化や氷河の流動等の観測に利用できる。RTKLIB を用いた解析法などは WEB での情報を参考にしてほしい。ここに記載した内容は、すべての環境
での動作を保証するものではないので、自己責任で実施してもらいたい。
34

参考文献
鈴木 太郎（2019）全部入りポータブル RTK 局「TouchRTKStation」の製作、トランジスタ技術 2019年 2 月、123-128、CQ 出版社。
千貝 健・森 章一（2015）「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。
千貝 健（2018）「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、北海道大学低温科学研究所技術部技術報告、24、9 – 12。
トランジスタ技術編集部ほか（2018）地球大実験 ピタリ 1 cm 新 GPS 誕生[CD 付]、トランジス
タ技術 2018 年 1 月号、35 – 120、CQ 出版社。
吉田 紹一（2019a）1cm ピンポイント GPS RTK スタートアップ・マニュアル、64P、トランジス
タ技術 2019 年 2 月号別冊付録、CQ 出版社。
吉田 紹一（2019b）専用基準局の製作③ RTKLIB をラズパイで動かす、トランジスタ技術 2019 年
10 月号、74 – 77、CQ 出版社。

35

Appendix 1：str2str_start.sh の内容#!/bin/bash
path="/home/pi/gps/"# find unused file namei=0
fname=$path"log"$i".ubx"
while [ -f $fname ]; dolet "i=i+1"
fname=$path"log"$i".ubx"
donefname=$path"log"$i".ubx"
rm $path"current.ubx"
ln -s $fname $path"current.ubx"# start task to collect log data at 5 Hz
/home/pi/RTKLIB/app/str2str/gcc/str2str -in serial://ttyACM0:115200#ubx -out $fname &# check for error by looking for output filesleep 1
ls $fnameif [ $? -ne 0 ]thenecho Exit on error
exitfi# blink LEDs to let user know all is OK and we are collecting data
X=0
while [ $X -le 0 ]doecho 0 > /sys/class/leds/led0/brightness
sleep 1echo 1 > /sys/class/leds/led0/brightness
sleep 1done

36Appendix 2：gpslog.service の内容[Unit]
Description=Startup Script Service
After=multi-user.target[Service]
Type=idle
ExecStart=/home/pi/str2str_start.sh[Install]WantedBy=multi-user.target

Appendix 3：shutdown_by_pin26.py の内容#!/usr/bin/env python
import RPi.GPIO as GPIO
import os, time
GPIO.setmode(GPIO.BCM)# GPIO26 : shutdown pin
GPIO.setup(26, GPIO.IN, pull_up_down = GPIO.PUD_UP)
def shutdown(channel):os.system("sudo shutdown -h now")
GPIO.add_event_detect(26, GPIO.FALLING, callback = shutdown, bouncetime = 2000)
while 1:
time.sleep(100)37Appendix 4：shutdown_by_pin26.service の内容[Unit]
Description=Shutdown/Reboot raspberry pi by GPIO button input
Wants=network.target[Service]
ExecStart=/home/pi/shutdown_by_pin26.py
Restart=on-failure
RestartSec=10s[Install]WantedBy=multi-user.target

38凍土用ボーリングビットの製作
藤田 和之 、森 章一
技術部装置開発室

はじめに
凍土用ボーリングビットは永久凍土や季節凍土のサンプル採取や、地温センサーを入れるための穴を掘るときに使用する。凍土用は固結した凍土のほか、柔らかい（普通の）土壌や未固結の堆積物を掘り進めるためのものである。これとは別に、市販品で岩石用のものがあるが、岩石用は氷を掘ると進まなくなるため、用途に応じて使い分けている。今回の凍土用ボーリングビットは大雪山や羊蹄山で使用するために製作した。

設計・切削加工
ボーリングビットは鉄製パイプと超鋼合金製のチップからなる （図 1）。ボーリング
ビットはコアバレルに装着して使用するため、コアバレルのネジ部サイズに合うように
ネジ部は、外径 48.7 mm、ピッチ 4.0 mm、山高さ 0.55 mm とした。チップの大きさは 4mm 角で高さが 6 mm である。またチップの角度は地面に対して 15° の傾きである。チップの角度が鋭いと掘っている時の振動が強く、岩石に当たるとチップが欠けてしまう。
15° だと掘っているときの振動が弱く、岩石に当たっても欠けにくい。パイプのチップを入れる部分は、チップとの隙間が大きすぎると、接合部分の強度が弱くなるほか、銀ろう付けをするときにずれる可能性が高くなる。そのため、パイプのチップが入る部分はチップより 0.03 mm 大きくし、4.03 mm とした。また、切り粉の排出のため（ボーリングビッ
トが地中に入りやすくするため）に外側に溝を入れた。
パイプのチップが入る部分はフライス盤に傾斜ロータリーを取り付けて、エンドミルΦ = 3 mm を使用して加工し、それ以外は旋盤で加工した。

図1

凍土用ボーリングビット。
39

銀ろう付け鉄製パイプと超鋼合金チップは銀ろうで接合した。銀ろうは接合強度が強く、異種金属の接合に対応している。以下の手順で銀ろう付けを行った。
1.

線径 0.8 mm の銀ろう棒をろう付けする形状に合わせて折り曲げる。

2.

折り曲げた銀ろう棒とチップをパイプに乗せる。このとき出来るだけ、パイプとチップとの間は隙間ができないようにし、接合したい部分に銀ろう棒を乗せる （図 2）。

3.

接合部分にフラックスを塗る。フラックスが固まっている状態ではきれいに塗ることが出来ないため、水と混ぜてペースト状にしたフラックスを塗る。時間が経つと固まってしまうが、しっかりと母材に塗られていれば固まっても問題はない （図 3）。

4.

チップのずれや浮きを防ぐため、上からおもりを乗せる。

5.

約 700 ℃で銀ろう棒を溶かすため、本体を底からガスコンロで熱するとともに、
ガスバーナーで接合部分の周りを熱して銀ろうを溶かす。ガスバーナーの最高温度が出る部分は炎の外側ではなく中心である。そのため中心部の青い炎を接合部分の周りに当てる。炎は直接ろうに当てず、パイプを加熱し、その熱でろうが溶けるようにする （図 4）。

6.

銀ろう棒が溶けたら、熱するのをやめて固まるまで動かさずに放置する （図 5）。

7.

溶接スケール除去器で溶接焼けを取り完成 （図 1）。

図2

図 3 ペースト状のフラックス接合部分に塗鉄製パイプに超鋼合金チップと折り曲
げた銀ろう棒を乗せる。

布する。

40

おわりに
これまでの銀ろう付けは、酸素量とガス量を調節してするタイプのバーナーを使用し、接合部にフラックスを塗り、熱した部分に銀ろう棒を直接つけていた。そのため、銀ろう
棒を接合部につけたときにチップがずれてしまうことがあり、さらに銀ろう棒が溶ける
適温の見極めが難しかった。一方、今回の方法であれば、銀ろう棒で触れないためチップがずれず、銀ろう棒の融点に達すれば、設置した銀ろう棒が勝手に溶けてくれる。酸素ボンベも必要なく、比較的簡単に銀ろう付けができ、成功率も高かった。今後、今回のような方法がとれる場合は、この方式が良いのではないかと考える。なお、製作した凍土用ボーリングビットは、現地でも壊れることなく使用することが出来た （図 6）。

図4

鉄製パイプを底からガスコンロで熱し、ガスバーナーで接合部周辺を熱する。

図6

図 5

銀ろう棒が溶けたら熱するのをやめて、銀ろうを凝固させる。

大雪山での掘削風景。
41

自作 Qplus センサーを用いた原子間力顕微鏡によるアモルファス氷の表面形状測定
都丸 琢斗 1、日高 宏 2、香内 晃 2、渡部 直樹 1
1. 雪氷新領域部門宇宙物質科学分野
2. 雪氷新領域部門宇宙雪氷学分野

はじめに
星間雲にはアモルファス氷で覆われた星間塵が存在しており、このアモルファス氷の表面には星間雲中の多くの原子・分子が吸着している。吸着した物質はアモルファス氷表面を拡散してほかの物質と反応することで、様々な分子を作り出す。しかし、原子・分子の吸着や反応はアモルファス氷の構造に影響を受けることが分かっている。それゆえ、ア
モルファス氷の構造、密度、表面積などの物性値を測定する研究は多数行われており、それらは氷の生成条件に強く依存することがわかっている。たとえば、20 － 140 K の基板上で生成された氷の密度は 0.6 － 0.9 g / cm3 と温度とともに増加し [1]、一方で表面積においては基板温度が 22 K では 2700 m2 / g、77 K では 640 m2 / g に減少する [2]。このような物性値の測定結果をもとに、アモルファス氷は多孔質であり、低温では空孔が多いために低密度・高表面積となり、高温では空孔が減り、高密度・低表面積となると考えられている。しかし、低温のアモルファス氷の構造を実空間測定でとらえた報告例はほとんどない。
近年、表面の微細な構造の測定に走査型プローブ顕微鏡 （SPM） が用いられており、その一種に、原子間力顕微鏡 （AFM） がある。なかでも非接触型 AFM では探針先端と試料表面との間隔を 1 nm 程度まで接近させたときに働く原子間力を利用して測定を行うため、非破壊的に試料表面を測定できる。また、絶縁性の物質でも測定が可能であり、今回対象とするアモルファス氷を測定することができる。そこで、本研究では AFM を用いて、Si
基板上に作成したアモルファス氷の表面構造を測定することを目的とした。上述した、アモルファス氷作成時の温度の違いによる構造の変化をとらえるため、23 K と 100 K のそ
れぞれの温度で作製したアモルファス氷の表面形状を測定した。

AFM の測定原理
AFM は小さな探針を試料表面に近づけて、探針先端の原子と表面の原子との間に働く
原子間力による振幅や周波数の変化を検出し表面形状を画像化する。2 つの原子を近づけるとファンデルワールス力や静電気力、化学結合などによる引力が発生し、さらに近づけて原子同士が接触するような距離になると逆に斥力が働くようになる。これら原子間に働く力を利用する。先端に探針が取り付けられた板バネ （カンチレバー） を試料表面に近づけていくと、探針先端の原子と表面原子の間に働く原子間力によりカンチレバーがた
わむ。レーザー光をカンチレバー背面に当ててその反射光を検出し、検出された反射光の42

変位が一定となるようにカンチレバーの位置を制御しながら走査することで表面形状の情報を得ることができる。しかし、この方法では、たわみを検出して高分解能を得るためには斥力を利用する必要があり、試料表面を傷つけてしまう。そこで、表面にダメージを与えないように、引力を利用した非接触な測定法が用いられている。カンチレバーを一定の振幅と周波数で振動させ、その状態で表面に近づけると、探針と表面との相互作用により振幅と周波数が変化する。この変化が一定になるようにカンチレバーの高さを制御して走査することで表面形状を測定できる。なお、振幅の変化を測定するときは振幅変調
法、周波数の変化を測定するときは周波数変調法と呼ばれる。
カンチレバーとレーザー光を用いた方法は光てこ式と呼ばれ、カンチレバー、レーザー
光源、検出器がそれぞれ独立して配置されている。そのため、それぞれの機器にノイズ対策が必要となる。しかし、近年開発された Qplus センサー [3] を使用するタイプの測定装置は基本的な測定原理は光てこ式と同じだが、Qplus センサー （光てこ式の装置でいうカンチレバーに相当するもの） 自体が水晶振動子でできているため、水晶の圧電効果により探針位置の変位を直接電気信号に変換でき、自己検出が可能である。そのため、ノイズ対策が比較的容易であり、装置の小型化により低温の維持も行いやすい。本研究では、この
Qplus センサーを用いるタイプの装置で実験を行った。

図1

Qplus センサーの概観。

図2

Si カンチレバーの概観。

図 3

自 作 Qplus セ ン
サー作成用装置。

自作 Qplus センターおよび通電加熱用 Si 基板ホルダーの製作
本装置を用いた通常の測定では、Qplus センサーと呼ばれる、水晶でできた振動体にタ
ングステン製の針が接着された部品 （図 1） を探針として使用する。しかし、既存の Qplus
センサーに接着されているタングステン針は先端の曲率半径が 20 nm 程度であり、アモ
ルファス氷の微細な構造を観察できない可能性がある。そのため、先端曲率半径が 1 nmの製造技術が確立されている、光てこ式の AFM 用の Si カンチレバー （図 2） の先端部のみを、Qplus センサーの先端に貼り付けた自作 Qplus センサーを作製し使用することを試
みた。

43

図4

Si 基板と製作した

図 5

走査型プローブ顕微鏡の全体写真。装置右側が加熱用基板ホル

試料の加熱などを行う試料準備チャンバー、装ダー。

置左側がアモルファス氷の作成と測定を行う
SPM チャンバーである。

使用した Si カンチレバーは針がある領域が 125 μm × 30 μm と小さく、これを横幅 100 μm
程度の Qplus センサーに貼り付ける必要がある。そのためには、精密な位置決め精度が必要になるため、xy ステージと z ステージを組み合わせた自作 Qplus センサー作製専用の装置 （図 3） を設計し、技術部に製作を依頼した。この装置により、高精度の位置決めが可能になり、Qplus センサーとカンチレバーの接着作業を安定して行うことができるようになった。接着作業は Qplus センサーの先端に接着剤をのせて、その上に Si カンチレバーの先端部のみを接着した後、Si カンチレバー本体から切り離すという手順で行った。接着後は導電性を確保するため、接着したカンチレバー先端部と Qplus センサーの回路を
銀ペーストでつなぐ作業も行った。
基板温度を変化させた測定を行うためには、シリコンダイオード温度計と温度コント
ロール用のヒーターが取りつけられている TVS （Temperature Variation Sample plate） という部品に、基板を保持する基板ホルダーを挿入する必要がある。しかし、既存の基板ホル
ダーでは Si 基板を通電加熱処理による洗浄作業ができない構造になっているため、新たに通電加熱が可能な基板ホルダーを製作する必要があった。そこで、Si 基板の通電加熱処理が可能な基板ホルダー （図 4） を技術部にて製作した。

実験方法
測定は極低温超高真空走査型プローブ顕微鏡 （SIGMA surface science, INFINITY，図 5）をもちいた。アモルファス氷作成に使用する基板は、Si (111) 基板を試料準備チャンバー
内で約 1200 ℃まで加熱することで得られる、不純物のない原子レベルで平坦な再構成表
面基板をもちいた。熱処理後の Si 基板は TVS にセットされた後、SPM チャンバー内に移送され、極低温に保持された観察台の上で目的温度 （15 K または 100 K） まで冷却され44る。アモルファス氷は、H2O 蒸気をマイクロキャピラリープレートに通して平行ビームに成形した後、入射角 60° で観察台上の低温基板に照射することにより作成した。なお、基板温度 15 K のときは蒸着時に温度が 23 K まで上昇した。測定で用いた Qplus センサー
は、非常に細かい凹凸構造の測定を可能にするため、高い先鋭度をもつ Si カンチレバー（μmasch，Hi' Res - C15 / Cr - Au） を使用して製作した自作 Qplus センサーをもちいた。AFM
測定は振幅一定の周波数変調法で行った。

実験結果と考察23 K と 100 K で作成した氷の AFM スキャン画像をそれぞれ、図 6(a)と図 7(a)に示す。
23 K と 100 K での測定ではどちらも横幅 1 － 3 nm の凹凸があるが、23 K では大きな構造
としては横幅 5 － 10 nm のものが主であり、100 K では横幅 10 nm を超えるより大きな構造が観察された。つまり、低温で作製した氷の方が微細な構造をとることが明らかになった。

図6(a)23 K で作成したアモルファス氷の AFM 像。スキャン範囲は 50 nm × 50 nm。(b)ス
キャン画像中の点線部分の高さプロファイルを表す。

図7(a)100 K で作成したアモルファス氷の AFM 像。スキャン範囲は 50 nm × 50 nm。(b)ス
キャン画像中の点線部分の高さプロファイルを表す。
45

シミュレーション計算による、H2O 蒸着で形成されるアモルファス氷の構造を調べた先行研究では、低温では多孔質な構造が形成され、高温では熱拡散により空孔の少ない滑らかな構造の氷となることが報告されている [4]。測定されたアモルファス氷の構造も、低温では構造が細かく、高温では滑らかな大きな構造となっており、先行研究の計算結果と整合的である。以上から、今回観測された構造の違いは、蒸着温度に依存した熱拡散のしやすさに起因していると考えられる。
参考文献[1] D. E. Brown, S. M. George, C. Huang, E. K. L. Wong, K. B. Rider, R. S. Smith, B. D. Kay, "H2O
Condensation Coefficient and Refractive Index for Vapor-Deposited Ice from Molecular Beam and
Optical Interference Measurements", J. Phys. Chem., 100, 12, 4988 – 4995 (1996).
[2] K. P. Stevenson, G. A. Kimmel, Z. Dohnálek, R. S. Smith, B. D. Kay, "Controlling the Morphology ofAmorphous Solid Water", Science, 283, 5407, 1505 – 1507 (1999).
[3] F. J. Giessibl, "Advances in atomic force microscopy", Rev. Mod. Phys., 75, 949 (2003).
[4] A. R. Clements, B. Berk, I. R. Cooke, R. T. Garrod, "Kinetic Monte Carlo simulations of water ice
porosity: extrapolations of deposition parameters from the laboratory to interstellar space", Phys. Chem.
Chem. Phys., 20, 5553 – 5568 (2018).

46

水 / 氷界面に生成する“未知の水”の直接観察・物性決定を可能にしたダイナミックアンビルセルの製作
新家 寛正 1、佐藤 陽亮 2、森 章一 2、斎藤 史明 2、木村 勇気 1, 3
1. 雪氷新領域部門宇宙雪氷学分野
2. 技術部装置開発室
3. 共同研究推進部

1. はじめに
氷と空気の界面は地球環境を左右する様々な現象が起こる舞台であることから精力的な研究が行われており、近年では、氷結晶の表面融解に伴い生成する疑似液体層の示す多種多様な振る舞いが先進的な光学顕微鏡その場観察により明らかにされつつある [1]。一方で、氷と水の界面は未だ具体的な調査が成されておらず、不明な点の多い界面である。
我々はこれまでに、アンビルセルと呼ばれる、一対の硬質な尖頭状成型物 （アンビル） の尖頭部同士を押し当てプレスすることで尖頭部に高圧を発生させる装置 (図 1) を用いて、水を加圧 / 減圧することで結晶化・成長 / 融解する高圧氷 III 及び VI と水の界面に、バルクの水とは構造の異なる “高密度な未知の水” が生成することを光学顕微鏡その場観察により明らかにしてきた [2]。更に、“高密度な未知の水” は加減圧の大きさや速さに依存
して、液膜状、多孔質液膜状、液滴状など、多種多様な形態や振る舞いを示すことも明らかにしてきた。しかし、これまでの研究で用いてきたアンビルセルでは、アンビルのプレスを手動で行う機構となっており、定量的な印可圧力制御やその動的制御が不可能であったため、“高密度な未知の水” の振る舞いと印可圧力との関係や、他の氷多形 （特に氷Ih） 界面での “未知の水” 生成の可能性は不明のままであった。そこで、本研究では、圧力の定量的かつ動的な制御が可能な “ダイナミックアンビルセル” [3] をこれまでの研究で用いてきたアンビルセルを基に製作した。

図1

アンビルセルの機構。一対の硬質な尖頭状成型物 （アンビル） の尖頭部同士を押し当てプレスすることで尖頭部に高圧を発生させる。本研究では、アンビルにサファイ
アを、ガスケットに銅を用いた。
47

2. ダイナミックアンビルセルの製作
これまでの研究では、株式会社シンテックの提供する市販の学習用アンビルセル「SEED (シード) 」 を用いてきた (図 2 左)。SEED は一対のアンビルを支持する金属板を挟む金属治具をネジで固定し、ネジを手動で締めることで金属板を挟む力を調整し、金属板を介してアンビルを加圧することでアンビルセル試料室内を加圧する。圧力を手動で調整する機構のため、定量的な圧力の印可は容易ではない。そこで、アンビルを支持する
金属板の間にピエゾアクチュエータを挿入し、任意波形発生装置の出力する制御された電圧でアクチュエータを駆動することで圧力を定量的かつ動的に制御する機構を備えた“ダイナミックアンビルセル” を製作した。ダイナミックアンビルセルは、SEED のアン
ビル支持板の設計を基に、SEED のアンビル支持台よりも広い幅を持つ金属板にピエゾ
アクチュエータを挿入するねじ穴を、アンビルを中心として 120°の角度毎に 3 ヵ所設けた。金属板の加工は装置開発室で行い、ピエゾアクチュエータとピエゾ制御装置との接続に要する端子の製作は、先端技術支援室で行った。

図 2

アンビルセル “SEED” の改造によるダイナミックアンビルセルの製作。左：改造前のアンビルセル “SEED” の概要図と写真。右：改造後のダイナミックアンビルセルの概要と写真。

48

図3

任意波形発生装置の出力電圧と氷 Ih の結晶成長速度の関係。黒い丸のシンボルで示
した点は測定点を表し、エラーバーはシンボル程度の大きさである。数式は測定点のフィッテイングに用いた式であり、赤い点線はフィッテイング式をグラフ上に描画した線である。赤字の数値は決定係数である。

3. ダイナミックアンビルセルの圧力制御能評価
製作したダイナミックアンビルセルの制御能を評価するため、 -10 ℃温度下での水の加圧により結晶化する氷 Ih の成長速度とピエゾアクチュエータに接続された任意波形発生装置の出力電圧の関係を実験により調べた。実験は北海道大学低温科学研究所に設置されている低温室内にダイナミックアンビルセルと光学顕微鏡持ち込み行った。一般に、融液からの結晶成長速度 V と結晶界面に印可される過加圧 DP の間には次式に示す関係が成立する [4]。
(1)
ここで、V0 はカイネティック係数と呼ばれる定数、DV は融液と結晶の体積差、kB はボ
ルツマン定数、T は絶対温度である。本実験では、ピエゾアクチュエータへの電圧印可に伴う素子の変位により系に圧力が印可される。素子の変位量は印可電圧の大きさに比例するため、ここでは、任意波形発生装置の出力電圧に比例する過加圧が印可されるとし、次式が成り立つと仮定する。
(2)

ここで、𝑎 は定数、 Vpp は任意波形発生装置の出力電圧である。実験により結晶成長速度の出力電圧依存性を調べ、その依存性が (2) 式と一致を示すかを検証した。尚、氷 Ih は減圧により成長するため、印可電圧の停止に伴う過減圧を、結晶化駆動力 Dµ を支配するパラメータとして考慮し検証を行った。検証の結果を図 3 に示す。検証の結果、結晶成長速度の出力電圧の依存性が、(2) 式を用いて良くフィッテイングできることがわかった。
このことは、出力電圧の制御により、過減圧を定量的に制御できていることを示してい49

る。また、(2) 式を用いたフィッテイングにより決定される定数 𝑎 を基に各電圧における過減圧及び結晶化駆動力を求めることができ、その結果、極めて大きい結晶化駆動力を印可可能であることが明らかとなった。例えば出力電圧の大きさが 7 Vpp の時、印可される結晶化駆動力の大きさはおよそ 8 × 10-21 J であり、 この結晶化駆動力は水を -219 ℃まで瞬時に過冷却した際に発生する駆動力と同等の大きさである。水の過冷却限界はおよ
そ -45 ℃であること [5] を考慮すると、本研究で製作したダイナミックアンビルセルを用いることで他の手法では困難な極めて大きな結晶化駆動力を実現できることが分かる。

4. ダイナミックアンビルセルを用いた水 / 氷 Ih 界面に生成する“低密度な未知の水”の発見
ダイナミックアンビルセルを用いた減圧 / 加圧により水中で成長 / 融解する氷 Ih の界
面の光学顕微鏡その場観察を行った。その結果、水に対し高密度な高圧氷 III, VI と水の界面に形成する “高密度な未知の水” と同様に、水に対し低密度な氷 Ih と水の界面に “低密度な未知の水” が生成する事を世界で初めて明らかにした (図 4)。この “低密度な未知の水” は液滴や液膜等の形態で生成することが明らかとなった。更に、その液滴が液膜と合体するダイナミクスから、液体の流れやすさの指標となる物性である特徴的速度（界面張力 / 粘性比）をおよそ 20 m / s と決定することに成功した。この値は、空気 / 氷 Ih 界面に形成する疑似液体層 (0.2 m / s) とその液滴 (2 m / s) の特徴的速度に対し[6]、それぞれ、2 桁と 1 桁大きい値であり、“低密度な未知の水” がこれまでに観察されている水とは明確に区別されるべき液体であること示している。

図 4

水中で成長 / 融解する氷 Ih 界面に生成する “低密度な未知の水” の顕微鏡その場観察像。a：減圧により成長する氷 Ih 界面に生成する未知の水。下段の写真は上段の写真に点線の四角で示した領域の拡大像。白い矢印は未知の水の液滴を指す。b：加圧により融解する氷 Ih 界面に生成する未知の水。下段の写真は上段の写真に点線の四角で示した領域の拡大像。白い矢印は未知の水の液滴を指す。
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5.“高密度な未知の水”と“低密度な未知の水”と水の特異物性の謎との関係
4 ℃における密度極大など、水は液体として様々な特異物性を持つことが知られているが、その起源は未だに明らかとなっていない。その起源を説明する最も有力な仮説として第二臨界点仮説が提唱されている [7]。第二臨界点仮説では、ある低温高圧条件下において深い過冷却状態にある水が、水とは局所構造の異なる “低密度液体” と “高密度液体” へと液 — 液相分離する液 — 液臨界点を仮定することで水の特異物性を説明する。この水の液 — 液相分離を直接観察することが仮説の実証となるが、臨界点は過冷却限界を超えた
低温条件にあると予測されており、水の液 — 液相分離の直接観察は極めて困難である。
この過冷却限界による実験的制約のため、水の特異物性の起源解明の実験的研究は閉塞状態にあるのが現状である。このような現状の中、製作したダイナミックアンビルセルの活用により、実験的に到達可能な温度圧力条件下において水から巨視的に分離する “高密度な未知の水” と “低密度な未知の水” を発見することができた意義は大きい。更に、水だけではなく、単成分液体からの “高密度液体” と “低密度液体” 2 種の液体多形への液 — 液
転移・相分離は理論計算によりケイ素, 炭素, 窒素、二酸化炭素などでも広く示唆がある
ものの、水と同様の理由で実験的観測は極めて困難とされている [8]。本研究の手法を液 —
液相分離の予測されている液体に適用することで、これまで不可能とされてきた未知の液体の直接観察が広範な物質で可能となるかもしれない。

6. おわりに本研究では、定量的かつ動的に印可圧力の制御可能なダイナミックアンビルセルの製作に成功し、これを使用して水 / 氷界面の観察を行うことで “高密度な未知の水” だけでなく ”低密度な未知の水” もバルクの水から分離する事を世界で初めて明らかにすることができた。（少なくとも） 二種類の未知の水の発見は、現在閉塞状況にある水の物性異常の起源や一成分系液体多形に関する実験的研究に新たな道を拓く可能性がある。
謝辞
上記のような重要な発見に至ったのは、ダイナミックアンビルセル製作に関わって頂いた北海道大学低温研技術部の方々のご支援によるところが非常に大きい。この場を借りて感謝申し上げる。また、本研究は低温科学研究所開拓型共同研究 18K001「氷のキラル結晶化における不斉発現機構の解明と不斉源としての可能性の探索」を原資に遂行された。北海道大学低温科学研究所をはじめ、多大なご協力を頂いた関係者の皆さまに感謝を申し上げる。

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参考文献[1] Nagata, Y. N., Hama, T., Backus, E. H. G., Mezger, M., Bonn, D., Bonn, M. Sazaki, G., 2019.
The Surface of Ice under Equilibrium and Nonequilibrium Conditions. Acc. Chem. Res. 52,
1006 – 1015.
[2] Niinomi, H., Yamazaki, T., Nada, H., Hama, T., Kouchi, A., Okada, J. T., Nozawa, J. Uda, S.
Kimura, Y., 2020. High-Density Liquid Water at a Water-Ice Interface. J. Phys. Chem. Lett.
11, 6779 – 6784.

[3] Evans, W. J., Yoo, C. S., Lee, G. W., Cynn, H., Lipp, M. J., Visbeck, K., 2007. Dynamic
diamond anvil cell (dDAC): A novel device for studying the dynamic-pressure properties ofmaterials. Rev. Sci. Instrum. 78, 073904.
[4] Kim, Y.-J., Lee, Y.-H., Lee, S., Nada, H., Lee, G. W., 2019. Shock growth of ice crystal nearequilibrium melting pressure under dynamic compression. PNAS 116, 8679 – 8684.
[5] Kim, K. H., Späh, A., Pathak, H., Parakis, F., Mariedahl, D., Amann-Winkel, K., Sellberg, J.
A., Lee, J. H., Kim, S., Park, J., Nam, K. H., Katayama, T., Nilsson, A., 2017. Maxima in thethermodynamicresponse and correlation functionsof deeply supercooled water. Science 358,
1589 – 1593.
[6] Murata, K., Asakawa, H., Nagashima, K., Furukawa, Y., Sazaki, G., 2015. In situ
Determination of Surface Tension-to-Shear Viscosity Ratio for Quasiliquid Layers on Ice
Crystal Surfaces. Phys. Rev. Lett. 115, 256103.
[7] Poole, P. H., Sciortino, F., Essmann, U., Stanley, H. E., 1992. Phase behavior of metastablewater. Nature 360, 324 – 328.
[8] Henry, L., Mezouar, M., Garbarino, G., Sifré, D., Weck, G., Datchi, F., 2020. Liquid-liquidtransition and critical point in sulfer. Nature 584, 382 – 386.

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編集後記昨年度から続く新型コロナウイルスの影響を受け、今年度も二度の緊急事態宣言が発令されました。技術報告会の開催をめぐる会議は、まさにその最中で、開催できるか不安が大きかったのですが、皆様のご協力のもと、無事開催することとともに、報告書を発刊することが出来ました。
技術報告会の開催にあたり、ご協力いただいた皆様に感謝申し上げます。「緊急事態宣言」
や「まん延防止等重点措置」の発令で、気軽に家族や友人に会うこともできず、新入職員の歓迎会もすることが出来ていません。1 日でも早く通常の生活が戻り、制限の少ない世の中になること願っております。

2021 年 12 月発行
編集者：藤田 和之、小野 数也
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