hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
希土類錯体の電気化学的挙動解明とカソード電解による希土類酸化物薄膜の作製

1.有機電解液からのネオジム-鉄(Ne-Fe)の電析希土類金属を含む合金(およびその酸化物)薄膜は磁性材料および光磁気記録材料として興味が持たれている。そこで,ネオジム-鉄(Ne-Fe)合金系を取り上げ,有機電解液からの基本的な電析挙動を検討した。ジメチルホルムアミド(DMF)に無水の塩化ネオジム(NdCl_3)と塩化鉄(「)(FeCl_3)を溶解した電解液を用い,1mAcm^<-2>の定電流密度で電析を行った場合,浴中のNd分率が20mol%以上では,浴中の金属イオン比に従って析出物中のNd含有量が増加する傾向にあった。Nd-Fe-N系磁性体の磁気特性はNd/Fe比に依存するので,有機電解液を用いた電析により,析出物のNd/Fe比を制御できることが判った。2.DMF中におけるイットリウム錯体の電気化学的挙動酸化イットリウム(Y_2O_3)は蛍光材料の母体酸化物として広く実用されている。そこでY_2O_3およびその前駆物質(水酸化物など)の薄膜を電析法で得るために,有機電解液中でのイットリウム錯イオンの電解化学的挙動を検討した。メタノールにイットリウムとDMFを加えた浴([DMF]/[Y^3]=10)で測定した電位掃引ボルタンメトリー(CV)では,イットリウムのみを含む系で測定したものよりカソード電流値がかなり小さくなり,添加したDMFがカソード反応に大きな影響を与えることが判った。またYCl_3(0.1M)/DMF/MeOH系のUVスペクトルにおける203mの吸収強度の測定の結果から,この系ではY^<3+>はDMFと1:4錯体を形成していることが判った。
南極氷河標的ICECUBE観測実験による高エネルギー宇宙ニュートリノの探索

宇宙において生成される(素)粒子のエネルギーは最高で10^<20>eVにも達し、X線(エネルギーはkeV)やγ線(GeVTeV)放射を通して構築されてきた高エネルギー宇宙像を越える極限エネルギーの物理過程が存在することを示している。超高エネルギー粒子放射機構として、天体現象に基づく加速モデルから標準理論を超える素粒子物理にその起源を求めるモデルまで数多く提案されているが、それぞれに理論的困難を抱え観測事実を矛盾なく説明するには至っていない。しかしこれら放射機構モデルの多くは、異なったスペクトルの高エネルギーニュートリノ放射を予言する。ニュートリノは光が通過不可能な高密度、あるいは宇宙論的距離を経た領域からエネルギーを失わずに伝播するという特徴を持つ。しかも、宇宙線原子核と異なり電荷を持たないため到来方向と放射源方向が一致する。このため宇宙ニュートリノ観測から得られる情報は、宇宙における高エネルギー現象を理解する直接の指針となる。高エネルギーニュートリノ天文学とも称される学際分野として、高エネルギー深宇宙の地製線を開拓する種子を撒いたのが本研究課題による成果である。観測データに基づく物理成果の発表は来年以降になるが、その基盤ともなるべき多くの基礎研究が本課題により達成された。代表的な成果を以下に列挙する。●IceCube実験用10インチ口径光電子増倍管の信号応答の詳細測定●光電子増倍管光電面のuniformity測定●光電子増倍管絶対較正●詳細較正された標準基準検出器の製作と深氷河への埋設●IceCube検出器シミュレーションプログラムの開発・保守●IceCube用超高エネルギーニュートリノイベントシミューレーターの開発・保守●超高エネルギーニュートリノの地球内伝播計算宇宙において生成される(素)粒子のエネルギーは最高で10^<20>eVにも達し、X線(エネルギーはkeV)やγ線(GeVTeV)放射を通して構築されてきた高エネルギー宇宙像を越える極限エネルギーの物理過程が存在することを示している。●IceCube実験用10インチ口径光電子増倍管の信号応答の詳細測定●光電子増倍管光電面のuniformity測定●光電子増倍管絶対較正●詳細較正された標準基準検出器の製作と深氷河への埋設●IceCube検出器シミュレーションプログラムの開発・保守●IceCube用超高エネルギーニュートリノイベントシミューレーターの開発・保守●超高エネルギーニュートリノの地球内伝播計算平成15年度は、IceCube実験用光電子増倍管の基本性能測定、及び測定結果に基づいた検出器シミュレーションの開発、超高エネルギーニュートリノ・荷電レプトン伝播計算コードの開発、及び南極現地のサイト調査及び試験検出器の設置の4項目を遂行した。光電子増倍管の基本測定は、南極の極低温化における環境を再現した上で行う必要がある。このため専用のフリーザー内に測定増倍管を置き、ゲイン、ノイズレート、SPE波形を測定するシステムを構築した。その上で出荷前の光電子増倍管、計16本をサンプルし、データ取得を行った。取得したデータを基に検出器応答を可能な限り正確に取り込んだシミュレーションコードの開発に着手した。今後のデータ解析において検出器シミュレーションコードは本質的役割を果たすため、米国、ドイツの共同実験グループと緊密な連携をとり、光電子増倍管の応答シュミレーションコードの最初のバージョンを書き上げた。超高エネルギーニュートリノの伝播計算は、IceCubeにおいて、高エネルギー宇宙ニュートリノ探索に不可欠である。特に相互作用、崩壊が連鎖的に発生する超高エネルギー領域では、複雑な数値計算が必要とされる。Java言語を用いて計算コードの開発を行い、数値計算結果を米国物理学会誌Physical Review Dに出版予定である。南極点におけるサイト調査旅行を12月-1月に行い、試験検出器の設置、及びモニターを行った。南極点の米国基地Amundsen-Scott stationに約1ケ月滞在し、極低温化での検出器の挙動を調べ、光電子増倍管が現地で期待通りの性能を発揮することを確認した。また氷検出器に必要なfreezingコントロールの試験結果から太陽紫外光からの熱吸収の影響が予想よりも多いことがわかり、来年度の本格建設に向け改良点を提案中である。(1)検出器心臓部である光電子増倍管の基本応答(Gain, Charge response, Noise Rate, Waveform)の較正を南極現地の環境である-30Cの低温下で行った。専用のフリーザーを用いて光電子増倍管を冷やし、毎月約7本、現時点で68本の増倍管測定を遂行し、データをライブラリー化した。

この測定は、IceCube実験で使用される増倍管が必要な性能を満たしているか否かをチェックするものである。さらに測定データは検出器シミュレーション(後述)に組み込み可能であり、詳細な検出器レスポンスを調べることができる。(2)光電子増倍管の絶対較正を窒素封入チェンバー内のレイリー散乱を利用して行った。10%以下の精度で光子検出効率の絶対値を押さえることに成功した。(3)IceCube検出器モジュール(DOM-Digital Optical Module)の計算機シミュレーションコードを開発した。ROMEOというコード名で、IceCube共同実験内で広く使われる基幹シミュレーターとして使われている。入射光子から、波形出力までの一連のシーケンスを計算し、アメリカグループが開発した回路シミュレータに接続されている。(4)昨年度開発した、超高エネルギー領域のニュートリノ、μ、τ粒子の地球内伝播を計算するシミュレータをIceCube観測シミュレーションシステムの中に組み込んだ。JULIeTというコード名をもつこのモジュールは、現時点でIceCubeの超高エネルギー事象を計算できる唯一のプログラムである。この能力を用いて来年度以降、実際のデータ解析手法の開発、及び感度の見積もりの検討にはいる。(5)南極現地における検出器埋設の後方支援を行った。検出器モニターを行い安定性をチェックしている。IceCubeニュートリノ検出器は建設2年目に入り、平成17年度は、計8本のstring,480個の光検出器を埋設した。日本グループも本補助金のサポートにより大学院生を南極現地に派遣し、検出器試験及び埋設作業に大きな役割を果たした。この様子は新聞各紙にも詳しく報道されたところである。他の活動を下に要約する。(2)PMTの低温化にいける動作試験、較正も前年に引き続き遂行した。(3)高エネルギーニュートリノ事象をシミュレートするためのモジュールはほぼ完成し、その高速化のための様々な工夫を施した。約10万イベントを大規模計算機クラスターで生成し、解析手法の検討に入った。(4)シミュレーション事象を使って、様々なニュートリノ生成モデルに応じた柔軟な解析が実現できるよう、各イベントに適切な重みをつけるプログラムを開発した。(5)PeV-EeVに達する超高エネルギー宇宙ニュートリノ検出のための解析アルゴリズムをシミュレーションを駆使して開発した。GZK機構により生成されたニュートリノフラックスに対して毎年3.5事象程度観測されることを示した。IceCubeニュートリノ検出器は建設3年目に入り、平成18年度は、計13本のstring,1040個の光検出器を埋設した。日本グループも本補助金のサポートにより絶対構成された基準検出器を8本製作し南極に輸送した。本年度の実績を下に要約する。
空間多次元領域に於けるある反応拡散方程式が持つパターンの安定性について

我々は、走化性(ある化学物質の濃度勾配を感知して集合する)を持つ生物の固体群密度の時間・空間変化を記述する反応拡散方程式(増殖項を含むKeller-Segel方程式の拡張形)を提唱し、これを数値的、解析的に研究した。研究の目的は、走化性の強さを示す感度関数の形に依存した生物の集合領域のパターン形成を2次元平面領域で考察することである。この方程式の特徴として、生物の拡散と走化係数は化学物質のそれに比較して十分小さい。この比をパラメーターとして導入することにより、理論的解析が可能となる。即ち、パラメーターを0にしたとき、反応拡散方程式からある種の界面方程式が得られる。この方程式について、軸対称(集合領域が円)定常解は走化性が適当に強い場合のみ存在することを示した。また、反応拡散方程式の定常解の存在は特異摂導法を用いて示され、解の極限形は界面方程式のそれと一致する。数値計算により、走化性の効果が強い場合、対称パターンは縮小して消滅し、小さい場合は際限なく拡張し、何れの場合も(安定な軸対称)定常解は存在しない。一方、安定性については、界面方程式に対して定常解のまわりでの線形化解析を行うことにより、適当なパラメーターで解が不安定化することを得た。この場合、感度関数の形に結果は依存する。その上、数値計算により不安定化した後のパターンについて、感度関数の依存性は顕著である。走化性が化学物質の濃度とその勾配に適当に関係している場合、過冷却状態での凝固現象に見られる先割れが現れる。しかし、このパターンは時間的に変化してネットワークパターンへと発展していく。この現象の理論的研究はこれからの課題である。また、この数値計算で用いたスキームが最適であるかどうかの検証も必要である。
加速器応用を目指したＳｉＣスイッチ素子開発

加速セルドライバー用の新型SiC-JFETパワーモジュールを開発した。本パワーモジュールは2.4kVの高耐圧SiC-JFETを2in1構成で接続し、両面冷却構造のよりkWクラスの放熱を可能にすることを目指した革新的なものである。評価試験の結果、放熱性能では設計値には及ばなかったものの従来品の約2倍となる400Wの放熱が可能であることが実証された。スイッチング性能においては従来品と同等以上であることが示された。また、本パワーモジュールと従来素子を組み合わせたハイブリッド構成のスイッチング電源を試作し、1MHz相当のパルスを発生することが実証された。本研究では耐放射線性と高耐圧を持つSic-JFETのベアダイを3D放熱のオリジナルパッケージに実装した新型半導体スイッチ素子を開発し、2kV-50A-1MHzの連続通電が可能な超高性能の半導体パワーデバイスを実証し、加速器電源に供することを目的としている。本年度はその取り組みの第1歩として高放熱容量、低インダクタンスを実現する3次元配線、放熱構造のパッケージの検討を行った。最初に本研究開始以前に開発したSiC-JFET素子の性能についてレビューを行い、新素子としてあるべき目標を検討した。その結果、従来1チップを1パッケージに封入した構造であったのに対して新素子では損失を低減するためにチップを2並列とし、さらに回路的には2直列のいわゆる2in1パッケージとする、言い換えると1パッケージ当たり4チップを封入する構造とすることが最適であるとの結論に達した。次にこれを具現化する構造として4つのチップを直線上に配置したインライン構造と2×2の格子状に配置した構造を比較検討し、後者が低インダクタンスを実現する上で望ましいとの結論を得た。さらにチップに接するヒートスプレーッダーの配置、電流導体板の形状等についても概念設計を行った。また、高放熱を達成するためにチップの固着手段として従来採用していたハンダに代わる材料の検討を行い、銀ナノペーストが最適であるとの結論を得た。但し、銀ナノペーストで固着するためにはチップ表面に金メッキ処理する必要があり、その実現可能性をダミーチップを用いて検証し、良好なメッキ処理が行えることを確認した。以上の結果を踏まえた概念設計のもと、簡易熱解析を実施した結果、目標とする1kWの放熱が可能であることを確認した。本研究では耐放射線性と高耐圧を持つSiC-JFETのベアダイを3D放熱のオリジナルパッケージに実装した新型半導体スイッチ素子を開発し、2kV-50A-1MHzの連続通電が可能な超高性能の半導体パワーデバイスを実証し、加速器電源に供することを目的としている。本年度はパッケージの詳細設計を行うとともに、ダミーチップを封入したパッケージ(モックアップ)を実際に試作し、その性能評価を行った。また、3次元の有限要素法プログラムANSYSを用いて、インダクタンスと放熱性能の詳細解析を行った。解析結果によれば、インダクタンスは9nHと評価され、放熱性能としてはパッケージ全体の発熱量が1kWのとき、素子の温度上昇は170Kと評価された。モックアップの評価では最初にインダクタンス性能についての検証を行った。モックアップパッケージでは素子自身のスイッチ機能は有しないため、外部に設けた高速スイッチにより高di/dtのパルス通電を行い、誘導される電圧を測定することにより、インダクタンスを評価した。その結果、パッケージのインダクタンスは7nH10nHと評価され、解析とほぼ一致することが確認された。次に直流電源を用いてオーム損失を与えて放熱性能の評価を行った。250Wの損失のとき、チップの温度上昇は106Kであった。試験結果を1kWに外挿すると260Kと評価され、この結果は解析よりも150%高かった。差異が生じた原因としてはダミーチップの表面状態が悪く金メッキが不均一となって銀ナノペーストによる固着が不完全であったことが考えられる。次年度はチップの表面処理の最適化について再度検討を行い、実チップを用いたパッケージを製作、評価する。今年度は、昨年度に実施したモックアップパッケージの試作と評価結果を受け、半導体チップのパッケージ実装前の表面処理方法の改良検討を行った。その結果、チップのアルミ表面をジンケート処理した後にAg/Au層を形成することで後工程であるAgナノペーストダイボンディング強度を大幅に向上させることが可能であることを見出した。今年度はさらに上述した新表面処理を施した半導体チップを用いて2in1の実パッケージの試作を行った。実パッケージの構造は基本的には昨年度のモックアップパッケージに倣ったが、昨年度の性能評価において、ヒートシンクとの組み立て時に機械的応力が半導体チップに集中し、そのために接合が剥がれるというトラブルがあったために、実パッケージで半導体チップの側にセラミックのダミーチップを配置し、応力を緩和する構造とした。また、モックアップパッケージでは半導体チップ周囲の空間は空気であったが、実パッケージでは高電圧印加を可能にするためエポキシモールドを行った。

次年度は今年度製作したパッケージの放熱特性、電気的静特性(ドレイン漏れ電流、ゲート閾値電圧、オン抵抗)、電気的動特性(スイッチング時間、スイッチング損失)等の諸特性を取得し、加速電源への適用可能性を検討する。本年度は昨年度に改良試作した新パワーモジュールの熱解析と電気特性評価を実施した。熱解析においては新しくパッケージに組み込んだ応力緩和用のダミーチップとパッケージ内部絶縁用のエポキシモールドを組み込んだモデルを作成し、解析を実施した。その結果、解析上一次試作モデルよりも放熱性能が若干向上することを確認した。電気特性評価においては静的、動的通電実験を実施した。静的特性評価においては漏れ電流評価、閾値電圧測定を行った。漏れ電流測定において、所定の電圧より低い、数100Vでパルス的に漏れ電流が増加することがわかった。これはエポキシモールド時にボイドが残ったことに起因すると考えられる。動的特性評価においてはスイッチング時間とスイッチング損失を測定し、従来のディスクリート素子と同等以上の性能が得られることを確認した。次に本パワーモジュールを組み込んだパルス電源を試作し、パルス発生実験を行った。その結果、本パワーモジュールを用いたパルス電源で1MHz相当のパルス発生実験にも成功した。しかし、所定の電圧を印加することができなかったのは大きな課題として残ることになった。ボイドフリーでエポキシを充填すること、また製造工程においてその良否を判定することが今後の検討課題である。近年急激な発展を見ている高電圧のSiC-MOSFETに本研究の成果を適用することにより当初の目的である小型、高信頼性の加速器電源が実現できるものと考える。加速セルドライバー用の新型SiC-JFETパワーモジュールを開発した。本パワーモジュールは2.4kVの高耐圧SiC-JFETを2in1構成で接続し、両面冷却構造のよりkWクラスの放熱を可能にすることを目指した革新的なものである。評価試験の結果、放熱性能では設計値には及ばなかったものの従来品の約2倍となる400Wの放熱が可能であることが実証された。スイッチング性能においては従来品と同等以上であることが示された。また、本パワーモジュールと従来素子を組み合わせたハイブリッド構成のスイッチング電源を試作し、1MHz相当のパルスを発生することが実証された。半導体チップ表面処理方法の検討に時間がかかり、年度内には実パッケージを製作したのみで評価実験を行うには至らなかった。27年度が最終年度であるため、記入しない。パルスパワー製作した実パッケージの性能評価(放熱特性、電気的静特性(ドレイン漏れ電流、ゲート閾値電圧、オン抵抗)、電気的動特性(スイッチング時間、スイッチング損失))を行い、加速電源への適用可能性を検討する研究の過程において目標を達成するためには素子の固着技術がキーイシューであることが判明し、銀ナノペーストを用いることが最適であるとの結論を得た。しかし、銀ナノペーストを採用するためにはチップ表面に金メッキを施すことが必須であり、実際の素子試作を行う前に金メッキ処理の可否について検証することが必要であった。そのため今年度の目標である素子試作には至らなかった。モックアップモデルを試作しその性能評価を行ったが、その放熱性能が目標に達しなかった。
農薬及びその由来物質によるヒメダカ誘導蛋白をバイオマーカーとする評価系の開発

新規船底塗料材イルガロール(Irgarol 1051:2-methylthio-4-tert-butylamino-6-cyclopropylamino-s-triazin)は、我が国で除草剤として使用されているs-triazine系化合物atrazine, simazine, simetrynなどと同じ仲間である。本物質は1993年以降、地中海北部・西部沿岸、イギリス東部・南部沿岸、スイス、スウエーデン、ドイツにおいて、海水、湖水、底質、生物等の環境試料中の残留分析が報告されている。1999年には、瀬戸内海およびオーストラリアの北東部沿岸においても残留が報告されたので、イルガロールはヨーロッパだけでなくアジアやオセアニアにおいても、防汚剤として使用されていると考えられる。メダカに誘導されるビテロジェニンに関しての評価を適用した。濃度0.1mg/Lのイルガロール溶液を0.69mL/minの流速で連続的に流し、ヒメダカ雄成魚15尾を1000mL容ガラス製ビーカー内で飼育しながら14日間曝露した。曝露濃度は、96時間急性毒性試験の結果に基づき決定した。曝露試験は1日16時間の光照射の条件の下で25±1°Cの恒温室内で行い、1日1回給餌を行った。曝露期間中、7日目および14日目に採血を行い血清を採取した。この血清を用いて電気泳動した後、全タンパクの非特異的検出を行うCBB染色とヒメダカビテロジェニン抗体による抗原抗体反応を利用したビテロジェニンの特異的検出を行った。特異的検出にはWestern blottingを行った。Western Blottingにメダカ雄に、7日間、14日間でビテロジェニンの誘導がみられた。14日曝露の方がより強く誘導され、ビテロジェニンがイルガロールによって誘導されていることが示された。現在、再現試験を行うと共に、ビテロジェニンの定量を行った。
多数回解析による汎用的地震シミュレーション手法の開発

本研究課題が計画している内容は大別して,「非線形有限要素解析高速化手法の開発」と「多数回計算を用いたデータ分析の導入」である.それぞれにおける研究実施状況についてまとめる.「非線形有限要素解析高速化手法の開発」に関しては,特別研究員採用期間前に開発を進めていた,GPUを用いた線形有限要素法による地殻変動計算手法の拡張を行い,CPUと同一の計算結果が得られることを確認している.まず,地殻変動計算用プログラムに関して粘弾性解析が行えるよう手法の拡張を行った.開発手法を用いて,地中海周辺を対象とした自由度24億程度の粘弾性解析が可能となっている.また非線形地盤増幅解析に対してもGPU計算の導入を行った.GPU計算機環境上において,自由度が3000億となる大規模解析が現実的な時間内で完了することを確認した.同様の計算機を利用して,地下構造物を含めた地盤構造解析を行った.地下構造物は複雑な形状を有するため解析を行うためには大自由度問題を解く必要があったが,開発された手法によって地下構造物と地盤構造との相互作用を考慮した解析が現実的な時間の範囲内で可能となった.これにより信頼性の高い被害推定が実現すると期待される.「多数回計算を用いたデータ分析の導入」については,地表面上での地震波を再現する内部地盤構造を推定するための手法開発を行った.地盤震動においては物性値の異なる層の構造によって地震波が複雑に増幅するため,内部地盤構造を考慮した解析が重要となるが,計測のみでは十分な分解能で内部構造を得られないことが知られている.この問題に対して,最適化手法を導入し,異なる地盤構造モデルに対して地盤震動解析をそれぞれ計算することで観測データを最も良く再現できる地盤構造を得るという手法をGPU計算機環境上で開発した.開発手法を用いて,既往の研究が行った地盤構造推定の過程を再現できることが確認できた.本研究課題の当初予定においては,現時点までに大別して3つの開発または検討を計画していた.それぞれ「動的地震応答解析手法の導入とアルゴリズムの検討」,「有限要素モデルの生成と有限要素解析の連成計算手法の開発」,そして「動的地震応答解析を基にした地盤構造最適化問題の求解」であり,いずれも計画通りに進展している.以下でそれぞれに関して述べる.動的地震応答解析手法の拡張はすでに実装が完了しており,GPUを搭載した大型計算機上で良好な性能およびスケーラビリティがともに実現することを確認済みである.有限要素モデル生成と有限要素解析の連成計算手法の開発に関しては,GPUが連立一次方程式を高速に求解する間に,CPUが次に使用する有限要素モデルの作成を同時に行う手法を開発しており,有限要素解析を行う際の大きなボトルネックであったモデル生成時間が隠蔽される形で計算コストの削減が実現している.動的地震応答解析を基にした地盤構造最適化の求解に関しては,上述した二つの開発手法とパラメータ探索法を組み合わせることによって,モデル生成と有限要素解析を高速に多数回処理する最適化手法の開発が完了しており,CPUのみでの計算と比較すると数十倍以上の高速化につながることが評価できている.今後の研究方針としては,引き続き有限要素解析の高速化手法の開発,および開発された手法を用いた多数回解析によるデータ分析手法への応用を並行して行う予定である.有限要素解析をさらに高速に行うにあたっては,最新世代のGPUであるNVIDIA Volta GPUの計算機構成に関する検討を進める予定である.Volta GPUには密行列同士の乗算を超高速に処理する,テンソルコアと呼ばれる特殊なコアが搭載されているため,これが活用できるようなアルゴリズムを設計することによって計算時間をさらに短縮できる可能性がある.その前段階として,テンソルコアが行う計算について,その性能分析を進めることを検討している.さらに,より有限要素解析に特化したアーキテクチャを用いた計算手法として,FPGAを導入した計算に関しても検討を進める予定である.また,多数回解析を用いた分析においては,これまでに行っている地盤構造推定を高度化する必要があると考えている.より実問題に近い複雑な問題を対象とした場合には最適化パラメータ数が増加するため,最適解の探索により多くの計算が必要になることが懸念される.最適化に要求される計算コストを削減するため,最適化手法の改善・修正を検討する予定である.本研究課題が計画している内容は大別して,「非線形有限要素解析高速化手法の開発」と「多数回計算を用いたデータ分析の導入」である.それぞれにおける研究実施状況についてまとめる.「非線形有限要素解析高速化手法の開発」に関しては,特別研究員採用期間前に開発を進めていた,GPUを用いた線形有限要素法による地殻変動計算手法の拡張を行い,CPUと同一の計算結果が得られることを確認している.まず,地殻変動計算用プログラムに関して粘弾性解析が行えるよう手法の拡張を行った.開発手法を用いて,地中海周辺を対象とした自由度24億程度の粘弾性解析が可能となっている.また非線形地盤増幅解析に対してもGPU計算の導入を行った.GPU計算機環境上において,自由度が3000億となる大規模解析が現実的な時間内で完了することを確認した.同様の計算機を利用して,地下構造物を含めた地盤構造解析を行った.地下構造物は複雑な形状を有するため解析を行うためには大自由度問題を解く必要があったが,開発された手法によって地下構造物と地盤構造との相互作用を考慮した解析が現実的な時間の範囲内で可能となった.これにより信頼性の高い被害推定が実現すると期待される.「多数回計算を用いたデータ分析の導入」については,地表面上での地震波を再現する内部地盤構造を推定するための手法開発を行った.

地盤震動においては物性値の異なる層の構造によって地震波が複雑に増幅するため,内部地盤構造を考慮した解析が重要となるが,計測のみでは十分な分解能で内部構造を得られないことが知られている.この問題に対して,最適化手法を導入し,異なる地盤構造モデルに対して地盤震動解析をそれぞれ計算することで観測データを最も良く再現できる地盤構造を得るという手法をGPU計算機環境上で開発した.開発手法を用いて,既往の研究が行った地盤構造推定の過程を再現できることが確認できた.本研究課題の当初予定においては,現時点までに大別して3つの開発または検討を計画していた.それぞれ「動的地震応答解析手法の導入とアルゴリズムの検討」,「有限要素モデルの生成と有限要素解析の連成計算手法の開発」,そして「動的地震応答解析を基にした地盤構造最適化問題の求解」であり,いずれも計画通りに進展している.以下でそれぞれに関して述べる.動的地震応答解析手法の拡張はすでに実装が完了しており,GPUを搭載した大型計算機上で良好な性能およびスケーラビリティがともに実現することを確認済みである.有限要素モデル生成と有限要素解析の連成計算手法の開発に関しては,GPUが連立一次方程式を高速に求解する間に,CPUが次に使用する有限要素モデルの作成を同時に行う手法を開発しており,有限要素解析を行う際の大きなボトルネックであったモデル生成時間が隠蔽される形で計算コストの削減が実現している.動的地震応答解析を基にした地盤構造最適化の求解に関しては,上述した二つの開発手法とパラメータ探索法を組み合わせることによって,モデル生成と有限要素解析を高速に多数回処理する最適化手法の開発が完了しており,CPUのみでの計算と比較すると数十倍以上の高速化につながることが評価できている.今後の研究方針としては,引き続き有限要素解析の高速化手法の開発,および開発された手法を用いた多数回解析によるデータ分析手法への応用を並行して行う予定である.有限要素解析をさらに高速に行うにあたっては,最新世代のGPUであるNVIDIA Volta GPUの計算機構成に関する検討を進める予定である.Volta GPUには密行列同士の乗算を超高速に処理する,テンソルコアと呼ばれる特殊なコアが搭載されているため,これが活用できるようなアルゴリズムを設計することによって計算時間をさらに短縮できる可能性がある.その前段階として,テンソルコアが行う計算について,その性能分析を進めることを検討している.さらに,より有限要素解析に特化したアーキテクチャを用いた計算手法として,FPGAを導入した計算に関しても検討を進める予定である.また,多数回解析を用いた分析においては,これまでに行っている地盤構造推定を高度化する必要があると考えている.より実問題に近い複雑な問題を対象とした場合には最適化パラメータ数が増加するため,最適解の探索により多くの計算が必要になることが懸念される.最適化に要求される計算コストを削減するため,最適化手法の改善・修正を検討する予定である.
パイプモデルアロメトリーを用いたヒノキの葉バイオマス推定と窒素利用特性の評価

常緑樹であるヒノキの樹冠葉量を簡易に推定するためのパイプモデルに基づく新たな手法を開発した。全国7地域の伐倒調査の結果から、ヒノキの樹冠葉量について、生枝下断面積と樹冠葉量に比例関係が成り立つこと、比例定数は年平均気温が高いほど大きいことを明らかにした。これらの結果より胸高直径、樹高、生枝下高と調査地の平均気温から葉量を推定することが可能になった。この手法を用いて高知県の間伐後のヒノキ人工林の葉量の変化や異なる地形条件の葉量を推定し、本手法の有効性を明らかにした。樹冠葉量は森林生態系の一次生産力を評価する上で重要なパラメータであり、簡易な推定手法の開発が求められている。ヒノキの樹冠葉量の推定には、伐倒した個体の葉量を求めて胸高直径とのアロメトリー関係を用いる方法、生枝下の断面積と葉量とのアロメトリー関係(パイプモデルアロメトリー)を用いる方法がある。樹冠葉量と生枝下断面積の関係は樹種によってほぼ一定であることから、樹木の樹冠葉量の推定で最も汎用性が高いと考えられている。しかし、生枝下直径の測定は困難であり、あまり用いられていない。近年、生枝下断面積を樹高、生枝下高、胸高直径から簡易に推定する手法が提案され、生枝下直径を直接計測しなくても生枝下断面積を知ることが可能となった。この生枝下断面積を推定する手法と、パイプモデルアロメトリー関係とを組み合わせてヒノキの樹冠葉量を簡易に推定する手法を開発し、得られた樹冠葉量の値から葉寿命などヒノキの葉の特性を明らかにすることを目的とする。調査林分は異なる気象条件、異なる標高、窒素欠乏窒素飽和の林分が含まれるように茨城県、京都府、高知県に設定した。樹冠葉量、生枝下断面積の実測値がある高知県の調査林分において、パイプモデルアロメトリー関係を用いた樹冠葉量の推定モデルの有効性を確認し、異なる条件下の林分への適用可能性の検証を進めた。高知県内の3地域の林分において、樹冠葉量を胸高断面積、樹高、生枝下高を変数として推定した場合、生枝下断面積の実測値から推定した場合はともに、いずれの林分でも、傾き1の回帰直線で表された。切片は地域によって差異が認められた。これらの結果から、生枝下断面積あたりの樹冠葉量は地域ごとに一定の値を示し、パイプモデルが成り立つことが示唆された。また、京都府の林分でも、生枝下断面積の推定値から樹冠葉量が推定可能であることを確認できた。樹冠葉量および葉の寿命は樹木の生産や成長において重要なパラメータである。しかしながら、常緑性のヒノキではこれらの値を知ることが難しい。本研究の目的は、ヒノキの樹冠葉量と生枝下断面積とのアロメトリー関係を用いた樹冠葉量の推定式を開発し、推定した樹冠葉量と葉寿命からヒノキの生産および窒素利用の特性を明らかにすることである。今年度は、初年度に得られた樹冠葉量の推定式を用いて解析を進めた。同一斜面上に位置し、土壌の肥沃度に傾度が見られる京都府の3林分において、樹冠葉量、落葉量、樹冠葉量を落葉量で割って算出した葉寿命を比較した。樹冠葉量はいずれの林分でも同様の値を示したが、土壌の肥沃度が良好な林分ほど落葉量は大きく、葉寿命は短い傾向を示した。ヒノキの葉寿命は年平均気温から予測されることがこれまでの研究で報告されている。この京都府の3林分における葉寿命は、気温による予測値よりも大きい値を示したこと、また、他地域のヒノキ林における葉寿命よりも長かったことから、土壌の肥沃度が葉寿命に影響を及ぼしていることが示唆された。この3林分を含む京都府の10林分による調査から、土壌肥沃度が良好な林分では多くの葉を生産して葉の回転速度を高め、貧栄養な林分では葉を長く維持していることが示唆された。ヒノキの葉寿命と土壌肥沃度との関係については京都府の10林分とは異なる傾向を示す事例があるため、異なる地域間での比較をおこなうなど、さらに解析を進める必要がある。研究実績に記した成果について、学会発表、論文発表を行うことができた。ヒノキの樹冠葉量および葉寿命に及ぼす影響を評価する上で基礎的な知見を得ることができた。樹冠葉量は森林生態系の物質生産や物質循環において重要な特性である。樹冠葉量は生枝下断面積と高い相関関係を示すことが知られている。生枝下断面積を樹高、生枝下高および胸高断面積から推定する手法が提案された。これらを組み合わせることで樹冠葉量を推定できるか、この有効性を明らかにするとともに常緑性のヒノキの樹冠葉量を推定し、葉寿命および窒素利用特性を明らかにすることが本研究の目的である。7地域のヒノキ壮齢林における伐倒調査の個体データを用いて、生枝下直径から算出した生枝下断面積と、樹高、生枝下高および胸高断面積から推定した値はほぼ1:1の関係を示し、生枝下断面積は共通の式で推定できることを明らかにした。樹冠葉量と推定した生枝下断面積とは比例関係にあり、パイプモデルが成り立つことを示した。

生枝下断面積と樹冠葉量との関係における比例定数は地域で異なり、年平均気温と正の相関関係が認められたことから年平均気温から樹冠葉量を推定できることを示した。茨城、京都、高知の21林分において樹冠葉量と落葉量を測定し、これらから葉寿命を推定した。樹冠葉量は気温や土壌条件に関わらず一定の値を示した。葉寿命は気温との関係は認められなかったが、土壌窒素が乏しい条件では葉の生産量を少なくして葉寿命を長くしている傾向が認められた。また、気温が高いほど生枝下断面積と樹冠長率が低い傾向が認められたことから、気温によって枯れ上がりの程度が異なり、樹形が変化することが示唆された。異なる間伐率のヒノキ人工林における間伐から10年間の葉量回復において、回復期間は強度に間伐した林分および枯れ上がりが大きい林分で長いことを明らかにした。本研究では、パイプモデルに基づく手法を用いて簡易にヒノキの樹冠葉量を推定できることを明らかにした。さらに、常緑性であるヒノキの葉寿命を推定し、間伐後の樹冠回復に影響を及ぼす要因を明らかにできた。樹高、生枝下高および胸高断面積から生枝下断面積を推定し、パイプモデルに基いて樹冠葉量を推定する手法がヒノキ林分で有効であることを明らかにした。得られたモデル式により推定した樹冠葉量を用いて、ヒノキの葉寿命および窒素利用の特性、さらに間伐後の葉量回復について明らかにした。当初の目的を達成できた。樹冠葉量は森林生態系の一次生産力の評価において重要である。枝下断面積と葉量に比例関係が認められること、生枝下断面積が樹高、枝下高、胸高直径から精度よく推定できることを根拠としたパイプモデルに基づくアロメトリー式により、常緑樹であるヒノキの樹冠葉量を推定できることをこれまでに明らかにしてきた。また、生枝下断面積あたりの樹冠葉量は年平均気温と正の相関関係が認められたことから年平均気温から樹冠葉量を推定できることを示した。ヒノキ林で間伐をすると光環境が改善するため枝の枯れあがりが変化すると考えられる。これまでは、葉量と胸高直径とのアロメトリー関係を間伐の前後でそれぞれ推定する必要があった。しかし、パイプモデルに基づくアロメトリー式を用いることにより間伐前後の樹冠葉量を同一の式で推定できる。したがって、間伐後の葉量の変化を正確に評価できると考えられる。高知県の標高の異なる2つの地域において異なる間伐率の調査区を6か所設置した。温度条件を考慮したパイプモデルに基づくアロメトリー式を用いて樹高、枝下高、胸高直径から葉量を推定し、間伐後10年間の変化を明らかにした。また、間伐時の葉量の減少量に対する、間伐後の葉量の増加量から葉量の回復時間を推定した。間伐による葉量の減少割合(2069%)は材積の間伐率に近かった。間伐による葉量減少に対する10年間の葉量増加の割合は2165%であり、葉量の回復期間は1549年と推定された。強度に間伐した調査区では葉量の回復期間が長かった。また、間伐後でも枯れ上がりが生じる林分があり、間伐後の葉量の回復は枯れ上がりの大きい林分で小さい傾向が認められた。間伐後、樹冠が閉鎖しない状態であっても枯れ上がりが生じ、間伐後の葉量変化に影響を及ぼすことが示された。したがって、間伐後の葉量を推定する際には生枝下高の変化を考慮した手法が適切であると考えられた。常緑樹であるヒノキの樹冠葉量を簡易に推定するためのパイプモデルに基づく新たな手法を開発した。全国7地域の伐倒調査の結果から、ヒノキの樹冠葉量について、生枝下断面積と樹冠葉量に比例関係が成り立つこと、比例定数は年平均気温が高いほど大きいことを明らかにした。これらの結果より胸高直径、樹高、生枝下高と調査地の平均気温から葉量を推定することが可能になった。
宿主細胞接着因子を標的とした新規滑走細菌症ワクチンの開発

滑走細菌症は様々な海水魚で発生し、国内外の稚魚生産場や養殖場で問題となっている細菌感染症である。日本の養殖魚種では本症に使用可能な水産医薬品は魚種およびサイズが限られており、多くの場合、水産医薬品は使用できない。また、日本では滑走細菌症のワクチンもない。このような背景から、本研究は滑走細菌症のワクチン開発を目指す。滑走細菌症の原因菌Tenacibaculum maritimumはフラボバクテリウム科に属している。フラボバクテリア科の細菌には、固形物に張り付き、固形物の表面を這うように動く運動(滑走運動)を行うものが多く知られている。滑走運動を行う病原細菌では滑走運動の病原性への関与が知られているものがいる。そこで、本研究では滑走運動に重要な因子がワクチン分子となりうると考えた。本菌の滑走運動の分子メカニズムに関する研究報告はこれまでになく、滑走運動に重要な遺伝子も同定されていない。そこで、フラボバクテリウム科の細菌で、最も滑走運動の研究がおこなわれているFlavobacterium johnsoniaeに着目した。T. maritimumのゲノムにF. johnsoniaeの滑走運動関連遺伝子群が保存されていることが分かった。また、滑走運動変異株のゲノム解析を行ったところ、滑走運動関連遺伝子のいくつかに変異が見つかった。これらの結果から、T. maritimumとFlavobacterium johnsoniaeは共通の滑走装置を持つことが推測される。また、変異遺伝子は滑走運動との関連が推測されるので、ワクチン分子候補となりうる。平成30年9月の胆振東部地震による停電で、実験が中断され、冷蔵および冷凍の試薬の大半が使用不可能となった。復旧作業にも時間と労力を要し、研究の計画が遅れた。また、滑走運動変異株のゲノム解析において、変異株が24株もあり、加えて、変異箇所が予想以上に多いため、変異遺伝子の同定に予想以上の時間を要している。滑走変異株の変異遺伝子の同定を完了する。変異遺伝子について、配列から機能や細胞内局在などを予測し、ワクチン候補分子を探索する。停電の影響による研究計画の遅れと試薬の再購入により、試薬の購入計画に変更があり、結果として平成30年度は約2万円の繰越金が生じた。繰り越し分は次年度の試薬購入に使用する予定である。
臓器が左右非対称にねじれる仕組みの解明

私は、受精後8.0日目のマウス胚の側板中胚葉において、BMPシグナルが左右非対称に働いていることを明らかにし、非対称なBMPシグナルがembryonic turningを左右非対称に起こす事を解明した。さらに、非対称なBMPシグナルを引き起こす因子として、BMP2,4,5を同定した。脊椎動物の内臓臓器の形態は左右非対称である事が知られており、非対称な形態形成の機構はマウスを用いて詳細に解析されてきた。心臓や腸管は一つの管構造として発生するが、発生途中で左右非対称にねじれる事で、その形態と機能を獲得する(ルーピング)。またマウス胚は胚全体がねじれて一回転する事で他の動物と同じ発生様式をたどる(ターニング)。以上が左右軸形成の概略であり、Nodalのシグナル伝達に重要な役割を果たすCrypticのノックアウト胚では全ての臓器形態の左右非対称性がランダムに決まる。しかしPitx2のエンハンサー領域にあASymmetric Enhancer(ASE)を欠損したマウスでは、左側板中胚葉で発現するPitx2が消失し、肺の左右非対称な形態、大動脈と大静脈の走行位置の非対称性に異常が見られる。しかし、左右非対称な現象であるマウス胚のターニング、心臓のルーピング、腸管のルーピングといった「ねじれ」が起こる現象には異常がない(Shiratorietal.2006,Development)。胚に内在のBMPシグナルを消失させるため、Lefty2-3.3Kbp Creマウス(Lateral Plate MesodermとParaaxial mesodermで時期特異的にCreを発現する)とBMP rereptor type2 flox/-のマウスを交配させた。9.5日胚で形態を観察したところ、上記の遺伝子型胚ではターニングの左右非対称性がランダムになっていた事から、BMPシグナルが左右非対称性をPitx2非依存的にねじれを制御する因子である事がわかった。本研究は、腸、心臓、胚のターニング等、体の臓器が作られる中で左右非対称にねじれるメカニズムを明らかにするものである。私は、その原因を解明して行く中で、BMPシグナルが胚発生期の側板中胚葉で左右非対称に働いている事を免疫染色で確認した。BMPシグナルが左右非対称なねじれを引き起こす分子実体としての可能性が高いと考えられたので、次にトランスジェニックマウスを使用してBMPシグナルを変化させる実験を行った。方法としては、CAG promter-loxP-CAT pA-10xP-caALK2-IRES-EGFPマウスと、ROSA-CreERT2マウスを交配させ、交配後6.5日目でタモキシフェンを投与する事で、時期特異的に航K2シグナルを活性化させた。これにより、BMPシグナルが左右両方の側板中胚葉で上昇する状況を作り出したが、その結果、胚のターニング方向がひっくり返った胚が得られた。つまりBMPシグナルが胚の左右非対称なターニングを引き起こす原因となっている事が考えられる。BMPシグナルがどのようにしてねじれの原因になるかを解明するために、心臓、腸のチューブに対してアクチン骨格の染色を行い、左右で細胞の形態がどのように違うのか、解析を進めている。この実験より、BMPシグナルが1細胞に対して与える影響を明らかにし、組織全体の変形を理解する。さらに現在、組織の変形を理解する手段として数理モデルを構築中である。当初の予定では、非対称に発現するBMPリガンドの発現制御機構を知るために、エンハンサー解析を行う予定であったが、他の実験に時間がかかってしまい、実施できていない。またBMPの下流でねじれを制御する分子を遺伝子スクリーニングにより同定する予定であったが、こちらもできていない状況である。全体としては前進しているが、申請書に記入した実験予定よりは遅れているので上記の評価である。BMP2,4,5の発現制御機構を解析して、非対称に発現する機構を理解する。3種類の中でも特に左右差がはっきりしているBMP5のエンハンサー領域を解析する。BMP5の遺伝子座を含む約200kbpのBAC(Bacterial Artificial Chromosome)のBMP5遺伝子座にLacZを挿入し、BMP5遺伝子周辺領域を欠失させてマウス受精卵にインジェクションする。卵を仮親に戻した後、8.0日で再び回収してLacZ染色を行う。これによりBMP5の発現制御に重要な領域を特定する。BMP2,4については、BMP5と同じ発現制御を受けている可能性が高く、BMP5の発現制御領域の同定後、コンピューターによるエンハンサー領域の比較を行い、制御領域の予測を行う。BMPシグナルの下流で形態のねじれを引き起こす因子を同定するために、各種変異マウスを利用して目的遺伝子のスクリーニングを行う。野生型マウスの左側板中胚葉と右側板中胚葉から細胞を切り出し、RNAを抽出し、Affymetrix社のマイクロアレイによって左と右で発現量に差がある遺伝子を同定する。左と右から切り出す細胞は約100細胞ずつであり、1cell cDNAライブラリー法(Saitoh etal.2008,Repoted.Bio.Online)を応用して、少ないRNA量をPCRで再現よく増幅する事により、マイクロアレにかける。
ゲノム変化を指標とした放射線影響の定量化

本研究は,正常線維芽細胞のγ-線照射を行った後に細胞をクローニングして,個々の細胞のゲノム変化を定量化することを目的とした。正常男性ヒト線維芽細胞に4グレイのγ-線照射を行い限外希釈して再培養して,細胞クローン10個を得た。また,対照としてγ-線照射を行わないでクローニングした細胞クローン10個を得た。ゲノムコピー数の解析を行うためにaffymetrix社製のGeneChipシステムを用いて,γ-線非照射細胞クローンとγ-線照射細胞クローンを解析してゲノムの大きな構造変化数を比較した。結果,γ-線非照射細胞とγ-線照射細胞クローンの両方にコピー数変化をともなった大きな部位(>1Mb)を検出できたが,γ-線非照射細胞において明らかにコピー数変化部位数が増加している傾向は認められなかった。理由としては,実験に用いたクロンーン化細胞数が少ないことが挙げられるが,明瞭な差異を検出できないのであれば解析細胞数を増やすことは,研究費用内では無理であったので,次の実施計画に移った。DNAの塩基変異を検出して定量化することを試みた。方法は,正常男性ヒト線維芽細胞に4グレイのγ-線照射を行いそのまま10万個の細胞を1日培養して,DNAを抽出してPCR後にプラスミドヘクローニング後シークエンス解析を行い変異部位の数を数えてγ-線非照射群と比較するのである。現在,xxx遺伝子,yyy遺伝子,zzz遺伝子をhigh-fiedility Taq polymeraseで増幅しクローニング後のシーケンス解析を行っている。一遺伝子当たり,500bp/clone x800clone=400,000,のべ400kbを解析している最中である。
高速電子線回折法による固体表面原子構造の解析

団体表面構造の解析に最も有力な手法の一つである高速電子線回折の透過法を適用する場合における多重散乱の問題を調べた.多重散乱効果は表面層での散乱によるものではなく,バルク結晶内での動力学的散乱効果によることから,比較的簡単な解析的表現が可能であることを示した.一般に多重散乱効果による回折強度は構造因子の位相を陰に含むが,高速電子線回折の透過法では,多重散乱による回折強度が解析的な表現で与えられることから,表面構造の位相の情報が単純に得られる可能性を示した.透過電子回折法による表面構造の解析は,これまで少数の限られたグループでのみ超高真空化された電子顕微鏡を用いて行われて来たが,本研究では上記原理にもとづく表面構造の解析を行うため,より簡便な回折装置を新に開発した.本年度はこの装置を用いてSi(III)√<3>×√<3>-Ag構造の解析が行われた.この構造はこれまで種々の実験手法による研究にかゝわらず結着のつかめぬ構造である.現在提案されている最も有力なTrimerモデルとHoneycombモデルは非常に類似した回折強度を与えるので,単純な透過電子線回折法ではその判定が難しい.そこで上記原理にもとづく位相情報を取り入れた解析法をこの表面構造に適用した.即ち,入射波が(224)Bragg反射を強く励起した条件下での√<3>×√<3>構造回折強度の試料厚依存性を測定した.これはBragg反射を用いた一種の位相差法とも呼べるべきもので,結果は√<3>×√<3>構造の単位胞内にTrimerモデルで提案されている方位を向いた三角形状クラスターの存在を明らかにした.しかし,この三角形状クラスターがAgによるものかSiによるものかの判定はより詳細な強度の解析が必要であり,この目的のためのテレビ映像を用いた強度測定およびパソコンによる強度解析の試みが進められている.団体表面構造の解析に最も有力な手法の一つである高速電子線回折の透過法を適用する場合における多重散乱の問題を調べた.多重散乱効果は表面層での散乱によるものではなく,バルク結晶内での動力学的散乱効果によることから,比較的簡単な解析的表現が可能であることを示した.一般に多重散乱効果による回折強度は構造因子の位相を陰に含むが,高速電子線回折の透過法では,多重散乱による回折強度が解析的な表現で与えられることから,表面構造の位相の情報が単純に得られる可能性を示した.透過電子回折法による表面構造の解析は,これまで少数の限られたグループでのみ超高真空化された電子顕微鏡を用いて行われて来たが,本研究では上記原理にもとづく表面構造の解析を行うため,より簡便な回折装置を新に開発した.本年度はこの装置を用いてSi(III)√<3>×√<3>-Ag構造の解析が行われた.この構造はこれまで種々の実験手法による研究にかゝわらず結着のつかめぬ構造である.現在提案されている最も有力なTrimerモデルとHoneycombモデルは非常に類似した回折強度を与えるので,単純な透過電子線回折法ではその判定が難しい.そこで上記原理にもとづく位相情報を取り入れた解析法をこの表面構造に適用した.即ち,入射波が(224)Bragg反射を強く励起した条件下での√<3>×√<3>構造回折強度の試料厚依存性を測定した.これはBragg反射を用いた一種の位相差法とも呼べるべきもので,結果は√<3>×√<3>構造の単位胞内にTrimerモデルで提案されている方位を向いた三角形状クラスターの存在を明らかにした.しかし,この三角形状クラスターがAgによるものかSiによるものかの判定はより詳細な強度の解析が必要であり,この目的のためのテレビ映像を用いた強度測定およびパソコンによる強度解析の試みが進められている.
高エネルギー大出力プラズマ熱源を用いた超高温多機能試験炉の開発に関する研究

本研究では、ガストンネル型プラズマジェットを用いて試作・開発した超高温プラズマ炉の特性について明らかにするとともに、この超高温プラスマ炉の応用としてチタン材料の表面窒化に適用し以下の結果を得た。(1)プラズマ炉の熱効率は、真空中においては、プラズマ入力がP=21kWのとき約80%であるが、入力の増加に対して増加し、P=30kWでは、84%の高熱効率となる。また、真空中の場合、アルゴンプラズマに対して、窒素プラズマは若干高い熱効率となる。(2)P=20kW、圧力p=40hPaのとき、プラズマ炉内の温度はプラズマト-チからの距離が1=100mmの軸上(炉心)では、3000K以上の超高温である。窒素プラズマの場合では、炉心の温度がアルコンプラズマと比較してより高温となる。(3)同じ条件のとき1=120mmでの半径方向温度分布から、窒素プラズマの場合中心温度が約3400Kになり、アルコンプラズマと比較して細いプラズマとなる。この場合、Ti試料を設置した場合、炉内の温度が低下するが、なお2000Kに近い高温となっている。(4)窒素プラズマ炉を用いた窒化チタン膜の作製については、P=24kW,p=42hPa,t=25sのとき、表面に10μmの膜が形成される。この場合、チタン試料裏面の温度はト-チ距離が短くなるにつれて急激に上昇し、1=100mmでは、1100K以上となる。このとき、窒化チタン表面のビッカース硬度は、Hv=1500の高い硬度を示した。(5)作製した窒化チタン表面の試料温度との関係については、試料裏面の温度が1000Kを越えるとビッカース硬度が著しく上昇することが明らかになった。裏面温度が約1300Kの場合に、ビッカース硬度は一定値のHv=1500となる。さらに本研究では、大出力プラスマ熱源の開発、プラズマプロセスの解明、材料の組織変化と機能評価に関する分担研究を推進し、超高温プラズマ炉の実用化について総合的評価を行なった。現有の真空小型チャンバーにガストンネル型大出力プラズマジェットを取り付けることにより、超高温プラズマ炉を試作し、その性能テストを行ない以下の結果を得ている。(1)このプラズマ炉の熱効率を知るため、ガストンネル型プラズマジェットの熱効率を測定した結果、約20kWの入力のとき真空中において80%の高熱効率であった。また、入力の増大にともない熱効率が上昇することが確認されている。(2)超高温プラズマ炉の基本データとして、チャンバー内の各箇所で温度を測定した結果、大気圧中の実験では、20kWの入力のとき炉内中心(トーチからの距離が100mmの位置)で1750Kの温度であった。また、400hPa以下の圧力で炉心温度は急上昇し、150hPaで2000Kとなり、約40hPaの圧力では、3000K以上の超高温となっている。(3)この真空中の超高温プラズマ炉内の温度分布(炉心温度3000K)を測定した結果、2000K以上の高温領域が軸方向及び、半径方向に大きく広がることを確認し、多機能超高温プラズマ炉として実際の応用のための目標の性能が得られた。