hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
病理形態学と細胞遺伝学の融合による脂肪肉腫の腫瘍内多様性の解析と診断への応用

一方、脂肪肉腫には形態、分化の腫瘍内多様性も存在し、骨、軟骨形成などへの異所性分化が見られる。今年度は異所性分化に着目し、遺伝子レベルと形態レベルの2つの多様性の関連について解析した。【結果】Wの2/68例(3%)、Dの4/24例(17%)の脱分化成分に異所性分化が見られた。その内訳は骨分化(W1例、D1例)、軟骨分化(W1例)、骨・軟骨両者への分化(D2例)、横紋筋分化(D1例)であった。いずれの腫瘍のMDM2過剰発現の状態も異所性分化を欠く腫瘍と大きな差異はなかった。また、CISH法は軟骨分化を示すW1例のみで検出できたが軟骨分化細胞でも周囲の脂肪様細胞と同様のMDM2遺伝子増幅が見られた。【考察】異所性分化がDの脱分化成分で頻度が高い点は脱分化成分が形態的な腫瘍内多様性を生じやすい環境であることを示唆する。一方、MDM2遺伝子、タンパク発現異常の腫瘍内多様性と形態的な腫瘍内多様性の間には直接的な関係性はなく、形態的な多様性を生じさせる別の機構の存在が考えられた。高分化型脂肪肉腫(WLPS)は良悪中間性腫瘍であり約10%は転移能のある悪性の脱分化型脂肪肉腫に進展する。MDM2遺伝子増幅は両者に共通した遺伝子異常であり、MDM2タンパク過剰発現を起こす。本研究では遺伝子異常と組織形態を同時に可視化する技術を用いて腫瘍病理検体上でのMDM2遺伝子、mRNA、タンパクの発現を統合的に解析した。MDM2異常細胞の出現はWLPSでは低頻度でありDLPSへの進展に伴い脂肪分化の消失と共にMDM2異常細胞のクローン選択が起こることを明らかにした。この結果は診断のみならず将来のMDM2阻害剤による分子標的治療に有用な知見である。当初の計画では2014年度よりmicroRNA-34ファミリーを指標としてp53の機能的な活性化状態の解析の検索を開始する予定であったが、現在、技術的に検出手法の確立を行っている状態で、実施が遅延しているため。人体病理学原則的には予定に沿って研究を実施する。特にp53の下流の遺伝子について定量的RT-PCR法による検出が確立され次第、microRNA-34ファミリーの発現の検索を進める。近年、脂肪肉腫の脱分化現象に関する知見が進歩しており、高悪性度肉腫成分を結節状に生じる典型的な脱分化現象の他、本年度の研究で明らかにしたような高分化成分を欠き多形脂肪肉腫と区別できない腫瘍、低悪性度の脱分化腫瘍、脂肪分化を示す脱分化成分を有する腫瘍など、非定型的な脱分化現象が存在することが新たに判明している。こうした腫瘍を症例ファイルより抽出し、MDM2遺伝子異常の腫瘍内多様性について検索を進める予定である。注意深い検索、検討の結果、解析に十分な症例数と研究目的に至適な生検、手術検体を抽出し解析に供することができた。また遺伝子レベル、mRNAレベル、タンパクレベルでのMDM2の異常の状態の細胞形態別の差を明らかにすることができ、研究申請時に予想された結果が得られた。今後研究を展開する上で確固とした基盤となるデータを得ることができたと考える。当初、年度内に本格的に実施を予定していた定量的RT-PCR等の分子生物学的な解析の実施を次年度に延期したため。可能であれば症例数をさらに増やして、細胞別の遺伝子増幅、mRNA発現、タンパク発現の違いを検討する。脂肪分化に関しては形態像(A,N,D細胞)に加えて、脂肪分化のマスターレギュレーターとされているPPARγ及びC/EBPαの免疫組織化学的
組合せ論とその関連領域に関する研究

表学の多分野にわたって,近年とくにその発展が目ざましい組合せ論的な手法を低次元トポロジー(とくに3次元多様体)の結び目,絡み目に関する研究を,時間のゆるす限り多くの若手の研究者達との交流を主体として活発な討論をしながら研究した.このために時にはコンピューターによる実験と,その結果を見ての予想段階の議論の場も多くあった.一方,代表幾何と組合せ理論との関連においては分担者井上を軸として,非代表的曲面の構成とその実例を得るべく努力した.小池は, Yaung-diagramを用いて,対称群のみならず,一般線型群,直交群,斜交群およびこれらに附随するWeyl群やCoxeter群の所謂古典群の表現論との関りを明らかにした.例えばLittle woodの公式に完全な証明を与えたものも一つの成果である.古典群の有限次既約表現とYoung-図形の関係,手順序集合と組合せ論との関り合い,マルコフ過程に関する末解決問題の組合せ論的なアプローチの方法等,多くの興味深い課題を得た一年である.表学の多分野にわたって,近年とくにその発展が目ざましい組合せ論的な手法を低次元トポロジー(とくに3次元多様体)の結び目,絡み目に関する研究を,時間のゆるす限り多くの若手の研究者達との交流を主体として活発な討論をしながら研究した.このために時にはコンピューターによる実験と,その結果を見ての予想段階の議論の場も多くあった.一方,代表幾何と組合せ理論との関連においては分担者井上を軸として,非代表的曲面の構成とその実例を得るべく努力した.小池は, Yaung-diagramを用いて,対称群のみならず,一般線型群,直交群,斜交群およびこれらに附随するWeyl群やCoxeter群の所謂古典群の表現論との関りを明らかにした.例えばLittle woodの公式に完全な証明を与えたものも一つの成果である.古典群の有限次既約表現とYoung-図形の関係,手順序集合と組合せ論との関り合い,マルコフ過程に関する末解決問題の組合せ論的なアプローチの方法等,多くの興味深い課題を得た一年である.
バングラデシュ農村部で拡充された学校教育制度と職業の接続に関する研究

本研究は、バングラデシュ農村部で拡充された学校教育制度と職業の接続の関係性を追求するため、4村落における10年間の追跡調査を実施した。その結果、以下3点を明らかにした。110年前に学校に通っていた子どもたちの追跡調査において、中等教育修了にふさわしい職業につけた例はごく一部のみであった。2にもかかわらず、親の学歴主義の傾向はより一層強まっており、教育に投資する親が増加していた。3政府は、教育と職業の接続について、特別な対策をとっていないため、今後政策的措置がとられなければ、学歴保有者が適切な職業を得られない可能性が出てくる。本研究では、「バングラデシュ農村部で拡充された学校教育制度と職業の接続の関係性」を、約10年前と全く同じ標本世帯、教育機関、教育行政機関などを追跡調査することによって、10年前のバングラデシュ農村で、受容されはじめた学校教育制度が、次の進路形成のために機能しているのか、特に中等教育または高等教育を卒業したあと、教育をうけたにふさわしい就業機会が得られているのか、農村住民がそのことについて有している学校教育に対する意見、願望、期待なども合わせて調査することを三年間の計画の骨子としている。調査すべき村は、国内各地に4つ存在するが、二年度目にあたる平成25年は、バングラデシュ東部に位置する近郊農村チッタゴン県のゴヒラ村を調査した。この村は産業経済の影響を受けやすい土地柄であるとともに、4農村中比較的充実した設備を持ち、かつ政府の支援を受けない「非正規」のマドラサが大小ともに多数ある。大まかな分析では、村人達は、一九六〇年代から子どもを学校やマドラサに行かせるようになっており、ほぼ村民皆学の状況がつくられていた。この背景には近くにある都市経済に誘引されるとともに、チッタゴンにある製造業の労働力を求める、いわゆるプル要因も働いている。ただ、それも全ての人々が、給与所得を得られる職につけるわけではなく、ある場合には中等学校に進んだ子ども世代は、何らかの仕事に就こうとするものの、職業市場は依然として厳しく、農村部雑業層に就かざるを得ない状況もあった。しかし、一方で、国内外への出稼ぎの数も増加していた。ここではつまり、村人の学歴は上がり、職歴との「接続」や「連続性」が一定程度認められた。本研究内容は、第49回日本比較教育学会(上智大学)及び第15回世界比較教育学会(ブエノスアイレス)において発表された。調査すべき村は、国内各地に4つ存在するが、初年度である平成24年は、バングラデシュ東部に位置する僻地農村ブラフモンバリア県ソイダバッド村を調査した。この村は産業経済の影響を受けにくい土地柄であるとともに、4農村中最も充実した設備を持ち、かつ政府の支援を受けない「非正規」のマドラサがある。調査には10年前同様の質問項目からなる村センサス調査票を用いた。調査結果の詳細な分析は25年度に行う予定としているが、大まかな分析では、村人達は、子どもを学校やマドラサに行かせるようになり、親世代に一定数いた未就学者が現在の子ども世代では、ほとんどいなくなっていた。一方で、そのほとんどの、少なくとも小学校には就学し、ある場合には中等学校に進んだ子ども世代は、何らかの仕事に就こうとするものの、ダッカなどの大都市でない限り、職業市場は依然として厳しく、農村部雑業層に就かざるを得ない状況があった。しかし、一方で、国内外への出稼ぎの数が急激に増加しており、ダッカをはじめ、ドバイ、オマーン、サウジアラビア等に数年単位で出稼ぎに行き、現金収入を求める動きが活発化していた。つまり、村人の学歴は上がり、現金収入はたしかに増えたものの、学歴と職歴の「接続」や「連続性」は認められなかった。本研究では、バングラデシュの教育発展は政府教育統計局(BANBEIS)による統計数値により示されるのみで、教育の質、教育に対する住民の意識等の経年変化に対しては、NGOが活動のため少数行っている場合を除き把捉作業が行われてないことを問題意識とした。

この背景より導かれた「バングラデシュ農村部で拡充された学校教育制度と職業の接続の関係性を追及する」という研究課題を、約10年前に調査した世帯と全く同じ世帯、教育機関、教育行政機関を追跡調査することにより、受容されはじめた学校教育制度が、次の進路形成のために機能しているか、特に中等教育または高等教育を卒業したあと、教育をうけたにふさわしい就業機会が得られているのか、農村住民がそのことについて有している学校教育に対する意見、願望、期待なども合わせて調査した。研究の結果は、以下の4点にまとめられる。110年前に学校に通っていた子どもたちの追跡調査において、中等教育修了にふさわしい職業につけた例はごく一部であった。農村部という条件もあり、ホワイトカラーや組織労働者になるためには、近郊農村である必要があったが、それも学歴取得者が増加したわりには、ホワイトカラーや、組織労働職の数は増加しておらず、競争だけが激化した。2親の子に対する、進路ビジョンの在り方は、さらに学歴主義的になり、教育を投資と考える親が増加。3政府の教育改革は現在、量から質へと重点が変化している過渡期といえ、初等・中等教育卒業試験における全国統一試験など、様々な改革が実施に移されていた。しかし教育と職業の接続については十分に対策が練られていなかった。4イスラーム国家であるため、「宗教関係職」の市場は大きいものであり、そこへの人材供給を無認可教育機関であるマドラサが担っていた。また、そのことがマドラサの認可・無認可問題としてバングラデシュの一つの教育問題として存在している。比較教育学本研究目的は、110年前に学校に通っていた子ども世代が、現在どのような学歴あるいは職業を有しているか、またそれは、農村部の人々が納得できるようなものか。2親の子どもに対する、将来におけるビジョンの在り方の、ここ10年間の変化。3教育の供給側である学校や教育行政担当者のインタビューによる、10年間の政策的変遷とその政策意図を明らかにすると同時に、初等・中等教育レベルのあり方の多様性に着目し、中等職業教育、女子教育の拡充が、工場労働者、またホワイトカラー人材の輩出を増幅させているのかの検証。4マドラサを分析の範疇に入れることで、モスクやマジャル(聖者の墓)の管理人、マドラサ教師など、宗教関係職にもスポットを当て、イスラーム国家であるバングラデシュで、決して小さくはない「宗教関係職と教育制度」の結びつきにも言及する。5以上1234の総合的分析から導出される、「学校教育制度がバングラデシュの多様な地域性の中で、人的資本育成に貢献しているのか」の詳細な分析を4農村の多様性に基づき行う。という5つである。具体的には、これらの目的に向け、4農村を調査する必要がある。申請時に一つ目の農村であるカラムディ村の調査は終了、初年度においては二つ目のソイダバッド村、予定では、25年度終了時点で3つの村の調査を終えている必要があった。国内情勢の変化に鑑み、調査対象村を24年度に行った村と入れ替えたが、予定していたフィールドワークを無事に実施し、当初の予定通り、二農村の調査が終了した。これは順調な進捗だといえる。本研究目的は、110年前に学校に通っていた子ども世代が、現在どのような学歴あるいは職業を有しているか、またそれは、農村部の人々が納得できるようなものか。
神経内分泌肺癌発生過程においてＲＢ１遺伝子ファミリーの機能異常がもたらす分子基盤

神経内分泌肺癌における高率なRB1遺伝子異常の存在は周知の事実であるが、近年のゲノム医学や遺伝子操作技術の進歩は、RB1遺伝子異常に加え非神経内分泌肺癌と同様の遺伝子異常を有する神経内分泌肺癌の存在や、RB1遺伝子ファミリーの異常を伴う非神経内分泌細胞からも神経内分泌肺癌が発生する事実を我々に知らしめることとなり、神経内分泌肺癌の発生起源を神経上皮体に求めていた既成概念を根底から揺るがしている。我々は神経特異的転写因子POU3F4/4F2が非神経内分泌肺癌細胞を神経内分泌肺癌へと形質転換させることを明らかにしたが、その現象はRB1遺伝子ファミリーの機能不全を伴う未分化肺癌細胞に限定的であった。これらの知見は、神経内分泌肺癌の発生や非神経内分泌肺癌細胞から神経内分泌肺癌への形質転換にはRB1遺伝子ファミリーの機能不全に伴う未知なる分子基盤が必要であることを示唆している。そこで本年度は非神経内分泌肺癌細胞のRB1遺伝子ファミリーであるRB1あるいはP130の遺伝子編集を行うことにより惹起される増殖能および遺伝子発現変化について検討した。その結果、RB1ノックアウト癌細胞、P130ノックアウト癌細胞、RB1/P130ダブルノックアウト癌細胞いずれにおいてもその増殖能や細胞周期に有意な変化は現れないことが明らかになった。しかし一方で、RB1あるいは/およびP130をノックアウトした癌細胞では上皮間葉転換に関与する遺伝子発現が増加することが明らかになった。複数の肺癌細胞株においてRB1ノックアウト細胞株、P130ノックアウト細胞株、RB1/P130ダブルノックアウト細胞株の樹立に成功し、当該遺伝子編集に伴う増殖分化への影響を検索することができた。RB1ノックアウト非神経内分泌肺癌細胞株、P130ノックアウト非神経内分泌肺癌細胞株、RB1/P130ダブルノックアウト非神経内分泌肺癌細胞株を用い、神経分化に関与する遺伝子を導入することにより、神経内分泌肺癌細胞への形質転換を試みる。研究試薬を購入予定であったが、本年度の残額1770円を上回っていたため、次年度に継続して行う研究の消耗品費の一部として使用する予定である。
極限状態で高次認知機能を維持するための基幹脳活性法の開発と臨床応用

睡眠覚醒障害による極限状態の疾患リスク及び高次認知機能障害メカニズムを検討し、以下の結果を得た。疾患リスク:知識蓄積型推論データベース技術を用いて極限状態の疾患リスク因子抽出を行った結果、睡眠覚醒障害により誘導される炎症性サイトカイン、ILー6が細胞免疫を阻害し発癌リスクを高めると同時に随伴するB細胞活性化が冠動脈疾患のリスクをも高めることを導出した。さらに、この炎症性サイトカインは転写因子NFーκBを活性化し代謝障害を誘導し得るが、免疫系破綻と直接的因果関係にはないことを導出した。これらの結果は、シフト勤務看護師にフラミンガムリスクスコアの有意な高値が認められなかったこれまでの調査結果を説明するとともに、免疫システムの変容が極限状態の疾患リスク因子となり得ることを示唆した。また、短時間睡眠となる分娩直後の母親に対する血糖値モニタリングでは有意な血糖値上昇を認めなかったことから、極限状態での炎症性サイトカイン産生にステロイドホルモン分泌を誘導する交感神経系が強く関与することが示唆された。高次認知機能障害メカニズム:常に刺激に対して動作を行う改変した選択的抑制課題を実施した結果、従来よりも有意にコミッションエラーが増大していた。この結果は、高次認知処理を遂行するためには被刺激性のエラーを抑制するヒューリスティック処理が重要であり、前頭前皮質ー背側前部帯状回結合による意思決定が基盤にあることが示唆された。本研究は、睡眠覚醒障害に誘導される心身の極限状態で発生する高次認知機能障害のメカニズムを解明し有効な防止策と、随伴する疾患リスクの低減策を創製することを目的とした。この目的に対し、高次認知機能障害のメカニズムの全容をほぼ解明し、有効な対策(深部脳賦活)の見通しも得た。また、疾患リスクについても、生理指標の異常値に表れ難い免疫システムの変容である可能性を突き止めた。こうした知見を検証するためシフト勤務看護師を対象とした臨床試験を予定していたが、研究協力者の健康上の問題から試験実施を延期し、研究実施期間を1年延長することとした。シフト勤務看護師を対象とする臨床試験により、深部脳活性化の疾患リスク低減効果を検証する。深部脳賦活効果(ハイパーソニックエフェクト)の音環境を看護業務に影響しない工夫の下に提供し、免疫を中心とするバイオマーカ(サイトカイン、免疫グロブリン等)の継時的変化により疾患リスク低減効果を検証する。なお、炎症を抑えるサプリメント(オメガ3)のアジュバント作用も並行して検討する。臨床試験実施機関として、引き続き研究協力者の所属機関(枚方公済病院)を選定するほか、リスクヘッジとして同病院と同程度の病床数を有する南町田病院を選定する。介入期間としては3か月程度とし、2週間毎に脳波による非侵襲深部脳活動度評価を中間評価として実施し、試験の最適化を図る。脳波後頭部α強度揺から事象関連深部脳活動(ER-DBA)を導出する方法を開発し,脳機能ネットワークの直接モニタリングに適用した。その結果、高次の認知処理において反応前にDBAのdipが形成され,それがデフォルトモードネットワーク(DMN)の脱賦活に相当することを明らかにした。さらにこのdipの深さはDBAの平均値と正の相関を持つことから、認知処理に必要なDMN脱賦活は上部脳幹モノアミン神経系の賦活に支持されることを明らかにした。またDBAのdip形成時に頭頂部頭皮上脳波は陰性電位を呈していることから,DMN脱賦活は認知処理における選択的抑制に対応した状態であると推察した。以上の結果から認知処理時の脳機能ネットワークのダイナミクスの基盤を明らかにした。次に,認知処理時におけるモノアミン神経系の活動に相当量のエネルギーが必要と予測されることから2週間に渡り連続血糖値モニタ(CGM)を行うパイロット試験を行い、平日に出現する血糖値スパイクが休日では出現しないことを認めた。これにより、認知処理のため必要なエネルギーがストレス性ホルモン(ステロイド)による糖新生である可能性を示した。シフト勤務では睡眠リズムの乱れから交感神経系が亢進するので,この糖新生が重篤疾患発症の源泉となり得ると考えられた。大規模臨床試験実施の予備として、若干名のシフト勤務及び日勤従事者に対して心不全を予測するフレミンガムリスクスコアのアンケート調査を実施したが,両群に有意差は認められなかった。新たに開発した深部脳活動モニタ法は、脳波後頭部α波強度揺らぎからtrial-by-trialでの事象関連深部脳活動(ER-DBA)を基盤とし、脳血流を対象とした核磁気共鳴画像法の時間分解能の限界を大幅に凌駕する1秒以下の領域で脳機能ネットワークのダイナミクスを明にすることを可能とした。シフト勤務による重篤疾患リスクを評価する指標として従来法(心疾患罹患予測に用いられているフレミンガムスコアによる評価法)の問題点を洗い出すとともに適切な方法(連続血値モニタリングによる方法)の検討を早期に着手した。予測行動及び外発性随意運動を制御する深部脳機能のメカニズム解明とその結果演繹される深部脳活動賦活法を探索し以下の成果を得た。新たに開発した事象関連深部脳活動法により、背側前部帯状回が認知活動で担う中心的役割を解明した。その結果、良好な認知機能遂行と高い相関にある背側前部帯状回の脱賦活は学習時の神経の短期可塑性に関連する可能性があることを明らかにした。

この知見を基盤に、予測行動及び外発性随意運動制御時の深部脳活動の特徴を外部信号への同期運動試験から抽出した結果、周期的刺激は反応抑制機能を低下させ予測による内発性の誤動作を誘導するものの、位相揺揺らぎのある外部信号に対しては内発性の誤動作を抑制し外部刺激に追従する外発性随意運動を正しく表出できること、この正しい運動表出では確かに背側前部帯状回が脱賦活していることを明かにした。一方、極限状態でのストレスを評価するため、シフト勤務看護師を対象に、連続14日間に渡り血糖値をモニタリングし、食事時間を基準に前1時間後3時間の血糖値推移パターンの特徴を平日、休日及びシフト勤務日に分けて加算平均により抽出した。その結果、シフト勤務前日に血糖値スパイクが出現する傾向にあることがわかった。これは勤務前の心理的ストレスが血糖値スパイクの出現に関与していることを示唆するものであると認められた。なお被験者試験は、ヘルシンキ宣言に基づき、倫理員会の承認を経たプロトコルによりインフォームドコンセントが得られたボランティアに対して実施するとともに、実験責任者以外の情報管理者を擁立して試験情報の保管・管理を行うなど個人情報保護に配慮した。本研究は極限状態下で高次脳機能を維持する深部脳活動の役割を解明し、その知見に基づき認知機能を維持するための方法を実現するとともに、代償的に発生するストレス負荷による疾患罹患リスクを回避するための方策を探索することであった。この研究目標に対し、予測行動による誤動作を外発性随意運動により抑制するための位相揺らぎ刺激法が有効であることを検証できたことから、極限状態で認知機能を維持する方法を実現する見通しを得た。またこうした誤動作の抑制はdACCの脱賦活により実現されていることを突き止め、上部脳幹モノアミン神経活動を賦活することが良好な認知機能遂行に有効であることを明かにした。深部脳活動度と免疫能とが相関することから、深部脳を賦活することで認知活動の維持と疾患罹患リスクの回避を両立できる見通しを得た。睡眠覚醒障害による極限状態の疾患リスク及び高次認知機能障害メカニズムを検討し、以下の結果を得た。疾患リスク:知識蓄積型推論データベース技術を用いて極限状態の疾患リスク因子抽出を行った結果、睡眠覚醒障害により誘導される炎症性サイトカイン、ILー6が細胞免疫を阻害し発癌リスクを高めると同時に随伴するB細胞活性化が冠動脈疾患のリスクをも高めることを導出した。さらに、この炎症性サイトカインは転写因子NFーκBを活性化し代謝障害を誘導し得るが、免疫系破綻と直接的因果関係にはないことを導出した。これらの結果は、シフト勤務看護師にフラミンガムリスクスコアの有意な高値が認められなかったこれまでの調査結果を説明するとともに、免疫システムの変容が極限状態の疾患リスク因子となり得ることを示唆した。また、短時間睡眠となる分娩直後の母親に対する血糖値モニタリングでは有意な血糖値上昇を認めなかったことから、極限状態での炎症性サイトカイン産生にステロイドホルモン分泌を誘導する交感神経系が強く関与することが示唆された。高次認知機能障害メカニズム:常に刺激に対して動作を行う改変した選択的抑制課題を実施した結果、従来よりも有意にコミッションエラーが増大していた。
レーザスペックル法による超高温環境下での耐熱構造材料の熱変形計測システムの開発

極超音速航空機や宇宙往復輸送機の実現へ向けて,空力加熱による過酷な熱負荷の環境に耐え得る軽量な耐熱構造システムが求められており,高温環境下での構造の変形やひずみの測定方法の確立が必須の課題となっている.本研究では,この問題の解決策として期待される電子式レーザースペックル干渉法による高温下での耐熱構造材料の熱変形計測システムの開発を最終的な目標とした.ここで提案したひずみ計測の基礎であるスペックル干渉法では,一般にS/N比が悪い干渉しまの画像データを処理して必要な変形やひずみおよびそれらの分布に関する情報を得なければならない.本手法ではコンピュータを用いた演算処理により実施するため,カメラを経由して離散化した干渉しまのデータに基づいて,任意点での変位量およびひずみを定量的に求めるためのアルゴリズムについて検討を行った.従来から用いられる局所的なしま間隔に基づいた単純な計算法に加えて,測定点近傍の円形領域内の離散点の情報を考慮した計算法,さらに影響領域を離散点の疎密に応じて楕円形にとった改良型の計算法を用いて,平板の面内ひずみの値を求め,ひずみゲージによる測定結果と比較検討することなどで,本研究で提案した演算手法の有効性について検討した.適当な長径/短径比の楕円領域を用いると安定した結果を得ることができることを示した.炭素繊維複合材料試験片を用いた種々の温度における線膨張係数の測定に本測定法を適用し,温度上昇に伴う膨張の測定と線膨張率の見積もりを行った.供試体表面に特別の処理を施す必要がなく,また完全に非接触の測定法である点で,本測定方法は高温環境下での熱変形・ひずみ計測に適した手法であると考えられる.ただし非常に高い温度環境下では,状況によっては材料の酸化や周囲大気のゆらぎに対する対策が必要となる.極超音速航空機や宇宙往復輸送機の実現へ向けて,空力加熱による過酷な熱負荷の環境に耐え得る軽量な耐熱構造システムが求められており,高温環境下での構造の変形やひずみの測定方法の確立が必須の課題となっている.本研究では,この問題の解決策として期待される電子式レーザースペックル干渉法による高温下での耐熱構造材料の熱変形計測システムの開発を最終的な目標とした.ここで提案したひずみ計測の基礎であるスペックル干渉法では,一般にS/N比が悪い干渉しまの画像データを処理して必要な変形やひずみおよびそれらの分布に関する情報を得なければならない.本手法ではコンピュータを用いた演算処理により実施するため,カメラを経由して離散化した干渉しまのデータに基づいて,任意点での変位量およびひずみを定量的に求めるためのアルゴリズムについて検討を行った.従来から用いられる局所的なしま間隔に基づいた単純な計算法に加えて,測定点近傍の円形領域内の離散点の情報を考慮した計算法,さらに影響領域を離散点の疎密に応じて楕円形にとった改良型の計算法を用いて,平板の面内ひずみの値を求め,ひずみゲージによる測定結果と比較検討することなどで,本研究で提案した演算手法の有効性について検討した.適当な長径/短径比の楕円領域を用いると安定した結果を得ることができることを示した.炭素繊維複合材料試験片を用いた種々の温度における線膨張係数の測定に本測定法を適用し,温度上昇に伴う膨張の測定と線膨張率の見積もりを行った.供試体表面に特別の処理を施す必要がなく,また完全に非接触の測定法である点で,本測定方法は高温環境下での熱変形・ひずみ計測に適した手法であると考えられる.ただし非常に高い温度環境下では,状況によっては材料の酸化や周囲大気のゆらぎに対する対策が必要となる.極超音速航空機や宇宙往復輸送機の実現へ向けて,空力加熱による過酷な熱負荷の環境に耐え得る軽量な耐熱構造様式が求められている.そのためには超高温環境下での構造の変形やひずみの測定方法の確立が必須の課題となっている.本研究では,その一つの手法として期待される電子式レーザスペックル干渉法による耐熱構造材料の熱変形計測システムの開発を最終的な目標とした.本年度は,超高速で航行する航空宇宙機の翼や胴体に関して,耐熱構造や熱防護システムなどに注目して高温環境下での特性について調査,解析を実施し,設計開発段階における変形あるいはひずみ測定に関する問題点の整理を試みた.その過程で派生してきた問題の一つとして,空力加熱を受けた場合に翼の空力弾性特性を変化することに関して十分な説明が成されていないことが挙げられた.この問題に関しては,空力加熱による影響を,温度変化に伴う物性値の変化,熱応力の影響,および熱変形の影響と因子ごとに明瞭に分離して,それぞれの影響に関して有限要素解析により解析し,基本的な特徴を明らかにした.一方,ここで提唱したひずみ計測の基本であるスペックル干渉法では,一般にS/N比の悪い干渉しまの画像データを処理して必要な変形やひずみおよびそれらの分布に関する情報を得なければならない.本手法ではコンピュータを用いた演算処理により実施するため,離散化した干渉しまのデータに基づいて,任意点での変形量を定量的に求めるためのアルゴリズムについて検討を行った.常温環境下で得られていた干渉しまのデータを用いて,局所的なしま間隔に基づいた単純な計算法や,ひずみゲージによる測定結果と比較検討し,提案した演算手法の有効性を検証した.極超音速航空機や宇宙往復輸送機の実現へ向けて,空力加熱による過酷な熱負荷の環境に耐え得る軽量な耐熱構造システムが求められており,高温環境下での構造の変形やひずみの測定方法の確立が必須の課題となっている.

本研究では,この問題の解決策として期待される電子式レーザスペックル干渉法による高温下での耐熱構造材料の熱変形計測システムの開発を最終的な目標とした.ここで提案したひずみ計測の基礎であるスペックル干渉法では,一般にS/N比が悪い干渉しまの画像データを処理して必要な変形やひずみおよびそれらの分布に関する情報を得なければならない.本手法ではコンピュータを用いた演算処理により実施するため,CCDカメラを経由して離散化した干渉しまのデータに基づいて,任意点での変位量およびひずみを定量的に求めるためのアルゴリズムについて検討を行った.従来から用いられている局所的なしま間隔に基づいた単純な計算法に加えて,測定点近傍の円形領域内の離散点の情報を考慮した計算法,さらに影響領域を離散点の疎密に応じて楕円形にとった改良型の計算法を用いて,平板の面内ひずみの値を求め,ひずみゲージによる測定結果と比較検討することなどで,本面究で提案した演算手法の有効性について検討した.適当な長径/短径比の楕円領域を用いると安定した結果を得ることができることを示した.炭素繊維複合材料試験片を用いた種々の温度における線膨張係数の測定に本測定法を適用し,温度上昇に伴う膨張の測定と線膨張率の見積もりを行った.供試体表面に特別の処理を施す必要がなく,また完全に非接触の測定法である点で,本測定方法は高温環境下での熱変形・ひずみ計測に適した手法であると考えられる.ただし非常に高い温度環境下では,状況によっては材料の酸化や周囲大気のゆらぎに対する対策が必要となる.
フェムト秒電子バンチ生成とその計測及びコントロール

レーザープラズマ相互作用により生成されるレーザー加速電子ビームは、フェムト秒(1フェムト秒= 1000兆分の1秒)という超短パルスであることが予想されている。本電子ビーム応用は、化学反応過程の測定や制御につながる。本研究により、レーザー加速電子ビームの安定生成とそのパルス幅測定を行った。ターゲットとして、安全上及びプラズマ中の電子密度を容易に得るためにヘリウムを用いている。これを窒素に替え、安定電子ビーム生成に成功した。また、生成電子ビームをレーザー場で振動させ、その電子振動の計測より、電子ビームのパルス幅測定を行い、1.7フェムト秒という超短パルス電子ビームの計測に成功した。レーザー加速生成の電子ビームは、フェムト秒オーダーの超短パルスであることが、理論およびシミュレーション研究により、予想されている。このレーザー加速電子ビームを利用するためには、安定でコントロール可能である必要がある。さらに、使用する電子ビームのパラメーターを計測する必要がある。昨年度までに、アルゴンガス及び窒素ガスをターゲットにすることにより安定電子ビーム生成に成功した。さらに、この安定電子ビームを用いて、電子ビームのパルス幅計測を行った。生成電子ビームを、レーザーパルスの電場で振動させ、その垂直方向にエネルギー分解すれば、エネルギー空間において、この電子振動の測定が可能である。結果、電子ビームのエネルギースペクトルの半値全幅は、振幅の1.5周期であった。電子ビームのエネルギースペクトルを軸方向の位相に変換することができるため、ここからパルス幅を求めることができる。これより求めた電子ビームのパルス幅は、1.7fs(rms)であった。今年度は、この電子ビームを薄膜にあて生成した遷移放射光の測定によるパルス幅計測を行うための準備を行った。遷移放射光を用いた測定方法は2種類考えられる。1つは、遷移放射光のコヒーレント化する波長を測定する方法である。遷移放射光の波長がパルス幅より長くなるとコヒーレントになる。すると光の強度が変化するため、その変化を調べることにより、パルス幅を求めることができるようになる。2つめは、生成した遷移放射光とプローブ光を非線形結晶中で相互作用させ、出てきたプローブ光の変化を測定する方法である。プローブ光をチャープさせて相互作用させ、出力のスペクトルを測定することにより、パルス幅を求めることが可能である。これらの方法によるパルス幅測定のため、レーザー加速電子ビームの安定化のためのパラメーターを詳細に調べるとともに、上記、パルス幅測定のための準備を行った。これまで、ターゲットガスには、ヘリウムガスを使用してきた。これは、プラズマ密度が、ガス密度から容易に決定できるからである。昨年度までに、ターゲットとして、アルゴンガス及び窒素ガスを用いることにより、安定電子ビーム生成に成功した。安定化には、長いプラズマチャネルが必要であるが、ヘリウムガスを使用したときに比べて、アルゴンガス及び窒素ガスを用いたときには、長いプラズマチャネルができる。本研究では、このようなガス中の高強度レーザーパルスの伝搬には、レーザーがプラズマを作るとき、及びプラズマ中を伝搬するときの、レーザーの周波数アップシフトが大きく関わっていることを見いだした。パルス幅測定に関しては、電子ビームのレーザー電場による振動の測定から、1.7フェムト秒の電子ビーム計測に成功した。これに続いて、生成電子ビームとプローブ光を非線形結晶中で相互作用させ、出てきたプローブ光の変化よりパルス幅を測定することを計画したが、レーザー装置の不具合により、今回は実験を行うことが出来なかった。現在、レーザーの修理が終了し、順次、計測を行っていく予定である。上記の2つの結果については、現在、論文化を進めているところである。超短パルス電子ビームの応用のため、レーザー加速電子ビームの安定化およびそのパルス幅計測を行った。アルゴンガス及び窒素ガスをターゲットにすることにより安定電子ビーム生成に成功した。この安定電子ビームを用いて、電子ビームのコントロール及びパルス幅計測を行った。40フェムト秒160mJ、中心波長800nmのチタンサファイアレーザー及び直径3mmのガスジェットを用いて実験行った。まず、電子ビームのプロファイルコントロールを行った。レーザー加速電子ビームが横方向の電場を受けると、電子ビームプロファイルが楕円になる。

レーザーの偏光のコントロールにより、電子ビームプロファイルの制御に成功した。電子ビームが横電場を受けているため、この方向と垂直方向にエネルギー分解すれば、エネルギー空間において、この電子の振動が見える。電子ビームのエネルギースペクトルの半値全幅は、振幅の1.5周期であった。電子ビームのエネルギースペクトルを軸方向の位相に変換することができるため、ここからパルス幅を求めることができる。これより求めた電子ビームのパルス幅は、1.7fs(rms)であった。今回、プラズマ中の電子ビームのパルス幅の測定に成功した。今後は、プラズマより離れた位置でのパルス幅の測定を行い、本電子ビームを用いた応用研究への展開していく。レーザー加速電子ビームの安定化および電子振動測定によるパルス幅計測を行い、1.7fsの電子のパルス幅を計測に成功した。また、遷移放射光を用いたパルス幅測定のための準備を完了した。今後、遷移放射光を用いたパルス幅測定を実施することが可能なので、本研究は、おおむね順調に進展している。23年度は、レーザーの電場により電子ビームを振動させ、その電子振動からパルス幅を求め、遷移放射光によるパルス幅測定が24年度、電子ビームのパルス幅圧縮とパルス幅測定が25年度であった。23年度の研究の進展は予定通りである。レーザー電場を用いた電子振動による電子ビームパルス幅計測及び遷移放射光を用いたパルス幅計測のための準備は完了した。今後、生成した電子ビームより放射される遷移放射光を用いて、電子ビームのパルス幅計測を行う。レーザー電場を用いた電子振動による電子ビームパルス幅計測および遷移放射光によるパルス幅計測を比較する。その後、電子ビームのパルス圧縮を行い、遷移放射光および電子振動測定による電子ビームのパルス幅計測を行う。コヒーレント遷移放射光を用いて、電子ビームのパルス幅計測を行う。電子振動による電子ビームパルス幅計測および遷移放射光によるパルス幅計測を比較する。電子ビームのパルス幅計測のための消耗品を購入する。また、結果の報告のための出張費として使用する。研究発表のため、海外出張および国内出張を予定していたが、実験の都合で、海外出張および国内出張を1件ずつキャンセルした。そのため、残額が生じた。その残額で、遷移放射光生成のための薄膜、遷移放射により生成される赤外線のスペクトル計測を行うためのフィルター等を購入する。
チューナブルフィルターを用いた彩層偏光観測装置開発

太陽彩層での像分光を実現する新しい狭帯域チューナブル・フィルターを開発した。このフィルターは高速チューニング(約0.1秒)を実現し、機械駆動(油層)を排除し、広波長域(510-1100nm)をカバーする。このフィルターを用い2015年1月に中国雲南省1m真空太陽望遠鏡で高解像度の太陽フレアや彩層微細構造のデータを取得した。一方、狭帯域チューナブル・フィルターと組み合わせて用いるイメージング偏光解析装置を開発してきた。この装置は回転波長板を用いた彩層マグネトグラフ(通称:Chro-Mag-Ro)と名付けた。このChro-Mag-Roを用いて、2016年1月に活動領域の円偏光分布を観測した。近年、盛んに太陽彩層分光偏光観測が進められている。太陽フレアをはじめとする彩層のダイナミックな現象を捉えるためには高時間分解能の分光偏光観測をする必要がある。このため、高時間分解能の分光偏光観測は様々な角度から検討されているが、波長方向へのスキャン、つまりチューナブルフィルターについてほとんど検討されてこなかった。従来の分光器を用いた分光偏光観測ではスリットで太陽面をスキャンする手法のため、二次元マップを取得するのに長い時間が掛かり、空間的に広がる短時間で変化する現象を捉えることができない。しかし、波長方向へのスキャン、つまりチューナブルフィルター(以下、フィルター)が開発され、条件を満たす精度の高い偏光解析装置が開発されれば、高時間分解能の分光偏光観測についての考察が可能となる。京都大学附属天文台で開発中の波長スキャンにより短時間に分光観測を可能にするフィルターと本研究で作成する高精度の偏光解析装置を用いて太陽彩層の偏光観測を行う。平成25年度にはこのチューナブルフィルターと組み合わせる偏光解析装置を作成する段階であった。この装置全体は偏光板・広帯域回転波長板・プレフィルター・フィルター・カメラという構成になる。この装置のもっとも重要な部分である回転機構に広帯域波長板を組み込み、角度によって異なった偏光状態が取得する。このシステムでは半回転で直線偏光(ストークスパラメータ:Q、U)と円偏光(ストークスパラメータ:V)のデータを測定できる。さらに、広帯域回転波長板を高速で回転させることにより、大気揺らぎ(シーイング)による位置ずれノイズの少ない全偏光状態のパラメータを取得できる。我々は平成25年度に本来購入予定であったものよりも高速で回転できる回転ステージを購入し、パソコンから自由に制御するソフトを作成した。本研究の目的は、京都大学附属天文台で開発中の波長スキャンにより短時間に分光観測を可能にする狭帯域チューナブル・フィルターと本研究で作成する高精度の偏光解析装置を用いて太陽彩層の偏光観測を行う事である。本研究の方針として、次の3段階を計画していた。(1)チューナブルフィルターと偏光解析装置を性能評価:京都大学飛騨天文台で開発された分光ミュラー行列測定装置(Mueller Matrix Spectro-Polarimeter ,通称MMSP)を用いて装置偏光、特に本研究の心臓部である波長板の偏光特性を測定した。この波長板は光学メーカーと京都大学が共同で開発した広帯域波長をカバーする。この波長板は観測に使用可能な精度を満足していることが分かった。また、このMMSPは国立天文台三鷹キャンパス(真空紫外棟)にも導入し使用できるようにした。(2)海外大型望遠鏡のバックエンド装置として利用:海外大型望遠鏡とはハワイのマウイ島ハレアカラ山頂で建設が進められているThe Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST)の口径4mの太陽望遠鏡を想定している。しかし、現存する使用可能な大望遠鏡で、観測条件の良いものとして2015年1月19-30日に中国国家天文台の雲南省撫仙湖天文台の1m太陽望遠鏡を用いて太陽彩層の観測を行った。この観測では太陽フレア(Mクラス、Cクラス)、ジェット噴出現象(エラーマンボム)、フィラメントなどの彩層特有の現象を狭帯域チューナブル・フィルターで観測できた。しかし、偏光解析装置は搬送できなかったため、今回の共同観測での使用は見送られた。(3)太陽彩層の現象を分光偏光観測し磁場、速度場などの物理量を導出:偏光解析装置をまず、飛騨天文台のドームレス望遠鏡に導入して太陽彩層現象の分光偏光観測を行い、解析手法の開発を行う。本研究では狭帯域チューナブル・フィルター(UTF)と偏光解析装置を用いて太陽彩層の偏光観測を行うことを目的とする。UTFは京都大学附属天文台で開発してきた波長スキャンにより短時間に像分光観測を可能にするフィルターである。このフィルターは510nmから1100nmまでの波長域において、太陽彩層で生成される様々なスペクトル線に対してチューニング可能である。一方、偏光解析装置は高速で回転する中空アクチュエーター(1分間で200回転)を採用し、広い波長域で使用可能な遅延量127度の波長板を回転させ偏光を取得する。この装置はChro-Mag-Ro(Chromospheric Magnetograph with a Rotating wave-plate)と命名された。本研究では次の三段階を設定し計画を遂行した。1、UTFとChro-Mag-Roの性能評価:京都大学飛騨天文台の分光ミュラー行列測定装置を用いて装置の偏光特性を測定した。この波長板は光学メーカー(ルケオ社)と京都大学が共同で開発し、観測に使用できる十分な精度を満たしていることが分かった。

2、海外大型望遠鏡のバックエンド装置としての利用:我々は2015年1月に中国国家天文台撫仙湖太陽観測所の新真空太陽望遠鏡を用いて像分光観測を行った。この観測ではChro-Mag-Roは搬送できなかったため見送られた。3、太陽彩層の分光偏光観測:京都大学飛騨天文台ドームレス望遠鏡でChro-Mag-Roを設置し、2015年9月にCa 854.2nmで彩層偏光観測を行った。曇天で使用できるデータは得られなかったが、Chro-Mag-Roの変調が正しい事を確認した。さらに、2016年1月に国立天文台三鷹キャンパス気球実験棟にChro-Mag-Roを設置して偏光観測を行い、ノイズは多いが円偏光シグナルの取得に成功した。太陽彩層での像分光を実現する新しい狭帯域チューナブル・フィルターを開発した。このフィルターは高速チューニング(約0.1秒)を実現し、機械駆動(油層)を排除し、広波長域(510-1100nm)をカバーする。このフィルターを用い2015年1月に中国雲南省1m真空太陽望遠鏡で高解像度の太陽フレアや彩層微細構造のデータを取得した。一方、狭帯域チューナブル・フィルターと組み合わせて用いるイメージング偏光解析装置を開発してきた。この装置は回転波長板を用いた彩層マグネトグラフ(通称:Chro-Mag-Ro)と名付けた。このChro-Mag-Roを用いて、2016年1月に活動領域の円偏光分布を観測した。本研究で進めてきた回転波長板による偏光解析装置の開発は装置を構成する素子、回転ステージも揃い、コントロールも可能な状態にある。また、本研究で用いる高速CMOSカメラとの同期もトリガー機能を用いて可能となった。さらに、データが取得できた際に必要となる解析用のソフトウェアの開発も行っている。平成26年度に京都大学飛騨天文台のドームレス望遠鏡垂直分光器の観測テーブル上に光学レールを設置し、本研究で開発する偏光解析装置と狭帯域チューナブル・フィルターを組み合わせて太陽彩層観測を行う事を計画していた。しかし、フィルター内のソフトウェアでの温度管理が非常に難しく、この部分を考慮した構造設計に時間がかかってしまった。このフィルターを構成する素子の中でも波長選択に重要な方解石は高い温度膨張率であり、屈折率を変化させ、透過する光の波長が変化するため、フィルター内部の温度変化は詳細にモニターされ、管理されるべきである。現在、この構造設計の問題はヒーターを用いて回避されている。一方、本研究で主に用いるフィルターは510-1100 nmの広い波長で使用可能であるが、テスト観測を行った結果、次のようなハードルがある事が判明してきた。まず、彩層下部で形成されるMg 517nmに対してはこのフィルターの透過幅(Hα656nmで0.025nm)が広く、周囲の光が洩れこむ。彩層上部で形成される近赤外のスペクトル線He 1083nmに対しては、用いている高速撮像CMOSカメラ(浜松ホトニクス社製Orca Flash)の感度がほとんどない。これらの理由から次数カットフィルターの関係上、使える波長はHα656nmとCa 854nmになってしまう。
画像処理流速計を使った水面付近の吹送流の鉛直構造に関する研究

画像流速計(PTV)の方法で,風波の谷より上の吹送流の鉛直分布の測定方法を確立させた.平成11年度の研究では、流れ関数法を利用して波の位相ごとの吹送流の大きさを測定し,吹送流の表面流速および水面下での流速の鉛直分布分布は位相毎に大幅に変化することを示した.平成12年度の研究では,前年度の測定方法に改良を加え、風波の谷より上の高さを含めた水面近傍の流速を詳細に測定し、位相20度ごと及び1周期平均の鉛直分布を求めた.その結果(1)風波の流速場を対象とした流れ関数法の計算精度についても検討したが,波の軌道速度の主要な成分は非回転成分であることが確認された。(2)移動する水面を基準とする座標について測定した流速を1周期平均して求めた流速の鉛直分布は,波が大きくない場合の吹送流の鉛直分布として従来から知られている対数分布とよく一致することが分かった.(3)静水面を基準とした鉛直座標でトラフレベルよりも上の高さの(水中にある時間だけを対象として)平均流速を求めると、移動する水面を基準として求めた流速の鉛直分布と大きく異なることが分かった.(4)測定した流速の位相平均と1周期平均の差を軌道速度の非回転成分と比較した.その結果両者の差は水面に近づくにつれて大きくなることが分かった.この差は主に軌道速度の回転成分と考えられる.(5)軌道速度の回転成分の効果を無視して,測定流速と位相平均流速の差を乱れと考えその計算を行った結果,乱れは水面に近づくにつれて大きくなることが分かった.位相毎の変化は予想していたほどの大きな変化は表れなかった.(6)1/60(s)間隔の連続画像を用いて測定した風波の波速は,測定した水面粗度の値を用いて加藤(1975)の対数分布の吹送流に対する波速の計算で求めた波速とほぼ一致した.本研究は,風洞水路で波の谷の高さより上を主とした水面付近の吹送流の鉛直分布を画像流速計(PTV)を用いて測定しようとするものである.本年度は第一段階の測定方法の確立に主眼をおいた.主要な成果は以下の通りである.(1)ストロボで上から水路中央部にシート状の照明をあて、水路側面からCCDカメラで微細粒子(直径1535μ)の動き(画像)をパソコンに撮り込み,科研費で購入した市販のPTV解析ソフトで画像流速計としての測定を行った.この際,測定点と波の位相との関係が必要であるため、2台目の(やや広いアングルの)CCDカメラと波高計も同時に使用して波長と測定点の位相も測定出来るようにした.このようにして,風波のトラフレベルより上を含む水面近傍における流速を波の位相毎に測定する方法をほぼ確立した.ただし、波の山の位相では水面から5mm位の高さで粒子の分布密度が不足している点と,上からの照明で水面付近が光って測定がしにくい点等,まだ改良が必要である。またこれとは異なるカメラの配置を用いて,瞬間的な表面流速性u_0もPTVにより波の位相毎に測定出来るようにした.(2)加藤他(1999)が用いた流れ関数法により軌道流速のpotential部分u_Pを計算し,これを波の軌道速度の主要な部分と見なして,測定した位相毎の流速からu_Pの値を引いたものを吹送流の水平方向成分とする鉛直分布を求めた.これらの結果から,水面直下の吹送流の鉛直分布は、波の位相に依存してかなり変化することが分かった.(4)この鉛直分布を水表面からの水深で表し,一周期平均したものを,加藤(1975)の提案している対数分布の式に適用したところ良い一致を示し,重要なパラメターz_0はおおよそ0.035cmとなった.ただし波の山の位相では水面近くの測定点の数が少ないので,さらに測定データの改良が必要である。(2)移動する水面を基準とする座標について測定した流速を1周期平均して求めた流速の鉛直分布は,波が大きくない場合の吹送流の鉛直分布として従来から知られている対数分布とよく一致することが分かった.(3)静水面を基準とした鉛直座標でトラフレベルよりも上の高さの(水中にある時間だけを対象として)平均流速を求めると、移動する水面を基準として求めた流速の鉛直分布と大きく異なることが分かった.(4)測定した流速の位相平均と1周期平均の差を軌道速度の非回転成分と比較した.その結果両者の差は水面に近づくにつれて大きくなることが分かった.

この差は主に軌道速度の回転成分と考えられる.(5)軌道速度の回転成分の効果を無視して,測定流速と位相平均流速の差を乱れと考えその計算を行った結果,乱れは水面に近づくにつれて大きくなることが分かった.位相毎の変化は予想していたほどの大きな変化は表れなかった.(6)1/60(s)間隔の連続画像を用いて測定した風波の波速は,測定した水面粗度の値を用いて加藤(1975)の対数分布の吹送流に対する波速の計算で求めた波速とほぼ一致した.平成12年度の研究では,前年度の測定方法に粒子の大きさや質,測定対象の波の選択等に改良を加え、風波のトラフレベルより上の高さを含めた水面近傍の流速を詳細に測定し、位相20度ごと及び1周期平均の鉛直分布を求めた.その結果(1)風波の流速場を対象とした流れ関数法の計算精度についても検討したが,波の軌道速度の主要な成分は非回転成分であることが確認された。(2)移動する水面を基準とする座標について測定した流速を1周期平均して求めた流速の鉛直分布は,波が大きくない場合の吹送流の鉛直分布として従来から知られている対数分布とよく一致することが分かった.(3)静水面を基準とした鉛直座標でトラフレベルよりも上の高さの(水中にある時間だけを対象として)平均流速を求めると、移動する水面を基準として求めた流速の鉛直分布と大きく異なることが分かった.(4)測定した流速の位相平均と1周期平均の差を軌道速度の非回転成分と比較した.その結果両者の差は水面に近づくにつれて大きくなることが分かった.この差は主に軌道速度の回転成分と考えられる.(5)軌道速度の回転成分の効果を無視して,測定流速と位相平均流速の差を乱れと考えその計算を行った結果,乱れは水面に近づくにつれて大きくなることが分かった.位相毎の変化は予想していたほどの大きな変化は表れなかった.(6)1/60(s)間隔の連続画像を用いて測定した風波の波速は,測定した水面粗度の値を用いて加藤(1975)の対数分布の吹送流に対する波速の計算で求めた波速とほぼ一致した.
地球環境保全に適応する新しい都市環境保全システムの開発と評価に関する総合研究

地球大気中の温室効果ガス濃度の増加によってもたされる地球温暖化問題は現在深刻に懸念されており、その発生源の解明および発生量削減対策の検討が迫られている。その中で二酸化炭素排出の規制やフロン使用の禁止などの対策がほぼ纏まられているのに対してメタンと亜酸化窒素等はその発生源ですら未だ明らかにされていない。メタンと亜酸化窒素の発生は都市活動と密接な関係があり、とりわけ水環境の管理、排水処理及び廃棄物処分などの環境、衛生工学の分野と深く関わっている。しかし、従来の水環境の管理、排水処理及び廃棄物処分システムでは都市及び地域環境の保全だけに技術目標を設定しているので、地球環境保全への配慮はほとんどなされていないと言える。本研究は水環境の管理、排水処理及び廃棄物処分などに起因する温室効果ガスの発生源及びその発生機構を明らかにし、地球環境保全に適用する温室効果ガス非発生型都市環境保全技術と新しい水環境管理対策を確立することを目的として、温室効果ガスの放出を抑制できる新しい排水処理及び廃棄物処分法の開発と評価、トータルエネルギー消費量低減型排水・廃棄物処理法の確立、温室効果防止に寄与する都市・水環境保全システムの構築と評価について検討を行った結果以下の結論を得た。水素ガス生成型排水処理法の種汚泥の違いに関わらず50日程度で安定した。間欠曝気につづく脱窒槽は亜酸化窒素の分解の場として機能していた。亜酸化窒素の生成を制御する方法としてメタノールの添加が重要であった。屋外測定に摘要可能な簡便で可搬型の還元性硫黄化合物の測定法を明らかにした。下水熱を利用した地域冷暖房システムの二酸化炭素発生量削減効果をライフサイクル的に評価した結果、空気熱源のヒートポンプ方式やボイラーと冷凍機を用いた従来方式と比較して想定したいずれの地域の場合にも優位性が示された。(1)個々の単位操作プロセスにおける温室効果ガス発生量およびそのフローバルインパクトの評価:野池は、廃棄物埋立の現場調査と室内実験を行い、メタン生成速度を把握した。松尾は、都市において発生する有機物の排出・処理方式の実態についてデータ・資料を収集し、それぞれの処理方式での付加的なCO_2発生量を把握した。花木は、実験室において間欠ばっき方式の硝化脱窒プロセスを運転し亜酸化窒素の発生量と脱窒について検討した。渡辺は、生物膜への酸素供給速度と硝酸脱窒・N_2Oの発生量との関係について研究した。太田は、地球環境に影響を与える還元性硫黄化合物の発生量の推定及びその環境影響の評価に焦点を絞って都市活動と硫黄化合物の発生との関係を明らかにした。寺島と松井は、有機固形物の微生物分解過程における温室効果ガスの発生の制御方法を確立するために、メタンや亜酸化窒素の発生と気・液・個相の酸化・還元的条件との関係を明らかにした。(2)トータルエネルギー消費量低減型排水・廃棄物処理法の開発:中村は、有機排水からの水素ガス生産について実験的研究を行った。大村は藻類によるCO_2の効率的固定について実験的研究を行った。李は、下水汚泥処理処分システムにおける物質収支を明らかにした。(3)温室効果防止に寄与する都市・水環境保全システムの構築と評価:村岡はモデル都市流域において水収支の正常化を図りながら、治水対策としての貯留効果を試算し、加えて下水処理水の活用を評価できるシステムを構築した。また、楠田は下水処理放流水を受ける河川の感潮部での温室効果ガス(N_2O)の生成機構を明らかにした。三村は、都市沿岸の自然水系における温室効果ガス発生の抑制を目的として閉鎖性内湾(東京湾)における流動と溶存酸素収支のモデルを構築した。