hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
離散転位動力学を基礎とするマルチスケール多結晶転位塑性モデルの構築

多結晶転位塑性モデルの定式化と実装においては,研究代表者がこれまでに開発してきた離散転位動力学コード(主に析出物との相互作用解析に用いてきた)に,領域分割法による重ね合わせの原理の機能を追加することによって効率的に開発することに成功した.このため,離散転位動力学コードについてこれまでの研究実績があることから,その計算精度について詳細に検討する必要がなくなった.また,有限要素法についても研究代表者がこれまでに開発していた弾性解析用の有限要素法コードを利用することができたため,効率的にコードの開発を行うことができた.多結晶構造モデルの作成においては,分子動力学法に類似した方法により母点座標を求めたが,研究代表者がこれまにで開発していた分子動力学法コードの原子間力の計算部分を修正することによって容易に実装することができた.さらにRadical plane法の利用については,そのアルゴリズムの簡便さから容易に実装することができた.したがって,これまでに研究代表者が開発したコードを応用し,更に用いるアルゴリズムの簡便さから,開発の期間の短縮に成功した.以上の結果から,平成26年度の段階で多結晶金属の塑性変形解析を開始することができた.計算材料科学多結晶転位塑性モデルを用いた多結晶金属の塑性変形解析は,転位源から発生した多くの転位が粒界に堆積する.したがって,実用的な規模の材料シミュレーションを行うためには,結晶粒内で活動する転位に加え,粒界で堆積する転位を含めた転位間相互作用を全て計算する必要があるため,その計算コストは非常に高い.そこで,分散/共有メモリハイブリッド並列化を行うことによって,計算速度の高速化を図り,さらに実用的な多結晶の塑性変形解析を実現する.領域分割型の重ね合わせの原理を用いた計算では,結晶粒に含まれる転位間の相互作用は直接計算が必要であるが,異なる結晶粒に存在する転位間の相互作用は,重ね合わせの原理に基づいて計算されるため,直接計算する必要がない.そこで,結晶粒を単位とした領域分割を行い,各計算機の分散したメモリに配布する.結晶粒内の転位間の相互作用は共有メモリ型の並列化によって高速化を行う.並列化した多結晶転位塑性モデルを用いた,多結晶の材料シミュレーションを行うことにって,弾性異方性が与えるミクロおよびマクロな塑性変形への影響を調べる.特に,結晶粒界付近に発生する内部応力に注目した転位源の活性化に関わる影響を詳細に調べる.また,多結晶転位塑性モデルの計算結果には多数の転位線が複雑に絡み合った状態であるため,その可視化には工夫が必要である.そこで,効果的な可視化を実現するために,可視化コードについても開発を行う.物品費として購入したワークステーションの価格や,旅費について見積もりを行った当時の価格からの変化により,差額が生じた.残額が13,348円と少額であるため,次年度に持ち越し,次年度の予算と合わせることによって,物品の購入に充てることとした.平成27年度では,多結晶転位塑性モデルを使った多結晶金属の塑性変形解析を実施する.多結晶転位塑性モデルによるシミュレーションは時系列のシミュレーションのため,出力されるデータの容量が非常に大きい.このような大規模なデータを保存するためのストレージ(NAS)を購入する予定であり,その購入費用の一部として利用する予定である.
微生物ループの河口域有機物フローに果たす役割の解析と環境保全への応用

本研究では、干潟堆積有機物の分解過程におけるバクテリアの炭素、窒素安定同位体比を分析することで、バクテリアが同化している有機物起源を推定した。あわせて分解過程における堆積有機物の脂肪酸組成の経時変化を分析することで、どの生物に由来する有機物を分解しているかを明らかにし、干潟に堆積する有機物の分解特性を考察した。その結果、堆積有機物の炭素安定同位体比は分解に伴って低下した。その理由は底生付着微小藻類や海洋粒状有機物など比較的炭素安定同位体比が高い有機物分解が進み、河川粒子有機物や陸上植物の分解が相対的に滞っているためと考えられた。一方、堆積有機物に含まれる脂肪酸(FA)の経時変化は、全FAは分解実験初期に急速に低下し、その後緩やかに減少し、全有機炭素含有量の挙動と同様の傾向を示した。しかし、脂肪酸をバイオマーカーとして生物の種類毎に分解過程を見ると、実験初期において珪藻類は緩やかに減少したが緑藻類および渦鞭毛藻類の分解は急速に進んでおり、陸上植物はそれらの分解がある程度進んだ後に分解していることがわかった。すなわち、干潟においてバクテリアは様々な有機物が混合する状態では分解・同化しやすい藻類をまず利用し、ついで陸上植物由来の有機物を炭素源として利用し始めることが確認できた。これらの結果から考えると、干潟に堆積する有機物の主たるものは分解されにくい陸上植物由来の有機物であることが予測され、これは既往の研究とも一致する。したがって干潟の泥質化を制御するためには陸上植物由来の有機物の流入および堆積することが有効であることが示唆された。
強レーザー場による溶液中での分子構造形成に関する分子動力学研究

この課題では、「強い静電相互作用と分子間力による分子構造の形成」をテーマとして、分子動力学法を用いて以下に記す3つの研究を行なった。また研究手段として、研究室単位で手軽かつ安価に設置できる高速PCクラスター計算機を構築し、その高速性を検証した。参考資料:http://dphysique.nifs.ac.jp/生体系での分子運動や構造形成においても静電相互作用が重要であることを明確に示した。DNAが安定な2重らせん構造をもつのは水素結合(静電力起源)による塩基鎖の結合が原因であるが、同様に膜孔を通って細胞内を移動するDNAの運動においても静電力は重要である。これは高誘電率の細胞液に囲まれた低誘電率の膜で電場が濃縮される(法線方向の変位電流が連続)ためである。このため隣接する膜孔では単体でイオンは存在できず、カチオンとアニオンが合体するか、強く帯電したDNAがカチオンで荷電中和した状態ではじめて膜孔を通り抜ける。ほかの生体現象でも静電力と分子間力が協調して構造形成が進行することが多いと考えられる。室温の水素雰囲気中でグラファイトの表面破壊が「自発的に」進行することを第一原理(量子力学)分子動力学法を用いて示した。通常想定されている同一炭素原子への2個以上の水素原子の吸着は、原子間の斥力のため高いエネルギー障壁(3eV程度)を越えないと実現しない。ところが、複数の水素原子がグラファイトを構成する異なる炭素原子に吸着される過程は容易に進行し、sp^2構造の平面グラファイトがsp^3的な立体構造へ変化しグラファイト面に凹凸が生じる。この結果歪みが集中した炭素-炭素結合が切断されてグラファイトの6員環構造が破壊され、そのサイトに2つ目の水素が吸着され炭化水素分子CH_2が形成されることを示した。高温(1000K)の場合は熱運動のため水素原子のグラファイトへの吸着は阻害され、表面破壊は進行しないことを示したが、これはナノ素材研究の室内実験と符合する。[3]マイクロ波による水溶液の加熱(Soft Matter 2005、京都大学基礎物理学研究所紀要)[4]Linux PCと高速通信ソフトウェアによる高速並列計算機の構築(日本物理学会誌、2004年12月号、「話題」)分子科学における強い電場が関与して起きる構造形成の課題として、(1)荷電高分子DNAの低誘電率膜孔の通過(Phys.Rev.Lett.2005年掲載)、(2)強いレーザー照射で誘起されるフラーレン分子の変形、を古典および第一原理分子動力学シミュレーション法を用いて研究した。また、(3)分子動力学研究に最適な計算機であるPCクラスター計算機を、わずかなコストで高速化する通信ソフトウェアを導入、Fortranで安定に利用する方法を開発整備した(日本物理学会誌、2004年12月号)。その概要は、(1)膜孔を通過する高分子やイオンは、細胞膜の水チャンネルやイオンチャンネルと関連した興味あるテーマであり、また人工膜孔によるDNAセンサーとしての応用も考えられる。今年度用いたモデルは、直方体の孤立した箱(細胞)内の中央を有限厚みの膜でしきり、その中央にイオン径の数倍の直径をもつ孔をあける。誘電率は溶液中で80、膜内で2である。DNAは帯電モノマー1個(リン酸基)と中性モノマー2個(糖リングと側鎖に対応)の連鎖した高分子とし、溶液中には1M濃度のKClに対応する塩イオンをおいた。この系では空間的に誘電率が変化するため、短距離・クーロン力(イオン間で直接和)のほかに、長距離クーロン力については誘電率を含むポアソン方程式を実空間で解いて電場を決定した。主要な結果は、(a)膜孔内では低誘電率膜による電場の濃縮が起き、共イオンが排除される、(b)DNAは対イオンにより完全に電荷中和される、(c)DNAは誘電率の違いによる電場濃縮効果のため、膜壁から離れて位置、このためDNAはバルクに比べて伸長した状態を保つ、である。膜孔から動ける塩イオンが排除された結果、膜孔を通り抜ける電流は大きく減少した。(3)短ベクトル演算やスカラー演算が主である分子動力学シミュレーションでは、通常のベクトル型スーパーコンピュータはあまり威力を発揮せず、量子力学コードではPCが100倍価格の高い同数のベクトル型並列計算機の性能を上回る。このPCクラスターには大きな演算時間のオーバーヘッドが存在したが、非TCP/IP通信の高速通信ソフトウェアGAMMAの導入により、このオーバーヘッドがTCP/IPの通信待ち時間(Latency)にあることを証明し、かつその除去に成功した。

このため隣接する膜孔では単体でイオンは存在できず、カチオンとアニオンが合体するか、強く帯電したDNAがカチオンで荷電中和した状態ではじめて膜孔を通り抜ける。ほかの生体現象でも静電力と分子間力が協調して構造形成が進行することが多いと考えられる。室温の水素雰囲気中でグラファイトの表面破壊が「自発的に」進行することを第一原理(量子力学)分子動力学法を用いて示した。通常想定されている同一炭素原子への2個以上の水素原子の吸着は、原子間の斥力のため高いエネルギー障壁(3eV程度)を越えないと実現しない。ところが、複数の水素原子がグラファイトを構成する異なる炭素原子に吸着される過程は容易に進行し、sp^2構造の平面グラファイトがsp^3的な立体構造へ変化しグラファイト面に凹凸が生じる。この結果歪みが集中した炭素-炭素結合が切断されてグラファイトの6員環構造が破壊され、そのサイトに2つ目の水素が吸着され炭化水素分子CH_2が形成されることを示した。高温(1000K)の場合は熱運動のため水素原子のグラファイトへの吸着は阻害され、表面破壊は進行しないことを示したが、これはナノ素材研究の室内実験と符合する。[3]マイクロ波による水溶液の加熱(Soft Matter 2005、京都大学基礎物理学研究所紀要)[4]Linux PCと高速通信ソフトウェアによる高速並列計算機の構築(日本物理学会誌、2004年12月号、「話題」)
幼児期から学童期の保護者への健康教育支援プログラムの考案と効果検証

今年度は幼小の養護教諭と協同して、保護者が子どもの生活リズムを確立し、健康を維持・増進させるための健康教育支援プログラムを考案し、その効果を検証した。2017年度に実施した事前調査の結果に基づき、保護者対象の健康教育支援プログラムの教材を作成した。幼児版では、睡眠や午睡、夜間のトイレ、運動、朝ごはんおよび入眠儀式について要点をまとめた。小学校版では、睡眠発生メカニズムや睡眠負債、社会的ジェットラグを軸として、睡眠時間の確保と規則正しい生活リズムの獲得を目指した。肥満や記憶、成績等との関連についても触れながら、養護教諭が保護者対象に講話を行い、申請者が補足や質問に回答していくことで連携をはかった。行動変容を促すために、講話前1週間から講和後3週間に睡眠日誌を用いて生活を記録してもらった。睡眠日誌は、申請者が全てコメントを記入してフィードバックすることで、規則正しい生活を継続していくよう動機づけをはかった。さらに、普及のためのツールづくりとして、講話の時間が取れない時でも資料として配布できるよう保護者向けにはパンフレットを作成した。また、幼児には、睡眠や生活リズムについて学んだ学生が作成した「健康カルタ」で遊びながら、知識を獲得できるよう工夫した。小学校では本プログラムと同時に養護教諭による5年生を対象とした「目指せ!睡眠マスター生活習慣から見直そう」の授業も行われた。月ごとの健康づくりのための生活習慣目標にも睡眠に関する目標を取り入れるなど、学校全体で意識を高める取り組みを行い、学校、家庭、大学の連携を深めることができた。今年度は、健康支援プログラムの考案および実施ができたが、プログラムの効果検証まではできなかった。次年度は、プログラムの実施効果の分析を進めると同時に、より簡便で発達段階に即したプログラムにしていく。さらに、睡眠日誌へのコメントをより早くフィードバックできるよう、行動と改善ポイントをまとめ、システム化していく。幼児期から児童期の保護者が子どもの生活リズムを確立し、健やかな発達を育むことを教育者が支援する健康教育支援プログラムを考案するために、今年度は現状把握と支援ポイントの検討、および保護者への動機づけを高めるために講演を通して調査の結果をフィードバックした。国立大学附属幼稚園(35歳児)および小学校(16年生)の保護者を対象として、親子の生活リズムや心身の健康状態を把握するために調査を行った。結果、子どもの睡眠時間は、4年生を境に9時間より短くなってくことが示され、就床時刻も4年生以降は30分ずつ遅くなっていた。日中の眠気も学年が上がるにつれて強くなっていた。一方で,保護者の睡眠に対する知識は高く、9割が正しく理解していた。中でも、「眠りが足りなかった時は,休日に昼まで眠るのがよい」が間違っていることを94.5%の保護者が理解していたが、休日に朝寝坊をしない親子は50%に過ぎなかった。休日の起床時刻の親子間の相関は高く、親子で朝寝坊をしている家庭も多かった。これらの結果から知識を増やすだけでなく、保護者への動機づけが重要であることが確認された。保護者が子どもの生活リズムに対してさらに関心を持ってもらうために、幼小合同で保護者を対象とした講演会を行った。調査の結果から現状を知ってもらい、各発達段階で望ましい睡眠時間や生活リズムを整える必要性などについて述べた。さらに、附属小学校の養護教諭と協同で実施している保健の授業を紹介し、保護者に子ども達の支援と協力を求めることで、動機づけを高め実践段階に進むための基盤作りを行った。今年度は、幼稚園から小学6年生の保護者を対象とした親子の生活リズムと心身健康に関する調査を行い、その結果から健康教育を実践するための支援ポイントを検討した。さらに、結果のフィードバックと学校での取り組みを紹介することで保護者の動機づけを高め、次年度以降の実践段階に進むための基盤づくりを行った。養護教諭と協同で、幼児期、小学校低学年、小学校高学年の保護者を対象とした各発達段階に即した健康教育支援プログラムを考案する。

その効果を検討するために親子で活動量計や生活日誌を記録してもらい、プログラム実施前後での変化を検討する。さらに、実践の様子から継続を促すためのポイントを検討する。次年度は、プログラムの実施効果の分析を進めると同時に、より簡便で発達段階に即したプログラムにしていく。さらに、睡眠日誌へのコメントをより早くフィードバックできるよう、行動と改善ポイントをまとめ、システム化していく。理由:当初購入予定だった活動量計が近い将来製造中止になることが判明したため、他の活動量計を購入することにした。購入した活動量計は、当初購入予定の活動量計の半分の価格であったため、未使用額が生じることになった。使用計画:次年度は国内で開かれる国際学会に加え、海外での国際学会での発表を行う予定である。今年度の未使用額は成果報告を積極的に行うために使用する。睡眠日誌を用いたプログラムの効果検証もしくは成果発表で使用する。
新生仔期における甲状腺ホルモンの中枢神経系の遺伝子発現に及ぼす効果

平成4年度は、新生仔ラット小脳を用いてcDNAライブラリーを作製する事から実験を始めた。まず、妊娠ラットに妊娠15日目よりメチマゾールを飲料水に混和して投与した。この飲料水は出産後も投与し続けた。生後16日目にラットを屠殺し、小脳を摘出し、mRNAを抽出した。この時、対照群より抽出したmRNAより、λgt10を用いてcDNAをライブラリーを作製した。このライブラリーに対し、対照群および甲状腺機能低下群より抽出したmRNAより合成した^<32>P標識antisense DNAを用いてdifferential plaque hybridizationを施行した。その結果、甲状腺機能低下によって発現量が変化する可能性のある遺伝子が数個見いだされた。これらの遺伝子をプラスミドにsubcloningし、大量に抽出した。平成5年度には、上記の遺伝子について塩基配列を検索するとともにsubcloningしたcDNAをプローブとして、対照群および甲状腺機能低下群より抽出したmRNAとの間でノーザンブロットによる解析を行った。その結果、実際に甲状腺機能低下に伴い発現の低下する遺伝子が4クローンあることが判明した。塩基配列を調べてみると、このうちの3クローンがミトコンドリア由来の遺伝子であるチトクロームc酸化酵素のサブユニットIに97%以上のホモロジーを有することが判明した。中枢神経系のミトコンドリアの遺伝子が甲状腺機能によって影響を受けているという事実が見いだされたのは始めてである。我々はすでに同定されている遺伝子の発現についても、脳のどの部位が甲状腺ホルモンの影響を受けるかについてもしらべた。成熟雄性ラットの甲状腺を摘出して、視床下部旁室核のc-erbAα2のin situ hybridizationを行ったところ、有意に増加していた。さらに、この増加はチロキシンにより抑制された。このように、脳の遺伝子のなかには甲状腺ホルモンによりその発現が促進されるものと抑制されるものとがあることが示された。中枢神経系の発達は、胎児期及び新生仔期に種々のホルモンの影響を受けることが知られている。甲状腺ホルモンの不足では著しい知能障害をきたし、クレチン症として知られている。動物実験に於いてホルモン作用を調べるには、ポリアミン合成の律速酵素であるオルニチン脱炭酸酵素(ODC)やそのmRNAを測定するとその初期効果が良くわかる。われわれはテストステロンを雄マウスに投与すると腎ODC活性が14時間後に数十倍にも増加すること、免疫染色によりODCが近位尿細管に局在する事を見いだした。さらにin situ hybridizationにより、ODCmRNAも近位尿細管に局在する事を証明した。中枢神経系に於いて、種々のproto-oncogene産生タンパク質、中でもc-fos遺伝子産生タンパク質Fosが種々の刺激応答に対して速やかに変動することが知られている。我々は視交叉上核のFos様免疫染色が日内リズムに応じて大きく変動することを見いだした。発生初期段階での甲状腺ホルモンの影響を受ける遺伝子を現在検討している。甲状腺ホルモンの生合成阻害剤であるメルカゾールを妊娠15日目から生後16日目の新生仔ラットについて、発現している遺伝子を調べた。メルカゾール処理及び未処理の生後16日目の新生仔ラット小脳よりそれぞれmRNAを抽出しsingle-strand antisense DNAを作製した。一方、メルカゾール未処理雌ラットより生まれた同年齢の仔ラットの小脳cDNAライブラリーを作製した。このライブラリーからplaqueを作製しmembrane filterを作製し、両antisense DNAをdifferential hybrydizationにより目的とする遺伝子の検出を試みている段階である。同時にこの目的遺伝子(と思われる遺伝子)の量的変動についても検討を加えながら実験を遂行している。

また可能性のある遺伝子については逐次DNAデータベースを使って何の遺伝子であるかを検索している。昨年度平成4年度に、対照群の新生仔ラット小脳を用いてcDNAライブラリーを作製し、対照群および甲状腺機能低下群より抽出したmRNAより合成した^<32>P標識antisense DNAを用いてdifferential plaque hybridizationを施行した。その結果、甲状腺機能低下によって発現量が変化する可能性のある遺伝子が数個見いだされた。平成5年度には、上記の遺伝子について塩基配列を検索するとともにsubcloningしたcDNAをプローブとして、対照群および甲状腺機能低下群より抽出したmRNAとの間でノーザンブロットによる解析を行った。その結果、実際に甲状腺機能低下に伴い発現の低下する遺伝子が4クローンあることが判明した。塩基配列を調べてみると、このうちの3クローンがミトコンドリア由来の遺伝子であるチトクロームc酸化酵素のサブユニットIに97%以上のホモロジーを有することが判明した。中枢神経系のミトコンドリアの遺伝子が甲状腺機能によって影響を受けるという事実が見いだされたのは始めてである。我々はすでに同定されている遺伝子の発現についても、脳のどの部位が甲状腺ホルモンの影響を受けるかについてもしらべた。成熟雄性ラットの甲状腺を摘出して、視床下部旁室核のc-erbAalpha2のin situ hybridizationを行ったところ、有意い増加していた。さらに、この増加はチロキシンにより抑制された。このように、脳の遺伝子のなかには甲状腺ホルモンによりその発現が促進されるものと抑制されるものとがあることが示された。
金属ナノ構造体アレイを用いた光周波数領域におけるメタマテリアルの創製

本研究の目的は,光の周波数領域で負屈折率物質を創製することである.このような物質は自然界には存在しないので,人工的に作り出さなければならない.そこで,ベースとなる物質の中にマイクロメートルサイズの金属製コイルを3次元的に多数つくり込み,その物質を光に対して応答させるというメカニズムを考案した.そしてこの手法の有効性の検証と3次元金属微細構造体を作製するための加工方法の開発を行った.今年度は,電磁気学的な解析に基づき,可視光域において大きな透磁率変化を生み出すマイクロ共振器構造の設計方針を明らかにし,その具体的な形状の提案を行った.またメタマテリアルの応用技術として,透磁率を正方向に調整したメタマテリアルを用いると従来の光学理論では説明できないs偏波の光に対してBrewster条件を実現できることを見出し,それを用いた新しい光機能素子を提案した.そして,この素子を用いると,物質の境界面で生じる光の反射を完全に押さえ,100%の効率で光りをある物質から別の物質へ透過させることができることを示した.この技術を用いると,例えばガラスでできた光ファイバーの中に端面での光反射ロスなく光波をカップリングできることを提案した.また,3次元金属微細構造体の作製方法の開発では,フェムト秒チタンサファイアレーザーを用いた多光子光還元を用いる手法において,金属イオンの濃度ならびに添加する色素を最適化することで,その空間分解能を約300nmにまで高めることに成功した.本研究の目的は,光の周波数領域で負屈折率物質を創製することである.このような物質は自然界には存在しないので,人工的に作り出さなければならない.そこで,ベースとなる物質の中にマイクロメートルサイズの金属製コイルを3次元的に多数つくり込み,その物質を光に対して応答させるというメカニズムを考案した.そしてこの手法の有効性の検証と3次元金属微細構造体を作製するための加工方法の開発を行った.研究期間を通して,本年度の研究計画に掲げた目標はほぼ達成できた.(1)まず,可視光域において負の屈折率を持つ物質を実現できることを,電磁気学に基づいて理論解析し,これを世界で初めて証明した.具体的には,リング径80nm,線幅20nmの銀でできたマイクロ共振器をアレイ状に3次元的に配列されると,赤外から近紫外までの全可視光領域をカバーする周波数帯域において,負の誘電率を実現できることを確認した.(2)3次元金属微細構造体の作製方法の開発では,フェムト秒チタンサファイアレーザーを用いた多光子光還元を用いる手法を開発し,サブミクロンオーダーの金属体を直接レーザーによって作製できることを実験によって実証した.この手法で作成できる微細金属体の導電率は,バルク金属の導電率と比較して高々3倍程度であり,充分な電気伝導性をもった微細金属構造を作成できることを実験的に実証した.(3)これ以外にも,紫外線硬化性ポリマーを多光子重合させて作製した3次元ポリマー構造体の表面に,選択的に金属をコーティングする手法なども独自に開発した.本研究の目的は,光の周波数領域で負屈折率物質を創製することである.このような物質は自然界には存在しないので,人工的に作り出さなければならない.そこで,ベースとなる物質の中にマイクロメートルサイズの金属製コイルを3次元的に多数つくり込み,その物質を光に対して応答させるというメカニズムを考案した.そしてこの手法の有効性の検証と3次元金属微細構造体を作製するための加工方法の開発を行った.今年度は,電磁気学的な解析に基づき,可視光域において大きな透磁率変化を生み出すマイクロ共振器構造の設計方針を明らかにし,その具体的な形状の提案を行った.またメタマテリアルの応用技術として,透磁率を正方向に調整したメタマテリアルを用いると従来の光学理論では説明できないs偏波の光に対してBrewster条件を実現できることを見出し,それを用いた新しい光機能素子を提案した.そして,この素子を用いると,物質の境界面で生じる光の反射を完全に押さえ,100%の効率で光りをある物質から別の物質へ透過させることができることを示した.この技術を用いると,例えばガラスでできた光ファイバーの中に端面での光反射ロスなく光波をカップリングできることを提案した.また,3次元金属微細構造体の作製方法の開発では,フェムト秒チタンサファイアレーザーを用いた多光子光還元を用いる手法において,金属イオンの濃度ならびに添加する色素を最適化することで,その空間分解能を約300nmにまで高めることに成功した.
光合成アンテナ系を基礎にした新しい光エネルギー捕集・変換スキームの提案

光合成系の励起エネルギー移動において環状アンテナ分子複合系LH2の幾何学的構造の待つ役割を理論的に研究した。その結果、色素が単純にランダムに配置されている場合に比べ、これらが円環を構成している場合にエネルギー移動効率が増大することを示し、その機構を明らかにした。紅色光合成細菌の光アンテナ系の励起エネルギー移動効率が極めて高いことがよく知られているが、本研究ではこれがアンテナ系の円環構造に由来すると仮定し、次のような計算でその機構を明らかにした。すなわち、一軸性の色素分子が2次元平面内にランダムに配置されている場合と、合計として同数の分子が多くの円環構造を形成している場合を考え、そのエネルギー移動効率を非局所応答理論に基づいて評価した。その結果、円環構造の方が桁違いにエネルギー移動効率が高いことを突き止めた。原因としては、次の3要素が考えられた。すなわち、(1)円環の双極子モーメントが色素単体のそれより大きいこと、(2)円環構造が等方的な対称性を持っていること、(3)円環構造を取ることによってエネルギーのキャリアとして大きな面積を占有すること。特に(2)(3)によって、そもそもランダムに色素を配置した場合に、その方向と位置のランダム性によりエネルギー移動が阻害されるという、生体系では一般に避けられない要素が克服されるからであることが分かった。これらの成果は生体分子が持つ特異な形状の意味の謎に迫るものであると共に、人工的なエネルギーキャリアの創成に対する指導原理を与えるものである。本研究においては光合成アンテナ系における高効率エネルギー移動の機構と本グループが発見した超エネルギー凝集の機構を活用した新奇な太陽エネルギー変換機構を提案することが目的である。この目的に向かって本年度は、紅色光合成細菌の光アンテナ系のサイズ効果を調べた。その結果、エネルギー移動を起こすための単位ユニットとしての分子円環サイズがより大きいほど、高効率なエネルギー移動を起こすことが明らかにした。このことは生体系における資源と見なされる色素の数を大幅に節約することにもなり、工学応用を目指した人工系を想定した場合の貴重な設計指針となり得る。なお、アンテナ系での緩和機構や必要な移動距離に応じた最適サイズがあると考えられ、今後その点についての検討も行う。また、色素分子間のエネルギー移動に関して、色素間の量子相関を無視した場合と取り入れた場合の比較から、量子相関が効率的エネルギー移動に一定の役割を果たしていることを明らかにした。量子相関が正しく取り入れられた場合には隣り合う色素間のポピュレーションの差が緩和され、より遠くへポピュレーションを運ぶ役割を果たす。また、我々のグループでは、光アンテナ系と量子ドット(或いは分子)が量子力学的に結合した場合に、アンテナ励起に使われたエネルギーの大半が量子ドットに集中する超エネルギー凝集が起こる条件を見いだしているが、本年度、分子が3準位系を構成した場合に、弱い励起光であっても極めて効果的に量子ドットの反転分布を起こせることを結合振動子モデルの解析により明らかにした。このことは超エネルギー凝集による高効率な触媒反応系構築への重要な指針となり得る。23年度は、光合成アンテナ系のLH2分子、及び反応中心系のLH1の配置制御により、広い範囲でエネルギー凝集が起こり得るかを検討することを目標とした。この中で特に項目としてあげた、色素の配置・配向ゆらぎ、緩和の効果、色素間の量子力学的相関等の効果について調べ、予定通り知見を蓄積することが出来た。一方で、項目としてあげた緩和の非マルコフ性の効果や反応中心であるLH1が混在する系でのエネルギー移動効率に対する各種パラメーターの依存性についての調査は、現在進行中となっている。一方で、本来24年度に計画していた、アンテナ系と量子力学的に結合させる量子ドット(或いは分子)の準位構造の自由度を拡張することによって期待される高効率励起については本年度において極めて重要な進展があり、アンテナ効果により弱励起で触媒反応等を引き起こすための条件について知見が得られ始めた。以上の目標達成度を総合的に評価して、概ね研究が順調に進展していると判断した。24年度の研究については、主に以下の目標が掲げられる。[1]23年度、光合成アンテナ系のLH2分子、及び反応中心系のLH1の配置制御により、広い範囲でエネルギー凝集が起こり得るかを検討することを目標とし、多くの知見を得たが、緩和の非マルコフ性の効果や反応中心であるLH1が混在する系でのエネルギー移動効率に対する各種パラメーターの依存性について調べる課題が残された。24年度はこの点についてさらに集中的に研究を進める。具体的には、これまでの手法を、緩和の非マルコフ性を取り入れることが出来る手法へと拡張し、特に取り扱うべき自由度が拡大することによる数値的計算の負荷を如何に下げるかについて、効率的な方法を模索する。[2] 24年度は、LH2そのものや、或いは分子(量子ドット)による人工システムにより、散逸を抑えた超高効率エネルギー捕集が可能である場合に、反応中心の代わりに光触媒量子ドットなどが配置された時の励起効率を計算する予定であるが、23年度既に金属ナノギャップを有したアンテナ系と分子の組み合わせにおいて、分子を3準位とした場合に高い励起効率が得られることを明らかにした。

24年度は、この現象において、アンテナ系の構造や配置、分子の配置、配向などの制御によってこれが原理的にどの程度まで高められるかを明らかにする。[3]光合成系において明らかにしてきた高効率エネルギー移動に対する条件に関しての知見と、[2]で明らかにする超エネルギー凝集による分子の高効率励起機構の知見を総合し、より広い範囲でエネルギー捕集を高効率に行え、これが次世代触媒反応系や、以上発光現象に結びつく人工システムの提案を行う。24年度の研究費は以下の項目を予定している。旅費:4月台湾で開催の研究会に申請者と当該研究に携わる学生を1名派遣する。また秋、春の物理学会において、研究発表を予定しているが、その旅費を計上する。人件費、謝金:当該研究に携わる博士課程学生に対し、研究補助者として1年間謝金を計上する。また事務支援5ヶ月を計上している。物品費:23年度は予定していた他テーマの研究予定変更により計算サーバー使用時間の振替で本研究テーマへの対応が出来たが、24年度現有では不足するので、追加CPUユニットを導入する予定である。
動的荷重心動揺軌跡分析に基づく運動技能評価プログラムの作成

本研究の目的は2つです。立位股関節回旋角度および荷重動揺軌跡測定法(挑戦的萌芽研究24650397)を簡便に股関節の可動域を測定する方法として世に広めること、ならびに確立された測定システムに基づき、運動技能の評価プログラムを作成することです。測定は、立位姿勢、膝伸展横開脚腕下垂を基本肢位として実施し、両脚同時に内外旋運動を30秒間行った時に得られる回旋角度変化データと荷重心(圧力中心)座標データ、左右脚に掛る荷重の変化データなどからヒトの動きの精度や行動特性を分析し評価しようとするものです。本測定法による評価を希望する人々がスポーツや体育現場で増えてきており、本測定法を広めるという活動に関しては概ね成功しています。平成30年は、これまでのデータ収集および解析活動に加え、これらのデータを基に、データ収集時、同時に逐次的かつ自動で運動技能評価を行うためのプログラムの開発にも着手し、(株)計算力学センターのアドバイスを受けていますが、完成は令和元年度後期の予定です。この評価ソフトが完成すると誰もが簡単に自分の動きの特徴をとらえることができるようになります。また、昨年度末に見直しが図られた、回旋運動中の目線測定に代り、足圧シートセンサー上での歩行や動作時の足圧分布データによる姿勢制御力評価法が加わりましたが、こちらも実用化のための足圧センサーシートデータの編集ソフトプログラムが無かったため、その開発に取り組みました。また、ヒトの下肢の使い方を理解するため、サルや他の四足動物の筋や骨格と比較解剖学的に検討を行い、運動技能評価プログラム作成のための基礎データとしました。平成30年度の論文は1編(分担者)、学会発表15編(代表者筆頭5)でした。また、Fascia in sport and movementの監訳(代表者)と翻訳(分担者)を行いました。本研究の研究の第1の目的である、立位股関節測定法および荷重動揺軌跡分析による運動技能評価法を世に広めるという活動は、本測定法による評価を求めてくる人々が順調に増加していること、前年度末に、実験計画の見直しがあり、その分、実験室内での研究の進行に遅れが生じましたが、新たに追加された足圧センサーシートからのデータ取り込みソフトも完成し、令和元年度から、その遅れを取り戻すべく研究活動が開始できるようになったこと、競技力向上のために定期的に測定評価を行いその結果を日々のトレーニングのあり方に反映させているチームが漸増し、これらのチームでは順調に競技成績の向上が見られること、メタボリックシンドローム予防のための運動指導では、股関節の回旋角度測定法は、そのまま回旋運動への刺激となり、運動が楽に行えるようになるため、受講者に好評であったこと、高齢者のロコモーティブシンドローム予防活動現場などにおいて、自動での内旋角度が低い高齢者は、体力測定結果の良し悪しに関わらず、転倒リスクが高い傾向が示唆された報告などがあったことなどから、研究自体は順調に進んでいると考えています。研究最終年度の次年度(令和元年度)は、これまでの手作業でのデータの解析評価から、現在進行中の立位股関節測定および荷重動揺軌跡分析データの自動評価プログラムの完成を目指すとともに、足圧センサーシート上での歩行・走行や静止姿勢制御時に足底部に掛る体圧分布データの評価を加味して、対象者の行動特性を総合的に評価し、日々のトレーニングや行動の修正に反映させられるようなデータの提供に務める予定です。これにより、評価結果を迅速に対象者に提示することが可能となります。得られた研究の成果は論文等にまとめ公表を図ります。本研究の目的は、世界に先駆け確立した立位股関節回旋角度測定法及び荷重動揺軌跡測定法(挑戦的萌芽研究24650397)を運動現場や生活行動現場での標準的な測定法として世に広めること、これにより運動種目や体力レベル、生活環境などが異なる人々の動きの特性をより正確に評価するための汎用性のある運動技能評価プログラムの作成をゴールとしている。この2つの目的に沿うための具体的な課題は、広く多くの人々を対象に測定データを得ることと、姿勢制御力に影響を及ぼす直接的要因(上肢位、下肢開脚幅、視覚情報、動作速度、運動障害歴)および間接的要因(年齢差、性差、左右差、特定の運動やトレーニング等)が回旋角度・荷重動揺軌跡にどのように反映されるかを確認することである。平成28年度は、複数回の測定を実施した射撃および重量挙アスリート30名のデータと、一回のみの測定を実施した大学サッカー選手125名、視覚障害者アスリート14名、一般成人男女24名からデータを得た。また園児・小学生(412歳)157名のデータも得る事が出来た。上半身の代償運動を観察する目的で2名の成人男性を対象に3次元動作解析を試みた。平成28年度および過去に取得したデータ解析から、動作の精度の評価、荷重動揺軌跡図のタイプ分類ならびに左右の形状の違い、疲労が利き足の内旋角度へ及ぼす影響などについての知見を論文にて公表したが、これは、回旋角度変化曲線および荷重動揺軌跡図の解析評価プログラム作成において意義ある基礎データである。また、小学生から高齢者までを対象に、左右の脚への荷重の掛かり具合と荷重動揺軌跡の形状から下肢の機能分化を検討し、成長並びに加齢に伴う荷重の掛かり具合の変化を知ることができ、学問的に意義ある結果が得られた。平成28年度の成果は、筆頭の論文は2編(掲載確定、査読完了)、学会発表は7演題、著書は1冊であった。

研究の第一目的である、立位股関節回旋角度測定および荷重動揺軌跡測定法のPR活動に関しては、連携研究者や協力者たちの輪が広がるとともに、多方面からの測定評価依頼の要請が増え、当初の計画以上にデータ取得が進んでいる。第二の目的である運動技能評価プログラム作成に関しても、定期的にトップアスリートたちからデータが取得できることや、小学生など発育期の子ども達の測定が順調にすすんでいることは満足できるものである。また、本研究法で評価できる情報をテーマとした内容で論文を公表できたことや、プログラム開発に必須の神経解剖学分野のテーマが主題の解剖書を執筆できたことは満足ゆく内容であったが、その反面、新たに取得したデータの解析が滞りがちになり、実験室で行う予定であった目線解析を含んだ動作解析に取り掛かる時間的ゆとりが無くなったことから、目標達成度としては、おおむね順調に進展しているという評価とした。本研究の目的は、立位股関節回旋角度測定法及び荷重動揺軌跡測定法(挑戦的萌芽研究24650397)を運動現場や生活行動現場での標準的な測定法として世に広めること、これにより運動種目や体力レベル、生活環境などが異なる人々の動きの特性をより正確に評価するための、汎用性のある運動技能評価プログラムの作成をゴールとしている。この測定法は、立位膝伸展姿勢で立ち、両足下に設置した2台の回旋円盤を、対象者が自動(能動)で、両足を左右同時に内外旋運動(回旋運動)を1015回行い、この時に得られる、回旋角度変化と荷重心(圧力中心)位置の変化データから、人の動きの特性を評価しようとするものである。様々な年齢(幼児高齢者)や運動経験(日常生活行動競技アスリート)者を対象に、姿勢制御力に影響を及ぼす外的要因(上肢位、下肢開脚幅、視覚情報、動作速度、貼付・装着物など)および内的要因(年齢、性、利き手・足、運動歴・レベル、運動傷害歴等)が回旋角度・荷重心動揺軌跡にどのように反映されるかを検討し、運動技能評価プログラムの基礎データとしている。平成29年度は、主に動作の精度、荷重動揺軌跡のタイプ分類、2台の円盤にかかる荷重配分の左右差と左右脚の機能分化との関わりを検討した。動作中、安定感を得ている場合は、年齢や運動歴に関わらず、利き足(ボールを蹴る側)への体重の配分が優位であったが、不安定性を高める外乱要因(速度、光条件など)が変化すると非利き足側に荷重心が移動してくる傾向が示され、学問的に意義ある結果が得られた。目線測定や3次元動作解析における頭部への測定用プローブ装着は対象者によっては回旋動作への大きな外乱刺激となったため、運動技能評価検査項目としては不適であることが示唆され、実験研究計画の練り直しが行われた。論文は、2編(分担者)学会発表は15演題(筆頭7)であった。研究の第一目的であるところの立位股関節回旋角度測定法及び荷重動揺軌跡測定法を運動現場や生活行動現場での標準的な測定法として世に広めることが順調に進んでおり、測定法のPR活動に関しては成功しつつある。定期測定希望者(射撃・ウエイトリフティング・アーチェリー・サッカー等のアスリート、視覚障害者アスリート、高齢者・小学生等)が急増したことは、多彩なデータを得るためには益が多かったが、その反面、収集されたデータ整理に費やす時間を増やすことが困難となり、データ解析補助員への業務委託量を平成28年度以上のペースで増やすことがかなわず、未解析のデータが存在している。
暴利商人と経済制度－１９１８年から１９４８年までのポーランド経済とマイノリティ

本研究は、第一次大戦直後から第二次大戦後にかけてのポーランドで導入されたさまざまな経済制度が、ポーランド人および当時数多く居住していたユダヤ人・ドイツ人の社会経済生活に及ぼした影響の分析を通じて、経済と民族問題の関係を解明するものである。本研究では例えば、1929年の世界恐慌とそれに対する社会経済政策的な対応が、ポーランドのクラクフ市で活動していたポーランド人とユダヤ人の製パン業者たちの間の関係を悪化させた過程が明らかにされた。平成24年度は、平成23年度の「次年度の研究費の使用計画」において説明してあるように、史料不足が明らかになったため、平成25年3月から4月にかけてポーランド共和国ポズナン市に出張し、ポズナンのアダム・ミツキェヴィッチ大学総合図書館および国立文書館ポズナンで資料調査を行った。前者では戦間期ポーランドの日刊紙のマイクロフィルムのチェックを行い、これまでの調査で不足していた記事の追補につとめた。また後者においては、当館所蔵の、ポズナン市政資料(Akta miasta Poznania)、ポズナン郡庁(Starostwo Grodzkie miasta Poznania)およびポズナン商工会(Izba Przemyslowo-Handlowa w Poznaniu)などの戦間期ポーランドにおける社会経済史資料の収集に務め、第一次大戦直後(1919年)から戦間期(1939年まで)の商業活動について、多面的な理解が可能な資料を発見できた。またそれ以外の期間に関しては、研究に必要な備品の購入を継続的に行い、また前年度に調査した資料の分析を行った。具体的にはクラクフ市の同職組合議事録文書の整理・読解、およびワルシャワで収集した日刊紙の読みなおし、さらにワルシャワの近現代史文書館で収集した資料の調査・翻訳、論文へのまとめ直しを行った。また国内への調査旅行に関しては、ネット環境の整備(アジア歴史資料センターにおける文書の公開)のため、さしあたり必要な文書に限定してインターネットでの調査を継続している。平成25年度前半は、前年度末からのポーランド共和国ポズナン市などでの資料収集調査旅行から帰国し(4月6日)、その際収集した文献・資料の整理・解読を行った。また前年度から継続している「戦間期ポーランド製パン業におけるユダヤ人問題(1924-1939)」の執筆に取り組んだ。その過程で、近隣諸国での戦間期製パン業における諸問題との比較研究の重要性を再認識し、25年度後半からはポーランド周辺国における戦間期の製パン業に関する先行研究の調査を行ってきた。また平成25年度後半には、平成26年9月1721日にポーランドで開催される学会、「第19回全国ポーランド歴史家大会」(Powszechny Zjazd Historykow Polskichシュチェチン市ーかつてのドイツ領シュテッティンにて開催)への参加を打診され、その「ポーランド人が20世紀の世界大戦をいかに経験したか」(Jak Polacy przezywali wojny swiatowe w XX wieku?)と題する部会で報告するための準備を開始した。この発表は本研究の前提条件を準備した第一次大戦期における手工業者の状況を取り上げるものであるが、また同時に、本研究の背景となる第一次大戦期および、本研究に直接関係する第一次大戦戦後直後の状況について分析を行うものでもあるので、本研究の遂行にとってきわめて有意義なものとなった。なお、平成25年度は勤務校における学科長の任務を遂行したため、その都合上海外渡航による資料調査は4月以降、断念せざるを得なかった。平成23年度は、平成23年8月末から9月中旬および平成24年度3月中旬の二度にわたって、ポーランド共和国に出張し、戦間期ポーランド経済とマイノリティという研究課題に関連する文書館所蔵資料および刊行資料(日刊紙・雑誌など)の閲覧・分析を行った。平成23年8月末から9月までの出張においては、ポーランド南部の最重要都市クラクフにあり、国内で2番目の規模を誇るポーランド国立ヤギェウォ図書館(Biblioteka Jagiellonska)および国立文書館ークラクフ(Archiwum Panstwowe - Krakow)を訪問した。前者では主にクラクフにおいて戦間期に刊行されていたポーランド語日刊新聞(Nowy Dziennik, Ilustrowany Kurier Codzienny)を閲覧し、重要記事の閲覧・複写を行った。またそれと並行して、後者の国立文書館ークラクフでは、クラクフ県庁の食糧配給に関する部局(県価格調査委員会・食肉供給関係ファイルおよび製粉所管理に関する官庁)の行政資料の閲覧・メモを行った。平成24年3月のポーランド訪問においては、ワルシャワ市に滞在し、ポーランド最大の国立大学図書館であるワルシャワ大学図書館(BUW)において、ワルシャワで戦間期刊行されていたポーランド語日刊紙(Nasz Przeglad, Przedswit, Robotnik)およびイディッシュ語の専門雑誌の閲覧・複写を行った。それと同時に、ポーランド現代史の最重要文書館である近現代史文書館を訪問し、同じく戦間期のポーランド外務省関係ファイルおよび内閣議事録に関する資料収集を行った。それ以外の期間においては、前述の複写資料の整理・翻訳を行い、戦間期の食糧経済と民族問題に関係する論文の執筆を継続している。平成26年度は、10月より日本学術振興会・海外特定国派遣に基づく海外研修のため、ポーランド科学アカデミー歴史学研究所ポーランドドイツ関係史およびドイツ史研究室(ポズナン)において研究に従事している。本研究と上記の海外研修はドイツ人マイノリティ問題という点で重なっており、そのため本研究の資料収集においても大きな進展が見られた。

上記の海外研修実施のための準備が9月にずれこんだため、9月19日予定のポーランド歴史家全国大会における報告「第一次大戦におけるポズナン及びドイツ占領地における配給政策」は、代読という形になってしまった。しかしポズナンで2月に行われたEU協賛による国際ワークショップ「アジア言語・文化の教育における対話の中の文化」において、本研究成果の一部として「1924-1939年のクラクフ製パン同職組合内部でのポーランド・ユダヤ人間の競争」の報告を行うなど、在外研修は本研究の成果発表にも役立った。また日本国内向けの研究成果の発表に関しては、後述するように『歴史と経済』誌に査読論文を掲載することが2月に決定した。平成27年度は前年度10月からの日本学術振興会海外特定国派遣に基づき、ポーランド科学アカデミー歴史学研究所において9月末まで研究に従事した。平成27年7月まではポズナン市、ついで9月末まではワルシャワ市に滞在し、海外特定国派遣における課題と並行して、引き続き本研究に関する資料の収集を行った。ポズナン市においては平成26年度と同じ資料群の調査を行い、また5月にはトルン市、ブィドゴシチ市においても本研究に関連する資料調査を実施した。ついで9月からはワルシャワに移動し、ここでも本研究に関する資料の収集を行った。10月1日の帰国後からは、上記のポーランドで収集した資料の整理と並行し、本研究に関連する課題で平成26年9月に行われた学会報告(ただし代読による参加)の刊行準備(査読過程での修正など)に着手し、その成果がポーランド語で刊行されることとなった。また資料整理を進めていく過程で、シレジア地方のドイツ人手工業者に関する資料の不足が明らかになったため、3月下旬カトヴィツェ市を訪問し、現地の国立文書館において本研究に関係する資料を収集した(ただし大学の研究費による)。日本学術振興会海外特定国派遣によるポーランド研修の機会が利用できたため、特定国派遣の研究テーマと並行して、本研究に関する資料の収集も効率的に進行した。また10月からは引き続き資料整理を行いつつ、また前述のように平成26年9月の学会報告に基づく論文の修正作業を行い、その結果、論文が受理された(平成28年夏刊行予定)。平成28年度は、前半は平成27年度9月までのポーランドのポズナンおよびワルシャワで収集した資料に加えて、平成27年度(つまり平成28年)3月に行ったカトヴィツェで収集した資料の整理と論文の準備を継続した。ただし平成28年度は、勤務校での教務委員の仕事が重なり、さらに資料分析に予想外の時間がかかったため、ポーランドでの資料調査は、平成28度末の今年3月下旬にずれ込んだ。また、資料整理の過程で、農業恐慌の影響を具体的に把握するために、都市に加えて周辺の郊外農村についての調査が必要であることが判明した。そのため、前述のように3月に本科研費で、さらにポーランド、ポズナン国立文書館で資料収集を行った。
コンパクト・シティ構想に基づく地球インパクトの低減化の分析

本年度は初年度であるので、世界人口が100億人に到達する21世紀中期における世界各国、特に、今後急激に人口増加が予測される発展途上国の人口予測を行なった。予測方法としては2方式を用いて予測を行なった。現状推移方式は各国人口コ-ホ-トを基に、現在の出生・死亡率で推定した場合である。修正指数曲線時系列法はY=K-ab^tの式を用いて将来人口に上限、下限が考えられる場合で、a>0,0<b<1の条件が満たされず、b<1の場合はb=0.99として予測を行なった。(1)世界人口の現状推移方式では、2050年で106.1億人となる。修正指数曲線時系列法では、2050年で96.6億人となり、2050年では96億人から106億人の間の人口予測がなされた。(2)大陸別の結果では、アジア、アフリカの人口増加が高く、2050年では現状推移方式ではそれぞれ世界全人口の59%、19.5%で修正指数曲線時系列法ではそれぞれ59.2%、17.3%となった。2050年の(現状維持方式による人口)/(修正指数曲線時系列法による人口)の人口圧力比を求めると、アジアは1.09でアフリカは1.24であるので、アジアより、アフリカの人口圧力の高さを示している。(3)各国別の人口予測では、中国、インド、パキスタン、インドネシア、バングラデシュ、イラン、ナイジェリア、メキシコ、及びブラジルが高い増加率を示している。(4)大都市人口については、現在解析中で、アジアのジャカルタ、マドラス及びバンコクの予測が終了し、高い増加率を示していることが明らかとなった。(5)コンパクト・シティのシステム設計については、札幌市を事例として、スプロール都市の札幌市をコンパクト都市に設計すると、都心から北大までの間の面積で十分に200万人が生活可能であることが考察された。
ラム/スクラムジェット用高信頼性プラズマ点火器

スペースプレーン推進系の最有力候補の一つであるラム/スクラムジェットの技術確立のために,解決すべき重要課題の一つに高速気流中での確実な着火がある。その解決方法として,プラズマジェットを用いる点火器が開発され,燃焼器単体及び小型エンジンで試験されている。これらの試験では,点火器の損傷による作動不良や,作動したものの不着火に終わった例などが報告されている。本研究では,これら問題点の解明と高い耐久性と着火能力を有するプラズマ点火器の開発を目的として,低速及び超音速気流中の着火実験,プラズマ点火器によりラジカルを添加された予混合気の着火・保炎特性の理論解析,2次元超音速反応流の数値シミュレーションを行った。耐久性を高めるためにトーチ作動ガスを酸素から窒素に,冷却方式をガス冷却から水冷に変更した。これによって,電極やノズル・スロート部の焼損が著しく改善され,トーチ全体の過熱による破損も見られなくなり,耐久性の向上が達成された。一方,着火性能でも窒素トーチが酸素トーチに遜色ないことが実験及び理論解析で確かめられた。更に作動ガスとして窒素/水素混合気を用いると,作動に必要な電力は増加するが,添加された水素の燃焼により着火性能が向上することが分かった。燃料噴流側の条件としては,プラズマトーチ上流から噴射する場合には,燃料噴流がプラズマジェットに衝突するように噴射の幅及び高さ方向位置を選定することが重要であることが実験及び数値シミュレーションから分かった。上流噴射の主流方向位置や噴射角度の影響は少ない。トーチ下流からの噴射では主流方向の位置も重要で,トーチから離れるほど着火は困難になった。空気流条件の影響としては,マッハ数が増大するほど着火は困難になるが,気流静圧の影響は単調ではなかった。低圧の超音速気流中における水素噴流のプラズマ点火器による着火特性を調べるために、プラズマトーチ、同電源、真空タンク(容積約8m^3)、設計マッハ数2の2次元超音速ノズルおよび試験部を整備した。まず初めに、大気吸い込みによる超音速気流の成立を試験した。真空タンクを5kPaまで減圧して仕切り弁を開いた場合、流れは約30秒間試験部全域でマッハ約1.8の超音速を保つことが分かった。次に、超音速流中でプラズマトーチのみを作動させた場合に、作動ガスが窒素と酸素のどちらでも安定して作動すること、トーチの発熱で気流がチョークしないこと、仕切り弁のシール材を劣化させないことを確認した。水素燃料はプラズマトーチの上流あるいは下流の壁面から、主流に対して30゚,60゚,または90゚で噴射した。上流から噴射した場合、低圧かつ低温の状態にも関わらず、いずれの噴射角度でも問題なく着火できた。燃焼により形成されたpre-combustion shockは噴射角度が60゚の場合に最も上流に達し、この時最も強く燃焼したことを示している。下流から噴射した場合には、噴射位置がトーチに近いほど、また入力電力が大きいほど着火しやすいことが分かった。さらに、作動ガスとして窒素を用いた場合の方が、酸素を用いた場合より着火しやすいことが分かった。プラズマトーチによる着火機構及び保炎機構を解明するために、可燃混合気にトーチで形成される振動励起された気体分子あるいは解離したラジカルを添加したときの、着火遅れ時間の短縮及び燃焼速度の増加を理論解析した。この結果、振動励起分子は着火遅れ時間短縮に寄与しないこと、同じ濃度の酸素原子と窒素原子は同程度の着火遅れ時間短縮及び燃焼速度増加の効果があること等が明らかになった。プラズマトーチの水素噴流着火特性に対する気流マッハ数の影響を調べるために、前年度製作した設計マッハ数2のノズルに加えて、設計マッハ数2.5及び1.5のノズルを製作した。