hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
先端最適化技術活用による信頼性と実用性向上を目指した非線形性組み込みＤＥＡの構築

DEAは,様々な組織の業績/効率を評価する管理のアプローチである.DEAは普及したOR手法の1つであり,生産経済学ともに発展している.DEAは、評価対象の効率値と改善目標を提供する.ただし,改良目標の特定は、数理計画法問題として定式化されるDEAモデルに依存する.従来のDEA研究は線形計画法(LP)によりアプローチされ,モデリングや分析にとって扱いやすいが、退化および改良上で最も遠いベンチマークの特定という欠点を含む.本研究計画は、Lpノルムを組み込んだDEAモデルと先端最適化技術を用いた分析法を開発した.その研究結果の一部は2013年に日本オペレーションズ・リサーチ学会によって表彰を受けた.効率的フロンティアを構成する面列挙の計算技術を確立した。それにより、実用的にも理論的にも優れた性質を持つ新しいDEAモデルの開発と検証を進めた。具体的には整数計画法による面列挙を提案した以下の論文を公表した。面列挙が可能になったことで新たなDEAモデルを開拓できた。その成果として、DEAによる効率性尺度に対する公理的アプローチからモデル開発を提案した論文公共経営の実践的場面をはじめ、計量経済学、土木計画、環境科学の学術分野において近年急速に注目を浴びている組織活動の効率性分析にDEA(Data Envelopment Analysis:以下DEAと略す)がある。今日のDEAの発展の最大要因は広く普及した最適化技術である線形計画法(Linear programming:以下LPと略す)の活用であり、組織活動を線形関係として自在にモデリングし、PC上で分析できる点にある。ところが、LPで閉じているDEAは1効率性尺度の公理系順守に限界があること、2隠れた分析結果により失われた結論が存在すること、を本研究で立証した。DEAの信頼性を失うこの事態に対して、さらに本研究では,多面体面列挙計算技術をDEAに活用し、12を中心とした諸問題の解決を試みた。その結果,距離最小化原理によるDEAモデリングとその分析法を開発した.これらの研究成果の1つには,DEAが長年抱えていた未解決問題を解決したことが挙げられる.本成果に対して,日本オペレーションズ・リサーチ学会論文賞を2013年度受賞した.DEAは,様々な組織の業績/効率を評価する管理のアプローチである.DEAは普及したOR手法の1つであり,生産経済学ともに発展している.DEAは、評価対象の効率値と改善目標を提供する.ただし,改良目標の特定は、数理計画法問題として定式化されるDEAモデルに依存する.従来のDEA研究は線形計画法(LP)によりアプローチされ,モデリングや分析にとって扱いやすいが、退化および改良上で最も遠いベンチマークの特定という欠点を含む.本研究計画は、Lpノルムを組み込んだDEAモデルと先端最適化技術を用いた分析法を開発した.その研究結果の一部は2013年に日本オペレーションズ・リサーチ学会によって表彰を受けた.DEAではLPが武器であるが両刃の剣でもある。LPで閉ざされたことで生じる効率値の数値と質への信頼性、さらに改善目標の実用性に関わる問題点が、それぞれ以下のように指摘されている。(a)入出力と効率値間の非線形関係に対する強引な線形化もしくは安直な数値計算(b)複数最適解による隠れた分析結果の存在と効率性尺度に関わる公理系の破たん(c)改善目標として最も実現困難なものを選択ネットワークDEAではモデルの複雑化とDEA多段階利用により、上記3つの問題点は特に根深い。H23年度では問題点(a)と(c)の解決のために生産可能集合の効率的面の列挙、最短距離DEAに対する公理論的アプローチに取り組み、問題点(b)の解決のためにDEAで最も普及しているモデルに対する単調性の組み込みを研究した。さらに、ネットワークDEAに対してその特徴である中間財とそのリンク条件の存在が効率値に対して奇妙な現象を引き起こすことを発見し、その原因を解明した。これらの研究成果を国内外の学術雑誌に投稿し、また学会で発表した。特に、最短距離DEAにおいて未解決であった効率値の単調性に関する公開問題を否定的に解決し、そのモデル改変によることで単調性保証を実現した。科研費で揃えた優れた計算環境を十分に活用できるようになり、アイデアを容易に実装してその有用性を検証できるようになった。さらに、国内外での研究発表を通して、情報交換が進み、最新の研究動向を把握することが可能になった。研究分担者である施先生との共同研究が順調になったことも大きな要因である。平成23年度では効率性尺度の公理系と非線形計画法および整数計画法に関する文献調査を進めるともに非線形性を組み込んだ効率性尺度を実用性の高い公理系と数値計算の容易性の観点から選定した。さらに、実データを数種類収集し、それらのデータを用いて数値実験により計算精度を検証した。これらの調査・検討・実験から、線形性にとらわれない効率性尺度の提案とその効率値算出法の構築した。研究計画当初では2次錐計画法に注目していたが、整数計画による面列挙、凸包生成のオープンソース利用により、DEAで扱う問題に対して十分な計算精度と計算効率を得られることを確認した。そのため、2次錐計画法を利用せずに、面列挙後に凸計画法を繰り返し適用する効率値計算アプローチを中心に研究を進めた。3月にイギリスのヨーク大学から来日した楊再福先生と研究分担者である施先生と研究打ち合わせを実施した。その際に得られた知見を基に、距離最小化原理によるDEAに対する単調性の保証の特徴付けに関する解析を進める。さらに、レーダチャート分析に対する距離最小化原理によるFDHモデルの適用に関する事例研究を進める。これらの研究成果を国内外の学会、研究集会において、研究分担者である福山先生が発表する。

面列挙後に凸計画法を繰り返し適用する効率値計算アプローチにより、未解決問題を解決する効率性尺度の存在とその構成の研究を進める。さらに、経済データを利用し、開発したDEAモデルの有効性を検証し、その特徴を解明する。H23年度に得たいくつかの研究成果を広く公開し、国際的な研究ユニットの育成を目指す。本年度研究分担者が115,893円の残額が生じたが、来年度の旅費に充当し、研究成果の公表に努めたい。面列挙計算用に高性能のWSを購入を計画していたが、手持ちのPCでも稼働する整数計画法のソフトウェアの性能向上とオープンソースの利用が可能であったので、今年度の購入計画を中止した。一方で、H23年度の得た研究成果は国際的にも注目されているので、H24年度は研究分担者である福山博文氏にDEA国際シンポジウムで発表をすることとした。そのため、WS購入予定金額とその他で経常した別刷り代金を主にして、福山博文氏の渡航費とWeber教授招聘費用に充てることにする。
非コンパクト多様体上のスペクトル・逆散乱理論

(1)錘状特異点を持つ漸近的双曲多様体に対するカスプからの逆散乱問題。(2)正方格子上の離散シュレーディンガー作用素に対する一つの固定したエネルギーからのポテンシャルの再構成ならびにレリッヒ型の一意性定理の離散問題への拡張。(3)境界の一部分における計測値から媒質内の熱伝導率の不連続性を決定する逆問題。不連続性が時間に依存しない場合と時間に依存する場合の双方に解決し、数値計算も行った。多様体上での超局所解析の応用としてコンパクトリーマン多様体上での放物型方程式の基本解を時間区分法によって構成した。J.Le Rousseaauとの共同研究になるこの結果はComm.in PDEに掲載された。非コンパクト多様体上の逆散乱問題の重要な例として任意のコンパクト部分に柱状領域に漸近する非有界端(end)を付随させた多様体を研究した。これは実生活ではガス・油等へのパイプライン等の重要な応用がある。一つのendに対応するS行列が一致するとき,このような2つの多様体は等長であることを証明した.Yaroslav Kurylev, Matti Lassasとの共同研究によるこの仕事はJournal of Functional Analysisに掲載されることが決まっている。またAharonov-Bohm効果に関連して2次元空間において磁場を持つシュレーディンガー作用素の逆散乱問題を考え、凸物体の外部領域においては磁場のベクトルポテンシャルのゲージ不変性とS行列のゲージ不変性が同値であることを示した。Gregory Eskinとの共同研究であるこの仕事はComm.in PDEに掲載されることが決まっている。さらにEITに関連した有界領域での逆問題の数値計算の研究を進め、境界の一部での観測データから物体内部の包含物の位置を特定する3次元数値計算を成功させた。直方体の底部の一部分での境界データから直方体内部の包含物の位置を計算し可視化することができた。Ide, Nakata, Siltanenとの共同研究であるこの結果はInverse Problemに掲載されることが決まっている。非コンパクト多様体上のラプラス・ベルトラミ作用素の連続スペクトルの構造を研究した.多様体としてはコンパクトな多様体にユークリッド計量に漸近する計量をもった複数のendがついたものを考え,極限吸収原理,固有函数展開等を示した.これらに基づいて多様体上の波動方程式に対する散乱行列を構成し,散乱行列から元の多様体のリーマン計量を定める逆問題を解いた.この問題は現実の場合にはwave guideに関する逆散乱問題である.これはLondon大学のY.Kurylev,Helsinki大学のM.Lassasとの共同研究である.また表面の局所的な電流・電圧の観測データから物体中の電気伝導度の不連続点の位置を推定する問題の数値計算の研究を継続し,3次元の場合に満足すべき結果をえた.これはElectrical Impedance Tomographyにおける基本的な問題であり,医学・工学・地層探査等に応用があることが期待される.これはHelsinki大学のS.Siltanen,立命館大学のS.Nakata,アイシンAWのT.Ideとの共同研究である.量子力学におけるアハローノフ・ボーム効果を記述する2次元の磁場を持ったシュレーディンガー作用素に対する逆問題を研究し,凸物体の外部領域においてはS行列のゲージ不変性とハミルトニアンのゲージ不変性が同値であることを証明した.これはCalifornia大学のG.Eskinとの共同研究である.これらの結果はすべて査読つきの専門誌に発表された.(1)非コンパクトリーマン多様体上で波動方程式の逆散乱問題を研究している。コンパクト部分には任意のトポロジー、計量を許し、非コンパクトな有限個のendでは計量が標準的なものに漸近する場合を考える。多様体上でのヘルムホルツ方程式の解空間を多様体上のフーリエ変換にについたポアッソン積分によって表示する。ヘルムホルツ方程式の解の無限遠における漸近挙動からS行列を定義する。このS行列から多様体のリーマン計量を決定する逆問題の解決を目標とする。これまでの研究によりendが柱状領域で計量がユークリッド計量に漸近する場合を前年度に完成させた。これは現実問題ではwave guideに対する逆問題を解決したことになる。今年度は2次元においてendの計量が双曲計量に漸近する場合を完成させた。有限部分では計量に錘状の特異点を許すことができ、そのため、数論に現れるgeometrically finiteな2次元双曲空間すべてを扱うことができる。結果は現在投稿中である。(2)熱方程式において係数の不連続性を境界における熱流の計測から決定する逆問題を解決した。境界の一部分での計測値から不連続面の位置と熱伝導係数を決定することができる。空間次元は1次元から7次元までで実用上重要な場合に適用可能である。さらに1次元の場合には数値計算も行い、結果はnoiseに対してrobustであることが分かった。これらの結果は学術雑誌に掲載されることが決定している。さらに不連続性が時間に依存する場合にも外部境界と不連続面が凸性の条件を満たす時に同様の理論を完成させた。

結論はすべて次元において通用するものである。現在、論文にまとめている。(2)離散シュレーディンガー作用素に対する逆散乱問題。正方格子上の離散シュレーディンガー作用素に対して一つの固定したエネルギーからポテンシャルを再構成できることを証明した。同時にレリッヒ方の定理を離散問題に拡張した。これらは初めて得られたものであり、注目に値する。結果は現在投稿中である。(3)不連続な熱伝導率をもつ熱方程式に対する境界値逆問題。境界の一部分における計測値から媒質内の熱伝導率の不連続性を決定する問題を、不連続性が時間に依存しない場合と時間に依存する場合の双方に解決した。数値計算も行い、robustな計算方法であることが立証された。結果は投稿され一部はすでに掲載されている。非コンパクト多様体上の逆問題に関しては錘状の特異点の扱い方が初期に予想した以上に困難な問題であることが判明したが、2次元の場合に完全な解決ができた。これは古典的な数論的曲面をすべて含むものであり、満足すべき結果である。不連続係数を持つ熱方程式の逆問題においても理論的部分で解決をみた。これは全く新しいものである。24年度が最終年度であるため、記入しない。非コンパクト多様体上の逆問題に関しては3次元以上の場合に錘状特異点の扱いが重要な問題である。現在、応用上重要な3次元曲面の場合の実例を観察しながら一般論を構築している。不連続係数を持つ熱方程式の逆問題においては、係数が時間に依存する場合の理論をさらに進展させることと数値計算を行うことが課題である。
実用的なロバストゲインスケジューリング制御器設計法の開発

本研究では,乱気流による事故を防止する飛行制御器設計に応用可能な「実用的なロバストゲインスケジューリング制御器設計法」の開発を進め,以下の二つの特徴を有する実用的なゲインスケジュールド出力フィードバック制御器の設計法を開発した.・入手したスケジューリングパラメータに含まれる不確かさに対する頑強さ・スケジューリングパラメータの微分に対する依存性の排除また,提案設計法と従来設計法との関係を明らかにした.具体的には,得られるスケジューリングパラメータが正確である場合には従来設計法と同等の性能を有する制御器が常に設計可能であること,および設計の際に用いるLyapunov変数の構造に制約を課した従来設計法と少なくとも同等の性能を有する制御器が常に設計可能であることを示した.さらに,一部のスケジューリングパラメータが全く観測不可能な場合への拡張も行い,より実用性の高い制御器の設計法も開発した.本研究では,乱気流による事故を防止する飛行制御器設計に応用可能な「実用的なロバストゲインスケジューリング制御器設計法」の開発を進め,以下の二つの特徴を有する実用的なゲインスケジュールド出力フィードバック制御器の設計法を開発した.・入手したスケジューリングパラメータに含まれる不確かさに対する頑強さ・スケジューリングパラメータの微分に対する依存性の排除また,提案設計法と従来設計法との関係を明らかにした.具体的には,得られるスケジューリングパラメータが正確である場合には従来設計法と同等の性能を有する制御器が常に設計可能であること,および設計の際に用いるLyapunov変数の構造に制約を課した従来設計法と少なくとも同等の性能を有する制御器が常に設計可能であることを示した.さらに,一部のスケジューリングパラメータが全く観測不可能な場合への拡張も行い,より実用性の高い制御器の設計法も開発した.乱気流による事故を防止する飛行制御器設計に応用可能な「実用的なロバストゲインスケジューリング制御器設計法」の開発を最終目標に,平成20年度は,複数のslack variableを用いたmultiple slack variable法によるパラメータ依存システムに対する安定性および性能解析手法を開発した.しかしながら,それらの手法の計算複雑度を十分に高めても,厳密な解析結果が必ず得られるという特徴を見いだすことはできなかった.そこで,パラメータの存在領域がhyper-rectangleで与えられた多項式の非負性判別問題について,パラメータ依存slack variable法を提案し,sum-of-squares法との関係解明に取り組んだ.この問題は,パラメータ依存システムのパラメータ存在範囲がhyper-rectangleで与えられた場合の安定性および性能解析問題と密接な関係があり,この問題を厳密に解くことが厳密な安定性解析および性能解析を導く.その検討の結果,sum-of-squares法によって非負性が確認されるならば,パラメータ依存slack variable法でも必ず非負性が確認されることを明らかにした.さらに,パラメータの存在領域がhyper-rectangleである場合,十分高い計算複雑度を用いると必ずsum-of-squares法によって非負性が判別可能であるため,パラメータ依存slack variable法も十分高い計算複雑度を許容すれば,必ず厳密な結果が得られることを示した.乱気流による事故を防止する飛行制御器設計に応用可能な「実用的なロバストゲインスケジューリング制御器設計法」の開発を最終目標に,平成21年度は,multiple slack variable法を適用したGain-Scheduled(GS)状態フィードバック制御器の設計法を開発した.しかし,Lyapunov変数とフィードバック制御器のパラメータ依存性を独立に指定することは依然として非常に困難であった.一方,オープンループシステムの設計(例えば,逆システムやフィルタ設計)では,Lyapunov変数と設計する制御器のパラメータ依存性を一部独立に指定することは可能であり,多項式依存型Lyapunov変数を用いたパラメータaffineなGS制御器の設計法を提案した.現在までに提案されているGS制御器の設計法の多くが,スケジューリングパラメータは誤差なく入手可能であると仮定している.しかし,この仮定が成り立つことは現実にはほとんどなく,観測されたスケジューリングパラメータの観測誤差等の不確かさに対してロバストな制御器を設計する方法の必要性が高い事が分かった.そこで,システムのパラメータ依存性に関連する緩和はmultiple slack variable法を,スケジューリングパラメータの不確かさについてはscaling行列を用いた,パラメータ非依存Lyapunov関数を用いたロバストGS制御器の設計法に取り組み,H∞制御問題に対する状態フィードバック制御器の設計法を提案した.また,その方法を発展させ,パラメータ依存Lyapunov関数を用いたH2制御問題およびH∞制御問題に対する制御器設計法を考案した.また,乱気流による事故を防止する飛行制御器を設計する際に重要な設計仕様を推定する有効な方法として,乱気流による揺れの抑制可能性をモデル予測制御による求める方法も考案した.乱気流による事故を防止する飛行制御器設計に応用可能な「実用的なロバストゲインスケジューリング制御器設計法」の開発を最終目標に,平成22年度は,以下の二つの問題に取り組んだ.(1)入手したスケジューリングパラメータに含まれる観測誤差等の不確かさに頑強なゲインスケジュールド状態フィードバック制御器およびゲインスケジュールド出力フィードバック制御器設計問題(2)スケジューリングパラメータの微分を用いない出力フィードバック制御器設計問題その結果,計算複雑度は多少大きくなるものの,それぞれの問題に対する有効な設計法を開発した.また,考案した設計法と従来設計法との関係も明らかにした.

具体的には,(1)においては,不確かさがない場合は従来設計法と同等の性能を有する制御器が常に設計可能であること,(2)においては,設計の際に用いるLyapunov関数の構造に制約を課した従来設計法と同等の性能を有する制御器が常に設計可能であることを示した.さらに,両者の方法を組み合わせることで,従来設計法では考慮されていなかった実装性およびスケジューリングパラメータの観測誤差に対する頑強性を保証したゲインスケジュールド出力フィードバック制御器設計法を新たに提案した.なお,飛行制御への応用も検討したが,連続時間ゲインスケジュールド出力フィードバック制御器では,搭載計算機内で離散時間システムへ変換する計算を行う必要があり,その際に制御器の安定性が保証されないという問題や,変換に伴うオンライン計算負荷の増大という問題が発生し,実装するには至らなかった.これらの解決が今後の課題である.
ドイツにおける外国人労働者問題の歴史的位相-強制収容所制度と戦時経済-

主として「ドイツ押収文書」とニュノレンベルク裁判提出書類を収集・整理・分析をおこない、その結果、1942年のナチス戦時経済体制の編成過程で、強制収容所が根本的に変化したことをつきとめた。そこで、その制度変更の内実を追跡する作業をおこなった。それによって明らかになった点は、この制度変更にともない、強制収容所は、SSが軍需生産に積極的に介入するための手段ではなくなったが、その一方で、二つの課題をもったということである。第一は、強制収容所がナチスのユダヤ人政策と関連するようになり、ユダヤ人を収容し、また絶滅させる機関と化したということ、第二は、囚人が軍需生産のための労働力供給源の一つとなったということである。こうした二つの課題を与えられた強制収容所に、SSはユダヤ人を大量に収容しはじめた。アウシュヴィッツとマイダネク強制収容所の二箇所に集中収容したが、とくに前者では、「選別」が行われ、労働能力のないユダヤ人はガス室で殺害され、労働能力にあるユダヤ人は劣悪な収容条件の下におかれた。本研究では、以上にとどまらず、外国人労働者との関連で強制収容所を捉える作業をおこなった。それによって明らかになったのは、SSが労働力供給源としての強制収容所の意義を強化するために、とりわけ外国人労働者を大量に強制収容所に収容しはじめたということである。以上の研究成果は慶應義塾経済学会の『三田学会雑誌』第89巻第2号(1996年7月)に掲載が決定している。また「ナチズム研究の現状と課題」と題して、ドイツ現代史学会大会主要報告をおこなった。そこではとくに強制収容所をめぐる問題の研究状況と今後の展望を報告した。個別強制収容所における囚人の生活・労働条件・戦況がドイツにとってさらに悪化した1943年以降の段階での強制収容所については、分析の手懸かりを獲得したにとどまり、今後の課題として残っている。
二重励起法によるカーボンナノチューブの研究

単層カーボンナノチューブは構造が一次元的であり、一次元性を反映して、鋭いスパイク状の電子状態密度を持ち、バンド間の光遷移は鋭い共鳴を示す。共鳴エネルギーはカイラリティに応じて異なるので、単色のレーザー光を照射すると特定のカイラリティを持ったものだけを励起することができる。このバンド間遷移の鋭い共鳴に付随して、共鳴ラマン散乱が観測される。共鳴準位とフォノンのエネルギーとを対比することにより、共鳴しているカーボンナノチューブのカイラリティをある程度決定することができる。本研究では1つのレーザー光を用いて特定のカイラリティをもつカーボンナノチューブを励起し、それにより起こるカーボンナノチューブ内の変化の過程を、同時に照射する別のレーザー光による共鳴ラマン散乱の測定により明らかにすることを目指す。その結果、特にもっとも顕著な例として、赤外領域のパルスレーザー光で半導体性カーボンナノチューブの第2準位間を励起し、それに共鳴したカーボンナノチューブの減少していく過程を可視領域のレーザー光による第3準位間の共鳴ラマン散乱を測定することによって明らかにすることができた。減少をおこす光量の閾値、減少速度、減少量など、カイラリティ選択的減少過程に関して新しい知見を得た。第2準位間と第3準位間の対応により、正確なカイラリティの決定と選別が可能であるはずであるが、現状ではラマン測定の精度がまだ不十分で、カイラリティについての明確な結論を得ていない。しかし、本研究の成果は、より弱いレーザー光を用い詳細な解析をすることにより、特定のカイラリティをもつナノチューブの選別へと発展する足がかりを得たものである。本研究では2つのレーザー光を用いて、共鳴ラマン散乱を変調し、それにより特定のカイラリティをもつカーボンナノチューブの電子状態を、不純物・欠陥状態を含めて、明らかにすることを目指す。そのために本年度は次の3つの面で研究を行った。1.試料作製できるだけカイラリティのそろった均質な試料が必要なので、熱CVD法で用いる触媒の改良を試みた。石英基板上に鉄を含む触媒微粒子を堆積する。その際、従来の化合物とは異なる組成の触媒を用いて成長し、触媒作用についての知見を得た。2.共鳴ラマン散乱分光の装置改良試料を顕微分光用真空セルの中にセットし、試料の周りの雰囲気を変えられるようにした。アルゴンイオンレーザーおよびチタンサファイアレーザー光を同時に試料にあてられるように光学系を構築した。共鳴ラマン散乱の測定において通常のストークス光ばかりでなくアンチストークス光も検出するようにした。3.電子状態計算カイラリティに依存した鋭い共鳴吸収が本研究の要であるので、カーボンナノチューブの共鳴順位を理論的に研究した。特にカーボンナノチューブに不純物や欠陥のある場合の共鳴の変化が興味深いので、その点について重点的に解析を進めた。いろいろなカイラリティを持つカーボンナノチューブについて、不純物による共鳴順位のシフトを明らかにした。

共鳴準位とフォノンのエネルギーとを対比することにより、共鳴しているカーボンナノチューブのカイラリティをある程度決定することができる。本研究では2つのレーザー光を用いて、共鳴ラマン散乱を変調し、それにより特定のカイラリティをもつカーボンナノチューブの電子状態を、不純物・欠陥状態を含めて、明らかにすることを目指す。本年度、石英またはシリコン基板上に成長したカーボンナノチューブに室温空気中で2つのレーザー光を照射し、片方のレーザー光の波長を変えながら、もう片方のレーザー光による共鳴ラマン散乱測定を行った。その結果、近赤外領域のOPOレーザー光をパルス照射すると、特に半導体性のカーボンナノチューブが減少し、金属性のものが残ることを見いだした。近赤外レーザー光の強度が大きいため、共鳴しているカーボンナノチューブが損傷を受けていると考えられる。強度依存性、波長依存性、時間変化を調べ、新しい知見を得た。本研究成果は、温度依存性や照射雰囲気などいろいろなパラメータを変えて現象を見る研究へも発展が可能であり、それにより、カーボンナノチューブのカイラリティ制御への重要な足がかりとなるものである。
特発性肺線維症組織のTGF-βII型受容体遺伝子変異の検討

transforming growthfactor(TGF)-βは特発性肺線維症(IPF)の病態形成において重要な役割を果たしている。IPFの組織学的特徴の一つである肺胞上皮細胞の過形成がTGF-βの制御から逸脱してためではないかと仮定し、その機序の一つとして既に報告のあるTGF-βII型受容体(TβRII)のexon3に存在するmicrosatellite部位における欠失の検出を試みた。IPF患者の組織標本上からmicrodissection法によって細胞を抽出し、得られたDNAを鋳型としてnested PCR法を用いて増幅し検出した。その結果、IPFII症例の肺胞上皮過形成病変121個所の中で5症例9個所において変異を認めた。また壁の肥厚した肺動脈においても一部で変異が確認された。TβRIIに対する免疫組織染色ではTβRII遺伝子の欠失が確認された肺胞上皮の部位で染色性の低下を確認した。また、IPFには肺癌が高率に合併することが知られている。この遺伝子欠失が癌化につながる可能性を考え、IPFに合併した肺癌7症例について同様に検出を行ったが、全例TβRII遺伝子のmicrosatellite部位は正常であった。IPFに代表される肺の線維化の際、肺胞上皮細胞過形成の一部の病変については、TGF-βによる上皮細胞の増殖抑制作用から逸脱することによる過形成である可能性が示唆された。また低頻度ではあるが、肺の線維化をきたす疾患に共通する変異である可能性がある。癌化については少なくとも高頻度に関与するものではないと考えられた。〔緒言〕肺胞上皮細胞の過形成病変は特発性肺線維症(IPF)の組織学的特徴の一つである。Transforminggrowthfactor(TGF)-βは肺胞上皮細胞に対して増殖を抑制することが知られている。われわれは肺胞上皮細胞の過形成病変はTGF-βへの不応性に起因し、その機序はTGF-βII型受容体(TβRII)変異が肺胞上皮細胞に存在する仮定し、その証明を試みた。〔方法〕組織学的に通常型間質性肺炎(UIP)と診断されたIPF症例11例のパラフィン固定肺組織から切片を作製し、電動マイクロマニピュレイターを用いたmicrodissection法により標本上の肺胞上皮過形成病変、気道上皮、線維化巣から細胞を回収した。これらの細胞からDNAを抽出してnested PCRを行い、蛍光標識にて遺伝子欠失を確認した。また、一部の検体で抗TβRII抗体による免疫組織染色および塩基配列の決定を行った。〔結果〕IPFの肺胞上皮過形成病変121箇所中9箇所で、TβRII遺伝子のmicrosatellite部位での欠失があった。一方,気管支上皮細胞や増殖した線維芽細胞,さらに疾患対照としての肺癌の非癌部分に変異を認めなかった。免疫組織染色では肺胞上皮のTβRII遺伝子の欠失が確認された組織の連続切片において同一部位での染色性の低下が一部確認された。塩基配列の決定によってmicrosatellite部位でのadenineの1塩基対欠失を確認した。〔まとめ〕IPFの肺胞上皮細胞過形成病変では,一部にTGF-βII型受容体の変異が確認され,これらの細胞ではTGF-βの増殖調節から逸脱している可能性が示唆された。今後、肺胞上皮細胞におけるTβRIIの変異が線維化を促進させる要因かどうかを検討するため、気道上皮細胞株もしくは肺胞上皮細胞株を用いて、変異TβRII遺伝子を強制導入し、TGF-βなどの線維化にかかわるcytokineの変動を確認する。また、組織学的にIPFと異なるNSIPにおいても肺胞上皮過形成と線維化が見られる症例が少なくないため、NSIP症例についても同様の検討を行う。〔緒言〕transforming growth

factor(TGF)-βは特発性肺線維症の病態形成において重要な役割を果たしている。昨年までの研究で、TGF-βII型受容体(TβRII)の遺伝子異常、すなわちexon3に存在するmicrosatellite部位における欠失が、特発性肺線維症の肺胞上皮細胞の過形成病変の一部に存在していることを証明した。本年度は、(1)特発性肺線維症以外にも線維化をきたす他の組織学的病変についても同様の遺伝子異常が認められるか。(2)特発性肺線維症には肺癌が高率に合併する。この遺伝子欠失が癌化につながるかどうか。以上の2点を中心に検討を行った。〔方法〕(1)特発性肺線維症以外にも線維化をきたす他の組織学的病変として、non-specific interstitial pneumonia(NSIP)の2症例(いずれもGroup3)について検討を加えた。肺胞上皮細胞の過形成病変組織標本上からmicrodissection法によって細胞を抽出し、得られたDNAを鋳型としてnested PCR法を用いて増幅し検出した。(2)特発性肺線維症に併発した肺癌7症例について、癌細胞におけるTβRII遺伝子のmicrosatellite部位における欠失を、同様の方法で検出した。〔結果〕(1)NSIP2症例のうち1症例の肺胞上皮過形成病変1ヶ所で同様の変異を確認した。(2)特発性肺線維症に合併した7症例については、全例TβRII遺伝子のmicrosatellite部位は正常であった。〔まとめ〕特発性肺線維症の肺胞上皮細胞の過形成病変に認められたTβRII遺伝子の欠失と同様の変異をNSIP(Group3)にも認め、頻度は低いものの、いわゆる肺の線維化をきたす疾患に共通する変異である可能性がある。また、癌化については少なくとも高頻度に関与するものではないと考えられた。
センタレス研削方式によるセラミックス球の枚葉型加工技術の開発に関する研究

セラミックス軸受は耐食性,耐熱性に富み,しかも高硬度,軽量であるため,航空機やロケット用のジェットエンジンや工作機械主軸など高速,高精度スピンドルヘの応用が期待されている.本研究は,センタレス研削方式によるセラミックス球の枚葉型加工技術を確立するのが目的であるこれは,従来のセンタレス研削盤における調整砥石をシューに置き換えて,球体加工を可能にするように工作物にX軸とY軸回りの運動をそれぞれシューのXZ平面内の超音波楕円振動とブレードのYZ平面内の超音波楕円振動によって与えることにより,センタレス方式で球体研削を行おうとするものである.また,従来機における調整砥石による工作物の支持作用は可動シューとボールネジ,サーボモータ,直動軸受およびコントローラからなる微小送りユニットによって行う.本研究では,微小送りユニットと超音波振動付加シュー/ブレードを設計・製作し,既設のセンタレス研削盤に取り付けることによって加工実験機を構築する.そしてセラミックス素球について加工テストを行い,到達真球度を把握する.本研究の内容とこれまで得られた結果を次のようにまとめる.(1)圧電素子(PZT)と金属体から構成される超音波振動付加シュー/ブレードを設計・製作した.(2)製作したシュー/ブレードに超音波域の交流電圧を印可し,印可電圧と周波数が振幅に対する影響をレーザドップラ振動計で測定しシュー/ブレードの性能評価を行った.(3)微小送りユニットを設計・製作し,工作物の送り駆動テストを行った.可動シューが0.7μm/s程度の移動速度まで微小駆動可能であることを確認した.(4)製作した微小送りユニットと超音波振動付加シュー/ブレードを取り付けられるように既設のセンタレス研削盤を改造して,加工実験機を構築した.(5)球体加工テストに先立って,構築した加工実験機において1軸回転体(φ15mm,長さ15mmのSK4ピン)の加工テストを予備実験として行った.初期真円度20μm程度の加工物は研削後1.5μm程度まで向上した.これによって,超音波楕円振動による加工物の回転制御に基づく新しいセンタレス研削法を提案することができた.(6)球体のX軸とY軸回りの2軸回転制御テストを行った結果,Y軸回り運動は不安定であることがわかった.これは,共振型のブレードの超音波振動速度が過大でかつ時間的に不安定なためであることが明らかになった現在,非共振型で振動速度が低い新しい原理の楕円振動ブレードを開発中であるその完成次第に球体の回転制御テストと加工テストを行う予定である.(7)センタレス研削方式による球体の成球過程のコンピュータシミュレーション法を開発し,成球効果の最もよい幾何学的支持条件を特定した.セラミックス軸受は耐食性,耐熱性に富み,しかも高硬度,軽量であるため,航空機やロケット用のジェットエンジンや工作機械主軸など高速,高精度スピンドルへの応用が期待されている.本研究は,センタレス研削方式によるセラミックス球の枚葉型加工技術を確立するのが目的である.これは,従来のセンタレス研削盤における調整砥石をシューに置き換えて,球体加工を可能にするように工作物にX軸とY軸回りの運動をそれぞれシューのXZ平面内の超音波楕円振動とブレードのYZ平面内の超音波楕円振動によって与えることにより,センタレス方式で球体研削を行おうとするものである.また,従来機における調整砥石による工作物の支持作用は可動シューとボールネジ,サーボモータ,直動軸受およびコントローラからなる微小送りユニットによって行う.本研究では,微小送りユニットと超音波振動付加シュー/ブレードを設計・製作し,既設のセンタレス研削盤に取り付けることによって加工実験機を構築する.そしてセラミックス素球について加工テストを行い,到達真球度を把握する.本研究計画の1年目(平成13年度)は,次の項目について研究を行った.(1)圧電素子(PZT)と金属体から構成される超音波振動付加シュー/ブレードを設計・製作した.(2)製作したシュー/ブレードに超音波域の交流電圧を印可し,印可電圧と周波数が振幅に対する影響をレーザドップラ振動計で測定しシュー/ブレードの性能評価を行った.(3)微小送りユニットを設計・製作し,工作物の送り駆動テストを行った.可動シューが0.7μm/s程度の移動速度まで微小駆動可能であることを確認した.セラミックス軸受は耐食性,耐熱性に富み,しかも高硬度,軽量であるため,航空機やロケット用のジェットエンジンや工作機械主軸など高速,高精度スピンドルヘの応用が期待されている.本研究は,センタレス研削方式によるセラミックス球の枚葉型加工技術を確立するのが目的であるこれは,従来のセンタレス研削盤における調整砥石をシューに置き換えて,球体加工を可能にするように工作物にX軸とY軸回りの運動をそれぞれシューのXZ平面内の超音波楕円振動とブレードのYZ平面内の超音波楕円振動によって与えることにより,センタレス方式で球体研削を行おうとするものである.また,従来機における調整砥石による工作物の支持作用は可動シューとボールネジ,サーボモータ,直動軸受およびコントローラからなる微小送りユニットによって行う.本研究では,微小送りユニットと超音波振動付加シュー/ブレードを設計・製作し,既設のセンタレス研削盤に取り付けることによって加工実験機を構築する.そしてセラミックス素球について加工テストを行い,到達真球度を把握する.本研究の内容とこれまで得られた結果を次のようにまとめる.(1)圧電素子(PZT)と金属体から構成される

超音波振動付加シュー/ブレードを設計・製作した.(2)製作したシュー/ブレードに超音波域の交流電圧を印可し,印可電圧と周波数が振幅に対する影響をレーザドップラ振動計で測定しシュー/ブレードの性能評価を行った.(3)微小送りユニットを設計・製作し,工作物の送り駆動テストを行った.可動シューが0.7μm/s程度の移動速度まで微小駆動可能であることを確認した.(4)製作した微小送りユニットと超音波振動付加シュー/ブレードを取り付けられるように既設のセンタレス研削盤を改造して,加工実験機を構築した.(5)球体加工テストに先立って,構築した加工実験機において1軸回転体(φ15mm,長さ15mmのSK4ピン)の加工テストを予備実験として行った.初期真円度20μm程度の加工物は研削後1.5μm程度まで向上した.これによって,超音波楕円振動による加工物の回転制御に基づく新しいセンタレス研削法を提案することができた.(6)球体のX軸とY軸回りの2軸回転制御テストを行った結果,Y軸回り運動は不安定であることがわかった.これは,共振型のブレードの超音波振動速度が過大でかつ時間的に不安定なためであることが明らかになった現在,非共振型で振動速度が低い新しい原理の楕円振動ブレードを開発中であるその完成次第に球体の回転制御テストと加工テストを行う予定である.(7)センタレス研削方式による球体の成球過程のコンピュータシミュレーション法を開発し,成球効果の最もよい幾何学的支持条件を特定した.本研究は,センタレス研削方式によるセラミックス球の枚葉型加工技術を確立することを目的としている.これは,従来のセンタレス研削盤における調整砥石をシューに置き換えて,球体加工を可能にするように工作物にX軸とY軸回りの運動をそれぞれブレードのYZ平面内の超音波楕円振動とシューのXZ平面内の超音波楕円振動によって与えることにより,センタレス方式で球体研削を行おうとするものである.本研究補助の初年度(平成13年度)で得られた中間結果としては,超音波楕円振動シュー/ブレードを設計・製作し,その性能評価を行った.また微小送りユニットを設計・製作し,工作物の送り込みテストを行った.その結果,半径切り込み量は0.1μm程度で微小送り込み可能であることを確認した.そして最終年度(平成14年度)での内容と結果を次のようにまとめる.(1)製作した微小送りユニットと超音波振動付加シュー/ブレードを取り付けられるように既設のセンタレス研削盤を改造して,加工実験機を構築した.(2)球体加工テストに先立って,構築した加工実験機において1軸回転体(φ15mm,長さ15mmのSK4ピン)の加工テストを予備実験として行った.初期真円度20μm程度の加工物は研削後1.5μm程度まで向上した.これによって,超音波楕円振動による加工物の回転制御に基づく新しいセンタレス研削法を提案することができた.(3)球体のX軸とY軸回りの2軸回転制御テストを行った結果,Y軸回り運動は不安定であることがわかった.これは,共振型のブレードの超音波振動速度が過大でかつ時間的に不安定なためであることが明らかになった.現在,非共振型で振動速度が低い新しい原理の楕円振動ブレードを開発中である.その完成次第に球体の回転制御テストと加工テストを行う予定である.
繊維状ウイルスによる機能性ハイドロゲルの創製

繊維状ウイルスからなる機能性ハイドロゲル構築を目的とし、繊維状ウイルスの一種であるM13バクテリオファージ(ファージ)の末端と金ナノ粒子が特異的に相互作用するよう分子設計して用いた。適切な濃度比で混合すると、両者は自己組織的にハイドロゲル化した。その際、ファージは三次元的に配向しながら集合化して液晶化し、また金ナノ粒子はフラクタル様のネットワーク構造を構築し、構成要素それぞれの構造が制御されたゲルとなることがわかった。両者の間の特異的な相互作用を制御したゲルを調製することで、ゲルの機械的強度が分子間相互作用に支配されることもわかった。また、自己修復能や大腸菌応答性を示すことも見出した。前年度に構築した、繊維状ウイルスの一種であるM13ファージと金ナノ粒子からなるハイドロゲルの機能性を評価した。M13ファージ末端にはタグペプチド(抗原ペプチド)を提示させ、金ナノ粒子上には抗体を固定化して用いた。低濃度のファージ溶液と抗体固定化金ナノ粒子を混合し、ウイルスを増幅させる大腸菌を少量添加した。混合溶液をインキュベーションし、経時的に混合溶液に対して押込み破断特性評価を行った。その結果400分付近で急激に強度が上昇し、溶液(ゾル)がゲルへと転移することがわかった。溶液内のファージ濃度を経時的に測定した結果、ファージ濃度の上昇と共にゲル化していることが明らかとなった。つまり、構成要素であるファージが大腸菌により増幅されて濃度が上昇したことによりゲル化したものと考えられる。これらの結果は、構成要素の増幅により構造転移する新しいタイプのハイドロゲル構築が達成できたことを示している。さらにファージおよび抗体固定化金ナノ粒子を十分な濃度で混合し、溶液からゲルへと自己組織化する過程を偏光顕微鏡により観察した。混合直後は真っ暗な像しか観察されず、等方的な溶液状態であったが、15分後には明るいドメインが複数観察され始めた。30分後には百マイクロメートルオーダーのドメインが観察された。サンプルを45 °回転させる度に像の明暗が反転したことから、ファージはゲル内で高度に配向しており、液晶構造を形成することがわかった。一般に繊維状ウイルスが液晶化する濃度と比較すると3分の1以下の濃度で液晶化しており、特異的な相互作用が効果的に働いたものと考えられる。金ナノ粒子がゲル内で規則的に配列することは前年度に見出していたが、本知見と併せて考えると、構成要素それぞれが極めて規則的に、集合状態が制御されているハイドロゲルであることが明らかとなった。既に構築している、繊維状ウイルスの一種であるM13ファージと金ナノ粒子からなるハイドロゲルの新たな機能を探索した。ファージ末端にタグペプチド(抗原ペプチド)を提示したファージを用い、金ナノ粒子にはプロテインAを介して抗体を固定化して用いた。ハイドロゲルの機能評価として、自己修復能を検討した。押込み破断試験により構築したハイドロゲルを破断させて強度を測定し、破断されたゲルに対して緩衝液を添加した。2日間静置することで、破断箇所は目視では完全に修復されることがわかった。再度強度を測定した結果、オリジナルの90%程度まで強度が回復することがわかった。ここまでで用いてきたハイドロゲルは、ファージ、金ナノ粒子以外にも、抗体とそれを固定化するためのプロテインAの2種のタンパク質を利用した多成分系であった。ハイドロゲルを利用することを考えると、より少ない成分から構築されることが望ましい。そこで、ファージ末端と金ナノ粒子が直接相互作用できるよう新たに分子設計し、ハイドロゲル構築を目指した。金に結合するペプチドをファージ末端に、遺伝子工学的に導入した。金に結合するファージと金ナノ粒子を混合した結果、粘稠な液体となり、そのままではゲル化には至らなかったが、吸収スペクトル測定から金ナノ粒子が特殊な集合構造を形成することがわかった。この溶液を架橋剤であるグルタルアルデヒド溶液に対してインジェクションすることで、ハイドロゲル形成することがわかった。ハイドロゲルを偏光顕微鏡で観察した結果、複屈折性を示し、ファージが配向して液晶構造を形成することがわかった。金ナノ粒子を加えない場合やA3ペプチドをもたない野生型ファージを用いた場合では液晶形成は見られず、金ナノ粒子が規則的に集合化することで、ファージも架橋により配向されることが明らかとなり、それぞれの集合構造が制御されたハイドロゲルが構築できた。繊維状ウイルスを構成要素とするハイドロゲル構築を目的とし、ウイルス(ファージ)と金ナノ粒子によるハイブリッド化を検討した。ファージと金ナノ粒子とを相互作用させるため、ファージの末端に機能性基としてタグペプチド(抗原ペプチド)を遺伝子工学的に導入した。

一方金ナノ粒子には抗タグペプチド抗体を固定化し、ファージ末端と特異的に相互作用できる分子設計とした。それらウイルスおよびナノ粒子を適切な濃度下において混合することにより、ハイドロゲル化することがわかった。抗体やナノ粒子を加えない山椒実験ではゲル化する挙動は見られず、特異的な相互作用を基に両者が自己組織化し、ゲル化へと至ったものと考えられる。動的粘弾性測定の結果、いずれの周波数においても貯蔵弾性率の値が損失弾性率の値を上回ったことから、明確にハイドロゲル形成したことがわかった。構築したハイドロゲルの特性をより詳細に解析した。吸収スペクトル測定から、ハイドロゲル中の金ナノ粒子は分散状態と凝集状態とが同時に存在するスペクトルを示したことから、ナノ粒子は一次元的に配列したことが示唆された。透過型電子顕微鏡観察の結果、金ナノ粒子は互いに密接にパッキングしていることがわかった。ナノ粒子上の抗体がファージ末端の抗原ペプチドによって架橋されているものと推察される。ファージハイドロゲルの強度を定量的に評価した結果、ゲルの強度はファージ末端のペプチドとナノ粒子上の抗体との相互作用の強さに依存した。つまり、ファージ末端とナノ粒子との分子レベルの相互作用がゲルの強度というマクロな物性にまで影響を及ぼすことを見出した。以上の結果から、ウイルスをベースとした新規なハイドロゲル創製を達成することができ、また相互作用の制御によって物性を制御できる可能性を明らかにした。ウイルスからなるハイドロゲルの特性として、増幅といった概念をマテリアルの世界に導入することができた。このことは、ウイルスをマテリアルの構成要素として利用でき、かつその特性をもマテリアルとして利用できることを示している。一方で、ウイルスが低濃度条件においても液晶化することを見出した。この結果は、2つの構成要素それぞれが高度に構造制御された新しいマテリアルであることを示しており、特異的かつ位置特異的な相互作用の利用が、複数成分からなるハイブリッドマテリアルの構造制御法として利用できる可能性を強く示している。ウイルスによるハイドロゲル創製を目指して種々の手法を検討した結果、煩雑な手法を伴わない手法によるハイドロゲル創製を達成した。さらに、構築したハイドロゲルの強度は相互作用という概念で制御することができ、また、ただ構築できたのみならず金ナノ粒子という極めて魅力的な特性をもつ構成要素とのハイブリッドにより達成できた。これにより、ウイルスと金ナノ粒子双方の特性を併せもつ、ハイドロゲルに代表されるソフトマテリアルの構築が期待できる。現在はファージとナノ粒子はタンパク質を介して相互作用しており、ファージとナノ粒子とが直接相互作用できる分子設計を施し、系の単純化を目指す。ファージ末端に金に結合するペプチドを提示させることで、ファージが他の分子を介さずにナノ粒子と直接相互作用できるシステムを構築する。これにより、より簡便なファージハイドロゲルの構築が期待される。さらに、ファージ表面に機能性基を導入することにより、機能性ハイドロゲル構築も目指す。ファージ表面には合成化学的あるいは遺伝子工学的に任意の官能基や分子を導入できるため、望みの機能を自在に付与できるウイルスハイドロゲル構築が期待される。
サブユニット間ヘム架橋型シトクロムbにおけるヘム特異的アセンブリー機構

コハク酸脱水素酵素複合体(SDH)は複合体IIとも呼ばれ、TCA回路の酵素としては唯一膜結合性の酵素である。本酵素は同時に呼吸鎖電子伝達系の初発酵素として機能し、ヒトから細菌まで好気性生物のエネルギー代謝においてTCA回路と呼吸を直接結び付ける重要な役割を果たしている。複合体IIは真核生物ではミトコンドリアのマーカー酵素として知られているが、一方、嫌気性細菌にはSDHの逆反応を触媒するフマル酸還元酵素(FRD)が存在し、NADHからフマル酸への嫌気的電子伝達系の末端部位の酸化還元酵素として機能している。申請者は酸素適応における呼吸鎖の役割、またその構造と機能について一貫して研究を進めてきたが、本研究では大腸菌のSDHに関しヘム合成の変異株を用いて膜へのアセンブリーにおける補欠分子属、特にヘムの役割について解析した。ヘム合成の最終ステップでヘムへ鉄を入れるヘムケラターゼを欠損するhemH変異株を用いて実験を行ったところ、触媒部位は膜ではなく細胞質に局在した。この変異株にさらにヘムの透過性を亢進する変異を導入し、培地中にヘミンを加えたところ正常な活性を持った複合体IIが膜に観察された。そこで次にヘミンの代わりに鉄を持たないプロトポルフィリンや中心金属としてMn,Co,Ni,Cu,Znを配位するポルフィリンを加えたところ、膜でのコハク酸-ユビキノン酸化還元酵素活性はMnではヘミンの14%、CoとNiでは2.3%、またCuやZnではほとんど活性は見られなかった。この様にヘム鉄は複合体IIのアセンブリーと膜への局在に必須であり、またその特異性も高いものであった。
実用化に向けた高速粒子線CTの開発による粒子線治療の高度化と効率化

高エネルギー粒子線を用いたCT撮像は、治療用粒子線ビームに対する阻止能の測定において、X線CTよりも原理的な不定性が小さいため、治療の高精度化に有用であると考えられている。本研究では、これまで原理検証を行ってきた粒子線CTについて、飛躍的な高速化を行うことにより、実用的な時間(数分)で撮像を行えるシステムを開発することを目的としている。当該年度は、物質量が少なく二次元の位置が測定できる、両面型シリコンストリップ検出器(DSSD)を導入し、高強度ビームのプロファイルの測定を実現するためのシステム開発を進めた。同時に、エネルギーを測定するためのカロリメータも同等の速度を実現する必要があるため、並行して開発を進めた。DSSDの読出しは、高速化を実現するためASICを用いてデジタル読み出しボードを作成した。しかし、半導体検出器は信号値が小さく電源電圧の変動に極めて弱いこと、データ収集PCへの接続配線の電気容量の影響を受けやすいこと等の理由から、ノイズヒットが多い状態となってしまっていた。この問題を解決するため、外部トリガーとのコインシデンス回路をボード上に実装し、タイミング条件を厳しく(±150ナノ秒)設定することにより、ノイズヒットを大幅に除去することに成功した。放医研HIMAC加速器SB2ビームラインにおいて測定を行い、エネルギー160MeVで100kHz以上の陽子線ビームに対して、ビームプロファイルを測定することに成功した。また、時定数の短い発光特性を持つYAP(YAlO_3(Ce) perovskite)結晶にブリーダー抵抗調整し外部電流を供給する光電子増倍管を用いて、高速カロリメータの性能を評価した。このカロリメータは300kHzまでエネルギー分解能2%を維持することができた。平成29年度が最終年度であるため、記入しない。これまで進めてきたシリコン位置測定器と高速データ収集システムの開発をさらに進め、高い位置分解能を維持しつつ、データ収集の高速化により実用化を見込んだ短時間で粒子線CT撮像を行うことが本研究の目的である。シミュレーションにより、シリコン測定器本体の物質量が画像解像度を悪化させることが判っている。そのため、これまでの片面型から両面型の検出器を導入して物質量を半減させることを試みた。その際、読み出しチャンネル数が劇的に増加することを避けるために、比較的粗いピッチ(3mm)の両面型検出器を選定した。回路系と組み合わせるためにアッセンブル仕様を決定して製作した。業者よりの納品は8月に行われた。また、導入した両面型検出器はバイアス電圧のノイズに弱いことや、読み出し回路系が複雑になることが短所である。そのためバイアス電圧供給部を含めた回路について、ノイズ軽減のための改良を進めた。開発したシリコン検出器読み出しボードは、雑音状態や線源によるテストでは問題ないが、粒子線ビームによるテスト環境において、出力が頻繁に発振してデジタル出力が常にオンとなってしまう状況が頻発することが判明した。これは読み出しに用いるLSIが高ゲインであり、フィードバックにより信号が増大することが主な理由であった。そのため、LSIの直後にアイソレータを入れて発振を防止することを試み、2種類のアイソレータ(オプトカプラ・キャパシタ)でテストを行った。データ収集用計算機の直上流のFPGA(論理プログラムLSI)について、内部ロジックを見直して並列化することにより、多チャンネルを高速で読み出せるプログラムを作成した。開発したシリコン位置測定器の性能を評価するために、放射線総合医学研究所において粒子線ビームを用いた測定テストを行ったが、ノイズ・放射線源を用いて測定した場合と比較して、出力の発振が非常に多く発生することが判明した。これは、読み出しLSIが非常に高ゲインであることや、下段の配線長が長くなり寄生容量が増えることが原因であると考えられる。読み出し回路の大きな設計変更はLSIの仕様から難しく、対応策の検討に時間を要した。平成27年度に調達した両面型SSDを使用するための測定器システムを構築した。まず、外来の電波ノイズを低減するためにSSDのシールドケースと固定冶具を製作した。SSD前面は物質量の少ないアルミ蒸着マイラーシートを用いた。また両面型SSDはn型半導体側に高電圧がかかるため、読み出し回路とSSDの間の電位差に対応し、AC成分のみを読み出すためのキャパシタボードを製作した。次に必要なチャンネル数の読み出し回路を整備した。27年度に作成したアンプ・シェイパー・ディスクリミネータボードを2枚使用し、同時に読み出すために、PC用FPGAボードも2枚同時にデータが読み出せるようにソフトウェアを改良した。検出器と読み出しLSIボードを組み合わせて動作させた場合に起こる発振現象が起こることが深刻な問題となっていた。これを防ぐために、光アイソレータでデータ転送配線の容量を減らすことを試みたが、入力インピーダンスが小さいため、SSDで発生するノイズの影響が避けられず、発振を防ぐことができないことが判明した。別の方法として、入力インピーダンスの大きいCMOS-ロジックICを用いたバッファー回路を作成し、信号読み出しのタイミングで外部からトリガーを入力することによって解決することとして、テスト回路の製作と発振防止回路の設計を行った。FPGAボードの論理ロジックプログラム(ファームウェアー)を、チャンネル数が増えたことに対応できるよう改良を行った。現在の想定では、64チャンネルのストリップ中、同時に信号が発生するのは4-8チャンネル程度と考えられるため、信号の無いチャンネルの信号を削除するためのアルゴリズムを並列化して、データ処理に必要となる時間を短縮し、さらなる高速化に対応できるようにした。