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マイクロ超音波砥粒加工機構の解明と電気粘性流体授用による高能率・高精度化

本研究の目的はマイクロ超音波砥粒加工特有の加工現象と加工メカニズムを解明,解決することにより,サブミリサイズの構造体の安定的な加工を実現することである.まず実験装置の試作から行った.立体形状を創成するために,工作物テーブル2軸,工具送り方向1軸,計3軸のNC走査を可能とした.またサブミリサイズの構造体を加工するためには,微小径工具を用いる必要がある.微小径工具は折損しやすいため,水平方向(工具送り方向に対して垂直方向)に加わる応力を極力避けなくてはならない.水平方向に働く応力の主な原因は工具の偏摩耗である.そこで工具回転軸を設け,偏摩耗対策とした.しかし工具を回転させた場合,工具の偏心が問題となる.そのため工具を機上で成形するための装置を開発し,工具回転時の偏心を無くした.次に開発したマイクロ超音波砥粒加工機を用いてガラスの穴あけ加工を試みた.その結果,超音波振動により発生したキャビテーションが砥粒を加工点から遠ざけている様子が観察された.また加工された穴のエッジ部分には多くのチッピングが見られた.これは砥粒がキャビテーションによりはじき飛ばされたことにより,工具が直接ガラスに接触したためであると考えられる.工具が工作物に接触することを防ぐためには,加工点に多くの砥粒を集中させる必要がある.そこで本研究では電気粘性流体を援用することを提案した.電場を与えることにより電気粘性流体の粘度が増加し,砥粒がはじき飛ばされにくくなる.また電場勾配に応じて,砥粒は加工部に集中する方向への力を受ける.その結果,砥粒を加工部に集中させることが可能となった.また電気粘性流体を援用して加工された工作物にはチッピングがほとんど発生しないことを確認した.このように新たに開発したマイクロ超音波砥粒加工機を用い,さらに電気粘性流体を援用し加工を行うことにより,チッピングの無い安定した加工を実現した.本研究の目的はマイクロ超音波砥粒加工特有の加工現象と加工メカニズムを解明,解決することにより,サブミリサイズの構造体の安定的な加工を実現することである.まず実験装置の試作から行った.立体形状を創成するために,工作物テーブル2軸,工具送り方向1軸,計3軸のNC走査を可能とした.またサブミリサイズの構造体を加工するためには,微小径工具を用いる必要がある.微小径工具は折損しやすいため,水平方向(工具送り方向に対して垂直方向)に加わる応力を極力避けなくてはならない.水平方向に働く応力の主な原因は工具の偏摩耗である.そこで工具回転軸を設け,偏摩耗対策とした.しかし工具を回転させた場合,工具の偏心が問題となる.そのため工具を機上で成形するための装置を開発し,工具回転時の偏心を無くした.次に開発したマイクロ超音波砥粒加工機を用いてガラスの穴あけ加工を試みた.その結果,超音波振動により発生したキャビテーションが砥粒を加工点から遠ざけている様子が観察された.また加工された穴のエッジ部分には多くのチッピングが見られた.これは砥粒がキャビテーションによりはじき飛ばされたことにより,工具が直接ガラスに接触したためであると考えられる.工具が工作物に接触することを防ぐためには,加工点に多くの砥粒を集中させる必要がある.そこで本研究では電気粘性流体を援用することを提案した.電場を与えることにより電気粘性流体の粘度が増加し,砥粒がはじき飛ばされにくくなる.また電場勾配に応じて,砥粒は加工部に集中する方向への力を受ける.その結果,砥粒を加工部に集中させることが可能となった.また電気粘性流体を援用して加工された工作物にはチッピングがほとんど発生しないことを確認した.このように新たに開発したマイクロ超音波砥粒加工機を用い,さらに電気粘性流体を援用し加工を行うことにより,チッピングの無い安定した加工を実現した.本研究の目的は,マイクロ超音波加工特有の加工現象と加工メカニズムを解明,解決することによって,これまで困難であった安定的な加工を実現することである.本研究では電気粘性流体(以下ER流体という)を援用することにより加工の安定化と同時に高能率化・高精度化を図り,ガラスやセラミックス等の絶縁性硬脆材料に対しサブミリサイズの微小穴,微細溝,3次元微小構造体を形成するためのER流体援用マイクロ超音波加工システムを試作する.本年度は,マイクロ工具(直径0.05-0.8mm)先端に砥粒を集中させることにより,加工の安定化と加工能率の改善をはかるマイクロ超音波加工システムを,既設の超音波加工機を改造することにより試作した.この加工機の工作物テーブル,および超音波加工ヘッドの送り軸(現在は定圧加圧機構)をすべてサーボモータ駆動によるボールねじ送り機構とし,3軸送りのサーボモータはパソコンNCによりオープン制御するようにした.加工圧は,既存の圧電型動力計により加工圧をセンシングし,それをパソコンで制御して定圧送りを実現した.この装置を用いて,工具と工作物界面でのキャビテーションの発生状況と,砥粒の挙動を観察した.工具先端の摩耗状況とキャビテーションの発生状況との関係,スラリの流体特性等と関連して検討した.またER流体を援用したときのキャビテーションにより発生した気泡群の挙動,先端に集中する砥粒との関係についても観察した.その結果,キャビテーションにより,微小径工具先端には砥粒がほとんどなくなっていることが明らかになった.しかしER流体を援用することにより,工具先端に砥粒を集めることができることを確認した.

来年度は2軸あるいは3軸制御を行うことにより,溝加工及び3次元加工を行う予定である.また,ER流体援用時の電極配置等について,FEMにより最適化する.本研究の目的は,マイクロ超音波加工特有の加工現象と加工メカニズムを解明,解決することによって,これまで困難であった安定的な加工を実現することである.昨年度は,電気粘性流体(以下ER流体という)を援用することにより加工の安定化と同時に高能率化・高精度化を図り,ガラスやセラミックス等の絶縁性硬脆材料に対しサブミリサイズの微小穴,微細溝,3次元微小構造体を形成するためのER流体援用マイクロ超音波加エシステムを試作した.本年度は,この加工機を用いて,直径50から100μmのマイクロ穴加工時のチッピングの抑制効果について検討した.その結果,これまで工具先端部に砥粒がほとんど無かったものが,ER流体を援用することにより工具先端に砥粒が集中することが確認され,チッピングが大幅に減少した.しかし深穴加工(d/1>10)の場合には,工作物上面に電極を配置して深穴加工を行うと電極-工具側面間に砥粒が集中してしまい,加工圧が増大し,d/1>3程度で加工が進行しなくなることも判明した.そこでER流体援用時の電極配置等について,FEMにより最適化することにより,深穴加工時でも工具先端に砥粒を集中させることを検討した.その結果,工作物下面に電極を配置する新しい新しい電極配置を考案した.この電極配置では,深穴加工時でも工具先端部に砥粒が集中し,チッピング,加工圧の増大を抑えたままで,深穴加工が可能となった.以上のことより,本研究で開発したER流体援用マイクロ超音波加エシステムは,これまで加工が困難であったd/1が10を超えるような直径50から100μm程度の微小穴の深穴加工でも,チッピングレスで高品位な穴加工を実現できることが実証された.
生体関節における多モード適応潤滑機構と変性・修復機構の解明

当初計画とは若干の変更があったが,以下の知見が得られた.歩行運動を模擬出来るシミュレータでは,人工軟骨モデルの摩擦試験を行い,流体膜の数値解析との総合比較によりマクロなレベルの多モード適応潤滑の基本的な機構を解明できた.関節液と軟骨の衝撃試験においては反発挙動と潤滑膜形成や,衝撃荷重時の関節軟骨の電圧発生現象を追跡し,構成成分と潤滑性との関連を界面電気現象の観点から評価できた.動物関節の振子試験により,摩擦挙動を観測し,潤滑剤や軟骨表層成分の潤滑効果を評価できた.関節液や分子量・濃度の異なるヒアルロン酸溶液および蛋白添加液の粘性挙動を調べ,摩擦現象や潤滑モードとの関連を明らかにした.とくに,混合潤滑モードにおける吸着膜の効果を確認するとともに,表面膜脱離後の関節に対するリン脂質リポソームや蛋白成分の添加効果を験証できた.また,γグロブリンやリン脂質のLB(ラングミュア・ブロジェット)膜との摩擦試験を行い,AFM(原子間力顕微鏡)で吸着構造を同定し,リン脂質や蛋白成分の潤滑効果を確認することができた.軟骨細胞の力学試験に関しては,高密度単層培養した軟骨細胞群に対して,せん断荷重を繰返し加えることにより,サイトカインのインターロイキン6が特異的に産生することが確認されたことより,軟骨細胞に対するせん断刺激と関節の変異・修復機構との関連を示唆できた.当初計画とは若干の変更があったが,以下の知見が得られた.歩行運動を模擬出来るシミュレータでは,人工軟骨モデルの摩擦試験を行い,流体膜の数値解析との総合比較によりマクロなレベルの多モード適応潤滑の基本的な機構を解明できた.関節液と軟骨の衝撃試験においては反発挙動と潤滑膜形成や,衝撃荷重時の関節軟骨の電圧発生現象を追跡し,構成成分と潤滑性との関連を界面電気現象の観点から評価できた.動物関節の振子試験により,摩擦挙動を観測し,潤滑剤や軟骨表層成分の潤滑効果を評価できた.関節液や分子量・濃度の異なるヒアルロン酸溶液および蛋白添加液の粘性挙動を調べ,摩擦現象や潤滑モードとの関連を明らかにした.とくに,混合潤滑モードにおける吸着膜の効果を確認するとともに,表面膜脱離後の関節に対するリン脂質リポソームや蛋白成分の添加効果を験証できた.また,γグロブリンやリン脂質のLB(ラングミュア・ブロジェット)膜との摩擦試験を行い,AFM(原子間力顕微鏡)で吸着構造を同定し,リン脂質や蛋白成分の潤滑効果を確認することができた.軟骨細胞の力学試験に関しては,高密度単層培養した軟骨細胞群に対して,せん断荷重を繰返し加えることにより,サイトカインのインターロイキン6が特異的に産生することが確認されたことより,軟骨細胞に対するせん断刺激と関節の変異・修復機構との関連を示唆できた.当初計画とは若干の変更があったが,以下の知見が得られた.歩行運動を模擬出来るシミュレータでは,まず人工軟骨モデルの摩擦試験を行い,流体膜の数値解析との総合比較によりマクロなレベルの多モード適応潤滑の基本的な機構を解明できた.関節液と軟骨の衝撃試験においては反発挙動と潤滑膜形成や,衝撃荷重時の関節軟骨の電圧発生現象を追跡し,構成成分と潤滑性との関連を界面電気現象の観点から評価できた.動物関節の振子試験により,摩擦挙動を観測し,潤滑剤や軟骨表層成分の潤滑効果を評価できた.また,γグロブリンやリン脂質のLB(ラングミュア・ブロジェット)膜との摩擦試験を行い、AFM(原子間力顕微鏡)で吸着構造を同定し,リン脂質や蛋白成分の潤滑効果を確認することができた.これらの知見を規範にして,マイクロマニピュレータを使用して,動物関節軟骨試験片の局所的な摩擦試験を試みつつある.また,変形性関節症やリウマチ性関節症の関節液の粘性や組成を調べ,臨床現象との関連を検討中である.軟骨細胞の力学試験に関しては,高密度単層培養した軟骨細胞群に対して,せん断荷重を繰返し加えることにより,サイトカインのインターロイキン6が特異的に産生することが確認されたので,関節の変性・修復機構との関連について検討しつつある.当初計画とは若干の変更があったが,以下の知見が得られた.歩行運動を模擬出来るシミュレータでは,人工軟骨モデルの摩擦試験を行い,流体膜の数値解析との総合比較によりマクロなレベルの多モード適応潤滑の基本的な機構を解明できた.関節液と軟骨の衝撃試験においては反発挙動と潤滑膜形成や,衝撃荷重時の関節軟骨の電圧発生現象を追跡し,構成成分と潤滑性との関連を界面電気現象の観点から評価できた.動物関節の振子試験により,摩擦挙動を観測し,潤滑剤や軟骨表層成分の潤滑効果を評価できた.関節液や分子量・濃度の異なるヒアルロン酸溶液および蛋白添加液の粘性挙動を調べ,摩擦現象や潤滑モードとの関連を明らかにした.とくに,混合潤滑モードにおける吸着膜の効果を確認するとともに,表面膜脱離後の関節に対するリン脂質リポソームや蛋白成分の添加効果を験証できた.また,γグロブリンやリン脂質のLB(ラングミュア・ブロジェット)膜との摩擦試験を行い,AFM(原子間力顕微鏡)で吸着構造を同定し,リン脂質や蛋白成分の潤滑効果を確認することができた.軟骨細胞の力学試験に関しては,高密度単層培養した軟骨細胞群に対して,せん断荷重を繰返し加えることにより,サイトカインのインターロイキン6が特異的に産生することが確認されたことより,軟骨細胞に対するせん断刺激と関節の変性・修復機構との関連を示唆できた.
非定型カドヘリンの細胞外領域リン酸化の生理機能の解明

非定型カドヘリンの一種であるFatは、ショウジョウバエの発生において組織の成長と平面細胞極性を制御する。本研究では、非定型カドヘリンの細胞外カドヘリンドメインのリン酸化の生体内における役割を、トランスジェニックショウジョウバエを用いて明らかにすることを試みた。その結果、Fatの3番目のカドヘリンドメインのリン酸化は、ショウジョウバエにの正常な発生に必要であることを明らかにした。非定型カドヘリンFatは、ショウジョウバエの発生において組織の成長と平面細胞極性を制御する。Fatは細胞外領域にカドヘリンドメインの繰り返し構造を有するが、そのうちのいくつかのカドヘリンドメインに存在するセリン残基は、ゴルジ体キナーゼFour-jointedによりリン酸化される。我々はこれまでに、Four-jointedによるFatの細胞外カドヘリンドメインのリン酸化は、Fatの機能を調節することを生化学的に明らかにした。そこで、Fatの生体内での機能発現に必要なカドヘリンドメインのリン酸化部位をショウジョウバエを用いた遺伝学的な解析により同定することを試みた。fat遺伝子を含む約40 kbのBACクローンは、ショウジョウバエfat突然変異体の表現型を救済することができる。そこで、ショウジョウバエからヒトにいたるまで種間で保存されているFatの3番目のカドヘリンドメインのセリンを、リン酸化を受けないアラニンに置換した変異型fatのBACクローンを作製した。このBACクローンを形質転換したトランスジェニックショウジョウバエを作製し、fat突然変異体の表現型を救済できるか調べた。その結果、この変異型fatのBACクローンは、fat突然変異体の致死性を救済したものの、成虫においてfat突然変異体の表現型が観察された。そこで、種間で保存されている残り2箇所のカドヘリンドメインのセリンをアラニンに置換したBACクローンを作製し、同様の実験を行ったところ、3番目のカドヘリンドメインのセリン1箇所に変異を導入した場合と比較して顕著な差はみられなかった。本研究により、Fatの3番目のカドヘリンドメインのリン酸化は、ショウジョウバエにおいてFatの正常な機能発現および正常な発生に必要であることを明らかにした。Fatは細胞外領域にカドヘリンドメインの繰り返し構造を有するが、そのうちのいくつかのカドヘリンドメインに存在する特定の箇所のセリンは、ゴルジ体キナーゼFour-jointedによりリン酸化される。我々はこれまでに、Four-jointedによるFatのカドヘリンドメインのリン酸化は、Fatの機能を調節することを生化学的に明らかにした。本研究では、Fatの生体内での機能発現に必要なカドヘリンドメインのリン酸化部位を同定することを目的とした。fat遺伝子を含む約40 kbのBACクローンは、fat突然変異体が示す増殖および平面細胞極性の異常を救済することができる。そこで、調べた限り全ての動物種間で保存されており、さらにFjの最も良い基質となる3番目のカドヘリンドメインのセリンを、リン酸化を受けないアラニンに置換した変異型fatのBACクローンを作成した。このBACクローンをショウジョウバエ卵にマイクロインジェクションし、形質転換体を得た。このトランスジェニックショウジョウバエがfat突然変異体の表現型を救済できるか交配実験により調べた。その結果、変異型fatのBACクローンは、fat突然変異体の致死性を救済したものの、成虫においてfat突然変異体の表現型が観察された。この結果から、Fatの3番目のカドヘリンドメインのリン酸化は、ショウジョウバエにおいてFatの正常な機能発現および発生に必要であることが分かった。種間で保存されたFatのカドヘリンドメインのセリンは全部で3箇所存在する。3箇所のセリン全てをアラニンに置換したBACクローンの作製およびトランスジェニックショウジョウバエの作出を完了した。現在得られた形質転換体によるfat突然変異体の救済実験を行っている。本研究は、組織の成長と平面細胞極性を制御する非定型カドヘリンFatの構造的特徴である、1)細胞外カドヘリンドメインがゴルジ体キナーゼFour-jointedによりリン酸化されること、2)細胞外に長大なカドヘリンドメインの繰り返し構造を有すること、に着目してその生理的意味を明らかにすることを目的としている。ショウジョウバエを用いたin vivoの実験において、種間で保存されているFatのカドヘリンドメイン3箇所のうち1箇所のセリンにアミノ酸置換を導入したところ、Fatの機能は不完全となった。この結果からFatカドヘリンドメインのセリンのリン酸化は生体内において必要であることが分かった。さらに3箇所全てのセリンをアラニンに置換したBACクローンの作製およびトランスジェニックショウジョウバエの作出が完了し、現在交配実験を行っている。これらの実験により、Fatの細胞外カドヘリンドメインのリン酸化の生理的意味を明らかにしつつあると言える。

また、カドヘリンドメインの数を減らしたFatをショウジョウバエに発現させるためのトランスジェニックショウジョウバエを作出した。これらからin vivoの実験については順調に進展していると自己評価した。一方で、in vitroの実験については、東日本大震災の影響もあり、現在準備中の段階である。以上から、全体として本研究は、おおむね順調に進展していると自己評価した。ショウジョウバエを用いたin vivo救済実験において、3箇所のセリンをアラニンに置換した変異型fatのBACクローンでfat突然変異体の表現型を救済できなかった場合、この変異体fatのBACクローンのアラニンをひとつずつセリンに戻して救済実験を行うことにより、生体内で必要なFatのカドヘリンドメインのセリンを同定する。3箇所のセリンをアラニンに置換した変異型fatのBACクローンでも依然としてfat突然変異体の表現型を救済できる場合、その他のカドヘリンドメインのセリンにも変異を導入する。カドヘリンドメインの数を減らしたFatをショウジョウバエに発現させることにより、生体内で必要なFatのカドヘリンドメインの数を同定する。in vivoあるいはin vitroの実験で明らかにした、Fatの機能を調節するカドヘリンドメインのセリンのうち、最も効果の高いセリンのリン酸化を認識するFatのリン酸化抗体を作製し、発生中のショウジョウバエ組織のFatのカドヘリンドメインのリン酸化の状態を可視化する。組織の成長と平面細胞極性を制御する非定型カドヘリンFatの生理的意味を明らかにすることを目的とした研究を遂行するにあたり、ショウジョウバエを用いた実験のためにショウジョウバエの餌、生化学的実験のために試薬類、プラスチック器具類を物品費(消耗品費)として購入する。抗体作製のためのペプチド合成およびポリクローナル抗体作製費が必要である。結果を取りまとめて成果の発表を行うための旅費が必要である。ショウジョウバエの飼育および交配実験を行う補助者の人件費・謝金が必要である。通信費などのためにその他の経費が必要である。
系統的データ解析による微動・ゆっくり地震と巨大地震発生プロセスの関係解明

国内海外の様々な地域において深部微動および関連現象を分析し、その統計的性質を調べた。これらのカタログはインターネットで公開している。微動とその元となるゆっくりすべりはプレート運動起源であることを確認し、様々な微動の性質と地域ごとの違いを議論した。特に微動の潮汐応答性から摩擦法則が推定可能であることを示した。東北沖地震の分析から、その階層的破壊伝播の様相を明らかにし、同時に過去の地震活動に基づいた階層不均質数値モデルを構築した。世界中の沈み込み帯の地震活動の比較研究を進め、地震発生数、頻度統計とテクトニクス要素の関連があることを突き止めた。本年度はまず世界各地の沈み込み帯で発生している深部テクトニック微動の系統的分析のためにデータサーバーを構築し、連続微動震源決定ツールを用いて微動を推定、その統計的性質を調べた。南海、九州、カスカディア、メキシコ、チリ、ニュージーランドの微動活動の概要をまとめ、すでに四国西部で発見していたのと同様な潮汐応答や移動特性、線状配列が同様に存在することを確認した。またその性質は地域ごとの微動の幅で制限されていることも突き止めた。九州やニュージーランドの微動信号は微弱なので、本当に微動信号であることを確認するために深さの詳細決定を行い地下構造と比較した。南海ではこれまで以上に微動の時空間分布を詳細に推定する手法の開発も行った。内陸の低周波地震活動と沈み込み帯の地震活動の統計的な違いを鳥取県西部、大阪湾、桜島の低周波地震活動の分析を通じて議論した。新しい統計学的な解析手法として離散的トリガリングモデルを開発した。これにより微動の連発性を定量化できることがわかった。東北地方太平洋沖地震の発生を受けて、研究計画を一部変更し、この巨大地震の分析に取り組んだ。経験的グリーン関数法による本震震源のすべりモデルを構築し、これを地震後始めての国際会議である4月の米国地震学会において報告した。それをまとめた論文は5月にサイエンス誌に刊行され、この地震の初めてのレビュー論文であったこともあり、その反響は大きかった。この論文では東北地方太平洋沖地震が4つの段階と2つの側面をもつ現象であったことが指摘し、エネルギーの推定結果や、低角正断層地震の存在、動的モデルシミュレーションにより、この地震では過剰すべりが起きたと提唱した。この地震の奇妙な振る舞いは震源領域に存在する階層的不均質モデルで説明することが可能である。そのプロトタイプモデルを既に論文として公表した一方で、さらに正確なモデルの構築に着手した。世界各地の沈み込み帯で発生している深部微動の系統的分析を進めた。既往研究の地域に追加して、メキシコゲレロ地域、コスタリカ、台湾、九州の臨時観測データを収集し、連続微動震源決定ツールを適用した。既往研究の地域と比較するとゲレロはカスケードと、台湾はメキシコハリスコと似ているなど、様々な地域の微動に共通した傾向があることがあきらかになった。この成果は日本地震学会などで公表した。そのうち九州の微動については論文を出版した。またニュージーランドの微動については温度構造モデリングも含めて解釈し、論文執筆、現在審査中である。様々な地域でのカタログがそろいつつあるのでそれを系統的に定量化する手法としてフラクタルを用いた時定数推定法の開発に着手した。予備解析の結果、微動活動繰返し周期を定量化することに成功した。南海トラフの微動について、地下構造から経験的に伝播特性を取り除く手法を開発し、微動の時空間分布をこれまで以上に詳細に推定することに成功した。四国西部への適用し数日程度のスケールでの微動活動の広がりを明らかにした。また微動と類似の現象である準火山性低周波地震についてその活動様式を微動と比較した。これらの研究から微動が普通の地震および準火山性低周波地震とは異なるメカニズムで発生していることが明らかになった。これらの結果は国内の学会等で公表するとともに一部は論文として公表済みである。巨大地震の破壊過程の研究においては東北地方太平洋沖地震の一見不自然な破壊プロセスを階層的パッチモデルを用いて単純化することに成功した。これは沈み込み帯に長期にわたって存在する凸凹などの構造によって何オーダーにもわたる階層的な不均質構造が維持されていると考えると理解しやすい。そしてこの見方がこれまでに発見されている各種のスケール法則と相性が良いことを明らかにした。この研究は論文として公表済みである。深部微動のエネルギーについて全世界的研究を行った。日本、カスケード、メキシコ、チリの各地域について、サイト増幅特性をコーダ波を用いて規格化し、連続的な微動シグナルに対して地震波エネルギーを推定した。地震モーメントと比較したところ、エネルギー・モーメント比に顕著な空間分布の違いがあることがわかった。この分布様式の違い各地域のゆっくり地震のふるまいの多様性の原因と考えらえる。世界の微動のカタログを作成し、インターネットで無償公開した。カタログは上記4地域に加えて、台湾、ニュージーランド、カリフォルニアを含む。このカタログを用いて微動の継続時間、繰り返し時間、潮汐応答の間に地域的な違いがあることをあきらかにした。ゆっくり地震と比較するために、普通の地震に対するエネルギー・モーメント比のスケーリングの再検討を行った。コーダ波を用いたエネルギー推定コードを開発し、東北地方の繰り返し地震に適用した。今のところ既往研究と調和的な結果が得られている。

東北地方では2011年東北沖地震の階層型パッチモデルを作成し、過去の地震活動をもとに、観測地震動と調和的なパッチモデルを作成可能であることを示した。世界中の沈み込み帯で発生する繰り返し地震を探索し、その地域的特徴を定量化した。定常地震活動度をETAS法を用いて推定したところ、沈み込み帯のプレート運動速度と地震活動度の間に明瞭な正の相関を得た。但し巨大地震とゆっくり地震の発生する沈み込み帯ではプレート運動速度から期待されるほどの地震は発生していないこともわかった。地震活動度と将来の地震リスクには負の相関があるかもしれないという重要な結論を得た。これらの研究成果は論文としてまとめるとともに、日本地球惑星科学連合大会、アジアオセアニア地球科学会議、日本地震学会、米国地球物理学会等で公表し議論を行った。世界の微動のエネルギーについて、日本、カスケード、メキシコ、チリで微動のエネルギー推定結果に基づいて、微動の空間的不均質性がゆっくり地震全体の活動を支配するモデルを提案した。微動カタログをもとに超低周波帯域の地震波をスタックし、地域ごとにメカニズムを推定する手法を開発した。この手法を西日本全域に適用し、メカニズムと平均的な地震モーメントの空間分布を作成した。メカニズム解は地下のプレート形状とよく一致し、この手法が地下のプレート境界の詳細構造を推定するのにも役立つことがわかった。予想しなかった発見として、微動と潮汐の強い相関関係が西日本で発見された。これは地下で非線形な摩擦則に従う非定常すべりが起きていることを意味し、より長期の地震活動がその影響を受けている可能性が高い。世界の沈み込み帯の地震活動の比較研究として、グローバル地震カタログを用いてグーテンベルグ・リヒター則のb値の推定したところ、各地域に沈み込むプレートの年代と顕著な相関が得られた。これはプレートの浮力が地震活動に影響していることを示唆する。東北地方太平洋沖地震の発生領域において、くりかえし地震の地震波エネルギーを推定する手法を開発した。これまで一つの場所についてしか適用できなかった手法を、プレート境界全体に適用可能なものに拡張した。これを用いて東北地方太平洋沖地震の発生前後におけるエネルギー変化について予備的結果を得た。一般には公開されていないメキシコと台湾の定常観測データを、入手しデータベースに取り込み、微動検出の予備解析を行った。それ以外にも新しいデータを既往研究地域に追加した。上記研究の成果は論文として出版するとともに、研究代表者及び指導学生たちと共に日本地球惑星科学連合大会、アジアオセアニア地球科学会議、日本地震学会、米国地球物理学会等に参加し議論を深めた。微動を元に超低周波帯域でのメカニズムを推定する手法を、台湾に適用した。同地域ではこれまで微動は鉛直に近い震源で発生すると考えられてきたが、本研究によって他地域と同様な沈み込みプロセスの方がもっともらしいことが明らかになった。この成果は同地域での複雑なテクトニクスを理解するうえで重要な手がかりとなる。また同様の手法をメキシコ、カスケードに適用し予備的な結果を得ることに成功している。
刺激応答性高分子ゲルを用いた光反応ダイナミックスの精密制御

本研究においては、近赤外レーザー光(1064nm)の照射によりレーザー誘起相転移を示すマイクロメートルサイズのポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)(PNIPAM)ゲルを光反応制御のための環境場として用い、その親水・疎水的環境や、物質透過性を近赤外レーザー光によって制御し、そこで生起する光反応ダイナミックスを精密に制御する方式を確立することを目的としている。平成7年度は、熱モード、光-熱モード、光圧モードなど、様々なモードによってPNIPAMの相転移を制御し、ゲル中の蛍光プローブの発光スペクトルやダイナミックスに関する計測を行いそのミクロ環境変化について検討を加えた。1-アニリノナフタレン-8スルホン酸(ANS)は、微視的な極性変化に応答する蛍光プローブである。このANSを含む水溶液中で微小PNIPAMゲルのレーザー誘起相転移にともなうANSの蛍光スペクトル変化を観測したところ、熱モードの場合には収縮した部位から475nmに発光極大を持つ蛍光スペクトルが観測された。一方、光-熱モードの場合には470nmに発光極大を持つ蛍光スペクトルが観測され、熱モードと比較してより疎水的な環境が形成していることが明らかとなった。また、通常ミクロ環境変化に対して蛍光寿命がほとんど影響を受けないとされているロ-ダミンBを含む水溶液中において、PNIPAMゲルの相転移を行ったところ、熱モード、光-熱モード、光圧モードいずれの場合もロ-ダミンBの蛍光寿命が膨潤時よりも短くなり、収縮したゲル中の水の構造は、膨潤時の水の構造とは異なることが示された。
安居院流を中心とする中世唱導文芸と仏事法会に関する研究

本研究では、安居院流を中心とする中世の唱導文芸と仏事法会に関する資料の発掘と調査研究を試みた。その研究実績の概要は以下の通り。1.安居院流の唱導文芸資料の調査と収集:本研究で調査できた寺院・図書館は仁和寺・三千院・西教寺・仙岳院・叡山文庫・真福寺大須文庫・善通寺・太山寺・教信寺・鶴林寺等々である。関西の寺院を中心に北は東北から南は四国まで広範にわたる調査を逐行することができた。また三千院の六道講釈、仁和寺の小冊子、真福寺大須文庫の法則集、善通寺の諸流物語、仙岳院の台嶺真珠集、叡山文庫の唱導抄等々、従来その存在を知られていなかった貴重な資料を多く発見することができた。2.現行の仏事・法会の実態調査と関連資料の調査・収集:現行の仏事・法会で調査できたのは日吉大社の礼拝講・毛越寺の修正会・六道珍皇寺、西福寺の万灯会等々である。法会は年中行事として日程が決まっているため、あらかじめ計画しておかないと公務との兼ね合いをはじめ、なかなか実地調査することが難しく、予定通り果たせない面が多い。3.研究資料の整備:上記1・2で収集した資料を将来の研究の発展に備え、信頼できるテキストを確定すべく、その一部を活字翻刻で紹介しつつある。4.安居院流の唱導流派としての実態の調査研究:唱導流派としての安居院についてまずその始祖というべき澄憲についての詳細な年譜と言泉集を中心とした著述リストを作成した。5.安居院流の唱導文芸と他のジャンルとの交渉及び比較研究:安居院が影響を受けた平安朝の願文・表白について主に大江匡房の願文集の注釈研究を中心にそれと澄憲の作品との影響関係について研究を進めた。安居院の与えた影響については主に平家物語を中心に進めているが時間が足りず今後も継続的に作業を進めていく予定である。関西の寺院を中心に北は東北から南は四国まで広範にわたる調査を遂行することができた。また三千院の六道講釈、仁和寺の小冊子、真福寺大須文庫の法則集、普通寺の諸流物語、仙岳院の台嶺真珠集、叡山文庫の唱導抄等々、従来その存在を知られていなかった貴重な資料を多く発見することができた。4.安居院流の唱導

流派としての実態の調査研究:唱導流派としての安居院についてまずその始祖というべき澄憲についての詳細な年譜と言泉集を中心とした著述リストを作成した。5.安居院流の唱導文芸と他のジャンルとの交渉及び比較研究:安居院が影響を受けた平安朝の願文・表白について主に大江匡房の願文集の注釈研究を中心にそれと澄憲の作品との影響関係について研究を進めた。安居院の与えた影響については主に平家物語を中心に進めているが時間が足りず今後も継続的に作業を進めていく予定である。
電力システムの超電導変成・限流遮断に関する研究

本研究の超電導事故電流限流・変成器の構成としては、(イ)S/N転移による抵抗発現を原理とした無誘導性の超電導体を回路に直列に入れるもの、(ロ)超電導変流器構成であってその二次巻線を常時短絡し、通常時のリアクタンスをほぼ零にしたもの、また、(ハ)超電導変圧器構成であって一次・二次巻線に安定度の高い保護コイルを付加したもの、など三種類を考えている。(1)昭和62年度から研究を進めている構成(イ)については、無誘導巻線における漏れリアクタンスの最小化構成法について有限要素法解析により検討し、かつ小形の常電導モデル装置でその妥当性を検証した。また、高温超電導バルク材の限流機能にも着目して実験し、その研究の発展性を明らかにした。(2)構成(ハ)の四巻線限流変成器について基礎研究を重ね、有限要素解析やその他の解析的方法により、一定の設計方法を確立した。また同時にこれらの解析から、クエンチ過程や励磁突入時の器内の電磁気的挙動を明らかにし、構成(ハ)の特徴的現象を解明した。(3)上の解析に基づいて、通常時における二巻線間の分流を最小にする設計手法を適用して、今後試作する10kVA変成限流器を設計した。この10kVA器の製作のため、鉄心の加工、巻線の枠組作成に現在入っている段階である。(4)構成(ロ)や(ハ)の変成限流器に使用する交流用超電導線を開発試作した。また、その線材特性や今後開発する限流器の特性試験のために、三重槽のガラスデュワ(委任経理金から支出)を設計製作した。以上の中で未だ完成していない実験があるが、今後継続して行く装置等は備えられたと思われるので、多くの成果が期待できよう。
バンドエンジニアリングで実現する世界最高効率Inフリー化合物薄膜太陽電池の開発

本研究では,希少元素Inや毒性元素Seを含まない4元系材料Cu2(Sn,Ge)S3に着目した。Cu2(Sn,Ge)S3薄膜の作製技術の確立とともに最適なデバイス作製技術を検討し,Inフリー化合物を用いた高効率薄膜太陽電池の実現を目指して,以下の取り組みを行った。1.Cu2(Sn,Ge)S3薄膜の作製技術の確立Cu,Sn,Ge,Sの同時蒸着装置を用いて,様々なGe組成を持ったCu2(Sn,Ge)S3薄膜の製膜条件の検討を行った。基板温度300度,硫黄セル温度150度(クラッキング温度800度)下で,Cuセル温度10501100度,Snセル温度920985度,Geセル温度11101215度において,組成比Cu/(Sn+Ge)=0.962.73,Ge/(Sn+Ge)=0.140.67のCu2(Sn,Ge)S3系薄膜が得られ,セル温度の制御によるGe/(Sn+Ge)組成比の制御条件を明らかにした。2.Na添加による太陽電池の高効率化Naフリーガラス基板(EAGLE XG)を用いて,Na添加の影響について調査した。Cu2SnS3同時蒸着膜にNaFを積層し,熱処理をすることによって結晶成長を行い,得られたCu2SnS3薄膜を用いてGlass/Mo/Cu2SnS3/CdS/ZnO:Al/Al構造の太陽電池を作製し,光起電力特性を評価した。Na添加しなかった試料と比較して,僅かにNa添加した試料は,結晶粒径が著しく増大し,光起電力特性が向上するが,Naの過剰な添加は異相を生じ,光起電力特性が低下するため,添加量の最適値があることを明らかにした。また,Cu2GeS3薄膜においてもCu2SnS3系と同様にNa添加しなかった試料と比較して,Na添加した試料において光電変換特性が向上することを見出した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では,従来のカルコパイライト系化合物太陽電池材料のCu(In,Ga)(S,Se)2に代わる光吸収層材料として,希少元素Inや毒性元素Seを含まない4元系材料Cu2(Sn,Ge)S3に着目し,Cu2(Sn,Ge)S3薄膜の作製技術の確立と物性解明による材料開発とともに,Ge組成制御によるバンドエンジニアリングを用いて最適なデバイス構造を検討し,Inフリー化合物を用いた高効率薄膜太陽電池光の実現を目指している。今年度は,特にバルク試料を用いたCu2(Sn,Ge)S3物性評価とCu2(Sn,Ge)S3薄膜及び太陽電池素子の作製に取り組み,以下の成果を得た。1.石英管中にCu,Sn,Ge,Sを所定の組成比で真空封入し,加熱・反応・溶融によってCu2(Sn,Ge)S3バルク結晶試料の合成を行い,結晶構造,光学的特性の測定から構造やバンドギャップのGe/(Ge+Sn)組成比依存性を調べ,Ge組成を変化させることでバンドギャップをEg=0.861.53 eVに制御できることを明らかにした。2.同時蒸着法により作製された平滑で緻密なCu2SnS3薄膜を前駆体(プリカーサ)膜として用いて,GeS2とともに加熱し,SnとGeの置換によって緻密・大粒径な高品質Cu2(Sn,Ge)S3薄膜の作製を目指して,作製条件の検討を行った。プリカーサ組成やGeS2とともに加熱する際の温度・時間など,作製プロセスにおける各パラメータによってGe/(Sn+Ge)組成比の異なるCu2(Sn,Ge)S3薄膜を得られることを明らかにした。3.作製したCu2(Sn,Ge)S3薄膜を用いてCdSバッファ層とのヘテロ接合太陽電池を作製し,組成比Cu/(Sn+Ge)<2において比較的良好な光電変換特性が得られ,Ge/(Sn+Ge)=0.14の試料において,開放電圧Voc=0.292 V,短絡電流密度Jsc=29.3 mA/cm2,曲線因子FF=0.402,変換効率PCE=3.43%を得た。本材料のバルク試料の作製と構造・光学特性評価から,バンドギャップEgのGe/(Ge+Sn)組成比依存性を調べ,組成比Ge/(Ge+Sn)=0.01.0に対して,Eg=0.861.53 eVと連続的に変化し,Ge組成を変化させることでバンドギャップを制御できることを明らかにした。また,同時蒸着Cu2SnS3プリカーサ薄膜薄膜の緻密化・結晶の大粒径化に取り組み,高品質な薄膜を得る作製条件の検討を行った。同時蒸着法により作製したCu2SnS3薄膜やCu2S薄膜を前駆体(プリカーサ)薄膜として用いて,GeS2とともに加熱し,SnとGeの置換によって緻密・大粒径なCu2(Sn,Ge)S3薄膜の作製条件の検討を行い,Cu2(Sn,Ge)S3薄膜を得ることに成功した。

組成比Ge/(Sn+Ge)=0.14, 0.66, 1.0とGe組成の異なる試料の作製できたが,本方法では,プリカーサの組成,熱処理時のGeS2の仕込み量,熱処理温度,時間等の多くのパラメータに依存して得られる試料の組成が変化し,Cu2(Sn,Ge)S3試料のGe/(Sn+Ge), Cu/(Sn+Ge)組成比を狙って制御することが困難であることも明らかとなった。今後,組成の制御方法について検討する必要がある。本研究では,従来のカルコパイライト系化合物太陽電池材料のCu(In,Ga)(S,Se)2に代わる光吸収層材料として,希少元素Inや毒性元素Seを含まない4元系材料Cu2(Sn,Ge)S3に着目した。Cu2(Sn,Ge)S3薄膜の作製技術の確立と物性解明による材料開発とともに,Ge組成制御によるバンドエンジニアリングを用いて最適なデバイス構造を検討し,Inフリー化合物を用いた高効率薄膜太陽電池光の実現を目指して,以下の課題に取り組んだ。1.蒸着装置にGe蒸発源として新規にKセルを追加し,Cu,Sn,Ge,Sの同時蒸着を可能とする装置改良を行い,Ge/(Ge+Sn)組成比をGeセル温度,Snセル温度によって制御し,緻密なCu2(Sn,Ge)S3薄膜の作製ができる環境を構築した。また,作製したCu2(Sn,Ge)S3系薄膜のうち,特にベースとなるCu2SnS3薄膜において,同時蒸着製膜後の熱処理時にNaを薄膜に添加することによって,Cu2SnS3薄膜の結晶成長が促進され,結晶粒径が大幅に増大することを明らかにした。2.Cu2(Sn,Ge)S3薄膜太陽電池の太陽電池特性に対するGe組成依存性の解明に向け,異なるGe組成を持つ試料を用いて太陽電池素子を作製し,光起電力特性を評価した。作製したCu2(Sn,Ge)S3系薄膜のうち,特にベースとなるCu2SnS3薄膜において,太陽電池特性に大きく影響をする因子として,ガラス基板からのNa拡散や外部からのNa添加のによる光電変換特性の向上を明らかにし,Cu2(Sn,Ge)S3薄膜太陽電池の高効率化のための新たな指針を得た。現在までに,Cu2(Sn,Ge)S3薄膜太陽電池の太陽電池特性に対するGe組成依存性の解明に向け,異なるGe/(Ge+Sn)組成比を持つ試料を作製し,光起電力特性を報告してきた。蒸着装置にGe蒸発源として新規にKセルを追加し,Cu,Sn,Ge,Sの同時蒸着を可能とする装置改良を行い,Ge/(Ge+Sn)組成比をGeセル温度,Snセル温度によって制御し,緻密なCu2(Sn,Ge)S3薄膜の作製ができる環境を構築した。また,作製したCu2(Sn,Ge)S3系薄膜のうち,特にベースとなるCu2SnS3薄膜において,同時蒸着製膜後の熱処理時にNaを薄膜に添加することによって,Cu2SnS3薄膜の結晶成長が促進され,結晶粒径が大幅に増大するとともに光電変換特性が向上することを明らかにし,Cu2(Sn,Ge)S3薄膜太陽電池の高効率化のための新たな指針を得た。本研究では,希少元素Inや毒性元素Seを含まない4元系材料Cu2(Sn,Ge)S3に着目した。Cu2(Sn,Ge)S3薄膜の作製技術の確立とともに最適なデバイス作製技術を検討し,Inフリー化合物を用いた高効率薄膜太陽電池の実現を目指して,以下の取り組みを行った。1.Cu2(Sn,Ge)S3薄膜の作製技術の確立Cu,Sn,Ge,Sの同時蒸着装置を用いて,様々なGe組成を持ったCu2(Sn,Ge)S3薄膜の製膜条件の検討を行った。基板温度300度,硫黄セル温度150度(クラッキング温度800度)下で,Cuセル温度10501100度,Snセル温度
大規模なマイクロマグネティクス解析による超高密度垂直磁気記録用単磁極ヘッドの研究

垂直磁気記録技術のなかで重要な構成要素となる単磁極ライトヘッドに焦点を絞り,動的なマイクロマグネティクス磁化解析シミュレーションにより記録ヘッド内部の動的な磁化変化および記録磁界分布を解析し, 1平方インチあたり2テラビット以上の面記録密度を実現する単磁極ヘッドの提案を行った.なお,解析を行う際,垂直磁気記録ヘッドおよび垂直2層媒体を考慮した系全体を扱うことを特徴としている.垂直磁気記録技術のなかで重要な構成要素となる単磁極ライトヘッドに焦点を絞り,動的なマイクロマグネティクス磁化解析シミュレーションにより記録ヘッド内部の動的な磁化変化および記録磁界分布を解析し, 1平方インチあたり2テラビット以上の面記録密度を実現する単磁極ヘッドの提案を行った.なお,解析を行う際,垂直磁気記録ヘッドおよび垂直2層媒体を考慮した系全体を扱うことを特徴としている.1.PCクラスタ計算機の導入垂直磁気記録単磁極ヘッドおよび垂直2層媒体を考慮した3次元空間の系全体を扱うため,大規模な計算を高速に実行する計算機を導入した.すなわち,32ビットCPUの計算機を8台購入し,申請者がPCクラスタシステムを組み上げた.2.LLG解析ソフトウェアの書き換え現有のC++プログラムを数値解析で実績があるFORTRANにプログラムを書き換えた上で,上記1.のPCクラスタシステムで並列処理が行えるものとした.さらに,アルゴリズムの工夫や計算機ごとの計算負荷の均一化により,計算速度を当初比の30倍とした.3.高速化と省メモリ化マイクロマグネティクス計算で最も計算時間を要する箇所は静磁界計算である.これは全てのセル同士で総当りの演算を行うため,演算回数はセルの2乗に比例する.よって,従来の直接法を用いては並列計算によっても実用レベルは実現し難い.一方,記録ヘッドの構造は周期境界条件を与えられないので,高速フーリエ変換(FFT)を導入し難いとされていた.ここでは工学院大学の吉田先生の協力を得て,FFTを用いたアルゴリズムを導入し,さらに,並列化プログラミングを実施した.これにより,演算回数はNlog_2Nとすることができ,たとえば10nmセルを用いた計算では当初と比べ4800倍の速度を得た,同時にゼロパッディングの領域を適当に選択することによって省メモリ化を図り,当初比約1/3のメモリ使用量を実現した.4.計算システムの妥当性の検証旧来の有限要素法では求め得なかった,記録電流に対する記録磁界の遅れを,いろいろな材料特性と構造について求めた.今後はいろいろなソフトウェアとの比較を行うとともに,ビットパターン媒体への記録などを検討する予定である.5.その他得られた記録ヘッド磁界を用い,東北大学の協力により種々の特性を持つ媒体残留磁化の計算を行った.目標1.計算の高速化(10倍以上)と省メモリ化(50%以下)成果:研究の本質的な課題ではないが、計算速度の向上は研究を進める上で最重要課題のひとつである。前年度に構築したシステムで実行時間を分析したところ、CPU時間と通信時間がほぼ半分ずつであった。アルゴリズム改良により25%の高速化(CPU時間)を図り、また、INTEL CORE2 DUOを使用しCPU時間を約1/3とした。しかし、実行速度を上げるためには、通信時間の削減が必須であり、高価なハブとネットワークカードが必要である。今後はメモリ共有型計算機を含めたシステムの見直しを行うことにした。使用メモリはアルゴリズム変更により約25%削減した。目標2.計算結果の妥当性検証成果:ウィーン工科大学が公開するマイクロマグネティック解析ソフトウェア(MAGPAR)は平成19年11月に新しいバージョン(v.0.7)が公開された。磁気ヘッド解析用に改良し、単純化した記録ヘッドの静磁界計算が可能となった。得られた結果は、現有ソフト、MAXWELL方程式を解く有限要素計算と一致することが分かった。今後は動的計算の検証が課題である。目標3.パターンド媒体への書き込みを検討すること成果:動的計算により得たヘッド磁界の反転速度とビットパターン媒体のドット位置に対する考察を行った。その結果、1-2Tbit/in^2程度の比較的低い記録密度でもヘッド磁界の反転速度のほかに記録勾配が重要な因子であることが分かった。ヘッド磁界の反転速度向上には、磁性材料の制動定数を適当に選択することが特に重要であり、異方性定数に依らないこと、電流の立ち上がり速度を速く、オーバーシュートを加えることが有効であることを明らかにした。その他、マイクロマグネティック解析によるヘッド磁界計算に加え、媒体の残留磁化計算も共同研究として行い、多くの成果発表を行った。2.ウィーン工科大学が公開するマイクロマグネティクスソフトウェア(MAGPAR)を記録ヘッド解析用に書き換え,動磁界解析が可能となった.ただし,ハードウェアの負担が大きく,巨大なシステムが必要であることが判明した.また,国内の磁気記録産業に関わるメーカーが所有するソフトウェア,MAGPAR,および我々の所有するソフトウェアの結果を比較し,得られた記録磁界(記録磁界強度,時間変化)が良好に一致することを確認した.3.メモリ共有型計算機(Intel i7, 2. 66GHz, 4core, 12GB RAM)上でマイクロマグネティクス解析ソフトウェアを並列化し,最適化を図った.その結果,平成19年度まで使用してきたクラスタシステム(Intel Pentium4,3.0GHz,8-CPU, 4GB RAM×8)の8.6倍の速度を得た.

また,消費電力は1/10程度となり,グリーンITの思想とも合致する.さらに,1.5倍程度の大規模計算が可能となり,当初の目的をはるかに上回る成果を得た.(上記の2.とあわせ国際会議論文投稿中,フルペーパー投稿予定)
深部地下環境における物質移動に関するナチュラルアナログ研究

高レベル放射性廃棄物(HLW)処分に係わる様々な岩相を分析した結果、多くの変質帯において、天然類似元素の濃集を示した。天然類似元素は、地層中に存在するランタノイド(Ln)及びウラン、トリウムであり、HLW中の放射性物質と化学的性質が近似である。地下水等に伴いHLWから人工バリアを経て移行した放射性物質が天然の地層中に拡散するが、このような変質帯との相互作用によって、変質帯中に取り込まれ、地層中に保持され、生活環境へ到達するまでの遅延効果が期待できるものと思われる。我が国では、高レベル放射性廃棄物(HLW)は安定な形態(ガラス固化体)に固化し、最終的に地下300メートルより深い地層中に処分する、いわゆる地層処分を基本方針としている。地層処分に際しては、人工バリアと天然バリアから成る多重バリアシステムを採用する方針である。ナチュラルアナログは、人間が限られた時間で行なう実験室試験と比べて、自然が長い時間をかけた総合的実験であり、両者は相補的関係にある。即ち、ナチュラルアナログ研究は数十万年にも及ぶタイムスケールで安全性を確保する必要があるHLW処分にとって、将来を精度よく予測する上で必要不可欠な研究手法と言える。平成20年度では、先ず東濃地域ウラン鉱床群の基盤岩である白亜紀の土岐花崗岩の変質部及び断層部について、アナログ元素(U、Th、ランタノイド(Ln)等)の分布と挙動を把握し、ナチュラルアナログの視点から評価した。その結果、次の知見が得られた。(1)熱水変質部においては、化学的風化部と同様に、炭酸塩鉱物と粘土鉱物の二次鉱物の生成が確認できた。しかし、風化部と大きく異なることとして、一部試料において曹長石の生成を示した。これは、熱水変質による曹長石化作用を表しているものと考えられる。また、断層部においては、石英以外の殆どの鉱物が溶脱を示したが、炭酸塩鉱物の二次的な生成が認められた。(2)熱水変質部と断層部において、殆どのLn等微量元素が減少を示した。これは、熱水による影響が考えられる。(3)熱水変質部の曹長石化作用を示した試料において、La、Ce、Nd、Hf、Th及びUの濃集を示した。これらの元棄は、曹長石化によって取り込まれたものと思われる。(4)熱水変質部で唯一Feの増加を示した試料において、Uの増加を示した。この試料は、還元的な環境に移った可能性があり、その過程で黄鉄鉱が生成され、Uが濃集した可能性がある。これは、一部の風化部と同様である。高レベル放射性廃棄物(HLW)は、数万年という長い年月にわたって、非常に高い放射能レベルを有する。このHLWの処分方法として、我が国では地層処分が採用された。この地層処分によって、処分後から数千年間は人工バリアによって、その後数万年間は天然バリア(地層)によって、HLW中に含まれる放射性物質を保持することを想定している。処分を計画している地層深くは、酸素濃度が低く、地下水の流速も遅いため、HLWの処分に対して有効であると判断されている。しかし、実際の天然の地層中には、多数の割れ目が存在しており、また、その割れ目には様々な変質を受けている場合がある。HLWから移行した放射性物質が、割れ目や岩石粒子間中を移行した際、このような変質帯の存在が、放射性物質の移行にどのような影響をもたらすかは、明確にはわかっていない。そこで、本研究(平成21年度)では、天然の地層(堆積岩)中に存在する変質帯等の様々な岩石を採取し、HLWに含まれる放射性核種(マイナーアクチノイド:MA)と化学的性質が類似している天然類似元素(ナチュラルアナログ元素)の存在形態を解明し、長期間、どのような環境において、どのような挙動を示してきたかを理解することによって、HLWに含まれるMA(主にAmやCm)が将来どのような挙動を示すか評価することを目的とした。土岐花崗岩上面に形成された堆積岩中の様々な変質帯から採取した試料を中性子放射化分析等を用いて分析した結果、多くの変質帯において、天然類似元素の濃集を示した。その濃集の要因としては、変質帯に二次的に生成または充填したFe鉱物、炭酸塩鉱物及び粘土鉱物等の存在が、これら天然類似元素の保持に貢献していることが判明した。これらの変質帯は、天然の地層中の割れ目や岩石粒子間中に広く存在している。地下水等に伴いHLWから人工バリアを経て移行した放射性核種(MA等)が天然の地層中に拡散するが、このような変質帯との相互作用によって、変質帯中に取り込まれ、地層中に保持され、生活環境へ到達するまでの遅延効果が期待できることが示唆された。

平成22年度では、日本原子力研究開発機構(JAEA)における瑞浪超深地層研究所から深度300mステージにある、地下水水質観測ボーリング孔の東濃土岐花陶岩を用いて、X線蛍光分析法(XRF)により主要元素の定量を、X線回折分析法(XRD)により主要鉱物を同定した。それらのデータを用いて岩石の透水性と割れ目の多寡の関係でどのような鉱物が生成するのかを解明した。これによって、透水性と鉱物分布の相関性を把握し、マイナーアクチノイド(MA)等の放射性核種の挙動の解明に資することを目的とした。その結果、以下の重要な知見を得た。(1)健岩部と風化部での鉱物分布の違いをみると、主に風化部では方解石及び緑泥石が高いX線相対強度(XRD)を示し、またカオリナイトや一部でモンモリロナイトの存在を確認できた。したがって、健岩部と比べて粘土鉱物がより多く生成されていることが確認できた。(2)透水性と鉱物分布の相関性は、加水分解によって生成されるモンモリロナイト、カオリナイト及び緑泥石等の鉱物が生成されている部分においては、これらの鉱物が確認できていないところと比べて、水が岩石中を多く流れていたと考えられるので透水性が高いと言える。健岩部と風化部の鉱物分布の違いから、風化部は健岩部よりも透水性が高いことが示唆された。(3)本研究により、MAなどの放射性物質は粘土鉱物に保持されることが示唆されており、多くの粘土鉱物の存在が確認できた風化部では、MAなどの放射性物質が保持されるのではないかと予測される。