hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
NKT細胞依存性炎症反応及び抗腫瘍活性に対する核内受容体LXRの影響

本年度は、NKT細胞の機能におけるLXRの影響をさらに詳細に検討するためにNKT細胞の主要な機能である抗腫瘍活性を評価した。1、野生型またはLXRα/βダブル欠損マウスの肝臓より免疫細胞を単離し、カルセイン標識したNK細胞非感受性マウスT細胞リンパ腫であるEL-4細胞またはNK細胞感受性Yac-1細胞との共培養を行い、培地中に放出されたカルセインの蛍光を検出することによりキラー活性を評価した。その結果、LXRα/βダブル欠損マウスにおいてEL-4細胞に対するキラー活性は減少したが、一方Yac-1細胞に対する活性は野生型と差を認めなかった。2、野生型またはLXRα/βダブル欠損マウスにEL-4細胞を尾静脈投与し経過を観察した。その結果、野生型またはLXRα/βダブル欠損ともに投与28日後より生存率の低下および肝臓やリンパ節への腫瘍転移を認めた。両マウスを比較したところ、LXRα/βダブル欠損において有意に生存率が低下し、また、投与28日後において肝転移腫瘍数、肝重量および脾臓重量の顕著な増加を認めた。肝組織の観察を行った結果、LXRα/βダブル欠損において門脈周囲への多数の腫瘍細胞または免疫細胞の浸潤が認められた。以上の結果から、LXRα/βダブル欠損マウスにおいて抗腫瘍活性が顕著に減少することが明らかとなった。EL-4細胞投与による肝転移はNKT細胞リガンド投与によって阻害されることから、LXRα/βダブル欠損マウスにおけるNKT細胞減少が抗腫瘍活性低下の一因となる可能性が示された。また、LXRα欠損マウスへの高脂肪および高コレステロール食付加による肝障害モデルにおける肝Kupffer細胞/マクロファージおよびNKT細胞の機能障害に関する論文をEndocrinology誌に発表した。昨年度に引き続き、NKT細胞の機能に対するLXRの影響を検討した。本年度はNKT細胞のサイトカイン産生以外の主な機能である抗腫瘍活性の評価系をin vitroおよびin vivoにおいて構築した。野生型およびLXRα/βダブル欠損マウスを比較した結果、LXRα/βダブル欠損において腫瘍細胞の肝転移増加および生存率の減少、肝臓免疫細胞のキラー活性の低下を認め、同マウスにおいてNKT細胞が減少する知見と相関する結果が得られた。また、現在EL-4肝転移に対するNKT細胞リガンドの抑制作用をLXRα/βダブル欠損マウスに対し検討し、NKT細胞依存性を確認しているところである。以上、本年度の課題である「NKT細胞誘導性抗腫瘍活性に対するLXR活性化または欠損の影響」を達成し、腫瘍免疫におけるLXRの明確な重要性を見出せたことから、昨年に引き続き研究計画はおおむね順調に進展していると判断した。本年度までの検討より、LXRがNKT細胞の機能維持に必要であることが示されたことから、次年度ではLXRのNKT細胞の機能制御メカニズムを検討するため、以下の実験を実施する。1、生後4週から6週の野生型およびLXRα/βダブル欠損マウスにおけるNKT細胞分布をフローサイトメトリーを用いて評価する。NKT細胞マーカー以外にAnnexin Vや7-AADなどのマーカーも併せて用いることにより増殖および細胞死への関連性を検討する。2、野生型-LXRα/βダブル欠損間の骨髄移植を実施し、NKT細胞の分化、成熟過程への関連性を検討する。以上の検討を行い、一定の結果が得られた時点で論文作成に着手する。本研究課題は研究代表者による先行研究によって得られた核内受容体liver X receptor(以下LXR)欠損マウスの肝臓においてナチュラルキラーT(以下NKT)細胞が顕著に減少するという知見に基づき、NKT細胞依存性炎症反応や抗腫瘍活性に対するLXRの影響を解析することを目的とする。今年度はNKT細胞活性化に対するLXR活性化およびLXR欠損の影響を検討した。1、野生型またはLXRα/βダブル欠損(以下LXR欠損)マウスにコンカナバリンA(以下Con-A)を尾静脈投与後、継時的に採血を行い血中トランスアミナーゼ値およびサイトカイン濃度を測定した。その結果、予想に反し肝障害はLXR欠損マウスにおいて増悪しトランスアミナーゼ値の増加を認めた。血中サイトカイン値を測定したところ、Con-A投与後誘導されるIL-4はLXR欠損マウスにおいて有意に減少していたのに対し、IFN-γはLXR欠損マウスにおいて顕著に増加した。2、野生型マウスより肝臓免疫細胞を単離し、LXRアゴニストを添加後NKTリガンドであるα-ガラクトシルセラミド(以下α-GalCer)で刺激し、NKT細胞活性化に対するLXR活性化の影響を検討した。リアルタイムPCRを用いてIl-4またはIfng発現を評価したところ、α-GalCer誘導性サイトカイン発現に対しアゴニストの効果は認められなかった。以上の結果から、まずCon-A投与の検討から、LXR欠損マウスにおいてNKT細胞依存性のIL-4産生は減少するが、その代償としてT細胞など別の免疫細胞が活性化しIFN-γ産生が亢進した可能性があり、LXR欠損によるNKT細胞減少が肝障害に対する応答性に多大な影響をもたらすことが示された。また、in vitroの検討により成熟したNKT細胞の活性化に対しアゴニストによるLXRの活性化は影響しないことが明らかとなった。先行研究により、LXR欠損マウスの肝臓においてNKT細胞が顕著に減少し、α-GalCerに対する応答性を消失することを見出した。

昨年度は別の肝障害モデルであるCon-A投与モデルを用いてLXR欠損の影響を検討した結果、LXR欠損マウスは肝障害は増悪するにも関わらず血中IL-4の顕著な産生低下を認めた。肝臓におけるIL-4産生は主にNKT細胞が担うことから、複数の肝障害モデルを用いてLXR欠損によるNKT細胞の機能低下を示すことで昨年度の課題を達成できた。一方、予想に反し同モデルにおいてIFN-γ値は顕著な増加を認めた。これはNKT細胞など肝臓に存在する複数の免疫細胞の恒常性がLXR欠損により障害され、代償的にT細胞などの細胞が活性化した可能性が示唆された。NKT細胞の減少が別の細胞の応答性に多大な影響を及ぼす興味深い結果を得た。次に、培養した肝免疫細胞においてα-GalCer刺激に対し、アゴニストによるLXRの活性化は影響しない結果を得たことから、成熟したNKT細胞の活性化、サイトカイン産生にLXRの活性は必要ではないことを明らかにした。以上、昨年度の検討により、研究課題の第一の課題である「NKT細胞誘導性炎症モデルによるLXR活性化または欠損の影響」の検証を達成したことから、研究計画はおおむね順調に進展していると判断した。本年度は、NKT細胞の機能におけるLXRの影響をさらに詳細に検討するためにNKT細胞の主要な機能である抗腫瘍活性を評価した。1、野生型またはLXRα/βダブル欠損マウスの肝臓より免疫細胞を単離し、カルセイン標識したNK細胞非感受性マウスT細胞リンパ腫であるEL-4細胞またはNK細胞感受性Yac-1細胞との共培養を行い、培地中に放出されたカルセインの蛍光を検出することによりキラー活性を評価した。その結果、LXRα/βダブル欠損マウスにおいてEL-4細胞に対するキラー活性は減少したが、一方Yac-1細胞に対する活性は野生型と差を認めなかった。2、野生型またはLXRα/βダブル欠損マウスにEL-4細胞を尾静脈投与し経過を観察した。その結果、野生型またはLXRα/βダブル欠損ともに投与28日後より生存率の低下および肝臓やリンパ節への腫瘍転移を認めた。両マウスを比較したところ、LXRα/βダブル欠損において有意に生存率が低下し、また、投与28日後において肝転移腫瘍数、肝重量および脾臓重量の顕著な増加を認めた。肝組織の観察を行った結果、LXRα/βダブル欠損において門脈周囲への多数の腫瘍細胞または免疫細胞の浸潤が認められた。以上の結果から、LXRα/βダブル欠損マウスにおいて抗腫瘍活性が顕著に減少することが明らかとなった。EL-4細胞投与による肝転移はNKT細胞リガンド投与によって阻害されることから、LXRα/βダブル欠損マウスにおけるNKT細胞減少が抗腫瘍活性低下の一因となる可能性が示された。また、LXRα欠損マウスへの高脂肪および高コレステロール食付加による肝障害モデルにおける肝Kupffer細胞/マクロファージおよびNKT細胞の機能障害に関する論文をEndocrinology誌に発表した。昨年度に引き続き、NKT細胞の機能に対するLXRの影響を検討した。本年度はNKT細胞のサイトカイン産生以外の主な機能である抗腫瘍活性の評価系をin vitroおよびin vivoにおいて構築した。
海洋構造物のシミュレーション・ベース・デザインに関する調査研究

本研究では,先ず,海洋構造の概念設計から構造設計,さらに詳細設計へと展開される設計の流れを整理し,設計対象のモデルに関して議論した。また,シミュレーションに必要不可欠と考えられる設計変更に耐えうる設計情報の在り方と設計機能の満たすべき要件も議論した。具体的には,設計の段階に応じた種々の解析を,設計の流れに応じて認識される種々の設計対象のモデルを利用することを念頭に,設計過程に応じて様々な解析を実行するために,製品情報から解析のための入力情報を抽出する機能について検討した。得られた具体的な知見は,以下に示す通りである。(1)海洋構造物の設計過程における認識の変遷の整理例えば,海洋構造物の構造を総合的に検討する際には,全体を立体的な骨組構造として強度計算を行うために,ロワーハル,カラム,ブレースなどの構造を直線のフレームと捉えることができる。このように対象を適切にモデル化する必要性と重要性を再確認し,シミュレーション・ベース・デザインにおいて必要なモデルをリストアップし,整理した。この整理に基づき,設計支援システムの構築の際に必要とされる海洋構造物の設計モデルの基盤を提案した。(2)設計対象となる製品情報の変化の明確化設計過程における設計対象の認識を整理しただけでは,その認識を表現するモデルがそれぞれ独立して定義されてしまい,個々のモデルの有する情報は,そのモデルの中でしか利用することができず,不十分であることを議論した。上流の設計で決定される設計モデルおよび製品情報と下流の設計で決定されるそれらとは密接に関連しており,新たな情報が生成される際に既に定義されている情報は有効に利用できる必要性がある。そこで本研究では,このような情報の生成を設計機能によって表現することを検討し,具体的なプロトタイプ・システムを試験的に構築し,その設計機能の有効性を確認した。
化学反応における選択性制御の理論と有機金属反応の可視化に関する研究

本研究において得られた研究実績の概要は,以下の通りである。1.有機ケイ素化合物は高い反応性と高い位置選択性を有し、合成化学上きわめて有用性が高い。とくに、5配位あるいは6配位といった超原子価をもつイオン種が反応の中間体あるいは遷移状態として重要な役割を果たしていることが提唱されている。そこで5配位のケイ素化合物がH^-あるいはF^-と反応して配位子を交換する反応について非経験的分子軌道計算を行った。さらに、炭素化合物とケイ素化合物の反応性および結合の違いを、相互作用軌道対の方法により可視化し、明快に捉えることができた。2.炭素クラスターの遷移金属錯体について、その相互作用を軌道対で表現し、両者間の相互作用がきわめて局所的で、アルケン分子の場合とほとんど同じであることを明らかにした。また、大きな分子の反応を理論的に表現するための軌道相互作用の新しい考え方を示した。3.種々のテルリド化合物を酸化して得られるテルロキシドの脱離反応によりアルケンを生成する反応について、添加アミンの効果を実験的に明らかにし、その反応機構を考察した。4.シャープレス試薬を用いるアリルアルコールの不斉エポキシ化反応について、試薬の構造と反応の遷移状態の構造を非経験的分子軌道法によるモデル計算で明らかにし、不斉制御の要因について考察した。5.セレノキシド脱離における配向性を理論計算によって考察し、実験結果とよい一致を得た。6.電子の非局在化について考察し、化学反応の多様性、類似性とフロンティア軌道理論とを関連づける新しい軌道概念を提唱し、軌道相互作用における局所的電気陰性度とハードネスの考えを導いた。以上の結果の一部は投稿中あるいは投稿準備中である。本研究において、平成3年に得られた研究実績の概要は以下の通りである。1.分子が化学反応において相手分子との相互作用を最適に行うために軌道の組み替えを行うこと、さらに、このようにして作り出される軌道がそのひろがりと位相において、同形式の反応を可能にする最小の分子のフロンティア軌道と相似であることを明らかにした。この知見に基づいて、分子中の特定の構造単位あるいは原子が反応で示す局所的な電子供与能、電子受容能を定義し,それを反応性の新しい尺度としてアルケンに対する求電子的付加反応に応用することにより、実験化学者が認識し得なかった反応性の傾向を明らかにすることができた。2.近年、新しい合成反応として5配位ケイ素化合物の求核的置換反応が注目されている。その機構について非経験的分子軌道法を用いて考察した。この系では、炭素化合物に通常みられる求核的二分子置換反応とは反応機構が大きく異なり、エネルギ-的見地からも、軌道相互作用の観点からも、6配位化学種を経由して2段階的機構で反応が進行すると考えるのが合理的であることが明らかになった。3.トリメチレンタンおよびその一つのメチレンをヘテロ原子を含むグル-プで置換した化合物はパラジウム化合物と安定な金属錯体を形成することが実験的に報告されている。これらの金属錯体について非経験的分子軌道計算を行ってその電子構造を検討した結果、これらの金属錯体はπーアリル型の配位様式をもつ錯体と考えるよりも、メタラサイクルと考えるのが合理的であることが相互作用軌動対による可視化の観点から明らかになった。また,これらの金属錯体とアルケンとの反応について検討した結果、トリメチレンメタンとヘテロ原子で置換した場合との反応性、選択性の違いを明らかにすることができた。本研究において、平成4年度に得られた研究実績の概要は以下の通りである。

とくに、対応する炭素化合物と比較して、5配位あるいは6配位といった超原子価をもつイオン種が相対的に安定で、反応の中間体あるいは遷移状態として重要な役割を果たしていることが実験的に推測されている。そこで、モデル系としてSiH_3F_2^-およびSiH_2F_3^-をとりあげ、これらがH^-およびF^-と反応して配位子を交換する場合について、6配位の遷移状態構造を非経験的分子軌道計算によって定め、その活性化エネルギーを計算して、どのような方向から攻撃アニオンが接近しやすいかを明らかにした。さらに、炭素化合物とケイ素化合物の反応性および結合の違いを、本研究者らが開発した相互作用軌道対の方法により可視化し、明快に捉えられることを示した。2.炭素クラスターと遷移金属の錯体について、その相互作用の様子を軌道対で表現し、両者間の相互作用がきわめて局所的で、通常のアルケン分子の場合とほとんど同じであることを明らかにした。同時に、その位置選択性についても考察し、大きな分子の反応を理論的に表現するうえで有用な軌道相互作用の新しい考え方を示した。3.種々のテルリド化合物を酸化して得られるテルロキシドの脱離反応によりアルケンを生成する反応について、添加アミンが果たす役割を実験的に明らかにし、その反応機構をセレノキシド脱離の場合と比較して考察した。以上の結果の一部は投稿中である。
ザンビアの都市スラムにおける就学前教育への保護者参加に関する研究

今年度は、調査地区である首都ルサカ市のスラム地域(ムテンデーレ地区)で急伸している「低学費私立園」の運営実態と保護者の学校選択行動の論理を明らかにするため、昨年度に引き続き低学費私立幼稚園の経営者、教員及び児童の保護者に対する半構造化インタビューと授業観察を実施した。また、それらの機関で提供されている教育の質について理解するために授業の参与観察も実施した。さらに、世帯収入、保護者の職業・学歴と教育期待、兄弟数、児童の障害の有無などの属性と、保護者の子どもに対する就学前教育選択(通学させる・させない、就学前教育機関間の選択)の傾向の関係性を明らかにすることを目的とし、200世帯に対する質問紙調査も併せて実施した。インタビュー調査結果の内容分析を行った結果、都市貧困地区における低学費私立幼稚園台頭の需要側面の要因として、保護者の子への教育期待、就学前教育需要の高まりの他に、保護者の間で公立小学校や幼稚園で提供される教育の質に対する強い不信感があることを確認できた。他方で、低学費私立幼稚園では狭く安全・衛生管理の不十分な過密教室で教師による知識伝達型の授業が展開されているケースが多く、必ずしも保護者の認識どおりに質の高い教育が展開されているわけではないことも明らかになった。また、低学費とはいえ、公立園に比べ保護者の費用負担が大きい私立幼稚園への参加は、最貧層にとっては困難であり、失業、病気、怪我等による家計状況の悪化により中退せざるを得ない場合も少なくない。このように、アクセスと質の両面で、市場原理に依拠した都市貧困層に対する就学前教育普及政策の課題が浮き彫りになった。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。今年度は、基礎的な政策文書や統計資料の収集・分析を進めつつ、調査対象のスラム地域において展開されている就学前教育機関に関する基礎調査を実施した。その結果、同地区では60以上の機関が存在するが、公立幼稚園は1園に留まり、その他の大多数は、過去10年余りの間に急増した「低学費私立幼稚園」であることが判明した。そのため、低学費私立幼稚園の急速な拡大の要因を需要・供給両面から明らかにすることを目的として、繰り越し予算を活用しH28年11月に9つの幼稚園(私立幼稚園7、公立幼稚園1、コミュニティ幼稚園1)を対象とし、経営者、園長、教員、保護者に対する半構造的インタビューを行った。調査の結果、低学費私立幼稚園の急速な拡大の背景には、貧困層の保護者の子への教育期待及び就学前教育への需要の高まりと、公立園が圧倒的に不足する中、就学前教育に関するマーケット・ニーズにに巧みに反応した個人投資家・企業家たちが貧困地区において賃貸物件を活用し、独自のルートで教員を雇用して次々に低学費私立幼稚園を設置してきたことがあることを尽き止めた。また、私立幼稚園を経営する個人企業家の中には、公立小・中学校の現役あるいは元教員も多く含まれており、私立幼稚園経営は現役教員にとっては魅力的な副業となっていることも明らかにした。さらに、核家族化や共働き世帯の増加、ベビーシッターの給与水準の高騰やベビーシッターに預けることの安全面での懸念などを背景とした家庭外での「集団保育」のニーズの高まりも、貧困地区での就学前教育・保育ニーズの拡大に寄与していることが分かった。加えて、公立幼稚園の数が極端に少ないため、就学前教員養成コースを修了して幼稚園教諭の資格を得た者の多くは就職先を見つけられず失業状態にあり、こうした資格教員の供給過剰状況が、低い給与水準にも拘わらず低学費私立幼稚園の教員供給を支えている実態を突き止めた。当初の予定どおり、ザンビアの就学前教育に関する政策文書や統計資料の収集・分析を行い、政府が就学前教育に公的予算を投入していないにも関わらず、近年都市部を中心に就学前教育参加率が急速に改善されていることを明らかにした。その後、ザンビア在住の研究協力者から、ザンビア政府の政策転換により、都市スラムにおいて政府が公立小学校の教室設備を活用して公立幼稚園の拡充を進める予定であるとの情報を入手した。これは当初の想定と異なっていたため、予定していた本格的な現地調査については同施策の動向を見極めてから繰り越し予算を活用して実施することとした。同調査の結果、同施策は現場レベルでは実施されておらず、公立園の拡充が行われなていない中、都市貧困層の間で高まる就学前教育需要に呼応して低学費私立幼稚園が台頭してきていることが突き止められた。このように、想定外の政策転換はあったものの、それを受けて調査スケジュールを柔軟に見直し、必要な調査を行ったことにより、これまでのアフリカにおける就学前教育研究で明らかにされていない新たな事実の判明につながった。これらのことから、研究はおおむね順調に進展したと判断できる。

インタビュー調査結果の内容分析を行った結果、都市貧困地区における低学費私立幼稚園台頭の需要側面の要因として、保護者の子への教育期待、就学前教育需要の高まりの他に、保護者の間で公立小学校や幼稚園で提供される教育の質に対する強い不信感があることを確認できた。他方で、低学費私立幼稚園では狭く安全・衛生管理の不十分な過密教室で教師による知識伝達型の授業が展開されているケースが多く、必ずしも保護者の認識どおりに質の高い教育が展開されているわけではないことも明らかになった。また、低学費とはいえ、公立園に比べ保護者の費用負担が大きい私立幼稚園への参加は、最貧層にとっては困難であり、失業、病気、怪我等による家計状況の悪化により中退せざるを得ない場合も少なくない。このように、アクセスと質の両面で、市場原理に依拠した都市貧困層に対する就学前教育普及政策の課題が浮き彫りになった。次年度は、今年度の調査結果をさらに詳細に分析する他、就学前教育を受けさせている保護者と受けさせていない保護者双方に対する質問紙調査を実施し、世帯所得、家族構成、子どもの教育に対する価値観、子育て環境、保護者参加の実態と阻害・促進要因を彼らの視点から明らかにする予定である。また、これらの結果を分析し、国内外の主要学会での口頭発表及び学会誌への投稿を予定している。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
ゴルジ体を経由しないノンクラシカル膜タンパク質輸送経路の解析

神経細胞で発現するタンパク質の細胞内輸送過程を(1)ERからゴルジ体までと(2)ゴルジ体以降の軸索順行輸送過程に分けて解析を行った。X11Lは細胞質タンパク質であるが、ゴルジ体等の膜分画に多く回収され、X11Lに結合する膜タンパク質の輸送を制御する予備的知見を得ている。X11L結合性膜タンパク質の例としてAPPの輸送を解析した。その結果、X11L発現下ではAPPはゴルジ体を通過しないで細胞膜へ輸送される結果を得た(これをノンクラシカル経路と名付けた)。この分子機構を解明する目的で、X11Lと結合するARFを細胞に共発現しAPP輸送を調べたが、ARFはX11Lとは独立に機能することが判明した。また、ファミリー分子X11およびX11L2も同様の機能を示すことが判明した。実験に用いた培養細胞では、主にX11L2が発現しているためRNAi法を用いてX11L2の発現をノックダウンしたところ、ノンクラシカル経路による輸送は遮断された。一方、神経細胞内では、APPはX11Lを介して新規膜タンパク質Alcadeinと三量体を形成し(Araki et al.,J.Biol.Chem.[2003]278,49448)、X11Lの解離により2つのタンパク質は協調的な代謝を受けている(Araki et al.,J.Biol.Chem.[2004]279,24343)。そこで上記(2)に関連する解析として、Alcadeinの輸送を解析したところ、APPとAlcadeinは独立した小胞で異なる速度で輸送される事を全反射顕微鏡を用いた解析から解明した。APPはJIP1bを介してKLCに結合し、Alcadeinは直接KLCに結合し小胞輸送を受ける。ノンクラシカル経路で運ばれたAPPもX11LからJIP1bに受け渡されるのかどうかなど詳細な分子機構を解析中である。通常、細胞表面に分布する膜タンパク質はリボソームで合成が開始されると小胞体に取り込まれ、ゴルジ体等の膜輸送系を経て細胞膜へ局在するようになる。この仕組みは、全ての分子機構が明らかになっているわけではないが、広く受け入れられている。研究代表者は、ある種の膜タンパク質が薬剤処理により小胞体からゴルジ体への輸送を阻害した条件下でも細胞膜に輸送されることを見いだし、アミロイド前駆体タンパク質(APP)をモデルに、このノンクラシカル輸送経路の解析を行った。その結果、アダプタータンパク質X11Lを強制発現させた時にAPPはゴルジ体を通過しないで細胞膜上に輸送された。この過程を生細胞の全反射顕微鏡観察および細胞の抗体染色で解析したところ、膜小胞がゴルジ体を介さず直接APPを細胞膜に輸送していた。ゴルジ体非通過は細胞膜上のAPPがO-型糖鎖を受けていないことから生化学的に実証した。X11Lのファミリー分子であるX11およびX11L2も同様の活性を示した。X11ファミリーは、相同性に乏しいN-末端、中央部のPIドメイン、C-末端の2つのPDZドメインからなるが、PIドメイン変異体はこの活性を失った。また、輸送に関係する分子を探索した結果、小胞体の発芽に関わる低分子量G-タンパク質ARFがX11Lと相互作用することを明らかにして、現在、ここを糸口にゴルジ体を介さない膜タンパク質輸送系の実態の解明を進めている。
クランクトアロー主翼を有する超音速機の過渡的流れ構造と動的空力メカニズムの解明

高速飛行性能と離着陸を含む低速飛行性能を両立できると期待されるクランクトアロー(前縁が折れ曲がった矢じり)形状の主翼を有する超音速機について、機体が姿勢変化運動をする際に周囲の空気流から受ける力の仕組みを明らかにするために、機体模型に姿勢変化運動を与えながら風を当てる「動的風洞試験」および同等の条件で電子計算機で空気流を解く「非定常CFD解析」によって、機体表面での流れの剥離・再付着、主翼が生成する渦と尾翼の干渉、等の機体周りの流れ構造を明らかにする。
風車の変動出力を時々刻々平滑化する簡易ポンプ水車ユニットの開発

本研究は,相反転方式ポンプ水車ユニットと風車を連携運転して一定出力を取り出すシステムの確立を目的としている.その準備段階として,2011年度は水車専用機をポンプ運転した場合の定常性能および内部流れを調査した.さらに2012年度は,ポンプ専用に設計された羽根車がポンプ水車性能に及ぼす影響を明らかにし,これらの研究成果を踏まえた実証試験として,相反転方式ポンプ水車および発電電動機を本学キャンパスのパイロットプラントに準備した.本研究は,相反転方式ポンプ水車ユニットと風車を連携運転して一定出力を取り出すシステムの確立を目的としている.その準備段階として,2011年度は水車専用機をポンプ運転した場合の定常性能および内部流れを調査した.さらに2012年度は,ポンプ専用に設計された羽根車がポンプ水車性能に及ぼす影響を明らかにし,これらの研究成果を踏まえた実証試験として,相反転方式ポンプ水車および発電電動機を本学キャンパスのパイロットプラントに準備した.本研究の究極目標は,太陽光および風力などの変動の激しい自然エネルギー資源を有効活用して電力の安定化に貢献する相反転方式ポンプ水車ユニットの実用化(運転方法を含む)である.その準備段階として,既設の相反転方式輻流水力発電ユニットをポンプ運転した場合(水車運転のデータは既得)の定常性能および内部流れについてCFD(コンピュータシミュレーションによる数値実験)援用により追究した結果,1.相反転インペラのスマートコントロール効果(回転速度の自己調節機能)により低流量域において揚程の右上がり不安定特性は現れず,広い流量範囲において安定した運転が可能であることが分かった.また,ポンプユニットを水車運転した場合(ポンプ運転のデータは既得)の実験および数値解析結果によれば,2.羽根形状によらず羽根車/ランナ出入口において軸方向流入流出条件が得られ,3.ポンプ専用羽根車にもかかわらず水車専用モデルとほぼ同程度の最高効率が得られることが分かった.なお,揚水がなければ発電もないことからポンプ運転に有利となるよう幾分反りを持たせたポンプ水車用羽根車を製作予定であるが,4.更なる水車性能向上のためにはカスプ状前縁ハブ側における局所的な流れの剥離を抑制する必要がある.上記の成果は相反転方式がポンプ水車において極めて有用であることを物語っており,平成24年度実施予定であり,本研究の最大の山場である非定常運転能力開発の基礎資料となる.本研究は,出力が不安定な風車の導入を支援するため,相反転方式ポンプ水車ユニットと風車を連携運転して一定出力を取り出すシステムの確立を目的としている.平成23年度に引き続き平成24年度は,揚程/落差を2m一定に保って,ポンプ専用に設計された羽根車形状がポンプ水車性能に及ぼす影響を実験的に調査し,ポンプ領域,ブレーキ領域および水車領域の性能データを取得し,流量に対する前後段羽根車/ランナの回転挙動を明らかにした.具体的には,ポンプ運転から水車運転へと切替える場合の前後段羽根車/ランナおよび流れは,相反回転,正流状態のポンプ領域から相反回転,逆流状態のブレーキ領域へと移行し,さらに同方向回転,逆流状態のブレーキ領域および水車領域を経て,相反回転(前後段それぞれポンプ運転時の逆方向),逆流状態の水車領域へと移行することが明らかになった.また,CFD援用によりポンプ専用ユニットの水車性能を追究した結果,1.前後段の中間における旋回速度成分はポンプ運転の場合より小さく,ランナ羽根出口角が大きいために水車出力が小さいこと,2.カスプ状前縁は小さい入射角であっても失速域を生じるがこの剥離流れは前縁近傍で再付着し,3.また丸みを帯びた後縁は流れの剥離を誘起し,乱流後流を発達させることなどを明らかにした.これらの研究成果を踏まえた実証試験として,相反転方式ポンプ水車および発電電動機を試作し,本学キャンパスのパイロットプラントに設置し,相反回転速度1200min-1での揚水が可能であることを予備的に実証した.既設の相反転方式軸流ポンプユニットを水車運転した場合および水力発電ユニットをポンプ運転した場合の定常性能および内部流れが明らかにされて概ねポンプ水車用羽根車の設計指針が得られた.また,現在風力発電ユニットとポンプ水車を連携運転させて安定電力を得るためのフィールド試験の準備段階にあり,ポンプ/水車運転切替のための電力制御装置,蓄電装置および上下部貯水タンク製作も順調に進んでおり,当初の計画どおりに研究は遂行できているものと判断した.24年度が最終年度であるため、記入しない。平成23年度に引き続き,CFD援用によりポンプ水車用として望ましい羽根車/ランナを設計製作し,その妥当性を実験により検証する.また,妥当性を検証した羽根車/ランナについて,ポンプ運転から水車運転およびその逆に急激に変えたとき(回転速度方向の急変)の性能,流体振動,キャビテーション,水撃作用等の非定常問題を明らかにする.さらに,これまでの成果を統合した相反転方式軸流ポンプ水車ユニットモデルを設計製作し,風力発電ユニットと連携したシステムを本学のキャンパスで展開しているグリーンキャンパスプロジェクト構想に組込み,スマートグリッドの一環としての実証試験を行う.24年度が最終年度であるため、記入しない。
トレーサーとして用いられるアイソトープ標識化合物の分解過程の解析とその制御

1.[S-35]メチオニンの自己分解生成物のうち、揮発性成分をHPLCにより標準物質と比較して同定し、また相対的な量を測定した。(1)まず安定剤入りメチオニン(>48TBq/mmol)からは、メチルメルカプタンが70.1%、硫化水素又は二酸化イオウが13.5%、ジメチルスルフィドが3.2%、メチルエチルスルフィドが2.1%、そしてジメチルジスルフィドは7.8%生じていた。(2)安定剤の入っていないメチオニン(1.518.5GBq/mmol)からは、それぞれ32.3%、29.8%、2.1%、1.6%、33.0%の比率で生じていた。(3)安定剤入りのシステイン(>48TBq/mmol)からはメチルメルカプタン28.7%、硫化水素又は二酸化イオウ51.0%、またジメチルジスルフィドが3.1%生じた。2.非標識メチオニンをCo-60のガンマ線で照射し、生じた揮発性物質をGC/MSにて分析した。(1)バイアル内に空気があり、叉安定化剤(2-メルカプトエタノールとピリジン-3,4-ジカルボン酸)を含まない場合には、ジメチルジスルフィドが生じた。この生成量は照射線量と比例していた。他の揮発性分解物は見出していない。(2)バイアルのヘッドスペースをヘリウムで置換した場合や、上記の安定剤を加えた場合には揮発性分解物は検出できなかった。システインについても照射を行ったが、揮発性分解物は検出できなかった。3.自己放射線分解の制御には、バイアル内の空気のヘリウム置換や安定剤添加は効果がある。しかし比放射能の高い標識化合物では、安定剤が入っていても相当に放射性分解生成物が生じるので、購入後速やかに使用するか、使用直前に精製すべきである。4.S-35を含む複数6核種の混合サンンプルの全ての核種を分別測定できる方法を確立した。(1)〔^<35>S〕メチオニンの自己放射線分解を調べる前にモデル反応として非標識メチオニンに^<60>Coのγ線を照射して分解生成して来る揮発性物質をGC/MSにて分析し、ジメチルジスルフィドを同定した。(2)〔^<35>S〕メチオニンの水溶液をー80°Cに保存し、一定時期ごとに解凍してへッドスペ-スを抜き取りこれを直ちにHPLCにて分析し、次の化合物の存在を確認した。(1)メチルメルカプタン、(2)メチルエチルスルフィド、(3)メチルプロピルスルフィド、その他。(3)上記の分解生成物の構造から、メチオニンは^<35>Sのβ線により、おもに炭素炭素結合、炭素硫黄結合が切断する反応により分解していくこと、アミノ基が除去される反応もあることが判明した。(4)自己放射線分解物の時間的な消長から考えて、メチオニンの放射線分解で直接生成する化合物とさらにそれらが分解して生ずる2次分解生成物が存在すると推定される。(5)外部から照射したγ線による分解生成物と^<35>Sのβ線による分解生成物が異なっていることから、放射線そのものの性質の差異のみならずサンプルの物理的状態に依存している可能性も考えられる。(2)[^<35>S]

システインの自己分解生成物についても同様に分析し、H_2S(またはSO_2)、CH_3SHおよびCH_3SSCH_3を同定した。(3)上記(1)(2)の分析条件はC_<18>(30cm)のカラムと移動相としてCH_3CN/H_2O(6:4)、CH_3OH/H_2O(7:3)、およびTHF/CH_3CN/H_2O(3:3:4)を用い、22種類の標準化合物との保持時間の一致をもって同定した。(4)同定の時点すなわちヘッドスペースサンプルガスの採取時には、[^<35>S]メチオニンと[^<35>S]システインの放射化学的純度は9187%であった。この純度測定はカラムとしてオプティパックCEを用いたHPLCにより行った。(5)^<35>S標識化合物の分解生成物等による汚染の検査に用い得る複数核種分別測定に新しい方法を、燃焼フラスコ法によって確立した。(1)[^<35>S]メチオニンの自己分解生成物のうち,揮発性成分をHPLCにより標準物質と比較して同定し,また相対的な量を測定した。[1.1]まず安定剤入りメチオニン(>48TBq/mmol)からは、メチルメルカプタンが70.1%、硫化水素又は二酸化イオウが13.5%、ジメチルスルフィドが3.2%、メチルエチルスルフィドが2.1%、そしてジメチルジスルフィドは7.8%生じていた。[1.2]安定剤の入っていないメチオニン(1.518.5GBq/mmol)からは、それぞれ32.3%、29.8%、2.1%、1.6%、33.0%の比率で生じていた。[1.3]安定剤入りのシステイン(>48TBq/mmol)からはメチルメルカプタン28.7%、硫化水素又は二酸化イオウ51.0%、またジメチルジスルフィドが3.1%生じた。(2)非標識メチオニンを^<60>Coのガンマ線で照射し,生じた揮発性物質をGC/MSにて分析した。バイアル内に空気があり,叉安定化剤(2-メルカプトエタノールとピリジン-3,4-ジカルボン酸)を含まない場合には,ジメチルジスルフィドが生じた。他の揮発性分解物は見出していない。また,この生成量は照射線量と比例していた。バイアルのヘッドスペースをヘリウムで置換した場合,または上記の安定剤を加えた場合には揮発性分解物は検出できなかった。またシステインについて同様の照射を行ったが,揮発性分解物は検出できなかった。自己放射線分解の制御には、バイアル内の空気のヘリウム置換や安定剤添加も効果があるが、比放射能の高い標識化合物では、安定剤が入っていても相当に放射性分解生成物が生ずる。購入後速やかに使用するか、使用直前に精製すべきである。(3)^<35>Sを含む複数核種の混合サンプルでも、燃焼と簡単な洗浄処理により、すべての核種を分別測定できる方法を確立した。
新規な概念「擬似分子内反応」を用いた高効率な合成手法の開発

「擬似分子内反応」という新規な概念を用いて、多官能含窒素複素環化合物を簡便に合成する手法を開発した。α-ニトロ-δ-ケトニトリルを基質に用いて、アミン類、ヒドラジン類、ジアミン類との反応を行ない、それぞれ多官能1,4-ジヒドロピリジン、ジアゼピン、ピリダジン、ビシクロ化合物に効率良く変換できることを明らかにした。擬似分子内反応は規な概念でありながら、まだ適用できる基質は少なく、一般的な合成手法であるとは言い難い。そこで、他の基質や試薬を用いて多様な骨格を構築し、本反応の汎用化を図ることを目的として検討を行なった。基質として、α-ニトロ-δ-ケトニトリルを用いて、ジアミン類との反応を行なった。その結果、室温で即座にイミンを形成することを確認した。通常、ケトンとアミンを混合してもイミンが形成されないことから、本過程は擬似分子内で効率良く進行した結果であると言える。また、この塩を加熱したところ、タンデム型ビシクロ化反応が進行し、複数の官能基を有するジアザビシクロ[3.3.1]ノナン骨格が合成できることを見出した。本反応は炭素鎖の異なるジアミン類にも適用でき、それぞれ対応するビシクロ化合物に変換できることも明らかにした。擬似分子内反応の基質に要求される条件は、酸性度の高い水素と官能基を併せ持つことである。このような化合物は分子設計も比較的行なうことができる。そこで、2段階で簡便に調製できるα-ニトロ-δ-ケトエステルを用いて、同様の反応を行なったところ、予想した通りビシクロ化合物に変換することに成功した。この結果より、基質の条件を満たせば、他の基質にも擬似分子内反応の概念を適用することができることを示している。従って、今後、従来法では合成が困難であった多官能化合物を合成するための手法としての幅広い利用が期待される。擬似分子内反応という新規な概念を用いて、高効率な合成への展開を図った。基質として、酸性度の高い水素を有するα-ニトロ-δ-ケトニトリルを用いて、ヒドラジン類との反応を行なった。実際にヒドラジン類を室温で作用させたところ、即座にヒドラジニウム塩が形成されることを^1H NMRにより確認した。本研究では、このヒドラジニウム塩を用いて変換反応を行なったが、用いるヒドラジンの種類によって異なったタイプの環骨格を構築できることも明らかにした。まず、ヒドラジン-水和物を用いた場合には、ジアゼピンが得られることを見出した。本反応ではヒドラジニウム塩から遊離したヒドラジンが近傍のカルボニル基との間で擬似分子内反応をすることにより中間体ヒドラゾンが生じ、続いて分子内でのシアノ基への求核付加により生成したと推測される。一方、芳香族ヒドラジンを用いた場合には、上記の反応が抑制され、ヒドラゾン中間体を単離することに成功した。こうして得られたヒドラゾンはDMSO中で加熱することにより、ピリダジン誘導体に変換できることも明らかにした。擬似分子内反応が、ヒドラゾン化を無触媒下で効率良く進行させることを明らかにした。今後、本概念が、従来法では合成が困難であった多官能化合物を合成するための手法としての幅広い利用が期待される。擬似分子内反応の汎用化を図るために、他の求核試薬を用いた反応を行ない、本反応の適用範囲の拡張を検討した。基質として、α-ニトロ-δ-ケトニトリルを用い、単座求核試薬であるアミン類、との反応を行なった。その結果、室温で即座にアンモニウム塩を形成することを確認した。この塩を加熱したところ、遊離したアミンが近傍にあるシアノ基、次いでカルボニル基を連続的に攻撃し、ピリジン骨格を形成することを明らかにした。本反応の特長はアミンを替えるのみで、2位の修飾を容易に行なえることである。しかしながら、反応点周辺の立体的な規制が大きいために、嵩高い置換基を有するアミンは反応の進行が認められなかった。この問題点は、窒素原子と嵩高い置換基との間に、スペーサーとしてCH2基を挿入することにより解決した。本反応では、β位炭素に2つのメチル基を有するケトニトリルを基質として用いているため、得られたピリジン骨格は1,4-ジヒドロピリジン誘導体である。そこで、メチル基を有さないケトニトリルを基質に用いて、同様の反応条件で反応を行なったところ、微量ながら、芳香族化したピリジン誘導体を得ることに成功した。本反応では最終段階で酸化して芳香族化することから、酸素雰囲気下で反応を行なったところ、ピリジンの収率も大幅に向上することを見出した。これらの結果は、擬似分子内反応の概念が多くの基質に適用できることを示している。また、本反応で得られた生成物は、ニトロ基とアミノ基を隣接位に併せ持っており、他法では得ることが困難な骨格である。従って、今後、多官能化合物を合成するための手法としての幅広い利用が期待される。

擬似分子内反応の概念が、種々の基質に適用できることを明らかにできている。その結果、他法では合成が困難な多官能化合物を簡便にかつ効率良く合成することに成功している。今後、さらに基質の適用範囲を広げることができれば、合成化学的な有用性はさらに高まると言える。24年度が最終年度であるため、記入しない。本概念の特徴は、分子間反応でありながらあたかも分子内反応のように高効率で進行するということである。この特徴を活かすためには、一般に非効率と言われる反応に適用することが重要になる。そこで、中・大員環の合成に応用することを検討する。また、擬似分子内反応で進行していることを証明するために、速度論的な解析も行なうことを予定している。
脳卒中片麻痺の末梢血管床に対する自律神経系の関与

本研究では,中枢神経系疾患における自律神経系の関与を明らかにすることを目的とし,中枢神経性運動障害に伴う自律神経反応を末梢循環動態の変化に焦点を当てて検討を行った.実験対象には,コントロール群として若干健常者を,疾患群として脳卒中片麻痺患者を用いた.ここでは上肢末梢の循環機能を血圧,超音波ドップラー法による末梢血流速度および同パルス法による動脈の形態計測,両者より血流量の計測を行い評価した.【1】健常群:各パラメータの計測データは次のようであった:(1)血圧;収縮期血圧(右112.7±10.2,左113.3±8.5mmHg),拡張期血圧(右64.8±8.0mmHg,左67.5±6.2mmHg),(2)血流速度;上腕動脈部(右4.8±3.3,左側4.6±2.5cm/sec),橈骨動脈部(右3.7±3.2,左3.6±3.2cm/sec),(3)血管径;上腕動脈(右4.0±0.4,左4.0±0.5mm),橈骨動脈(右2.8±0.3,左2.8±0.3mm),(4)血流量;上腕動脈部(右39.7±30.7,左37.3±25.7ml/min),橈骨動脈部(右14.6±14.7,左13.7±13.0ml/min).以上より,健常者の上肢における血圧,上腕・橈骨動脈の血流速度,同血管径および同血流量において左右差がないことが確認できた.上腕動脈部の血流量と同血流速度,血流量と同血管断面積の間の相関はr=0.95,r=0.64でそれぞれ有意であった.同様に橈骨動脈部では血流量と血流速度のみにr=0.98の有意な相関がみられた.よって血流量は血管径より血流速度の影響をより強く受けていることが示された.また,血流量では上腕動脈と橈骨動脈の間にr=0.71で有意な相関が認められた.これらの結果から中枢部での血流量を知ることにより,より末梢部での血流量を評価できることも確認できた.【2】疾患群:脳卒中患者に対して上腕,橈骨動脈の血流速度を測定し,健側と患側の比較をした.特に橈骨動脈の血流速度の平均は健側4.1±2.3cm/sec,患側2.0±0.9cm/secであり,健側に比べ患側の血流速度の有意な低下を認めた.健常群における検討結果よりこの患側の血流速度の低下は,患側上肢の血流量の低下を反映していると考えられた.また,この対象においては血圧に明かな差は認められなかった(健側の収縮/拡張;120±10/68±14,患側;118.7±11.7/74.7±14.7mmHg).すなわち血管抵抗=血圧/血流量の関係から,脳血管障害患者における患側上肢の末梢血管抵抗の増加が考えられ,自律神経系支配状態に変化がみられることが示唆された.本研究の結果から,今後は寒冷負荷や作業療法実施後の血流の変化等,脳卒中片麻痺における循環動態をより様々な視点から客観的に捉えていくことが重要課題である.本研究では,中枢神経系疾患における自律神経系の関与を明らかにすることを目的とし,中枢神経性運動障害に伴う自律神経反応を末梢循環動態の変化に焦点を当てて検討を行った.実験対象には,コントロール群として若干健常者を,疾患群として脳卒中片麻痺患者を用いた.ここでは上肢末梢の循環機能を血圧,超音波ドップラー法による末梢血流速度および同パルス法による動脈の形態計測,両者より血流量の計測を行い評価した.【1】健常群:各パラメータの計測データは次のようであった:(1)血圧;収縮期血圧(右112.7±10.2,左113.3±8.5mmHg),拡張期血圧(右64.8±8.0mmHg,左67.5±6.2mmHg),(2)血流速度;上腕動脈部(右4.8±3.3,左側4.6±2.5cm/sec),橈骨動脈部(右3.7±3.2,左3.6±3.2cm/sec),(3)血管径;上腕動脈(右4.0±0.4,左4.0±0.5mm),橈骨動脈(右2.8±0.3,左2.8±0.3mm),(4)血流量;上腕動脈部(右39.7±30.7,左37.3±25.7ml/min),橈骨動脈部(右14.6±14.7,左13.7±13.0ml/min).以上より,健常者の上肢における血圧,上腕・橈骨動脈の血流速度,同血管径および同血流量において左右差がないことが確認できた.上腕動脈部の血流量と同血流速度,血流量と同血管断面積の間の相関はr=0.95,r=0.64でそれぞれ有意であった.同様に橈骨動脈部では血流量と血流速度のみにr=0.98の有意な相関がみられた.よって血流量は血管径より血流速度の影響をより強く受けていることが示された.

また,血流量では上腕動脈と橈骨動脈の間にr=0.71で有意な相関が認められた.これらの結果から中枢部での血流量を知ることにより,より末梢部での血流量を評価できることも確認できた.【2】疾患群:脳卒中患者に対して上腕,橈骨動脈の血流速度を測定し,健側と患側の比較をした.特に橈骨動脈の血流速度の平均は健側4.1±2.3cm/sec,患側2.0±0.9cm/secであり,健側に比べ患側の血流速度の有意な低下を認めた.健常群における検討結果よりこの患側の血流速度の低下は,患側上肢の血流量の低下を反映していると考えられた.また,この対象においては血圧に明かな差は認められなかった(健側の収縮/拡張;120±10/68±14,患側;118.7±11.7/74.7±14.7mmHg).すなわち血管抵抗=血圧/血流量の関係から,脳血管障害患者における患側上肢の末梢血管抵抗の増加が考えられ,自律神経系支配状態に変化がみられることが示唆された.本研究の結果から,今後は寒冷負荷や作業療法実施後の血流の変化等,脳卒中片麻痺における循環動態をより様々な視点から客観的に捉えていくことが重要課題である.
国際熱核融合実験炉ITERのリアルタイムモニタリングシステムの開発

核融合炉ではプラズマ破れによる燃焼の中断が問題となっている。これを回避するための有力な方法の一つとして、プラズマの安定性をチェックし不安定の兆候があれば即安定化させるという方法がある。しかし、プラズマの安定性解析は非常に大きな計算でありながら、極めて短時間(23秒程度)で計算を完了しなければならない。本研究では、最先端計算機であるCellクラスターを用いまた適したアルゴリズムを開発し、目標時間内に計算を完了させることができた。近年計算機の急速な発達により、入力に対し、わずかな時間の問に数値シミュレーションを実行し結果を出力するリアルタイムシミュレーションが可能となってきた。リアルタイムシミュレーションの応用事例として、核融合実験炉のモニタリングが挙げられる。モニタリングを行うためには、実験装置が稼働中常時計算を行う必要があるが、しかしながら、高性能計算機の代表例であるスーパーコンピュータは複数人で時間をシェアリングしながら利用するため、このようなニーズにマッチしない。このような問題を解決するべく、従来とは異なる設計思想で開発された高い計算能力をもつCellプロセッサーを用いる事で、常時モニタリング用の計算を行うことのできるシステムの開発を目指す。H21年度では、モニタリングシステムのなかでも最も計算時間のかかる箇所である固有値ソルバーについてCell上に実装を行った。Cellはそれ自体が並列計算プロセッサーであるうえ、本研究では、複数台のCellを用いることで計算速度を向上さらに向上させている。このため、並列度の高い実装が可能である共役勾配法をベースに固有値ソルバーを実装した。加えて、新しい共役勾配法を加速させる手法を開発した。従来の加速手法は並列性が低く複数台のCellに適さなかったが、開発した手法では加速性能は従来と同等のまま並列性を高く保つことに成功した。これらの成果により、当初より目標としていた、10万次元のブロック三重対角行列の最小固有値を一秒以内に求めることを達成し、モニタリングシステムの開発に向け前進した。近年計算機の急速な発達により、入力に対し、わずかな時間の間に数値シミュレーションを実行し結果を出力するリアルタイムシミュレーションが可能となってきた。H21年度では、モニタリングシステムのなかでも最も計算時間のかかる箇所である行列固有値ソルバーについてCell上に実装を行い、H22年度は残りの部分(行列生成)について実装を行った。H21年度では、求められる使用である、10万次元のブロック三重対角行列についてランダムな実数を生成し最小固有値を一秒以内に求めることを達成した。H22年度では行列生成部の実装を完了し、同様に1秒程度で行列生成を可能とした。両者を合わせて2秒程度で計算を完了できる見込みを得ることができ、モニタリングシステムの開発に向け前進した。H23年度では、H21年度に研究を行ったモニタリングシステムのなかでも最も計算時間のかかる箇所である行列固有値ソルバーの高速化と、H22年度に研究を行った行列生成部の高速化について、研究成果を結合することでモニタリングシステムに必要なシミュレーションを行うことをできるようにし、加えて、常時監視に必要な計算能力が得られているかどうかを実問題を解くことで確認した。その結果、行列生成に1秒、固有値計算に1秒とプラズマの固有閉じ込め時間から導かれる目標である23秒以内の計算完了を達成した。これにより、核融合炉実験炉のモニタリングを行うために必要な計算能力が達成できたと言える。
多焦点PID偏光顕微ラマン分光応力測定法による樹脂系複合材料の高速応力マッピング

本研究では,三種類のラマン分光装置を開発した.一つが2次元直接ラマンイメージング装置で,残りが多焦点多点分光顕微ラマン装置そして単焦点多点分光顕微ラマン装置である.これらと従来型顕微ラマン分光装置により,構成材料の相ならびに応力,ひずみの2次元イメージングが以前より高速かつマルチスケールで実現できた.また,縮退を解いたグラフェンのラマンシフト評価を行い,樹脂系複合材料を構成する炭素繊維の応力成分評価の可能性を示した.マトリックスについてはばらつきがあるため,さらなる検討が必要である.本研究では,多焦点PID偏光顕微ラマン分光応力測定法による樹脂系複合材料の高速応力マッピング技術を確立するため,平成26年度は多焦点PID偏光顕微ラマン分光応力測定装置で必要となる要素ならびに装置の開発を行った.本研究の特徴であるマルチスケール応力測定技術で必要となる測定領域の線形(P)・積分(I)・詳細(D)測定技術の検討を行った.測定領域を広げて平均的な特徴量を抽出する積分(I)測定技術に関する光学配置について検討した.測定領域を直径50100μmとなる光学系の設計と製作を行い,照射領域が50μm程度となることを確認した.今後,照射領域内の複数の小領域を同時に評価する線形(P)測定技術の面分光へつなげる予定である.一方,光ファイバーを用いた広範囲ラマン分光測定の光学配置ならびに設計・製作を行い,部分安定化ジルコニア,シリコン,炭素繊維などのラマンスペクトルの測定に成功した.二つ目に,多点同時測定に繋がる線形(P)測定に関連した技術の検討を行った.本研究で導入したラマン散乱光検出CCDの検出性能について,波数分解能(CCDの横方向)と2次元検出に必要なCCD縦方向分解能を検討した.波数分解能は応力測定に必要な分解能を有していることがわかったが,多点測定を実現する縦方向分解能は,スペクトルの重なりが3σ以上となる光ファイバーの配置を考慮すると,光ファイバーを縦に67本しか並べられないことが分かった.そこで光損失を考え,コア径200μmの光ファイバーを使用することとした.これに基づき多点分光ならびに面分光を行うための検出側の次元変換光ファイバーの設計を行った.最後に,多焦点の形成に関する光学配置の検討を行った.500,750μmピッチのマイクロレンズを用い,3×3の9点,9×9の81点の焦点の形成を白色光ならびにレーザーで行った.本研究では,多焦点PID偏光顕微ラマン分光応力測定法による樹脂系複合材料の高速応力マッピング技術を確立するために,平成26年度に実施する予定であった多焦点PID偏光顕微ラマン分光応力測定装置の要素ならびに装置の開発の内,一部残っていた次元変換ファイバーを含む光学系の構築と,平成27年度以降に実施予定であった多焦点PID偏光顕微ラマン分光応力測定装置による樹脂系複合材料の高速応力マッピングに向けた基礎技術の検討を行った.まず初めに,多焦点ならびに多点分光を行うためのラマン分光応力測定装置の構築を行った.前年度に設計した次元変換バンドルファイバーを用い,マイクロレンズアレイで16点の多焦点を形成し,各点から得られるラマン散乱光を同時に分光できる光学系を構築した.この装置を用い,単結晶シリコンに対して多焦点多点分光測定を行った.全体的にラマン散乱強度が低下したものの,16点すべてから同時にSiの代表的なラマンスペクトルを得ることに成功した.次に,樹脂系複合材料の応力マッピングを実現する為,炭素繊維の最小構成単位であるグラフェンのラマン散乱強度の結晶方位依存性と炭素繊維の応力成分同定技術の検討を行った.まずレーザーの偏光方向とグラフェンの結晶方位の関係からラマン散乱強度の変化を理論的に導出し,グラフェンのラマン活性のピーク(A1gと2つのEgモード)を独立に検出する偏光方向を理論的に明らかにした.さらに実験的に偏光方向に対するラマン散乱強度変化を検証し,理論と良い一致を示すことを明らかにした.そして,得られた偏光方向でレーザーを照射しグラフェンシートに負荷ひずみを与えながらラマンシフト変化量を測定した.その結果,A1gと2つのEgモードのひずみとラマンシフトの関係に直線関係が得られ,グラフェンのひずみ測定の可能性を明らかにした.平成27年度では,前回やり残していた次元変換ファイバーを含む光学系を完成させ,その特性について検討した.さらに単結晶シリコンに対し,多焦点でレーザーを照射し,各点を独立かつ同時に分光する多点分光を実施し,16点からシリコンのラマンスペクトルを得るところまで装置を構築した.さらに多点分光の光学系を利用し,新たに単焦点多点分光測定の可能性を見つけることができ,多焦点多点分光の短所を補える可能性が発見できた.しかしながら,多焦点と多点分光の一対一の対応関係や最適光学系を検討できていいない為,平成28年度の課題となっている.