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身体・ことば・貨幣をめぐるトマス・ハーディ研究――経済と連動する文学テクスト

3セジウィックのホモソーシャル連続体理論を超える枠組みとしてThing theoryを加えるとどうなるか、それをまとめた論文“Symbolic Economy of Words, Money and Bodies: E.K.Sedgwick and Beyond"を発表した。本研究は当初、E.K.セジウィックのホモソーシャル連続体理論を研究の枠組みとして進める予定であった。しかしながら実際に分析を進めてみると、その限界も明らかとなり、新たな理論(Thing theory)を加える必要が生じた。また、男性性に関する研究も急速に進展していることが判明し、それらの先行研究にも時間をかけて考察を加える必要が生じた。こうした理由のために、研究の進展は当初よりも遅れ気味である。しかしながら、これらはより優れた研究成果を上げるための遅れであり、憂うべき問題ではないと判断する。トマス・ハーディのテクストを身体・ことば・貨幣の象徴交換としてとらえ、近代から現代を通じて社会が経験してきたシステム変動ー性の揺らぎ・文学ジャンルの動揺・経済システムの変化ーが個々バラバラではなく、密接に関連した事象であることを明らかにすることを目的として研究を行った。具体的には、(1)性とジャンルの問題を歴史・経済的視点(貨幣のテーマ)から論ずること(2)「テクスト化された身体」という視点を加えることによって、性や身体を再度、歴史的視座において分析することに主軸をおいた。主に扱ったのは、『日陰者ジュード』と『ダーバヴィル家のテス』である。『日陰者ジュード』に関しては、そこにおける結婚制度・文学制度を19世紀末の物質主義と関連させてとらえることによって、このテクストが物質主義によって循環される身体のテクスト化を反映していること、またこのテクスト内部でモダニズムとリアリズムの二項対立が崩壊しつつあることをつまびらかにすることができた。また、それと並行して、『ダーバヴィル家のテス』における男性性の分析をホモソーシャル連続体の概念のもとに行い、そこにみられる男性性が、結婚・階級・経済活動とどのように交わって構築されているかを明らかにした。今後は、『カスターブリッジの町長』に研究の焦点を移し、この物語のなかでヘンチャードの男性性を構成している要素を洗い出し、それらをハーディ文学の変遷のなかに布置する作業を行う予定である。トマス・ハーディのテクストを身体・ことば・貨幣の象徴交換としてとらえ、近代から現代を通じて社会が経験してきたシステム変動ー性の揺らぎ・文学ジャンルの動揺・経済システムの変化ーが個々バラバラではなく、密接に関連した事象として立ちあらわれる様子を析出した。身体が近代の刻印を受ける様子や、「テクスト化された身体」やことばが主体転覆をはかる様子、それに対応してリアリズムに亀裂が入る様子などを、『日陰者ジュード』『ダーバヴィル家のテス』を中心に分析した。またそれに先んずるかたちで、主体転覆のプロセスが、19世紀における経済システムの変動と軌を一にするものであったとの主張を、文学批評に辿った。テクスト分析、論文アウトライン作成まではほぼ順調に進行しているのだが、12,000wordsのJude論を雑誌投稿用6,000wordsに編集しなおすといった作業のために時間をとられてしまい、執筆作業が遅れがちである。
海洋付着生物幼生の検出を目的としたマルチ蛍光プローブの開発

フジツボ類、イガイ類などの海洋付着生物幼生の個体数を容易に把握できるシステム開発に応用できるマルチ蛍光プローブ化合物の開発を行うために、様々な蛍光プローブ化合物を合成し、フジツボキプリス幼生に対する作用について蛍光顕微鏡下で観察を行った。その結果、フジツボキプリス幼生検出システム開発に必要と思われる各種官能基や、蛍光基について、また付着阻害活性発現に関して多くの新たな知見を得るに至った。フジツボ類、イガイ類などの海洋付着生物幼生の個体数を容易に把握できるシステム開発に応用できるマルチ蛍光プローブ化合物の開発を行うために、当該年度は、同一分子内に複数の蛍光分子を含む化合物の合成とそれらの発色(蛍光)についての観察、および得られた化合物の分光蛍光光度計による分析を行った。トリアジン環を基本骨格として、5-(ジメチルアミノ)ナフタレンスルホニル(ダンシル)誘導体、フルオレスセイン誘導体、7-クロロー4-ニトロベンソフラン(NBD)誘導体を蛍光官能基として有する化谷物の合成を検討した。その結果、ダンシル基、NBD基を導入した化合物の合成が比較的容易であり、蛍光顕微鏡下での発色も良好であることが観察された。また、同一分子内にダンシル基とNBD基を有するトリアジン環化合物を合成したところ、蛍光顕微鏡下で、複数のフィルター使用条件下で良好な蛍光が観察されることが明らかになった。本化合物を分光蛍光光度計で分析したところ、複数の励起波長、および蛍光波長の存在が確認された。さらには、トリアジン環を樹木状に展開した、さらに多くの蛍光官能基を有する化合物の合成を検討した。しかしながら、分子量があまり大きくなりすぎると各種有機溶媒への溶解性が低下し、合成効率が悪くなることが示唆された。以上の結果より、蛍光官能基としては、ダンシル基、NBD基が望ましいこと、また分子の大きさとしては、トリアジン環が一つの化合物が望ましいことが示唆された。フジツボ類、イガイ類などの海洋付着生物幼生の個体数を容易に把握できるシステム開発に応用できるマルチ蛍光プローブ化合物の開発を行うために、当該年度は、様々な、各種官能基を有する蛍光プローブ化合物の合成、得られた化合物の分光蛍光光度計による分析、およびフジツボキプリス幼生に対する作用の観察を行った。炭素が約10の炭化水素鎖を連結部分として、様々な各種官能基と、5-(ジメチルアミノ)ナフタレンスルホニル(ダンシル)誘導体を基本蛍光官能基として有する蛍光プローブ化合物の合成を行った。そして、合成した各種蛍光プローブを用いて、フジツボキプリス幼生に対する作用を観察した。その結果、従来では、イソニトリル基を有する場合のみに特異的な蛍光が観察されていたが、アルコール、エーテル、エステル、ハロゲンなど他の官能基を有する場合にも、化合物によっては、キプリス幼生内の油球部分に蛍光が観察されることが明らかになった。また、ハロゲン原子を有する蛍光プローブ化合物の観察の結果、昨年度の成果と同様に、分子量が大きくなるほど、蛍光の強度が弱くなり、分子量の大きさが油球への取込みに影響していることが示唆された。なお、蛍光強度と付着阻害活性に関して考察したところ、付着阻害活性の強さと、油球での蛍光強度に相関があることが示唆された。今後、他の生物種との取込みの差の比較等を検討することによって、本研究の成果が海洋付着生物幼生検出システム開発に応用されることが期待される。
βアミロイド形成機序に関する免疫細胞化学的研究

アルツハイマー病(AD)脳を特徴づける病理変化のうち、老人斑、脳血管におけるβアミロイドの沈着は、ADの最初期から出現し、その病因と最も深く関連した病変と考えられている。近年Aβのカルボキシル(C)末端長のわずか2残基の相違が、Aβの自己凝集性に大きな影響を及ぼすことが示され、老人斑に蓄積するAβは細胞の分泌する主要分子種であるAβ40ではなく、凝集性の高いAβ42(43)が主体であることも明らかになった。さらに脳内に蓄積するAβのアミノ(N)末端側にもイソ体化、ラセミ体化、ピログルタミン酸化などの修飾、N末端の多様性などが見出され、凝集性との関連も論議されつつある。本研究においてはまずAβの異なる長さのC末端とN末端、またラセミ化、イソ体化、ピログルタミン酸化などの修飾を特異的に認識する抗体を系統的に作製し、AD組織上に分布する各種のアミロイドに含まれるAβを免疫組織化学的に同定した。次にこれらの抗体を用いて、様々な修飾を受けたAβ分子種を免疫化学的に定量した。その結果、(1)AD及びDown症(DS)脳に初期に蓄積しはじめるびまん性老人斑(diffuse plaque;DP)に蓄積するAβのC末端はAβ42(43)であり、N末端は3位のグルタミン酸が環化したN3(pyroGlu)もしくは1位のアスパラギン酸(N1Asp)で始まる分子種が主体であり、後者はラセミ化、イソ体化を受けた分子種と標準型のL-Aspの両者が混在すること(2)ADおよびDS脳に蓄積したアミロイドの蟻酸抽出物のELISAによる解析から、脳実質に最も優位に蓄積するのはAβ3(pyroGlu)-42(43)であることが判明した。今後、βアミロイド蓄積を招来する過程がいかなる形で細胞死を生じるのかについての検討が必要と考えられる。(1)Aβペプチド末端、修飾特異抗体の作製と特異性の検定ΑβのC末端(Aβ40,42)を特異的に認識するポリクローナル、モノクローナル抗体はすでに得られ、その特異性は2抗体法ELISAやイムノブロットで確認された。N末端側についても、βアミロイド中に存在が確認されているAβL-Aspl,pyroGlu3断端に対する抗体を樹立した。これに加えて、L-isoAsp(1,7)を含むペプチド(Aβ1-16)を合成し、これに対するモノクローナル抗体を樹立した。(2)Αβ部位特異抗体を用いたAD脳、Down症脳の免疫細胞化学AD,Down症剖検例大脳皮質のパラフィン包埋標本から連続切片を作製し、上記の数種類の抗体を組み合わせて連続切片上で免疫染色を施し、各種のAβ蓄積物がどのような性状のAβペプチドを含むかを検討し、あわせて計量的解析も行った。β蛋白の修飾状態を検討するための特異抗体はほぼ計画通り樹立され、これによりアルツハイマー脳、ダウン症脳組織を系統的に検索することができた。検討を進める間に、組織の固定状態によりβ蛋白アミノ末端側の免疫反応性が大きく影響を受けることが明らかとなった。これに対しては共同研究者のTrojanowski,Lee教授から供与されたアルコール固定パラフィン包埋標本を用いて再検討を行っている。この結果を待って、脳より抽出したβアミロイド蛋白の生化学的解析に着手できる見通しである。

アルツハイマー病(AD)脳を特徴づける病理変化のうち、老人斑、脳血管におけるβアミロイドの沈着は、ADの最初期から出現し、その病因と最も深く関連した病変と考えられている。近年Aβのカルボキシル(C)末端長のわずか2残基の相違が、Aβの自己凝集性に大きな影響を及ぼすことが示され、老人斑に蓄積するAβは細胞の分泌する主要分子種であるAβ40ではなく、凝集性の高いAβ42(43)が主体であることも明らかになった。さらに脳内に蓄積するAβのアミノ(N)末端側にもイソ体化、ラセミ体化、ピログルタミン酸化などの修飾、N末端の多様性などが見出され、凝集性との関連も論議されつつある。本研究においてはまずAβの異なる長さのC末端とN末端、またラセミ化、イソ体化、ピログルタミン酸化などの修飾を特異的に認識する抗体を系統的に作製し、AD組織上に分布する各種のアミロイドに含まれるAβを免疫組織化学的に同定した。次にこれらの抗体を用いて、様々な修飾を受けたAβ分子種を免疫化学的に定量した。その結果、(1)AD及びDown症(DS)脳に初期に蓄積しはじめるびまん性老人斑(diffuse plaque;DP)に蓄積するAβのC末端はAβ42(43)であり、N末端は3位のグルタミン酸が環化したN3(pyroGlu)もしくは1位のアルパラギン酸(NlAsp)で始まる分子種が主体であり、後者はラセミ化、イソ体化を受けた分子種と標準型のL-Aspの両者が混在すること(2)ADおよびDS脳に蓄積したアミロイドの蟻酸抽出物のELISAによる解析から、脳実質に最も優位に蓄積するのはAβ3(pyroGlu)-42(43)であることが判明した。今後、βアミロイド蓄積を招来する過程がいかなる形で細胞死を生じるのかについての検討が必要と考えられる。
非定常なひずみ硬化領域における荷重履歴のはりおよびはり一柱の変形特性への影響

弾性域を越える負荷履歴を受ける材料から構成される構造物の応答解析を工学的に意味のある範囲で精度良く実施することは必要であり,その基本は素材の応力-ひずみ関係である.本報告書では,まず研究代表者らが提案した繰り返し塑性モデル(提案モデルと呼ぶ)の概要を示す.提案モデルは多曲面塑性モデルに修正を加えて構築されたモデルである.提案モデルの妥当性を確認するため, 3種の構造用鋼材の材料特性を基本的な素材試験によって決定した.そして,材料特性を求めるために実施したこれらの試験とは別に実施された繰り返し載荷試験において測定された履歴引張圧縮応力-ひずみ関係を,得られた材料特性を用いて提案モデルによって計算した.その結果,提案モデルを用いることによって,履歴引張圧縮応力-ひずみ関係が精度良く推定できることを示した.次に,提案モデルを用いて,みりおよびはり-柱断面の履歴曲げモーメントー軸力-曲率関係を求める解析システムを構築した.本方法では,提案モデルを一軸応力状態に適用し,接線剛性法を一部修正して高精度化をはかった.解析システムの応用例として,圧延H型鋼はりの弾塑性履歴曲げモーメントー曲率関係をそれによって推定し,その有効性を検討した.そのために厳しい交番曲げを受けるH型鋼はりの曲げモーメントと曲率の関係を測定した.材料特性は試験体から切り出した試験片の引張試験と基本的な引張圧縮試験から決定した.試験体の残留応力は孔あけ法により測定した.測定された材料特性と残留応力を用いて,交番曲げを受けるH型鋼はり断面の履歴曲げモーメントー曲率関係を計算した.その結果,バイリニアモデル等の簡略な応力-ひずみモデルをこのような問題に適用することは妥当ではなく,提案モデルを用いた本方法によって精度良くそれらの関係が推定できることを示した.弾性域を越える負荷履歴を受ける材料から構成される構造物の応答解析を工学的に意味のある範囲で精度良く実施することは必要であり,その基本は素材の応力-ひずみ関係である.本報告書では,まず研究代表者らが提案した繰り返し塑性モデル(提案モデルと呼ぶ)の概要を示す.提案モデルは多曲面塑性モデルに修正を加えて構築されたモデルである.提案モデルの妥当性を確認するため, 3種の構造用鋼材の材料特性を基本的な素材試験によって決定した.そして,材料特性を求めるために実施したこれらの試験とは別に実施された繰り返し載荷試験において測定された履歴引張圧縮応力-ひずみ関係を,得られた材料特性を用いて提案モデルによって計算した.その結果,提案モデルを用いることによって,履歴引張圧縮応力-ひずみ関係が精度良く推定できることを示した.次に,提案モデルを用いて,みりおよびはり-柱断面の履歴曲げモーメントー軸力-曲率関係を求める解析システムを構築した.本方法では,提案モデルを一軸応力状態に適用し,接線剛性法を一部修正して高精度化をはかった.解析システムの応用例として,圧延H型鋼はりの弾塑性履歴曲げモーメントー曲率関係をそれによって推定し,その有効性を検討した.そのために厳しい交番曲げを受けるH型鋼はりの曲げモーメントと曲率の関係を測定した.材料特性は試験体から切り出した試験片の引張試験と基本的な引張圧縮試験から決定した.試験体の残留応力は孔あけ法により測定した.測定された材料特性と残留応力を用いて,交番曲げを受けるH型鋼はり断面の履歴曲げモーメントー曲率関係を計算した.その結果,バイリニアモデル等の簡略な応力-ひずみモデルをこのような問題に適用することは妥当ではなく,提案モデルを用いた本方法によって精度良くそれらの関係が推定できることを示した.研究代表者らは、き裂解析や局部座屈解析などの局部的な応力解析に際して必要となる、金属材料の繰り返し塑性のための構成モデルをすでに提案した。本研究では、研究代表者らが提案した繰り返し塑性モデルを用いて、圧延H型鋼はりの繰り返し荷重下での履歴曲げモーメント-曲率関係を推定する。推定結果は、著者らが実施した載荷試験によって得られた測定結果と比較される。解析方法としては、W.F.Chenらによって提案された接線剛性法(Tangential Stiffeness Method)を修正して用いた。接線剛性法においては、断面の接線剛性を評価しなければならないが、これには断面各部での接線係数を評価した上で、それを用いて断面に関して積分しなければならない。本研究では、断面を微小三角形要素に分割し、要素内の積分値を解析的に求め、これを全要素にわたって総和することによって断面の積分値を求めた。その際、要素内で接線係数は線形に変化するものと仮定した。また、本解析は非線形解析であるので、各増分段階においてNewton-Rapson法によって解を収束させた。材料特性および残留応力分布は、試験体およびそれから切り出されたJIS5号試験片による測定結果から決定した。対象とする負荷は、本年度はもっとも基本的な場合として強軸および弱軸回りの一軸曲げとした。この場合においても素材の履歴応力-ひずみ関係が精度良く推定されなければ、曲げモーメント-曲率関係が推定できないことは明らかである。上述の方法によって計算された強軸回りの一軸曲げの場合の履歴曲げモーメント-曲率関係を実測値と比較し、良好な推定がなされていることが分かった。今後は、軸力のある場合も含めてより複雑な負荷履歴を受けるはりおよびはり-柱の変形特性を推定し、実測結果と比較する。
地下水流れと相変化を伴う地中熱交換器の採熱特性

地層浅部の地熱エネルギーを有効利用するための方式として,螺旋管型地中熱交換器方式を提案し,その採熱特性に及ぼす地下水流れの影響について数値計算により検討を行った.また,将来的なマグマからの採熱に伴って生じるマグマの凍結・凝固などの相変化現象を明らかにするため,多孔質層内の冷却実験を行った.その結果,地下水流れがあると螺旋管型地中熱交換器の採熱量が増大すること,多孔質層内の凍結挙動は空隙率の違いにより複雑に変化することが明らかになった.地層浅部の地熱エネルギーを有効利用するための方式として,螺旋管型地中熱交換器方式を提案し,その採熱特性に及ぼす地下水流れの影響について数値計算により検討を行った.また,将来的なマグマからの採熱に伴って生じるマグマの凍結・凝固などの相変化現象を明らかにするため,多孔質層内の冷却実験を行った.その結果,地下水流れがあると螺旋管型地中熱交換器の採熱量が増大すること,多孔質層内の凍結挙動は空隙率の違いにより複雑に変化することが明らかになった.平成21年度には,地層内の熱の移動が熱伝導の場合の螺旋管型地中熱交換器方式による採熱量を解析する数値計算プログラムを作成した。また,作成した数値計算プログラムを用いて,螺旋管型地中熱交換器方式による採熱量について数値計算を行い,採熱量に及ぼす採熱媒体の流量の違いの影響や,循環方向の違いの効果などについて検討を行った。また,平成22年度から相変化現象を伴う問題に対しても適用できる数値計算プログラムを作成する予定であるが,その基礎的実験データを得るために,本年度はさらにU字管周りの凍結挙動について予備的実験を行った。この実験で得られたデータは,相変化現象を対象とした数値計算プログラムを作成する際に,その計算精度を検証するために必要となる。本研究で提案している螺旋管型地中熱交換器方式によれば,伝熱面積を拡大することが困難であると指摘されてきた従来型の地中熱交換器方式の欠点をかなりの程度克服することが可能であると考えられる。さらに,地中熱交換器による採熱に伴い,水分を含んだ周囲の地層内に相変化現象(水の場合は凝固)が生じ,この現象が地中熱交換器の採熱量に大きな影響を及ぼすことが予想されるが,本研究はこのような相変化現象を伴う場合にも適用できる数値計算プログラムを作成し,螺旋管型地中熱交換器方式の採熱特性を明らかにしようとするものであり,その意義と重要性はきわめて高いと考えている。前年度に作成した,地層内の熱の移動が熱伝導の場合の螺旋管型地中熱交換器方式による採熱量を解析する数値計算プログラムを基にして,平成22年度には,熱抽出に伴う相変化現象に対しても適用できるように,数値計算プログラムの修正に着手した。しかしながら,まだ十分な精度の計算結果が得られておらず,現在もなお数値計算プログラムを修正・検討中である。平成23度から多孔質(地層を模擬)内の相変化現象を伴う実験的研究に着手する予定であるが,その基礎データを得るために,本年度は多孔質で充填された矩形容器内の凍結問題に対して,数値計算による検討も行った。今年度は、地層を模擬した多孔質層内の相変化現象に関する実験的研究に着手するとともに、先行して作成した数値計算プログラムを用いて、多孔質層内の相変化現象についての数値シミュレーションを実施した。実験装置には、凍結挙動を可視化するためにアクリル製の密閉容器を用い、壁面に設置した銅製冷却面をペルチェ素子により電気的に温度制御した。この実験装置により、空隙率あるいは充填粒子径が、多孔質層内における水の凍結挙動に及ぼす影響について検討した結果、凍結層の形状のほか、流れ場、温度場ともに、実験結果と数値シミュレーション結果がよく一致した。本研究で提案している螺旋管型地中熱交換器方式を用いることにより、伝熱面積を拡大することが困難であると指摘されてきた従来型の地中熱交換器方式の欠点をかなりの程度克服することが可能であると考えている。また、地中熱交換器を用いて周囲地層より採熱を行う場合、水分を含んだ周囲の地層内に相変化現象(水の場合は凝固)が生じ、この相変化現象が地中熱交換器の採熱量に大きな影響を及ぼすことが予想される。本研究は、このような相変化現象を伴う場合にも適用できる数値計算プログラムを作成し、螺旋管型地中熱交換器方式の採熱特性を明らかにしようとするものであり、その意義と重要性はきわめて高いと考えている。今年度(平成23年度)は、昨年度に製作した実験装置に改良を加えて、地層を模擬した多孔質層内の相変化現象を解明するための実験を行うとともに、数値シミュレーションによる検討も行った。さらに、地層内に地下水流れが存在する場合にも適用できるように、螺旋管型地中熱交換器方式の採熱特性を検討するための数値計算プログラムを改良し、併せて数値シミュレーションを行った。

実験装置には、多孔質層内の凍結挙動を可視化するためにアクリル製の密閉容器を用いた。また、冷却面を実現するために銅製冷却面の背後にペルチェ素子を配置し、これにより電気的に冷却面温度の制御が可能な構造とした。この実験装置を用いて、ガラス粒子の充填高さ、および多孔質層の温度伝導率が、多孔質層内における水の凍結挙動に及ぼす影響について検討した。その結果、1)ガラス粒子の充填高さが高くなるにしたがい、全体の凍結量は減少する、2)多孔質層の温度伝導率が増加するにしたがい、容器内の凍結完了時間が減少する、ことが明らかになった。さらに、実験結果と数値シミュレーション結果を比較したところ、両者は、凍結層の形状のほか、流れ場、温度場ともによく一致した。地層内に地下水流れが存在する状況下において、地中熱交換器を用いて採熱を行うと、地層の温度状況に依存するが、水分を含んだ周囲の地層内に相変化(水の場合は凝固)が生じ、この相変化現象が地中熱交換器の採熱量に大きな影響を及ぼすことが予想される。本研究は、このような相変化現象を伴う場合にも適用できる数値計算プログラムを作成し、螺旋管型地中熱交換器方式の採熱特性を明らかにしようとするものであり、その意義と重要性はきわめて高いと考えている。本年度は、地層を模擬した多孔質内の相変化現象を伴う実験に着手する予定であったが、計画通り、実験に着手するとともに、得られた実験データと数値シミュレーション結果(前年度に作成した数値計算プログラムを用いて計算)とを比較検討することができたため。24年度が最終年度であるため、記入しない。螺旋管型地中熱交換器方式による採熱量を算定する数値計算プログラムと、多孔質内の相変化現象を把握する数値計算プログラムの両者を合体させ、地下水流れと相変化現象を伴う場合にも適用できる、数値計算プログラムを作成する。
差分法に基づく超高精度数値解法の構築と非適切な偏微分方程式逆問題への応用

世に広く知られるようになってきた鉱物資源探査、工学非破壊検査、医療診断におけるCT検査等々は、数理科学では「逆問題」の名で総称される。この問題の特徴は、確定した答えがあるとは必ずしも言えないこと、測定に際してのちょっとした誤差が、答えに重大な変化を与える可能性のあることである。解きにくく、性質の悪いこの逆問題を、コンピュータを用いて精度良く安全に解く方法を研究した。解がデータに連続的に依存しないという意味での非適切な問題、特に偏微分方程式の逆問題と通称される問題を数値的に解く強力な方法を展開する。「超高精度近似解法」と「任意多倍長計算法」の組合せにより、データにノイズが含まれない問題に対しては、『工夫のないことを工夫する』ことを目指す。ノイズが含まれる問題に対しては、伝統的な正則化法を、任意多倍長計算法による新しい観点から捉えなおす。非適切問題として典型的なラプラス方程式に対する一般的なコーシー問題や、時間逆向き熱伝導方程式の初期値・境界値問題について、超高精度の数値解を作るためには、境界要素法による離散化には限界が感じられた。そこで、汎用性を保ったまま離散化の精度を容易に上げることのできる差分法に取り掛かった。高次の差分法を、本研究では指数関数群を基底に用いて開発し、これを指数関数補間による任意多点差分法と命名した。この補間法により、50次程度までの精度向上が容易になった。一方、コンピュータ内での四則演算における丸め誤差をも、離散化精度の向上にあわせて、小さくしなければならない。京都大学大学院情報学研究科・藤原氏によって開発されている任意計算精度演算プログラムexflibをご提供いただいて、解が特異点を持たないようなラプラス方程式や熱伝導方程式の逆問題であれば、十分に精度の高い数値解を構成することを可能とした。この任意精度多点差分法による偏微分方程式の解法の成功の裏には、求められるべき解が対象領域の近くに特異点をもたないという条件の外に、境界値などのデータは正しく与えられているということが要請されている。しかしながら、工学・医療などの応用においては、データに測定誤差が入ることが当然である。ノイズを含むデータを上記の方法で扱うと、方法自体の鋭敏性のために、却って悪い数値解が得られてしまう。精度を高く保ちつつ、ノイズのあるデータの受入れを可能とする計算方法は原理的にはないと言える。精度が高い方法は、間違いなく鋭敏であるからである。精度をある程度犠牲にして、方法の頑健性・安定性を確保しながら、ノイズのあるデータを許すために、最小二乗法の系統として知られているチコノフの正則化法を志向した。そのために、先ずは行列の特異値分解を再考することとした。研究2年目として、当該年度はデータにノイズが含まれる場合を許す解法の構築に重点を置いた。一昨年度から、従来の多項式ベースの差分法をやめて、指数関数をベースとする補間法から導くことのできる指数型多点差分法に切り替え、任意精度かつメッシュフリーの差分法を採用した。その結果、データに誤差がなく、しかも対象領域の近傍に特異点のない解をもつラプラス方程式のコーシー問題に対しては、望む精度の結果を出せることに成功した。コーシーデータに誤差が混入している場合には、もともとのコーシー問題は解をもたないことになる。しかしながら、誤差が混入していない状況を想定して本来のコーシー問題を解くことが要求されているはずであるから、誤差の混入に対する処置が必要となる。任意多点差分法による離散化によって得られる連立一次方程式は、決まって悪条件のため、右辺定数項に誤差を含む場合には、何らかの正則化が必要となる。正則化なしに連立一次方程式を解いても無意味となるからである。実際、通常の倍精度計算といった、逆問題の数値計算においては精度の低い計算法を用いると、計算桁数不足という自然な正則化により、データに誤差が混入している場合にあっても、許容できる計算結果が得られた。しかしながら、このような計算結果には品質保証をつけにくい。正解があらかじめ知られているからこそ、結果が許容できるか否かが判断できるのである。実際の問題では、正解は分からないので、計算結果の許容基準を他に求めなければならない。そのような可能性の1つとして、擾乱の混入を確率過程と見做すモデルを取り上げ、フィルタリングを組み合わせた方法を案出し、基礎的なアルゴリズムを構築した。研究3年目として、データにノイズが含まれる場合を許容する正則化法の構築に重点を置いた。任意多倍長計算環境を利用した場合、精度が鋭敏すぎることから、ノイズの混入したコーシーデータをもつラプラス方程式では、初期曲線のごく近傍でさえも数値解は全く得られないことを示し,我々の計算法は、解の存在しない問題に対して、解が存在しないことを忠実に示す新たな計算法を提供していることを強調し,査読付き論文として発表した(NCTAM誌,第57巻)。

一方、実際問題においては、解の存在するモデルが想定されており、測定誤差の混入によって、数学的には解が存在しなくなっても、想定された問題の解を示唆する計算結果を示して欲しいわけである。計算環境については既に汎用的に使用可能となっている任意多倍長浮動小数点演算システムを使用した。指数型多点差分法を任意多倍長演算システムに融合し、入力データに対して連続的に依存しない偏微分方程式の解、すなわち計算法の立場からは感度が極めて高い解を数値的に頑健性のある方法で求める手法を目標とした。「感度が高い」という性質と「頑健性がある」という性質は互いに矛盾するといえるので、研究の要点は、それらの折り合いをどのように付けるかの指針を示すことである。指針を得る方向としてランク低減法を再検討した。ランク低減法は古い手法ともいえるが、特異値分解を新たに超高精度で行ってのランク低減法が有効であることを突き止め,査読付き論文として発表した(計算数理工学論文集,第8巻)。解がデータに連続的に依存しないという意味での非適切な問題、特に偏微分方程式の逆問題と通称される問題を数値的に解く強力な方法を展開した。対象とした非適切な問題をラプラス方程式の初期値問題(コーシー問題)と時間逆向き熱伝導方程式の最終値(注:初期値の反対)境界値問題に特化し、これらの典型的な2つの逆問題について、完壁な数値解を示すことを研究の目的とした。「超高精度数値解法」における「超」とは、通常の精度を超えるほどの意味である。具体的には有効数字が、10進法百桁程度を想定した。偏微分方程式の近似解法が極力簡単であること、使用するコンピュータが特殊なタイプでないこと(通常市販されているパソコン上で運用できる計算機環境を利用する)の2つを開発の指導原理とした。いわゆる『工夫のないことを工夫する』ことを目指した。指数型多点差分法と任意多倍長演算システムを融合して、特異点を持たず、かつデータに誤差のない場合に対して、目的を実現し、論文として発表した。研究4年目として、データにノイズが含まれる場合を許容する正則化法の構築に重点を置いた。離散化後に得られる連立一次方程式において、擾乱の混入した右辺を確率過程と見做し、フィルタリングを組合わせる方法を案出した。フィルタリングの定式化においては、その数学的な根拠が明確となるように証明を与えた。問題を安定化させるためには、係数行列に対してランク低減法を適用し、このランク低減が数値解析の立場からも保証の付く健全な考えであることを、学会発表で示した。
光波マイクロホンを用いた放電音場の３次元スキャン

光波マイクロホンの多チャンネル化のため、光ファイバー、コリメータレンズ、光ファイバディバイダー、光ファイバースイッチから構成されるシステムの構築を行い、その基礎特性の評価と4チャンネル間の出力強度のキャリブレーション手法を確立した。この4チャンネル光波マイクロホンシステムを用いて沿面放電からの音場分布を計測することに成功した。音場分布は高圧電源の周波数により変化することがわかった。また、放電電極より離れた位置においても超音波が計測可能であった。H24年度は、光ファイバーを用いた光波マイクロホンシステムの構築を行い、光軸調整技術やノイズ対策手法について知見を得た。H25年度は、1つの光源から出たレーザ光を4つに分岐する光ファイバーディバイダーと4つの信号をほぼ同時に取得する光ファイバースイッチを使用して、4並列光波マクロホンシステムを構築し、セッティング手法やノイズ対策手法を考案した。沿面放電からの超音波の検出に関しては、長尺の光ファイバーを用いて検出器の位置を放電素子から遠ざけることで非常にSN比の良い信号を取ることが可能となった。また、4本の並列システム間の若干のばらつきを補正するシステムを構築した。4並列システムを使用したことで、沿面放電から放出される超音波の周波数ごとの減衰特性を明らかにすることができた。放電電極から15cm程度上部においても、超音波を計測可能であった。高圧電源の周波数が低い場合は、電流パルス発生時の衝撃波に伴う音波が計測され、電源の周波数が高くなるにつれ、電源周波数の倍波の周波数成分を有する超音波が検出された。生成したイオンの寿命と空間分布と印加電界との時間的、空間的関係が音波生成に関与していることが示唆された。本研究は、沿面放電生成時に放出される音波を光波マイクロホンを用いてCTスキャンすることにより、電極上の任意の高さにおける放電音場の2次元分布を計測することを目的としている。H24年度ははじめに、通常の光波マイクロホンシステムによるCTスキャンを試みた。しかし、放電時に発生する電磁ノイズの影響を取り除くことが難しく、計測に支障をきたした。そこで、H24年度後期に、光ファイバーを用いた光波マイクロホンシステムの構築を行った。ファイバー系のシステムでは、各レンズ間の光路をファイバー内におさめることで、取り回しの自由度が高くなり、ノイズが入りにくくなることが期待される。なお、ファイバーにはシングルモードファイバーを用いた。このシステムでは、レーザ光の受光器の設置位置は任意であり、沿面放電電極や高電圧電源から遠ざけて設置することで電磁ノイズを大幅に取り除くことができた。また、音波入射位置以外は全てファイバーで覆われていることから、計測対象以外の音波の影響も皆無であった。通常のコンデンサマイクではマイクの位置を観測位置に近づける必要があるため、このようなノイズ対策は不可能である。よって、光を用いた音波検出は、放電音場のような音波と電磁ノイズが共存するような環境では非常に有効であることがわかった。また、このファイバーシステムを並列に複数設置するための固定器具をセットアップした。音波入力位置両端のレンズの調整が非常に重要であることがわかったので、簡単に調整できるよう工夫を施した。H24年度前期は、放電もしくは高電圧電源から発生するノイズの影響や発生源についての調査や対策に時間を消費してしまったがノイズに対する一定の理解を得ることができた。ファイバー系の光波マイクロホンシステムを1系統構築し、超音波振動子からの音波や沿面放電からの音波を計測することができた。また、ファイバー系の光波マイクロホンシステムを複数個並列に設置するための器具も準備した。ほぼ当初の計画書どおりに進捗している。現在まで、ファイバー系光波マイクロホンシステムを1系統作製している。今後は、これを複数系統準備し、沿面放電音波のCTスキャンを行う。沿面放電電極にて、ガス種、放電電圧、プラズマ発光をパラメータとして変化させた場合の音場分布を比較し、音場分布が何によって影響を受けるのか調べる。また、理論計算により放電音圧も求める。2次元音場分布を計測する平面の電極表面からの高さを変えることで放電音場の3次元分布を作製する。また、その際、放電音の周波数成分ごとに分けて分布を作製する。電極近傍では、衝撃波が捉えられることがわかっており、その到達スピードからテイラーモデルを用いて衝撃波のエネルギーを見積もる。ファイバー系光波マイクロホンシステムを1系統製作したが、2次元音場分布のためには、複数系統が必要となる。次年度は、約4系統を並列に並べたシステムを考えており、ファイバーシステムを4系統揃える予定である。ただし、受光器は1つとし、スィッチングデバイスにより、2次元音場分布を計測する予定である。また、海外での研究発表を1件予定している。
最も長い炭素-炭素結合の研究

四員環炭素に4個のフェニル基、および2個のフェニル基と2個のtBu基の結合したナフトシクロブテン誘導体を合成し、X線構造解析を行ったところ、四員環の炭素-炭素結合が、1.721.73Åと、極めて長くなっていることが判明した。特にtBu基2個が結合した場合に、最も長い炭素-炭素結合が観察された。それと同時に、四員環が縮合したベンゼン環の炭素-炭素結合は伸びており、ベンゼン環の電子の局在化が観察された。四員環の炭素-炭素結合が長くなる理由は、立体反発によるものと考えられるが、結合を通しての電子的相互作用で結合が伸びると言う、スルーボンド相互作用説があるので、どちらが真の原因かはっきりしない。このことを明らかにするため、フェニル基が2個、シスおよびトランスに結合したナフトシクロブテン誘導体を合成して、X線構造解析を行ったところ、炭素-炭素結合の長さにほとんど差が現れなかった。この結果は電子的相互作用説は否定され、立体的相互作用説が正しいことを証明するものである。同様に、フェニル基を置換したアントラジシクロブテン誘導体とフエナントラジシクロブテン誘導体を合成してX線構造解析を行ったところ、いずれの場合も立体的反発のため、四員環の炭素-炭素結合が異常に長く伸びていることが判明した。これらの異常に長い結合を含むシクロブテン環は、熱的に安定であることも判明したが、これは次の理由によるものと考えられる。もし、四員環が開裂すれば、立体的に更に混み合いの大きいビラジカル構造を取るか、ベンゼン環の共鳴エネルギーを失うキノジメタン構造を取る不都合が生じるためと考えられる。四員環飽和炭素に種々の置換基を導入したナフトシンクロブテン誘導体の異性体を合成し、四員環の飽和炭素間の結合距離をX線構造解析によって決定した。そして、置換基の種類と置換様式が炭素-炭素結合距離にどのような影響を与えるかを検討した結果、結合を通しての電子的相互作用、即ち、スル-ボンド相互作用よりも、立体的反発が結合を長くする主な原因であることが判明した。例えば、フェニル基が4個置換した誘導体(A)の炭素-炭素結合の長さ1.720Åに比べて、フェニル基2個とt-ブチル基2個がそれぞれ同じ炭素に結合したジェミナル誘導体(B)では1.729Åと極めて長くなることが判明した。一方、フェニル基2個とt-ブチル基2個がトランスでビシナルに置換した誘導体(C)の炭素-炭素結合は1.686Åであった。これらの結果は、結合が長くなる原因は立体的反発に基づくもので、電子的相互作用に基づくものではないことを示している。即ち、電子的相互作用はフェニル基がトランスでビシナルに結合した(C)で大きくなるはずであるが、実際は電子的相互作用が期待されないBで結合が長くなっている。更に、誘導体(A)のフェニル基のパラ位にフッ素原子を導入した、テトラパラフロロフェニル誘導体(D)の炭素-炭素結合は1.720Åであり、結合を長くさせる電子的効果は見出されなかった。しかしながら、結合を長くさせる因子として、電子的効果を全く排除できない事実も見つかった。誘導体(A)はナフタレン環に2個の塩素原子が置換しているが、この塩素原子2個をヨウ素原子に置換すると、炭素-炭素結合が記録的長さの1.733Åとなった。ヨウ素原子の電子的効果が考えられる。このことは、次年度の研究で解明したいと考えている。

それと同時に、四員環が縮合したベンゼン環の炭素-炭素結合は伸びており、ベンゼン環の電子の局在化が観察された。四員環の炭素-炭素結合が長くなる理由は、立体反発によるものと考えられるが、結合を通しての電子的相互作用で結合が伸びると言う、スルーボンド相互作用説があるので、どちらが真の原因かはっきりしない。このことを明らかにするため、フェニル基が2個、シスおよびトランスに結合したナフトシクロブテン誘導体を合成して、X線構造解析を行ったところ、炭素-炭素結合の長さにほとんど差が現れなかった。この結果は電子的相互作用説は否定され、立体的相互作用説が正しいことを証明するものである。同様に、フェニル基を置換したアントラジシクロブテン誘導体とフェナントラジシクロブテン誘導体を合成してX線構造解析を行ったところ、いずれの場合も立体的反発のため、四員環の炭素-炭素結合が異常に長く伸びていることが判明した。これらの異常に長い結合を含むシクロブテン環は、熱的に安定であることも判明したが、これは次の理由によるものと考えられる。もし、四員環が開裂すれば、立体的に更に混み合いの大きいビラジカル構造を取るか、ベンゼン環の共鳴エネルギーを失うキノジメタン構造を取る不都合が生じるためと考えられる。
ソリューションプラズマによるβ-C3N4の合成と評価

β-C3N4はダイヤモンドより硬い物質と期待されているが、未だ合成例はない。そこで、ソリューションプラズマ(SP)プロセスを用いてβ-C3N4の合成を試みた。生成物はSEM観察から数十ミクロンの中空六角柱の構造であり、XRD分析より分子性結晶であった。シート抵抗は絶縁物相当である。このことは、原料分子のsp3構造の存在を示唆している。等温吸着線はIII型を示した。これは、マイクロポアへのガス吸着である。窒素含有が多いためガスとの相互作用も大きい。比表面積はカーボンより二桁低い。最終的に、目的物質は得られなかったが、分子レベルでβ-C3N4の骨格を持つ高分子材料を得た。β-C3N4はダイヤモンド以上の硬さを有する物質として、計算科学の見地から予見されてきたが、実際の合成には未だ成功していない。本研究では、液中のソリューションプラズマプロセスを用いてβ-C3N4の合成を試みた。平成28年度は、ダイヤモンドとβ-C3N4の合成を目指し、アダマンタンまたはヘキサメチレンテトラミンを出発原料に選択し合成した。まず、アダマンタンをヘキサンに溶解させ、ソリューションプラズマによる合成を行い、生成した材料をXRD、ラマン分光分析、TEMで評価した。しかし、ヘキサンから生成されるカーボンと同様の組成、構造が観察され、ダイヤモンドの存在は確認できなかった。また、ヘキサメチレンテトラミンをクロロホルム中に飽和溶解度まで溶解させ、ソリューションプラズマにより合成を行った。ソリューションプラズマ処理後、溶液中には大量の粉末が生成した。得られた粉末をSEM観察すると、数十ミクロンの中空六角柱の構造が多数観察された。XRD分析より結晶構造が確認され、分子性結晶を形成していることが示唆された。さらに、XPS分析より、元のヘキサメチレンテトラミンとは組成が異なり、Cl成分を含んでおり、これが結晶化して析出していることが分かった。この粉末を300°Cで加熱すると黒色の材料となり低温で炭化が促進することが明らかとなった。この材料の窒素組成比率は、炭素に対し20%であり、XRDの構造解析より、アモルファス構造であることが分かった。目的としているダイヤモンド合成やβ-C3N4のソリューションプラズマによる合成可能性について、出発原料や溶媒を選択し合成実験を計画通り進めている。目的物質の合成には至っていないが、各条件で得られる合成物の評価を順次進めており、おおむね順調に研究を進めている。また、当初予想していなかったことであるが、ヘキサメチレンテトラミンを原料として、新たな窒化炭素系の材料を合成することができた。今後の研究の進展によっては、新物質の発見にもつながると考えられる。以上のことから概ね研究は順調に進展していると判断した。β-C3N4はダイヤモンド以上の硬さを有する物質として、計算科学の見地から予見されてきた。しかし、実際の合成では、未だに成功例がない。平成28年度は、ダイヤモンドとβ-C3N4の合成をめざし、アダマンタンまたはヘキサメチレンテトラミンを出発原料に選択し合成した。しかし、どちらの原料からも処理後の溶液中には大量の粉末が生成した。得られた粉末のSEM観察から、数十ミクロンの中空六角柱の構造が多数観察できた。XRD分析より一定の周期構造(結晶構造)を有することを明らかにした。この周期構造は、分子性結晶に起因する。そこで、本年度は、ソリューションプラズマ形成条件を変化させ、最終生成物の評価と特性の探索を行った。特性の探索には、シート抵抗、走査型示差熱分析(DSC)及び等温吸着実験を行った。シート抵抗は3200Ω/□であり、導電体とは言えない。このため、原料分子に内在しているsp3構造が生成物へと継承されていることがわかる。また、得られた物質は、200°C程度から熱分解が始まり、280°Cでは、完全に炭化した。このことは、高分子系材料のDSC結果と類似している。また、得られた等温吸着線はIII型を示し、マイクロポアによるガス吸着が進むことが判明した。また、窒素含有量が多いため、ガスとの相互作用も比較的大きい。一方、比表面積は、通常のカーボン材料より低く、約1/100を示した。以上より、当初目的としたβ-C3N4を合成を達成することはできなかったが、β-C3N4の分子レベルでの骨格を有する高分子を新たに合成することに成功した。この高分子材料は、ガスとの相互作用が良好であり、ガス脱吸着材として展開できる可能性がある。

平成28年度に引き続き、ソリューションプラズマの溶媒や原料、プラズマの条件を変更し、物性への影響を評価する。ダイヤモンドやβ-C3N4は少量生成する可能性があるため、平成28年度で合成した材料の詳細な解析を進め、生成の有無を確認する。また、ヘキサメチレンテトラミンから合成した新たな窒化炭素系の材料について詳細な解析を進め反応の詳細や合成された物質の構造を明らかにする。また硬さや新たな機能の有無について評価を進める。金属・資源生産工学当初年度については、原料材料及び合成材料の分子設計等が必要となり、計算による研究を進めたため。今年度計画における合成実験のための原料の種類を増やし、その原料増額分に繰越金額を充当する。
低粘着性発色ガムによる咀嚼機能測定法の開発

本研究は,新しい咀嚼能力判定試料として最近注目されている発色ガムを低粘着性として,総義歯装用患者を含むより広い患者群に適用可能な咀嚼能力の評価法を新たに確立することを目的とした。試料として,ガムベースの成分であるチクルの生成法を改良し従来型発色ガムの粘着性を低下させた2種類のガムベースを試作した。咀嚼機能は一定量のガムベースを被験者に一定回数咀嚼させ,咀嚼後のガムの発色程度(a^*)を色彩色査計を用いて計測することにより評価した。まず健常成人男性5名を用いて,2種類の発色ガムの混合比および咀嚼回数の基礎的検討を行った。ついで本法を健常者および本学学生実習にて作成された総義歯装用患者群各15名に適用し、同一被験者に対し3回繰り返し測定を行った時の変動係数により本方法の測定精度を求めた。さらに両群の(a^*)についてMann-Whitney-U検定を用いて統計学的検討を行った。その結果,以下の結論を得た。1.2種の発色ガムの混合比4:1,咀嚼回数50回の測定条件が最も適切であった。2.本法は全被験者に適用可能であった。3.健常者群の変動係数は1.87-7.90%,平均15.15%であったのに対し,総義歯装用患者群では1.5-17.9%,平均9.75%とやや高い値を示したが、臨床的には十分の精度を有するものと考えられた。4.健常者群における(a^*)の95%信頼範囲は28.76±1.76であったのに対し,総義歯装用患者群では10.05±2.58と低い値を示し,両群間には危険率1%の有為差が認められた。以上,本研究により総義歯装用患者を含む広い患者群に適用可能で,咀嚼機能を簡便かつ客観的に評価できる有用な測定法が開発できた。
生細胞イメージングによる動物細胞DNA修復過程解析

DNA修復に関わる新規因子として、ポリメラーゼQ、UBC13、H2AXなどをターゲットとしてニワトリ細胞DT40、ヒトHeLa細胞などを用いて解析を行った。解析法としては、DNA損傷に対する感受性試験、緑色蛍光タンパク質(GFP)標識法や免疫蛍光染色法による細胞内のタンパク質の挙動、生化学解析法などを使用したその結果、1)ポリメラーゼQは、レーザーによる損傷後直ちに損傷部位に集積し、5分後には消失することが判明した。さらに、ポリメラーゼQ欠損株による感受性試験と生化学解析の結果、ポリメラーゼQは塩基除去修復に関わる新規のタンパク質であることがわかつた。2)UBC13はユビキチン化に関与する機能不明なタンパク質であった。今回UBC13欠損株およびUBC13ノックダウン株を作製して、UBC13が2重鎖切断修復に必須の酵素であることを発見した。UBC13欠損株は様々なDNA損傷剤に高い感受性を示した。UBC13欠損株は組換えタンパク質Rad51の集積が消失していた。また、DNA損傷に関わる重要なタンパク質であるH2AXのユビキチン化が消失していた。レーザーを用いたDNA損傷実験より、UBC13がない状況下では、切断DNA末端を処理して修復に導く様々なタンパク質が切断端に集積しないことがわかった。3)ピストンH2AXタンパク質のリン酸かは放射線照射後、直ちに誘導されるが、このリン酸化が組換え修復に重要な働きをしていることを見いだした。これらの3つの成果は、論文にまとめ発表した。細胞に高エネルギーの短パルス間欠レーザー照射をすることにより、細胞を破壊することなく、核内の特定の領域に2重鎖切断を高密度に導入するシステムを、東北大学・加齢研・安井教授および京都大学先端研木村教授と共同実験で樹立した。このレーザーシステムを用いて、現在DNA損傷部位に集積する蛋白質H2AX、RPA、Rad51の集積を高感度に検出する型を樹立した。これらの蛋白質の挙動をユビキチン化酵素(E2)の一つであるUBC13ノックアウトおよびノックダウン細胞において調査中である。この蛋白の変異細胞ではH2AXのリン酸化は正常に起こるが、RPA、Rad51蛋白の集積が欠損している。さらに、種々のチェックポイントに関与するATM、ATR、CHK1、CHK2蛋白などの挙動を調べ、どの修復経路のどのステップにおいて障害が発生しているのかを明らかにする予定である。また、このシステムを用いて、DNA修復ポリメラーゼQがDNA損傷部位に非常に早い時期に集積することを発見し、現在論文投稿中である。解析法としては、DNA損傷に対する感受性試験、緑色蛍光タンパク質(GFP)標識法や免疫蛍光染色法による細胞内のタンパク質の挙動、生化学解析法などを使用した。その結果、1)ポリメラーゼQは、レーザーによる損傷後直ちに損傷部位に集積し、5分後には消失することが判明した。さらに、ポリメラーゼQ欠損株による感受性試験と生化学解析の結果、ポリメラーゼQは塩基除去修復に関わる新規のタンパク質であることがわかった。
極低温気体の不平等電界放電機構

本研究室では早くから極低温気体の放電に関する研究を行い、平等電界における放電現象はほぼ解明できたので、本課題ではこれまで実験データに乏しい極低温不平等電界における放電現象を明らかにすることを目的として研究し、所期の目標を達成できたと考えている。1.負極性の窒素中の放電は、コロナ放電からグロー放電へ連続的に移行し通常のフラッシオーバという形をとらない。この移行電圧は低温でも変化しないが、常温付近では水蒸気のためやや高い値をとる。2.負極性空気中のフラッシオーバ電圧は温度で全く変化しない。以上の事柄は、針先の曲率半径に依存しない。すなわち負極性では以下に述べる正極性と異なり針先形状の影響を受けない。3.正極性窒素中のフラッシオーバ電圧は、先を鋭くとがらせた円錐針電極では温度が低くなるほど上昇する。針先の曲率半径を大きくしてゆくとその上昇率は小さくなり、曲率半径が2mm以上になると温度で変化しなくなりむしろわずかに下降するようになる。4.正極性空気中のフラッシオーバ電圧は、鋭針では変化しないが曲率半径を大きくしてゆくと常温におけるフラッシオーバ電圧が上昇することは当然であるが、温度が低くなると下降するようになり鋭針と同じ値まで下降してそれ以下の温度では一定になる。以上の結果は放電物理に寄与するものであるが、極低温における絶縁技術からも重要な意味を持っている。最近の高温超電導体の開発によって、液体窒素温度(77K)より高い温度での極低温応用が実現すると、優秀な絶縁材料でもある液体窒素が気化して極低温における気体の放電現象が重要になるであろう。本研究によると窒素ガスの絶縁耐力は負極性が弱点になる可能があり、酸素の混入が考えられる。1.本研究室では,早くから極低温気体の放電に関する研究を行い,平等電界における放電現象はほぼ解明できたと考えている.本研究ではこれまで実験データの少ない極低温・不平等電界における放電現象を明らかにすることを目的にしている.本研究を計画した昭和61年10月には全く予想されなかったことであるが,その後の高温超電導体の開発によって,本研究で取扱っている室温から液体窒素温度にいたる領域の重要性が増している.2.窒素ガスについて,温度を室温から-160°C程度まで連続的に変化させて針一平板電極など不平等電界を形成する電極に直流負極性電圧を加え,コロナ開始電圧,電圧電流特性,火花電圧などの放電特性を実験的に求めた.この結果,火花電圧が常温から-20°C-30°C程度まで温度低下とともに減少し,それ以下では一定になる現象が見出された.しかしながらこれらの特性は微妙な電極先端の形状や湿度などで変化すると思われるので,これらを制御した実験を行って原因を明らかにしたいと考えている.3.上記の低温における火花電圧の低下とは逆に,正極性では低温で火花電圧が上昇することがこれまでの本研究室における実験で見出されていた.今回新らしい実験容器(クライオスタット)により,湿度や電極先端の形状を変えて実験を行った結果,上昇の割合には影響があるが,低温で火花電圧が上昇するという現象については確認することができた.4.この火花電圧上昇は,酸素を微量加えることによって失われ,空気の組成では逆に温度とともに減少することも本研究室で見出されていた.今回新らたに湿度を極力除いた実験を行い,直径わずか1mmの針電極の先端の形状によって変化することが観察された.すなわち先端が円錐状では現われず半球状にすると低温で減少する.これらの理由についても今後明らかにしてゆきたいと考えている.

1.昨年度の研究によって窒素ガス中負極性のコロナ→グロー移行電圧は常温から-20-30°C程度まで温度低下とともに減少し、それ以下の温度では一定になる現象が観察されたのでこの原因を確かめる研究を行った。まず針電極先端の形状を変化させたが上記の性質は変わらなかった。次に水蒸気が原因ではないかと考えガラス容器内に針一平板電極を封入しこれを数百度で熱する(ベーキング)ことによって水分を除いた上で窒素ガスを入れ放電特性を求めた。この結果常温と極低温における移行電圧に有為の差は見られず、常温における移行電圧の上昇は微量の水蒸気のためではないかと推定される。2.正極性窒素ガス中のフラッシオーバ電圧が低温で上昇することが本研究室で見出されていたが、今回詳細な実験を行ったところ針電極先端の形状によって低温における性質が著しく変化することが明らかになった。針を鋭くとがらせた円錐針では温度が低くなるほどフラッシオーバ電圧は上昇し-160°Cでは常温の2倍近い値に達する。しかし先端を半球状にすると曲率半径0.5mmでも上昇率は半分程度に減少し、半径2mmの球電極では温度で変化しなくなる。さらに半径が大きくなるとごくわずかな下降傾向を示すようになる。3.同じ正極性でも空気中では鋭い円錐針では温度のよってフラッシオーバー電圧は全く変化せず、先端の曲率半径を大きくしてゆくと常温におけるフラッシオーバ電圧が上昇し低温になると下降して円錐針の値と一致した温度以下では一定になる。以上のように正極性では窒素中空気中とも針先端形状がフラッシオーバ電圧に大きな影響を持っている。一方負極性では針先の形状は全く影響がない。このことからも負極性における常温付近の電圧上昇は水蒸気等不純物の影響と考えられる。