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マウス胚ノードにおけるカルシウムシグナルの解析と左右決定機構の解明

本研究で提唱したマウス胚ノードにおけるダイナミックなカルシウムシグナルが左右決定の初期のステップに関わっているという新しい仮説について,研究成果とともに"2013FASEBScience Research Conferences : The Biology of Cilia & Flagella"において発表した。海外の関連する分野の著名な研究者と議論することができ,当該分野における本研究のインパクトの大きさを確認することができた。さらに,本研究ではこのカルシウムシグナルの制御メカニズムを細胞レベルで詳細に調べた。マウス胚ノード細胞の繊毛においてカルシウムシグナルに関わっていると思われるPKD2などの因子がどのように繊毛に輸送・配置されるのか詳細は明らかにされていない。そこで,繊毛へのタンパク質の選択的な輸送メカニズムを調べた。そのために,ミシガン大学Kristen Verhey研究室において,哺乳類培養細胞を用いて繊毛輸送を阻害するシステムを構築し,繊毛輸送がどのような影響を受けるか可視化した。その結果,これまでとはPKD2のような膜タンパク質の輸送には,これまで報告されている細胞質タンパク質の輸送とは異なるメカニズムが用いられている可能性が示唆された。マウス胚ノード細胞においてもPKD2などの因子の繊毛への配置が同様に制御され,左右性の決定に寄与している可能性が高い。また,この成果から,マウス胚の左右性の決定のみならず,一般的な繊毛を介したシグナル伝達へと今後研究を発展させられる重要な足がかりを作ることができた。(抄録なし)マウス胚のノード及びその周辺組織での細胞内カルシウムの上昇と,胚の左右非対称性の決定機構との関連を明らかにすることを目的として研究を行った。生きたマウス胚(E7.5)にカルシウム指示薬であるFura-2を取り込ませ,ノード細胞内のカルシウムの濃度の変化を二光子顕微鏡でイメージングするための実験系を構築した。カルシウムシグナルと左右非対称性との関連を調べるため,実験には野生型のマウス胚に加え,左右非対称性に異常をきたす変異体であるiv/ivおよびPKD2ノックアウトのマウス胚も用いた。これらの胚に関して,様々な発生段階における,ノードでのカルシウムシグナルの時空間分布を得ることに成功した。また,得られたデータからカルシウムシグナルの時空間分布を解析するためのプログラムを開発した。現在,カルシウムシグナルの時空間分布について左右非対称性の有無を調べるため,データを詳細に解析中である。また,ノード流とカルシウムシグナルの関係を調べるため,胚に人工的に液流を与えながらカルシウムシグナルをイメージングできる実験系を開発した。この系を用いた実験は来年度(平成24年度)に行う。より定量的かつ長時間の観察を行うため,カルシウム感受性蛍光タンパク質であるcameleon-nanoを遺伝子導入したマウスを作製したが,おそらく解離定数が低すぎたため,ノードでのカルシウムシグナルをうまくイメージングできなかった。そこで解離定数の異なるcameleonを遺伝子導入したマウスを作製中である。マウスの7.5日胚を培養しながらノードの細胞内カルシウムを可視化するための系を確立した。カルシウム感受性の蛍光色素を細胞に取り込ませ,二光子顕微鏡でノードの三次元タイムラプス蛍光像を取得した。この画像からカルシウムシグナルを抽出するアルゴリズムを開発し,画像解析ソフトImageJのマクロを作成した。これを用いて,ノードにおけるダイナミックなカルシウムシグナルの時空間分布を定量的に解析した。野生型・繊毛が運動能を失い左右軸がランダムになる変異体(iv/iv)・およびカルシウム透過性チャネルPKD2のノックアウトにより左右軸がうまく形成できなくなることが知られている胚を用いて,それぞれの胚においてノードのカルシウムシグナルの時空間分布がどのようになるのか解析を始めた。野生型の胚では,始めは一様に分布していたカルシウムシグナルが,ノードでの左右非対称な遺伝子発現が見られる時期になると,ノードの左側でより高頻度に観察された。iv/iv胚においては,左側もしくは右側で高頻度に観察される個体や,両側で同程度に観察される個体があり,平均するとカルシウムシグナル頻度は全ての発生ステージにおいて左右対称であった。PKD2ノックアウト胚では,ノードの両側において,野生型胚に比べてシグナル頻度が有意に低いという結果が得られた。これらのシグナルパターンはノードにおけるNoda1やCerl2などの発現パターンとの関連を示唆しており,ノードでのダイナミックなカルシウムシグナルが左右決定の初期のステップに関わっているという新しい仮説を提唱した。

また,この成果から,マウス胚の左右性の決定のみならず,一般的な繊毛を介したシグナル伝達へと今後研究を発展させられる重要な足がかりを作ることができた。ノードでのカルシウムシグナルの時空間分布を定量化する実験系を完成することができた。これは計画初期の最も重要なステップであり,この成功により,今後の研究を計画通りに進める見通しが立った。ノードでのカルシウムシグナルと胚の左右非対称性の関連を示唆するデータが得られ,当初の計画よりかなり早い段階で論文を発表した。これにより,さらに深く研究を進める見通しがたった。基本的な方針に変更はない。ノードでカルシウム上昇を引き起こす経路が特定できていないため,阻害剤を用いた実験で経路の特定を急ぎたい。またある程度の成果が得られつつあるので学会等でも積極的に発表し広く専門家と議論して研究の進展に生かしたい。これまでの成果から繊毛のカルシウムチャネルを介したシグナル伝達が左右非対称性に重要であることが示唆された。このシグナル伝達機構をより詳細に調べる。そのために,培養細胞を用いるなど当初の計画にはなかったアプローチを導入する必要性が生じた。そこで,培養細胞を用いた繊毛研究を専門とする米国ミシガン大学のKristen J.Verhey研究室にて研究を行う。(抄録なし)
バイラテラル・インピーダンス制御型マスタ・スレ-ヴシステムに関する研究

人間の腕のインピーダンスの調節は、対になっている伸筋と屈筋の張力レベルを制御することによって状況に適した動特性を実現している。(例えば、他人との衝突の可能性がある場合には、外力に応じて腕を柔軟に曲げるなど。)この2つの張力に対応する情報をマスタ側で生成し、スレーブのインピーダンスを調節すれば、人間の腕と同様な機能を持つ遠隔操作型マスタ・スレーブシステムを構成することが出来、人に優しいシステムを構築することが出来る。また、ここで開発される技術は、非常に微小な世界に対して顕微鏡を用いて操作をするようなシステムにも応用可能である。さらに、本研究では、安全性のためインピーダンス調節信号はオペレータが操作しようとしている自由度の残りのもの(例えば、腕を動かす場合は、手の動作など)から取り出すことを想定している。本年度の研究では、2自由度を有するマスタ・スレーブマニピュレータから構成されるた遠隔操作型バイラテラルインピーダンス制御マスタ・スレ-ヴシステムのシミュレータを計算機上で作成し、制御系の有効性をチェックする様々なシミュレーションを行なった。さらに、この結果に基づいて、1自由度を有する遠隔操作型バイラテラルシンピーダンス制御マスタ・スレ-ヴ実験システムを実際に構築し、制御系の有効性を示す基本的な実験データを得た。これらの結果を報告書にまとめ、学会に発表した。
α,α-二置換アミノ酸を基本構成単位とする有用生理活性化合物の新規合成研究

α,α-二置換アミノ酸は種々の生理活性天然物中に見出される基本構成単位であり冬虫夏草より単離された免疫抑制作用を有するミリオシン類や抗痴呆薬としての期待が高まっているラクタシスチンなど、α,α-二置換アミノ酸を構成単位として含む生理活性化合物は枚挙にいとまがない。しかしながらこれらの化合物は天然物として単離されたものであり、光学的にはただ一つの対掌体として存在しているため、両対掌体間における薬理作用の比較はなされていない。したがって、これら化合物の両対掌体を光学活性体として効率良く合成する方法が確立されれば、当然種々の誘導体の合成も可能になり、作用機序の解明を踏まえて、天然物より優れた医薬品の開発も可能になると思われる。このような化合物はその顕著な薬理作用のみでなく、構造化学的にも非常に興味のあるものであり、合成化学的にも重要な位置を占めている。今回の本研究費においては上述した化合物の両対掌体の合成を可能にする新規合成法の確立を目的とし、主に酵素反応を鍵反応として活用した。予備実験としてPLE(pig liver esterase)を用いた不斉加水分解反応を検討し、抗がん作用などを有するフラノセスキテルペン合成の鍵中間体の効率的合成法を確立することが出来た。また、この反応をシクロヘキセン環をα位に有するマロン酸誘導体に応用したところ酵素はsp2炭素とsp3炭素の違いだけを見極めることも可能という事実も明らかとなった。ここで得られた化合物はさらに化学変換を行い、その結果ミリオシン類の基本骨格の簡易不斉合成法の確立に成功した。α,α-二置換アミノ酸は種々の生理活性天然物中に見いだされる基本構成単位である。これらの骨格を光学活性体として効率的に合成できれば新規医薬品の開発においても有用な手段となりうると考えられる。そこで今回マロン酸誘導体に酵素を応用し、免疫抑制作用を有するミリオシン類の一般的なキラル合成法の開発を検討した。まず予備実験として、α,α-二置換マロン酸モノエステルを光学活性体として合成すべく、これまでに当研究室で行ってきた芳香環と縮合したシクロへキセニルジマロネートにPLE(加水分解酵素)を作用させたところ、期待したように反応は進行しハーフエステルが高い光学純度で得られてきた。本化合物は、さらに数工程を経てフラノテルペン類の重要な合成中間体へと変換できた。これらの事実を基盤とし、次に2-シクロへキセニルジマロネートにPLEを作用させたところ、やはり反応は進行するものの得られたハーフエステルの光学純度は約60%と満足の出来るものではなかった。エステルの種類を種々検討したが、光学純度に関しては改良することはできなかった。そこで得られたハーフエステルをCurtius反応に付し、さらに二重結合を酸化開裂したところミリオシン類の基本構成単位であるα,α-二置換アミノ酸を合成することができた。しかしながら、この化合物は天然物とは逆の立体化学を有していることもX線結晶解析の結果より判明した。現在光学純度の改良、さらに絶対配置の反転を検討中である。これらの骨格を任意の光学活性体として効率的に合成する方法が確立できれば天然物合成のみならず、新規医薬品の開発においても有用な手段を提供するものと考えられる。昨年度の本研究費においてはシクロヘキセン環を有するマロン酸誘導体に酵素を応用し、免疫抑制作用を有するミリオシン類の一般的なキラル合成法の開発を検討した。しかしながら、得られた化合物は天然物とは逆の立体化学を有していることが判明した。今年度の研究費においては酵素反応のさらなる応用として、海産アルカロイドであり顕著な抗がん作用を有するエクテナサイジン743のテトラヒドロイソキノリン部の簡易合成法の確立を検討した。

まずホモベラトリルアミンとケトマロン酸ジエチルエステルを縮合し、生成したマロン酸誘導体にPLEを作用させたが、目的とした化合物である光学活性ハーフエステルは得られなかった。そこで、水素化アルミニウムリチウムにより還元し、ジオールとした後ビニルアセテート存在下種々の条件下、リパーゼを用いエステル化を試みたところ、最高60%eeでモノアセトキシ体が生成した。本反応はリパーゼを用いているにも拘わらず条件によっては全くのラセミ体が生成することもあり、現在さらなるeeの向上およびジエステルの酵素による選択的加水分解の条件検討を検討中である。α,α-二置換アミノ酸を構成単位とする生理活性化合物合成の検討において、昨年度から続けている、海産アルカロイドであり顕著な抗がん活性を有するエクテイナサイジン743のテトラヒドロイソキノリン部の不斉合成をさらに詳細に検討した。1位にビスヒドロキシメチル基を有する1,2,3,4-テトラヒドロイソキノリン誘導体にビニルアセテートや他のアシル基交換試薬を用い、またリパーゼを不斉反応剤として不斉アシル化を種々の条件下で検討したが、目的とする化合物は得られなかった。また、原料イソキノリンの窒素置換基についてもアシル基やアルキル基等再三の検討を加えたにもかかわらず、これらの反応も満足する結果を与えるには至っていない。一方、アルツハイマー病の治療薬として期待されているラクタシスチンの合成をセリンを原料に用いて光学活性体として行うことも検討した。この合成計画においてはテトラミン酸の立体選択的還元反応を鍵反応とする予定であり、セリンの不斉源を利用することによりラクタシスチン合成に必要な全ての立体化学を望むべき方向に制御使用とするものである。現在、テトラミン酸の合成までを確立しており、今後すべての官能基の導入などを検討する予定である。
乳房外パジェット病の悪性度に対するMUC5AC発現の関与の包括的検討

我々は乳房外パジェット病の皮内病変、浸潤部、リンパ節からmicroarrayによる解析・比較を行って、MUCサブタイプの発現を検討した。その中でもMUC5ACは、発現の強度と病理学的深達度と予後不良の危険性には正の相関性があることが統計学的有意差を持って確認された。よって、乳房外パジェット病の進行にはMUC5ACの発現亢進が関与している可能性が示唆された。EMPDの上皮内病変、浸潤部、転移の確認されたリンパ節のそれぞれの部位からDNA microarrayによる網羅的に解析・比較を行っているが、DNAの発現の差異のあるgene symbolを調べ、およそ50000種類を同定した。そのうち、正常皮膚に比べて病変部で2倍以上の増強のあるものを200種類、一方、2分の1以下の減少を示すものを7000種類有ることを確認した。先立つ研究において検討したMUC以外のgene symbolに関しても再検討を行い、mTORに着目し、その発現の程度と浸潤能の相関を証明し、報告した(Hata H, et al.J Eur Acad Dermatol Venereol, in press)。mTORは、2種類の異なる複合体として存在する、変則的なセリン/スレオニンキナーゼである。mTOR複合体1 (mTORC1)は、下流にある標的のリン酸化を介したmRNAの翻訳、オートファジーの抑制、リボソームの生合成、そしてミトコンドリアの代謝や脂肪生成につながる転写活性化を調節すし、TOR複合体2 (mTORC2)は、mTOR、Rictor、GβL、Sin1、PRR5/Protor-1、及びDeptorから構成され、Aktを活性化することによって細胞の生存を促進する。異常なmTORシグナル伝達は、がんや心血管系疾患、及び代謝障害などの多くの病態に関与することが知られている。このことから当分子をターゲットのした分子標的治療薬の生体応用への可能性が見出された。また、EMPDの培養細胞の樹立を生体資料を用いて複数回試みたが、今日現在までにその確立には至っていない。MUC5ACのcDNAは全長の構造はわかっているが、viologicalに使用可能なものは現在までに存在しないことが判明している。我々は皮内病変、浸潤部、転移の確認されたリンパ節のそれぞれの部位からmicroarrayによる解析・比較を行って、MUCサブタイプのうち、MUC5ACは、発現の強度と病理学的深達度と予後不良の危険性には正の相関性があることが統計学的有意差を持って確認され、報告した(Hata H, et al.J Eur Acad Dermatol Venereol, 2014)。さらに、本研究に先駆けてEMPDの上皮内病変、浸潤部、転移の確認されたリンパ節のそれぞれの部位からDNA microarrayによる網羅的に解析・比較を行っているが、DNAの発現の差異のあるgene symbolを調べ、およそ50000種類を同定した。そのうち、正常皮膚に比べて病変部で2倍以上の増強のあるものを200種類、一方、2分の1以下の減少を示すものを7000種類有ることを確認した(未発表データ)。MUC以外のgene symbolに関しても再検討を行い、腫瘍の浸潤性や生命予後などをさらに厳密に反映する免疫組織学的マーカーの検索をした。このうちmTORの免疫染色による発現強度の検討が予後と関連していることを見出し、どうように報告した(J Eur Acad Dermatol Venereol, in press.)。上記のように、腫瘍の各部位から抽出した遺伝子数の増減を見たデータの再検討により、論文を一編上梓することができたが、MUC5ACの全長のcDNAを入手で来ておらず、遺伝子改変の実験において鋭意進める余地がある我々は乳房外パジェット病の皮内病変、浸潤部、リンパ節からmicroarrayによる解析・比較を行って、MUCサブタイプの発現を検討した。MUC5ACはその全長のシークエンスが明らかとなっており、遺伝子改変実験に使用可能なものをさらに検索する。検索し得た場合には上皮系腫瘍細胞の細胞株にMUC5ACを遺伝子導入し、培養系を確立しつつ、腫瘍細胞の形態学的変化やmigration assayをはじめとした実験により生物学的動態の変化を観察する。これらの遺伝子導入が不調に終わった場合には、MUC5ACを既に発現している細胞株の検索を行う。胃癌や大腸癌ではMUC5ACが発現していることが知られており、これらの細胞株を購入し、MUC5ACを不活化させるようなSiRNAを導入した細胞を作成し、培養系を確立しつつ、腫瘍細胞の形態学的変化やmigration assayをはじめとした実験により生物学的動態の変化を観察する。皮膚腫瘍学引き続きEMPDの培養細胞の樹立を試みると同時に、MUC5ACのcDNAの導入実験は実現が難しいので、MUC5ACが発現している細胞株を探索し、その細胞においてSiRNAを用いてノックダウンする実験系を検討している。
超高温耐熱構造材料用の窒化物アモルファスバルクの創製

ガスタービンやジェットエンジンは熱効率改善のため超高温用材料の適用が望まれている。本研究では、SiCl4、BBr3、CCl4などのハロゲン化物を原料として用い、液体アンモニア(NH3)中で金属ナトリウム(Na)で還元窒化させて、超高温材料創成のためのアモルファスSi-B-NあるいはSi-B-C-Nのナノサイズ微粉末を作製する。さらに、緻密なアモルファス窒化物バルクを製造することを目的とする。
動詞と構文の意味的適合性についての研究

平成19年度の研究計画としては、博士論文の核心部を雑誌論文として投稿すること、二重目的語構文の研究を推進させることを挙げた。投稿論文については、依然、執筆段階であり、年度内に投稿することは出来なかった。しかし、筆者の知る範囲では、同類の結論を導いている研究は提出されておらず、投稿する価値があると考える。現在、細部を詰め、論文の完成度を高める段階まで来ているので、公表できるまで漕ぎつけたいと思う。二重目的語構文の研究に関しては、専らデータベースの作成に時間を費やしてしまった。現在のところ、動詞denyとrefuseを含む二重目的語構文のデータを100例以上収集し、分析を進めているところである。これら二つの動詞を含む二重目的語構文の研究は、あまり注目されていない上に、豊富な実例を網羅した論文も散見されない。正確かつ精密な分析を行なうためにはデータベースの構築は必要不可欠であり、今後、実例に基づいた議論を発表することで、記述研究に寄与できると確信している。分析に関しては、Koenig and Davis(2001)が指摘したように、これらの動詞は「事象構造に関わる意味」と、「そのほかの付加的情報」という二つの意味を併せ持つという考え方が、実例に照らし合わせても妥当でありそうだという結論に至っている。しかし、なぜこれらの動詞に限って、付加的情報(モダリティ的意味)のみで構文への生起が認可されるのか、これらの動詞の語彙意味をどのように形式化すべきか、など問題点は多い。通時的視点も加えて研究を進めれば、denyやrefuseが二重目的語構文に生起するようになった経緯を歴史的にも理論的にも説明できる可能性がある。以上、具体的な成果には結び付けられなかったが、着実に研究を進められた。このたびの研究廃止は誠に無念だが、再度機会を頂けたら、この期間で進めた研究を必ず結実させるつもりである。
伝搬経路制御方式にもとづく干渉抑圧方式に関する研究

無線通信システムの伝送速度の高速化においては,各端末局の送信電力が増大するため干渉電力が大きな問題となる。特に室内環境においては、様々なシステムが比較的小さいエリアに密集して存在するため、システム内干渉のみならず、システム間干渉も大きな問題となる。このような室内環境においては、受信時において受けた干渉に対して耐性を高めるといった被干渉対策技術よりも、予め送信時において干渉となる電力を放射しないといった与干渉対策技術が非常に有効となる。私は、このような干渉対策技術として、端末局にアダプティブアレイアンテナを設置し、アダプティブアレイアンテナの放射指向性制御により、干渉となる方向に対しては電力の放射を行わない伝搬経路制御による干渉抑圧方式を提案してきた。また、提案方式では、端末局に設置したアダプティブアレイアンテナの指向性制御技術として、干渉波となる方向が端末局の周りに一様に分布せず、ある一定の角度広がりをもつ性質を利用して、その方向に広く深いヌルを形成することで限られた自由度で効率よく干渉放射電力を低減するDeep Null Creation Technique(DNCT)およびWide Null Creation Technique(WNCT)の提案を行ってきた(平成16年度)。平成17年度においては、提案方式をDS-CDMA(Direct-Sequence Code Division Multiple Access)方式をアクセス方式とするシステムへ実装し、計算機シミュレーションを用いて提案方式の有効性を評価した。その結果、提案方式は基地局における干渉電力を大幅に低減し、各セルに2端末ずつ配置したストリートセル環境において、従来方式の特性を大幅に向上させ、ビット誤り率10^<-3>において劣化率5%を実現可能であることを確認した。無線通信システムの伝送速度の高速化においては、各端末局の送信電力が増大し、干渉電力が大きな問題となる。われわれは、干渉電力抑圧方式として、端末局にアダプティプアレイアンテナを設置し、アダプティプアレイアンテナの指向性制御により、目的とする方向に対しては電力を放射するが、干渉となる方向に対しては電力の放射を行わない、伝搬経路制御による干渉抑圧方式を提案してきた。提案方式では、端末局に設置したアダプティプアレイアンテナの指向性制御において、アダプティプアレイアンテナの自由度を超える多くの干渉波が存在する環境では、的確な方向に深いヌルが形成されず、干渉電力の放射を大きく抑圧する良好な指向性が形成されない問題に対して、干渉波方向に対して、少ない自由度で深く幅の広いヌルを形成し、干渉電力の放射を大きく抑圧することが可能なDeep Null Creation Technique (DNCT)およびWide Null Creation Technique (WNCT)の提案を行ってきた。平成16年度においては、伝搬経路制御方式において、DNCT、WNCTを用いて形成する幅の広いヌルをWindowと定義し、少ない自由度でより効率的に干渉波の放射電力を抑圧するために、伝搬環境に応じて、Window幅を適応的に制御する「Window制御にもとづくDNCT、WNCT」の提案を行った。端末局、アクセスポイント周辺における散乱体の密度が様々に異なる状況のモデル化を行い、計算機シミュレーションを用いて干渉電力抑圧特性を定量評価した。その結果、上り回線のアクセスポイントでのCINR比の累積分布50%値において、従来方式と比較して、約20dBの利得が得られることを確認した。
シンチレーションファイバによるビームロス陽子測定の研究

J-PARCリニアックの直線部ではビーム損失による機器の放射化が問題となっており、そのためにビーム損失量を定量的に評価することが求められた。ビーム損失の主機構は、H-ビームイオンが残留ガス中と反応して発生するH0である。本研究では、H0ビームがビームパイプを貫通して発生する陽子の個数を計数することによりビーム損失率の計測を目指した。このため、シンチレーションファイバー検出器を増設により荷電粒子飛跡の水平・垂直座標の検出を可能とし、また遠隔位置制御装置を開発した。飛行時間測定により陽子による飛跡を再構成し、さらに陽子生成率の絶対値の測定と角度分布の測定、エネルギーの測定に成功した。平成24年10月より平成25年5月まで検出器自動位置制御架台により系統的なビームロス陽子飛跡の測定を継続したが、平成25年5月に起こったJ-PARCハドロン実験施設の放射線事故により実験は中止となった。それ以降はこれらの実験で得られた各検出器配置における測定データのほぼすべての解析を行った。これらの発表では、信号/ノイズ比が1/2以下とかなり小さいこと、放射化による検出器の経年劣化が観測されたことを報告した。また陽子飛跡のビーム軸に関する粒子の絶対レートの角度分布、ビーム軸方向のビームロス発生点の分布をJ-PARCリニアックでは初めて報告することができた。さらに飛行時間測定により、陽子のエネルギー分布も得ることができた。また、リニアックエネルギーアップグレードのためのACS空洞設置のため、検出器をL3BT最上流部へ移動した。地上部までのケーブル敷設工事は平成26年8月に行われ、10月より実験が再開できる予定である。本ファイバーシンチ飛跡検出器は立体角が小さいため、ビーム陽子測定空間分布測定のためには上流、下流の検出器相対位置を頻繁に動かす必要がある。しかし、JーPARCリニアックは常時ユーザ運転を継続しているため、トンネルへのアクセスする機会は一か月に一度程度しかなく、手動で位置変更する回数が非常に限定されていた。さらに手動による位置変更では、位置精度、再現性の問題があった。これらの問題を解決するため、ステッピングモータにより上流、下流の検出器をそれぞれビームダクトに関して水平、鉛直方向に精密に位置設定できる架台を製作し平成24年9月に導入した。これによりトンネルにアクセスすることなく地上から遠隔で位置精度1mmで検出器位置を変更可能になり飛躍的に測定効率が向上した。さらにトリガーカウンターを導入して、トリガー数を自動計測できるようになったため、ビーム電流と陽子飛跡数の関係づけを行うことができるようになりビームロス絶対量計測の準備ができた。夏の加速器シャットダウン後、10月からビームが再開した。平成24年10月にファイバーシンチレーション検出器2面を製作し、既存の6面を含めて全8面でビームロス起因の陽子の水平、鉛直方向飛跡を同時に測定することに成功した。上記架台を使用して、ビーム軸に関する上流検出器水平位置0-400mm、下流検出器水平位置0-600mmにて系統的に測定を行った。現在これらのデータの解析中である。陽子の信号は得られているが、平成23年度に行った測定に比べて、陽子飛跡の信号/ノイズ比が小さくクリアな信号が得られていない。現在この原因を調査中である。最終年度は、測定データからのH+レートの計算方法を改良し、シミュレーション計算を行い、エネルギー分布、角度分布の比較、またH+/H-比の真空度からの見積もりと比較を行った。シミュレーション計算とH+レート計算の改良は連携研究員Konstantinovaを中心に行った。TIPP2014会議において本研究についてKonstantinovaが発表を行った。全体の研究として、平成24年から平成5月まで、系統的なビーム損失陽子飛跡の測定実験を行った。実験開始前に、検出器の測定角度、位置を遠隔で制御するための架台移動装置を製作し、ビーム計数、トリガー計数を自動計測するための測定器を購入し、計測の比較的な効率化を達成した。さらにシンチレーションファイバー2面を製作し、既存の6面と合わせた全7面により(1面は読み出し回路が不足しているため未使用)、陽子飛跡の水平方向、垂直方向の位置と角度を計測することができるようになった。実験においては、上流側検出器のビーム軸に関する水平位置0-400mm、下流側検出器の水平位置0-600mmにおける測定を行った。まず、荷電粒子の証拠となる、信号を検出したファイバーの位置が全7面で直線状に並ぶ飛跡を観測した。さらに上流と下流で検出された信号の時間差(飛行時間)から、これらの荷電粒子が陽子と無矛盾であることがわかった。

さらに詳細な解析により、飛跡のビーム軸に関する角度分布が5-6度を中心とするがガウシアン状分布をしており、エネルギーが70-110MeVであることがわかった。これらはいずれもシミュレーション結果と一致している。また、H+/H-の比が1e-8オーダーであることがわかり、これはビームパイプの真空度から見積もったH+生成レートの見積もりと一致した。以上より、本研究でビームロスによる陽子の絶対レートが測定できることを示した。加速器科学当初の予定では平成25年度末まで実験を行い、信号/ノイズ比の向上を行う予定であったが、J-PARCハドロン施設の放射線事故のため5月で実験が中止となった。一方当初は平成25年度で実験終了の予定であったが、原子力機構JーPARCセンターの資金援助もあり、平成26年秋より実験が再開できることとなった。データ解析については順調にすすみ、陽子の角度分布、エネルギー分布等の結果が得られた。当初の予定では、平成23年度と同様のクリアな陽子信号が得られ、陽子の空間分布がすでに得られる予定であった。しかし信号/ノイズ比が小さいことが判明し、現在その調査を行っているところである。考えられる原因としてはリニアックのピークビーム電流が15mAから20mAに増加し、ビームロスが増加しバックグラウンドが増えたこと、上流と下流の検出器距離を平成23年度の1.1mから1.6mへと長くしたためバックグラウンドが増えたこと等が考えられる。できるだけ早急にこの問題を解決することが課題である。一方、検出器位置変更架台、トリガーカウンターの導入によって、計測効率が飛躍的に向上し、陽子絶対数の計測準備が整った。平成26年度7月までは検出器の検出効率を理解するためのシミュレーション計算を行うことに重点を置く。さらに6月に行われるTIPP2014国際会議において解析結果の報告を行う。また7-9月のJ-PARC夏季シャットダウン中にL3BT最上流部において検出器の再設置を完了させ、10月から実験を再開させる予定である。本年度に判明したバックグラウンドの抑制の原因究明を行う。トリガータイミングの最適化、一回のトリガーで複数の粒子のタイミングが測定できる時間測定器の導入(平成24年度に購入済「ファイバー検出器用時間測定器」)を行い、バックグラウンドの抑制を図る。同時に、陽子の測定実験は平成25年度7月まで継続する。平成25年8月以降は検出器設置場所に400MeV加速器空洞が設置されるため、検出器を撤去しなければならない。この測定では特にマクロパルス内の依存性を測定し、ビームロスの全容を解明する。実験終了後は、データ解析、粒子シミュレーションを進める。検出効率を評価し、最終的に陽子絶対量を評価する。今年度は5月に実験が中止となったため、当初購入予定であった消耗品(ケーブル、監視カメラ等)の使用予定がなくなった。また当初予定していた学会等の参加の旅費については、共同研究者が発表を行うことになったため、使用予定がなくなった。来年度は本研究結果報告のためTIPP2014会議に参加し、またビームロスシミュレーションを共同研究している連携研究者を同会議に参加させるための旅費に使用する予定である。次年度は日本加速器学会年会等での成果発表の旅費として主に使用する予定である。
恒常性維持機構の破綻としての精神疾患研究

本研究では、精神疾患を恒常性維持機構の破綻として理解し、精神疾患の診断・治療法の開発を試みた。具体的には、1)精神疾患様の行動異常を示すShn-2 KOマウスをモデルとして、バイオインフォマティクス手法を活用して海馬歯状回の成熟度を調節する薬物や実験操作の探索、2)海馬歯状回の成熟度を変化させる薬物や実験操作の候補について行動学的なスクリーニング、を行った。さらに、3)光遺伝学や部位特異的遺伝子改変技術などを駆使して歯状回の興奮性が成熟度に及ぼす効果を組織学的・行動学的レベルで検討した。本研究では、精神疾患を恒常性維持機構の破綻としてとらえ、精神疾患動物モデルおよびバイオインフォマティクス手法を活用し、精神疾患の中間表現型候補である非成熟歯状回の分子メカニズムの解明、さらにその治療法として成熟度を正常化させる手法の開発を行うことを目的としている。これまでに精神疾患様の行動異常を示すShn2 KOマウスをモデルとして、バイオインフォマティクス手法を活用して海馬歯状回の成熟度に変化を与えるような薬物の探索を行い、複数の候補物質を得ている。そのうちのいくつかについて実際にShn2 KOマウスに投与を行い、Shn2 KOマウスで見られる行動異常が改善されるかどうか検討を行った。また、神経細胞には活動の強弱によりシナプス強度や神経細胞そのものの興奮性が変化する「ホメオスタティック可塑性」という現象があることが知られている。光遺伝学による歯状回神経細胞の興奮性操作によってホメオスタティック可塑性が起これば、歯状回の脱成熟についても変化を引き起こすことができると考えられる。本年は、Cre-loxPシステムを用いて光感受性タンパク質(チャネルロドプシン2: ChR2、ハロロドプシン: NpHR)を歯状回に発現させたマウスを得ることができた。また、これらのマウスの歯状回にin vivoで局所光照射刺激するためのシステムもセットアップも完了した。今後、これらのシステムを用いて歯状回神経細胞の興奮性を選択的に亢進もしくは抑制し、歯状回神経細胞の興奮性の変化が行動にどのような影響を与えるか、また歯状回神経細胞の成熟度にどのような影響を与えるかを検討する。そのうちのいくつかについて実際にShn2 KOマウスに投与を行い、Shn2 KOマウスでみられる行動異常が改善されるかどうか検討を行った。本年は、Cre-1oxPシステムを用いて光感受性タンパク質であるチャネルロドプシン2: ChR2を歯状回に発現させたマウスの歯状回にin vivoで局所的に光刺激を与え、行動特性の変化および歯状回神経細胞の成熟度の変化を検討した。本研究では、精神疾患を恒常性維持機構の破綻としてとらえ、精神疾患の動物モデルおよびバイオインフォマティクス的手法を活用し、精神疾患の中間表現型候補である非成熟歯状回の分子メカニズムの解明、さらにその治療法として成熟度を正常化させる手法の開発を行うことを目的として研究を実施した。神経細胞には活動の強弱によりシナプス強度や神経細胞そのものの興奮性が変化する「ホメオスタティック可塑性」という現象があることが知られている。光遺伝学によって海馬歯状回の神経細胞の興奮性を操作することでホメオスタティック可塑性を引き起こすことができれば、歯状回の成熟度についても変化を引き起こすことができると考えられる。Cre-loxPシステムを用いて光感受性タンパク質であるチャネルロドプシン2(ChR2)を歯状回特異的に発現させてマウスの歯状回にin vivoで局所的に光刺激を与え、行動特性の変化及び歯状回神経細胞の成熟度変化について検討した。海馬歯状回を局所的に光刺激することで興奮性が人為的に亢進したマウスでは、いくつかの行動異常を確認することができた。それらの行動異常には統合失調症モデルマウスであるShn2 KOマウスと同方向のものがあった。また、海馬歯状回を局所的に光刺激することで興奮性が人為的に亢進したマウスの海馬歯状回では、成熟度も変化していることを示唆するデータも得られた。これらの研究成果については今後さらなる解析を行い、論文としてまとめて発表する予定である。さらに、3)光遺伝学や部位

特異的遺伝子改変技術などを駆使して歯状回の興奮性が成熟度に及ぼす効果を組織学的・行動学的レベルで検討した。研究実施計画では、本年度と来年度でin silicoスクリーニングで得られた歯状回成熟度を調節する薬物の候補の動物モデルでのスクリーニングと、光遺伝学によるin vivoでの海馬歯状回の特異的刺激の効果を行動レベルと海馬歯状回の成熟度で検討を行う予定であった。これらについては全て本年度に着手されており、来年度に成果が期待できる。よって本研究は現在のところおおむね順調に進展しているといえる。神経科学本年度に実施したin silicoスクリーニングに基づき、in vivoの動物実験モデルによって検証と最適化を行う。薬物および実験操作のin silico探索は引き続き行う。また、光遺伝学のシステムを用いて歯状回神経細胞の興奮性を選択的に亢進もしくは抑制し、行動や歯状回神経細胞の成熟度を変化させるのに最適なパラダイムを探索する。本年度の研究実施計画では、歯状回成熟度を調節する薬物のin silicoスクリーニングと光遺伝学によるin vivo刺激のためのシステムのセットアップ、そして光遺伝学実験用のマウスの用意であった。これらについては全て本年度の研究によって達成されている。よって本研究は現在までのところおおむね順調に進展しているといえる。本年度、解析のためのコンピュータを備品として購入したが、購入したのが年度の後半以降であったため書類上次年度の支出となってしまった。また、光遺伝学に用いるマウスの繁殖が予定より少なかったため、マウスの繁殖飼育および光遺伝学実験の消耗品のための予算については余裕が生じた。研究の進展は当初の予定通り進んでおり、次年度には大規模なマウスの繁殖を行う予定であり、本年度計上していた予算は次年度に使用する予定である。本年度に実施したin silicoスクリーニングに基づき、in vivoの動物モデルによって検証と最適化を行う。また、本年度セットアップした光遺伝学のシステムを用いて歯状回神経細胞の興奮性を選択的に亢進もしくは抑制し、歯状回神経細胞の興奮性の変化が行動にどのような影響を与えるか、また歯状回神経細胞の成熟度にどのような影響を与えるかを検討する。本年度予算の次年度使用額については、次年度の予算と合わせ光遺伝学に用いるマウスの大規模な繁殖と、光遺伝学の実験のための消耗品に用いる。その他、本年度購入した解析用のコンピュータの支払いにも充てる。光遺伝学に用いるマウスの用意がすぐにできれば大規模な繁殖を行い、次年度に予定されていた実験の一部をする可能性があったため、マウスの繁殖飼育および光遺伝学実験の消耗品のための予算について余裕を持って計上していた。研究の進展は当初の予定通り進んでおり、本年度中に大規模なマウスの繁殖を行うことはなくなったため、そのために計上していた予算は次年度に使用することとなった。
土壌圏バイオマスの活性を取り込んだ地表面限界領域の物質循環モデリング

気候変動やそれに伴う水循環,物質循環の変化の予測,適応対策を模索するため,また,リモートセンシングや大規模シミュレーションの成果を実務に生かすためには,大気ー地表の境界領域の水循環,物質循環を詳細に理解する必要がある。本課題では,これを念頭に,時空間分解能を挙げたモニタリングと,その成果に基いたモデルの構築を目標として特に,地表近傍の水分と有機物のインパクトに対する応答に着目して研究を進めた。今年度は,まず,根圏土壌の水,イオン性物質動態を高分解能でモニタリングするための小型高精度TDR水分センサーの試作を試みた。従来の知見を参考にコイル型プローブの製作を行ったが,期待する精度が出なかったため,小型3本プローブ型センサーに設計を変更し,試作センサーを用いて,人工乾燥条件下の灌がい-蒸発-塩集積実験においてセンサーの性能評価を行った。このセンサーを用いて,次年度は,根圏において,根呼吸,微生物呼吸と温度,水分量の関係を明らかにする実験を実施する予定である。一方,土壌中の水・温度条件ならびにそれが影響する炭素動態と関わると考えられる石灰や有機質肥料の施用,地表面火災による土壌炭素の変質,土壌の透水性空間分布に着目して実験結果の解析を行った。その結果,家畜廃棄物由来の有機質肥料の施用が土壌中の重金属イオンの移動性さらには汚染の拡大を促進する可能性があること,下層土の透水性から圃場の水循環が評価できる可能性があることを明らかにした。森林火災などの地表面における加熱イベントが土壌中にどの程度及ぶか,また,初期水分量等の燃焼条件によって土壌中の熱条件が異なること。土壌中の熱条件が異なると,土壌炭素の変質の程度が異なり,土壌の撥水性の発現も変わることが示唆された。これは,土壌水分によって火災時の土壌撥水性発現が決まり,また土壌撥水性の程度によって土壌水分量の特徴が決まるというように土壌の撥水性と土壌水分量が相互フィードバック関係にあることを示唆している。この結果は,温暖化対策として炭素を蓄積した高有機質土壌中の炭素動態に深く関わる土壌水分条件の形成に寄与する土壌の撥水性の発現機構について新しい知見である。地表面限界領域で生じている物質循環の一つとして土壌と大気の境界におけるCO2の動態に着目した。土壌CO2フラックスは,チャンバー法などで適宜測定するだけでは,その特徴がわからない。そこで、多点ガスサンプリング装置を作成して,培養実験中の各試料からのCO2フラックスを精密に得ることを試みた。対象とするCO2動態としては,農地土壌改良に多用される炭酸Caと有機堆肥を施用した土壌における炭素循環を取り上げた。これは,1)広範に行われている営農行為であること,2)炭酸Ca,有機堆肥の施用によって土中CO2濃度が変化し,その結果,土中における他の無機塩(Na,K)の動態が変わる可能性が示唆されていること,が理由である通常の数gのかく乱試料を用いた培養と,150cc程度,1.5L程度の容器に土を充填し,最上端からのみCO2を放出させる培養を行い,CO2フラックス等のモニタリングをした。堆肥の施用によって,土壌からのCO2フラックスは増大する。これは,特に潅水直後に著しい。しかし,通常,室内インキュベーション試験として行われる少量の土壌を使用した培養実験や土壌量を10倍以上に増量した150cc容器に充填した培養実験では野外の原位置におけるようなCO2濃度,フラックスを生じなかった。すなわち,従来の室内インキュベーション実験では,実際の地表面限界領域における炭素動態の参考にならない可能性があることがわかった。これを踏まえて,今後は,より大きな土壌試料を用いて同様の培養・ガスモニタリング実験を行い,試料サイズの影響を検討することを考えている。地表面限界領域では,根圏における水,物質移動が,重要であるにも関わらず,解明が進んでいない課題である。さらに,土壌から大気へのCO2の発生や,炭酸塩を介した土中の無機塩の移動・集積への影響など,根の活動の物質循環への影響については明らかにすべき点が多い。そこで,検討を重ねてきた小型精密水分センサーを活用した土壌水分時空間変動モニタリングシステムを構築して,植物を栽培する中で,土壌中の変量の連続モニタリングを試みた。側面に水圧センサー,小型水分センサー,温度センサーをマトリックス状に配置した薄型土槽を作成し,これで,緑肥用ひまわりを栽培した。また,並行して実際に営農する圃場を借用し,粘性土,砂壌土という透水性,保水性の大きく異なる土壌について,作物栽培中の温度,水分の時空間変動のモニタリングを行った。作物としては大麦と大麦収穫後に播種する大豆が対象である。薄型土槽を用いた室内実験では,ある程度の精度でモニタリングが可能であることを示したが,センサーをより小さくするとデータロガーの読み取りが不安定になるなど,今後改良すべき点も明らかになった。これは,測定の頻度を減らすことで,精度の向上を図ることが可能であると考えられる。

原位置におけるモニタリングでは,粘性土の地表面限界領域の水分動態において,根の吸水が非常に大きく影響すること,また,そのため,作物ごとの根系を考慮したモデルが,より精密な水分動態予測に必要であることが明らかになった。ただし,砂壌土においては,作物の栽培は同様であったが,粘性土ほどは根の吸水による影響が顕在化しなかった。凍結・燃焼など極限現象が水・化学物質などの移動現象に与える影響については,凍結土壌中の液状水の移動について,検討を進め,凍結によって大きく透水性が低下する程度を評価するインピーダンスファクターを実験的に得る手法を提案した。
木質材料による「剛」なコーナー要素の開発と究極の木質ラーメンの実現

樹脂含浸トドマツ単板を交差重ね合わせて圧密する接合方法用いて製造したL字形のコーナー要素を開発し,これを用いた木質ラーメン構造の性能を実大実験によって確認した。部材強度と同等で剛節とみなせる新しいラーメン構造を実現することができた。平成20年度はコーナー要素の製造条件の確立と構成材料の基本物性の把握を踏まえて,コーナー要素の試作を実施した。製造条件の絞り込みは,圧密合板を製造することで行った。基材には厚さ3. 3mmのトドマツおよびカラマツ単板を用いた。注薬缶による単板ヘのフェノール樹脂液注入,樹脂含浸単板の乾燥,熱板プレスによる積層圧密の工程を経て,圧密後に復元や厚さムラが発生しない製造条件を検討した。樹脂濃度,注液スケジュール,積層数,プレス時間,プレス方法を変えながら製造試験を実施し,最終的に基材としてトドマツを採用して,樹脂濃度30%,減圧(0.008MPa)30分,加圧(1.5MPa)3時間,乾燥60°C48時間,積層数10,プレス条件140°C30分,厚さ制御で15mmにすることを導き出し,次年度以降の標準条件と位置づけた。この条件で製造した150×400×15mmのトドマツ圧密合板から15mm角の小試験体を切り出して曲げ試験に供した結果,強度,剛性ともに合板の2倍以上の性能があることが確認された。また,積層時には接着剤を用いず,単板から染み出すフェノール樹脂によって単板同士を一体化させていることから,合板のJASに従った煮沸による接着力試験を実施し,積層面がはく離しないことも確認した。この製造条件で,断面が120×120mmの部材に対応するコーナー要素を試作した。140×260×3.3mmの樹脂含浸単板10枚をL字形になるように交差重ね合わせ,厚さ15mmまで圧縮した。得られたL字形板を8枚, 2次接着することで, 120mmの部材幅を有するL字形部材を得た。これを120mm角のカラマツ集成材とラージフィンガージョイントで縦継ぎし,モーメント抵抗試験に供したところ,十分に剛と仮定できる剛性だけでなく,強度も非常に高い接合要素であることが分かった。前年度に策定した製造条件に従い、梁せい180mmの部材に対応するL字形の接合要素を製造し、モーメント抵抗性能を測定した。また、最終成果品である門形フレームを構成する際に必要となる集成材との継手方法としてラグスクリューボルト(LSB)接合およびラージフィンガージョイント(LFJ)について検討した。LSB接合の引抜試験を実施したところ、その引抜剛性および引抜耐力はカラマツ集成材の場合の半分程度であった。この原因はLSBを埋め込む際に部材が損傷を受け、その程度が通常の木材にくらべ高かったためで、樹脂含浸LVLのめり込み剛性の高さが不利に働いたものと考察した。一方、LFJについては樹脂含浸トドマツLVLを製造し、これと集成材とをLFJで縦継ぎして曲げ試験を実施した。結果、曲げ強度接合効率は平均で60%であり、統計的な下限値では45%であった。このことから、実大の門形フレームにおいて縦継する場合には存在モーメントが45%以下であるところで縦継することが理想であることを導いた。ただし、LFJは特殊な切削機械を必要とすること、現場接着が前提となることから他の継手方法を引き続き考察する必要がある。門形フレームの柱脚接合方法については集成材と基礎との連結であることから、LSBを用いたものを採用することが有力である。フレーム構造計算上は、継手部がLFJによる場合のように剛と仮定できる場合には門形フレームの柱脚と肩部のモーメント負担割合が等しくなるように設計できることが確認できたことから、この柱脚接合方法を念頭に置き、次年度には柱脚接合部の試験を経て、実大の門形フレーム試験体の性能試験を実施する。平成22年度は実大の門形フレームの構築に必要となるL字形部材と柱や梁との継手方法として、前年度の継手候補に加え、木ダボ接合による方法を検討した。直径12mmの木ダボ(ハードメイプル)1本による樹脂含浸単板積層材からの引き抜き試験では、カラマツ集成材からの引き抜き性能に比べ、すべり係数で劣ったが、耐力は同等であった。この実験値を用いて、120x300mmの断面に適用した場合の継手性能について試算したところ、強度接合効率はカラマツ集成材(E105-F300)の曲げ耐力に対して76%が得られることが導けた。この試算結果を受け、木ダボ接合を採用したL字形部材による門形フレームを製造し、実大の門形フレーム試験を実施した。門形フレームは通常の在来軸組構法に組み込むことを想定して柱脚をピン接合(短ほぞ+ホールダウン金物)として設計した。L字形部材は断面120×300mm、パネルゾーン300×300mm、両翼長さ860mmのものを用い、これに柱と梁を木ダボ接合して、高さ3m、スパン4mの実大門形フレームを構築した。

試験は耐力壁の試験方法を準用した正負交番の繰り返し荷重とし、その水平荷重に対する変形を測定した。結果、架構全体の水平せん断性能は部材のたわみによるものが支配的であり、L字形部材のパネルゾーンの変形は、開く方向、閉じる方向ともに無視できることが確認できた。破壊性状はL字形部材の付け根における曲げ破壊であり、その最大荷重は部材の曲げ強度による推定値に同等であった。以上より、この木質フレームは剛節であることによって構造計算が大幅に単純化でき、部材の曲げ強度で耐力も計算できることが実証できた。今後はこの剛節かつ高強度を有する接合方法を用いて、L字形に留まらずT字形、十字形の部材を活用した新たな木質構造の発展が期待できる。
非定常気液混相流のための数値解法の開発とキャビテーション気泡の崩壊挙動の解明

圧縮性-非圧縮性混在の気液二相流の解析には,圧縮性流れの解法をベースに非圧縮性流れが扱えるよう工夫された数値解法が適している.このような解法に前処理法を導入した差分解法があるが,この前処理解法は時間積分を修正するため,気泡崩壊の非定常挙動の解明が難しく正しい解を求めるには非効率的である.そこで,本研究では時間の整合性を保つ非定常気液混相流のための数値解法の開発を計画した.先ず,前年度に提案した時間に対して整合性を有する数値解法を衝撃波管問題など幾つかのベンチマーク問題を通して新しい解法の評価を行った.その結果,全体的に圧縮性-非圧縮性混在の気液二相流問題への解法の受容性,妥当性,有効性があることを確認した.しかし,非定常問題に対する時間精度は改善されたが安定性はやや劣る傾向を示した.これは数値粘性項を前処理するとき現れるヤコビ行列の構成に起因することが分かり更なる改善の余地を残した.次に,微小空気泡のような非凝縮気泡が混在するキャビテーション流れの解析をより現実的なものにするため,水ー蒸気ー空気系の状態方程式の考案に取り掛かった.これには,申請者らにより既提案した水系キャビテーションのための水ー蒸気系の状態方程式に非凝縮ガスの項を加えることで水ー蒸気ー非凝縮ガスの二相多成分対応の方程式の導出を試みた.この導出においては水ー蒸気系の式と同様に気液均質媒体モデルを用い,先ずは蒸気,水,空気に対して密度とボイド率による線形結合式を導き状態方程式を構成した.この状態方程式で定式化した基礎方程式を前年度に提案した数値解法に適用して衝撃波管の問題を解き,空気の含有率に沿う解が得られることを確認できた.今後2次元,3次元に拡張することで非凝縮ガスや相変化を伴なうキャビテーション流れや気泡崩壊問題の解析に有効な手法になると考えられる.研究実績の概要に記したように,水ー蒸気ー非凝縮ガス系状態方程式の考案と表面張力モデルの導入に関する研究が予定通り順調に進展している.また,前年度に提案した新しい数値解法による2次元気液混相媒体の定常・非定常流れの解析は衝撃波による単一気泡の崩壊問題を用いその有効性を調べた.これらの研究結果の一部はアメリカ熱流体工学会主催の流れの数値解析国際会議(9月予定)で発表する予定である.しかし,新しく現れた数値粘性項の前処理に関連する問題は改善する必要がある.一方,基礎方程式に組み込んだ表面張力モデルや相変化モデルの評価のため,現在気泡崩問題計算の2次元解析コードの開発に取り組んでいる.前年度に提案した新たな気液混相流のための数値解法をキャビテーション流れなどより具体的な多次元混相媒体の流れ問題に応用し,実際流れへの適用性を検討することになる.そのため,先ずいままで検討してきた非定常気液混相流のための数値解法を既存の気泡崩壊問題に適用し多次元問題への拡張・受容性について検討するとともに必要に応じて解法の修正補完を行う.次に,キャビテーション気泡が水中または自由表面近傍,物体近傍で崩壊する場合の問題に展開し,気泡周りの圧力分布,圧力波・膨張波の詳細な伝播過程,2次キャビテーションの形成,衝撃波と気泡の相互干渉など気泡崩壊に係る超高速物理現象の詳細をどこまで得られるかそのための研究推進方策が考えられる.圧縮性-非圧縮性混在の気液二相流の解析には,圧縮性流れの解法をベースに非圧縮性流れが扱えるよう工夫された数値解法が適している.このような解法に前処理法を導入した差分解法があるが,この前処理解法は時間積分を修正するため,気泡崩壊の非定常挙動の解明が難しく正しい解を求めるには非効率的である.そこで,本研究では時間の整合性を保つ非定常気液混相流のための数値解法の開発を計画した.新しい数値解法を提案するため,まず初年度は従来の前処理法を綿密に検討し,いかなるマッハ数に対してもstiff問題のない数値流束行列(numerical flux Jacobian)の考案に着手した.従来の前処理法に対して,非定常計算への拡張から来る非効率性だけでなく,前処理行列や流束関数の選び方によっては安定性と収束性が劣化し膨大な時間を要求するなどの不具合をまず検討した.次に,これらの問題を解決できる新たな数値流束行列の考案に取り組み,行列が持つ固有値,物理時間と数値時間スケールの差による不安定性など,マッハ数に関わる問題に対し数学的な観点で検証を行い,広い範囲のマッハ数に対しても特異性を持たないよう構成した.この数値流束行列を用いる気液混相流のための数値解法を近似リーマン解法に適用し,1次元衝撃波管のベンチマーク問題を解き,提案した数値解法の妥当性を検証した.当初予定していた2次元気液混相媒体の衝撃波管の定常・非定常問題の解析は,それらの実験データの入手に問題があるなどでH29年度に研究を完了するに至らなかったが,2次元解析コードの開発はほぼ完了した.H29年度計画していた新たな数値流束行列の考案は,当初の予定通り成功裏に提案することができた.また,これを用いる非定常気液混相流のための数値解法の開発や1次元解析コードの開発は予定とおり行われその妥当性が検証された.