hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ファセットデンドライト成長を利用した高品質薄板多結晶シリコンの成長技術の開発

本研究では、薄板多結晶シリコンの成長技術を開発するための要素技術として、融液成長過程においてSi多結晶が成長するメカニズムを解明することを目的としている。本技術開発には、融液成長過程において、ファセットデンドライト成長を効果的に発現させることが重要となる。本年度は、昨年度に導入したシリコンの融液成長過程のその場観察装置を用いて実験を行い、Si融液から薄板結晶が成長する過程を直接観察し、特に、ファセットデンドライト成長メカニズムの解明において大きな成果が得られた。本装置を用いた実験により、Si<110>ファセットデンドライトの成長過程を詳細に観察することができ、その成長メカニズムを解明した(Phys. Rev. B, 81(2010)224106)。これにより、Si<112>ファセットデンドライトとの成長メカニズムの違いが明らかになった。また、ファセットデンドライトの成長速度の理論式を専出し、過冷却度がファセットデンドライトの成長速度に及ぼす影響を理論と実験の両方から明らかにした(Appl. Phys. Lett., 98(2011)012113)。過冷却度が同じ場合、<110>デンドライトの成長速度の方が、<112>デンドライトの成長速度より大きくなることが示された。また、過冷却度の大きさによって、<112>デンドライトと<110>デンドライトの発生割合が変化することが明らかとなった(Cryst. Growth Des., 11(2011)1402)。低過冷却度では<112>デンドライトの発生割合が大きく、高過冷却度では<110>デンドライトの発生割合が大きくなる。これにより、融液成長過程において、どちらか一方のファセットデンドライトのみ発現させるための知見が得られた。本研究では、薄板多結晶シリコンの成長技術を開発するための要素技術として、「1.外部拘束下におけるSiの融液成長機構の解明」、「2.結晶粒界の形成機構の解明」、「3.ファセットデンドライトの成長機構の解明」を行う。本年度は、新規にシリコンの融液成長過程のその場観察装置を導入した。本装置は、結晶成長界面に電場を印加することができ、薄板結晶の成長過程を直接観察することができる。本装置を用いた実験により、ガラス板に挟まれた状態でシリコン融液から薄板結晶が成長する際、成長速度が臨界値より大きくなると、平坦な結晶成長界面に生じた揺らぎが成長し、{111}面で囲まれたファセット界面が形成されることがわかった(Phys. Rev.B,80(2009)174108)。これは、結晶成長に伴い発生する潜熱の影響で、成長界面前方の融液に負の温度勾配が形成されることに起因することが明らかとなった。このようなファセット界面が形成された後に、成長界面で双晶が形成されるとファセットデンドライトが発現する。一方、成長速度が臨界値より小さい場合は、平坦な成長界面のまま結晶は成長し、ファセット界面は形成されない。本研究では、成長界面の形状を平坦もしくはファセットに制御するための指針が明確となった。これにより、ファセットデンドライトの発現を、意図的に制御することが可能となった。
純スピン流注入による磁気相転移の選択的制御と革新的ナノスピンデバイスへの応用

熱を用いて効率的に純スピン流を生成する技術を開発するとともに、強磁性共鳴を用いて同技術をワイヤレス・スピン注入技術へと高度化した。また、磁性金属酸化物接合を用いた高精度な横型ナノ抵抗スイッチング素子の動作を実証するとともに、観測される相転移現象の電気的制御メカニズムの解明に成功した。更に、磁性絶縁体におけるスピン流伝導機構について、実験的に調べ、効果的なスピン吸収が生じることを見出した。これら一連の成果は、スピン流による効率的な物性制御技術の開拓に極めて有効である。本研究の目的は、純スピン流を用いて、金属-絶縁体転移現象を低消費電力、且つ選択的に誘起し、数桁の超巨大抵抗変化をもたらす革新的ナノスピンデバイスを開発することである。初年度は、電界誘起相転移を起こす物質が、磁性原子を含むことに着目して、Mn酸化物、Gd酸化物、CoドープTi酸化物など、磁性を持つ原子を含んだ物質で構成されている場合が多く、相転移に伴いスピン状態にも何らかの遷移が現れる可能性も期待できる。そこで、GdOxをベースにした相転移デバイスにおいて、電極を強磁性金属にすることで、相転移現象におけるスピンの役割を実験的に調べ、さらに、強磁性ナノギャップ電極を用いた新奇な横型相転移デバイス構造を作製した。強磁性電極にCoFeBを採用し、広く用いられている白金電極の素子と特性を比較した結果、CoFeB電極においても、相転移による同程度の抵抗変化が観測され、更に相転移が誘起される電圧が、白金電極よりも小さくなることが判明した。このことは、GdOxの金属絶縁体転移に、スピンが効果的に作用していることを示唆している。さらに、横型デバイスでも、明瞭な相転移現象が観測され、今後、純スピン流注入による相転移素子へと拡張する予定である。我々は、電界誘起相転移を起こす物質が、Mn酸化物、Gd酸化物、CoドープTi酸化物など、磁性を持つ原子を含んだ物質で構成されている場合が多いことに着目し、相転移現象とスピン状態の相関を期待し、GdOxをベースにした相転移デバイスにおいて、電極を強磁性金属にすることで、相転移現象におけるスピンの役割を実験的に調べてきた。今年度は、よりd電子の寄与が大きいNiOを用いて、W/NiO/CoFeB構造を作製し、同様の相転移現象の可能性、及び磁場印加効果などを詳細に評価した。その結果、NiOの反強磁性転移に伴い、高抵抗状態から低抵抗状態へと遷移するスイッチング電圧が大きくなる傾向が観測され、更に磁性体電極のスピンと反強磁性体のスピンの相対方向に依存した変化も観測された。磁性絶縁体への純スピン流注入技術の開発に関して、磁性酸化物であるNiO薄膜上に横型スピンバルブ素子を作製して、Cuチャンネル中に生成された拡散スピン流が、実際にNiOに吸収されるかを調べることで、スピン吸収効果を評価した。その結果、純スピン流の著しい減衰が観測され、磁性酸化物においても、拡散型の純スピン流は効果的に吸収されることを見出した。また、スピン注入下のNiOのスピン状態の変化を、交換磁気異方性を用いて評価し、注入するスピン流の増大に伴い交換磁気異方性が低下する現象を確認した。本現象は、反強磁性へのスピン注入効果を表す極めて重要な結果である。更に2つの強磁性体薄膜をNiOを介して接続し、両磁性体からのスピン流の往来により強磁性共鳴が同期し、ダンピング定数が著しく低下する現象を発見した。また、放射光(XMCD)を用いて、金属磁性体電極/磁性酸化物界面の磁化も評価し、磁性酸化物界面の磁化は強磁性的な振る舞いを持つことを確認した。更に、ナノサイズの磁性酸化物ドットの相転移を検出するべく、高感度な相転移磁場センサを作製した。本技術は、従来の電気抵抗測定に比べて、著しく界面敏感であるため、様々な物性を得ることができる。バリスティックな伝導電子の軌道が磁場に敏感に変化することを用いて、磁場変化を極めて高感度に測定可能であり、実際にそのセンサを用いて、ナノ磁性体の微小な磁区構造変化が検出可能であることを示した。この他、純スピン流吸収効果を用いて相転移を検出する新奇な手法を開発し、実際に超伝導体の相転移を検出することに成功した。当初の計画通り、これまで予定していた3つの課題、1高効率な純スピン流生成源の開発2磁性絶縁体への純スピン流注入技術の開発3磁性酸化物の相転移特性評価技術に関して、分担者と共同で、実現済みであり、最終課題の4スピン流注入による相転移制御に関しても、一定の結果を得ている。これまでの研究期間中、20篇を超える学術論文を出版しており、最近においては、関連の成果に対する招待講演の数も急増しており、すべてに出席できない状況ではあるが、国際的に関心を集めることができていると期待している。この他、磁性酸化物を介したコヒーレント磁気共鳴、高効率な熱スピン注入やワイヤレススピン注入技術など当初予定ではない、様々な現象が本課題の副産物として得られている。これらの事実より、研究代表者、分担者ともに、各役割を当初予定通り実行できており、最終目標達成に向けて、順調に研究が進展していると考えられる。

スピン間の相互作用により生み出される相転移現象を解明し、それらを用いて、高効率に大きな電気抵抗変化を引き起こす革新的スピンデバイスを創出することを目指し、代表者が有する純スピン流の磁性酸化物への注入を行い、金属-絶縁体転移やメタ磁性転移などの相転移現象を選択的に引き起こす技術を開発してきた。これまでに、高効率なスピン注入物質の開発やそれを用いた純スピン流磁化反転や効率的スピン吸収効果など、スピン注入相転移を効果的に引き起こす要素技術に関しては、数多く確立している。更に、最重要課題のスピン流誘起相転移に関しても、既に実証実験に成功した。今年度はこれらの相転移を、前述した要素技術を用いて如何に効果的に引き起こすかを探索した。その結果、通電時の発熱により、金属/絶縁体界面で化学反応が生じ、その反応の度合いが特性に大きな影響を及ぼすことが分かってきた。電流が流れた部分が加熱され、酸素イオンの移動が選択的に制御できる状態である。この延長線上で、発熱と化学反応効果を積極的に用いたスイッチング素子の作製にも成功しており、非常に安定した動作を示している。一方で、これらの反応ベースのスイッチングは、繰り返し特性が悪く、何らかの改善が必要である。また、本研究において、熱スピン注入効率の優れている物質を発見することにも成功しており、そのメカニズムの解明にも成功している。これらは、前述の発熱の際に、効果的に作用すると期待され、各種技術の融合が期待できる。当初目標のスピン注入相転移に起因した大きな抵抗変化の観測に成功に加えて、多くの有効な要素技術の開発に成功しており、今後は、それらの性能向上に努める。本研究ではスピン間の相互作用により生み出される相転移現象を微視的機構を解明し、それらを用いて、高効率に大きな電気抵抗変化を引き起こす革新的スピンデバイスを創出することを目指している。そのため、代表者が有する純スピン流の磁性酸化物への注入を行い、金属-絶縁体転移やメタ磁性転移などの相転移現象を選択的に引き起こす技術を開発してきた。これまでに、高効率なスピン注入物質の開発やそれを用いた純スピン流磁化反転や効率的スピン吸収効果など、スピン注入相転移を効果的に引き起こす要素技術に関しては数多く確立している。また、微細な横型構造では、通電時の発熱により、金属/絶縁体界面で化学反応が生じ、電流が流れた部分が加熱され、酸素イオンの移動が選択的に制御されることを見出し、発熱と化学反応効果を積極的に用いたスイッチング素子の作製にも成功した。これら一連の研究から、各種の相転移現象では、金属/絶縁体界面の化学反応の制御がカギであることがわかったため、微細構造の観察に重点をおいた研究をすすめた。加えて、熱スピン注入を交えた効果的なスピン流生成法を組み合わせる手法を開発し、選択的スピン注入素子の性能向上を目指した。熱を用いて効率的に純スピン流を生成する技術を開発するとともに、強磁性共鳴を用いて同技術をワイヤレス・スピン注入技術へと高度化した。また、磁性金属酸化物接合を用いた高精度な横型ナノ抵抗スイッチング素子の動作を実証するとともに、観測される相転移現象の電気的制御メカニズムの解明に成功した。更に、磁性絶縁体におけるスピン流伝導機構について、実験的に調べ、効果的なスピン吸収が生じることを見出した。これら一連の成果は、スピン流による効率的な物性制御技術の開拓に極めて有効である。NiOのスパッタ
細胞の癌化とその抑制における転写因子の役割

本研究では、転写因子の機能と、転写因子自身の制御機構に着目して、転写因子群の発癌抑制における機能貢献を検証した。その結果、異物代謝系および酸化ストレス応答系遺伝子群の発現を統一的に誘導制御するNrf2と、その応答制御を調節するKeap1の機能異常が生体防御系を撹乱し、発癌及び癌悪性化に寄与すること、および、造血系の増殖・分化・細胞死に関わる遺伝子発現を包括的に制御するGATA因子の機能不均衡が、恒常性維持機構を破綻し、白血病発症の誘因となることを見いだした。本研究は、協調的な遺伝子発現制御機能によって形成される発癌防御機構の解明を目的としている.第一に,造血器腫瘍の形成過程においては,増殖・分化・アポトーシスの制御の破綻に着目し,GATA転写因子の発現制御や機能の解析をツールとして白血病発症メカニズムの解明に取り組んでいる.本研究を通して、私たちはGATA-1遺伝子ノックダウンマウスヘテロ接合体に発症する白血病細胞においてGATA-2の発現が亢進していることを見出した.また、GATA-2遺伝子の血球特異的なプロモーター下流に緑色蛍光蛋白質(GFP)遺伝子を挿入したマウスを解析した結果、GATA-2を発現する細胞は高い割合でS/G2/M期の細胞を含み、細胞増殖関連遺伝子を多く発現する増殖性の高い細胞であることを明らかにした.さらに、GATA-1遺伝子の血球特異的発現制御領域(G1-HRD)の下流にGFP遺伝子を挿入したマウスの解析の結果、GATA-1遺伝子の発現は赤血球の分化段階に応じて著しく変動し、その発現が最も高いのはCFU-Eから前赤芽球を含むLin^-/c-kit^+/CD71^+分画(Late erythroid progenitor)であることを発見した.このようなGATA-1とGATA-2の発現プロファイルの相違はそれぞれのGATA因子の細胞増殖、分化、癌発症における役割を解析するうえで重要な手がかりとなる.第二に,私たちは異物代謝系および酸化ストレス応答系遺伝子群の発現を統一的に誘導制御する転写因子Nrf2の活性化が発癌抑制機能に関与していることを明らかにした.Nrf2とその抑制性制御因子Keap1の機能解析を中心にして、生体における化学発癌防御メカニズムの解明は,発がんにおける抑制性遺伝子発現制御の役割を解明する上できわめて有効である.本研究は、発がん防御という視点に焦点を絞り,転写因子機能を総合的に理解することを目的としている。本年度は、血球前駆細胞の増殖・分化・アポトーシスの制御を介して赤血球および巨核球の形成過程において重要な転写因子GATA1に着目し、マウス個体を用いた解析を行った。近年、N末端領域を欠失したGATA1変異が、ダウン症候群患児に発症する一過性骨髄増殖症(TMD)や、ひきつづく巨核芽球性白血病(AMKL)の芽球にほぼ必発していることから、自血病発症にかかわるGATAI変異の関与が注目されている。私たちは、同様なGATA1変異をもつマウスでは、TMD患児と同様に、胎生期から新生児期に未熟な巨核芽球が著明に蓄積しているが、この表現型は出生後すみやかに消失することを見いだした。また、ヒト症例と異なり、成獣マウスでは白血病を発症しないことを見いだした。このことは、GATA1単独変異によりTMDが発症しうるが、AMKLの発症には、21番染色体トリソミーに起因する他の遺伝子異常が引き金となることを示唆している。私たちは以前、GATA1ノックダウンマウスの解析を通して、GATA1の発現量の低下により、赤血球前駆細胞が蓄積し、その中の一部のマウスが前赤芽球性白血病を発症すること報告した。これらの結果は、GATA1の量的異常(発現量の低下)と質的異常(構造異常)が、それぞれ系列特異的な未熟な前駆細胞の蓄積を招来し、白血病発症の素地を作ること、さらに、それぞれの白血病発症には、GATA1変異にさらなる未知の遺伝子変異が関与している可能性を示唆している。本研究は、発がん防御という視点に焦点を絞り,転写因子機能を総合的に理解することを目的としている。本年度は、GATA1分子の発現低下を原因とする増殖・分化・アポトーシス制御の破綻により赤血球前駆細胞が異常蓄積し、さらなる遺伝子変異を引き金として白血病を発症するという、多段階白血病発症モデル系がすでに確立しているGatal遺伝子ノックダウンマウスヘテロ接合体をツールとして白血病発症メカニズムの解明に取り組んだ。Gatal遺伝子ノックダウンマウスヘテロ接合体に発症する白血病には白血病幹細胞(LSC)が存在し、Hoechst染色陰性のSP分画に濃縮されていることを見いだした。LSC細胞は、造血幹細胞(HSC)の幹細胞性に関与すると報告されているいくつかの遺伝子を発現している一方で、赤血球前駆細胞特有の遺伝子も発現していることから、異常蓄積した赤血球前駆細胞が幹細胞性を獲得して白血病化したと考えられる。

また、LSCは、HSCと同様に通常は静止期に存在し、抗がん剤治療に抵抗性であった。LSCはHSCと同様に抗がん剤治療からの回復期に細胞周期にはいり、すみやかに元の白血病状態に再燃する母体となった。ところが、HSCとは異なり、ひとたび細胞周期に入ったLSCは、もとの白血病状態に至っても二度と静止期には戻らず、増殖を続けていた。ヒト白血病の再発症例が初発時の病態に比べて悪性度が増しているという事象は臨床的によく経験されるが、以上の結果から、この原因の一端に治療抵抗性で残存した白血病幹細胞自体の悪性化が関与している可能性が考えられる。本研究は、発がん防御という視点に焦点を絞り,転写因子機能を総合的に理解することを目的としている。本年度は、赤血球・巨核球分化に重要なGATA1遺伝子に着目して、その機能破綻が引き起こす白血病発症メカニズム解析に取り組んだ。ダウン症候群患児に高率に発症する一過性骨髄増殖背疾患(TMD)や巨核芽球性白血病(AMKL)の芽球では、ほぼ全例にGATA1のアミノ末端領域を欠失したGATA1(ΔNT-GATA1)が発現している。我々は、ΔNT-GATA1のみを発現する遺伝子改変マウスでは、胎生肝で未熟な巨核芽球が異常蓄積していること、この異常蓄積が出生後の脾臓や骨髄では見られないこと、このマウスは白血病を発症しないことを見いだした。このことは、TMDの発症には21番染色体トリソミーは必須ではなく、Gata1遺伝子の異常のみで病態を構築することができる、しかし、GATA1異常のみではAMKLは発症せず、AMKLの発症にはさらなる遺伝子変異が必要であることを示している。一方我々は先に、GATA1の発現低下を原因とする増殖・分化・アポトーシス制御の破綻により赤血球前駆細胞が異常蓄積し、さらなる遺伝子変異を引き金として白血病を発症することを報告した。これらの解析から、構造異常(アミノ末端欠失)とGATA1の量的異常(発現量低下)とが、それぞれ系列特異的(巨核球、赤血球)前駆細胞の異常蓄積を引き起こすこと(前白血病状態)、しかし、GATA1の単独異常では白血病を発症せず、いずれの場合も白血病発症さらなる遺伝子の異常が引き金となること(白血病の多段階発癌)を明らかにした。
前立腺癌に対する放射線治療における尿路有害事象予測モデルの構築

前立腺癌の放射線治療において、線量増加による治療効果の上乗せが証明され、高線量時代になった。従来の放射線治療において直腸出血が最も懸念された有害事象であったが、ハイテク機器の普及により低減できるようになった。しかし、尿道線量は前立腺への線量増加ともに増加するため、尿路有害事象の増加が予想される。本研究者は、後ろ向きの臨床試験で定性的ならびに定量的にその事象を確認してきた。本研究では、ファントム測定実験ならびに、いままでに蓄積された臨床データの解析をもとに、統合された予測モデルの構築を目指す。
有機化学基礎研究の飛躍的推進と方策に関する研究

わが国における有機化学基礎研究の飛躍的推進のためには、有機化学基礎研究所を設立して、既存の国立共同研究所と協力して研究を展開する必要があるとの観点に立ち、国内の有機化学基礎研究の指導的立場にある23名を班員として、有機化学基礎研究設立のための討議を行った。岡崎で幹事会を一回行い、また松山と京都で二回の全体会議を行ったが、これら計3回の討論を経て以下の様な点において合意が得られ、関係方面に強力に働きかけていくこととなった。1.今後の有機化学基礎研究の発展の一方向として、生体内諸反応の高効率性・高選択性を人工的に再現するという分野がある。2.有機化合物のさまざまな物性を高度に設計・利用することにより、従来達成されなかった有機超電導や有機強磁性体などの物性に迫るという分野も有力である。3.有機化学基礎研究所は文部省の国立共同利用機関として、わが国における有機化学基礎研究のリ-ダ-シップをとる。4.研究所は、基幹研究部門、流動研究部門、外国人客員研究部門、産学共同流動研究部門からなる。5.研究系は、物性情報研究系、分子システム化学研究系、分子設計研究系の3つから成る。6.基幹研究部門は、研究の国際化と研究員の国際的視野の育成に努める。7.最新の研究機器を常に完備して研究の推進を計り、共同利用機関として、外部機関の研究者の研究上の便に供する。また、特殊測定を目的とした研究への路を拓く。8.研究所は、年間5件程度の国際研究集会を主催する。
FGF-1受容体に存在するヘパラン硫酸鎖のシグナル伝達における役割

これまでの研究でPTr細胞株の細胞増殖は細胞外液中カルシウム濃度に依存しており、おもにFGF-1のautocrine制御により調節されていることが明らかにされた。このFGF-1の作用機序において細胞表面ヘパラン硫酸プロテオグライカンの存在がFGF-1の高親和性レセプターへの結合に必須であることも示された。またこの細胞で発現されるFGFレセプター(FGFR)はレセプター自体がヘパラン硫酸鎖を持ちヘパラン硫酸プロテオグライカンとして存在していることが示されている。PTr細胞では、FGFRはそのmRNAのaltenative splicingにより3個あるいは2個の免疫グロブリン様ドメインを持つ分子種として細胞表面に発現しており、それぞれ3個所および1個所のヘパラン硫酸合成開始可能アミノ酸配列(Ser-Gly)を持っている。これら2種類のFGFRをコードするcDNAおよびsite directed mutagenesisにより上記Ser残基をAlaに変更するcDNAを調製し、エクスプレッションベクターとともにこれらcDNAを複数種の細胞に強制発現することにより、どのSer-Glyドメインがヘパラン硫酸合成開始のアクセプターとなりうるかを同定した。その結果2個の免疫グロブリン様ドメインを持つ短縮型FGFRだけがヘパラン硫酸合成開始のアクセプターとなりうることを示した。また、細胞外カルシウム濃度変化によりPTr細胞は短時間のうちにFGFRの細胞表面への発現、あるいは細胞内へのtranslocationを行うことによりFGF-1に対する細胞の感受性を変化させる機構を持つことも明らかになった。これら本年度の研究結果をまとめると以下のとおりである。副甲状腺細胞株PTrにおいてその細胞増殖はおもにFGF-1のautocrine制御により調節されており、(1)細胞表面ヘパラン硫酸はFGF-1のFGFRに対する高親和性結合に必須である、(2)細胞はFGFRをコードするmRNAのaltermativesplicing、FGFRのゴルジ装置でのヘパラン硫酸化、細胞外カルシウム濃度感知機構を介したtranslocationよる細胞表面へのFGFRの発現調節などにより、ヘパラン硫酸とFRF-1の相互作用を制御している機構の存在することが明らかとなった。
DNA機能材料を用いた光IPルーチング用光信号処理デバイスの研究

本研究は北海道で豊富に捕れるサケのうち使い道が無くほとんどが廃棄されている白子に着目し、そこから抽出したDNAを用いて光学に応用できる機能性薄膜を用いた光デバイスを作製する研究である。DNA-界面活性剤複合体を形成したDNA高分子を用いて作製したDNA-脂質薄膜にスピロピランをドープすることにより、ホストとして通常用いられているPMMAの場合に比べ数倍以上強い蛍光を観測し、同時にスピロピラン固有の顕著なホトクロミック効果を観測した。平成14度の研究で薄膜形成条件およびドーピング条件が明らかにし,平成15年度に導波路作成と信号処理機能の確認を行った。導波路作成に関しては通常のドライエッチングを試みたものの,前後の工程で不可欠なウェットプロセスでのDNA膜への水の吸着が原因と考えられる部分剥離が生じ,導波路の形成が困難であることが判明した。この問題への対応は製造工程の抜本的見直しが必要なことから,完全ドライ工程化とパシベーション処理の検討を行ったが,剥離原因の特定に至るまでに時間を要し残念ながら年度末までには見直しが終了できなかった。一方,デバイス特性の面から,スピロピランのホトクロミズムに起因する構造変化により配向膜での屈折率異方性が生じる結果,入射光の偏波面が回転し,それがスピロピランのドープ量と関係していることが見出された。この現象は信号処理における偏波多重制御や演算に用いることができる可能性を示唆するものであることから,この結果を平成16年1月のSPIE国際会議に発表した。今後は,偏波回転のメカニズムの探求を行い,ドーピングの最適化や速度の向上を図る必要がある。本プロジェクトは北海道で豊富に捕れるサケのうち使い道が無くほとんが廃棄されている白子に着目し、そこから抽出したDNAを用いて光学に応用できる機能性薄膜を用いた光デバイスを作製する研究である。一方、光デバイスとして望ましい動作特性を得るためには、スピロピラン等のドーピング色素とホストとしてのDNAのお互いの濃度に対する吸収・蛍光条件の最適化が必要なところから、急高度および蛍光強度とDBA/色素濃度の検討を行った。ホトクロミズムはスピロピラン分子の構造変化によりもたらされており、この現象を用いて波長変換が可能である。また、構造変化に伴う屈折率変化を詳細に評価した結果、DNAおよびスピロピランの濃度依存があるが概ね0.2-0.3%の変化であることが判明した。これはDWDM数チャンネル分をカバーする波長選択フィルタとして機能することが分った。これと平行して光導波路加工法の基礎検討としてスピンコートによる薄膜形成を詳細に検討し、数ミクロンの膜形成条件を確立した。以上の述べたように、平成14年度は主に材料科学の面からDNA-脂質薄膜の光学パラメータの測定および導波路加工法の検討を行い、デバイス光学の面からホトクロミック光学色素をドープしたDNA-脂質薄膜において波長変換デバイスの可能性を検討した。次年度は、14年度の結果を用いて導波路デバイスの作製を行うとともに、3次非線形光学材料をドープした光カー効果を用いた論理素子の検討を行う。本研究は北海道で豊富に捕れるサケのうち使い道が無くほとんが廃棄されている白子に着目し、そこから抽出したDNAを用いて光学に応用できる機能性薄膜を用いた光デバイスを作製する研究である。

昨年度の研究により薄膜形成条件およびドーピング条件が明らかとなったので,15年度は導波路作成と信号処理機能の確認を行った。導波路作成に関しては通常のドライエッチングを試みたが,前後の工程で不可欠なウェットプロセスでのDNA膜への水の吸着が原因と考えられる部分剥離が生じ,導波路の形成が困難であることが判明した。この問題への対応は製造工程の抜本的見直しが必要なことから,完全ドライ工程化とパシベーション処理の検討を行った。その結果,剥離原因の特定に至るまでに時間がかかり残念ながら年度末までには見直しが終了できなかった。一方,デバイス特性の面から,スピロピランのホトクロミズムに起因する構造変化により配向膜での屈折率異方性が生じる結果,入射光の偏波面が回転し,それがスピロピランのドープ量と関係していることが見出された。この現象は信号処理における偏波多重制御や演算に用いることができる可能性を示唆するものであることから,この結果を2004年1月のSPIE国際会議に発表した。今後は,偏波回転のメカニズムの探求を行い,ドーピングの最適化や速度の向上を図る必要がある。
Ｈａｄｗｉｇｅｒの定理に基づいた蛋白質水和熱力学量の汎用的計算手法

本研究は『Hadwigerの定理』に基づいて蛋白質の水和熱力学量を簡便に計算する方法論の開発可能性及びその汎用性を検討するものである。その定理から導かれる系の形状と物理量との関係性を、溶質分子と水和熱力学量との関係に適応すると、溶質分子の4つの幾何学的指標とそれに掛かる係数によって熱力学量は表記される。溶質の部分モル熱力学量がこの式に従うとすれば、水和熱力学量の計算を非常に簡便に行うことができ、しかも汎用性が極めて高いことが期待される。これら一連の計算手続きに関する方法論を確立し、複雑な分子の水和熱力学量に関する優れた計算手法開発の可能性を探った。分子論と熱力学を統合した議論は、実験と理論との協奏という観点から蛋白質の構造論において本質的である。特に蛋白質が存在する溶媒環境である水と関連付けるべきであり、その場合、水和熱力学量の算出が必須である。本研究は、従来の統計力学によらず、分子の幾何学的形状と水和熱力学量の関連性を探るものである。水和熱力学量が分子の幾何学的形状を規定する『Hadeigerの定理』に従うと仮定すると、分子の形状は明確に規定されなければならない。熱力学といったマクロな物理量と分子構造といったミクロな量を関連させる場合、どのようなプロセスで結びつけるかを検討する必要があった。実験値と対応付けを実施する場合には、分子シミュレーションから得られた構造集団の平均値を用いる必要がある事が明らかとなった。分子構造と熱力学量を簡単に結びつける近似的手法が開発されたことで、今後は既存の計算手法などとの融合を計画している。分子の形状と水和熱力学量が『Hadwigerの定理』に従うと仮定すると、分子の形状は明確に定義されなければならない。すなわち、系と外界とが厳密に区別される必要がある。しかし、“分子"というミクロスコピックな描像では厳密な境界は物理的に定義できない事は、量子化学が示すところである。そこで、古典論として分子シミュレーションが有効である様に、どのような近似を持って分子形状の定義が妥当であるか検討を行った。溶液中では分子は常に動いていると考えられるため、幾何学的指標は固定された1分子のものでは無く、平均値を用いる必要があることが判明した。分子シミュレーションの援用でその平均量を得る試みを実施した。蛋白質の水和熱力学量はその機能を議論する上で必須であるが、その計算は蛋白質分子の巨大さと複雑さのため困難を極める。その定理から導かれる系の形状と物理量の関係性を、溶質分子と水和熱力学量に適応すると、溶質分子の4つの幾何学的指標とそれに掛かる係数によって表記される。本研究では、巨大分子の水和熱力学量がこの定理式に従うと仮定し、水和熱力学量の計算を非常に簡便に行うことができることを示した。しかもlogPの計算への応用が可能になるなど、汎用性が極めて高いことが解った。より具体的な方法論としては、一連の計算手続を確立し、複雑な分子の水和熱力学量に関する優れた計算手法の開発を実施した。生物物理分子の形状と水和熱力学量が『Hadwigerの定理』に従うと仮定すると、分子の形状は明確に定義されなければならない。この分子形状の定義にに関する詳細な検討が行われた点においては当該年度の計画どおりに研究は進行しているものと思われる。分子構造と熱力学量を簡単に結びつける近似的手法が開発されたことで、今後は既存の計算手法との融合を計画している。そのことで、物理創薬に向けた展開を推進する予定である。分子形状の算出にはConnollyのアルゴリズム[M. L. Connolly, Science, 221, 709-713 (1983)]を用いて分子の幾何学的形状を算出している。今後、化学的な発想から構成原子の性質を考慮するため、その幾何学的形状を原子寄与に分割した表式を導出しなければならないので、この点に関して発展させていく必要がある。研究が大幅に進展したため、出版費用や研究発表の機会が増えたため、支出を前倒しした。研究自体はほぼ終了しており、最終年度の支出では学会発表での旅費への支出を予定している。共同研究者が所属するドイツの大学への出張旅費ならびに、分子シミュレーションの実行など、単純作業に関する研究補助員の雇用費にも当てる予定である。
光周波数多重化とFBGを用いた多点同時振動センサの研究

複数の個所に生じた固体振動を光ファイバブラッググレーティングを用いて同時に測定する方法の研究を行った。実証実験では、3か所に発生させた、振幅30 με(εはひずみの単位)、周波数3 kHz程度の固体振動を10 μsの測定時間で測定することに成功した。各測定において混入する単位周波数当たり雑音は6 nε/√Hzと小さく、測定結果として得られた振動振幅の値も市販の測定器と同程度に正確であった。測定可能点数は実証用の試作品でも100点程度であり、測定時間を長めにとるか、測定機器をより高速な製品に置き換える事で更に多数の測定点を同時測定可能である。本研究の目的は半導体レーザの注入電流変調による狭帯域波長掃引を光周波数多重化方式に基づくセンシング手法に利用し、光ファイバブラッググレーティング多点センシングの計測時間を大幅に短縮する事である。本年度に行なった研究は以下の通りである。分布帰還型半導体レーザの電流変調特性を実測した。分布帰還型半導体レーザは電流を注入する事でレーザ光を発振させるが、この注入電流を増減させると、レーザ光の出力強度だけでなく、発振波長も僅かに変化する。この波長変化は静的に電流を変化させた場合は、増減させた電流の変化量にほぼ比例する。一方、正弦波信号や鋸歯状波信号を用いて電流を変調した場合においては、波長変化量と電流変化量は線形に対応しなくなる。本研究では所与の電流変調信号に対して得られる波長変化信号を把握する事は必須であり、本年度はこれを達成した。電流変調下における分布帰還型半導体レーザの瞬時波長の推定は以下のようにして達成した。まず、ファイバ型ファブリ・ペロー干渉計(FFPI)を用いて離散的に瞬時波長を測定した。また、この手法を用いて測定した瞬時波長を用いて掃引波長の非線形性補正を行なった。次に、偏波保持ファイバを用いた不等光路長マッハ・ツェンダ干渉計を用いて更に高分解能な瞬時波長の測定を行なった。波長掃引に用いる変調信号について、鋸歯状波、三角波、正弦波の3種類の波形を比較・検討した。その結果、正弦波を用いた電流変調によって得られる波長変化の波形が最も歪みが少なく、かつ変調の深さも最大になる事が分かった。本研究の目的は半導体レーザの注入電流変調による狭帯域波長掃引を光周波数多重化方式に基づくセンシング手法に利用し、光ファイバブラッググレーティング(FBG)多点センシングの計測時間を大幅に短縮する事である。分布帰還型半導体レーザを光源に用いた光周波数多重化方式によるFBGセンシングシステムを構成し、固体振動計測の実証実験を行った。波長の掃引周波数は10 kHzを用い、周波数数百Hzの固体振動を実際に検出した。レーザ波長の変調における非線形性を補正するために、偏波保持ファイバで構成した不等光路長マッハ・ツェンダー干渉計を導入し、波長掃引下における瞬時波長の測定を振動測定と同時に行った。測定によって得られた時間の関数としての瞬時波長から、逆関数を算出し、センサ出力として得られた干渉信号を波長変化に対して線形な関数として補正した。更に、使用するFBGを追加し、多点振動計測の実証実験を行った。一本のファイバに直列に多数のFBGを追加する事を念頭におき、FBG1個の最大反射率は1%の物を採用した。まず、反射率1%のFBGであっても、十分な信号雑音比の干渉信号がセンサ出力として得られる事が確認できた。更に、FBGを1本のファイバ上に複数設置し、ファイバ長で3 m離れた位置に存在するFBGに印加された振動を独立に検出する事が出来た。上記のセンシングシステムの構成と改良に先行して、多点センシングシステムの性能評価を行う為、静ひずみ、温度変化、振動の印加をファイバ上の異なる位置に与える為の実験系の検討と試作を行った。実際に評価用実験系を用いて、別の光ファイバセンシングシステムの性能評価を行い、評価手法の確立を図った。昨年度、周波数10 kHzの鋸歯状波による波長掃引を用い、最大反射率1 %のFBGに対して光周波数多重化方式によるセンシングを適用し、周波数数百Hzの固体振動を実際に検出した。今年度は、電流変調に用いる波形を正弦波にする事でより高速な波長掃引を可能とした。実際に最大反射率1 %のFBGを複数同時に用いてセンシングを行い、振幅30 με程度、周波数1 kHzから3 kHzの固体振動を独立に測定可能であることを実証した。実証実験で構成した測定系における雑音スペクトル密度は6 nε/√Hzであり、測定確度は市販のレーザドップラー振動計の保証確度である5 %以内で一致していた。同時測定可能なFBGの個数は最大で100程度であるが、これは波長の掃引周波数を下げるか、測定に用いたデジタルアナログコンバータのサンプリングレートを上昇させることで更に増加可能である。また、波長掃引の掃引周波数は1 Mhz程度までは容易に上昇させることができ、さらに高速な振動を計測することも可能である。

これらの成果は国内の学会及び国際会議において発表しており、査読付雑誌論文にも採択されている。複数の個所に生じた固体振動を光ファイバブラッググレーティングを用いて同時に測定する方法の研究を行った。実証実験では、3か所に発生させた、振幅30 με(εはひずみの単位)、周波数3 kHz程度の固体振動を10 μsの測定時間で測定することに成功した。各測定において混入する単位周波数当たり雑音は6 nε/√Hzと小さく、測定結果として得られた振動振幅の値も市販の測定器と同程度に正確であった。測定可能点数は実証用の試作品でも100点程度であり、測定時間を長めにとるか、測定機器をより高速な製品に置き換える事で更に多数の測定点を同時測定可能である。実際に構成した分布帰還型半導体レーザを光源に用いた光周波数多重化方式によるFBGセンシングシステムを用いて3 m離れた位置に印加された周波数数百Hzの固体振動を同時に検出できている。光応用計測構成したシステムの信号雑音比の最適化を行うと共に、センサとして機能させられる最大点数の検討とその実証を図る。また、波長の掃引周波数を高速化し、測定時間の更なる短縮を試みる。電流変調下における半導体レーザの瞬時波長変化を高精度に推定する手法を確立した。また、安定した波長掃引を行なう上で、電流変調波形に正弦波を採用する事が有効である事がわかった。最も大きな理由は、海外旅費の繰越である。研究成果を発表する場として計画していた国際会議が本年度は6月と早い時期の開催であった為、翌年度に開催される次回の会議を成果発表の場とする事にした。その為、渡航費用及び会議参加費用の未使用分が発生し、それを次年度へと繰り越すこととなった。また、一部機材が別予算で購入した機材で転用できる可能性があった為、助成金の効率的運用を図る為、転用による実装を試験している。まず、光周波数多重化方式型のセンシングシステムを試作し、実際に干渉信号を取得する。そして、正弦波で波長が変化している事を踏まえた干渉信号の解析手法を確立する。次に、多点センシングの試行を行なう。まず、次年度に開催される国際会議への参加費用及び渡航費用に使用する。また、センサシステムの信号処理系には改善の余地がある為、換装する事による費用対効果の高い機材を検討し、随時換装する。更に、多点計測で同時に何点まで測定可能かを検証する為、センサ用FBGを追加で導入する予定である。当初、ファイバ型ファブリ・ペロー干渉計(FFPI)を本研究用に特殊な仕様を指定した上で購入し、半導体レーザの瞬時波長測定の高分解能化を図る予定であったが、現有のFFPIで予備実験を試行した結果、FFPIが有する僅かな偏波依存性が高分解能化の阻害要因になる事が分かった。この為、別の方法で瞬時波長を測定する方法を模索し、偏波保持ファイバで構成した不等光路長マッハツェンダー干渉計を用いた測定法を試みた所、充分な精度で瞬時波長が計測できる事が分かったため、FFPI及びそれを用いた瞬時波長測定光学系一式の購入を取り止め、マッハツェンダー干渉計による波長測定光学系を採用する事にした。波長測定用の干渉計の信号とセンシング用の干渉光学系から得られる信号を統合的に解析する為に必要となる機材(光電気変換器、光変調器、アナログデジタルコンバータ、デジタルアナログコンバータ等)の購入に充てる予定である。
希土類系高温超伝導線材の強磁場マグネット応用のための材料力学的研究

超伝導マグネットの更なる強磁場化のためには,高温超伝導体の活用が必要不可欠である。特に高強度基板を用いている希土類系高温超伝導テープ線材は,高い機械強度が注目されている。本研究では四点曲げ試験を応用した高温超伝導テープ線材歪印加装置を開発し,市販超伝導線を用いて実験を行った。本装置をヘリウムガス温度可変インサートに組み合わせ,臨界電流の歪依存性を調べた。その結果,臨界電流の歪依存性は温度,磁場によって変化し,応用機器開発のためにはスケーリング則導出が必要なことが明らかとなった。H21年度は装置の開発をメインとした。特に計測環境の整備と高精度化に主眼を置いた。希土類系高温超伝導線材(コート線材)の電磁機械特性を測定するための装置として,4点曲げ式極低温強磁場歪印加装置を開発した。ベリリウム銅製のビームにコート線材をハンダ付けして,ビームを4点曲げすることで,コート線材に引張りまたは圧縮歪を印加することができる。無冷媒10T超伝導マグネットの100mm室温ボア中で実験できるよう,温度可変インサートおよび温度コントローラを購入し,ヘリウムガス雰囲気(温度可変)で実験できるようにした。コイル横圧縮装置を改造した。過去の実験で破損した部品の交換修理を行い,従来1トン程度しか印加できなかった力を倍以上印加できるようにした。H17-19年度若手研究(B)で開発製作した装置を用いて,コート線材における臨界電流の引張り歪依存性を調べた。本装置では,従来,市販のクリップゲージを用いるか,歪ゲージを貼付して歪を測定していたが,自作伸び計(Nyilas型)を用いることとした。このことにより,歪ゲージ貼付の手間が不要となるだけでなく,たわみ成分を除去して高精度な測定が可能となった。また,臨界電流測定を従来の連続通電方式からパルス電源を用いた方式に変更した。これは,大電流通電時間を可能な限り短くして,サンプル焼損を防止するためである。この方法でGdBCOコート線材の電磁機械特性を測定した。この結果と,フープ応力印加試験の結果を比べることで,強磁場マグネット設計のための機械特性パラメータを得ることができた。希土類系高温超伝導線材の強磁場マグネット応用において最も基礎的なデータは,臨界電流の一軸歪依存性である。希土類系高温超伝導線材は金属基盤上の多層膜構造であり,超伝導層厚は1-2μmである。従って,数mm厚のビームに貼付けて曲げ歪を与えても,超伝導層内の歪分布は無いと近似できる。この性質を利用して,昨年度製作した4点曲げ式極低温強磁場歪印加装置を用いて希土類系高温超伝導線材の臨界電流-歪特性を調べた。温度は液体窒素温度(77K)とし,通電電流は最大200Aまで,印加磁場は最大10Tまでとした。試料として用いたのはCVD法によって製作されたYBCO線材およびPLD法によるGdBCO線材であり,いずれも基板はハステロイC276基板(100μm厚)である。安定化材としてのCuは,前者(CVD-YBCO)では20μm厚メッキされており,後者(PLD-GdBCO)は100μm厚銅箔がハンダ付けされている。従ってCVD-YBCOはCuBe製ビーム(5mm厚)にハンダ付けしで試験を行った。一方,PLD-GdBCOはCuBe製ビームへのハンダ付けによって安定化Cu箔がはがれてしまう。そこで,SUS304製ビームに歪ゲージ接着剤M-BOND600を用いて接着し,電流端子,電圧端子付けには低温半田を用いた。CVD-YBCO,PLD-GdBCOともに臨界電流の歪依存性が観察された。また,その歪依存性は磁場によって異なることもわかった。一方,GdBCO線材については臨界電流の温度依存性についても測定し,77K,0Tで261Aであり,線材面に垂直に磁場を印加した場合であっても4.2K,10Tで303Aの臨界電流を有することがわかった。一般に超伝導性は磁場・温度・電流の3パラメータによる臨界面で記述される。しかし,実用超伝導線材は歪による特性変化が顕著なため,応用の観点からは4つめのパラメータとしての歪が大変重要となる。特に強磁場マグネット応用の場合は,電磁力に起因する応力が印加されるため,歪の影響を無視することはできない。そこで,本研究では希土類系高温超伝導線材の強磁場マグネット応用における基礎データベース構築を目的とし,希土類系高温超伝導線材の臨界電流の一軸歪依存性を温度可変・磁場可変で測定可能な装置を設計・製作し,市販の希土類系高温超伝導線材について特性を評価した。

試料として用いたのは市販のGdBa2Cu30x線材である。テープ線材であり,ハステロイC276基板(100μm厚)上にPLD法により1.5μm厚の超伝導層が製膜され,表面には安定化材として100μm厚Cu泊がハンダ付けされている。本研究では,まず本線材の臨界電流における温度・磁場依存性を測定した。磁場印加方向はテープ面に垂直(超伝導層結晶軸c軸に平行)および平行(c軸に垂直)の2方向とした。臨界電流およびn値の温度・磁場依存性を解析した結果,GdBa2Cu30x線材においてはランダムピンが支配的であることを見出した。次に,この線材をCuBe製ビーム(5mm厚)にハンダ付けし,ビームに曲げ歪を与えることで線材に一軸引張り/圧縮歪を印加した。装置を温度可変クライオスタットに組み込み,ヘリウムガスフローによって温度調節を行いながら,4Tまでの磁場中で-0.4%0.4%までの歪範囲で臨界電流を測定した。77Kおよび83Kにおける臨界電流の歪依存性は,4Tまでの磁場において単調減少するが,その傾き(歪感受性)は磁場変化に対して増→減→増と振る舞うことが示された。本研究で開発した装置は10T無冷媒超伝導マグネットと組み合わせているため,より強磁場での測定も可能であることを追記しておく。
「遺伝」と「薬害」の意味を読み解く：血友病コミュニティの教育・啓発活動の実践から

本研究は、薬害HIV感染を経験した血友病コミュニティをフィールドとし、患者・家族・医療関係者などが行う「遺伝」や「薬害」に関する教育・啓発活動について検討する社会学的研究である。血友病が、「遺伝性疾患」であること、「薬害」を経験したことから、2つの観点から考察する。1人々は「遺伝性疾患」をどのように意味づけ、自己や他者を理解するのか。血友病患者に対する教育や血友病保因者に対するケアや支援の実践から、「遺伝」の意味について検討する。2人々は「薬害」の経験や歴史をどのように共有し、継承しようとするのか。薬害教育推進の教育資材の分析や、薬害研究資料館の設立に関する構想や取り組みについて検討する。
環境調和型有機変換反応を指向する機能性ブレンステッド塩基触媒の創製

本年度は,(1)スクッテルダイト,特にSmRu4P12での不思議な相転移とクロスオーバーの機構の研究,および,(2)多極子秩序全体を見渡して,問題点を整理することを行なった。以下にその成果を具体的に示す。(1)SmRu4P12の相転移温度は磁場とともに上昇する。また,秩序相の中になまった転移線と見られる構造(クロスオーバー)があり,従来では,立方晶より低い対称性による双極子と八極子の混合から説明されてきた。我々は新たに結晶場励起状態の寄与で電気16極子が生ずることを考え,クロスオーバー自体は立方対称性のもとでも生ずることを示した。低対称性が効くのは,八極子秩序にともなって双極子も誘起される点である。このモデルでは,転移温度の磁場による上昇,またクロスオーバーが磁場の増加につれて鋭くなることを説明する。さらに,強磁場では,まだ観測されていない1次転移の可能性を指摘した。我々の新しいモデルはSmRu4P12の不思議な挙動を解明する基礎になる。(2)多極子全般に関するレビュー論文を完成した。夏までにJ.Phys.Soc.Jpnの招待論文として出版される予定である。執筆のプロセスで,今まで混乱をもたらしてきた問題について批判的に再検討し,今後の発展に役立つようにした。例えば,点群では四極子と言っても16極子が混合しているし,八極子と32極子についても同様である。これらについて,実験的な検証も含めて,基本的な概念を明らかにした。基質中の構成元素すべてを目的化合物へと変換する直接的合成は、原子効率(Atom economy)に優れた環境調和型反応として注目を集めている。本年度は軸不斉グアニジン塩基を触媒とする直接的不斉炭素-炭素結合生成反応に焦点を当て研究を行った。開発した軸不斉グアニジン触媒はその強塩基性に由来する活性の高さが特筆に値する。この強塩基性により多くのプロ求核剤の活性化が可能であると期待される。実際に活性化するプロ求核剤としてはフラノン類に着目し、アルデヒドを求電子剤とする直接的ビニロガスアルドール反応の不斉触媒化を検討した。本反応の生成物であるブテノリド類は、多くの生理活性物質中に見られる構造単位であり、簡便な合成法が強く望まれている。これまでにシロキシフランを求核剤とする向山ビニロガス反応は不斉触媒化が多数報告されているものの、フラノン自体をプロ求核剤とする直接的付加反応の不斉触媒化はいまだ報告例が無い。触媒として強塩基性を有する軸不斉グアニジン塩基を用いる事によりフラノン類の効果的な活性化が可能になると考えた。検討の結果、3,4-ジハロフラノンを求核剤とするビニロガスアルドール反応が、触媒量の軸不斉グアニジン塩基により進行し、γ-(ヒドロキシアルキル)ブテノリドを高エナンチオ選択的に得ることに成功した。また軸不斉グアニジン塩基に導入する置換基を適宜選択することにより、生成物のジアステレオ選択性の制御が可能となることを見出した。
微視的ビーム誘起発光測定による核融合環境下セラミック特性変化の研究

核融合ブランケット用に開発研究を進めている各種セラミック機能材料について、その組成や結晶性などの結晶特性評価への電子ビーム誘起発光(カソードルミネッセンス)スペクトル測定の適用可能性を調べた。特に材料焼成温度の制限や照射損傷試験により結晶性が劣化し、発光強度の弱い状態での特性評価が重要であるが、走査型電子顕微鏡を用いることで概ね10秒以内に、μmオーダーの空間分解能でCLスペクトルの取得が可能であることが分かった。本手法をセラミック被覆開発研究、照射効果研究、冷却材循環試験等の中で材料結晶状態の評価に有効に適用している。H23年度に走査型電子顕微鏡に設置した電子ビーム誘起発光測定システムを用いて、電気絶縁・水素燃料透過抑制被覆の候補材であるEr2O3、CaZrO3、Y2O3、AlN、燃料増殖候補材であるLi2CO3、Li2ZrO3、Li2TiO3、Li2O、Flinak、及び、中性子遮蔽候補材であるB4C等、核融合炉用セラミック機能材料の発光スペクトルと強度に関する基礎データの取得を行った。同じ材料であっても入手先により、結晶性や不純物に起因すると考えられる発光スペクトルの違いが観測され、試料の初期状態を確認する観点からも重要な測定手法になり得る。電子顕微鏡の電子ビームは、1μm以上の空間分解能を保ったまま、0.1-40nAと2桁以上の範囲で調整可能であり、発光強度が低下する結晶性が悪い試料についても概ね10秒の測定時間でスペクトル取得ができることを確認した。高い空間分解能、及び、結晶性と発光ピーク波長・強度の関係をEr2O3、Y2O3等のセラミック被覆の評価に適用している。μmオーダーで生じた亀裂内部や周辺の組成・結晶状態の分析を短時間に的確に行え、また、被覆焼成時の温度均一性向上の必要性が認められる等、大面積セラミック被覆開発研究に大きく寄与している。中性子遮蔽材料であるB4Cについては、照射損傷を模擬する目的でイオンビーム照射を行った。照射後の試料では、電子ビーム誘起発光ピークの長波長側へのシフトが見られ、本手法が遮蔽材料研究にも有効であることを示した。また、電子ビームエネルギーを変化させることで、損傷が生じる深さに関する情報が得られることも確認した。その他、溶融塩中で窒化処理した耐食被覆の窒化物層分布の分析やLi2CO3粉末中の結晶状態分布をμmオーダーで取得し、核融合炉環境下におけるセラミック機能材料の特性変化を、高空間分解能でとらえる非常に有効な手段となることを示した。既存の走査型電子顕微鏡システムの鏡筒に、電子ビーム誘起発光(カソードルミネッセンス)を集光して鏡筒外に導くための、集光ミラーおよび光ファイバーを設置した。鏡筒外に導かれたビーム誘起発光に対し、(1)冷却型CCD分光器による可視波長領域でのスペクトル測定、および(2)手動分光器、光電子増倍管、前置増幅器、増幅器を用いた特定波長の発光強度の取得、が行えることを確認した。電子顕微鏡システムのビームスキャンおよび信号処理機能により、セラミック試料の2次元発光分布像が取得されており、本課題で計画していた電子ビーム誘起発光測定装置の基本部分の構築を完了した。発光強度の大きいYAGディスク試料を用いてシステムの調整を行った後、核融合炉ブランケット用セラミックとして研究を進めている酸化エルビウム(Er2O3)焼結ディスク試料の表面観察に本装置を適用した。分光器によりEr2O3からの660nmの赤色発光を選択し、その発光強度の2次元分布像を取得した。通常の反射二次電子像では判別できない、表面の材料分布を浮かび上がらせることができ、μmオーダーの空間分解能でのセラミック材料の分布、および、結晶性等の分布評価に使用できることを確認した。そのほか、電子ビームの電荷蓄積(チャージアップ)による像の歪みを抑えるための帯電防止コーティングを試料表面に施しても、発光強度は低下しない等、技術的な確認を行った。測定システム構築と並行して、次年度以降の研究において本測定システムの適用となるブランケット材料を拡げるため、既存の電子ビーム照射装置(空間分解能はmmオーダー)を用いて、炭化ケイ素、窒化アルミ、炭化ホウ素等の発光スペクトル、発光強度データの取得を行った。また、本測定手法を用いて結晶性分布を評価する対象として、Arイオンビームにより、照射損傷を導入したEr2O3試料の製作を行った。申請書の23年度計画に沿って、電子顕微鏡システムへの電子ビーム誘起発光(カソードルミネッセンス)測定ユニットを装着し、核融合炉用として研究中のセラミック材料の発光について、μmオーダーの空間分解能での2次元分布像を取得できている。今後、光電子増倍管からの発光測定信号のS/N比を向上させることや、電子顕微鏡の外部コンピューター制御、データ処理手法の高度化等、測定効率を上げるために、改良が望ましい点は見出されたものの、当初計画の内容はおおむね順調に進展している。

酸化エルビウム以外の液体ブランケット用として研究を進めているセラミック材料に本年度構築したビーム発光測定装置を適用する。酸化イットリウム、炭化ケイ素、窒化アルミ、酸化アルミ、炭化ホウ素等を想定している。特に(1)材料焼成条件の制御により、異なる結晶性を持たせたセラミック試料、(2)高温液体Li、Flibe等の冷却材への浸漬により、表面を化学腐食させた試料、(3)イオンビーム照射により、表面層に照射損傷を与えた試料、を対象とし、μmオーダーの空間分解能での電子ビーム誘起発光(カソードルミネッセンス)分布の取得を計画している。これらの測定により、核融合炉用セラミック材料の初期結晶特性、および、各種核融合炉環境模擬試験後のセラミック特性の分析、現象の機構解明に本手法が有効であることを示す。H23年度からの繰り越し分の740円については、24年3月中旬に、薄膜試料作製に必要となる消耗品に使用している。支払いが4月になったため、繰り越し分として現れているものである。H24年度の使用計画については、(1)現在、核融合炉ブランケットにおける電気絶縁、および、水素燃料投下抑制を目的とした、大面積Er2O3被覆の試作研究を進めている。本課題で構築している電子ビーム誘起発光測定装置を用いることで、この被覆の初期特性および熱サイクル試験等の核融合環境模擬試験後の特性変化を、μmオーダーの空間分解能で、評価できるようになる。その結果について、成果として国際会議において報告する予定である。(2) Er2O3以外の酸化物系セラミック材料への本手法の有効性を示す目的で、MOD(Metal Organic Decomposition)法による薄膜試料の作成を行い、発光分布の取得を行う。このためのMOD製膜用溶液の入手を行う。(3)2次元分布測定の精度向上のために、分光器の代わりに光フィルターによる波長選択を行うことを考えており、光フィルターの入手を行う。