hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
カーボネート型濃厚系高分子電解質の特異的イオン伝導挙動の解明

前年度の研究で、分光学的手法により、PECはLiイオンとの間で強固な配位構造を形成しにくく、イオンが凝集体として存在しているにもかかわらず伝導性を有していることから、PEC電解質は高塩濃度領域で高いイオン伝導度やLiイオン輸率を示すことが示唆された。そこで本年度は、塩濃度の違いがPEC電解質の電気化学的特性に及ぼす影響を解析・考察した。さまざまな塩濃度のPEC/LiFSI電解質を用い、SUS板を作用電極としてリニアスイープボルタンメトリーを行ったところ、高塩濃度領域では電解質の酸化分解による電流が大きく抑制され、室温付近で約5 V vs. Li/Li+以上に及ぶ優れた電気化学的安定性を示すことがわかった。さらに、Al箔を作用電極としてサイクリックボルタンメトリーを行ったところ、高塩濃度領域では電圧印加時におけるAlの溶解による腐食反応が抑制されることが示唆された。前年度に行ったFT-IRスペクトル測定によると、高塩濃度領域([Li]/[ECユニット] > 0.5)では、大部分(>70%)のカルボニル基(C=O)がLiイオンに配位していると予想される。高塩濃度化による耐酸化性の向上は、作用電極表面上に多量のイオンが存在することや、PECの耐酸化性がLiイオンへの配位による電子密度の低下により向上していることに起因すると考えられる。また、金属腐食反応の抑制は、多くの極性基(C=O)がLiイオンに配位していることで電解質全体のドナー性が低下し、金属イオンを溶出させにくくなっているためであると考えられる。以上の結果を受け、実際にコイン型の試作Li二次電池を作製し、充放電試験を行った。その結果、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)のような、一般的なポリエーテル電解質では難しい4 V以上での充電が必要な正極活物質を用いた電池でも、高いクーロン効率での充放電を行うことができた。29年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は、まずポリエチレンカーボネート(PEC)/LiFSI電解質について、スペクトル測定の結果から電解質中の塩溶存状態の解析と考察を行った。PEC/LiFSI電解質は、ガラス転移温度が塩濃度増加と共に上昇し、それに伴いイオン伝導度も塩濃度増加と共に上昇する、また高Liイオン輸率を示すという、一般的に研究されているポリエーテル型電解質とは異なるイオン伝導挙動を示すことが分かっている。今回行ったFT-IR測定、およびラマンスペクトル測定の結果から、PEC/LiFSI電解質では、ポリエーテル電解質とは異なり強固な錯体構造を形成することが難しいため、Liイオンを介した物理架橋効果に対してFSIイオンの可塑化効果が優勢となり、特異的な性質を示すことが推察された。さらに、固体7Liマジック角回転(MAS)NMRの結果からは、LiイオンとFSIイオンの相互作用が、LiイオンとC=O基の相互作用を弱めることも、高Liイオン輸率などの特性につながっていることが示唆された。また、PEC/LiTFSI、およびPEC/LiFSI電解質についてリニアスイープボルタンメトリーを用いて耐酸化性の塩濃度依存性を調査した。すると、耐酸化性は塩濃度の増加と共に上昇し、約100 mol%以上の高濃度では室温付近で約5 V vs. Li/Li+を超える優れた性能を示すことが明らかになった。これは、塩が凝集体として電極表面に存在しているためであると考えられる。これらの成果をまとめると、本研究で着目しているPEC電解質は一般的なポリエーテル電解質とは異なる塩溶存状態を有し、それに基づいた特異的な性質を示すことが明らかとなり、今後の材料設計につながる知見が得られた。当初の計画通り、FT-IR測定やラマンスペクトル測定、固体7Li NMR測定などのスペクトル測定を用いて、PEC電解質中での塩の溶解により発生するイオンが、イオン対・凝集イオンなどのうちどのような形態をとっているのかを詳細に解析・考察することができた。そのうえで、複素インピーダンス法を用いた電気化学測定やパルス磁場勾配NMR測定も並行して実施し、上記のスペクトル測定結果と合わせた考察を行うことができた。これにより、電解質の塩溶存状態と電気化学的性質の相関を考察することができた。また、こうした研究により得られた電解質の塩溶存状態に関する新しい知見をもとに、優れた耐酸化性の発現という新しい知見を得ることができた。これらのことから、明らかとなったイオン伝導メカニズムに基づき優れた性能を示す電池系を探索するという、平成29年度に実施予定となっている内容につながる成果を得ることができたと言える。

前年度に行ったFT-IRスペクトル測定によると、高塩濃度領域([Li]/[ECユニット] > 0.5)では、大部分(>70%)のカルボニル基(C=O)がLiイオンに配位していると予想される。高塩濃度化による耐酸化性の向上は、作用電極表面上に多量のイオンが存在することや、PECの耐酸化性がLiイオンへの配位による電子密度の低下により向上していることに起因すると考えられる。また、金属腐食反応の抑制は、多くの極性基(C=O)がLiイオンに配位していることで電解質全体のドナー性が低下し、金属イオンを溶出させにくくなっているためであると考えられる。以上の結果を受け、実際にコイン型の試作Li二次電池を作製し、充放電試験を行った。その結果、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)のような、一般的なポリエーテル電解質では難しい4 V以上での充電が必要な正極活物質を用いた電池でも、高いクーロン効率での充放電を行うことができた。平成28年度の研究で、PEC電解質の耐酸化性が塩濃度の増加と共に上昇し、高濃度領域で優れた性能を示すことが明らかになった。これらの結果を受け、平成29年度はこのPEC電解質の高耐酸化性を活かし、高作動電圧のLi二次電池用正極と組み合わせた試作電池の作製と性能評価を行いたいと考えている。具体的には、正極活物質としてLiMn2O4や、5 V級電極材料であるLiNi0.5Mn1.5O4など種々の正極材料と組み合わせコイン型電池を作製する。充放電試験によりこれまでの研究で明らかになったイオン溶存状態と、電池用電解質としての性能の相関を解明することにより、新規濃厚系固体高分子電解質として提案することを目指す。この際、ポリマー末端にある水酸基(OH基)の存在による、バックバイティングと呼ばれる機構に基づく分解が問題となることが予期される。この機構による分解は、加熱、および電池の充放電に伴う電気化学的な負荷により促進され、ボルタンメトリーによる測定ではその影響が小さくても、長時間の電池作動では大きく影響を及ぼす可能性がある。そこで、ポリマー末端のエンドキャップ反応による不活性化と、その影響の調査を試みる。29年度が最終年度であるため、記入しない。
精巣障害物質の精巣発育、特に精子形成能獲得に及ぼす影響

本研究は雄ラットを用いた動物実験で、各種免疫抑制剤、内分泌撹乱物質の精巣毒性に関する検討と精巣障害に対する治療効果の検討を行った。下垂体摘出ラットにGHを投与すると、LH、FSH非存在下で、GHが精巣の発育を促進し、生殖細胞数を増加させることを明らかにした。またこの作用は、LH作用、FSH作用とは異なる機序で起こっていることを明らかにした。この結果はGHが性腺機能不全の治療に有効である可能性を示している。CP投与による精巣障害に対して、GH投与がどのような効果を示すかを検討した結果、GHは精子形成に促進的に働くと共に、薬剤による精巣障害を軽減することが明かとなった。GH前投与では効果が見られなかったことから、臨床的なGH投与に関しては投与時期の検討が重要である。2、ダイオキシンによる精巣障害ダイオキシン(TCDD)の無毒性量を長期間投与した時の、性腺機能の分化、成熟、精子形成を組織学的、分子生物学的に検討した。無毒性量のほぼ上限を維持するために10ng/kg/dayを7日毎に投与した.出産後21日まで母乳飼育し,21日目に,内臓奇形の有無を確認し臓器を摘出した。TCDDの影響で肝臓での発現が増強されるCyp1A1が3週齢で増加しており、経胎盤性、母乳性にTCDDが仔ラットに移行していることが明かとなった。精巣はPAS染色し,精祖細胞,精母細胞,精子細胞数をコントロールラットと比較したが、組織学的には明らかな違いを認めなかった。以上より、微量のTCDDが胎盤、母乳を介して胎仔、新生仔に移行していることが示された。3、精子形成関連遺伝子の発現3週令,7週令ラット精巣をもちいてdifferential display法により数種類の未知の遺伝子を採取し,その中から5週令以降の精巣でのみ発現する遺伝子(SRF-1)を単離した。In situ hybridizationにより,この遺伝子は精母細胞で発現していることを確認した。SRF-1は精子形成能の指標となると考えられる。1.精子形成へのGHの関与を明らかにするため,幼若ラットにGnRH analogを投与し,精巣の成熟を抑制した状態でGH投与をすると精子形成を促進することが明らかになった。2.下垂体摘出ラットでは,GHは用量反応性に生殖細胞数を増加させることが明らかとなった。3.GHの作用機序を明らかにするた目的でGHとFSHの精巣に対する作用を比較検討した。3週齢で下垂体摘出したラットに5-7週齢まで2週間FSHを10,30,100μg/kg連日投与し,GH0.3mg/kg併用投与群と精巣組織,生殖細胞数を比較した。[結果](1)対照群の精巣は精細管と間質の萎縮,生殖細胞の減少と配列の乱れが認められた。FSH投与により清細管組織の改善がみられ,さらにGH併用により間質の拡大が認められた。(2)FSH投与群で精祖細胞数の用量反応性の増加が認められた[結論]下垂体摘出幼若ラットへのGH投与により、間質組織の拡大と生殖細胞の成熟の促進が認められた。これらの作用はFSH単独投与では認められないことから、FSHとは異なる機序によるものと推察される。

4.7-12週令GH欠損ラットへのCyclophosphamide (CP)投与による精子形成への影響を検討した結果、投与終了2週後の精巣組織ではレプトテンーザイゴテン精母細胞の減少が顕著であった。この結果は薬剤が精祖細胞の成熟を阻害していることを示している。GHを併用投与すると精母細胞の減少は軽減した。GHが精子形成過程において細胞の保護に関与している可能性が示された。昨年度の研究で、下垂体摘出ラットにGHを投与すると、LH、FSH非存在下で、GHが精巣の発育を促進し、生殖細胞数を増加させることを明らかにした。またこの作用は、LH作用、FSH作用とは異なる機序で起こっていることを明らかにした。この結果はGHが性腺機能不全の治療に有効である可能性を示している。対象、方法:ラットは7-12週齢のGH欠損ラットを用いた。CP100mg/kgを2日間で静注投与し、同時にGH0.3mg/kgを連日皮下注投与し、14日、28日後に精巣組織を摘出し、生殖細胞、セルトリ細胞、ライヂッヒ細胞を組織学的に検討した。またGHをCP投与14日前より投与してGHの効果を比較した。結果:CP単独投与では、14日目にレプトテン-ザイゴテン期精母細胞が著明に減少し、同時にstep12以降の精子細胞が減少した。28日ではパキテン-ヂブロテン期精母細胞が著明に減少し、同時に全精子細胞が減少した。GH併用投与により、これらの細胞は有意に増加し、特に精子細胞はコントロールと差を認めなかった。精嚢より採取した精子の運動能はGH投与により正常化した。GH前投与ではGH同時投与で見られた効果は明らかでなかった。結論:GHは、精子形成に促進的に働くと共に、薬剤による精巣障害を軽減すると考えられる。GH前投与では効果が見られなかったことから、臨床的なGH投与に関しては投与時期の検討が重要である。CPは細胞分裂時に作用を発揮するので、GH前投与による細胞の活性化がCPの作用を増強し、結果的にGHの効果が減弱したと考えられる。過去2年間の研究で、下垂体摘出ラットにGHを投与すると、LH、FSH非存在下で、GHが精巣の発育を促進し、生殖細胞数を増加させることを明らかにした。さらに、Cyclophosphamide(CP)投与による精巣障害に対して、GHは、精子形成に促進的に働くと共に、薬剤による精巣障害を軽減することを明らかにした。この結果はGHが'性腺機能不全の治療に有効である可能性を示している。本年度は、1)精巣障害作用を有する内分泌撹乱物質に長期間暴露された時の精子機能への影響を検討した。内分泌撹乱物質のうち最も毒性が強いと考えられているダイオキシン(TCDD)の無毒性量を長期間投与した時の、性腺機能の分化、成熟、精子形成を組織学的、分子生物学的に検討した。無毒性量のほぼ上限を維持するために10nglkgldayを7日毎に投与した.妊娠ラットは6匹,投与方法は,30-50μlを背部に皮下注投与した.出産後21日まで母乳飼育し,21日目に,内臓奇形の有無を確認し臓器を摘出した。性腺,肝,腎,副腎,胸腺の重量を測定し,一部を組織検査用にホルマリン固定し,他は遺伝子解析用に凍結保存した。残りのラットは母体から離して飼育し,生後6週令で21日目と同様の処置をした。TCDDの影響で肝臓での発現が増強されるCyp1A1が3週齢で増加しており、経胎盤性、母乳性にTCDDが仔ラットに移行していることが明かとなった。
最高エネルギー宇宙線で探る宇宙極高現象

米国ユタ州に宇宙線観測装置テレスコープアレイ(TA)を設置し、極高エネルギー宇宙線の観測をおこなった。2014年までの5年間に10^<18>から10^<20>電子ボルト(eV)にいたる宇宙線を約80,000例とらえ、銀河系外の宇宙で発生して地球まで伝搬してくる陽子宇宙線の特徴をもつことを示した。また10^<19.76>eV以上の72例には、ある特定の方向から偏って到来する傾向があることを見出した。今後の観測で発生源の天体を特定し、宇宙空間で粒子が極高エネルギーに加速される仕組みの理解をめざす。【観測】米国ユタ州に設置した空気シャワーアレイ(地表検出器507台)、大気蛍光望遠鏡(3ステーション38台)、長距離無線ネットワーク、主要なデータ較正装置(レーザー射出機2台、雲観測用赤外カメラ1台、較正電子ビーム射出装置など)を、日米韓露4カ国の共同で運用した。データ取得は順調に進行し、望遠鏡による観測時間は、平成19年夏の観測開始以来で総計2000時間を超え、アレイと望遠鏡による同時観測は700時間に達した。アレイ単独による観測効率は95%を超えるレベルを維持している。【装置補修など】以下のような更新作業を行った。1.電子ビーム射出機の設置、2.アレイ・望遠鏡同時トリガーの実地試験、3.精密GPSによる全地表検出器の座標較正準備、4.地表検出器の修理・改修、5.長距離無線タワーの補強、6.望遠鏡用発電機の更新、7.望遠鏡運転の省力化など。日本国内では、1.予備地表検出器14台の製作部品調達、2.予備電子回路の製作、3.新しい大気透明度モニター装置の設計などを行った。【グループ運営】国際共同研究を推進するために、1.隔月のTA analysismeeting(TV・電話会議・スカイプによる)、2.年3回のTA general meeting(日本x1,米国x2)、3.隔月のTA executive meeting(電話会議)、4.毎週のTA operation meeting(電話会議)を行った。日本グループとして、5.毎週の研究打ち合わせ(電話会議ほか)と6.隔月定例打ち合わせ(柏・宇宙線研)を行った。【成果発表】最初の研究成果を、1.第31回宇宙線国際会議(Lodz,ポーランド)と2.第65回日本物理学会年次総会(岡山)で行った。3.予定した国際シンポジウムは延期した。【雇用】TAグループ全体で特任助教3名・専任秘書1名を公募採用した。【観測】米国ユタ州に設置した空気シャワーアレイ(地表検出器507台)、大気蛍光望遠鏡(3ステーション38台)、長距離無線ネットワーク、主要なデータ較正装置(レーザー射出機2種、雲観測用赤外カメラなど)を、日米韓露4カ国の共同で運用した。データ取得は順調で、本年度の望遠鏡による観測は約980時間、地表検出器による観測は約8630時間となった。2011年3-4月期に望遠鏡観測を約1ヶ月間中断した。【装置補修など】以下の更新作業を行った。[1]較正用電子ビーム加速器のクライストロンを交換修理し、初の空中射出に成功、[2]アレイ・望遠鏡同時トリガーの運用開始、[3]地表検出器5台の交換修理、[4]新方式の大気透明度モニターの運用を開始[5]地表検出器半数の蓄電池交換は、次年度に延期、[6]日本国内で予備地表検出器14台を製作して観測地ユタに輸送。【グループ運営】国際共同研究を推進するために、[1]隔月のTAデータ解析会議(TV・電話会議・スカイプによる)、[2]年3回のTA全体会議(日本2回と米国1回、うち日本を予定していた1回は震災のため電話会議に変更)、[3]隔月のTA executive meeting(電話会議)、[4]毎週のTA operation meeting(電話会議)を行った。日本グループとして、[6]毎週の研究打ち合わせ(電話会議ほか)と[7]隔月定例打ち合わせ(柏・宇宙線研)を行った。【成果発表】[1]6件の国際シンポジウム[2]日本物理学会秋季大会(九州工業大学)で研究成果の発表を行った。[3]2010年12月10-12日に国際シンポジウムUHECR2010(於名古屋)を主催した。[4]日本物理学会第66回年次大会(新潟大学予定)は中止となった。【雇用】TAグループ全体で特任助教3名と専任秘書1名の雇用を継続した。【観測】米国ユタ州に設置した空気シャワーアレイ(地表粒子検出器507台)、大気蛍光望遠鏡(3ステーション38台)、長距離無線ネットワーク、各種のデータ較正装置を、日米韓露4カ国の共同で運用した。

本年度は、望遠鏡による観測を約850時間、地表検出器による観測を約7720時間行った。2011年6月、洪水により9台の地表検出器が水没・破壊された(11月に交換復帰)。2012年2月に、望遠鏡ステーションの外壁が暴風によって破壊され、反射鏡が汚染された(4月に復帰見込)。【装置補修など】以下の作業を行った。[1]較正用加速器の高圧トリガーを交換修理し、11月に空中射出を再開、[2]11月、地表粒子検出器11台(うち水没・破壊分9台)を予備機と交換、[3]11月、地表検出器約220台の蓄電池を交換、[4]2012年3月、望遠鏡ステーションの外壁修理[5]予備地表粒子検出器(35台)の材料を調達。【グループ運営】国際共同研究の円滑な運営をめざし、[1]隔月のTAデータ解析会議(TV・電話会議・スカイプによる)、[2]年3回のTA全体会議(大阪1回とユタ2回、うちユタの1回は拡張データ解析会議に変更)、[3]隔月のTA executive meeting(電言会議)、[4]毎週のTA operation meeting(電話会議)を行った。日本グループとして、[6]毎週の研究打ち合わせ(電話会議ほか)と[7]隔月定例打ち合わせ(柏・宇宙線研)を行った。【成果発表】[1]6件の国際シンポジウム[2]日本物理学会秋季大会(弘前大学)、[3]第67回年次大会(関西学院大学)で、研究成果を発表した。[4]国際シンポジウムUHECR2012(2012年2月13-16日、CERNにて)の開催に助力した。【雇用】TAグループ全体で特任助教3名と専任秘書1名を雇用した。【観測】米国ユタ州に設置した空気シャワーアレイ(地表粒子検出器507台)、大気蛍光望遠鏡(3ステーション38台)、長距離無線ネットワーク、各種のデータ較正装置の運用を日米韓露ベルギー5カ国の共同で行ない、最高エネルギー領域の宇宙線空気シャワーを観測した。本年度の観測時間は、望遠鏡で約986時間、地表検出器で約8580時間。【装置維持など】1蛍光望遠鏡の鏡洗浄、発電機・シャッター・空調機などの保守。2予備地表粒子検出器35台をTALE実験のSDアレイとして設置調整し観測を始めた。粒子検出器507台の保守を続けた。3望遠鏡・アレイとも、観測シフトの遠隔化・集中化を行い、シフトの効率化とコストの低減を進めた。【グループ運営】国際共同研究の円滑な運営のため、1隔月のTAデータ解析会議(TV・電話会議・スカイプによる)2年3回のTA全体会議(ユタ1回、東京2回うち1回は拡張データ解析会議)3隔月のTA executive meeting(電話会議)4毎週のTA operation meetimg(電話会議)を行った。日本グループとしては、5毎週の研究打ち合わせ(電話会議ほか)と、6隔月定例打ち合わせ(柏・宇宙線研)を行った。【成果発表】1国際シンポジウム、2日本物理学会秋季大会(高知大学)、3第69回年次大会(東海大学)で、合計46件の成果発表を行った。エネルギースペクトルと到来方向異方性について、4編の学術論文を公刊した。うち1編により、宇宙背景放射と宇宙線の反応によって生じると考えられる、最高エネルギー領域での流量の急激な減少(GZK効果)を確認した。
GPU を用いた測定器シミュレーションの高速化技術の研究

本研究は、高エネルギー物理学実験で使われる測定器シミュレーションプログラムであるGeant4を、GPUコンピューティングの新しい手法を使って高速化することを目的とする。開発にあたっては、NVIDIA社のTesla C2070 / K20ユニットを用い、GPUプログラミング環境であるCUDAを使ってシミュレーションの並列処理化を行った。Geant4の電磁相互作用をGPU上で実装し、アプリケーションの速度向上を評価した。CPUと比較して、GPUで3040倍程度の速度改善に成功し、研究計画段階で設定していた目標を実現した。本研究は、高エネルギー物理学実験で使われる測定器シミュレーションプログラムであるGeant4を、GPUコンピューティングの新しい手法を使って、高速化することを目的とする。開発にあたっては、NVIDIA社の最新のGPUであるTesla C2070演算ユニットを用いた。GPUコンピューティングのプログラミング環境であるCUDAに関して、GPUの演算性能、C++言語へのサポートなどの評価を行った。GPUコンピューティングはまだ開発途上段階であり、プロセッサのアーキテクチャ、開発環境ともに、改善の余地があることが分った。既存のプログラムをそのままGPU上で走らすことはできないので、GPUの高い並列処理能力を引出すためのデータモデル、アルゴリズムの開発に着手した。まずは、Geant4のデータモデル、関数処理に関して、マルチスレッド環境で安全に動作させるための調査、改良を行った。次に、GPU上での超並列粒子輸送アルゴリズムのプロトタイプの開発を行った。GPUのメモリ上に複数の粒子を蓄え、各スレッドで独立に粒子輸送を行う。複数の初期粒子、2次粒子、複数イベントをGPU上で同時に処理して、シミュレーションの実効速度の改善を図った。開発にあたっては、NVIDIA社のTesla C2070演算ユニットを用いた。GPUコンピューティングのプログラム環境であるCUDAを使って、アプリケーションの並列処理化を行った。昨年度に引続き、GPUの高い並列処理能力を引出すためのデータモデル、アルゴリズムの開発を継続している。Geant4のデータモデル、関数処理に関して、マルチスレッド処理への対応を行った。同時に、GPU上での超並列粒子輸送アルゴリズムの開発を継続している。複数の初期粒子、2次粒子、イベントを同時処理することで、速度の向上を図った。また、粒子輸送のための最適な処理単位に関して、アプリケーションの種別による評価を行った。実際のシミュレーションに適応するために、物理過程のコードとの接続をどのように実現するかの検討を行った。物理過程をGPU側とCPU側のそれぞれで処理した場合の問題点や処理のオーバーヘッドに関して、アパリケーションの種別に対して検討した。比較的簡単な電磁相互作用の場合は、GPU側での処理が可能であることが分った。しかし、より複雑な物理過程の場合は、CPU側で処理する必要があり、GPUからCPUへの必要な情報の渡し方、CPU側でのマルチスレッド処理に関して、処理方法の開発を行っている。GPUコンピューティングのプログラム環境であるCUDAを使って、シミュレーションの並列処理化を行った。評価アプリケーションとして、ボクセルジオメトリでのGeant4の電磁相互作用をGPU上で実装した。ボクセルジオメトリ下での粒子輸送、2次粒子の生成、電子、光子の物理過程の実装をCUDAを使って行い、3万2000個のスレッド上での並列粒子トラッキングを実現した。また、アプリケーションの性能評価を行い、プログラムのプロファイリングを通して、各処理での計算時間の計測、最適化を行った。その結果、反応断面積データへのメモリアクセスや各ボクセルでのエネルギー損失情報のメモリへの書込みといった点に処理時間が多くかかることが分った。これは、GPU上で多くのスレッドで同時にメモリアクセスをすることに起因する遅延であり、アルゴリズムの改良を行うことで、ボトルネックの解消を行った。最終的に、Geant4のCPUでのアプリケーションと比較して、GPUのアプリケーションは、3040倍程度の速度改善に成功し、研究計画段階で設定していた目標を実現した。更なるアルゴリズムの改善やマルチGPU環境を利用することで、更なる速度向上が期待できる。CUDAプログラミングを利用したGPUによる並列輸送コードを順調に開発し、これによる処理速度の向上を実現できている。24年度が最終年度であるため、記入しない。粒子の輸送処理の単位、粒子スタックの管理方法などの詳細をアプリケーションの種別ごとに検討し、さらなる粒子輸送コードの最適化を図る。また、物理過程の実装をどのように実現するかをより具体的に検討して、GPUを用いた測定器シミュレーションの適用性に関して指針を得る。
植物システム制御の数理モデリング

本研究では,数学モデルとコンピューターシミュレーションを積極的に活用することで,植物個体の生存成長戦略の分子メカニズムを理論的に明らかにすることを目的として,主に3つのテーマを推進した.(1)自然環境でみられる複雑な温度変化に応答する仕組みを明らかにし,遺伝子情報に立脚した開花時期予測モデルを開発した.(2)育種研究へ新たな数理的手法を提供することを目的に,イネのショ糖転流と玄米登熟を捉えた師管栄養輸送モデルを開発した.(3)植物が多様な明暗サイクルにどのように応答し計画的なデンプン利用を実現しているのか,そのメカニズムを明らかにする数理モデルを開発した.本研究では,数学モデルとコンピューターシミュレーションを積極的に活用することで,植物個体の生存成長戦略の分子メカニズムを理論的に明らかにすることを目的として,主に3つのテーマを推進した.(1)自然環境でみられる複雑な温度変化に応答する仕組みを明らかにし,遺伝子情報に立脚した開花時期予測モデルを開発した.(2)育種研究へ新たな数理的手法を提供することを目的に,イネのショ糖転流と玄米登熟を捉えた師管栄養輸送モデルを開発した.(3)植物が多様な明暗サイクルにどのように応答し計画的なデンプン利用を実現しているのか,そのメカニズムを明らかにする数理モデルを開発した.植物の生育には、養分や無機塩類が必要な組織に適切に分配されなくてはならない。この物質輸送は主に、(1)隣接した細胞間で生じる短距離輸送によって篩部や木部に積み込まれるプロセス、(2)篩部や木部における長距離輸送プロセス、(3)篩部や木部から積み降ろされた後、適切な部位に短距離輸送されるプロセス、の3つに分類される。本年度はこれらのうち、篩部における糖類や有機化合物の長距離輸送モデルを、圧流説を基盤として開発した。圧流説は、篩要素内の物質の流れはシンク(物質を生産する場)とソース(物質を消費する場)間で生じる内圧の差によって駆動されると考えるものである。シンクにおいては生産された物質が流出し膨圧が高まるが、逆にソースにおいては物質が流入し膨圧が低下する結果、内圧の差が生じる。まず、シンクとソースを端点とし、各端点が篩管によって繋がれている輸送ネットワークを想定した。このネットワーク上にある各端点における物質濃度を与えると、篩管の長さ、半径、物質の粘性に依存して、各端点間で生じる流速を決定することができる。この流速をもとに、移流方程式に従った物質輸送がなされると考えた。端点がソースである場合には物質が生産され、シンクであれば物質が消費されるというダイナミクスと移流方程式による物質輸送を組み合わせることで、植物体における物質分配の制御動態を表現し、物質濃度の時空間変化を予測することができる。篩部は、糖類のみでなくシグナル分子の輸送も担っているため、本モデルを用いて物質濃度の時空間分布を予想することは、栄養状態および環境シグナルへ植物が応答し、形態形成や代謝制御を協調的に行っている様子を理解することにもつながると予想される。一般に、葉におけるデンプン量は明条件でほぼ線形に増加し、暗条件ではほぼ線形に減少する。このことによって、夜間にも安定したショ糖提供を可能にする。日長が短縮されると非常に短い期間で明条件におけるデンプン蓄積速度が増加し、暗条件ではデンプン分解速度の低下がみられ、その結果夜明け前においてもショ糖が枯渇することなく利用可能となる。このような日長変化に対するすばやい応答は、植物の成長を維持するために必須であると考えられるが、そのメカニズムは全くわかっていない。近年、デンプン合成や分解、そしてショ糖輸送体などが体内時計によって制御されていることが次々と明らかになってきた。そこで本研究では、これらの体内時計によるデンプン生合成と輸送体の制御を仮定し、ショ糖-デンプン生合成プロセスおよび異なる組織間のショ糖輸送をモデル化した。日長変化によるショ糖枯渇の程度によって体内リズムの位相が変化する場合、実際に観測されたデンプン蓄積速度と分解速度の変化を非常によく説明できることが明らかとなった。また、当モデルはなぜデンプン蓄積量の変化がほぼ線形になるのか、その仕組みも説明可能である。興味深いことに、ショ糖輸送体の活性ピークは常に日暮れにみられることが予測された。これらの結果は、現在論文としてとりまとめ発孝準備をしている段階である。統合水循環・水資源モデルの数値シミュレーションに関しては、本研究で明らかになる植物個体の成長生存戦略の分子メカニズムの解明が実社会に及ぼす影響の評価として、水不足が健康余命に及ぼす影響を定量的に明らかにした。人間活動を考慮し、水源別の農業用水利用も推計可能な統合水循環・水資源モデルの数値シミュレーションから世界各国における農業用水投入量の年々変動と芋類+穀物の総収穫量の相関解析を行った。植物は,光のある昼に得られた同化産物の一部をデンプンという形で葉緑体内に貯め込み,夜にはそれをショ糖に分解し様々な器官へ分配することで昼夜を問わず成長を続けている.ショ糖は生命維持と成長に必要でありショ糖が短期間枯渇するだけで成長は停止する.このデンプン蓄積と分解の日周変化はほぼ線形であり,季節の進行によって生じる昼の長さの変化に関わらず夜明けには同じ量のデンプンが残るよう調節されている.

これまで開発したデンプン代謝モデルの解析により,デンプンの日周変化にみられる線形性は,葉内のショ糖量をほぼ一定に保つホメオスタシスの結果として実現されることが明らかとなった.また,デンプン分解速度は夜明けにピークを持つ双曲線関数で与えられるときに,ショ糖量は昼夜問わずほぼ一定に維持され,デンプン変化の線形性が実現されることが予測された.さらに,このデンプン分解速度がショ糖量に応答した概日時計の位相変化によって制御されると考えると,多様な日長においてもショ糖量を枯渇させず成長し続けると予測された.本研究によって,ショ糖に応答して朝には概日時計の位相が前進し夜には後退するという実証データの意義を,ショ糖ホメオスタシスの見解から説明することが可能となる.数理モデルによって,特定の光合成能を有するイネに任意の玄米数と玄米配置を与えたときの各玄米登熟度を予測できれば,総収量を最大化する玄米数と玄米配置をもつイネ穂構造を数理モデルによって提案することが可能になる.そこで,我々は育種研究へ新たな数理的手法を提供することを目的に,イネのショ糖転流と玄米登熟を捉えた師管栄養輸送モデルを開発した.師部におけるショ糖転流の駆動力は,ショ糖濃度勾配によって生じる膨圧差によって生じると考える圧流説が現在支配的である.本研究ではこの圧流説を採用し,ソース葉と複数のシンク(玄米)が師管(エッジ)で連結されたグラフとして複合的師管ネットワークをモデル化し,各ソースとシンクにおけるショ糖ダイナミクスを離散空間常微分方程式系によって記述した.グラフの形状はコシヒカリの穂構造をもとに算出した.松葉(1991中国農業試験場研究報告11-58)によって提案された完全展開モデルをもとに,玄米数は固定し玄米配置のみが異なるイネ穂ネットワークを仮想的に3種類作出し,ネットワーク間で収量比較を行った.その結果,一次枝梗のみあるいは少数の二次枝梗を発達させたネットワークにおいて高い収量が予測されたが,三次枝梗まで発達させたネットワークでは未熟な玄米が認められ収量は低いままであった.また,高い収量が予測されたイネ穂ネットワークでは、ネットワーク上の全ての玄米が均質な登熟動態を示した.総光合成速度を増加させた場合にも同様の結果が得られた.これらの結果は,均質なショ糖輸送が可能な玄米配置をデザインすることによって、収量増加を実現できることを示唆するものである.概日リズムによるショ糖-デンプン生合成の制御:近年、デンプン合成や分解、そしてショ糖輸送体活性が体内時計によって制御されていることが次々と明らかになってきている。これらの体内時計によるデンプン生合成と輸送体の制御を仮定し、ショ糖ーデンプン生合成プロセスおよび異なる組織間のショ糖輸送をモデル化した。日長変化によるショ糖枯渇の程度によって体内リズムの位相が変化する場合、実際に観測されたデンプン蓄積速度と分解速度の変化を非常によく説明できることが明らかとなった。また、当モデルはなぜデンプン蓄積量の変化がほぼ線形になるのか、その仕組みも説明可能である。興味深いことに、ショ糖輸送体の活性ピークは常に日暮れにみられることが予測された。これらの成果をもとに、花成がショ糖輸送に与える変化を定量的に把握するために、フロリゲンFTによるショ糖プロトン共輸送体の活性制御を考慮したモデルに発展させている。FLOWERING LOCUST(FT)の発現量変化動態モデルによる気候変動下での開花時期
アンジオポエチン様因子ファミリー解析による動脈硬化と肥満の共通分子病態基盤解明

ANGPTL2濃度は、健常人より糖尿病患者群で血中有意に高いこと、健常人及び糖尿病患者の両群で肥満(BMIもしくは内臓脂肪面積)の程度、炎症(血中CRP濃度)の程度、インスリン抵抗性の程度に比例して上昇することを見出し、ANGPTL2と肥満、動脈硬化性疾患の連関の可能性を見出した。さらにANGPTL2遺伝子改変マウスを用いた研究でAngptl2は、肥満病態でみられる脂肪組織の炎症、それに随伴する耐糖能異常、インスリン抵抗性の誘発因子であり、発現上昇抑制が治療標的になりうることを見出した。肥満に伴う脂肪組織リモデリングと動脈硬化病変で見られる血管壁リモデリングとは血球系炎症細胞浸潤、血管の新生と退縮、繊維化など組織再構築過程に酷似点が多数認められ、組織レベルのみならず分子レベルにおいても共通の機構が予想されている。これまでに我々が同定したアンジオポエチン様因子ファミリー(Angiopoietin-like protein;ANGPTL)分子の多くが代謝調節作用と血管新生作用を有することを明らかにしてきた。本年度は特にAngptl2が血管新生促進、マクロファージ及び白血球の走化性充進作用を有すること、血管内皮細胞、血管平滑筋細胞、脂肪細胞に豊富に発現していること、低酸素や酸化ストレスの負荷により発現が上昇すること、肥満モデルマウスでは、脂肪細胞での発現量及び血中濃度が上昇することを見出した。これらの予備的研究の知見より、Angptl2の発現上昇が肥満に伴い脂肪組織で見られるリモデリングの病態の発症・進展で悪玉因子として重要な役割を果たしている可能性を見出した。実際、Angptl2を高発現したトランスジェニックマウスでは血管新生の増加と血管内皮への白血球接着の亢進が認められた。またAngptl2を欠失したノックアウトマウスでは、肥満形成が抑制されていた。肥満や動脈硬化の病態モデルマウスと同様にヒトの病態においてもAngptl2が変動するかを検討するために、ヒト血清を用いてAngptl2濃度を測定できるELISA系の樹立するためにヒトAngptl2に対する抗体を作製中である。今後、肥満、肥満(糖尿病合併)、虚血性心疾患(狭心症、心筋梗塞)の症例で血中Angptl2濃度を測定し、その病態との関連を検討する予定である。また、Angptl2は肥満や動脈硬化において悪玉因子であることが想定されるので、中和活性を持つ抗体の作製も目指す予定である。肥満に伴う脂肪組織リモデリングと動脈硬化病変で見られる血管壁リモデリングとは血球系炎症細胞浸潤、血管の新生と退縮、繊維化など組織再構築過程に酷似点が多数認められ、軽度慢性炎症性変化などの組織レベルのみならず分子レベルにおいても共通の機構の存在が予想される。本研究では、血管細胞と脂肪細胞から分泌されるAngptl2に焦点しAngptl2が共通の病態形成にとって重要であるかどうか検討した。まず、ヒト血中Angptl2濃度を測定できるELISAの樹立に成功した。健常人より糖尿病患者群で血中Angptl2濃度が有意に高いこと、健常人及び糖尿病患者の両群で肥満(BMIもしくは内臓脂肪面積)の程度、炎症(血中CRP濃度)の程度、インスリン抵抗性の程度に正の相関を示して血中ANGPTL2濃度が上昇することを見出した。以上よりANGPTL2と肥満、動脈硬化性疾患の連関の可能性が示唆された。次に、ANGPTL2遺伝子欠損マウスと野生型マウスの比較検討研究でAngptl2の欠損は、肥満病態でみられる脂肪組織の炎症、それに随伴する耐糖能異常、インスリン抵抗性の程度の軽減をもたらすことが明らかとなった。逆に、脂肪組織へのAngptl2の過剰発現は、野生型マウスに比較して肥満を呈することはなかったが、脂肪組織に炎症所見が認められ、耐糖能異常、インスリン抵抗性を示した。これらのAngptl2遺伝子改変マウスを用いた研究により、肥満の病態で発現が上昇するAngptl2は、肥満病態でみられる脂肪組織の炎症を惹起する重要な因子であり、発現上昇抑制が治療標的になりうることが示唆された。
ケラチンおよびデスモソーム蛋白異常に伴う先天性皮膚疾患の遺伝子変異解析

当施設、国内外の施設から、ケラチンならびにデスモソーム蛋白の異常に基づくと考えられる疾患の患者、計50例以上から、ゲノムDNAを採取し、遺伝子変異を統計的に解析した。まず、代表的なケラチン病である単純型先天性表皮水疱症と水疱性先天性魚鱗癬様紅皮症について、その原因遺伝子であるケラチン5/14およびケラチン1/10のホットポイントを増幅するプライマーを決定し、それを用いたPCR増幅とDNA配列決定方を確立し、各患者の遺伝子異常を確認した。また、現在、Unna-Thost型掌蹠角化症、Vorner型掌蹠角化症、先天性厚硬爪甲症・多発性脂腺嚢腫について、それぞれケラチン1、ケラチン9、ケラチン6/16/17遺伝子について、遺伝子変異を検討するシステムを構築中である。まれな色素異常型先天性表皮水疱症の1家系について、ケラチン5の既知の遺伝子異常を検討したが、その変異は無かったため、ケラチン5の全領域を検討するシステムを構築中である。英国の皮膚病研究所のMcGrath教授と共同でepidermodysplasia/skin fragilitysyndrome患者に新しいプラコフィリン1遺伝子内の変異を検出した。また、新しい臨床症状を示す患者(全身に水疱と色素異常とケラチン・デスモソーム間接着異常を認める)の1家系については、ケラチン5/14の変異を検討したが、変異が無かったため、さらに、デスモソームカドヘリン分子の一種であるデスモグレイン3の遺伝子変異を検討したが、現在まで、変異は見つかっていない。今後も検討を続ける予定である。また、現在得られている線状型掌蹠角化症患者ゲノムDNAを用いて、デスモプラキンおよびデスモグレイン1遺伝子異常遺伝子異常を検討する準備段階にある。今後、さらに欧米の研究者と協力し、同様の患者を渉猟し、そのゲノムDNAについても同様に検討し、私共の結果を確認する。代表的なケラチン病である単純型先天性表皮水疱症と水疱性先天性魚鱗癬様紅皮症について、それぞれの原因遺伝子であるケラチン5/14およびケラチン1/10の4カ所ずつのホットポイントを増幅するプライマーを決定し、それを用いたPCR増幅とDNA配列決定方を確立した。この方法を用いてすでに6例の遺伝子異常を検出し一部は投稿中である。さらに全国や海外からも検索の依頼が続いている。また、色素異常型先天性表皮水疱症について、ケラチン5/14の全領域を増幅するプライマーを決定し、それを用いたPCR増幅とDNA配列決定方を確立した。現在その変異部を検討中である。また、Unna-Thost型掌蹠角化症、Vorner型掌蹠角化症、先天性厚硬爪甲症・多発性脂腺嚢腫について、それぞれケラチン1、ケラチン9、ケラチン6/16/17遺伝子について、同様にDNA配列決定方を確立した。今後症例を渉猟して遺伝子変異を検討する予定である。さらに、新しい疾患(臨床的に掌蹠の水疱、組織学的に表皮上層の顆粒変性と細胞間解離を認める)の1家系について、ケラチン2e/6/16の全長について、すべてのエクソンをカバーするプライマーを設定し現在変異の検索中である。全てのデスモソーム蛋白の遺伝子異常を検索するため、まず、その検索が不十分であるデスモヨーキンにおいて有核細胞発現ベクターを用いてその構造と機能を検討し結果が雑誌に掲載された。新しい臨床症状を示す患者(全身に水疱と色素異常をみとめ、組織学的にケラチン・デスモソーム間接着異常を認める)の1家系については、その部位、病理所見ならびに症状から、ケラチン5/14ないしデスモソーム蛋白の異常が想定されたが、ケラチン5/14の異常は検出されなかった。そのため現在、デスモグレイン3(Dsg3)の遺伝子変異を検討中である。この変異が検出されるとDsg3遺伝子異常の世界で1例目となる。

また、現在得られている線状型掌蹠角化症患者ゲノムDNAを用いて、デスモプラキンおよびデスモグレイン1遺伝子異常遺伝子異常を検討する準備段階にある。今後、さらに欧米の研究者と協力し、同様の患者を渉猟し、そのゲノムDNAについても同様に検討し、私共の結果を確認する。
非抗菌的感染症治療薬創製を指向したT3SS阻害活性を示す天然有機化合物の合成研究

病原性細菌の感染機構や病原性発現機構を標的とした薬剤は、抗菌活性を示さない新たな感染症治療薬になると期待される。北里生命科学研究所では新たな創薬標的として、グラム陰性病原性細菌に特徴的な病原因子移行システム「III型分泌装置(T3SS)」に着目し、微生物培養液からT3SSを阻害する化合物の探索を行ってきた。その結果、オーロドックス類が新たにT3SS阻害活性を示すことを見出した。応募者は本化合物群の構造及び活性に注目し、オーロドックス類の収束的全合成を確立ならびに全合成手法を用いて重要なファーマコフォアの探索や抗菌活性とT3SS阻害活性の分離の検証を行い、新たな感染防御薬の創製を指向する。
皮膚刺激性試験法のバリデーション研究における実験計画とデータ解析法の研究

本研究は,藤田保健衛生大学,東邦大学,東京女子医大,河合医院,その他多くの企業の皮膚科学研究者との共同研究として遂行された.得られた成果の主なものは次の通りである.(1)皮膚刺激性のパッチテスト判定に写真試料を使った場合,企業での経験が長い人は比較的安定した判定を下すが,経験の浅い人は判定の再現性が悪い.皮膚科医の場合,人による判定の違いが大きい.従って,然るべき教育を通して判定基準の統一化を図る必要がある.(2)肉眼判定と写真判定には,手触りや湿り気といった微妙な情報がないためと思われるずれが少し生じるので,写真資料による教育には注意が必要である.(3)かゆみ・ヒリヒリ感・かさつき,といった皮膚刺激性の面で市販されているシャンプーを分類すると,おおよそ4,5種類の違ったタイプのものがある.どの成分が影響しているかはまだ不明である.(4)皮膚刺激性評価の代替法として提案されている3次元ヒト皮膚モデルにおけるスコア(ET50)の推定法としては,時点数が大きいときはモデルに基づく方法が良いが,時点数が3という程度に小さいときは,時間の対数に対して直線を当てはめる方法が頑健である.(5)刺激性をヒトの左右の頬で評価するときの最も大きな撹乱要因は順序効果である.これらの研究結果は,米国のニューオーリンズでの世界動物実験代替法世界会議,東京で開催された日本接触皮膚炎学会,東京で開催された日本動物実験代替法学会,東京で開かれた日本香粧品科学会,日本動物実験代替法学会誌に発表されている.本研究は,藤田保健衛生大学,東邦大学,東京女子医大,河合医院,その他多くの企業の皮膚科学研究者との共同研究として遂行された.得られた成果の主なものは次の通りである.(1)皮膚刺激性のパッチテスト判定に写真試料を使った場合,企業での経験が長い人は比較的安定した判定を下すが,経験の浅い人は判定の再現性が悪い.皮膚科医の場合,人による判定の違いが大きい.従って,然るべき教育を通して判定基準の統一化を図る必要がある.(2)肉眼判定と写真判定には,手触りや湿り気といった微妙な情報がないためと思われるずれが少し生じるので,写真資料による教育には注意が必要である.(3)かゆみ・ヒリヒリ感・かさつき,といった皮膚刺激性の面で市販されているシャンプーを分類すると,おおよそ4,5種類の違ったタイプのものがある.どの成分が影響しているかはまだ不明である.(4)皮膚刺激性評価の代替法として提案されている3次元ヒト皮膚モデルにおけるスコア(ET50)の推定法としては,時点数が大きいときはモデルに基づく方法が良いが,時点数が3という程度に小さいときは,時間の対数に対して直線を当てはめる方法が頑健である.(5)刺激性をヒトの左右の頬で評価するときの最も大きな撹乱要因は順序効果である.これらの研究結果は,米国のニューオーリンズでの世界動物実験代替法世界会議,東京で開催された日本接触皮膚炎学会,東京で開催された日本動物実験代替法学会,東京で開かれた日本香粧品科学会,日本動物実験代替法学会誌に発表されている.本年度は,東邦大学,藤田保健衛生大学,大同病院,河合医院,資生堂,メナード化粧品,花王株式会社等の皮膚科学研究者と共同し,東京理科大学学生の協力も得て,研究を遂行した.その主要なものの一つは,(1)皮膚刺激とシャンプーの関係をアンケート調査で探索的に調べたことである.すなわち,探索目的のアンケート用紙を設計し,回収したアンケートに基づいて,どのようなシャンプーがどのような傷害を発生させているか,頻度解析とクラスター分析で調べた.その結果,上記の皮膚科に来院する患者においては,アトピー体質の患者の方が一般の患者より,髪の生え際に傷害を生じやすいことを確かめた.また,刺激性に関してシャンプーが4クラスに分けられるという結果を得た.主要な研究の他の一つは,(2)皮膚刺激性評価の判定スコアの安定性を,判定実験のデータを通して吟味したことである.すなわち,パッチテストで生じた症状を,79種類の写真資料に収め,35人の専門家に盲検的に判定してもらい,判定者内での判定の一貫性,肉眼判定と写真判定の差異,時期を話しての判定の再現性を実験で調べた.その結果,2回の判定の順位相関係数が0.6以下という不安定な判定者が少なく無いこと,経験年数が多くても判定の再現性が悪い判定者が稀でないこと,などを確かめた.これは判定教育の必要性を示すと同時に,教育に写真が使えることを示している.これらの研究成果は,日本動物実験代替法学会と日本接触皮膚炎学会で口頭あるいはポスターで発表した.現在両学会誌に計3編の論文として投稿する準備を進めている.本年度も昨年度に引き続き,藤田保健衛生大学,東邦大学,河合医院,メナード化粧品,資生堂,花王,ポーラ,味の素株式会社等の皮膚科学研究者,及び東京理科大学大学院博士課程学生園田巌と共同研究を遂行した.その主要なものは次の通りである.(1)パッチテストの判定に標準サンプルを用意して,短時間の判定教育を行ったとき,判定が安定するかどうかの実験を行い,再現性と精度を吟味した.教育の影響自体はまだ評価できないが,写真試料を使う場合には,皮膚の弾力といった属性が利用できないことなどが問題として残った.(2)皮膚刺激性評価の代替法として提案されている3次元ヒト皮膚モデルにおけるスコア(ET50)の推定法として,どのようなものがよいかを検討した.

最終的な結論はまだ得られていないが,時点数が3点の場合は,推定が不可能になる場合がかなり生じるので,最少でも4時点あることが望ましいということが分かった.(3)刺激性をヒトの左右の頬で評価するときに,どのような要因がスコアに影響するかの要因分析を行った.最も大きな攪乱要因が順序効果であることが明らかとなった.研究結果は,米国のニューオーリンズでの世界動物実験代替法世界会議,東京で開催された日本接触皮膚炎学会,東京で開催された日本動物実験代替法学会で発表された研究発表にはこれらの研究成果が含まれている.これらの研究の内,ET50推定法については,Alternatives to Animal Testing and Experimentation誌に掲載されており,他の結果も逐次,他誌に投稿する予定である.
光ファイバー・パンドルを用いた多点直列干渉センサー

前年に引続いて、多点の温度測定の実験を行った。高分子材料の円筒(数cm径)の2ケ所に単一モード光ファイバーを巻きつけ、端面とペルティエ素子で加熱した時の温度変化を測定した。このためにHe-Neレーザー光をマルチプレクサーによって3本の単一モードファイバーに分割し、その内1本を参照ファイバーとし、他の2本はセンシング・ファイバーとした。3本のファイバーの出射端は樹脂で固めて揃え、3光束の干渉縞をCCDカメラで撮像した。干渉縞をコンピュータで2次元フーリエ変換して、各ファイバー対が作るヤング縞の空間周波数成分を求め、その位相変化から参照ファイバーとプローブ・ファイバーの出射光の間の位相変化を算出した。位相変化を高速に算出するために、画像の1走査線分のみ取り込んで、1次元フーリエ変換により位相変化を計算し、0.1秒周期で温度変化を測定することができた。加熱を周期的に行った時に、間隔1cmの2点の温度変化の時間ずれを求めて材料の熱伝導度を算出し、テフロンとアクリルに対して、文献値とよい一致を見た。サーミスター温度計と比較実験を行って温度感度を求めた。その結果、温度感度がプローブ・ファイバーの張力に強く依存することがわかった。また光ファイバーが伝導熱だけでなく、放射熱にも感ずることも明らかになった。結論として、本システムによって2点の温度変化が、1/1000°Cの感度で独立に検出され、その際光ファイバーの張力を適当にとると外乱の影響を抑えて安定な動作を実現できることが判明した。1.光ファイバ-干渉計の製作と縞解析HeーNeレ-ザ-の光をビ-ム・スプリッタ-で二つに分け、別々の単一モ-ド光ファイバ-(長さ5m程度)に入射させ、出射端は密着させて生ずるヤングの干渉縞を2次元CCDカメラで捉えた。各ファイバ-の途中をル-プ状に巻いて液体中に浸し、液体の温度が変化する時の干渉縞の動きと画像処理によって検出した。すなわちテレビ・フレ-ムの1ライン分を1次元フ-リエ変換し、ピ-ク位置の位相の変化として縞の移動を求めた。検出時間を短縮するために、フ-リエ変換の代わりに、単一周波数の位相のみ求める方法を検討した。2.3本ファイバ-による干渉実験ビ-ム・スプリッタ-の代わりに、光ファイバ-通信用の1対8の光分配器を使い、FCコネクタ-でHeーNeレ-ザ-、分配器、センサ-・ファイバ-間の結合を容易にした。まず3本のファイバ-の出射縞を密着させて、3組のヤング干渉縞の重畳パタ-ンを作り、CCDカメラで取り込んで、1次元ないし2次元フ-リエ変換の位相を計算することによって、各ファイバ-の出射光の位相を独立に検出できることを確認した。1本を参照用、他の2本をセンサ-用として、2点の温度変化を分離測定できることを示した。位相変化の高速演算に関する検討を行った。今年度は光ファイバ-を用いた多重マッハツェンダ-干渉計を構成し、多点温度センサ-の実験を中心に行った。He-Neレ-ザ-光を1本のシングルモ-ド光ファイバ-でマルチプレクサ-に導き、最大8本の光ファイバ-に分割した。まず3本の光ファイバ-を使った干渉計を構成し、液体や固定表面の温度変化の測定を行った。液温の測定では各ファイバ-の1部をル-プに巻き、1本を基準点、他の2本を測定点に浸した。3本のファイバ-の出射端はまとめ、それぞれからの出射光の間の干渉パタ-ンをCCDカメラで撮像して、コンピュ-タ-でフ-リエ解析を行い、各ファイバ-対が作り出すヤング干渉縞の位相変化を求めることにより、各センサ-・ファイバ-の影響を分離した。処理時間を短縮するために、CCDセンサ-の1ライン分だけをとり、縞の周波数成分に対応するフ-リエ正弦、余弦係数の比をとって位相を求めた。この方法で、水温の深さによる変化の違いを同時に検出できた。次にテフロンなどの高分子材料の円筒の2点に光ファイバ-を巻き付け、円筒の端面の温度を赤外線ヒ-タ-やペルティエ素子で交流的に変えた時、各ファイバ-の感じる温度変化の間の時間遅れから、材料の熱伝導度を求めた。温度変化の波形は、サ-ミスタ-温度計のものと良く一致した。さらに多重度を4以上にするためのファイバ-配列について1次元と2次元の場合について検討した。

加熱を周期的に行った時に、間隔1cmの2点の温度変化の時間ずれを求めて材料の熱伝導度を算出し、テフロンとアクリルに対して、文献値とよい一致を見た。サーミスター温度計と比較実験を行って温度感度を求めた。その結果、温度感度がプローブ・ファイバーの張力に強く依存することがわかった。また光ファイバーが伝導熱だけでなく、放射熱にも感ずることも明らかになった。結論として、本システムによって2点の温度変化が、1/1000°Cの感度で独立に検出され、その際光ファイバーの張力を適当にとると外乱の影響を抑えて安定な動作を実現できることが判明した。