hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
全光処理による高速光信号のウェーブレット解析

光ウェーブレットの計算機シミュレーションソフトウェアを構築し、原理確認シミュレーションを行った。一般に高速光信号は、光/電:気サンプリングオシロスコープや光スペクトルアナライザによって観測されるが、これら既存の装置による観測では、光ファイバ中の伝送に伴う光信号波形の劣化要因を特定することは不可能である。一方、光ウェーブレット解析の計算機シミュレーション結果より、光信号に重畳する波長分散や自己位相変調を明確に弁別可能であることが示された。これは高速信号波形の伝送劣化要因の特定に大いに資すると思われる。次に、自在な光ウェーブレットの実装を目指して、ファイバブラッググレーティング(以後FBGと略)のビームスキャニングによる作成方法について検討した。エキシマレーザから出力される波長248nmの紫外光を細く絞り込み、位相マスク上を走査することで、紫外光幅に依存しない長尺FBGの作成を可能とした。また、ビームを走査している途中で、位相マスクと光ファイバの相対位置をナノメートル精度で移動させることにより、任意の位置に自在な位相シフトを形成することを可能とした。これらにより、従来のFBG作成環境では実現できなかった、長尺の位相シフトFBGの作成が可能となった。一例として、Harrウェーブレットに対応するπ位相シフトFBGを作成し、所望の特性のFBGが得られたことを確認している。これらの技術は、高度な光ウェーブレットを標本化FBGで実装する揚合に必要不可欠なものである。最後に、光ウェーブレットのFBGによる実装に当たり、FBG作成時の実現誤差の影響を低減可能なロバスト設計法について検討を行った。ロバスト設計に従って実装を行えば、実現位相誤差が0.2π程度重畳しても、特性劣化が抑えられるという結果が得られた。よって、高度な光ウェープレットの実装時にはロバスト設計を実施することが有効である。標本化ファイバブラッググレーティング(以後SFBGと略)による光ウェーブレットの実装方法を検討した.時間幅τのウェーブレットを標本化間隔Tsで標本化した場合,標本化間隔に対応してFBG間隔Ls=cTs/2ncore, FBG長Lg<LsのSFBGを用いる.ここでcは真空中の光速,ncoreは光ファイバのコアの屈折率である.各FBGの反射率はウェーブレットの標本値と対応させ,負の反射率は反射率の符号が反転するFBGの直前の間隙部の長さを,FBGのブラッグ波長の1/4の奇数倍として位相差φを与えることで実現する(この反射率・位相差構造を反射率プロファイルと呼ぶ).ウェーブレットのスケーリングは,ウェーブレットの幅τの増減とFBG数の増減により実現する.このSFBGに被解析信号を入射すると,ウェーブレットと被解析光信号の畳み込み結果が反射される.そこで,光サーキュレータを介してSFBGからの反射光を観測することで,全光処理による高速光信号のウェーブレット解析結果を得ることができる.これまでに,所望の特性のSFBGを自在に作成できるように,従来から所有するFBG作成環境の増強を行った.具体的には,FBG作成に使用する位相マスクをピエゾ素子によって精密な位置制御を可能とした.現在,この装置の基礎データ取得に向けた実験を行っている.また同時に,旧来の作成環境において様々な反射率プロファイルを有するSFBGを作成し,SFBGの反射率プロファイルと入射した光信号の畳み込み処理の原理確認実験を行った.その一例を述べる.この例では,反射率プロファイルはガウシアンモノサイクルパルス(パルス幅約200ps)とし,1)短光パルス入射時のSFBGの時間応答,2)SFBG出力光(200psのガウシアンモノサイクルパルス)を同一構成のSFBGに入射した場合のSFBGの時間応答,を観測した.いずれの実験も成功し,SFBG反射プロファイルと入射光信号の高速畳み込み演算処理が可能であることを確認し,SFBGを用いた全光処理による高速光信号のウェーブレット解析が可能であることが分かった.今後は様々なウェーブレットに対応したSFBGの実装とその評価に取り組む予定である.光ウェーブレットの計算機シミュレーションソフトウェアを構築し、原理確認シミュレーションを行った。

最後に、光ウェーブレットのFBGによる実装に当たり、FBG作成時の実現誤差の影響を低減可能なロバスト設計法について検討を行った。ロバスト設計に従って実装を行えば、実現位相誤差が0.2π程度重畳しても、特性劣化が抑えられるという結果が得られた。よって、高度な光ウェープレットの実装時にはロバスト設計を実施することが有効である。
分散オープンシステムに対応した流れ解析システムの構築

現在までに、分散オープン環境上での並列計算と相性の良い離散化ナブラ演算子法を用いたソフトウェアの開発、さらに流れの数値解析において最大の課題とされた移流が卓越した問題に対応できる上流化手法すなわちHybrid型GSMAC(generalized simplified marker and cell)有限要素法を開発し、流れ解析システムを構築してきた。このシステムは以下のモジュールを含む。MHDモジュール:電磁熱流体では流体場・熱湯・電磁場が相互に連成し複雑な現象を表すため、ネットワークを用いた分散オープンシステムの構築には最良の解析対象である。GSMACモジュール:一般に、有限要素法による解析は汎用性が高いが、その反面、非圧縮性流体の解析は非構造格子を用いること、方程式の楕円性が強いといった理由から並列計算には不向きであると言われてきた。しかしながら、ここで開発したGSMAC有限要素法は完全に陽的であり、またelement-by-elementで解析できるため、並列計算との親和性は非常に高い。そこで、GSMAC有限要素法による超並列計算機の利用技術の構築を行い、大規模数値流体に適した、高精度・高速・定計算容量な有限要素法のアルゴリズムを構築してきた。粘弾性モジュール:分散システムに対応した流体解析には、複雑な構成方程式で記述される流体のソルバー開発が必要不可欠な研究である。そこで、工業的に重要な粘弾性流体を取り上げ、その構成方程式のオブジェクトモジュールを開発し、ニュートン流体の解析ソルバーとして有効性が確認されているGSMAC法からそのモジュールを使用可能にした。分散オープンシステムに対応した流れ解析システム構築のため、離散化ナブラ演算子法を適用したプログラムの構築を行った。離散化ナブラ演算子法を用いると、ベクトル計算・パラレル計算が非常に早く行え高速計算が可能になった。実際の数値解析例として、電磁熱流体の有限要素法解析を行った。電磁熱流体は流体場・熱場・電磁場が相互に連成し複雑な現象を表すため、分散オープンシステムの構築には最良の解析対象となった。分散オープンシステムに対応した流体解析は、複雑な構成方程式で記述される流体のソルバー開発に際して必要不可欠な研究であった。そして、工業的に重要な粘弾性流体を取り上げ、その構成方程式のオブジェクトモジュールを開発し,ニュートン流体の解析ソルバーとして有効性が確認されているGSMAC法から使用可能にした。これにより、流体の種類を問わず解析可能なソルバーを構築することができた。さらに、オブジェクト指向分散システムの構築が進展している。移流項の処理を自然法則から学ばなければならない。これがCFDにおける上流化の技術(安定化手法)である。上流化に焦点をあてその本質が物理的に何であるかを考えてみた。また、上流化の方法は差分法・有限体積法・有限要素法により、それぞれ異っている。しかし、これらはすべて上流化の本質に対する別表現である。非定常から定常へ移行する過渡現象では、非定常項と移流項と拡散項を同時に取り扱う必要がある。また、その物理現象を流線に沿って観測すると流れの本質が見やすくなる。これがここで提案した準Lagrangian法(semi-Lagrangian Method)である。CIP法を有限要素化し,分散オープンシステムに対応したモジュールを作成した。近年,有限差分法に遅れをとっていた有限要素法においても高次精度化に対して多くの研究がなされている。矢部らによって差分法で開発されたCIP法の特徴は,節点での関数値の分布を連続関数と想定し,その連続関数を節点での関数値とその一階微分を用いて3次関数(スプライン関数)で表し,その関数の形状を崩さずに移流することにある。このCIP法を改良し,有限要素法で定式化した従来の線形形状関数と任意の2次関数の積をとる3次形状関数を誘導し,この形状関数を用いたCIP-FEMの線形移流方程式による検証によって,その精度が有限差分法の3次風上差分以上であることを示した。これにより有限要素法による高精度解析手法を提案したわけであるが,さらに非線形方程式であるBurgers方程式によってCIP法の様々な検証を行った。

また3次元移流拡散方程式に拡張し,CIP-FEMの有効性を検証した。現在までに、分散オープン環境上での並列計算と相性の良い離散化ナブラ演算子法を用いたソフトウェアの開発、さらに流れの数値解析において最大の課題とされた移流が卓越した問題に対応できる上流化手法すなわちHybrid型GSMAC(generalized simplified marker and cell)有限要素法を開発し、流れ解析システムを構築してきた。このシステムは以下のモジュールを含む。MHDモジュール:電磁熱流体では流体場・熱場・電磁場が相互に連成し複雑な現象を表すため、ネットワークを用いた分散オープンシステムの構築には最良の解析対象である。GSMACモジュール:一般に,有限要素法による解析は汎用性が高いが、その反面、非圧縮性流体の解析は非構造格子を用いること、方程式の楕円性が強いといった理由から並列計算には不向きであると言われてきた。しかしながら、ここで開発したGSMAC有限要素法は完全に陽的であり、またelement-by-elementで解析できるため、並列計算との親和性は非常に高い。そこで、GSMAC有限要素法による超並列計算機の利用技術の構築を行い、大規模数値流体に適した、高精度、高速、低計算容量な有限要素法のアルゴリズムを構築してきた。粘弾性モジュール:分散システムに対応した流体解析には、複雑な構成方程式で記述される流体のソルバー開発が必要不可欠な研究である。そこで、工業的に重要な粘弾性流体を取り上げ、その構成方程式のオブジェクトモジュールを開発し、ニュートン流体の解析ソルバーとして有効性が確認されているGSMAC法からそのモジュールを使用可能にした。
遺伝性高コレステロール血症家兎にみる粥状動脈硬化発症及び進展機序に関する研究ー殊に細胞生物学的.分子生物学的アプローチを中心にー

我々は、in vitro、in vivoの実験で明らかにしてきた酸化LDLの取り込み機序をマクロファージ、クッパー細胞を用いて研究してきた。マクロファージの原料としてマウス腹腔内のものを採取してきたが、その量が不足しているために、系をウサギに変更し、酸化LDLを特異的に認識する受容体、すなわち酸化LDL受容体の諸性質の検討、精製を試みてきた。すでに単離・精製されているアセチルLDL受容体に認識されるアセチルLDLと酸化LDLの競合阻害実験の結果、マクロファージには酸化LDLに特異的な受容体は存在せず、230KDa、175KDaのアセチル、酸化両変性LDLを認識する受容体のみが存在することが明らかになった。クッパー細胞では、酸化LDLを特異的に認識する140KDaの受容体が見い出され、その単離、精製を急いでいる。また、昨年報告したHDLの酸化についても検討を重ねた結果、HDLの構造蛋白アポA-1が変性修飾を受けることがHDLの機能を抑制するのに重要であることを明らかにした。また、抗酸化剤であるプロブコール服用患者のHDLは酸化を受けにくく、従ってHDLの機能を保っていることも合わせて明らかにした。単球走化因子については、リゾフォス・ファチジルコリンにより、内皮細胞で発現誘導されるmRNAが明らかになり、MCP-1であることが判明した。従って、この発現の分子機序も今後明らかにして行きたいと考えている。我々が、in vivoにおいて、その存在を2つの方法により確認した酸化LDLを特異的に認識するマクロファ-ジの酸化LDL受容体の単離・精製が本研究のテ-マの1つである。まず、マクロファ-ジの細胞膜画分を分離し、可溶化し、SDSゲル電気泳動した。別に調整した、^<125>Iー標識酸化LDLを用いて、SDSゲルと一定期間インキュベ-トする、いわゆるウエスタンブロット法により、酸化LDL受容体のバンド検出を試みてきたが、現在のところ、分子量約40万Dalton、及び11万Daltonのところに反応するバンド(蛋白)が得られた。いずれのバンドの場合も大過剰の非標識酸化LDLにより、^<125>Iー酸化LDLが結合するバンドが消失したことから、酸化LDL受容体(酸化LDL結合蛋白の可能性もあるが)と考えられる。現在、大量にこの蛋白を集め、その構造決定をする方向で研究を進めといる。また、ボイデンチャンバ-法にて、単球、マクロファ-ジの走化(遊走)因子、及びその受容体についても、その単離、精製を目的として研究を進めといるが、現在、広い分野で問題になってきている、細胞接着因子の抗体を用いて、単球の遊走の抑制が起こるかどうか確認中であるが、MacーIに対する抗体で、遊走活性の一部が抑制されることが判明した。ところが、残りの活性は保たれており、この因子につき、単離を開始したところである。問題となる蛋白の量が十分に集められるのは、微量な因子だけに時間がかかる可能性がある。我々は、in vitro、in vivoの実験で明らかにしてきた酸化LDLの取り込み機序をマクロファージ,クッパー細胞を用いて研究してきた。すでに単離・精製されているアセチルLDL受容体に認識されるアセチルLDLと酸化LDLの競合阻害実験の結果、マクロファージには酸化LDLに特異的な受容体は存在せず、230KDa、175KDaのアセチル、酸化両変性LDLを認識する受容体のみのが存在することが明らかになった。

また、昨年報告したHDLの酸化についても検討を重ねた結果、HDLの構造蛋白アポA-1が変性修飾を受けることがHDLの機能を抑制するのに重要であることを明らかにした。また、抗酸化剤であるプロブコール服用患者のHDLは酸化を受けにくく、従ってHDLの機能を保っていることも合わせて明らかにした。単球走化因子については、リゾフォスファチジルコリンにより、内皮細胞で発現誘導されるmRNAが明らかになり、MCP-1であることが判明した。従って、この発現の分子機序も今後明らかにして行きたいと考えている。
マウス腸管粘液に含まれるコレラ菌エルトール溶血毒阻害因子の研究

コレラ菌は、非常に強力な細胞溶解毒素であるエルトール溶血毒(ETH,65kDa)を産生する。このETHは、600Da以下の低分子物質の透過可能な膜結合型孔形成毒素を膜中に構築する。我々は、マウス腸管粘液がETHによって引き起こされる溶血を阻害することを見つけた。この阻害機構は未だ解明されていないが、小腸粘液がエルトール溶血毒に対して生体防御の働きがあることが考えられる。そこで、我々はマウス小腸内に存在するETHの阻害因子とその阻害機構を明らかにすることを試みた。膜の存在しない条件下でMSIMのみによって毒素集合体が形成されることが分かった。興味深いことに、我々は、ETH単量体がコレステロール懸濁液の中でも集合体に変換することを見出した。ウサギ赤血球の溶血は、単量体によっては引き起こされるが、人工膜から分離した集合体ではまったく起きなかった。これらの結果から、ウサギ赤血球の溶血阻害は、水溶性のETH単量体が赤血球に出会う前に溶液中でMSIMによって集合体を形成するために引き起こされることが考えられた。したがって、MSIMの成分であるコレステロールは阻害因子の可能性がある。我々は、さらにETH単量体が、マウス小腸に存在する主要なタンパク質分解酵素であるトリプシンあるいはα-キモトリプシンにより限定分解され、50kDaの毒素タンパク質になることを証明した。これらのタンパク質分解酵素は、ETHによって引き起こされる溶血を阻害した。この結果は、50kDaの断片化したETHの溶血活性が65kDaETHよりも低いことを示している。これらの発見から、MSIMの成分であるタンパク質分解酵素が、もう1つの阻害因子であることは明らかである。したがって、溶血阻害は、タンパク質分解酵素によるETH単量体の分解によっても誘導されることが考えられた。コレラ菌エルトール溶血毒(65kDa;ETH)は細胞膜中に260kDaの孔状集合体を形成して溶血や細胞溶解を引き起こす。研究代表者はマウス腸管粘液(MSIM)がETHによる溶血作用を阻害することを見出し,この作用を解明するためにMSIMに含まれるETH阻害因子について研究した。ETHと結合するMSlM成分を調べたところ,コレステロールはETHと結合し,更にETHによる溶血も抑制したので阻害物質と考えられた。しかしながらMSIMを95°Cで加熱すると阻害活性の大部分が失われるので易熱性物質による作用も考えられた。赤血球の代わりにリポソームをETHとMSIMと共に混合し,ETHの集合体形成を電気泳動で経時的に調べた。混合直後はETHが検出できなかったが,15分以上培養すると約260kDaから200kDaの間にラダー状のETH集合体がゲル上に出現した。60分培養するとこれらの集合体は消失し,新たに200kDaの集合体が出現した。試料を混合した直後にETHが検出できなかった原因はMSIMの作用によって形成された集合体がゲル上でラダー状に泳動され,染色による検出限界を超えたためと考えられた。またMSIMを加えた直後から溶血阻害と集合体形成がみられ,両者の間に相関性があるように思われた。60分の培養で出現したETH集合体(200kDa)と同一サイズの集合体は260kDaのETH集合体をトリプシンで処理しても生じる。そこでトリプシンをETHとリポソームに混ぜたところ,MSIMと同じ結果が得られた。一方,リポソーム非存在下ではトリプシンによるETH単量体の分解が徐々に進行し,集合体は形成されなかった。

以上の結果から,MSIMに含まれるコレステロールならびに蛋白分解酵素がそれぞれETHの溶血作用を阻害する因子として働き,特に後者は200kDaの集合体形成の誘導が原因として考えられた。コレラ菌エルトール溶血毒(65kDa;ETH)が引き起こす細胞溶解作用の1つである赤血球溶血作用をマウス腸管粘液(MSIM)は著しく阻害する。本年度は,阻害因子の同定と作用機構の解明を行った。(1)MSIMに含まれる阻害因子の同定と分離...系統の異なる3種類のマウス(C3H/HeN,C57BL/6,BALB/c)のMSIMは全てETHの溶血作用を阻害する活性を持つことが分かった。さらに(3)で述べるように阻害因子として腸管内に存在するトリプシンとα-キモトリプシンが考えられた。(2)ETHのマウス腸管内での作用と集合体化...In vitroの実験では65kDaのETHは単一の集合体のみを形成するが,マウス(C57BL/6)の小腸にETHを投与し,経時的にETHを検出したところ,ETHを腸管内に投与した直後から,200kDaから300kDaの分子量の異なる集合体群が形成されていることが明らかとなった。(3)蛋白分解酵素のETHに対する作用とETHの集合体形成の関係...阻害因子の可能性があるトリプシンとα-キモトリプシンのETHに対する蛋白分解作用を調べた。その結果,65kDaのETHは限定分解し,新しく50kDaの毒素分子が生成された。限定分解が進行中で65kDaと50kDaのETHが共存している時,リポソームを加えると,65kDaと50kDaのETHのco-aggregateと思われる分子量の異なる集合体が200kDa300kDaの間で多数形成された。さらに分解が進み50kDaのETHが主になると,集合体が形成されにくい傾向がみられた。また,トリプシンやα-キモトリプシンで処理したETHの溶血活性は処理前に比べて減少することが分かった。したがって,50kDaの毒素分子の生成はETHの溶血活性を減弱する原因の1つとして考えられた。マウス腸管粘液に含まれるコレラ菌エルトール溶血毒(65kDa ; ETH)の阻害因子の探索とその阻害機構を解明する研究計面の最終年度である平成13年度において、次の2項目の研究を行った。1.蛋白分解酵素によって65kDaETHが限定分解を受ける部位の同定マウス腸管粘液成分であるトリプシンやα-キモトリプシンによって65kDaETH単量体は限定分解を受け、約50kDaのETHが新しく生じることを前年度明らかにした。本年度はETH単量体が、トリプシンによって限定分解を受ける部位を同定するために、50kDa ETH分子のN末端から5残基までのアミノ酸配列を調べた。その結果、Ala-Pro-Ala-Asn-Serであることが分かった。また、限定分解を受けていない65kDaETH分子のN末端のアミノ酸配列も調べたところ、Ala-Pro-Ala-Asn-Serであった。この5残基の配列は、ETH分子のN末端にのみ存在する。この結果から、50kDaのETHは、N末端側の断片であることが考えられた。また、もう一方の断片である15kDaのETH分子の探索を行ったが、15kDaに相当する分子またはその小断片を検出することができなかった。
多様な細胞機能の制御におけるMAPキナーゼ系の役割

1.細胞増殖系においては、ERK-MAPキナーゼ系が幾つかの転写因子の機能制御を介してサイクリン依存性キナーゼ(CDK)阻害蛋白質の一種であるp27^<Kip1>の発現を抑制し、これが細胞周期の進行において重要な役割を果たしている可能性を提示した。2.細胞分化系においては、ERK-MAPキナーゼが細胞質/神経突起伸長部位においてNF-Mをリン酸化に関与する可能性を見いだした。一方、ここではERK-MAPキナーゼの他にp38 MAPキナーゼも同時に活性化され、活性化p38 MAPキナーゼが核内において幾つかの転写因子の機能制御を介して、NF-Mの発現誘導に密接に関与していることを見出した。3.細胞運動系においては、まず核内においてElk-1がERK-MAPキナーゼによってリン酸化されることでc-fos遺伝子の発現が誘導され、次いでc-Fosがc-Junとheterodimerを形成することで転写調節領域にAP-1部位を持つMatrixmetalloproteinase(MMP)-3/-9/-14、CD44各遺伝子の発現が亢進され、これらが細胞運動亢進において重要な役割を果たしていることを見出した。4.ERK-MAPキナーゼの新規基質分子として、RhoA特異的グアニンヌクレオチド交換因子GEF-H1を同定した。また、GEF-H1はERK-MAPキナーゼによるリン酸化の結果、GTP結合型RhoAの増加(活性化)、さらにその安定性の低下(代謝回転促進)が誘導される事を見出した。これらの結果は、ERK-MAPキナーゼ(細胞増殖シグナル)がRhoAの活性化、およびその安定性を調節する事で、アクチンフィラメント等の細胞骨格系制御に関わっている可能性を示唆する。5.ERK-MAPキナーゼ活性化の時間的制御に関しては、ERK-MAPキナーゼ系に対して抑制的に機能するSproutyがERK-MAPキナーゼの下流で発現誘導される事を見出した。また、哺乳類細胞に存在する4種類のSproutyは、相互にHetero-oligomerを形成する事で効率よくERK-MAPキナーゼ系を遮断する事、その分子機構としては、SproutyがGrb2/Sos1複合体と上流のシグナル分子(FRS2等)との結合を阻害する事を明らかにした。1.細胞増殖系(PDGF/Swiss 3T3細胞)、細胞分化系(NGF/PC12細胞)、細胞運動系(HGF/MDCK細胞)におけるERK-MAPキナーゼの役割を、それらが細胞内で機能する部位に注目し、活性化ERK-MAPキナーゼ抗体を用いた免疫染色法で解析した。その結果、増殖系、運動系においては活性化ERK-MAPキナーゼが核内に長時間滞在することが確認されたが、一方、分化系においてはそれがむしろ細胞質、特に突起伸長部位に局在していることを見いだした。

2.細胞増殖系において、ERK-MAPキナーゼ系が幾つかの転写因子の機能制御を介して最終的にサイクリン依存性キナーゼ(CDK)阻害蛋白質の一種であるp27^<Kip1>の発現を抑制し、これが細胞周期の進行において重要な役割を果たしている可能性を提示した。4.細胞運動系においては、まず核内において転写因子、Elk-1がERK-MAPキナーゼによってリン酸化されることでc-fos遺伝子の発現が誘導され、次いでc-Fosがc-Junとheterodimerを形成することで転写調節領域にAP-1部位を持つMatrixmetalloproteinase(MMP)-3/-9/-14、CD44各遺伝子の発現が亢進され、これらが細胞運動亢進において重要な役割を果たしていることを見出した。1.ERK-MAPキナーゼ系が恒常的に活性化されている癌細胞株での解析より,ERK-MAPキナーゼ系とRhoA系の間にクロストークがある可能性が示唆された。そこでその実態解明を進めたところ,ERK-MAPキナーゼ系によってRhoA特異的GDP/GTP交換因子(GEF)の発現が亢進する事,さらにそれはERK-MAPキナーゼによるリン酸化によって活性化される事を見出した。RhoA系の恒常的活性化は細胞がん化を誘導する事が報告されているが,上記知見はERK-MAPキナーゼ系の下流でRho経路が活性化され,それが細胞がん化促進に寄与している可能性を示唆する。2.c-Jun N-terminal Kinase(JNK)が細胞増殖制御に関与する可能性を検討すべく,JNK経路が恒常的に活性化されている癌細胞株(T24及びPC3細胞)にJNK阻害剤(SP600125)を添加し、あるいはJNKのDominant Negative遺伝子を導入したところ,ほぼ完全な増殖停止が誘導された。細胞周期動態の解析より,上記条件下ではG2/M期細胞が顕著に増加している事を見出し,これよりJNKがG2/M期進行、特に細胞質分裂の制御において重要な役割を果たしていることを明らかにした。そこで,JNKによる細胞質分裂制御の分子機構を明らかにすべく,G2/M期に特徴的にリン酸化が亢進し、それがSP600125処理で阻害されるタンパク質の同定を進めた結果,中間径フィラメント成分である「ケラチン」を、極めて有力な候補分子として見出した。現在,ケラチンリン酸化と細胞質分裂制御の関連を解析中である。1.ERK-MAPキナーゼの新規基質分子として、RhoA特異的グアニンヌクレオチド交換因子GEF-H1を同定した。具体的には、ERK-MAPキナーゼがGEF-H1と複合体を形成する事、及びGEF-H1のThr(678)をリン酸化する事を見出した。また、GEF-H1はERK-MAPキナーゼによるリン酸化の結果、GTP結合型RhoAの増加(活性化)、さらにその安定性の低下(代謝回転促進)が誘導される事を見出した。これらの結果は、ERK-MAPキナーゼ(細胞増殖シグナル)がRhoAの活性化、およびその安定性を調節する事で、アクチンフィラメント等の細胞骨格系制御に関わっている可能性を示唆する。2.MAPキナーゼ系と細胞骨格制御に関しては、(a)ERK-MAPキナーゼがニューロフィラメントタンパク(NF-M)のリン酸化を介して、神経細胞分化における神経突起分枝構造形成促進に関与している事、(b)c-Jun N-terminal Kinase(JNK)はケラチンのリン酸化を介して、細胞質分裂における中間系フィラメント構造の動的制御に関与している事を見出した。3.ERK-MAPキナーゼ活性化の時間的制御に関しては、ERK-MAPキナーゼ系に対して抑制的に機能するSproutyがERK-MAPキナーゼの下流で発現誘導される事を見出した。
地球大気化学国際協同研究計画(IGAC)の検討と推進

IGBP(地球圏-生物圏国際協同研究計画)のコア・プロジェクトであるIGAC(地球大気化学国際協同研究計画)について、国内における研究を推進し、国際的な対応をはかるため、以下のような活動を行った。1.国内研究者名簿を整備し、研究者間の研究連絡・情報交換を行った。2.研究打合せ会を開き、研究調整を行い、今後の研究推進策について検討した。3.第4回IGACシンポジウムを開催し、シンポジウム報告集を作成した。4.第2回IGAC国際会議を1994年9月に日本で開催するための準備として、国際プログラム委員会を開いた。この会議の案内状を作成し、外国への発送リストを作って、国内外約600名の研究者に発送した。また、論文発表申込を受理し、編集した後国際プログラム委員会に付託した。さらに、国内組織委員会の会合を待った。
細胞膜骨格の高速超解像弾性マッピング法の開発と細胞運動解析への応用

本研究では、100 nm程度の網目構造をもつアクチン細胞膜骨格の機械的特性(バネ弾性)を、超高速1蛍光分子追跡によって定量する方法を確立し、網目構造自体を空間的に分解できる密度で超解像マッピングして形状的特性との相関を得ること、また、さらにそれを繰り返して動的特性まで得ることを目指す。すなわち、【1】アクチン膜骨格バネ弾性定量法の確立、【2】超解像弾性マッピング像の取得、【3】超解像弾性マッピング像による細胞運動の解析、の3つを目的とする。本年度は【1】を推進し、以下の進捗があった。(1)膜貫通型タンパク質がアクチン膜骨格に結合し、停留している期間に示す構造揺らぎを1蛍光分子運動追跡で正しく見積もるためには、観察単位時間(フレーム時間)に得られるフォトン放射数で決まる1分子位置決め精度が十分高い必要がある。数種類の蛍光色素を試した結果、100マイクロ秒フレーム時間(時間分解能10 kHz)の高速観察下、飽和放射速度(励起光強度をそれ以上大きくしても放射フォトン数が増えない状態)で、放射フォトン数がもっとも多かった蛍光色素はCy3で、そのときの位置決め精度は約20 nmであった。(2)アクチン膜骨格に結合した細胞膜分子の運動のモンテカルロシミュレーションの結果から、バネ弾性を正確に見積もるためには、25マイクロ秒程度の時間分解能が必要であることが予想された。時間分解能22マイクロ秒(45 kHz)での観察の結果、Cy3分子1個ではシグナルが不十分で、20 nm位置決め精度のためにはCy3分子を複数個(少なくとも5個)標識する必要があることがわかった。(3)アクチン膜骨格に対するアフィニティーが高く、短時間のうちに何度も結合と解離を繰り返す膜貫通型プローブの開発を進めた。2018年度は、100マイクロ秒時間分解能以上の高速観察下で、高い位置決め精度が得られる色素の選定を進めた。2019年度はこの結果をもとに、飽和放射速度での放射フォトン数がさらに多い色素の検索と、観察条件(暗状態を短くして飽和放射速度を上げる酸素濃度、還元剤/酸化剤の配合)の最適化をおこなう。また、2019年度以降に推進する、アクチン膜骨格の網目の超解像弾性マッピング像取得のための準備として、アクチン膜骨格への結合のオンレートが高く、短時間に何度も結合と解離を繰り返す膜貫通型プローブの開発に取りかかった。現在までに得られたプローブ(細胞質側にアクチン結合配列Lifeact、細胞外に蛍光標識用のACPタグを持つ)は、ACPの蛍光標識効率が低く、蛍光標識後に細胞内に取り込まれやすいという問題があるので、インドNational Centre for Biological Scienceの共同研究者とともに、スペーサー配列の追加やタグの変更により、これらの問題の解決を目指している。2019年度は、目的【2】超解像弾性マッピング像の取得を推進する。選定した色素と最適化した1蛍光分子観察条件下で、膜貫通型タンパク質プローブがアクチン膜骨格に結合して停留中の軌跡から、1分子位置決め精度の寄与分を差し引き、アクチン膜骨格の構造揺らぎ(バネ弾性)を正確に見積もる。これを100 nm程度に仕切られたアクチン膜骨格の網目上の多数の停留イベントに対しておこない、定量したバネ弾性にしたがって色分けした点で再構成することで、膜骨格の網目の超解像弾性マッピング像の取得を目指す。これを実現するためには、網目の形態変化が小さいようになるべく短時間(目標は30秒以下)で、100 nmの網目の可視化に十分な多数の停留点を取得する必要がある。膜骨格への結合のオンレートが高く、短時間に何度も結合と解離を繰り返す膜貫通型プローブ(既に開発に取りかかった)を改善し、利用する。さらに、正確にバネ弾性を決めるための超高速観察が可能な色素で、1分子像の空間的な重複が起こらず、より多数の停留点を取得できるように、適度な頻度で信号の明滅を繰り返す条件(励起強度、酸素濃度、還元剤/酸化剤の配合)を見つける。超解像弾性マッピング像が取得できるようになった場合は、2020年度に予定している目的【3】を視野に入れ、接着斑構成分子(パキシリン、ビンキュリン、タリンなど)の超解像観察との2色同時観察を実現するための細胞株を準備する。

(2)アクチン膜骨格に結合した細胞膜分子の運動のモンテカルロシミュレーションの結果から、バネ弾性を正確に見積もるためには、25マイクロ秒程度の時間分解能が必要であることが予想された。時間分解能22マイクロ秒(45 kHz)での観察の結果、Cy3分子1個ではシグナルが不十分で、20 nm位置決め精度のためにはCy3分子を複数個(少なくとも5個)標識する必要があることがわかった。(3)アクチン膜骨格に対するアフィニティーが高く、短時間のうちに何度も結合と解離を繰り返す膜貫通型プローブの開発を進めた。2018年度は、100マイクロ秒時間分解能以上の高速観察下で、高い位置決め精度が得られる色素の選定を進めた。2019年度はこの結果をもとに、飽和放射速度での放射フォトン数がさらに多い色素の検索と、観察条件(暗状態を短くして飽和放射速度を上げる酸素濃度、還元剤/酸化剤の配合)の最適化をおこなう。また、2019年度以降に推進する、アクチン膜骨格の網目の超解像弾性マッピング像取得のための準備として、アクチン膜骨格への結合のオンレートが高く、短時間に何度も結合と解離を繰り返す膜貫通型プローブの開発に取りかかった。現在までに得られたプローブ(細胞質側にアクチン結合配列Lifeact、細胞外に蛍光標識用のACPタグを持つ)は、ACPの蛍光標識効率が低く、蛍光標識後に細胞内に取り込まれやすいという問題があるので、インドNational Centre for Biological Scienceの共同研究者とともに、スペーサー配列の追加やタグの変更により、これらの問題の解決を目指している。2019年度は、目的【2】超解像弾性マッピング像の取得を推進する。選定した色素と最適化した1蛍光分子観察条件下で、膜貫通型タンパク質プローブがアクチン膜骨格に結合して停留中の軌跡から、1分子位置決め精度の寄与分を差し引き、アクチン膜骨格の構造揺らぎ(バネ弾性)を正確に見積もる。これを100 nm程度に仕切られたアクチン膜骨格の網目上の多数の停留イベントに対しておこない、定量したバネ弾性にしたがって色分けした点で再構成することで、膜骨格の網目の超解像弾性マッピング像の取得を目指す。これを実現するためには、網目の形態変化が小さいようになるべく短時間(目標は30秒以下)で、100 nmの網目の可視化に十分な多数の停留点を取得する必要がある。膜骨格への結合のオンレートが高く、短時間に何度も結合と解離を繰り返す膜貫通型プローブ(既に開発に取りかかった)を改善し、利用する。さらに、正確にバネ弾性を決めるための超高速観察が可能な色素で、1分子像の空間的な重複が起こらず、より多数の停留点を取得できるように、適度な頻度で信号の明滅を繰り返す条件(励起強度、酸素濃度、還元剤/酸化剤の配合)を見つける。超解像弾性マッピング像が取得できるようになった場合は、2020年度に予定している目的【3】を視野に入れ、接着斑構成分子(パキシリン、ビンキュリン、タリンなど)の超解像観察との2色同時観察を実現するための細胞株を準備する。
南極オゾンホール経由の紫外線が動物の眼に及ぼす影響に関する分光学的研究

南極上空に南半球の春先に発生するオゾンホールの影響で,地上への紫外線照射量が増加したための生態系への影響を,動物の眼の組織に注目して, FT-IRやラマン散乱スペクトルなどの分光学的手法によって調べた。その結果,牛眼の角膜のコラーゲン分子が,紫外線によって断片化していることが明らかになった。また,牛眼の水晶体のクリスタリンが,紫外線照射によって黄変し,トリプトファン残基だけが特異的に破壊されていることが明らかになった。南極上空で毎年春先に発生しているオゾンホールのために,皮膚ガンや白内障を引き起こす可能性のあるB領域紫外線照射量が増加している。我々は,眼の水晶体や角膜に対する影響に着目して,赤外吸収,ラマン散乱等の分光学的手法を用いて,南極昭和基地で紫外線曝露した牛と豚の水晶体,角膜の構造変化を評価した。4歳のホルスタイン牛から摘出した眼,角膜,水晶体の試料を,各々,生理食塩水(防腐剤入り)に浸し,紫外線透過率の高い(25nmで80%以上)のポリエチレン袋に封入して,アクリル板に貼り付けた。これら試料を,昭和基地に運搬して太陽光曝露した。その後試料を日本に持ち帰り,ラマン散乱,FT-IRスペクトルの測定を行なった。その結果,3390cm^<-1>のラマンシグナルに対する2935cm^<-1>のラマンシグナル強度が減少したことから,南極の低温によりクリスタリンの脱水がある程度進行したことが分かった。チロシンダブレットの強度変化の様子から、低温によってチロシン残基の環境は変化したが,アミドバンドの強度に大きな変化が無かったことから,主鎖に大きな変化は見られなかった。また,南極の太陽光への曝露によって,トリプトファン残基のラマンシグナルが特異的に減少したことから,水晶体の変化はトリプトファンの分解を引き起こしていることが明らかになった。一方,南極夏季の太陽光照射により,牛角膜はやや黄色く変色した。ラマン散乱測定からは,角膜コラーゲンの大きな構造変化は見出せなかったが,FT-IR測定の結果から,アミドIバンドに対するアミドIIバンドの強度比が,太陽光曝露に従って減少していた。人工紫外線の照射によって,同アミドバンドの強度比の減少率が,ビタミンC添加では抑制され,糖添加によって促進された。南極の太陽光曝露に伴う影響は,人口紫外線曝露4週間と同程度であった。22年度は,21年度の結果を踏まえて,人口紫外線照明を用いて,牛眼の角膜と水晶体タンパク質に対する紫外線曝露の影響評価を行なった。実験は,ATR-FT-IR法を用いて,1週間4週間の期間,UV-Bの照射を行なった際のアミドI,II赤外吸収バンドの強度比に注目して,解析を行った。以前に行なったUV-C照射の際には,アミドIバンドと比較して,アミドIIバンドの強度が顕著に減少したが,UV-B照射の際には,大きな減少は観測されなかった。これは,UV-Cと比較してUV-Bのエネルギーが低いためであると考えられた。しかし,本実験は,主に牛眼を用いた結果であるので、現在ニワトリ眼を用いた対照実験を実施中である。一方,南極昭和基地周辺で採取した,ペンギン死亡個体から摘出した眼には,解剖学的には顕著な障害は認められなかったが,今後更に採取個体数を増やして実験を継続する予定にしている。また,昭和基地にポータブルラマン散乱測定装置を持ち込んで,生きたペンギン眼の分光学的測定を行なうための準備を進めている。我々は,眼の水晶体や角膜に対する影響に着目して,赤外吸収,ラマン散乱等の分光学的手法を用いて,南極昭和基地で紫外線曝露した牛と豚の水晶体,角膜の構造変化を評価することを目的とした本課題を申請した。2123年度の3ヵ年の研究によって,人口紫外線照明を用いて,牛眼の角膜と水晶体タンパク質に対する紫外線曝露の影響評価ができた。その結果,水晶体タンパク質のクリスタリンの白内障様変異が,紫外線によって引き起こされるが,その原因が加齢による白内障とは異なるTrp残基の破壊により生ずることが明らかになった。また,ATR-FT-IR法を用いて,角膜タンパク質のコラーゲンに1週間4週間の期間,UV-Bの照射を行なった。

その際,アミドI,II赤外吸収バンドの強度比に注目して,解析を行った結果,予備実験で行なったUV-C照射の際には,アミドIバンドと比較して,アミドIIバンドの強度が顕著に減少したが,UV-B照射の際とは異なり,大きな減少が観測されなかった。これは,UV-Cと比較してUV-Bのエネルギーが低いためであると考えられた。一方,角膜に糖化処理を行なった場合には,コラーゲン分子の紫外線による分解がより早く進行することが明らかになった。これは,糖尿病に伴う眼病進行の促進という事実とよく対応している。これらの結果から,南極オゾンホール発生に伴う短波長紫外線(UV-B)が我々の眼の組織に与える影響を分光学的に評価することができた。
無機ナノチューブに種々の官能基を正確に導入するための合成手法の検討

イモゴライトは天然に存在する外径22.5nm、内径1nmアルミノケイ酸塩のナノチューブ状アルミノケイ酸塩である。本研究ではSi源としてメチルトリエトキシシランを用いて前駆体を調製した後、チューブ内外表面に存在するSi-OH基をメチル基に置き換えたメチル基修飾イモゴライトを合成しその評価を行った。前駆体調製時のpHや精製方法、チューブ合成時の加熱温度等の条件を検討したところ、pH5.5で調製した前駆体を用いて、75100°Cの加熱温度で合成した場合、生成物の原子間力顕微鏡観察より棒状の構造物が確認され、メチル基を導入したイモゴライト状ナノチューブ形成の可能性が確認された。本研究は天然無機ナノチューブであるイモゴライトの内周の官能基を置換した新規ナノチューブの合成を目的としている。内周の官能基置換したナノチューブは塩化アルミニウムとメチルトリエトキシシランの水溶液から合成した。まずAlとSi源を含む水溶液を混合し、pHを調整することで前駆体溶液とし、遠心分離等で前駆体を回収した。回収した前駆体を再分散させ、所定pH、加熱温度にて合成を行った。前駆体溶液をpH5.0,5.5で調整し、それを合成して得られた生成物をFT-IR測定で調べたところpH5.5で合成した生成物からはイモゴライト状構造の形成が示唆された。またナノチューブ合成時の加熱温度を50°C、75°C、100°Cに分けて合成を行ったところ、75°Cと100°Cで合成した試料からはイモゴライト状構造の形成が示唆されたが、50°Cで加熱したところ期待された結果は得られなかった。ナノチューブは前駆体間の縮合反応により合成されるため、反応温度、および反応時間が足りなかったと考えられる。また前駆体溶液のpH調整の為強塩基NaOHと弱塩基NH3水溶液の使用を検討したところ、NaOH水溶液で調製して得られた合成物からはイモゴライト状構造の形成が示唆された一方で、弱塩基性のNH3水溶液を用いた場合、ナノチューブ形成の証拠は得られなかった。またチューブ状構造形成が示唆された試料の原子間力顕微鏡像を観察したところ、長さ数100nmの棒状構造が確認された。長さは通常の合成イモゴライトと比べて短いものと推測される。以上、前駆体を用いたメチル基修飾イモゴライト状ナノチューブの合成条件を見出すことが出来た。内周の官能基置換したナノチューブは塩化アルミニウムとメチルトリエトキシシランの水溶液から合成を試みた。まずAlとSi源を含む水溶液を混合しpHを調整することで前駆体溶液とした。前駆体からナノチューブを合成する為には前駆体の精製が必要となる。そこで前駆体の精製を透析法、または遠心分離法で行い、回収物の評価を行ったが、精製法による差異は確認できなかったため、短時間で多量に処理できる遠心分離法で精製した前駆体を用いてメチル基修飾ナノチューブの合成を行った。ナノチューブの合成条件として、前駆体調製時の溶液のpH、加えた塩基の種類、合成時の加熱温度の3点を検討した。まず、前駆体調製時に強塩基であるNaOHを用い、pHを5.0、5.5、加熱温度を50,75,100°Cと変えて合成を試みた。まず加熱温度50°Cの条件では生成物が得られなかった。またpH 5.0、加熱温度75°Cの条件も生成物が得られなかった。一方、pH 5.5で前駆体を調製し加熱温度75, 100 °Cで合成を行った場合、得られた生成物がファイバー状構造を示し、FT-IRスペクトルからイモゴライトナノチューブに特徴的な吸収が確認されたことから、メチル基修飾ナノチューブの生成が示唆された。しかし、pH 5.0、加熱温度100°Cの条件で得られた生成物からはファイバー状構造が確認できなかった。以上の結果より前駆体溶液調製時のpHは5.5程度まで上げることで十分な量の前駆体が得られ、加熱温度は75°C以上でチューブの合成が進行することが確認された。しかし一部副生成物も確認されており、前駆体生成条件、合成条件の更なる最適化が必要と考えられる。Si源としてメチルトリエトキシシランを用いてメチル基修飾イモゴライト状

ナノチューブの前駆体およびナノチューブの合成条件は見出すことができたが、メチル基の代わりに水素元素やビニル基を導入したナノチューブの前駆体およびナノチューブ本体の合成は十分に検証できていない。また生成物にはナノチューブ以外にも粒子状、板状の構造体が形成されており、それらナノ構造体についてもより詳細な構造評価や形態観察を行う必要がある。無機材料、高分子材料まず、メチル基以外の置換基を有するSi源を用いたナノチューブ前駆体およびその前駆体からナノチューブが形成可能か検証する。Alと置換基を有するSi源を含む水溶液を混合しpH調整により前駆体を生成回収し、前駆体形成の確認を行う。形成の確認は、分子モデリングソフトの計算結果から得られたFT-IRスペクトルとの対比により行う。確認後、他の測定手法によりキャラクタリゼーションを行う。また調製した前駆体を加熱合成することで得られる生成物の構造評価、形態観察を行い、ナノチューブ状構造が形成されているか確認する。またメチル基修飾イモゴライト状ナノチューブの合成時における溶液中の共存イオンの影響について詳細な検討が出来ていないため、前駆体を再分散させた合成用溶液の発光分光分析(ICP)測定を行い、共存イオンによるナノチューブ生成率への影響を調査する。また得られたメチル基修飾イモゴライト状ナノチューブの特性評価として、定容量式ガス吸着装置を用いて比表面積や細孔分布を計測する。メチル基以外の置換基を導入し合成できたナノチューブについても同様に評価を行う。購入したワークステーションが希望した製品と同等品で価格の安いものを購入できた為。一部国内学会の旅費として計上予定、他に反応溶液の元素分析の為の発光分光分析(ICP)装置の消耗品の購入、研究補助の専攻科生への謝金として計上予定
マイクロ波放電式イオンエンジンのプラズマ診断

2年度目までに、光ファイバを活用したレーザ吸収分光法を確立し,イオンエンジン内部のXe I準安定準位823m密度分布測定に成功した。約1%程度の吸収まで判別できるようになった。3年度目はXe IIの吸収を測定するために、以下の対策を行った。1.データの統計処理によるノイズの低減2.ローハスフィルタにより高周波ノイズの除去3.レーザ掃引周波数の最適化4.実験手順を最適化し、ゼロラインを求めやすくした5.使用する光ファイバの研磨面に角度をつけ、反射光を減らした。これにより、吸収の検出限界を1%から0.1%まで向上させた。Xe II 484nmの吸収分光を行ったが、吸収が当初の見積り(0.1-1%)よりも小さく、測定は不可能であることが判明した。次にXe I 828nmに切り替え測定を行ったところ,最大で1%程度の吸収が得られ、吸収の0.1%程度の変化を追うことで、空間分解能2cmの密度分布を得ることに成功した。推進剤の投入方法によって、Xe I 823nmの測定結果と同様に励起中性粒子の密度分布が大きく違うことが実験的に確認された。Xe I 828nmの測定では、導波管投入ではグリッドから-9cmに大きなピークがあることを特定した。これはマイクロ波定在波の腹の位置に一致している。Xe I 828nmは基底と共鳴遷移線を有し寿命が非常に短いために、準安定準位のXe I 823nmの測定結果では励起場所が確定できないのに対し、Xe I 828nmでは測定点と励起衝突の場所が'一致している。しかしながら、マイクロ波の定在波による電子め加熱量は非常に小さく1 eVにも満たない。テスト粒子法による電子軌道解析をおこなったところ、放電室の内周磁石による磁力線によって電子が導波管に誘導されていることが判明した。このことから、放電室のECR領域で加速された電子が導波管に漏れてくることで導波管内にイオンも引きずりこまれ、プラズマが滞留していると考えられる。その結果導波管内で電子と中性粒子の励起衝突が起き、密度のピークが検出されたと考えられる。この導波管の電子の存在により、従来の推進剤の導波管投入ではマイクロ波が導波管で反射・減衰されビーム電流が135mA程度にとどまったと考察される。小惑星探査機「はやぶさ」に搭載されたマイクロ波放電式イオンエンジンμ10は、推進剤の供給方法に工夫を凝らすことでエンジンの推力の指標であるイオンビーム電流が25%向上に成功した。イオンエンジンの推力増強のプロセスを解明するために、光ファイバを用いて内部の発分布測定を行い、導波管内部における発光を確認した。光ファイバは従来のプローブ診断に比べ以下のメリットがある。(1)英は非誘電体ため、マイクロ波電磁場に対する擾乱が小さい。(2)絶縁体のため高電圧に印加されたプラズマにもアクセル出来る。(3)融点が高温のプラズマにも耐えられる。(4)イオンエンジンのグリッドから挿入することで、非破壊で"その場"測定が可能。(5)加速中における唯一の直接計測手法である。内部発光実験では、導派管部における発光量に比例してマイクロ波反射電力が増大していることがわかった。導波管におけるプラズマの存在は放電室に供給されるマイクロ波が減少させ、イオンビーム電流が減少する原因となるため、これを抑制することでビーム電流が増加したと考えられる。より定量的なプラズマ診断を行うため、イオンエンジン内部に光ファイバを用いてレーザー吸収分光法を適用した。本実験に取り組むに当たり、予め分光器を通じて内部発光のスペクトル分析を行い、Xe中性粒子の準安定準位である823nmに強い発光があることを確認した。本実験の計測方法は、光ファイバをグリッドを通じてレーザー光を内部まで誘導し、イオンエンジンの長手軸方向に沿ったレーザー透過長を変化させることで、ターゲットの数密度分布をイオンビーム加速状態のまま計測できる新しい手法である。見積もられるXeイオンの数密度は中性粒子に比べ小さく実績がないことから、第一に計測方法の実証として、中性粒子であるXe(I)823nmをターゲットとして数密度分布をもとめ、実験に成功した。マイクロは放電式イオンエンジンμ10の内部物理を解明するために、光ファイバを用いてレーザ吸収分光法の適用を行った。本年は研究計画の2年にあたり、前年度に吸収の取得に成功したXe I 823nmの準安定中性粒子の数密度分布を詳細に求めることに成功した。マイクロ波プラズマ源の内部診断手法を確立した成果はアメリカ物理学会のの査読付き論文Review of Scientific Instrumentsに掲載されるなどの業績をあげている。Xe I 823nmは準安定で寿命が長くマイクロ波放電式イオンエンジンμ10の導波管部分にまで、導波管からの推進剤流量が高い時に確認された。これはイオンビームの低下と共にこの領域における数密度の増加が確認されたことから、導波管における電子密度の上昇が考えられる。導波管における電子密度は放電室部分へのマイクロ波供給を阻害したり減衰させてしまう恐れがあるため、避けるべきである。導波管側からの推進剤流量を減らし、放電室からの推進剤流量を増やすことで、この導波管における電子密度を減少させて、イオンビームの増加に貢献したと推察される。また発光分光による相対強度法によって、電子励起温度の測定も行った。

従来は熱平衡から電子温度を用いていたが、マイクロ波プラズマは非平衡状態にあるため、電子励起温度の方が実態に沿っている。この測定結果より中性粒子密度分布は従来よりも一桁低いことが判明した。上記の結果を、現在日本航空宇宙学会和文論文集に投稿中である。引き続き、他のラインの吸収分光を実施してより詳細なエンジン内部のプラズマ診断を行う。2年度目までに、光ファイバを活用したレーザ吸収分光法を確立し,イオンエンジン内部のXe I準安定準位823m密度分布測定に成功した。約1%程度の吸収まで判別できるようになった。3年度目はXe IIの吸収を測定するために、以下の対策を行った。1.データの統計処理によるノイズの低減2.ローハスフィルタにより高周波ノイズの除去3.レーザ掃引周波数の最適化4.実験手順を最適化し、ゼロラインを求めやすくした5.使用する光ファイバの研磨面に角度をつけ、反射光を減らした。これにより、吸収の検出限界を1%から0.1%まで向上させた。Xe II 484nmの吸収分光を行ったが、吸収が当初の見積り(0.1-1%)よりも小さく、測定は不可能であることが判明した。次にXe I 828nmに切り替え測定を行ったところ,最大で1%程度の吸収が得られ、吸収の0.1%程度の変化を追うことで、空間分解能2cmの密度分布を得ることに成功した。推進剤の投入方法によって、Xe I 823nmの測定結果と同様に励起中性粒子の密度分布が大きく違うことが実験的に確認された。Xe I 828nmの測定では、導波管投入ではグリッドから-9cmに大きなピークがあることを特定した。これはマイクロ波定在波の腹の位置に一致している。Xe I 828nmは基底と共鳴遷移線を有し寿命が非常に短いために、準安定準位のXe I 823nmの測定結果では励起場所が確定できないのに対し、Xe I 828nmでは測定点と励起衝突の場所が'一致している。しかしながら、マイクロ波の定在波による電子め加熱量は非常に小さく1 eVにも満たない。テスト粒子法による電子軌道解析をおこなったところ、放電室の内周磁石による磁力線によって電子が導波管に誘導されていることが判明した。このことから、放電室のECR領域で加速された電子が導波管に漏れてくることで導波管内にイオンも引きずりこまれ、プラズマが滞留していると考えられる。その結果導波管内で電子と中性粒子の励起衝突が起き、密度のピークが検出されたと考えられる。この導波管の電子の存在により、従来の推進剤の導波管投入ではマイクロ波が導波管で反射・減衰されビーム電流が135mA程度にとどまったと考察される。当初の研究計画では、レーザ吸収分光によりXeイオンの吸収を測定するはずであったが、イオンの吸収の測定には未だ成功していない。しかし、イオンの吸収波長の選定過程で発光分光を行い、相対強度法により電子励起温度を求め、吸収分光によって得られる数密度が電子温度を用いた時よりも一桁低いことを解明した。イオンの吸収は見積りよりも実際にはかなり少ないものの、代わりに基底と共鳴遷移線を有する励起中性粒子Xe I 828nmの吸収を測定することに成功した。