hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
性能可搬性を提供する仮想計算機マイグレーション技術の研究

クラウドの利用が拡大しているが、利用者が性能や価格をもとにクラウドを使い分けることは容易ではない。本研究では、アプリケーション実行環境を一度作れば、どんなクラウド上でも実行できる(「Build Once, Run Everywhere」)という設計思想による仮想クラスタ型計算機の実現に向けて、EthernetやInfiniBandといった異なる通信インタフェースをもつクラスタ計算機間での仮想計算機ライブマイグレーション機構を実現した。さらにその成果の一部をプライベートクラウドAIST Super Green Cloudに適用し、その実用性を確認した。本研究は、EthernetやInfiniBandといった異なる通信インタフェースをもつクラスタ計算機を接続し、その上でクラスタ計算機を跨ぐ仮想計算機マイグレーションを実現し、アプリケーションプログラムからすべてのクラスタ計算機が透過的に扱えるようにし、かつ計算機環境の変化に適応して最大の通信性能を達成する性能可搬性を実現することを目的とする。3年計画の2年目にあたる平成25年度は、昨年度開発した仮想計算機マイグレーション技術を発展させ、異なる通信インタフェースをもつクラスタ計算機を跨ぐマイグレーション機構Ninja migrationを新たに設計、開発した。本技術により、昨年度実現した仮想クラスタ環境における高性能I/Oに加えて、アプリケーションの実行を止めることなく、要求性能やコストを基準に、実行環境を選択、移行する自由度が高まった。これはクラウド環境における柔軟な運用やディザスタリカバリに資する機能である。本成果について、2013年5月に米国ボストン市で開催された国際会議IEEE IPDPS 2013併設のHigh-Performance Grid and Cloud Workshop、国際論文誌IEICE Transactions on Information and Systemsにて発表した。本機構の普及、展開の一環として、クラウドミドルウェアApacheCloudStackへのPCIパススルーおよびSR-IOV対応を開発し、さらに産総研内のプライベートクラウドにおける利用に向けて準備を進めている。本成果について、2014年2月にタイ国プーケット市で開催された国際会議ICOIN 2014、および同年3月にタイ国バンコク市で開催されたICT-ISPC 2014で発表した。なお後者の論文はBest paperawardを受賞した。本研究は、EthernetとInfinibandなどそれぞれ異なる通信インタフェースによって接続されたクラスタ計算機を跨ぐ仮想計算機マイグレーションを実現し、アプリケーションプログラムから透過に、かつ計算機環境の変化に適応して最大の通信性能を達成する性能可搬性を実現することを目的とする。平成24年度は、高性能計算分野でデファクトとなっているMPI (Message Passing Interface)プログラムを対象にシステムの概要設計を行い、InfinibandをPCIパススルーで用いた場合のライブマイグレーション機能を仮想計算機モニタKVM上に設計、実装した。PCIパススルーを利用することで仮想計算機でも物理計算機に匹敵する通信性能を得られていたが、従来技術では仮想計算機をマイグレーションすることができなかった。本技術を用いることで、PCIパススルーの性能上の利点を損なうことなく、マイグレーションおよびチェックポイント・リスタートが可能となった。これには、高性能計算分野など、高性能と耐故障性の両立が必要となる分野においても仮想化技術が適用可能になるという意義がある。本成果について、2012年10月に米国シカゴ市で開催された国際会議IEEE eScience 2012にて発表した。さらに、本技術をディザスタリカバリ対策に応用することを検討し、大規模災害時でも遠隔地に仮想計算機をマイグレーションすることで、サービスを継続するための技術を開発し、その予備評価を行った。本成果について、2013年3月タイ国バンコク市で開催された国際ワークショップPRAGMA 24にてポスタ発表を行った。高性能計算など様々な用途でクラウドの利用が拡大しているが、クラウドで広く用いられる仮想化された計算機環境は、従来の物理クラスタと同等の性能を得ることが難しいという課題を抱えている。3年計画の最終年度となる平成26年度は、これまで研究開発した仮想計算機マイグレーション技術の実用化および普及を図った。まず、昨年度開発した異なる通信インタフェースをもつクラスタ計算機を跨ぐマイグレーション機構Ninja migrationの完成度を高め、オープンソースソフトウェアとして公開した。また、本機能の一部をクラウドミドルウェアとして普及が進むApache CloudStackへ実装し、産総研内のプライベートクラウドAIST Super Green Cloud (ASGC)における運用を開始した。また、ASGC上で動作する仮想クラスタを必要に応じてAmazon EC2でも再構築できるようにした。これによりユーザはInfiniBandの高い入出力性能を損なうことなくクラウド環境の利便性を享受できるようになった。本成果について、2014年12月にシンガポールで開催された国際会議IEEE CloudCom 2014、および2015年3月に台湾で開催された国際会議ISGC 2015で発表した。

オペレーティングシステム当初の予定通り異種のデバイスを有するクラスタ間でのマイグレーション機能(Ninja migration)を設計、実装した。資源管理システムとの連携として、当初はGridARSを想定していたが、産総研所内のプライベートクラウドでの利用を検討した結果、Apache CloudStackを選択した。Ninja migrationとCloudStackとの連携方法を設計し、その実現に必須となる、PCIパススルーおよびSR-IOV対応をCloudStackに実装した。また、国際論文誌1本、国際会議3本、国内会議1本と想定以上の成果を出すことが出来た。当初の計画通り、仮想計算機モニタKVMとゲストOS内のOpen MPIシステムを連携させることで、InfinibandデバイスをPCIパススルーで用いた場合のライブマイグレーション機能を実現した。さらに研究を前倒しで進めるために、産総研所内のPCクラスタ計算機を用いて平成25年度に計画していた仮想クラスタマイグレーション機構も開発した。その研究成果について、国際会議IEEE eScience 2012で発表した。また、当初予定していなかったディザスタリカバリ対策としての応用について検討、予備評価することができた。CloudStackで管理されるプライベートクラウド環境上でNinja migrationを実現する。さらに、外部の商用クラウドもしくは広域網を模擬したクラスタ環境への、仮想クラスタマイグレーションの性能評価を行い、システム全体としての評価を行う。本年度開発したマイグレーション機能を拡張し、EthernetやInfinibandなど、異なる通信デバイスを有する計算機クラスタ間における仮想計算機マイグレーションを実現する。その成果について国際会議などで発表を目指す。さらに、実用性の向上を図るため、CloudStackなどクラウド管理ミドルウェアと連携機構を開発し、ディザスタリカバリなどのユースケースに沿った仮想クラスタマイグレーション技術の開発を行う。昨年度7月における人事異動により、1年間は海外出張が難しくなったため、予定していた研究動向調査を実施できなかった。また、評価実験を産総研所内のクラスタを用いて行ったため、追加のサーバ購入を見送った。
低圧低酸素および寒冷環境に対する循環調節系の適応反応とその多型性

本研究は、低圧低酸素環境と低温環境という全く異なる循環調節反応が必要な環境下において、個人による循環系の調節反応の違いとその生理的メカニズムついて検討するとともに、循環調節関連の遺伝子型と循環調節反応の関連性について検討することで、生理メカニズムの個人差や遺伝子変異に基づいた、循環調節反応における多型性を解明することを目的とした。平成30年度に実施予定であった寒冷時の循環反応評価実験のための環境制御のテストを繰り返し、プロトコルを確定した。その確定したプロトコルに従って健康な成人男性12名を対象に寒冷時の循環反応評価実験を実施した。寒冷時の循環反応評価実験について、気温約28°C、湿度50%に制御した人工気候室でTシャツ、短パンを着用した被験者に計測器具を貼付し、仰臥位安静を約60分保った後、90分間かけて気温を28°Cから15°C程度に低下した。その際、皮膚温、深部温、心電図、血圧、末梢皮膚血流量を測定した。また、気温低下直前、気温低下後90分目に唾液を採取した。また、生活習慣調査、遺伝子発現検査を実施した。生活習慣調査では、食生活および運動習慣を自記式にて調査した。遺伝子発現解析については、唾液からRNAを抽出後、発現レベルの解析を行なった。すべての生理測定項目および循環調節関連の遺伝子型については、現在解析中である。また、次年度以降に実施予定の低圧低酸素実験、および低圧低酸素+気温低下実験のプロトコルを決定し、プロトコルどおりに環境制御が可能かどうかについて、実際に人工気候室を用いて、テストを行った。低圧低酸素環境は問題なく制御可能であったが、低圧低酸素に気温低下を加えた条件では、予定したプロトコルでは設定時間内に制御が困難であったため、今後改良を加えて確定する。本年度予定していた遺伝子型の解析は予算の関係上、次年度以降に実施することとなったが、当初予定していた実験を行うことができた。また、次年度以降に予定している実験について、実験プロトコルどおりの環境制御が可能かの人工気候室の制御テストを複数回実施することができたため、一部は事前に実験プロトコルを確定できた。以上のことから概ね順調に進展しているを判断した。今後は、当初計画していた低圧低酸素環境下での実験および低圧低酸素に気温低下を加えた複合環境下での実験を行う。低圧低酸素環境の制御手法は、本年度に確定できたため、予定通りに実施する。低圧低酸素に気温低下を加えた環境の制御については、今後改良を加えて実験プロトコルを確定していく。
ガス増幅を用いた光検出器の開発

1テスラという高磁場中でも稼働する光検出器を、より安価に大型化して製作することを目指して、ガス増幅型の光電子増倍管(GasPMT)の開発を行った。可視光領域の光に感度を持たせるためにバイアルカリの光電面を製作し、Ar/CH_4=90/10の混合ガス中で600日間放置したが、量子効率に大きな変化は見られなかった。また1.5テスラの高磁場中でも信号が得られることも確認できた。しかし、GasPMTの製作段階でガス増幅に使用するGEMの材質によって、光電面が著しく劣化することが判明した。これまで一般的に使用されていたカプトン製のGEMは使用できず、Pyrexガラスを用いたGEMを製作することにした。ガラスGEMの製作方法としてサンド・ブラスティング(マイクロ・ブラスティング:MB)法を用いることにした。MB法で製作されたGEMによるガス増幅率は、ガラスキャピラリーで製作さたGEMと同じ性能を有することがわかった。こうして製作されたGEMをバイアルカリ光電面と組み合わせてGasPMTを製作し、試験を行った。その結果、ガス増幅率GがGEMに印加された電圧Vに対してG∝V^αという関係から大きく逸脱することがわかった。これはイオン・フィードバックと呼ばれる現象によるもので、ガス増幅中に生成されたイオンが光電面を叩き余分な電子が生成されることで生じる。この現象を抑制しなければ得られる電気信号が不安定となる。この現象を理解するためにシミュレーションによりイオンの運動を調べたところ、Micromegasと呼ばれる金属メッシュを入れることでイオン・フィードバックが抑制されることがわかった。GEMとMicromegasを組み合わせて様々なGasPMTを製作した。2段のGEMとMicromegasを組み合わせたGasPMTでイオン・フィードバックがかなり抑制されることがわかった。また、大きなイオン・フィードバックがあると光電感度も劣化することも分かってきた。そのため、GasPMTの実用化には、よりイオン・フィードバックを抑制する方法を考案する必要がある。ガス増幅を用いた光電子増倍管を開発するに当たって、1)ガス中で高い量子効率を有する光電陰極の製作、2)10^6以上の高ゲインを有し、且つ、photon-feedback、ion-feedbackが問題にならないような構造であること、3)長期に安定した動作が得られること、などが重要な要素となる。これらを念頭に置きながら以下の項目に関して開発を進めた。(1)電場計算プログラムによる検出器の構造設計電場計算プログラム(GarfieldとMaxwell)を用いて、最適な電子増幅を得るために必要なキャピラリーやGEMの厚さ、細孔の径などのパラメーターを決定した。光電子がGEMの細孔に収集される効率が最大になるような、電極構造を設計した。(担当:門叶)(2)GEMのみの場合とGEM+MicroMegasの場合の安定性の比較(1)の設計に従い、数種類のGEMを調達した。GEMの厚さに関しては、50μm、100μmの2種類を用意した。また材質に関しても、ポリイミド、LCDなどを用いて試作しその違いを調べた。ガス増幅部として、a)GEMを3層用いた場合、b)GEM2層+MicroMegas1層、c)GEM1層+MicroMegas2層、の3パターンのものを製作し、それぞれのゲイン、長期安定性などを調べた。いずれの場合も、印加電圧を最適化することにより10^6以上のゲインが得られることが判った。

(3)真空中でのトランスファー技術を用いての組み立てトランスファー技術を用いて、ガス光電子増倍管を試作した。光電陰極としてCsIを用いたものは比較的安定した動作が得られたが、バイアルカリを光電面に使用したときには、量子効率の大きな劣化が見られた。この劣化の原因を解明し、対策を講じることが今後の課題となっている。昨年度に引き続き、ガス増幅型光電子増倍管(GasPMT)の経時安定性に関しての研究を進めた。キャピラリーの素材、細孔の形状、使用するガスの種類などを変えて、検出効率の経時的安定性を測定した。これまでの研究で、Micromegasと呼ばれるメッシュのみを増輻部に用いたGasPMTでは長期の安定性が得られているが、GEMなどの細孔部でガス増幅を行うGasPMTでは短期間での劣化が観測されている。条件を変えたGasPMTの試作品を多数製作し、現在も長期安定性の試験を継続して行っている。安定性にはイオンフィードバックと呼ばれる、ガス増幅中に生成された陽イオンが光電陰極に衝突する現象が影響していると思われる。このイオンフィードバックを抑制するメカニズムとしてGEMなど細孔を有するガス増幅部が有効であると考えられてきたが、測定結果はそれを否定している。これは新しい知見であり、今後、GasPMTの構造を考える上で、重要な要素となる。また安定性は使用するガスに依存することも考えられ、フォトンフィードバックの問題はあるものの、希ガスのみを用いたGasPMTの試験を行う必要があると考えられる。またGEM型GasPMTの時間特性、波高分解能そして高磁場中での特性など、基本的な性能を評価した。時間特性に関しては立ち上がり15nsが得られ、通常の真空型の光電子増倍管には劣るものの、十分な性能が得られることが分かった。137Csからのγ線をNaIに照射し、そのシンチレション光を計測して、波高分解能15%(FWHM)が得られた。磁場に関しては、管軸方向に1.5Teslaの磁場をかけ、磁場なしの場合との相対的な波高の比較を行った。その結果、1.5Teslaの高磁場中でも約75%の波高が得られており、これまで高磁場中で用いられてきたFineMesh型の光電子増倍管に比べても、十分に高い性能が得られることが分かった。
HE、蛍光免疫染色、FISH法のWSI解析の発展及びホジキンリンパ腫研究への応用

第43回日本骨髄腫学会で多発性骨髄腫(MM)におけるCCND1、MMSET、MAF遺伝子再構成に関し発表した。MMのIGH-CCND1、IGH-FGFR3、IGH-MAF遺伝子再構成検出にFFPE組織の利用は臨床的に有用である。FFPE組織FISH法で遺伝子再構成が同定でき、FFPE切片の免疫染色(IHC)で遺伝子再構成が検出できるかを確認した。[1]目的のIHCを施行し、cut off値を決定した。CCND1、FGFR3、MAFのIHCのcut off値、感度は各々5%、100%、100%;10%、95.0%、96.0%;10%、90.0%、98.3%であった。[2]遺伝子変異未検索MM例のFFPE組織で目的のIHCを実施し、各々の遺伝子再構成に対する組織FISH法を行った。IHCの感度、特異度はCCND1で100%、97.5%、FGFR3で90.9%、98.9%、MAFで100%、100%であった。以上からFFPE組織FISH法で遺伝子再構成は良好に同定でき、IHCも有用であった。第107回日本病理学会でETV6-RET融合遺伝子陽性唾液腺分泌癌例に関し発表した。分泌癌ではETV6遺伝子はNTRK3遺伝子と、一部症例ではNTRK3以外の遺伝子と転座を形成する。我々はETV6-NTRK3融合遺伝子陰性分泌癌症例でETV6-RET融合遺伝子をFFPE標本RT-PCR法で同定した。第58回日本リンパ網内系学会でMAFB遺伝子再構成陽性多発性骨髄腫例に関し発表した。IGH-MAFB遺伝子再構成骨髄腫例は化学療法で完全寛解したが、脳生検で再発が確認されたため全脳照射と化学療法を追加したが、死亡となった。脳生検の腫瘍染色体分析とFFPE組織FISH法でMAFB遺伝子分離が、IHCでMAFB発現が認められ、MAFB遺伝子再構成陽性骨髄腫では組織FISH法と免疫染色が有用であった。(1)Sequential FICTION-WSI法: HE染色・蛍光免疫染色・FISH法の組織全体画像をコンピュータ上で重ね合わせ、形態・蛋白発現・遺伝子異常を細胞レベルで観察し、組織全体に亘る細胞解析を安定して試行することには専用ソフトウェア実用化に成功している。(2)同一切片における蛍光免疫染色の複数回試行:蛍光免疫染色は安定しているが、同一切片を用いたFISH法の複数回試行については解析可能回数に限界が生じているため実験プロトコールの見直しや改善を行うことにより解析可能回数の増加を図る予定である。(3)IN Cell AnalyzerやInvestigator (GE社)による蛍光免疫染色やFISH法の自動解析:解析ソフトウェアは実用化しているが、自動解析ソフトウェアの実用化には制限が生じている。DAPI蛍光の輝度差を利用して核を認識し、その大きさと真円率などのパラメーターから対象とする核(腫瘍細胞、非腫瘍細胞)を選別することは成功している。また、指定した蛍光の輝度差を利用し、蛍光免疫染色における細胞質や核のシグナルを識別、核の蛍光の重なりを判定、対象とする核を持つ細胞の細胞質や核シグナルを判定することも概ね成功している。しかしながら、核シグナルの識別に際し、シグナルが核内に存在するかの認識、各ドットのピクセルの最適化、2つのシグナルの重なりの認識の調整に取り組んでいる最中である。以上から蛍光免疫染色画像とFISH画像とをコンピュータ上で重合し、蛍光免疫染色で検出した細胞にFISH法で検出した遺伝子異常が存在するかを解析する自動ソフトウェアの開発に成功しつつあるが、改善が必要な段階である。(1)複数回蛍光免疫染色・複数回FISH法について:病理標本の固定状態にも左右されるが、3回はFISHシグナル検出可能な状況である。但し、4回以上に関してはFISHシグナルが安定しないため、多重染色の導入を検討する予定である。(2)解析ソフトウェアの開発について:症例毎に設定の微調整を行えばFISHシグナルの解析は可能である。しかしながら、多数症例をバッチ処理対応できない場合においては症例毎にソフトウェアのアルゴリズムを最適化させ、解析速度を高めていく予定である。(3)組織アレイ・スライドへの応用について:蛍光免疫染色については満足のいく結果が得られているが、FISH法については組織間において最適性のばらつきが観察される。前記に対しては前処理プロトコルの最適化、複数回の前処理施行などで対応する。(4)ホジキンリンパ腫およびその微小環境解析について:使用抗体の選択、蛍光2次抗体の最適化、FISHプローブの再設計、多重プローブ化を行い、ホジキン細胞を正確に同定し、遺伝子・染色体異常の解析を行う予定である。具体的にはCD30陽性を示すホジキン細胞を蛍光染色で正確に同定し、それらの細胞におけるPD-L1遺伝子やIgH遺伝子の状態を解析する予定である。多形腺腫の各組織成分が腫瘍性か非腫瘍性かは不明であり、それらの腫瘍性を明らかにするため組織全体の細胞に対して腫瘍発生関連のPLAG1遺伝子転座の有無を我々の開発したsequential FICTION-WSI法で解析した(Virchows Arch 2016;469:575-580)。そして多形腺腫では多様な細胞でPLAG1遺伝子転座が形成され、腫瘍細胞が様々な形態に分化していることが細胞レベルで明らかとなった。

以上を第106回日本病理学会総会にて「Sequential FICTION-WSI法を用いた多形腺腫細胞のclonality解析」の標題で発表した。多発性骨髄腫と関連するt(4;14)やt(14;16)の転座が検出されることは臨床的に有用であるためパラフィン切片を用いた組織FISH法で前記転座が検出可能かを検討した。特に形質細胞数の少ない症例ではHE染色、CD138免疫染色、FISH法を連続して行うsequential FICTION法を用いた。そして多発性骨髄腫と関連するt(4;14)やt(14;16)の転座はパラフィン切片による組織FISH法で正確に検出することが可能と判明した。以上を第42回日本骨髄腫学会にて「t(4;14)とt(14;16)転座に対するパラフィン組織を用いた組織FISH法の有用性」の標題で発表した。唾液腺intercalated duct lesionは稀な唾液腺病変であるが、腫瘍か過形成かが明らかとなっていない。よって次世代シーケンサーで遺伝子異常を解析したところ、病変と関連する遺伝子異常は検出されなかった。以上を第62回日本唾液腺学会にて「免疫染色により確定診断された唾液腺intercalated duct lesionの1例」の標題で発表した。(1)Sequential FICTION-WSI法: HE染色・蛍光免疫染色・FISH法の組織全体の画像をコンピュータ上で重ね合わせ、形態・蛋白発現・遺伝子異常を細胞レベルで観察し、組織全体に亘る細胞解析を安定して試行することには概ね成功している。(2)同一切片における蛍光免疫染色の複数回試行:蛍光免疫染色は安定しているが、同一切片を用いたFISH法の複数回試行については解析可能回数に限界が生じているため実験プロトコールの見直しや改善を行っていく予定である。(3)IN Cell AnalyzerやInvestigator (GE社)による蛍光免疫染色やFISH法の自動解析:解析のみのソフトウェアの開発には目途が立ちつつあるが、自動解析ソフトウェアの開発には若干難渋している。DAPI蛍光の輝度差を利用して核を認識し、大きさ、真円率などのパラメーターから対象とする核(腫瘍細胞、非腫瘍細胞)を抽出することは成功している。また、指定した蛍光の輝度差を利用し、蛍光免疫染色における細胞質や核のシグナルを認識、核の蛍光の重なりを判定、対象とする核を持つ細胞の細胞質や核シグナルを判定することも目途がついている。一方で核シグナルを認識するにあたりシグナルが核内に存在するか認識し、各ドットのピクセルを最適化させ、2つのシグナルの重なりを調整させることに難渋している。以上から蛍光免疫染色画像とFISH画像とをコンピュータ上で重合し、蛍光免疫染色で検出した細胞にFISH法で検出した遺伝子異常が存在するかを解析する自動ソフトの開発には至っていない。第43回日本骨髄腫学会で多発性骨髄腫(MM)におけるCCND1、MMSET、MAF遺伝子再構成に関し発表した。MMのIGH-CCND1、IGH-FGFR3、IGH-MAF遺伝子再構成検出にFFPE組織の利用は臨床的に有用である。FFPE組織FISH
トランジェント-トラッピング法と質量分析検出による生体試料の高性能電気泳動分析

キャピラリー電気泳動.質量分析法に,当研究室で開発したオンライン試料濃縮法であるトランジェント-トラッピング法を組み合わせることで,生体試料の電気泳動分析における分離能の向上と高感度化を同時に実現した。研究実施計画に基づき,平成22年度はトランジェント-トラッピング(tr-trapping)法と質量分析検出による生体試料の高性能電気泳動分析の実現を目指した基礎的検討を行った。生体試料のキャピラリー内壁への非特異的吸着による分析再現性および濃度感度の低下を防ぐため,フューズドシリカシリカキャピラリー内表面をpoly(vinylpyrrolidone)(PVP)を用いて修飾したところ,ペプチド類のピークのテーリングが抑制され,再現性の良い分析が可能となった。また,PVP修飾キャピラリーを用いてブラジキニンのtr-trapping-ミセル動電クロマトグラフィー(tr-trapping-MEKC)分析を行ったところ,通常のキャピラリーゾーン電気泳動(CZE)分析と比較して,ピーク強度で230倍,検出下限で320倍の高感度化が達成された。続いて,アンジオテンシン類の高感度分析を試みた。PVP修飾キャピラリー内に試料溶液・界面活性剤ミセル溶液をそれぞれ600sおよび150s導入後,分離電圧を印加した際には,アンジオテンシン類の良好な分離と,一般的なMEKC分析と比較して380700倍のピーク強度の向上が同時に達成された。以上の結果から,tr-trapping-MEKCによる生体試料の高感度分析の実現が示唆された。さらに,質量分析(MS)検出との接続を目指して,泳動液をリン酸塩緩衝液から揮発性のあるギ酸アンモニウム緩衝液に変更しても,tr-trapping-MEKC分析が可能であることが確認された。ミクロスケール電気泳動-質量分析法(CE/MCE-MS)へのトランジェント-トラッピング法の適用と,生体試料分析への展開をめざし,(1)MS検出に適用可能なオンライン試料前処理法の開発(2)電気浸透流(EOF)抑制下でのCE/MCE-MS分析条件の最適化とトランジェント-トラッピング法との結合による高感度化,(3)分離モードの拡張についてそれぞれ検討を行った。(1)可能な限り簡便な生体試料分析を実現するために,CE/MCE-MSにおける試料の前処理について検討した。マイクロチップ電気泳動(MCE)において,界面活性剤を含む泳動液で満たされた分離チャネルにリン酸緩衝生理食塩水で希釈した血液を導入したところ,赤血球は界面活性剤により溶解され,有色成分が泳動する様子が明視野にて観察された。このことから,トランジェント-トラッピング法で部分的に注入するミセル溶液ゾーンを用いてキャピラリー内で溶血することで,血液試料の直接導入が可能な電気泳動分析法の実現が示唆された。(2)生体試料の非特異的吸着を抑制するためにキャピラリー内表面を親水性かつ中性のポリマーで修飾することで,ミクロスケール電気泳動分析における送液の駆動力であるEOFも抑制される。しかしながら,0.5psi程度のわずかな圧力補助によって,安定なCE-MS分析が可能であることを見出した。また,MCEについても,EOF抑制条件下での安定なESIを実現するため,シース液用流路を分離チャネル末端に配置したMCE-ES1を開発した。続いて,CE/MCE分析法へのトランジェント-トラッピング法の適用について検討した。MS装置への界面活性剤の混入による装置の汚染・感度低下を防ぐために,ミセル溶液ゾーンの見かけの移動速度が負となるような実験条件を模索した。その結果,低pH条件において,界面活性剤のMSへの混入防止と,トランジェント-トラッピングによる濃度感度および分離能の向上が可能であることが,それぞれ示された。これをステロイド類の分析に適用したところ,120-340倍の高感度化と分離能の向上が同時に達成された。(3)生体内においてタンパク質などが有する特異的認識能に基づく相互作用を利用して試料の選択的分離を行うアフィニティCE分析をMS検出およびトランジェント-トラッピング法と組み合わせるために,アルギン酸とカルシウムの混合によるヒドロゲル化を利用した新規アフィニティ分子固定化法を開発した。本技術により,不揮発性のアフィニティリガンドのMS装置への混入による装置汚染や,試料のイオン化効率の低下を抑制可能となった。
可変位相補償器の大域的最適設計と高安定性保証

ディジタル信号処理システムの位相特性は線形位相特性と非線形位相特性に分かれる。もし位相特性が非線形であれば、信号処理における信号処理後、又はディジタル通信における信号伝送後の波形歪が発生し、元の信号波形を忠実に伝送したり、信号波形を維持したまま処理したりすることは不可能である。このような波形歪みの問題を解決するため、位相補償器を設計し、元の非線形位相システムに接続すれば位相補償を行うことができる。本補助事業(3年間)の研究では、全域通過型固定位相補償器と全域通過型可変位相補償器の様々な最適設計法をを開発した。研究の段取りとしては、まず固定位相補償器の様々な設計法を開発し、計算機シミュレーションを通してこれらの設計法の有効性を確かめた。これは固定位相補償器の設計は可変位相補償器の設計の基礎となるためである。次に、固定位相補償器の設計法を可変位相補償器の設計法開発への拡張を試み、可変位相補償器の設計法も開発した。まとめると、この3年間の主な研究成果は以下のようになる。1全域通過型位相補償器の様々な周波数応答誤差関数を導出し、これらの誤差関数に基づき、線形計画、2次錘計画、回転2次錘計画、非線形数理計画などの最適化法を駆使し、固定位相補償器の様々設計法を開発し、計算機シミュレーションを通してこれらの設計法の位相補償への応用の有効性を確認した。2開発した固定位相補償器の設計法を可変位相補償器の設計法開発へ拡張し、繰り返しと非繰り返し線形計画法による可変位相補償器の設計法を開発して計算機シミュレーションでこれらの設計法の有効性を実証した。3位相補償器に一定の安定余裕を持たせるため、一般化安定三角形の新しい導出法を開発し、一定安定余裕をもつ2次固定位相補償器の最適設計法の定式化を行い、計算機シミュレーションを用いてこれらの設計法の有効性を確認した。非線形位相特性をもつディジタル通信回路は通信信号の波形を歪めてしまい、通信品質の劣化をもたらす。本研究の目的は通信回路の非線形位相特性を補償できる可変位相補償器の最適設計を行うことである。可変位相補償器の数学モデルとして、全域通過型フィルタの伝達関数を用いる。可変位相補償器を開発できれば、それを非線形位相通信路に接続して、通信路全体の位相特性を線形化して、通信信号の波形歪みを無くすことができ、高品質な波形伝送を可能にする。平成28年度の研究では、主に固定位相特性をもつ全域通過型伝達関数を用いて従来の設計法より精度の高い全域通過型位相補償器の最適設計法の開発に重点を置き、研究を進めた。高精度の固定位相補償器を設計できれば、その設計法を可変なものに拡張でき、高精度の全域通過型可変位相補償器を開発することが可能になる。平成28年度の研究では、全域通過型伝達関数に基づき、主に以下のような全域通過型位相補償器の設計法を開発した。1.全域通過型位相補償器の周波数応答の誤差関数に基づき、複素型2次錘計画法による固定位相補償器の設計の定式化を行い、設計例を用いてその有効性を確認した。2.従来の線形計画法に基づく非繰り返し設計法を改善するため、線形計画法から得られた設計結果を初期値として使い、更に非線形計画法を適用する2段階数理計画法による設計法を開発し、全域通過型固定位相補償器の設計精度の向上を確認した。3.周波数応答の誤差関数のLpノルムの最小化に基づく設計法では、自然数pが大きい値を取る必要があるが、pの値をいきなり大きい値にすると、設計アルゴリズムが収束せず、発散してしまう。この発散問題を開発するため、pの値を少しずつ増やす必要がある。従来のLpノルムに基づく設計法を改善するため、pの新しい増加法を提案し、全域通過型固定位相補償器の設計精度の向上を確認した。全域通過型固定位相補償器の設計は全域通過型可変位相補償器の設計の基本であるため、平成28年度(初年度)の研究では、主に全域通過型固定位相補償器の設計法の改善を図った。この基礎研究では、様々な改善法を開発し、設計例を用いてそれぞれの改善法の有効性を確認した。ディジタル信号処理及びディジタル通信等の分野において、もしディジタルシステムの位相特性が非線形ならば、信号処理後または信号伝送後の信号波形が歪んでしまい、信号波形の忠実度が保たれない。このような信号波形歪みを無くすため、位相補償器による位相補償が必要となる。本研究の目的は高性能・高安定性をもつ全域通過可変位相補償器を設計することである。平成29年度の研究では、全域通過型フィルタの伝達関数を用いて固定位相補償器と可変位相補償器の最適設計法を行った。本研究の最終目的は高精度・高安定性の可変位相補償器を設計することであるが、固定位相補償器の設計は可変位相補償器の設計の基礎となるため、まず固定位相補償器の設計法を開発してからその設計法を更に可変位相補償器の設計への拡張を試みる。平成29年度の研究では、主に以下の位相補償器の設計法を開発した。1.全域通過型位相補償器の周波数応答誤差関数に基づき、繰り返し2次錘計画法による固定位相補償器の設計を行ってから更に非線形数理計画法を導入して、2段階数理計画法による設計法を開発した。2.全域通過型伝達関数に基づく双線形位相誤差式を用いて線形計画法(LP)による固定位相補償器の設計法を開発した。この設計法においては、如何に非線形制約条件を線形制約条件に近似するかが重要である。

3.全域通過型システムの周波数応答誤差式の分母を線形正関数で近似し、固定位相補償器の設計問題を2次錘計画問題の実行可能性検査問題に帰着させる設計法を開発した。4.分子が実関数である周波数応答誤差式を導出し、LP法による可変位相補償器の最適設計法を開発し、数値例を用いてその設計精度と安定性保証を確認した。平成29年度の研究では、ほぼ予定通りに、全域通過型システムの周波数応答の線形分数(双線形)誤差関数式を用いて固定位相補償器のLP設計法と可変位相補償器のLP設計法を開発した。更に、全域通過型システムの周波数応答の誤差関数式(複素誤差関数式)を用いて2次錘計画による繰り返し設計法と2次錘計画問題の実行可能性検査による設計法を開発した。ディジタル信号処理システムの位相特性は線形位相特性と非線形位相特性に分かれる。もし位相特性が非線形であれば、信号処理における信号処理後、又はディジタル通信における信号伝送後の波形歪が発生し、元の信号波形を忠実に伝送したり、信号波形を維持したまま処理したりすることは不可能である。このような波形歪みの問題を解決するため、位相補償器を設計し、元の非線形位相システムに接続すれば位相補償を行うことができる。本補助事業(3年間)の研究では、全域通過型固定位相補償器と全域通過型可変位相補償器の様々な最適設計法をを開発した。研究の段取りとしては、まず固定位相補償器の様々な設計法を開発し、計算機シミュレーションを通してこれらの設計法の有効性を確かめた。これは固定位相補償器の設計は可変位相補償器の設計の基礎となるためである。次に、固定位相補償器の設計法を可変位相補償器の設計法開発への拡張を試み、可変位相補償器の設計法も開発した。まとめると、この3年間の主な研究成果は以下のようになる。1全域通過型位相補償器の様々な周波数応答誤差関数を導出し、これらの誤差関数に基づき、線形計画、2次錘計画、回転2次錘計画、非線形数理計画などの最適化法を駆使し、固定位相補償器の様々設計法を開発し、計算機シミュレーションを通してこれらの設計法の位相補償への応用の有効性を確認した。2開発した固定位相補償器の設計法を可変位相補償器の設計法開発へ拡張し、繰り返しと非繰り返し線形計画法による可変位相補償器の設計法を開発して計算機シミュレーションでこれらの設計法の有効性を実証した。3位相補償器に一定の安定余裕を持たせるため、一般化安定三角形の新しい導出法を開発し、一定安定余裕をもつ2次固定位相補償器の最適設計法の定式化を行い、計算機シミュレーションを用いてこれらの設計法の有効性を確認した。今後の研究では、主に以下の幾つかの研究課題を重点に置き、本研究を進めて行く。1.従来導出した線形分数誤差関数に基づき、線形計画法による設計法を改善し、固定位相補償器の精度向上を目指す。2.従来の非繰り返し回転錐計画法に基づく設計法の改善策を検討し、固定位相補償器の更なる精度改善を目指す。3.固定位相補償器の安定性に一定の余裕度を持たせる安定余裕三角形を導出し、それに基づく固定位相補償器の設計法を開発する。4.上記の各設計法を可変位相補償器の設計に拡張する。今後の研究においては、主に以下の幾つかのポイントを重点に置き、本研究を推進して行く。1.線形分数誤差関数に基づき、LP設計法の更なる改善法を開発し、固定位相補償器と可変位相補償器の精度向上を目指す。
コンピュータ支援人工膝関節置換術の精度向上のための超音波装置の開発と臨床応用

1、目的:コンピュータ支援人工膝関節置換術における、解剖学的参照点入力時の人為的誤差軽減の為の超音波探触子と3次元電磁センサを用いた新たな支援システムを構築すること。2、研究結果:超音波探触子表面にナノテクノレジンを接触媒質として新たに加え、比較的薄い軟部組織を介した皮膚表面からの骨表面導出での、超音波の乱反射や反射波と送信波の重畳などの技術的問題を解決した。3次元電磁センサ設置可能な超音波探触子台座を作成し、屍体を用いて膝関節の運動測定を行った。膝関節運動の定義に必要な解剖学的参照点を新たな装置を用いて皮膚上から入力した場合と、参照点部分の軟部組織を除去して直接骨表面より直接入力した場合における膝関節運動値の比較を行った。新たな装置を用いて骨表面の3次元位置情報の取得は安定して可能となった。非侵襲条件下の皮膚上から取得した参照点データによる膝運動計測も可能となり、その精度は骨表面から直接入力した実測値と比較しても臨床的に応用可能な誤差範囲に収まった。3、本研究の意義:コンピュータ支援手術は人工膝関節置換術の手術精度向上の為に今後普及すると考えられるが、解剖学的参照点入力時のヒューマンエラーがその精度の大きな問題であった。本研究により超音波を用いた非侵襲条件下での皮膚上からの参照点の取得技術が確立され、今後のコンピュータ支援人工膝関節置換術の手術精度の向上に寄与すると考えられる。また、本研究による超音波を用いた骨表面の3次元位置情報の取得技術は、今後、整形外科手術においては脊椎や股関節、骨折等のコンピュータ支援手術にも応用可能と考えられた。目的:コンピュータ支援人工膝関節置換術における、解剖学的参照点入力時の人為的誤差軽減の為の超音波探触子を用いた支援システムを構築すること。本年度は以下の目的に研究を進めた。(1)皮膚表面より骨表面形状取得に適した超音波探触子の開発(2)超音波デバイスと3次元電磁センサ技術を用いた骨表面3次元形状の取得。実験:(1)1MHzから10MHzまでの複数の探触子を用意し、屍体膝の大腿骨内外上顆周囲を対象とした比較実験を行った。(2)3次元電磁センサ設置可能な超音波探触子台座を作成した。台座の位置・姿勢をリアルタイムに取得することで、探触子から送信される超音波の3次元空間上におけるビーム路程を求めた。ビーム路程データとその第一反射波を120Hzで取得し、その反射波位置を組み合わせることで大腿骨内外上顆付近の骨表面3次元形状を求めた。取得データの精度を確保するために大腿骨側にK-wireを用いて直接3次元電磁センサを設置した。骨表面形状を電磁センサ付プローブで実測し超音波取得データの精度検証に用いた。結果:(1)0.8-3MHzの広帯域超音波探触子が皮膚表面より大腿骨表面及び裏面からの反射波をより正確に捉える事に適していた。(2)入射波と第一反射波までの時間より距離を求め、電磁センサ情報より第一反射波の位置を3次元空間上でつなぎあわせることで大腿骨内上顆付近の骨表面形状を構築したところ、実測値との誤差は1.0mm以内であった。目的:前年度にて以下の初期的技術開発を行った。しかし、種々の条件下で再現実験を行うと、軟部組織が薄い場合には骨表面からの反射波が超音波の送信波と重畳され分離困難な状態になる事が分かった。

そこで、本年度の目的として、軟部組織の厚さに影響されない、より再現性の高いデバイスの開発をおこなった。実験:非常に薄い軟部組織を補足するために、超音波探触子表面に一定の厚さのギャップを作成し、プローブと骨表面の距離を保つ事で反射波と送信波との重畳の回避を試みた。超音波探触子は前年度で選定した0.8-3MHzの広帯域の探触子を用いて行った。実験対象としては、屍体膝を用い、大腿骨の内外上顆周辺を計測対象とし、超音波デバイスと3次元電磁センサを用いて骨表面の形状取得を試みた。結果:ギャップの装着により、大腿骨内外上顆願周辺の軟部組織が非常に薄い部位においても反射波と送信波の重畳は回避できた。しかし、新たな課題として、超音波探触子表面にギャップを追加した事で、骨表面に垂直方向に超音波を送信することが困難なことが明らかとなり、ギャップ内での超音波の乱反射現象が生じ、反射波が探触子表面まで到達できない現象が新たに認められ、より再現性の高い計測のためには送信と受信を独立分割させた超音波探触子の開発が必要と考えられた。目的:昨年度の研究より新たな課題として、超音波探触子表面にギャップを追加した場合、骨表面に垂直方向に超音波を送信することが困難となり、ギャップ内での乱反射現象のために、反射波が探触子表面まで到達できない現象が新たに認められた。そこで、ギャップ無しでも送信波の重畳を回避し得る新たなデバイスの開発を行う。デバイス開発後には三次元電磁センサと連動する新たなデバイスを開発し、皮膚表面からの骨表面データの取得を行う。実験:超音波探触子表面にナノテクノレジンを接触媒質として新たに加え、反射波と送信波の重畳の回避を図った。次に、3次元元電磁センサと超音波探触子を融合した新たな装置を開発した。屍体を用いて膝関節の運動測定を行い、膝関節運動を定義する骨表面参照点を新たな装置を用いて皮膚上から入力した場合と、参照点部分の軟部組織を除去して直接骨表面より直接入力した場合の膝関節運動値の比較を行った。結果:新たな超音波探触子により軟部組織が薄い献体においても反射波と送信波の重畳は回避できた。次に、新たな装置を用いて骨表面の3次元位置情報の取得が安定して可能となった。非侵襲条件下の皮膚上から取得した参照点データによる膝運動計測も可能であり、その精度は骨表面から直接入力した実測値と比較しても臨床的に許容できる誤差範囲に収まった。本研究の意義:コンピュータ支援手術は人工膝関節置換術の手術精度向上の為に今後普及すると考えられる。しかし解剖学的参照点入力時のヒューマンエラーが大きな問題であった。本研究により超音波を用いた非侵襲条件下での皮膚上からの参照点の取得技術は精度向上に有用であると考えられる。
サビキン有性生殖期の昆虫誘引における宿主植物利用

サビキンは植物に絶対寄生する菌であるが、寄主利用における詳細は明らかでない。植物上で、有性生殖における配偶子運搬のために蜜を分泌して昆虫を誘引するという、植物の花のような機能において、植物をどのように利用しているのかを、化学生態学的、分子遺伝学的および形態学的手法により調べた。その結果、材料とした種では昆虫誘引における揮発性物質の役割は重要ではないこと、蜜分泌において寄主植物の花の蜜腺形成時にみられる遺伝子CRABSCLAWが精子器付近で発現していること、その一方で、蜜前駆物質はサビキン細胞内に蓄積がみられることがわかった。これらから、蜜分泌に寄主植物が関与している可能性が考えられた。ナシPyrus pyrifolia(バラ科)の花およびナシに寄生するサビキンGymnosporangiumasiaticumのペアと、センニンソウClematis terniflora(キンポウゲ科)とセンニンソウに寄生するサビキンPucciniareconditaのペアを材料に、以下の結果を得た。<揮発性成分について>寄主植物の花、寄主植物の未感染葉、およびサビキン感染部位(精子器形成部位)から揮発性物質をTwisterという吸着剤を用いて採取し、GC-MSで分析同定した。精子器部位から検出された揮発性物質は微量で、種数も少なかった。2種の精子器部位から、butanoic acidが共通して検出された。しかし、精子器部位から検出された揮発性物質の種数が先行研究と比べて相対的に少なく、セこれらのサビキンが媒介者を誘引するための誘引物質として匂いを利用している可能性は低いと考えられる。<蜜分泌について>蜜腺形成に関与するCRABSCLAW (CRC)遺伝子がサビキンの柄子蜜を分泌する精子器部位で発現しているかを調べた。RNAを抽出してcDNAを合成し、ナシおよびセンニンソウのCRC配列に基づくプライマーでPCRを行った。ナシに寄生するG.asiaticumの精子器部位ではCRC遺伝子の発現が見られた一方、センニンソウに寄生するP. reconditaの精子器部位ではCRC遺伝子の発現が検出されなかった。また、精子器部位で分泌している柄子蜜を採取し、超低温で保存しており、今後分析を行う予定である。今年度は、(1)サビキンゲノム内のCRC遺伝子の有無の確認、(2)ナシ亜科への人為接種とリアルタイムPCRによるCRC遺伝子発現の経時変化の解析、および(3)電子顕微鏡による精子器観察をおこなった。(1)前年度に、ナシの葉上に形成されたGymnosporangium asiaticumの精子器(植物組織を含む)で蜜腺形成遺伝子であるCRABSCLAW遺伝子(CRC遺伝子)の発現を確認した。この遺伝子は植物が蜜腺形成時に発現させるものであるが、G. asiaticumが進化的に植物から取り込んで保持している可能性が否定できないため、ビャクシンに感染しているG. asiaticumの冬胞子堆からDNAを抽出し、CRC遺伝子の有無をPCRにより調べた。この結果、ナシ、カリン、ボケの葉、G. asiaticumの精子器のDNA(ナシ組織を含む)ではCRC遺伝子断片の増幅が見られたが、冬胞子堆のDNAからは増幅が見られなかった。このことから、サビキンはCRC遺伝子を持っていないことが示唆された。(2) CRC遺伝子の発現がどの段階で見られるのかを解明するため、ナシ、カリン、ボケへの人為接種をおこない、密分泌に至るまでの5つのステージでリアルタイムPCRによるCRC遺伝子発現を調べた。この結果、全てのステージの精子器でCRC遺伝子の発現が見られた。また、蜜分泌最盛期よりそれ以前の方が、発現量が多い傾向があったと同時に、感染葉の精子器形成部位以外からも若干の発現がみられた。(3)透過型電子顕微鏡を用いてナシ花の蜜腺とナシ上の精子器を観察し比較した。この結果、ナシ花の蜜腺で見られるゴルジ体の発達、液胞の発達、蜜の前駆物質の蓄積、などの特徴が、精子器付近の寄主植物の細胞よりむしろ、精子器、すなわちサビキン由来と思われる細胞でみられた。サビキンの精子器にある蜜腺・発香腺を観察するため、イタドリに寄生しているサビキンの精子器の切片をプラントミクロトームで作成し、光学顕微鏡で観察した。しかし、形態学的に明瞭な腺構造が見られなかったため、センニンソウ上のサビキンのプラントミクロトーム切片をSudan Black Bで染色した。このサンプルでは胞子は観察されたが、発香腺に関しては特定できなかった。精子器の蜜腺における花蜜腺遺伝子CRCの発現をイタドリ、センニンソウ、ナシ、カリン、ヘクソカズラで調べるため、まずこれらにおけるCRC遺伝子の配列を決定した。

抽出DNAを鋳型にCRC遺伝子のユニバーサルプライマーを用いてPCRを行い、センニンソウ、ナシ、ヘクソカズラで増幅産物を得た。塩基配列決定をした。センニンソウとナシでは、それぞれキンポウゲ科、バラ科のCRC遺伝子のmRNA配列とアラインメントし、イントロンを含むようにプライマーを作成した。このプライマーを用い、センニンソウとナシの花の蕾から抽出したRNAから得たcDNAを鋳型としてPCRを行ったところ増幅が見られたことから、蕾でCRC遺伝子が発現していることが確かめられた。しかし、サビキンの感染部位からRNAを抽出したところ、蜜生産ステージでも蜜生産ステージ以外でも、CRC遺伝子の発現は見られなかった。この結果はサビキンが植物の蜜生産遺伝子を発現させているという仮説を支持しない。CRC遺伝子の発現解析では、最初に設計したプライマーではゲノムDNAを鋳型としていると思われる増幅が見られたため、イントロンをまたぐようなプライマーをいくつか試すなどをして、ようやくRNA増幅が確認できるプライマーが得られた。目下、センニンソウに寄生するサビキンの精子器でCRC遺伝子の発現が見られないのがサンプリングや固定の不手際なのかを検討する必要があり、翌年度はその点を改善したい。揮発性物質の分析も、精子器付近のみから採取するのに適した方法を検討し、分析することができた。蜜分析については、今のところ採取はできたものの、分析に至っていない。最新の機器ではアミノ酸と糖の定量分析が同時にできるので、できればこの方法を用いたいと考えており、分析依頼先を検討している。蜜腺、発香腺の形態観察については今年度は進展がなかったが、電子顕微鏡観察について検討する機会があり、翌年度の実施に向けた準備を進めている。精子器の切片観察は、明瞭な結果を得ることができていないが、今後パラフィン切片を作成するなどの方向性をつけることができた。CRC遺伝子の発現を調べることはいくつかの困難が予想されたが、ユニバーサルプライマーにより増幅を得ることができ、そこから対象植物のCRC遺伝子の配列を決定することに成功し、発現を見るのに適したプライマーを設計することができた。揮発性成分合成系遺伝子の発現解析には着手できなかったが、その解析にはCRC遺伝子の発現を調べた時のサンプルをそのまま鋳型として用いることができるので、今後すみやかに進めることができる。また、次年度に揮発性成分の同定が計画されているが、そのためのより適した採集法を検討する機会があり、実施に向けて準備を進めることができた。遺伝子発現解析に関して研究の進展が見られたナシーG.asiaticumの比重を大きくして、研究を進める予定である。<精子器の形態観察>精子器の切片観察については、電子顕微鏡業者委託により、本研究で採集・固定した精子器および花の蜜腺の試料から切片作成を行ってもらい、透過電顕像を得る予定である。この2サンプルを比較することで、柄子蜜の分泌様式を明らかにすることができると考えている。<蜜腺関連遺伝子の発現解析>CRC遺伝子の発現について、本年はG. asiaticumの人為接種を行い、経時的な発現パターンを詳細に調べる予定である。
表面波プラズマにおけるマイクロ波吸収機構の解明とアンテナ結合系の最適化

本研究では、半導体プロセス用表面波励起大面積プラズマ源の開発を目的とし、表面波プラズマにおけるマイクロ波エネルギーの吸収機構の解明、およびプラズマ-アンテナ間結合の最適化に関する研究を実施した。以下に本研究成果の概要を列記する。1.大面積表面波プラズマにおける表面波モードの同定:周波数2.45GHzマイクロ波を用いた大面積平面状プラズマにおける表面波モードの分散関係およびモードジャンプ機構について、本研究において初めて実験、理論両面から明らかにした。2.マイクロ波エネルギー吸収機構:表面波プラズマにおけるマイクロ波エネルギーの吸収機構を調べるため、ペリスコープ法による高エネルギー電子の測定およびICP生成プラズマ中におけるマイクロ波の伝搬特性の測定を行った。実験結果から高エネルギー電子が石英窓近傍で生成されること、電界が局所的に増大することからカットオフ層において電磁波とプラズマ間の共鳴的エネルギー授受の可能性があることを示した。3.プラズマ-アンテナ結合系の最適化:アンテナ形状および配置がプラズマ生成にどのように影響するかを調べるため、種々のスロット形状をテストし、プラズマ生成効率の得失を調べた。実験より、プラズマ生成効率がスロット形状に大きく依存すること、中でも導波管軸に垂直に切ったスロットが励起効率に優れていることを示した。4.プラズマ生成の励起周波数の効果:表面波プラズマ生成における励起周波数の効果を調べるため、周波数2.45GHzおよび915MHzの電磁波を用いて同一の真空容器においてプラズマを生成し、両者特性の得失を調べた。本研究より915MHzの場合に線形なパワ一一密度特性が得られことを示した。5.研究成果:本研究で得られた研究成果は、平成9年度平成10年度にわたり学術論文に14件、国内開催の学会、研究会に24件、国際会議に13件(招待講演2件)発表した。本研究では、表面波励起による大口径マイクロ波プラズマ源の開発および表面波プラズマの生成法に関する一般的な指針を得ることを目的として、表面波プラズマにおけるマイクロ波エネルギーの吸収機構の解明、および表面波の励起効率を高めるようなスロットアンテナの形状・配置などの最適化に関する研究を行った。以下に本研究の研究成果を列記する。1.マイクロ波電界強度と電子エネルギー分布関数の関係:ワイヤープローブによる電界強度測定、ラングミュアプローブによるプラズマパラメータ測定を行い、両者の結果より表面波の電磁界構造および分散関係を明らかにした。またアフタ-グロー時のプラズマパラメータの時間分解測定を行ない、表面波プラズマのプロセスヘの有用性を示した。さらにマイクロ波電界によって加速された電子の高エネルギー成分を調べるため、光ペリスコープ法を用いたArIおよびArIIの発光強度分布測定を行ない、電界強度分布との相関を調べた。2.電磁波のモード変換による静電波励起の可能性:入射マイクロ波がプラズマ中の共鳴層において電子プラズマ波などの静電波にモード変換され、プラズマ電子との相互作用でエネルギー輸送が行われているかどうかを調べるため、パルス変調マイクロ波による表面波プラズマ生成実験を行なった。ワイヤープローブを用いた干渉法による測定の結果、マイクロ波パルス印加直後に石英窓近傍に電界成分の揺動が観測された。その空間波長が電子プラズマ波の分散関係と矛盾しないことから、電子プラズマ波のランダウ減衰によるエネルギー輸送の可能性があることを示した。3.大口径真空容器による低圧力プラズマ生成:表面波プラズマの低圧力化を達成するため、ターボ分子ポンプを導入し、数mTorrの低圧下においても表面波プラズマの生成が可能であることを示した。また、スロットアンテナの形状・配置およびアンテナとプラズマ間の誘電体の形状等が表面波プラズマ生成にどのように影響するかを調べるための各種実験を行ない、表面波プラズマの大口径化およびアンテナ-プラズマ結合の最適化に関する知見を得た。これらの結果を踏まえ、大口径(40cmψ)プラズマ生成実験を来年度に実施する。