Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEP012

SACLA-BL1 加速器（SCSS+）およびニュースバル新入射器のスクリーン
モニタへの GigE カメラ制御システムの適用
APPLICATION OF GIGE VISION CAMERA CONTROL SYSTEM FOR SCREEN
MONITORS OF SACLA-BL1 (SCSS+) AND NEWSUBARU INJECTOR LINAC

清道明男#, A), 出羽英紀 A), 松原伸一 A), 柳田謙一 A) , 福井達 B) , 丸山俊之 B) , 石井健一 C) , 住友博史 C)
Akio Kiyomichi#, A), Hideki DewaA), Shinichi MatsubaraA), Kenichi YanagidaA),B)B)c)
Toru Fukui , Toshiyuki Maruyama , Kenichi Ishii , Hiroshi SumitomoC)
A)
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI)
B)
RIKEN SPring-8 CenterC)
SPring-8 ServiceAbstract

In a part of the SPring-8 upgrade project, the SACLA linac is used as the injector for the storage ring. For the screen
monitor (SCM) system in the beam transport from SACLA to SPring-8 (XSBT), we adopted GigE Vision standard that
supports PoE power supply for the camera and developed camera control software using the open source library[1].
SACLA and SACLA-BL1 (SCSS+) screen monitor cameras used the Camera Link standard, but because of thecomplicated system that combines the extender and selector to one server, there is a problem that it takes time to identify
the cause of trouble. Then, we decided to change the GigE camera control system which introduced in XSBT. We also
introduced the GigE camera to the screen monitor camera of the New SUBARU injector linac. In this presentation, asprogress after introducing the GigE camera control system to XSBT, we report screen monitor control with eachaccelerator, development of image acquisition system using DB, GUI development using Qt, power supply control board
development for newly adopted PoE Ethernet card, and improvement plan for high reliability by switching cameras forhigh-frequency camera selection operations from machine learning software.
SACLA-BL1 加速器(SCSS+)のスクリーンモニタ更新と NewSUBARU に建設した新入射器のスクリーンモ
SPring-8 サイトではスクリーンモニタ(SCM)用カ ニタにも GigE カメラ制御システムを導入した。それ
メラに Camera Link 規格のカメラを採用していたが、 ぞれの加速器での導入や運用状況について報告する。

1.

はじめに20 台を超えるカメラを１台のカメラ用計算機に接続して制御する複雑なシステムのためトラブル時の原 2. SACLA-BL1 SCM カメラ更新
因特定が手間取るといった問題を抱えていた。そこ 2.1 GigE カメラの導入
でシステム構成が単純な GigE カメラ制御システムへ
SACLA 加速器と SACLA-BL1 加速器(SCSS+)では移行することとした。
蛍光版とOTR スクリーンを使用しており、撮像用カ
GigE カメラ制御システムは GigE Vision 規格のカ
メラはCamera
Link 規格の CCD カメラを採用して 10メラを採用し PoE(Power-over-Ethernet) 給電対応の年ほど運用してきた[3-5]。SACLA
では 68 台、Ethernet ボードを用いたサーバ型計算機からなるコ
SCSS+では22台のCameraLink
カメラを設置しておンパクトで一体的なカメラ制御システム[1]である。
そ の 制 御 シ ス テ ム は オ ー プ ン ソ ー ス ラ イ ブ ラ リ り、それぞれ加速器棟制御室に設置した 1 台のカメ
Aravis[2]を使用したカメラ制御ソフトウェアと DB ラ用計算機に接続している。カメラと計算機の間にを活用した画像収集システム MDAQ_IMG からなる。 は 8ch カメラ切替器を SACLA では 19 台、SCSS+で新たに Qt を採用した GUI を開発した。また、採用 は 4 台使用して、2 段または 3 段接続して多数のカしていた PoE 給電対応 Ethernet ボードが新しいチッ メラを１台の計算機に集約している。制御室からスプセットの計算機において給電制御が出来なくなる クリーンモニタまで最大 400m あるが、Camera Linkという問題が発生したため、新たに給電制御ボード 規格の伝送距離は約 10m と短いため光変換による延長器を適宜使用して遠距離伝送を実現している。構を開発した。
最初に SACLA Linac を SPring-8 Storage Ring の入 成を Fig. 1(a) に示す。
長年の運転で、主に放射線による影響により CCD射器とするアップグレードのタイミングで SACLA
カメラや光延長器の素子が故障や停止するという事から SR へのビーム輸送系（XFEL-SPring-8 BeamTransport, XSBT）のスクリーンモニタ用カメラに導 象が散見されるようになった。しかし、伝送経路が入し、2020 年の年会において報告した[1]。その後、 光延長器と切替器を多段に組み合わせた複雑なシステムのためにトラブル時の原因特定が困難となり復____________________________________________
旧に手間取るといった問題が生じ、安定運用に支障#kiyomichi@spring8.or.jp- 535 -

Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEP012

をきたしてきた。
そこで XSBT で成功した GigE カメラ制御システムに切り替えることとした。交換した撮像用カメラはGigE Vision 規格で、画像素子は画像サイズ 1/1.2”、ピクセル数 1936 x 1216、ピクセルサイズ 5.86 μm x5.86 μm のモノクロ CMOS (SONY IMX174) である。
伝送距離は最大 100ｍである。GigE カメラ制御シス
テムは１台の計算機で最大８台の PoE 給電対応 GigE
カメラとトリガを制御する構成[1]であるが、スクリーンモニタに近い保守通路や電源室に制御用計算機を設置しシンプルな伝送システムを構築した。新システムの接続構成を Fig. 1(b) に示す。
SCSS+では 2020 年度に 4 台、2021 年度には 18 台のカメラを交換し、全 22 台のカメラが GigE Vision規格へ更新し 3 台の GigE カメラ制御用計算機で制御する構成となった。SACLA では 2023 年から GigE カメラへの交換を順次進める予定である。

いるので、これを利用して SCSS+のスクリーンモニ
タ用 GUI は Qt で開発した。
SCSS+では 3 台のカメラ制御計算機を使用しており、それぞれ EM と MDAQ_IMG が動作している。
中央制御室にある運転端末から、運転 GUI で一括してスクリーン操作やカメラ制御、取得画像のプロファイル解析を行う。また、ビーム調整後に不要となった画像データの削除機能もある。運転 GUI をFig. 2 に示す。

Figure 2: Operation GUI for SCSS+ screen monitor.

3.

Figure 1: Schematic view of camera connection.
2.2 ソフトウェア
カメラ制御ソフトウェアと DB を活用した画像収集システム MDAQ_IMG は XSBT で開発したもの[1]をそのまま踏襲し、EM 構成ファイルを作成するだけで新たなコード開発の必要無くカメラ制御が実現している。画像データはビームトリガに同期して収集し、画像ファイルは NFS ディスク上に保存し、その場所情報やゲイン・露光時間といったメタ情報をオンラインデータベースに記録する。SCSS+の調整
ではプロファイルを見ながらビーム調整を行う為、一時的に大量の画像データを取得し、後で主要データを残しそれ以外を消すという運用を行っている。
そこで、データを消す際には DB 上に delete flag を付けメタ情報を残して画像ファイルのみを消すようDB 関数を整備した。
GUI の開発環境は長らく X-Mate [6] を使用しており、XSBT では X-Mate で GUI を作成した。しかしタブ表示が無い、二次元画像表示が遅いなど機能的に時代遅れ感が強くなってきたため、オープンソース版の Qt5 [7]へ乗り換えを進めている。SPring-8 では GUI 開発で必要なメッセージングや DB アクセス用の Qt プラグインおよびライブラリを開発[8]してNewSUBARU 新入射器用スクリーンモニタ

3.1 新入射器建設
SPring-8 サイト内にあるニュースバル放射光施設
は兵庫県立大学が運用する 1.5GeV 電子蓄積リング
で軟 X 線放射光の産業利用に向けた研究開発を行っている。長年にわたり SPring-8 の線型加速器から電子ビームを振り分けて供給していたが、SPring-8 のSACLA 入射に伴い運用停止となったことに伴い、新たな入射器を建設し 2021 年より運用を開始した。
本入射器は C バンド加速管を用いた全長 70m のコンパクトかつ低コストの線型加速器で、現在建設中の東北放射光 3GeV 光源用入射器のプロトタイプでもある。各機器の要素技術や制御系は技術の継承ができるように設計・建設してきた[9, 10] 。
3.2

スクリーンモニタとカメラ新入射器では 8 台のスクリーンモニタを設置した。
スクリーンは Ce:YAG、カメラは GigE Vision 規格のカメラで SACLA/SCSS+と同等の構成である。
GigE カメラ制御システムを適用し、カメラ用計算機1 台で 8 台のカメラを制御する。Figure 3 に非分散部スクリーンモニタの光学系を示す。ビーム軌道上に厚さ 0.1mm の Ce:YAG を置き蛍光を発生させる。光は下流側の金属鏡で 90°反射された後、溶融石英のビューポートを介して真空中から大気中へ導かれる。
結像させるためのレンズは、同一 2 台のアクロマティックレンズを対称に組み込んだリレーレンズとした。ピント調整用にモーター駆動のステージにカメラを乗せ、ビーム形状を観測しながら遠隔でピント調整を可能とした。

- 536 -

Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEP012

ビームのあるべきショットタグと撮像タイミングがずれるトラブルが生じていることが判明した。
MDAQ の撮像シーケンスの見直しとトリガーボード
Ce:YAG Target
Diaphragm
CMOS Image Sensor
φ10mmのカウント値調整関数のバグ修正で解決した。
(IMX174, SONY)
Thickness:0.1mm
of Camera
Fused Quartz Viewport(GO-2400M-PGE, JAI)
Achromatic Lens
Achromatic Lens
また SCSS+では 1Hz 連続測定を繰り返すことで、11.3x7.13mm
DLB-50-120PMVacuum
DLB-50-120PM
Air(SIGMAKOKI)(SIGMAKOKI)
当初用意していたディスクパーティションの 256GB
では短期間で残容量が切迫することが課題となった。
これに対してはまず大容量のファイルサーバを用意して 10TB を専用に確保した。さらに、データベー
ス上のメタ情報を残しつつ画像データを消去する関Figure 3: Optical layout of typical screen monitor on New 数を用意し、長期保存の必要の無い画像データはビーム調整後に GUI から容易に選択・削除ができる
SUBARU injector.
ように運用面の整備を行った。
カメラ以外のスクリーンモニタ制御系はモーター制御などのカメラ以外のスクリーンモニ
EtherCAT[11]で構築した。スクリーン位置の操作お タ制御系は EtherCAT で構築する方針で、EtherCAT
よび LED 照明制御を EtherCAT プロトコルで行うス Master ボードを GigE カメラ制御用計算機に装着すクリーンモニタコントローラを製作した。1 台の れば１台でスクリーンモニタ全機能を制御できる。
EtherCAT スクリーンモニタコントローラで 2 台のス しかし、現行の Neousys tech. 製 Ethernet ボードはクリーンモニタを制御可能となる。またピント調整 EtherCAT Master ボードと同時に使用すると PoE 給のモーター制御も EtherCAT プロトコルで行う。こ 電制御ができないことが発覚した。PoE 給電制御はれ ら は EtherCAT マ ス タ ー 通 信 機 能 を 持 つ PCI PCI Express のスロットから SMBus 経由で行っていExpress ボード AdEXP1572 を搭載した計算機から制 るが、これと EtherCAT Master ボードとで競合して御する。運転 GUI は Qt で構築した。ニュースバル いる。そのためニュースバル新入射器に導入したス制御室の運転端末からスクリーン操作やカメラ制御、 クリーンモニタ制御はカメラ制御用と EtherCAT 制取得画像のプロファイル解析を行う。GigE カメラ制 御用の 2 台の計算機で構築した。SMBus の課題は計御および EtherCAT 制御からなるスクリーンモニタ 算機の後継機種の選定でも問題となったため、抜本制御の構成および GUI を Fig. 4 に示す。
的な対策を講じたので次節で紹介する。
Electron Beam
Metal Mirror

4.1

GigE カメラ用電源制御ボードの開発

GigE カメラ制御用計算機は PCI Express スロットを 5 つ持つ 2U のサーバ型計算機 (Supermicro 5028RWR, chipset Intel C612) に PoE 給電対応 Ethernet ボード (Neousys tech. PCIe-PoE354at, PCIe-PoE334LP) とトリガボード (ROCKY RCB-LVDS-TRIG8) を実装した構成としていた。Neousys tech. の Ethernet ボー
ドは PCI Express のスロットから SMBus 経由で PoE給電制御を行っているが、2U サーバ計算機の後継機種 (Supermicro 5029P-WTR, chipset: Intel C622) では
マザーボード上の SMBus を有効化する「SMBus toPCI Slots」のジャンパー設定が削減されており PoE給電制御が行えないという問題が発生した。また
HP など他メーカーのサーバ型計算機の最新機でもFigure 4: Schematic view of screen monitor control on 同様に SMBus を有効化できない状況から、チップセットの発展で需要の少ないレガシー機能が削減さ
New SUBARU injector.
れたものと思われる。
そこで代替機能として以下の方針で GigE カメラ用
4. GigE カメラ制御システムの課題と対策 電源制御ボードを開発した。
• AVALDATA 製 PoE 対応 Ethernet ボード APXGigE カメラカメラ制御システムの導入時および運3404-I350 [12] を採用する。
用で生じたトラブルや課題について、幾つか事例と• 計算機内の補助電源から Ethernet ボードの DC対策を挙げる。とくに大きな対策を行った GigE カメ+12V 入力の間をリレー接続する。
ラ用電源制御ボードの開発とカメラ制御ソフトウェ• Ethernet ボードへの電源入力をリレー制御で切アの改良の 2 件は後述する。
り入りすることでカメラへの PoE 給電出力を制SACLA/SCSS+は 60Hz のタイミング信号を配信し御する。てイベント番号を割り振り、ビームショットのタグ• リレー制御は USB 経由で行う。
付けを行っている。ビーム破壊型である SCM の運用• カメラ個別に電源制御を行わず、カメラ全数をでは、出射ショットを 1Hz に間引いている。この際、まとめて制御する。

- 537 -

Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEP012

電源制御ボードは電流容量 6Amax/1ch のリレーを2 台接続する構成で、2 セットを 1 枚のボードに実装した。サーバ計算機の補助電源から GPU 用もしくはHDD 用の電源ケーブルを用いる。Full Hight またはLow Profile の カ ー ド ブ ラ ケ ッ ト で 固 定 し 、 PCI
Express 用のスロットに装着できるようにした。回路と装着の様子を Fig. 5 に示す。リレー制御は USB で行う。USB-HID (Human Interface Device) のデバイス
アプリを用いて PoE 給電制御を行う EM 関数を開発した。

ガ入力に応じて撮像を行うため画像データ収集プロ
セス MDAQ (MDAQ_IMG) が動作している。よって１台のカメラ制御用計算機には EM と MDAQ の 2つのプロセスが動作する構成となっている。

Figure 6: Software scheme of GigE camera control.

Figure 5: Power control circuit and mounting photo.
AVALDATA 製 PoE 対応 Ethernet ボードと電源制御用ボードの組み合わせでは EtherCAT Master ボードとの共存も可能になる。カメラ個別の電源操作機能は失われるが、GigE カメラ制御と EtherCAT 制御を１台の計算機で担うことが可能となる。東北放射光 3GeV 加速器のスクリーンモニタ制御では、3 列のPCIe スロットを持つ 2U サーバ計算機（HP DL180Gen10）を採用し Fig. 5 下の写真の構成に EtherCATMaster ボードを追加して使用する。
4.2

カメラ制御ソフトウェアの改良計画

スクリーンモニタ（SCM）は破壊型の測定器であるため同時に使用できるモニタは一つである。よってカメラは同時に１台接続できればよい。SPring-8の制御フレームワーク上ではハードウェアを制御する機器制御レイヤーでは Equipment Manager (EM)と呼ばれるソフトウェアが動作している。カメラ用のEM は GUI からの命令に応じてカメラの設定やステータス情報の取得を行う。また画像データはトリ

現行のプロセス構成を Fig. 6(a)に示す。GigE カメラは 1 つのプロセスからしか制御ができないという制約があるため、カメラのゲインや露光時間設定など行う EM と画像収集の MDAQ とでは制御権の移行を行っている。EM はコマンド発行時に毎回カメラの open/close 処理を行っている。MDAQ は 1 台カメラを選択して撮像開始時（grab start）するとカメラを open する、この状態で録画（record on）ができる、カメラを切り替えるか撮像終了（grab stop）するとMDAQ がカメラを close する、という動作になる。
稀に制御権の取り合いで不具合が生じ、撮像ができないというトラブルが発生することがわかってきた。
ビーム調整におけるプロファイル測定では、GUI 操作で上流から順に SCM の撮像を行っているが、人の手による操作の頻度ではあまり大きな問題にはならなかった。
SACLA では機械学習手法を用いた XFEL の自動調整[13]の研究にて空間プロファイル最適化を行う計画があり、その際には自動調整で SCM の切り替え・撮像を行いたいという要望がある。複数の SCM を順に切り替えての評価を反復して最適化する、非常に高頻度となるカメラ切り替えでの信頼性向上対策を考えた。カメラに対して open/close を繰り返すとopen に失敗することがあるため１つのプロセスで全カメラを open し続ける方針とし、自己ループで処理する仕組みである Equipment Manager Agent (EMA)を用いることとし、以下の様な方針を立てた。
• EMA が一括してカメラを open し続け、全ての処理を EMA が行う。
• カメラ毎に共有メモリ（SHM）を設定し、各プロセス間でカメラ設定パラメータを共有する。
EMA は SHM をポーリングして指令を受け取る。

- 538 -

Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEP012

カメラ設定は EM から SHM を介して EMA が操作する。
• MDAQ はトリガ入力に応じて選択したカメラの撮像指令を SHM に書き込む。また DB へ画像のメタデータを書き込む。EMA は SHM をポーリングして撮像指令を受け、画像データをファイル書き出す。
改良したプロセス構成を Fig. 6(b)に示す。カメラ切り替え時のオーバーヘッドを減らす工夫のほか、ゲインや露光時間といったカメラ設定パラメータを計算機側に保持することによりトラブル時のカメラ電源切り入り後の手順も簡素化して復旧も早くする工夫も行った。
今秋～冬に SCSS+のスクリーンモニタでカメラ制御ソフトウェアの入れ替え試験を行う。2023 年のSACLA における GigE カメラ移行の際に本導入する計画である。
•5.

NewSUBARU injector”, Proceedings of the 18th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, QSTTakasaki Online, Japan, Aug. 2021, pp.895.
[10] N. Hosoda et al., “Upgrade of the NewSUBARU controlsystem”, Proceedings of the 18th International Conferenceon Accelerator and Large Experimental Physics Control
System (ICALEPCS2021), Shanghai Online, China, Oct.
2021, pp.143.
doi:10.18429/JACoW-ICALEPCS2021-MOPV014[11] EtherCAT Technology Group;https://www.ethercat.org[12] https://www.avaldata.co.jp/products/imaging/item/apx3404-i350[13] E. Iwai et al., “Application of machine-learning toaccelerator operations at SACLA”, Proceedings of the 18th
Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,
QST-Takasaki Online, Japan, Aug. 2021, pp.151.

まとめ

SPring-8 サイトにおいて GigE カメラ制御システムを順次導入した。XSBT での成功を受けて、SCSS+、ニュースバル新入射器のスクリーンモニタ用カメラを GigE カメラに更新した。PoE 給電制御のトラブルを解決した電源ボードの開発やソフトウェアの改良を経て、１台のサーバ型計算機でスクリーン操作から撮像まで行えるコンパクトで一体的なスクリーンモニタ用カメラ制御システムが完成した。今後、SACLA のカメラ更新および東北次世代放射光施設
NanoTerasu での導入を進める。

参考文献[1] A. Kiyomichi et al., “Application of GigE Vision camera tonew screen monitor control system for beam transport from
SACLA to SPring-8”, Proceedings of the 17th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Online,
Sep. 2020, pp.731.
[2] Aravis – A vision library for genicam based cameras;
http://www.github.com/AravisProject/aravis[3] H. Maesaka et al., “Commissioning and performance of thebeam monitor system for XFEL/SPring-8 SACLA”,
Proceedings of the 8th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, Tsukuba, Japan, Aug. 2011,pp.215.
[4] T. Matsumoto et al., “Commissioning of beam profile
monitoring DAQ system for XFEL/SPring-8 SACLA”,
Proceedings of the 8th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, Tsukuba, Japan, Aug. 2011,
pp.554.
[5] T. Inagaki et al., “First lasing and commissioning status of
the soft X-ray FEL beamline at SACLA”, Proceedings of the
13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, Chiba, Japan, Aug. 2016, pp.286.
[6] X-Mate - Fuji Data System Co., Ltd;
http://www.fdsnet.co.jp/products/x-mate[7] http://www.qt.io[8] K. Okada et al., “Assembling an user environment ofaccelerator log database at SPring-8/SACLA”, Proceedingsof the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Societyof Japan, QST-Takasaki Online, Japan, Aug. 2021, pp.526.
[9] T. Inagaki et al., “Operation status and high-power RF
conditioning results of C-band main accelerator at- 539 -