LHD-ECH における入射インターロック開発〇水野 嘉識 a)、竹内 俊貴 a)、ECH グループ b)a)

核融合科学研究所 技術部、b)核融合科学研究所 ヘリカル研究部 プラズマ加熱物理研究系

１．はじめに核融合科学研究所では、大型ヘリカル装置（LHD）を用いて核融合プラズマに関する基礎研究を行っている。LHD 実験において ECH(Electron Cyclotron Heating)グループは、大電力ミリ波を用いたプラズマの生成や加熱といった役割を担っている。大電力ミリ波は、ジャイロトロンと呼ばれる真空管から出力され、導波管伝送路を通って LHD へ伝送され、LHD 内に設置した入射アンテナからプラズマへ入射される。LHD 実験の始まった 1998 年から 2007 年頃までは、ジャイロトロンおよび伝送路に起因する問題により、LHD への入射パワーは単管当たり 500kW 程度に留まっていた。2007 年頃から MW 級出力のジャイロトロン導入、および導波管伝送路の真空排気対応が進み、単管で 1MW 以上の入射を行えるようになった。これにより、ハイパフォーマン
スなプラズマ実験ができるようになった一方で、LHD 内のECH 入射対向壁で溶損がみられるようになった。様々な解析の結果、プラズマによるパワー吸収が悪い時に発生している可能性が高いということになり、プラズマ計測信号を利用してECH 入射に対するインターロックを設けることとなった。
2009
年から開発を始め、現在でも改良を続けている。開発開始当初から最新の状況までについて報告する。
図 1 ECH 入射対向壁溶損の様子
２．インターロック原理
現在核融合科学研究所の ECH グループで導入されている MW 級ジャイロトロンは、図 2 のような構成となっている。電子銃から電子ビームを VA で引き出し、VB で加速、コレクタにて回収する。キャビティと呼ばれる部分で、超伝導コイルが作る磁場と電子ビームが作用することで、ミリ波が発生し出力窓から出ていくようになっている。VA の ON/OFF によってジャイロトロン出力の ON/OFFを制御することができるので、VA 電源にインターロック信号を入れることで入射制限を実現できる。VA 電源には外部からの停止信号を受け取れる光入力が１口用意されていたが、これはジャイロトロン保護のために、ジャイロトロン管内や導波管伝送路内でのアークを検出するアークセンサーの為に用意、利用していたものであった為、アークセンサー制御盤に複数の停止信号を入力することができるインターロック取り合いユニットを作成、追加した。このユニットには、LED でどの信号により停止したかを表示する機能や各信号の有効/無効、反転 on/off、最小出力幅設定（VA電源保護の為）といった機能を持たせた。現在、ここにはマニュアル緊急停止やアンテナ動作中（意図しない位置への入射防止）
図 2 ジャイロトロンといった信号がつながっており、ほぼ満杯となっている。
３．インターロック開発
３.１ PIC で開発
LHD 内の対向壁溶損問題に対処すべく ECH グループで協議の結果、プラズマ密度が薄い時のミリ波透過とプラズマ崩壊後の不要入射に対しインターロックをかけてみようということになり、安価でロジック等の変更が電子回路に比べ容易である当時別件で使用していた 8bit マイコン PIC 16F887 でインターロックを作成した。使用する信号、ロジックについては、プラズマ実験の様子を見ながら研究者と相談し改良していった。入力信号がノイジーで時間平均処理等を入れたせいもあり、動作速度は ms オーダーだった。開発はマイクロチップ社の MPLAB IDE を使用しアセンブラで行った。一定の成果は有ったが、PIC へのプログラムの書き込みに装置の電源を落とし配線を外す必要があり、利便性に欠ける為１年程度でお蔵入りとなった。
３.２ リアルタイム OS 搭載コンピュータ導入
FPGA を試してみようということで、FPGA 搭載の MATLAB/Simulink ターゲットとして使用できるリアルタイム OS 搭載コンピュータ AD7011-EVA(A&D テクノロジー社)を導入した。入出力信号やロジックは PIC 時と同等だが、パラメータをタッチパネルで入力できるようになった。パラメータ変更は現場要員に依頼するのだが、変更が必要な時は何かしら問題が発生している時が多く現場要員はその対応に追われる為、現場要員によるパラメータ変更対応が難しく改善が必要となった。そこで、ネットワークでパラメータファイルを転送するようにした。しかし、どの信号でインターロックが動作したのかが分かり難いことへの不満と、MW ジャイロトロン増設にあたり入出力がそれぞれ 4ch しかないことによる拡張性の無さから 2017 年頃現在使用している Compact
図 3 AD7011-EVA
RIO へと移行することになった。
３.３ Compact RIO 導入
Compact RIO は、National instruments 社製
で、AD7011-EVA と同じく FPGA、リアルタ
イム OS 搭載のコンピュータで、入出力等がモジュールとなっており、必要に応じてモジュールの増減や組み合わせを変えられるフレキシブルさが有る。使用したのは cRIO9035(1.33GHz
2core,1GBDRAM,4GBstorage,Kintex-7)で、モジュールを 8 つまで増加することができる。開発は、同社のLabView で行った。FPGA のプログラムからユーザー画面まで LabView で開発できる。前図 4 操作画面
出の AD7011-EVA から大きく変わった点としては、入出力信号波形をユーザー画面で確認出来るようになったことと、全操作を現場要員抜きで出来るようになったことである。図 4 は LabView で作成したユーザー操作画面で、研究者がグラフを見ながらパラメータを変更することで瞬時にインターロックに反映されるようになっている。インターロッ
クロジックは FPGA で閉じているので、μs オーダーで動作している。FPGA プログラムは、図 5 の様に機能毎にパーツを作成し、パーツ間のデータを変数として受け渡すことで容易に作成できる。変数はリアルタイム OS 上で扱うことができ、ネットワークを介してユーザーが画面に反映することができる。
リアルタイム OS 上で変数のロギングもしており、LHD 実験のショットナンバーでナンバリングしたcsv ファイルを作成しネットワークハードディスクに自動転送するようになっている。図 6 はロギングしたデータをグラフ表示したものである。
このグラフでは、ジャイロトロンが 4.2 秒辺りで運転停止している。インターロックが4.2 秒から 7.4 秒辺りまで出力されていることからインターロックにより運転停止していたことが分かる。また、密度インターロッ
クが作動しており、酸素インターロックは作動していない様子も見て取れる。プラズ
マ密度および酸素の波形も確認でき、イン
図 5 FPGA の 1 パーツ（プラズマ放電中判断）

ジャイロトロンの運転波形

インターロックの出力波形

密度インターロックの波形

酸素インターロックの波形

プラズマ密度の波形

酸素の波形

図 6 インターロック波形

ターロックの挙動がおかしいということであれば閾値の変更を行うことになる。このようにショットデータをすぐに確認できるようになり、インターロックを考えるうえで助けとなっている。
研究者からロジックの変更やリファレンス信号の増設等の要望を受け少しずつ改良を続けてきた。導
入当初は 2 モジュール（8 入力 5 出力）だったが、今では 8 モジュールに拡張され更なる拡張の余地が無い状態となっている。また、開発も実機で行っているため、改修は基本的にメンテナンス期間にまとめて実施している。しかし、実験期間中でも早急に改修が必要な場合が稀にあり、このような場合は夜間等実験をしていない時間に対応している。この際、わずかな改修でもバージョン管理（日付をつけている）しており、不具合発生時に旧バージョンを動かす対応ができるようにしている。また、研究者ごとに改修要望が対立することも有るので、相談を受けて即応するのではなくグループ協議で改修内容を決定するようにしている。
３.４ 利用の拡大
2019 年から、プラズマの状況に応じ必要時のみパワー入射を行う制御実験（ブースト入射）に利用するようになった。お手軽に制御実験ができるということから、ECH グループのみならず他グループや学生にまで利用が広がっている。
通常は指令信号をもらいインターロックとの足し合わせで動作するようになっているが、リファレン
ス信号とロジックを提案してもらいプログラムに組み込むこともある。ただ、その組み込みに対しては、開発やテストに時間がかかることと、FPGA が複雑な計算に向かないことがネックとなっている。FPGAに組み込むので、複雑な計算は容量的に厳しかったり計算結果の確認やバグ修正がコンピュータでのテキストプログラムに比べ面倒だったりする。図 7 は、ブースト入射時の波形である。ジャイロトロン運転波形が 5~6 秒でスパイク状になっているが、これはインターロック波形に同期している。インターロック波形は、密度、酸素、電子温度のインターロックおよびブースト入射信号の足し合わせとなっており、~6 秒まではブースト入射が、6 秒からは電子温度インターロックによって制御されていることが分かる。ちなみにブースト on 指令とインターロックがかち合った場合は、インターロックが優先されるようになっている。
４．まとめ
ジャイロトロンの高性能化に伴い、入射制限装置が必要となり入射インターロックの開発に携わって

図 7 ブースト入射波形

きた。入射インターロックに使用した機器は、8bit マイコンから始まり FPGA 搭載のリアルタイム OSコンピュータへと移行してきた。マイコンと言えば Arduino が主流だと思うが、PIC は現在でも数百円程度で購入でき 2.54 ピッチの IC も有るので電子工作には向いている。一方、CompactRIO は高価ではあるが、FPGA からユーザー画面まで LabView のみで開発できるのが有難い。FPGA プログラムも、直感的に機能パーツを作っていくだけで済む（例：信号 A が閾値以上かの判断パーツ。判断パーツの結果を集めてインターロックの出力を決めるパーツ）。ただ、現在の LabView には今のところ拡大縮小機能が無いためパーツが多くなると全体が分かりにくくなり、パーツ同士の絡みによって予期しない動作（いわゆるバグ）をすることがある。そのような時は変数化およびロギングを利用して解析、修正していくのだが、ロギングスピードが 1kHz 程度と FPGA 動作に比べ遅いため原因が分からないこともある。フローチャートを作ることで、原因や対策が分かりやすくなることが多い。
現在の入射インターロックはブースト入射含め概ね好評だが、取り扱う信号やパラメータ等が増加しており CompactRIO の容量がギリギリになっている。そのため、開発環境整備という意味も含めもう１台用意したいが、昨今の品不足から難航している。