Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 8-10, 2016, Chiba, Japan

PASJ2016 TUP136

測位センサネットワークシステムの放射線環境下（J-PARC）における耐久性の検証報告
REPORT OF THE RADIATION DAMAGE STUDY OF THE POSITIONING SENSOR
NETWORK SYSTEM IN HIGH RADIATION ENVIRONMENT（IN J-PARC）
川端康夫#, A), 松田浩朗 A), 松元和伸 A),田頭茂明 B),
石井恒次 C)，吉岡正和 D)#, A)
Yasuo Kawabata, Hiroaki MatsudaA), Kazunobu MatsumotoA), Shigeaki TagashiraB),
Koji Ishii C), Masakazu YoshiokaC)A)TOBISHIMA Corp., B) Kansai Univ.,C) KEK, D) Tohoku Univ.,Iwate Univ.

Abstract
The authors have developed the location system using a local area network, in order to ensure user's safety during
emergency in a long tunnel,such as ILC facility．Although already the location system is a practical level, as futurechallenges, it is necessary to verify the influence on the communication accuracy due to wave noise and on thedurability of the receiver(AP) according to the radiation, during accelerator operation．
This year, under a high radiation environment in the MR of J-PARC, to investigate the impact of the device and thecommunication situation．At the time of the beam operation, it was established to choose the location where themaximum radiation dose of about 100Gy / month (neutrons, protons, γ-rays, etc.) is irradiated.．As an additional, inthe γ-ray irradiation facilities by cobalt-60, it was carried out irradiation test about 1kGy ,to the device．This paper
reports on the results of these experiments．

1.

はじめに東日本大震災の際の危機的状況の中で，J-PARCで作業中の職員がトンネル内からの脱出に時間を要したことが本研究開始の発端である．
加速器施設においては，施設利用者に対する放射線の管理や災害時の安全確保が極めて重要である．
従来，大型加速器施設においては，PPS が適用され[1]，トンネル入域者の安全性確保に効果を発揮している．これに加え，施設利用者の位置やその動線に基づく管理，さらに発災時に適正な避難誘導が行えるシステムを実装できれば，さらに有効性は高まるものと考えられる．
筆者らは，モバイル端末を利用した屋内向け測位センサネットワーク技術の開発 [2],[3] に取り組んでいる．測位センサネットワーク技術とは，モバイル端末を測位センサとして利用し，情報通信と同時にモバイル端末の通信位置を特定するものである．本技術により，空間内のモバイル端末保有者の所在やその動線等が把握可能となる．本研究は，加速器施設の利用者の安全性向上を目的に，測位センサネットワーク技術を応用し，加速器施設における位置情報に基づく放射線管理・防災システムを開発するための取り組みの一環である．
既に，本システムの有効性の検証を目的に，いばらき中性子医療研究センター（iNMRC）での実験を実施し，モバイル端末を有する人物の所在位置，動線および入退室時刻の管理 [4],[5] に関し，実現性を検証した．また，ILC を想定した既存の直線状の長大かつ小断面トンネル（神戸ベルトコンベアトンネ
ル）を用いて，無線 LAN の通信速度と同時測位の精度に関する実験を実施し，通信インフラとしての性能，加えて，長大かつ小断面トンネル内における測位精度の誤差は±2.5m 程度は確保できること[5]を検証した．
一方で稼働している加速器において本システムを導入するには，加速器稼働時の電波ノイズの通信精度への影響，測位センサ基地局の放射線に対する耐久性を考慮した装置設計が必要である．例えば，
ILC の加速器装置周辺では，γ 線で 1mSv/h 程度の放射線の放射が想定されており，適用の際には，これらを目標に装置の耐久性を設計する必要がある．
本研究開発では，J-PARC，MR 加速器トンネル内の高放射線環境下での試験稼働，および γ 線照射施設での放射線照射試験によって，通信装置の耐久性及び通信状況への影響を検証した．本編では，これら検証結果を報告する．

2.

実験計画と結果

本実験では，どの程度の放射線量でシステム（通信測位システム，装置）の性能劣化（機能停止等）が起こるか，どの箇所がどういった故障をするか，等の把握を目標とする．J-PARC では，加速器の稼働中に高いレベルの γ 線，中性子線が放射され，さらに停止中にも一定の γ 線が放射されることから，当該地の放射線量が測定できる位置に通信装置を設置し，その状況をモニタリングした．但し，J-PARC
内の実験では放射線量が調整できないため，別途，γ 線照射施設での放射線照射試験を実施し，稼働状況を確認した．

___________________________________________# Yasuo_Kawabata@tobishima.co.jp- 1300 -Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Table 1: Experimental Outline種類
試験条件並びに試験方法
Test 1／加速器停止中の残留放 ・期間／夏期メンテ期間中（2015．7~9 月）
射線に対する影響の把握
・装置位置／コリメータ部に基地局・照射量／最大 1 Gy 程度
・観測方法／監視用ＰＣによる動作状況の常時監視
Test 2／加速器運転ノイズの影 ・9 月頃の主電磁石・電源全台試験時をねらって稼働試験
響の把握
・ノイズ環境下での動作状況の確認
Test 3／加速器稼働中の放射線 ・受信器を RadMon 近傍に設置して試験（放射線量のモニター）（中性子・陽子・ガンマ線等） ・照射量／最大 1kGy 程度
・観測方法／監視用ＰＣによる動作状況の常時監視に対する影響の把握

2.1 J-PARC の MR 加速器トンネル内の実験
1)実験概要J-PARC の MR 加速器トンネル内には放射線の種類・量を監視できる機器が稼働中であり，そこに測位センサの基地局を配置して，放射線の種類・量をモニターしながら測位センサネットワークの稼働状況を PC で記録した．PC もトンネル内に設置するが比較的低い放射線環境下に置き，かつ直達の放射線（陽子・中性子）が少ない位置に配置する．基地局と PC は LAN ケーブルでも接続し，無線と有線の両方でネットワーク稼働状況を確認した．

市販 AP

測位機能付き AP

2)測定区域
J-PARC の MR 加速器トンネル内のコリメータ部に装置する．当該過箇所の放射線レベルは，停止期間中で最大 1Gy 程度，稼働期間中で最大 1kGy 程度を想定している．
3)設置機器と配置計画
設置機器は，これまで iNMRC や神戸ベルコント
ンネルで検証してきた，Photo1 に示す無線 LAN のアクセスポイント（AP）と今後活用を想定しているBluetooth Low Energy（BLE）の Beacon 発信機器を計画している．現段階では，放射線対策機器は適用せず，市販品での耐久性の程度を検証する．

BLE 機器
Photo 1: View of the AP and BLE.
RadMon

通信ケーブル
監視用PC

ビームライン

7.5m

BEAM
Quadrupole Magnet

Collimator
放射線測定／常設（Radmon）

放射線遮蔽壁（鉄シールド）AP＆BLE発信機

WIFI&BLE受信機

Figure 1: The arrangement of the system on measuringposition (Test 3).

- 1301 -Photo 2: View of the measuring position.

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通信機器

接続ケーブルPhoto 3: The equipment near the beam duct pipe (Test1).
接続ケーブル
監視用ＰＣ

Photo 4: The monitoring system (Test 1).
Table1 の「Test 3／稼働中試験」における機器配置，測定区域の状況を Figure 1，Photo2 に示す．APと BLE を常設の放射線モニター（RadMon）の近傍に設置し，これと電波通信ができる AP を設置，この AP とシステムを管理するパソコンをケーブルで接続し，稼働状況を監視する．パソコンは，直接放射線の影響を受けない位置に装置した．
Table1 の「Test 1／停止中試験」における機器配置
状況と監視用 PC を Photo3,4 に示す．

4)放射線測定方法
J-PARC は陽子加速器であるため，トンネル内の放射線環境は複雑であり，異なる種類かつ異なるエネルギーの放射線の影響が混在する．CERN で開発された放射線測定器 RadMon,[6]はトンネルの中に置かれた電子回路の放射線効果を測るためのものである．RadMon では線量の合計(Total Ionization Dose,TID)，中性子線量(1MeV-equivalent)を計測することができる．
2014 年 10 月下旬から年末にかけ、速い取り出し運転（FX Operation）約 240kW の出力で，ニュートリノ実験施設へのビーム供給を実施した．この期間、
MR ト ン ネ ル 内 の コ リ メ ー タ 部 に 常 設 さ れ た
RadMon によると、その地点での放射線量はおよそ2 ヶ月で 200Gy であった．現在の速い取り出し運転での出力は約 350kW と向上しているが、コリメータ部でのロスはほとんど変化ない（許容限界程度）．
このため常設 RadMon 近傍での放射線量はおよそ100Gy/Month 程度と推定される。この値は本計画を遂行するのに適当な線量であると考えられるため，測位 LAN 基地局等を常設 RadMon 近傍に設置して試験を実施した．
5)試験結果Table2 に試験結果の概要を示す．Test 1 では残留線量 1mSv/h の環境下で 67 日間の試験を実施した．
これは照射線量としてγ線 1.6Gy の照射に相当する．
いずれの AP、BLE についても故障等は見受けられず、通信状況も正常であった．Test 2 では加速器が稼働している状況と同じ、全機器一斉通電下での通信状況を確認した．特段のノイズ対策も実施しなかったが、こちらも通信状況の異常等は見られなかった．
Test 3 ではビーム運転を開始して間もなく、通信が不能となった．3 ヵ月以上の夏期メンテナンス直後で、まだビーム調整段階での故障であり、放射線量は RadMon での測定レベルに達していなかった．
ロス量との関係から、放射線量は 0.04Gy 程度以下と推定している．各機器の損傷時期と推定されるビーム数との関係を Figure 2 に示す．黄色で着色しTable 2: The Experimental Results
実験の種類
実際の試験条件
Test 1／加速器停止中の残留放 ・1 MeV 以下のγ線照射約射線に対する影響の把握
・1 mSv / h(≒1 mGy / h) で 67 日間
・推定 1.6 Gy のγ線照射
Test 2／加速器運転ノイズの影 ・主電磁石・電源全台試験時稼働試験
響の把握
・ノイズ環境下での動作状況の確認
Test 3／加速器稼働中の放射線 ・1 GeV 以下の中性子・陽子・ガンマ線（中性子・陽子・ガンマ線等）に対する影響の把握- 1302 -

試験結果
・故障無し

・ノイズによる影響無し
・運転開始後，2～5 日程
度で故障
・RadMon 測定精度以下

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日時2015/10/15 22:28
2015/10/17 0:54
2015/10/17 1:55
2015/10/17 5:33
2015/10/17 9:04
2015/10/17 19:53
2015/10/19 18:05
2015/10/20 0:44
2015/10/26 22:00 (PC OFF)

機器の種類
Beacon4Beacon3AP4 (wireless)AP3 (wire & wireless)AP1 (wire & wireless)AP2 (wire) & AP4 (wire)
Beacon2Beacon1AP2 (wireless)

ビーム状況
HD supply
HD supply
HD supply
HD supply
HD supply
SX study
HD supply
HD supply
SX study ⇒ HD supplyAP4(無線)故障
AP1(メイン)故障

16000

Event

14000

Δshoｔ/Δday
AP2(有線)故障

12000
10000
8000

ビーム数

AP3(メイン)故障

6000

Beacon3故障

Beacon2故障

Beacon1故障

Beacon4故障

4000
2000

2015/10/14 0:00

2015/10/15 0:00

2015/10/16 0:00

2015/10/17 0:00

2015/10/18 0:00

2015/10/19 0:00

2015/10/20 0:00

0
2015/10/21 0:00

Figure 2: The equipment failure time (in the Test 3).
能な限り直達の放射線が照射されないような位置にているところが加速器の稼働時間帯である．次々と設置することも可能である。このような加速器稼働通信不能になっている状況が確認できる．
ビーム停止時に破損状況を詳細確認した．BLE は 中での通信装置の運用状況に則した，①通信装置の全く稼働せずに完全に破損していた．一方 AP は電 電源を OFF 状態、さらに②放射線環境下では通信装源、通信機器、ケーブルと不具合箇所は様々であっ 置のアンテナだけ装置した状態、２つの状態での試た．またしばらく非放射線環境下で放置した後で再 験を追試した。試験では，無線と有線の両方を確認確認したところ、AP についてはいずれの機能も回 している．
Figure 3 に試験時の放射線環境条件、Table 3 に試復し、通信が可能であることが判明した．
Test 1 と Test 3 を比較し、γ線では 1.6Gy 程度以 験結果を示す．累積で 100Gy 程度の照射量以下では、上の放射線耐性があるのに対し、中性子等を含む照 ①の電源 OFF 状態では故障が発生せず、安定した状
射では 0.04Gy でも故障が発生することがわかった． 態で使用できることを確認した．また②のアンテナ
このことから今回の故障は累積量ではなく、1 個の 方式も問題なく使用できることを確認した．
粒子が入射して電離作用を引き起こし、高密度の電荷が生成されて半導体中を流れることによる、一時
Total Dose (Gy)660
的もしくは定常的な故障（シングルイベント効果）
640が起きたと推察される．
6206)電源 OFF 状態の追加試験の実施
シングルイベント効果によるものだと仮定すると、照射時に電源 OFF 状態であると放射線耐性が向上する可能性が考えられる．実際の加速器運転中では通信機器は必ずしも ON 状態である必要はない．またアンテナだけを放射線環境下に晒し、通信機器は可

600
580
560
540
5205002016/1/22

2016/2/3

2016/2/15

2016/2/27

2016/3/10

Figure 3: The radiation environment conditions.

- 1303 -Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Table 4: The Experimental Results (on 1~100Gy/h)Table 3: The Experimental Results
試験条件

電源OFFで設置
GF04B

装置名

アンテナ延長で遠方に設置
GF156

No.

WAPS-AG300H

WiredWiFi

WiredWiFi

WiredWiFi

装置日2016/1/14

確認日

2016/2/3

○（健全）

○○○○

○

確認日

2016/3/9

○○○

○○

○

①②
③④⑤⑥

2.2 Co60 γ 線照射による耐久性試験
1)実験概要J-PARC では，放射線量，照射条件を任意に調整できないため，㈱アトックス技術開発センターの照射施設において，Co60 γ 線照射による耐久性試験を実施した．

Test 1 より 1.6 Gy 程度は耐性があることがわかっていたため、1kGy 規模の放射線量とし，有線と無線の両方を確認した．いずれも約 1 時間の照射を実施し、放射線量は線源からの距離で調整している．
NO.
1234

Table 3: Experimental Conditions
放射線量
照射時間1.0 Gy/h
9:17 start 10:17 stop
10 Gy/h
10:36 start 11:36 stop
100 Gy/h
11:54 start 12:54 stop
1.0kGy/h
13:14 start 14:14 stop

MAC

PowerWiFi

Wired

7F180800
84F0
EE709848
9560

○
○
○
○
○
○

○
○
○
○
○
○

○
○
○
○
○
○

Table 5: The Experimental Results (on 1.0kGy/h)

No.
①②③④⑤
⑥

3.

Photo 5: The radiation irradiation facility.

電源状態
ON
ON
ON
OFF
OFF
OFF

電源状態
ONON
ON
OFF
OFF
OFF

MAC

PowerWiFi

Wired

7F180800
84F0
EE709848
9560

×××
○
○
○×××○○○

×××○
○
○

おわりに

本論文では，高放射線環境下での装置及び通信状況への影響を把握するための実験計画とその結果を示した．当初，想定していた放射線による通信装置への影響が確認されたが，加速器稼働時には，①電源を OFF にした状態にする，さらに②アンテナのみを配置するなどの対策を採れば，現有装置でも機能することが確認できた．
今後は，J-PARC の MR の中で模擬的に位置管理ができる通信環境を創設し，入坑時には実際に位置情報を管理しつつ，長期間健全性が維持されることを実証する予定である．

参考文献[1] 榊泰直, 中村直樹, 吉川博, 上田晋司, “J-PARC LINAC用高速インターロックシステムの設計”, Proceedings of
28th Linear Accelerator Meeting in Japan, pp.467-469,
2003.
[2] 松田浩朗, 松元和伸, 田頭茂明, “無線 LAN 測位の測位精度に関する研究”, 土木学会第 67 回年次学術講演会2)試験結果
講演概要集, pp.549-550, 2012.
Table 4 に示すように，放射量 1~100Gy/h では，照 [3] S. Tagashira, Y. Kanekiyo, Y. Arakawa, T. Kitasuka, and A.
Fukuda, “Collaborative Filtering for Position Estimation
射期間中，電源が ON，OFF であっても，通信機能
Error Correction in WLAN Positioning Systems,” IEICEに不具合は生じなかった．また Table 5 に示すようTrans. on Communications, Vol. E94-B, No.03, pp. 649に 1.0kGy/h の照射量では，電源が ON の状態では電657, 2011.
源，有線，無線ともに不具合が生ずることが確認さ [4] 川端康夫, 松田浩朗, 松元和伸, 小林薫, 田頭茂明, 大場俊幸, 吉岡正和, “加速器施設における測位センサれた．γ線照射試験においても電源 OFF による放射ネットワークに基づく放射線管理・防災システムの開線耐性の向上が確認されたが、Test 3 で確認された発”, 第 11 回日本加速器学会年会,2013,8.
一時故障（復旧）は確認されていない．γ線照射で [5] 川端康夫, 松田浩朗, 松元和伸,田村琢之, 小林薫,田頭茂明,山本祐輔,前田 修,大場俊幸, 吉岡正和,“測位センの故障はシングルイベント効果での故障とは違う可サネットワークによる加速器施設の防災・放射線管理能性が考えられる．累積線量効果やはじき出し損傷のための位置管理システムの開発”, 第 12 回日本加速についても電源 OFF が有効であるかは定かではない．
器学会年会,2014,8.
電源 OFF での積算限界値や低線量下での積算限界等、 [6] 大 森 千 広 , 田 村 文 彦 , 長 谷 川 豪 志 , 吉 井 正 人 , 白 形 政司,”LHC 入射器アップグレードのためのラドモンをさらなる試験が必要と考えている．
使った半導体の放射線損傷試験”第 12 回日本加速器学会年会,2014,8.

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