Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, Japan

PASJ2019 FRPH003

RIBF におけるシステム統合のためのガスストリッパー制御の更新
UPDATE OF GAS STRIPPER CONTROL SYSTEM FOR SYSTEM INTEGRATION AT
RIBF小山亮 ∗A), B) 、内山暁仁 A) 、今尾浩士 A) 、渡邉環 A)

Ryo Koyama∗ A), B) , Akito UchiyamaA) , Hiroshi ImaoA) , Tamaki WatanabeA)A)
RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based ScienceB)
SHI Accelerator Service Ltd.

Abstract
Most parts of the RIBF components are controlled by using EPICS, but NI LabVIEW is also widely used owing to its
beneﬁt that enables us to introduce a hardware interface in a short term at low cost. We have successfully upgraded theLabVIEW-based control system of the He gas striper at RIBF, by introducing CA Lab: the interface between LabVIEWand EPICS. The upgraded system works as EPICS IOC, so we can operate a client control protocol integratively.
1.2 RIBF 制御系概要

はじめに

1.

電磁石電源・ビーム診断装置・真空制御機器を含む

1.1 RIBF 加速器の構成
理化学研究所仁科加速器科学研究センターの Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF) [1] は、水素からウランまでの重イオンビームを加速し、世界最大強度の RIビームを発生させ、新たな原子核モデルの構築・元素の起源の解明といった根源的な問いに答える研究に加え、新しい RI 技術による新産業の創出への貢献を目的とする加速器施設である。
Figure 1 に示す通り加 速器は 3 台の入 射器 (AVF、RILAC、RILAC2) と 4 台のリングサイクトロン (RRC、fRC、IRC、SRC) で構成される [2]。更に現在、超重元素合成実験に必要な低速度領域において大強度ビームを高加速勾配で加速するために、RILAC の後段に λ/4 型超伝導線形加速器 (SRILAC) [3] が建設中である。重イオンはこれらを適宜組み合わせて多段加速される途中で、固体膜、あるいは気体を用いたガスストリッパーにより荷電変換される。これにより核子当たりのエネルギーが345 MeV/u (質量/電荷比 ≃2 の場合は 400 MeV/u) まで加速することができる。

RILAC+SRILAC
1st stripper(He-gas@238U)

RILAC2
AVFRIBF
experimental hall

RRC
SRCfRCRIBF “old”
experimental hall
(RARF)

IRC

BigRIPS

2nd stripper

Figure 1: Schematic layout of RIBF at RIKEN Nishina
Center for Accelerator-Based Science.

∗ rkoyama@riken.jp

RIBF 構成装置のほとんどが Experimental Physics andIndustrial Control System (EPICS) [4] を用いた分散制御システム [5] で構築されている。EPICS では、制御対象となるデバイスとオペレータインターフェースとなる端末を結ぶフロントエンド計算機を Input/Output Controller(IOC) と呼び、IOC 上で EPICS のベースプログラム及び各種コントローラ制御用に作成されたドライバプログラ
ムが実行される。これらプログラムは IOC に定義された Process Variable (PV) と呼ばれるデータ群を Channel
Access (CA) プロトコルに従って読み書きすることで目的の装置を制御している。
この一方で、いくつかのセクションにおいては制御デバイスと PC から成る二層制御システムも混在し、EPICS ベースなシステムとは独立に運用されている。これは RIBF の前身である RARF の旧システムが一部踏襲されていることも理由の一つとして挙げられるが、大きな理由はマンパワーや開発時間に制限があるためである。なぜなら EPICS では netDev [6] や stream device [7]といった、ハードウェアへのインターフェース部分であるデバイスサポート開発のしきい値を下げるツールが提供されてはいるが、使用したいハードウェアのデバイスサポートが提供されていなければ開発する必要があり、それなりのコストがかかるからである。
二層制御システムのうち、RIBF においてはナショナ
ルインスツルメンツ (NI) 社の LabVIEW [8] が広く使用されている。LabVIEW ではハードウェアへのインターフェース部分は提供されているケースが多く、すでにあるものを利用するだけで低コストに導入できるという利点がある。また、データ読み出しに関しては EPICS と統一的に扱う手法を開発・運用しており、異なるシステムで取得したデータ同士も統一的な参照が可能となっている [9]。しかし、オペレータインターフェース、アーカイバといった加速器運転に必須なシステムを統合するためには、制御プロトコルはやはり統合されているべきであり、RIBF においては EPICS ベースなシステムとの統合のしきい値を下げる事が大きな課題であった。これを解決すべく今回導入したのが CA Lab [10] であり、2 項で詳しく述べる。

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1.3 ガスストリッパー
RIBF におけるウランやキセノンといった非常に重いイオンの加速においては RRC の後段と fRC の後段の 2箇所で荷電変換が行われ、2012 年までは炭素膜を荷電ストリッパーとして用いて来た。しかしウランの様な非常に重いイオンは電子束縛エネルギーが大きいため、軽いイオンに比べて必然的に膜厚が厚くなり、ビームエネルギー損失は増加し、ビーム品質の劣化および膜自身のダメージは避けられず、ビーム大強度化における課題となっていた。これを打開すべく開発されたのが He
ガスストリッパー [11] であり、RRC 後段にインストールされ、その制御システムに LabVIEW を用いている。
Figure 2 に He ガスストリッパーを用いる代表的なウランの加速スキームを示す。
238U35+フェースとなる。CA Lab SoftIOC はネットワーク上にPV を提供し、この PV の変化を ローカルなソケット通信として CA Lab Event VI がイベントドリブンに検知しデバイスの制御を実現している。LabVIEW には様々な計測器ドライバが用意されているので、EPICS デバイスサポートに代わり、これらを流用することで低コスト短期間でのシステム開発を可能にさせている。一方、本家
EPICS の手順ではランタイムデータベースとデバイスドライバを結ぶデバイスサポートを開発せねばならない場合が多く、システム開発にコストと時間がかかる傾向にある、と考えている。これらの関係を Fig. 3 に示す。
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34&:01

toBigRIPS

238U64+IRC
RRC

He-gasstripper

RILAC228G-SCECRIS

fRC

238U64+
238U86+SRC
345 MeV/u!"#$%"!"#$%"

34&:01&(+;,&783-).,$/"&!0,0102"

Rotating graphite-sheet stripper

Figure 2: Schematic of 345 MeV/u 238 U acceleration.
尚、キセノン加速においては fRC 後段にインストールした空気ストリッパーも併用した実績と、He ガスの代わりに N2 ガスをターゲットガスとして使用した実績があるが、本稿では RRC 後段の He ガスストリッパーについて述べる。

2.

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ガスストリッパー制御システムの更新

2.1 CA Lab の導入

Figure 3: System conﬁguration diagram for CA Lab SoftIOC and for native EPICS IOC.

2.2

He ガスストリッパー制御系のアップグレード

アップグレードした He ガスストリッパー制御システ
ムにおいて使用している CA Lab SoftIOC (EPICS IOC)を Fig. 4 に、同制御システムのブロックダイアグラムをFig. 5 に示す。

RIBF における LabVIEW を用いた制御システムの一つが He ガスストリッパーの制御システムである [12]。
このシステムは NI 社から提供されている NI EPICS
Client I/O Server [13] によって CA クライアントとしての機能は持たせていたが、二層制御システムであるため他の EPICS ベースシステムと相互にアクセスすることが難しかった。また、NI EPICS Server I/O Server を導入
すれば EPICS IOC の構築が可能ではあるものの以下の問題点があった：
1)

2)
3)
4)

PV を直接は扱えず、LabVIEW プロジェクトで PVを定義した上でネットワークシェア変数と１つ１つ紐付けして使用する必要がある点、PV を直接扱えないが故に、端末毎にネットワークシェア変数との紐付けが必要な点、プログラム上でポーリングすることでしか PV の変化を検出できない点、VAL 以外のフィールドを利用できない点。

これら問題点の解決と今後の拡張性を検討し、今回 He
ガスストリッパーの制御システムにおける中間層として
CA Lab SoftIOC を導入し、システムのアップグレードを行った。
CA Lab とは、Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) で開発された LabVIEW の VI ライブラリであり、EPICS
CA プロトコルに従って LabVIEW と EPICS のインター

Figure 4: LabVIEW Block diagram (upper) and front
panel (lower) of CA Lab SoftIOC (EPICS IOC).

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フェースは DeviceNet。CAN ブレークアウトボッ
クス NI 780041-01 を介し、He ターゲットを挟んで上流下流 2 つずつの計 4 つのマスフローコントロー
ラーを制御可能だが、現状は上流側 1 つのみを使用している。
• 真空ゲージ：各所の真空ゲージ (CDG-500/Agilent、MG-2/Cannon Anelva) の 値 を ゲ ー ジ コ ン ト ロ ー
ラー XGS-600 (Agilent) で読み取り。制御インター
フェースは RS232。
• マシンプロテクション用インターロック：排気循環用 Mechanical Booster Pump (MBP) 温度 (PT1–3)とオリフィス温度 (OT1–4) を K 型熱電対と温度計モジュール NI 9213 で読み取り。温度異常時はソリッドステートリレー NI 9485 を介して加速器のビームインターロックシステム [15] に信号を出力。これらモジュールのシャーシは USB インターフェースの NI cDAQ 9172 を使用。
• バッフルカレント：ガスストリッパーのオリフィス入り口にバッフルスリット (BF1–3) を設置し、そこに当たる電流量を EPICS ベースシステムで計測している。LabVIEW-VI 上でこの電流値やオリフィス温度などを一緒にプロットすることでビームロスの程度を把握しつつビームトランスポートのパラメータを最適化している。
• データアーカイブ：ガス圧、各所の温度といったガスストリッパー制御に関わる全てのデータは MyDAQ2 システム [16] にアーカイブしている。MyDAQ2 は SPring-8 で開発されたデータ収集・表示システムであるが、RIBF では主に非 EPICS のデータを収集する目的で独自に機能拡張を行い、大規模に運用を行っている。しかし今回のアップグレードによってシステム統合が達成されたので、EPICS 制御系のデータアーカイブシステム [16] が利用可能となった。

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Figure 5: Schematic of He gas stripper and block diagramof its control system.
アップグレードした He ガスストリッパー制御システ
ムの構成は以下の通りである：• ローカル制御：ガスストリッパーのある加速器室から約 30 m の距離に設置した EPICS IOC として使用している PC 上で、これと直結した各デバイスをLabVIEW を用いて制御。
• EPICS IOC 用 PC：インターフェース社の Classembly Devices [14] を採用した。CA Lab SoftIOC が走り、各デバイスの制御を PV 経由で実行。2 つあるシリアルポートにガス圧と真空ゲージコントローラーを、PCI スロットには DeviceNet 用の NI PCI8532、USB ポートにはビームインターロック用のcDAQ を接続している。その他の仕様は Table 1 を参照。
• リモート制御：コントロール室設置のクライアント
PC (Table 1 を参照) に LabVIEW と CA Lab をインストールし、PV 経由でガスストリッパーを制御。
各種値をトレンドグラフ化して監視、異常時にはアラームが発報する CA クライアントを LabVIEW-VIとして作成。
• ターゲットガス圧制御：ガスストリッパーのター
ゲット圧をガス制御バルブ RME 005 A とそのコン
トーラー RVC 300 (両 Pfeiffer Vacuum) で制御。制
御インターフェースは RS232。
• ガスジェット制御：N2 ガスジェットをマスフローコントローラー FCS-T1000D (Fujikin) で制御。N2ガスジェットは He ガス閉じ込め能力を向上させ、差動排気系のオリフィス系を増大させつつガルストリッパー前後の真空を維持するとともに前段ストリッパーとしての役割を担う [11]。制御インターTable 1: Speciﬁcation of Control PCs
Local control (Classembly Devices)OS
Windows 10 Enterprise 2016 LSTBCPUIntel Core i5-4570TE @ 2.70 GHz
Memory 8.00 GB
Function EPICS IOC (CA Lab SoftIOC)
Remote control (general purpose PC)
OSCPU
MemoryFunction

Windows 10 Pro
Intel Core i5-7400 @ 3.00 GHz
8.00 GBCA client
Backup (general purpose PC)

OSCPU
MemoryWindows 7 Pro SP1Intel Core i3-3220 @ 3.30 GHz
8.00 GBアップグレードに際して EPICS IOC 用 PC を汎用的なマシンから、24 時間連続運転を想定した高耐久高信
頼のインターフェース社 Classembly Devices [14] に置- 867 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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き換えた。特徴としては、ディスクへの書込みを保護することで、シャットダウンコマンドを無視して電源を落とす事が可能な点が挙げられる。また、昨今の PC としては珍しくシリアルポートが 2 ポート搭載されていることも大きなメリットであった (He ガスストリッパー制
御に必要十分数)。それまで使用していた汎用的なマシン (Table 1 内の Backup) にはシリアルポートがなかったため、開発当初は USB/シリアル変換アダプタを使用していたが、概ね１ヶ月に数回は通信異常が発生していた。その後、Ethernet/シリアルインターフェース (NIEnet-232/4) に更新したがこれも１ヶ月に１回程度の頻度で通信異常が発生していた。
アップグレード後の本システムは 2018 年 10 月 2 日に起動し、現在も SoftIOC を含む制御システムとしては連続的に稼働中であり、連続約 10 ヶ月間一度もトラブルは起きていない。この期間のうち 345 MeV/u-238 U 加速に 52 日間、345 MeV/u-124 Xe 加速に 28 日間、実際にガスストリッパーにガスを流して連続運転した。He ガスストリッパー及びそれに続く N2 ジェット導入は、ビーム強度増大に大きく貢献しており、345 MeV/u-238 U は72 pnA、345 MeV/u-124 Xe は 173 pnA を達成している。

3.

まとめと今後の展開

ガスストリッパーの制御システムにおける中間層として CA Lab SoftIOC を導入し、システムのアップグレードを行った。PCI バス、RS232、USB と数種類の異なる物理層へのアクセスに対しても、LabVIEW で提供されている計測ドライバをそのまま利用することで低コストにシステムを構築することができた。アップグレードされたシステムは、LabVIEW ベースにもかかわらずEPICS IOC として振る舞うため、クライアント制御プロトコルを統合的に扱うことができるようになった。2018
年 10 月に実運用を開始して以降、トラブルは 1 度も起きていない。RIBF においてはガスストリッパー以外にも LabVIEW ベースの制御システムが使用されており、これらへ CA Lab SoftIOC を導入し更なるシステム統合を検討している。NI PXI システムを中核としたビームエネルギー測定・フィードバックシステム [17] への導入が第一候補である。

参考文献[1] Y. Yano, The RIKEN RI beam factory project: A status report, Nucl. Instrum. & Methods B261 (2007) p. 1009.
[2] N. Tsukiori et al., FSPH002, in these proceedings.
[3] K. Yamada et al., Proc. of PASJ2017, p. 17.
[4] EPICS; https://epics.anl.gov[5] M. Komiyama et al., Proc. of ICALEPCS2013, San Francisco, CA, USA, p. 348.
[6] J. Odagiri et al., Proc. ICALEPCS2003, Gyeongu, Korea,P.494.
[7] D. Zimoch, StreamDevice2 ;http://epics.web.psi.ch/software/streamdevice[8] LabVIEW;
https://www.ni.com/ja-jp/shop/labview.html[9] A. Uchiyama et al., Proc. of PCaPAC2016, Campinas,Brazil, p. 35.
[10] CA Lab;https://www.helmholtz-berlin.de/zentrum/locations/it/software/exsteuer/calab/index_en.html[11] H. Imao et al., Proc. of IPAC2018, Vancouver, BC, Canada,
p. 41.
[12] R. Koyama et al., RIKEN Accel. Prog. Rep. 48, 2015, p.
192.
[13] EPICS I/O Server;
http://www.ni.com/product-documentation/14149/en/[14] Classembly Devices (Interface Corp.);
http://www.interface.co.jp/catalog/prdc.asp?
name=EST-EM11A(S7X)GF00NS22[15] M. Komiyama et al., Proc. of PASJ2 & LAM30, p. 615.
[16] A. Uchiyama et al., Proc. of PASJ2017, p. 644.
[17] T. Watanabe et al., Proc. of PASJ2018, p. 49.

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