Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 THP13

KAGRA 真空監視系への KEK 加速器技術の導入 II
INTRODUCTION OF ACCELERATOR KNOW-HOWS TO
KAGRA’S VACUUM SYSTEM II
上窪田紀彦#, A), 楊敏 A), 都丸隆行 B), 木村誠宏 C), 中垣浩司 C), 内山隆 C), KAGRA Collaboration
Norihiko Kamikubota #, A), Min YangA), Takayuki TomaruB), Nobuhiro KimuraC), Koji NakagakiC), Takashi UchiyamaC)
A)
KEK/J-PARC, B) NAOJ, C) ICRR, the University of TokyoKAGRA Collaboration

Abstract

KAGRA is a detector for gravitational waves, a laser interferometer with 3km x 3km arms, located in an undergroundsite in Kamioka, Gifu, Japan. Vacuum system for KAGRA was constructed already, while a remote monitoring system
for it is not well implemented yet. In 2021, KEK staff members started to discuss the issue with KAGRA on-site staff
members. During 2022-2023, EPICS-based prototypes were developed for monitoring vacuum components, and wereevaluated for near future mass production. This report describes the current status of KAGRA vacuum monitoring system,
various problems behind, and future plans.
KAGRA の副推進機関として、真空システム、極低温システム、機器測量、などで協力する。ICRR と KEK の覚書は2010 年度から始まっているが、2020 年度から「機器KAGRA は東京大学宇宙線研究所（ICRR）、高エネ制御システム（主としてEPICS 機器制御システム、干渉ルギー加速器研究機構（KEK）、自然科学研究機構 国計制御システムは含まない）」が追加された。しかし
2020
立天文台（NAOJ）を共同ホスト機関として遂行するプロ年はコロナ禍が始まった年で、実際に機器制御の活動ジェクトである。KAGRA は重力波観測施設で、3 km x
3 km のレーザ干渉計が岐阜県神岡の地下に建設され が始まったのは 2021 年度の後半からである。活動の中ている[1, 2]。重力波観測で先行するアメリカの LIGO[3] 心は KAGRA 真空監視系の構築となっており、真空機やヨーロッパの VIRGO[4]も同様の長基線（3-4 km）レー 器向けの最初の Prototype の開発が 2022 年の加速器学ザ干渉計であるが、KAGRA は冷却した鏡で干渉計を構 会で報告されている[8]。
この報告では、2021 年度以降の KEK 加速器から成すること、また地下に建設されていることが特徴である。
KAGRA機器制御への貢献について解説する。中心のまた、重力波源の方向決定には、距離が離れた複数の話題はKAGRA
真空機器の遠隔監視であるが、その背レーザ干渉計の同時観測が重要で、アジアに位置する景の問題点についても議論する。
KAGRA の運用が期待されている[5]。
上の事情から、Fig. 1 で示すように、LIGO-VIRGOKAGRA 真空監視系の状況
KAGRA 間で重力波を観測する期間（Observing Run）を 2.
合わせるよう調整している[6]。2015 年以降 2020 年まで 2.1 KAGRA 真空システムと真空監視系整備の経緯に 3 回の Run があり、現在は 4 回目の Run ”O4” が進レーザ干渉計の光の空気散乱は重力波検出のノイズ行中である。O4 は、2023.年 5 月開始で 20 か月観測す 源となるため、干渉計は真空中に置かなければならない。
る予定である（1 か月ｘ2 回の中断を挟む）。
KAGRA の真空システムは、KEK 加速器の超高真空技

1.

はじめに

Figure 1: Timeline of observing runs, quoted from [6].
KAGRA の建設・運用では、ICRR、NAOJ、KEK の 3者間で覚書（MOU） が締結されている[7]。KEK は、___________________________________________# norihiko.kamikubota@kek.jp

術を参考に設計された。約 500 本の Φ800 mm・12 m の真空ダクトを中心に組まれ、その真空容積(~3000 m3)は大型加速器より 1 桁大きい。最終的に要求される真空度は 2x10-7 Pa とされる[9-11]。
KAGRA 真空システムの全体レイアウトを Fig. 2 に、また基本ユニットの構成を Fig. 3 に示す。各ユニットは、
Gate Valve (GV) 2 台、Pump 3 台（Roots、TMP、IP）、Cathode gauge ＝真空計 1 台、から成るが、それらが約40 か所に分散配置されている。3 km の X/Y arm 部分の真空ユニットは、約 500 m 毎の配置である。また、X/Yarm の真空を遮断する大口径 Gate valve（Φ800 mm とΦ1000 mm）が 8 か所ある。
一方、真空機器の遠隔監視は、KAGRA 機器制御のMOU が発効した 2020 年時点で構築されていなかった。
現場の真空作業は、Gauge のパネル表示で真空値を確認し、Pump の ON/OFF や Gate valve 開閉は手動操作- 708 -

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PASJ2023 THP13で対応していた。2021 年度後半から、KAGRA スタッフとKEK スタッフ間で真空監視系整備の実質的な議論が始まった。真空機器の状態が遠隔で監視できるよう（遠隔制御は原則望まない）、順次整備を進めることとなった。
2022 年 2 月、PLC ベースの機器信号取合い装置（Prototype-1）を開発し、KAGRA の真空機器セット（GateValve 2 台、Pump 3 台、Cathode gauge 1 台）の EPICS 遠隔監視に成功した[8]。2023 年 3 月には、低コストのLAN-DIO ベースの機器取合い装置（Prototype-2）を新規に開発し、Prototype-1 同様に真空機器の EPICS 遠隔監視に成功した（2.2 参照）。

信号を LAN に変換するデバイス（LAN-DIO）に注目した。
何社かの候補を検討したが、2022 年度内の納品が確実でかつ会社の技術サポートがある製品として、最終的にCentury System 社の FutureNet XIO-100 [14]を選んだ。
XIO-100 は 8 点の D-in と 8 点の D-out を持ち、価格は5 万円弱である。また、上位計算機と Modbus 通信（LANまたは RS485）が可能である。XIO-100 選択の経緯やEPICS support の詳細は、[15]で別途報告する。
PLC の替わりに XIO-100 を用いた信号取合い装置
Prototype-2 を設計した（Fig. 4）。Gate valve, Roots pump,Agilent 社 Ion pump の信号を XIO-100 の D-in で取込む。Edwards 社 Ion pump は、Pump 本体の LAN port で接続する。TMP と Cathode gauge は、RS485 回線をMOXA (NPort5250A)経由で LAN 接続する。XIO-100の D-out 8ch は使用していない。Prototype-1 との違いは、
PLC が XIO-100 に置き換わった点、TMP の監視が PLCの D-in から RS485 シリアル通信に変わった点、である。
2023 年 3 月、Prototype-2 型の信号取合い装置を、Yarm の 2100m 地点（Y21）に持ち込んだ。KAGRA トンネ
ル内の湿気や水滴を避けるため、装置はプラボックス内に組込まれている（Fig. 5）。Y21 の真空機器のうち、Gatevalve 2 台、Roots pump, Ion pump（XIO-100 に接続される機器）の EPICS 監視に成功している。

Figure 2: Layout of KAGRA vacuum units.

Figure 4: Prototype-2 design for one vacuum unit.

Figure 3: Vacuum components for one unit.
2.2 2 つ目の信号取合い装置：Prototype-2
2022 年 2 月導入の Prototype-1 は、Gate valve や Pumpの digital 信号を PLC I/O module で受ける。この取合い方式は J-PARC MR 加速器の標準で、信頼度や拡張性に優れ、加速器での実績も申し分ない[12, 13]。一方Prototype-1 は、PLC１式で約 15 万円かかること、2022 年の夏はコロナ禍で PLC の納期が不安定だったという事情もあり、低コストの別の方式が無いか模索していた。
PLC I/O module の替わりとなるものとして、Digital I/O

Figure 5: Prototype-2 implemented at the location Y21.
2.3 共同観測 O4a での真空監視
Figure 1 で示す LIGO-VIRGO-KAGRA 間の共同観
測”O4”は、5 月 24 日に始まった。現時点では KAGRA
は感度向上のための Commissioning が最重要で、20 か月の O4 の最初の 4 週間のみ観測に参加することとした- 709 -

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PASJ2023 THP13（O4a と呼ばれる）。O4a 時点の LIGO の感度は 150 Mpc、KAGRA の感度は 1.3 Mpc、VIRGO は観測に参加していない。O3 では KAGRA の鏡は常温だったが、O4a では 4 つの鏡のうち 1 台（ETMX）が 87K まで冷却された[16]。次の O4 参加は 2024 年春の予定である（O4b）。
O4 開始前、KEK の活動とは別に、KAGRA スタッフにより暫定真空監視システムが整備された。約 20 か所のCathode gauge そ れ ぞ れ に Raspberry pi を 取 付 け 、Python script で RS485 経由で真空値を読み出す。それらの値を 1 台の Soft IOC に集約（caput）し、Web ベースの表示画面で情報共有する、という仕組みである[17]。この暫定システムでは、Gate valve や Pump は監視していない。
O4a 直前、KAGRA スタッフとの相談で、至急追加でX27 の真空度を監視したい、という要望があった。これを受け、2023 年 5 月に X27 の Cathode gauge が Prototype2 の機材で整備された（Gate valve と Pump 分は未実装）。
Figure 6 に、O4a 期間の KAGRA 真空トレンド（X-cener,arm, end エリア）を示す。KEK が整備した X27 の真空値が、KAGRA 整備のものと共に表示されている。

3.

議論

3.1

技術的な問題3.1.1 機器 Network
真空監視系の整備に影を落とす問題として、KAGRAの Network 環境がある。KAGRA では、干渉計の Digital
Control のための Network(Fig. 7 の DGS)が用意されている。Digital Control は LIGO から導入したもので、Epics-base のパラメータ監視が可能である[18]。一方、
DGS network の IP アドレス空間は 256 個に制限されており、IP 機器の追加は困難である。このため、追加機器は Kagra(ICRR) （Office LAN）に接続されることがある。
しかし Office LAN を機器制御運転に使うのはご法度であろう。本稿で紹介する真空機器でも、IXC は DGS、
Y21 と X27 は Kagra(ICRR) に接続されている。
この問題の根本的な解決案として、KEK からは、機器制御用 VLAN（VAC=真空用、CCR=監視端末用、Cryo＝冷凍機用、など）を定義した追加 Network の構築を提案している（Fig. 7）。

Figure 7: Network extension plan for device controls.

Figure 6: KAGRA vacuum trend of X area during O4a(May 25-June 01).
2.4 今後の予定
2023 年夏時点までに KEK が整備したのは、1) 2022
年 2 月に Prototype-1 が IXC に、2) 2023 年 3 月にPrototype-2 が Y21 に、3) 2023 年 5 月に Prototype-2（Cathode gauge のみ）が X27 に、の 3 か所に過ぎない。
今後は Prptotype-2 を量産モデルとして、Raspberry piベースの暫定真空系の置き換えを含め、順次数を増やしていく。KAGRA スタッフとの相談の結果、O4b 開始前（おおむね 2023 年度中）に、4 か所（X27, EXA, IXA,EYA）を優先整備する方針である。
一 方 、 O4a 終 了 後 、 大 口 径 Gate valve の 監 視 とInterlock 整備（真空が悪化したら自動で GV 閉）が議論された。現在、Interlock logic を PLC ladder に組み込んだ新 Prototype （Prototype-3）を検討中である。こちらもO4b 開始前に 4 か所程度で実装を目指す。

3.1.2 高湿度による Ion Pump 故障
KAGRA 真空機器（特に X/Y arm の機器）は、高湿度の地下トンネルに設置されている。このため、Ion pump
高圧系での故障が発生する。O4a 期間にも一部で Ion
Pump が停止していたため、TMP と Roots pump での代用運用を余儀なくされた。
この問題は、加速器や LIGO、VIRGO では起こり得ない。KAGRA 独自で経験を重ね、対応策を練っている段階である。
3.2

研究環境の問題

3.2.1 人的資源と加速器型機器制御
J-PARC MR 加 速 器 の 標 準 に 沿 っ た Prototype-1（PLC-based）が量産モデルとして採用できなかったのは、加速器施設と KAGRA の予算・人員規模の違い（加速器施設がおおむね１桁大）が背景にある。今回のPrototype-2 の開発のように、KAGRA の条件に合ったカスタマイズが必要であった。
KAGRA の人的規模で、制御グループや Network 専任者を置くことは難しい。3.1.1 の機器制御 Network 案も修正が必要かもしれない。今後関係者と意見交換しながら現実的な案を探っていく。

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3.2.2 トンネル内作業環境
KAGRA トンネル内では様々な作業や調整が並行して行われる。他の高優先度の作業次第で、トンネル内で真空機器制御の作業が制限されることも多い。また、
Arm 部は春には湧水で地面が水浸しになる場所もある。
受け入れざるを得ないが、真空機器制御の実装がなかなか進まない事情の一つである。

4.

まとめ

2021 年度以降の約 2 年間の、KEK の KAGRA 機器制御への貢献について報告した。KEK 加速器の EPICS
ベースの機器制御の経験をもとに、a) J-PARC MR 仕様の PLC ベースの Prototype1 が KAGRA 真空機器（Gatevalve、Pump、Cathode Gauge）の監視に使用できることを実証し、b) LAN-DIO ベースの低コストな Prototype2 を量産モデルとして開発した。現時点で 3 か所の真空機器を監視している。今後は、Prototype2 を基本に全体約 40 か所の整備を目指す。関連して大口径 Gate valve の監視・Interlock にも着手する。
一方、KAGRA サイトでの真空監視系の整備では、ネットワーク環境に問題があると考える。KAGRA スタッフと協力して解決策を議論する。

[11] T. Tomaru et al., “Vacuum System in KAGRA Gravitational
Wave Telescope”, Presentation in IVC-22, Sapporo, Sept.
2022.
[12] J. Odagiri et al., “Application of EPICS F3RP61 toAccelerator Control”, Proc. ICALEPCS 2009, Kobe, Japan,
Oct.2009, pp. 916-918.
[13] 佐藤健一、高橋大輔、上窪田紀彦、吉田奨、”J-PARC
MR における PLC module の管理方法の実体”, 平成 26
年度北海道大学総合技術研究会, Sapporo, Japan, Sept.
2014.
[14] プロトコル変換器 FutureNet XIO-100,
https://www.centurysys.co.jp/products/protocol/xio100.html[15] M. Yang et al., “Evaluation of a LAN-DIO (Digital-IO toLAN) Converter”, The 20th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan (PASJ2023), Funabashi, Japan,
Aug.29 – Sept.1, 2023, THP11, this meeting.
[16] Y. Itoh on behalf of the KAGRA Collaboration, “Status ofKAGRA”, Proc. 38th International Cosmic Ray Conference(ICRC2023), Nagoya, Japan, July 26 - Aug.3, 2023.
[17] T. Yokozawa (横澤孝章)、private communication.
[18] O. Miyakawa on behalf of KAGRA Collaboration, “RealTime control for KAGRA covered by EPICS”, Presentationin EPICS collaboration meeting, Osaka, Japan, May 2017,

謝辞
KAGRA 真空監視系向けの計算機（特に EPICS IOCとなる micro server）の初期調整は、KEK 山田秀衛氏の技術協力が不可欠でした。また、PLC 機材の選択や手配では、KEK 佐藤健一氏に協力していただきました。真空機器のうち Cathode gauge や Ion pump controller の監視では、KEK 佐藤吉博氏との議論が役に立ちました。
深く感謝いたします。
KAGRA サイト（飛騨市神岡町）での活動は、ICRR の多くの皆さんにご協力いただいております。深く感謝いたします。

参考文献[1] T. Akutsu et al., “Overview of KAGRA: Detector design andconstruction history”, Progress of Theoretical andExperimental Physics, 2021(5):05A103, May 2021.
[2] https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/[3] https://www.ligo.caltech.edu/[4] https://www.virgo-gw.eu/[5] T. Tomaru, “Gravitational wave observation now andfuture”, Presentation in the 19th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan (PASJ2022), Kitakyusyu(Online meeting), Japan, Oct. 2022,
https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2022/proceedings/
PDF/TUOP/TUOPA01_oral.pdf[6] https://observing.docs.ligo.org/plan/[7] 内部文書 “大型低温重力波望遠鏡 KAGRA を用いた重力波天文学の推進についての覚書”, 令和 2 年４月１日[8] M. Yang et al., “Introduction of accelerator know-hows to
KAGRA’s vacuum system”, Proc. PASJ2022, Kitakyusyu(Online meeting), Japan, Oct. 2022, pp. 780-782.
[9] 齊藤芳男, 高橋竜太郎, “大型低温重力波望遠鏡用 3km
大口径真空ダクトの製作”, Journal of the Vacuum Societyof Japan, Vol.54 (2011), pp.621-626.
[10] 齊 藤 芳 男 , “KAGRA の 真 空 装 置 ”, 日 本 機 械 学 会 誌
Vol. 120 (2017), pp. 16-19.

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https://www.rri.kyoto-u.ac.jp/EPICS/materials/
Osamu_Miyakawa_KAGRA_20150517_EPICS2up.pdf