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

PASJ2022 TFP003

若狭湾エネルギー研究センターシンクロトロンの現状
PRESENT STATUS OF THE SYNCHROTRON AT WERC
栗田哲郎 ∗,A) , 羽鳥聡 A) , 山田裕章 A) , 廣戸慎 A) , 清水雅也 A) , 山口文良 A) ,淀瀬雅夫 A) , 渕上 隆太 A) , 小田部 圭佑 A) , 古川 靖士 A) , 羽田 祐基 A) , 田村文彦 B)

Tetsuro Kurita∗ , A) , Satoshi Hatori A) , Hiroaki Yamada A) , Shin Hiroto A) , Masaya Shimizu A) ,Fumiyoshi Yamaguchi A) , Masao Yodose A) , Ryuta Fuchigami A) , Keisuke Otabe A) ,Seishi Furukawa A) , Yuki Haneda A) , Fumihiko Tamura B)
A)
The Wakasa Wan Energy Research CenterB)
J-PARC Center, JAEA

Abstract
The accelerator complex at The Wakasa Wan Energy Research Center (WERC) consists of a 5 MV Schenckel type
tandem accelerator and a 200 MeV proton synchrotron. Using this system, the element analysis, medical, biological andmaterial sciences are performed. In the 2021 ﬁscal year of the period from April 1, 2021 to January 29, 2022, experiment
time amounted to 1320.4 hours. The percentage of experiment time using the synchrotron was ∼56.4%. Also, we reportdevelopment progress of a new LLRF control system. The new system utilizes FPGA and MicroTCA.4. The beamcommissioning and develpment of operation interface softwares are in under progress. Beam proﬁle monitors of theextraction beam lines of the synchrotorn has been updated to ﬁx vaccum leakage. As a result, intermittent leakages ofvacuum have rarely occurred.

2.

運転状況

2020 年 2 月から 3 月にかけて行われたタンデム加速器の定期点検の後、計画通り 2020 年 4 月から 2021 年 1月まで実験にビームが供給された。
Figure 1 に近年のビーム別の実験時間（加速器の調整/コンディショニングなどの時間を含めず、実験にビームを供給した時間）の推移を示す。加速器施設全体の実験にビームを供給した時間は、1320.4 時間であった。2021
年の 6 月下旬旬から 7 月にかけて、タンデム加速器のコラム電流が不安定になったため、計画外の整備を行った。
このため、2020 年度より、さらに実験時間が減少することになった。
その内シンクロトロンを使った実験は ∼56.4% であった。例年の 50% 程度より 1 割程度増えた。
∗ tkurita@werc.or.jp

実験時間が減少

1000
500

タンデム加速器 加速管交換

1500

コロナ禍の影響

実験時間が減少2000

He2+ 220MeV
C6+ <660MeV
C6+ 660MeV
H+ ≤100MeV
H+ ≤180MeV
H+ 200MeV
Tandem Accelerator

2021

2020

20192018

2017

20162015

201420132012201120102009200820072006

2005

0Fisical Year

Figure 1: Trend of beam time categorized by ion and energy.
1400
1200
1000
800

Space Development

600Development

Material Irradiation
Biological Irradiation

400

Medical (Basic/Development)
Medical Trial

200
0
2005
2006
20072008
2009
2010
2011
2012
2013
20142015
2016
201720182019
2020
2021

財団法人若狭湾エネルギー研究センターは 1993 発足
し、施設としての福井県若狭湾エネルギー研究センターは 1998 年に開所した。同時に、加速器施設建設が開始され、2000 年に加速器施設運用開始された。
加速器施設 (W-MAST) は、タンデム加速器および、それを入射器としたシンクロトロンによって、広範囲のエネルギーのイオンビーム（陽子 : 数 MeV-200 MeV;
He, C : 数 MeV/u-55 MeV/u）を様々な実験に供給している [1]。
2002 年に陽子線を用いたがん治療装置治験開始し、2003 年から 2009 年まで陽子線をがん治療臨床研究が行われた。臨床研究は、福井県立病院に移転されたが、シンクロトロンからのビームは、がん治療の基礎研究および材料/生物/細胞への照射実験に利用されている。

Experimental Time [hour]

はじめに

Experimental Time [hour]1.

タンデム加速器
加速管対応の為

タンデム加速器 耐電圧降下の対応の為

タンデム加速器 絶縁コラム交換

2500

Fisical Year

Figure 2: Trend of beam time of the synchrotron categorized by experimental interests.

Figure 2 に近年のシンクロトロンが使われた実験テー
マ別の実験時間の推移を示す。シンクトロンのビームの主な用途はイオンビーム育種や粒子線がん治療の基礎研究であったが、近年は、宇宙開発関連に大きな需要がある。費用の発生する依頼照射が多く行われるようになっ- 1132 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of JapanOctober 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

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70

The Number of Themes

60
50Space Development
40

Material Irradiation
Development

30

Biological Irradiation
Medical (Basic/Development)

20

Medical Trial

10

Tandem Accelerator
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021

0御である。もう二つの AMC は、６台の BPM の信号を処理する。
2020 年から 2021 年にかけて、オフビームでの空洞電圧フィードバックの動作を確認し、2021 年 11 月からビーム試験を重ねて不具合の洗い出しと修正を行なっている。B-Clock モードでの加速に成功している（Fig 5）。
現在、位相振動及びビーム位置フィードバックのテストを行っている。

Fisical Year

Figure 3: Trend of the number of themes categorized byexperimental interests.てきている。
Figure 3 に近年の実施された実験課題数の推移を示す。ほぼ毎年 50 前後の課題が申請/実施されている。

加速高周波制御系の開発

3.

Accelerator RoomControl RoomBeam

Processing of Beam Position Monitor Signals

BPM L
ADADIQ
Demodulator√(I2 + Q2)

IQ
Demodulator√(I2 + Q2)

CORDIC

BPM R(R-L)/(R+L)

DA

Beam Position

CORDIC

Phase
Accumlator

Processing of Beam Position Monitor Signals for Beam Feedback

BPM L

ΔR Reference
Pattern(R-L)/(R+L)

CORDICΔR monitor

22√(I + Q )I/Q
Demodulator

ADDA22√(I + Q )I/QDemodulator

AD

BPM Signal Processing
made in 2020現在、加速高周波制御系 (LLRF:Low Level RF) の更新に取り組んでいる [2]。
近年の技術的動向に追随したシステムとして、発振器およびフィードバック制御系、ビーム位置モニター信号処理系のすべてを FPGA を用いたデジタル高周波信号回路で構築したシステムの開発を行っている。

PI Controller

CORDIC

BPM R
I1
Q1
I2
Q2

I/Q Demodulator

arctan(Q1/I1)-arctan(Q2/I2)
CORDIC

Clock

phase
h=n×n
harmonics
selection
h=1…5

Frequency
Pattern(T-Clock)

Bending B-Clock +Magnet Generator-upper

h=1

phase
h=1

Frequency
Pattern(B-Clock)

RFCavity

DI0.5-10MHzLANOperation InterfaceI/(√(I2 + Q2))

Gain LUT×h
phase
h=nDI

Phase
Oﬀset LUT

I pattern+PI Controller-IQ
Demodulator

I/Q
Modulator

PI Controller

made in 2019

phase
h=1

2fs FB Gain
PatternFeedback Control

Δφ FB Gain

EnvelopeDetector

Figure 5: Accelerated beams with new LLRF system in BClock mode.
Figure 6 に現在開発中のオペレーションインターフ
ェースの構成を示す。GUI 画面は Control System Studio(CSS) [5] を用いている。各種パターンデータの生成や設定、操作を補助するロジックの実装のために、Pythonの Epics Channel Access ライブラリである caproto [6] を用いて、Software IOC を構築した。Software IOC は、
Channel Access などの入出力を非同期で実行するようにしている。イベントループをブロックしないように、ファイル選択ダイアログなどは、CSS の Action Button
から Python スクリプトで開くようにしている。
PC

設定の保存/読み込み
Python Script

h=1…5

frequency
h=1

Q patternQ/(√(I2 + Q2))

SUMPhase
Accumlator

Feedback Control of RF Amplitude and Phase

Frequency Control

ADControl SystemStudio

DA

EPICS
IOC
Software IOC
Python & caproto

Figure 4: A schematics of New LLRF.

LLRF Controller

パターンファイルの読み込み
Python Script

Figure 4 に新システムの概要を示す。J-PARC で開発された LLRF 制御系 [3] を参考に設計している。MicroTCA.4 を用いて、三菱特機システムによって開発された AMC (Advanced Mezzanine Card) [4] を用いる。
AMC には 、Xilinx 社の Zinq XC7Z045(FPGA + Arm
Cortex-A9) が用いられており、Linux で EPICS IOC が動作している。AD 入力の都合で、三つの AMC で構成する。一つは、空洞電圧と周波数の制御、および一つのBPM 信号の処理およびそれを用いたフィードバック制

PC
IOCWPF & EpicsSharp

DIO
RF AMP ON/OFF
BPM AMP ゲイン切り替えなど

Figure 6: Arcchitecture of operation interface software.
RF アンプの ON/OFF や BPM アンプのゲインの切り替えなどの DIO 処理は、コンテックスの PIO ボード- 1133 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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を用いている。PIO ボードの IOC を C#.Net の Channel
Access ライブラリである EpicsSharp [7] を用いて構築した。

4.

ビームプロファイルモニターの真空容器の改良

炭素イオンのような重イオンをシンクロトロンで加速する際に、真空度が加速効率に大きく影響する。そのため、これまで、継続的にシンクロトロンの真空度を改善する試みをしてきた [8, 9]。
接続される入出射のビームラインの真空度もリングの真空度に影響を与える。出射ビームラインにはイオンチャンバー型ワイヤープロファイルモニターが 3 台（HPR1, HPR2, HPR311）設置されており（FIg. 7）、すべてのプロファイルモニターから間欠的な真空リークがあり、リングの真空度の悪化の原因になっていた [10]。

HPR３０１Figure 8: Photo of installed profile monitor.

HPR2

Upated in 2019

HPR1
Synchrotron
Figure 7: Proﬁle monitors in the extraction beam line.
従来のプロファイルモニターの真空容器は使用されている O-ring が細く、ボルトの配置が不均等かつ少ないという構造に問題があり、O-ring の交換などによって修繕できなかった。そのため真空容器を構造を改良したものを、2019 年に製作して HPR2 を更新した [11]。その結果、真空度の変動が少なくなり、新設計のプロファイルモニターの効果が確認できた。
2021 年度に残り 2 台のプロファイルモニター（HPR1,HPR31）を新設計のプロファイルモニターに交換して、出射ビームラインの真空度の改善を試みた。設置したプ
ロファイルモニタの外観を Fig. 8 に示す。
更新前の真空度のトレンドを Fig. 9 に、更新後の真空度のトレンドを Fig. 10 に示す。スパイク状の真空度の変化は大幅に減少した。しかし、完全に消えておらず、プロファイルモニター以外のリーク箇所の存在が示唆される。現在、対応を検討中である。

5.

まとめ

Figure 9: Trend of vaccum of the extraction beam line before updating proﬁle monitores.

Figure 10: Trend of vaccum of the extraction beam line
after updating proﬁle monitores.

2021 年度は、タンデム加速器の計画外の整備のため、全体の実験時間は 1468.8 時間にとどまった。しかし、シ- 1134 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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ンクロトロンのビームはは宇宙開発関連に強い需要があり、例年より割合は 1 割程度増加し、昨年度とほぼ変わらない実験時間であった。
FPGA を使った加速高周波制御系の更新を進めており、現在、ビーム試験を重ねて、FPGA プログラムの修正と改良を進めている。あわせて、オペレーションインターフェースの開発も進めている。
出射ビームラインのプロファイルモニターの更新により、間欠的な真空リークの修繕が行えた。しかし、低い頻度ながらスパイク状の真空度の変化が発生しており、原因を調査中である。

https://www.pasj.jp/web_publish/pasj10/
proceedings/PDF/SSFP/SSFP20.pdf[11] T. Kurita et al., “PRESENT STATUS OF THE
SYNCHROTRON AT WERC”, Proceedings of the
16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Jul. 31-Aug. 3, 2019, p. 1220-31223;
https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2019/
proceedings/PDF/FSPH/FSPH009.pdf

謝辞
加速高周波制御系の開発にあたって、三菱電機特機システム株式会社の方々にご尽力いただきました。ビーム
プロファイルモニターの真空容器の改良に当たっては、株式会社日立製作所と株式会社ブイテックスの方々にご尽力いただきました。誠にありがとうございました。

参考文献[1] S. Hatori et al., “Developments and applications of accelerator system at The Wakasa Wan Energy Research Center”,
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B241
(2005) 862.
[2] T. Kurita et al., “DEVELOPMENT OF A LLRF
CONTROL SYSTEM AT WERC”, Proceedingsof the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Aug. 9-12, 2021, p. 165-169;
https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2021/
proceedings/PDF/WEOB/WEOB07.pdf[3] F. Tamura et al., “Development of Next-Generation LLRF
Control System for J-PARC Rapid Cycling Synchrotron”,in IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 66, no. 7,
pp. 1242-1248, July 2019; https://ieeexplore.ieee.
org/document/8642336[4] M. Ryoshi et al., “MTCA.4 RF SIGNAL PROCESSINGSYSTEM”, Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Chiba, Japan, Aug. 2016,
pp. 340-344; https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2016/proceedings/PDF/MOP0/MOP013.pdf[5] https://controlsystemstudio.org[6] https://github.com/caproto/caproto[7] https://github.com/paulscherrerinstitute/
NetChannelAccess[8] T. Kurita et al., “The Staus of the Synchrotron of theWakasa-wan Energy Research Center”, Proceedings of the7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, Aug. 4-6, 2010, p. 76-79; https://www.pasj.jp/
web_publish/pasj7/proceedings/FSRP/FSRP24.pdf[9] T. Kurita et al., “The Staus of the Synchrotron ofthe Wakasa-wan Energy Research Center”, Proceedings of the 8th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Aug. 1-3, 2011, p. 27479;
https://www.pasj.jp/web_publish/pasj8/
proceedings/poster/MOPS013.pdf[10] T. Kurita et al., “The Staus of the Synchrotron of theWakasa-wan Energy Research Center”, Proceedingsof the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Aug. 3-5, 2013, p. 367-369;- 1135 -