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

PASJ2023 WEP45

高エネ機構における UNITY 上での VR 加速器開発-II
VR-ACCELERATOR DEVELOPMENTS ON UNITY-FRAMEWORK AT KEK II
古坂道弘#, A), 広田克也 A), 池松 克昌 A), 山口誠哉 A), 肥後寿泰 A), 池田進 A), 平野 美穂子 A), 岩下芳久 B),
山本 昌志 C), 城野 哲 D), 矢野博明 E)
Michihiro Furusaka#, A), Katsuya HirotaA), Katsumasa IkematsuA), Seiya YamaguchiA), Toshiyasu HigoA),
Susumu IkedaA), Mihoko HiranoA), Yoshihisa IwashitaB), Masashi YamamotoC), Tetsu JonoD), Hiroaki YanoE)
A)High Energy Accelerator Research Organization
B)
Kyoto UniversityC)
Omega Solutions, Inc.
D)
AET Inc.
E)
University of Tsukuba

Abstract

At High Energy Accelerator Research Organization, KEK, the KEK Education and Training Accelerator (KETA) has
been constructed and started to use it for training university students and young scientists. We have been developing VRKETA, a virtual reality version of KETA. In 2023, three-dimensional animation of the electron beam in KETA has been
added to the model. It shows the continuous beam coming out of the electron gun, accelerated and form bunches in thebuncher and further accelerated in the accelerator tube structure. The electrons are painted in colors ranging from black
to red, red to white according to the energy of the electron. Some of the important parts of the VR-KETA have signboards
explaining them and in English tother with current Japanese ones. There are several other VR accelerators developed orunderdevelopment, modeling ones at universities and at a laboratory.

1.

はじめに

2022 年に引き続き、高エネ機構での教育加速器（KETA, KEK Education and Training Accelerator）[1]のバーチャルリアリティーモデル（VR-KETA）の作成[2]について記述する。Figure 1 にその全体像を示した。

等開催支援チームなどからなる。2023 年度からこれまで空席であったプログラム実施責任者が決まり、人材育成としての統一的方針が固まってきた所である。
VR-KETA は大学生、高専生、教職員、企業の技術者などの、加速器科学・技術に関する人材教育にある。将来 KEK、あるいは大学・研究所などへの就職を考えるような研究人材、研究支援人材を育てるのも目的の一つである。同時に KEK 一般公開などでの広報としても使われてきている。IINAS-NX のもう一つの柱はスクールの開催であり、1 週間にわたる講義・実技を行う KETA セミナーが年に数回開かれている他、日仏、日加の若手研究者と学生の交流支援も行われている。
KETA は 2 m 加速管 1 本の S-band 電子加速器であり、基本スペックとしてはビームエネルギー25 MeV、平均電流 100 nA である。

2.
Figure 1: KEK Education and Training Accelerator,KETA, in Virtual Reality space.
このグループは加速器科学国際育成事業（IINASNX）推進室のデジタルコンテンツ開発運用チームを中心として、筑波大学その他、この活動に協力する人々との共同の活動である。IINAS-NX は時限の事業であり、現実の加速器である KETA の運用チー
ム、大学支援強化／KEK-day 開催チーム、スクール

バーチャルリアリティー教育加速器 VRKETA

2.1 VR-KETA
遮蔽体などを含めた KETA の 3D CAD モデルに基づき、ゲーム開発ソフトウェア UNITY を用いて VRKETA として再現したものである。3D CAD のデー
タを取り込むのは比較的簡単であったが、後述するように VR として完成度の高いものにするためにはかなりの手間が必要であった。

___________________________________________# michihiro.furusaka@kek.jp- 620 -

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2023 年度版では、Fig. 2 - Fig. 5 に示すように、電 いるのも分かる。
子源から電子ビームが出てきてから加速管を出るまFigure 5 に示すように、VR-KETA では、主だったでの電子群の動きを見ることができるようになった。 加速器コンポートの上にある青いスポットにゴーグ
コントローラのトリガーを引くことにより加速管の ルで見える緑の十字マークを合わせることにより、上半分を透明にすることが出来、加速構造とビーム 3 行程度の説明文がポップアップして読めるようにの関係が分かるようになっている。基になるビーム なっている。2023 年度には日本語に加え、英文の説のデータは POISSON／SUPERFISH を用いて電子銃 明が出てくるバージョンを作成した。
やバンチャー/レギュラー加速管，電磁石の電磁場を実際北海道大学で修士課程である加速器科学特論計算し、これらのマップファイルを GPT（General の英語コースで 3 人の学生に対し、この版を使用しParticle Tracer） [3] に 取 り 込 み ， ビ ー ム の 3 次 元 た一コマの授業を行なった。最初に加速器科学の分Particle-In-Cell のシミュレーションを行った。計算結 野と使われる加速器について簡単に紹介した。その果は外部プログラムで粒子ごとに {t, x, y, z, γ} の 後、PC 上で動いている同じ UNITY のプログラムをtext 形式として書き出し、それをさらに binary data に 動かし、プロジェクタにそれを映し出しながら、変換したのちに UNITY で読み込み、3 次元アニメー KETA の各部分の説明、簡単な動作原理などを講義ションとして描画している。パーティクルの色は γ した。最後の 30 分程度で各自ゴーグルを着けて VRの関数となっていて、色のガンマを変更することに の中で観察してもらった。学生達はかなり集中してよって色の変化を見やすくしている。
色々なところを観察している様子がよく分かった。
Figure 2 および Fig. 3 に示したように、電子銃から 授業の感想のレポートを求めたが、授業にこういう連続的に出てきたビームがバンチャーで急速に加速 VR の教材を使うことに関して前向きの評価であっあるいは減速され、バンチングされる様子が見てと た。UNITY のゲームをよくやっている学生からは、れる。電子のエネルギーによる色の変化も明確に見 コントローラの使い方に関して非常に良い提案がえている。
あった。
Figure 4 には加速管内での加速の様子が見えてい
2.2 製作の際の難しさる。電子のエネルギーにより、最終的には色がほと一方で VR として完成度の高いものにするためにんど白になっているが、バンチのテールの部分でははかなりの手間が必要であることがわかってきた。
エネルギーが低く、エネルギー分布が大きくなって

Figure 2. Electron beam is coming out from the electrongun. Explanation panels are shown in Japanese.

Figure 4. Electrons are further accelerated by theaccelerator tube. Note that the color of the electrons is
chaining from brown to white corresponding to the energychange.

Figure 3. Electrons are accelerated and form bunches. Theenergies of the electrons are indicated by colors, mappedfrom black to white.

Figure 5. English version of the explanation panels.

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今回使用したゴーグルである Oculus-2 は基本的に の中で広島大学、筑波大学、北海道大学などと各施
Android OS の走るスマートフォンであり、ステレオ 設の紹介 VR を作成中である。広島大学放射光科学視するためにその画面を左右の視野に分け、レンズ 研究センターの HiSOR、筑波大学のタンデム加速器で視野角を広げている。RAM は 6 GB で、CPU の性 [4] 、 産 業 技 術 総 合 研 究 所 の 加 速 器 中 性 子 施 設
能は PC に比較して限られているため、ポリゴン数 (AISTANS)は既に UNITY に取り込み VR として見るが多くなると画面の更新レート、fps、が遅くなり、 ことができるものが開発されている。この他にも 3D
カクカクとした動きになってしまう。そのため、ポ CAD のデータがある KEK の加速器が数台あり、VRリゴン数を減らして動きを滑らかにする必要が有り、 加速器にしたいと考えている。最終的にはこれらをかなりの人手を必要とする。また、アプリケーショ まとめてみられる VR 加速器博物館的なものを作成ンが立ち上がるまでの時間もポリゴン数と関係する。 できれば良いと考えている。
UNITY の中で見栄えを良くするためには、コンクまとめリート、真空ダクト、導波管などの表面の材質感を 3.
設定する必要がある。また、2 次元のマテリアルを 3
KEK では加速器科学国際育成事業（IINAS-NX）
次元にマッピングする必要もある。それをマテリア として教育加速器 KETA を完成させ、それを使ったルマッピングで実現するが、それらは手作業になっ 人 材 育成 を 行な っ てい る。 そ の一 環 とし て 、 VRてしまう。
KETA を作成している。2023 年には内部で電子ビー
次に、説明文であるが、看板を作り、その中に文 ムが加速、バンチングされる様子の分かる 3D アニ章を張り込んでいる。現状のゴーグルでは細かい文 メーションを見ることができるようになった。また、字で多くの文章を読むのは難しいように思える。さ 日本語の簡単な説明を見られる看板に加え、英語版らに、移動しながら読む場合は、看板をそれに合わ も作成した。後者を用いた一コマの英語の授業を北せて回転させるなど、読みやすくするための一工夫 海道大学工学研究院で行い、このような教材が有用が必要である。また、文章を書き込むのに UNITY の であることが確認された。さらに、幾つかの大学・editor を利用して行っているが、これもかなりの手 研究所の加速器に関しても VR 化を行なっていて、作業が必要である。今回は日本語を英語版の説明文 幾つかが完成している。に入れ替えたが、それなりの手間が掛かるとともに、同じようなファイルが複数あるため、編集には注意 謝辞を要することも分かった。
北海道大学工学研究員の平賀富士夫先生には加速
UNITY のフレームワークは C#で記述されていて器科学特論の授業の一コマとしてVR を使った授業
い、それ自体が統合開発環 IDE であり、かなり強力をやらせていただきました。その際加美山隆先生、な開発環境である。また、ダイナミックに変更部分のコンパイルを自動的に行うようになっている。さ 長倉宏樹様には VR 授業の支援をしていただきましらに、ファイル管理は通常のファイルシステムを た。このような機会を与えていただいたことに感謝使っているが、その上に独自のファイルトレース管 いたします。
理システムが追加されている。このため、同じ名前参考文献のファイルで差し替えてもそれが反映されないといったことが起こり得るので、かなりの注意が必要 [1] M. Fukuda et al., “DESIGN AND CONSTRUCTION OFTHEEDUCATION-ORIENTED
ACCELERATOR”,である。
Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle
2022 年の版では移動の方式として足跡を追加、そAccelerator Society of Japan, Aug., 2021, QST-Takasaki
こにターゲットマークを合わせ込んで数秒待つこと
Online, Japan.
でそこに移動できる機構を導入した。しかし、意図 [2] M. Furusaka et al., “高エネ機構における加速器 VR コン
テ ン ツ 開 発 ”, Proc. 19th Annual Meeting of Particle
せずに別のスポットに移動してしまうことがあり、Accelerator Society of Japan, (PASJ2022), Kitakyusyu
また、移動した後に自分がどの方向を見ているかが(Online meeting), August 29-September 1, Chiba, Japan,
分からなくなるという問題があった。このため、上2022, pp. 984-988.
空から全体を眺める、加速器の中を見る、裏に回る [3] Pulsar Physics and the General Particle Tracer (GPT) code,
https://www.pulsar.nl/gpt/index.htmlなど機能をかぎって移動できるように改善した。
両手に持ったコントローラのジョイスティックを [4] T. Yoshida et al., “タンデム静電加速器に関する VR 教
材 の 開 発 ”, Proc. 20th Annual Meeting of Particle
行きたい方向に向けることで移動が可能になるが、Accelerator Society of Japan, (PASJ2023), August 29その移動中にいわゆる VR 酔いが発生するという問
September 1, Chiba, Japan, 2023, WEP44, this meeting.
題がある。その解決には様々な方法が提案されているようである。完全に酔いを防ぐのは難しく、人にもよるが 10~30 分程度以上ゴーグルをかけ続けるのはなかなか難しいという問題も抱えている。
2.3 大学等にある幾つかの加速器施設の VR 化
日本の多くの大学・研究所には中小規模の加速器施設が数多くある。その中の幾つかは KEK の加速器科学総合育成事業で採択され、支援されている。そ- 622 -