Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

DEVELOPMENT OF THE TRIGGER MANAGEMENT DEVICE FOR
THE WAVEFORM RECORD DEVICE
H.Sakaki∗ A) , Y.ItohA) , Y.KatoA) , K.MiyamotoB) , N.KawamuraB) , T.NakamuraB)A) Japan Atomic Energy Research Institute, 2-4 Shirakata, Tokai-mura, Naka, Ibaraki, 319-1195, JapanB) Nichizou Electronic & Control Corporation, 5-3-28, Nishikujyo, Konohana, Osaka, 554-0012, JapanAbstract
We developed the pulse wave form recorder with the flight recorder function, last year. The recorders are scheduled
to be used for the beam status monitor system in J-PARC. If the pulse number between each recorder in the system
has not synchronized, each waveform data can’t match in the analysis software. As a result, we’ll lose the time forthe analysis. In this report, the design of the device that conform to all pulse number of each recorder is described.

波形監視装置用トリガ番号管理装置の設計

はじめに達する。このようなビームが、理想軌道からずれてロスした場合非常に大きな放射線を発生させる。各加速
現在建設中の J-PARC は、リニアック (LINAC)、 器のビームが、ある 1 点で 100 ％ロスした事象があっ3GeV シンクロトロン (RCS)、50GeV シンクロトロ た場合の予想実効線量は下記の表 1 の通りとなる。放ン (MR) の 3 つの加速器と核変換実験施設（ADS）、実効線量/pulse
加速器
物質・生命科学実験施設（MLF）、原子核素粒子実験施設（NP）、ニュートリノ実験施設（NU）からなる、
0.042µSv/pulse
LINAC
多目的実験利用加速器施設である。
0.17µSv/pulse
RCS

1.

MR

49µSv/pulse

表 1: それぞれの加速器のある 1 点でビームロスした際の各施設近傍での実効線量の計算値。
射線安全の観点から、J-PARC では建設場所の原研東海研の敷地境界において、50 µ Sv/year という値を守ることとなっている。この値は、ICRP（InternationalCommission on Radiological Protection「国際放射線防護委員会」）勧告値「全身に対し 1mSv/年」の 1/20 となっている（日本の加速器施設では、SPring-8 や KEKもこの値で建設）。よって、表 1 のようなロスイベントが発生した場合、MR では 1 イベントで MR 近辺地
表面で 196 時間分の線量が発生することになり、その発生線量時間分運転を見合わせる必要が出る可能性がある [1] 。加えて言えば、MR において同様な事
図 1: J-PARC の施設配置と、LINAC から出射される象が 20 回発生すれば、トータル実効線量が 1mSv にビーム毎の利用先。
到達してしまい、法律上 1 年間運転できなくなる可能性もある。よって、ロスイベントが発生したら、一図 1 に、J-PARC 施設の概略配置と、LINAC から出 般的な運転でよく行われる「原因を特定するための射される 50pps のビームのそれぞれが利用される施 ビーム運転」をしなくとも、直ちにその原因が確実設のイメージを記す。LINAC から出射される 50pps に把握できるようなシステムを検討する必要があっのビームは、25pps が ADS で利用され、さらに残り た [2] 。の 25pps が RCS を経由して、MLF と MR に渡されこのような背景から、我々は、いつ発生するか分るように設計されている。
からないロスイベントを捉える為に、エンドレスメ
ところで、LINAC で発生されるビームは、ピーク電 モリを使った 50pps の全ビーム波形を一定時間記録
流 50mA、パルス幅 500 μ sec の大強度ビームであり、 できるフライトレコーダーのような機能をもつ「パRCS では 1MW、MR では 0.75kW のビームパワーに ルス波形監視装置」を開発し、昨年度の本研究会に∗ E-mail: sakaki@linac.tokai.jaeri.go.jp
於いて報告した [3] 。
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2.

各装置間での波形番号

我々が開発した波形監視装置は、広範囲に分散設置された装置間で同期された高周期パルス波形を監視する目的で設計されており、本装置を用いたシステム構成は、図 2 の上図に示されるような、計算機ネットワークで構築される系となる。

図 3: トリガ番号監視装置の配置と番号修正手順。
間においてこの番号と異なる装置が存在したら、その番号を「基準値」に修正する。
ただし、計算機ネットワークでは、時間保証がなされないために、管理装置、監視装置間でトリガ番号を比較しても、いつのトリガ番号が明らかにすることができない。そのため、トリガ番号を確認、さらには修正するには、時刻を同期させるための一般的なプロトコル「SNTP(Simple Network Time Protocol)」を用いて、管理装置、監視装置間において高い精度出で時刻を一致させた上で行われなければならない。よって、50pps(20msec) でトリガ番号管理を行うには、どの時刻のパルスかを明らかにさせるために、周期の半分未満の時刻精度（10msec 未満）で、系統内機器の時刻を一致させておく必要がある。

図 2: パルス波形監視装置システムと、トリガ番号の修正。

4.

ところで、監視系に求められる機能は、1 章で記述されたように「いつ発生するか分からないイベントの為に、50pps の波形を同期をとって監視すること」である。この機能は、各装置内に波形番号（トリガ番号）を付けたデータとして、波形を監視・保存することで、実現している。しかし監視中には、図 2 の下図中の「監視装置番号#N」のように、ノイズや、監視装置のリセットなどで、どうしても装置内のトリガ番号が異なるものがでる可能性があり、監視系のデータの信頼性を落としてしまう。系統内で同期の取れた監視を行うには、このように異なるトリガ番号を示す場合は、早急に装置内トリガ番号を修正する必要がある。

3.

トリガ番号管理装置の設計

トリガ番号が異なった場合、その修正を迅速に行うために、我々は監視系内でトリガ番号管理に特化した装置である「トリガ番号管理装置」を設計することにした。この装置のイメージを、図 3 で示す。
この装置は、加速器施設に分配されているトリガ（ビームトリガ）を、BNC コネクタから物理的に受信し、そのトリガ番号を計数スタート命令が送られたときから連続的に計数する。この計数値が、波形監視システムの「基準トリガ番号」となり、ある時µITRON 上での SNTP

パルス波形監視装置、およびトリガ番号管理装置の両者は、国産リアルタイム OS である「µITRON」を用い制御されている。先に述べたトリガ番号修正に当たっては時計機能が必要となるが、標準では µITRONには実時間時計機能 (SNTP を含む) が用意されていない。そこで、我々は実時間時計を構築することから作業を開始した。なお、トリガ番号監視装置は、100ppsであっても番号保証が可能なように、実時間時計の精度目標を ±5msec 未満とした。

4.1 SNTP の実装 [4]4.1.1 高分解能時計 まず、高分解能時計を製作した。この時計は、SH4 CPU に内蔵の TMU(32 ビットカウンタ／タイマユニット) を利用している。
本高分解能時計ではクロックソースとなる水晶振動子の周波数精度で時計の精度が決まる。例えば、ソースの周波数精度が 20×10−6 の場合、一日あたり1.7sec のずれが生じる。よって、常に ±5msec の確度を保証しようとすれば、一日に 345 回すなわち 250secに一回程度の時刻校正が必要となる。250 台の監視装置が存在する系においては、1sec に一回いずれかの装置が時刻あわせを行うことになり、ネットワークへの負担が大きくなる。しかし、本高分解能時計では TMU の 32 ビットダウンカウンタ（TCNT）によ550

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り周波数を微調整することが可能なため、ソースの周波数安定度が十分なら、周波数を微調整すること
で、時刻校正の周期をより長くとれて、ネットワークおよび NTP サーバにかかる負担を減らすことができる。

4.1.2 時刻校正周期 この高分解能時計を利用し、SNTP を用いて NTP サーバーとなるトリガ番号管理装置間で時刻合わせを行う。
ところで、SNTP で測定される時刻オフセット (番号管理装置、波形監視装置間の時刻ズレ) が生じる要因としては高分解能時計の周波数偏差、監視装置側の残留偏差、ネットワーク遅延時間などが考えられる。あらかじめこれらを定量的に評価して校正周期を定めておくことは困難であり、また固定の校正周期では環境などの変化に追従できないため実用性に 図 5: 開発された SNTP を使った際のワークステー乏しい。よって、本実装では SNTP で測定される時 ションと波形監視装置間の時刻ズレ。
刻オフセットの大小から判断して校正周期を動的に可変する方式を用いる。ただし、周期が短くなりすぎるとネットワークや NTP サーバへの負荷が増し、さらには、長すぎると温度変化によるソースクロッ
クの周波数ドリフトなどに対して追従効率が落ちる
ため、校正周期には最小最大値を設けその範囲に収まるようクランプしている。
4.2 µITRON SNTP の実装試験製作された µITRON SNTP の試験を行った。試験
システムは、図 4 で示されるように、トリガ番号管理装置を模擬したワークステーション (WS) と、開発された SNTP が実装された波形監視装置で構成され、WS と監視装置間の同期の差を検出している。

図 6: J-PARC ビーム波形監視システムのイメージ図。
した。この装置を用いたシステムは、今回説明を割愛したスケジュールドトリガシステム [5] と組み合わされて、最終的に図 6 で示される形になる。今後、波形監視システムを統合するソフトウエアの開発等を進め、早急な実用化を図りたい。

参考文献
図 4: µITRON 用 SNTP の実装試験のシステム図。

[1] J-PARC project, “ACCELERATOR TRCHNICAL DESIGN REPORT FOR HIGH-INTENSITY PROTON ACCELERATOR FACILITY PROJECT, J-PARC”, JAERITech 2003-044, March 2003.

計測された同期誤差を図 5 に示す。これは約 52 [2] H.Sakaki, et al., “THE CONTROL SYSTEM FOR J時間の計測結果である。このデータの標準偏差は、PARC” Proceedings of the 3th Asian Particle Linear Ac0.59885msec であり、この同期精度を達成する為に
celerator Conference in Korea, 2004.
197 回の時刻合わせを行っている。少ない時刻あわせ回数で、目標の ±5msec 未満を十分に達成すること [3] 榊 泰直等, “プレレコーディング機能つきパルス波形監視装置の開発”, Proceedings of the 28th Linear Acceleratorが可能であることが実証された。
Meeting in Japan, P96/98, 2004.
なお、本プログラムは、無償提供 (非商用限定) されるソフトウエアとして原研所外利用可能プログラム [4] 伊藤雄一, “µITRON 用 SNTP 自動時刻補整機能つき高分解能時計モジュール”, 日本原子力研究所 所外利用登に登録されており、希望者は誰でも利用可能である。
録プログラム「uNTP」使用手引書, 2004.

5.

まとめ

我々は、昨年製作したパルス波形監視装置による監視系を実現する為に、トリガ番号管理装置を設計[5] F.Tamura, “J-PARC TIMING SYSTEM”, The 9th International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems, 2003.

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