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)

CONTROL SYSTEM OF MULTI-BUNCH PHOTO-CATHODE RF GUN
S. Araki*,A)

A)

A)

A)

A)

A)

B)

B)

A), T. Muto , T. T. Nakamura , J. Odagiri , N. Terunuma , M. Kuriki , H. Hayano , J. Urakawa
A)B)

Y. Yamazaki , M. Fukuda , K. Hirano , M. Takano
A)

A)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki 305-0801, JapanB)

National Institute of Radiological Science (NIRS)
1-9-4 Anagawa, Inage-shi, Chiba 263-8555. JapanAbstract
RF Gun Test Bench (RFGTB) is constructed jointly by High Energy Accelerator Research Organization (KEK) andNational Institute of Radiological Science (NIRS) for R&D purposes of the multi-bunch photo-cathode RF Gun. The
first phase of RFGTB control system using CAMAC and PLC has been developed based on the EPICS toolkit runningon PC/Linux. The present status of the control system is reported. A style of the designing small-scale control system
is also discussed.

マルチバンチ・フォトカソードRF電子銃の制御システム
１．はじめに高エネルギー加速器研究機構(KEK)と放射線医学総合研究所(放医研)は共同でマルチバンチ・フォトカソードRF電子銃の研究開発を行なっている。放医研では加速管および光蓄積装置を用いた超高輝度硬X線発生試験にRF電子銃の利用を計画している。
この目的のためにRF Gun Test Bench (RFGTB)と呼ばれるテストベンチでビーム試験に向けて準備が進んでいる。RFGTBの特徴はRF電子銃の直後にシケイン部を設け、UVレーザー光をカソード正面より入射する点である[1]。RFGTBはKEKアセンブリホールに設けられ、試験加速器(ATF)と連携してRF電子銃の開発を行なっている。図1にRFGTBの概念図を示す。RFGTBのビームラインは、内寸で3.5m(幅)×11m(長さ)×3m(高さ)のコンクリート遮蔽体で囲われており、外側にはクライストロン、クライストロン電源、電磁石電源、制御装置を設置し、制御室に制御計算機および安全管理装置を配置している。

電子ビームのパラメータを表1に示す。RFGTBでは高電荷のマルチバンチビームを発生させ、これを高品質で安定に加速させる技術の開発を目的としている。そのため、制御システムには、RF系、電磁石系、真空系、ビームモニター系、レーザー系、インターロック系が必要であり、特にビームモニター系が重要で拡充も考慮して構築しなければならない。
また、規模は小さいが多くの加速器技術が必要である。そこで、既存の資産(技術・機器)を有効活用して速やかに制御システムを構築するために、
CAMAC 、 PLC 等 の 機 器 を 用 い 、 計 算 機 プ ラ ッ トフォームとしてLinuxをOSとしたPCを用いた。また、
制 御 ソ フ ト ウ ェ ア と し て Experimental Physics andIndustrial Control System(EPICS)[2]を採用した。今回
は、その制御システムの基本構成と試験運転に向けての開発状況を報告する。なお、放射線安全イン
ターロックシステムについては本稿で述べる制御システムとは完全に独立したシステムを構成しているため、以下では言及しない。

図1：RF Gun Test Bench (RFGTB) の概念図
*E-mail: sakae.araki@kek.jp299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)

表1：電子ビームのパラメータ
最大ビームエネルギー
9 Mev
最大電荷量
5 nC/bunch
最大バンチ数
100 /pulse
最大繰り返し12.5 Hz
RF周波数2856 MHz
バンチ間隔
2.8 nsec

例は、KEKのFFAG加速器の制御システムにみられる[4]。
2.2 装置とのインタフェース

本制御システムの構成を図2に示す。クライスト
ロン・モジュレータの充電電圧の設定と読出し、およびインタロックに関するステータスの読出しとリセットは横河電機製FA-M3 PLC により行う。IOCがFA-M3と通信を行うために必要なプログラム(デ２．RFGTBの制御システム
バイス・サポート)は、J-Parc制御グループ、KEKのEPICS 横断化グループ、理化学研究所の三者によ
2.1 PC/LINUXベースのEPICS
り既に開発されているので、これを利用した[5,6]。
既に述べたように、RFGTBは小規模ながら加速真空度のモニタ、およびクライストロンRF制御器に含まれる主要な要素をすべて含み、その制御に系の入力レベルの調整は、各種のCAMACモジューは高度な機能と高い拡張性が要求される。このためルを介して行う。このために、KEKオンライング
RFGTBの制御システムにはEPICSに代表される汎用ループと東陽テクニカにより開発されたCC/NETをの制御ソフトウェアを採用することが望ましい。従採用した[7]。CC/NETはPC/104 CPUボードを内蔵し来のEPICSが想定するシステムのハードウェア構成たCAMACクレート・コントローラであり、PC/104は、上で走るOSとしてLinuxを採用している。補助記憶
l ユーザとインタフェースするUNIXワークステーション、装置としてコンパクト・フラッシュを用いることをl 被制御機器とインタフェースするVME 計算機、除けば、ソフトウェア開発の観点からは通常のPC
l およびその下に繋がる各種のフィールド・バス、と差異はない。従って、他のPCなどのハードディの三層構造であったため、小規模な実験装置の制スク上においたファイル・システムをマウントする
御にEPICSを応用することはコストの面で難しかっことで、容易にプログラムの開発と実行が可能であた 。 し か し 、 近 年 、 VME 計 算 機 (EPICS で はる 。 日 本 原 子 力 研 究 所 で は J-Parc 計 画 の た め に
Input/Output Controller (IOC)と呼ぶ) の上で実行されCC/NETのためのEPICSデバイス・サポートが開発るプログラムが、Linuxを含む幾つかのOSの上で実されている。また、理化学研究所においてもCIMと行できるようになったことにより、RFGTBのよう呼ばれる独自のCAMACモジュールのためのデバイな小規模の加速器・実験装置の制御にEPICSを使用
ス・サポートが開発され、既にCC/NETの試験的なする道が開かれた[3]。
運用が始まっている[8]。
また、装置インタフェース層において、イーサ
本 シ ス テ ム で IOC と な る デ ス ク ト ッ プ PC とネット接続が可能な、インテリジェンスを持ったデCC/NET 、 お よ び PLC (FA-M3) は、すべて制御用バイス・コントローラが多用されるようになったこ
ネットワーク上で接続され、協調的に動作する一つともPC/Linux上でのEPICSの利用する機会を広げてのまとまったシステムを構成している。さらに、、いる。現在、PCにはイーサネット・コントローラ
将来的には、本システムにGPIB-Ethernet変換器、が標準的に備わっている。また、そもそもイーサ
RS232C-Ethernet変換器などを組み込むことによりネットを介した通信にはリアルタイム性がないため、ネットワーク・ベースのシステムとしての拡張を予VME計算機上でリアルタイムOSを使うメリットは定している。
乏しい。このようなPC/LinuxベースのEPICSの構築

図2：RFGTB制御系のブロック図300

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)

2.3 ヒューマン・インタフェース

３．まとめと今後の課題
オペレータと直接にインタフェースする操作画面も、デスクトップPC上で実行される。EPICSでは、
RFGTBの制御システムを、PC/Linuxをプラット
このような操作画面を作成するために、いくつかのフォームとしてEPICSを用いて構築した。これによ異なるツールが用意されているが、本システムでは、 り、RFシステムの遠隔操作と真空系のモニタが可KEKBでの使用実績のあるMEDMを使用している。
能となった。また、エージングの自動化と取得したMEDMにより作成した操作画面の一例を図3に示す。 データの記録と閲覧にも備えた。
EPICSが提供する標準的なツールを利用する以外に
RFGTBの制御に於いては、生成された電子ビーも、Tcl/TkやPython等のスクリプト言語と、それらムの質を精密に測定する必要がある。そのため、の言語に組込まれたChannel Access インタフェース
ビーム・モニタの制御が特に重要であるが、その開を利用することも出来る[9]。JavaとJCA[10]の組合発は今後の課題である。
せは、Javaによる操作画面作成を可能にしている。
現在、GLCTAで作成したJavaによる制御画面[11]４．謝辞を移植することも検討している。
本制御システムの開発にあたり、EPICSシーケンサ・プログラムを作成して下さった、高能物理学研究所の王昊氏に感謝致します。また、EPICSの導入に際し、 KEKのEPICS 横断化グループの山本昇氏、上窪田紀彦氏、古川和朗氏からは有益なご助言を頂きました。皆様に感謝致します。
参考文献[1] 平野耕一郎 他, “マルチバンチフォトカソードRF電子銃のテストベンチ”, Proceedings of the 14th Symposiumon Accelerator Science and Technology in Japan.
[2]
http://www.aps.anl.gov/epics/
図3: MEDM 制御画面の一例[3] 上窪田紀彦 他, “小規模実験・加速器向けEPICS環境の開発”, 日本物理学会 2004年 秋季大会に報告予定
2.4 エージングの自動化(28pSB-12)[4] 湯浅由將 他, “150Mev-FFAG加速器の制御システム”,
本制御システムではエージングを自動化するため
Proceedings of the 14th Symposium on AcceleratorにEPICSシーケンサを導入した。EPICSシーケンサ
Science and Technology in Japan.
は、State Notation Language と呼ばれる独自の言語[5] K. Furukawa, et al., “Implementation of the EPICS Device
で記述され、複数のステートと、その間での遷移条
Support for Network Based Controllers”, Proceedings of件を定義する。エージングを行うEPICSシーケンサ
ICALEPCS 2001, San Jose, Nov. 27-30, 2001.
では、RF電子銃の入力カプラ近傍における真空度[6] J. Odagiri, et al., “EPICS Device/driver Support Modules for
Network-based Intelligent Controllers”, Proceedings ofに閾値を設定し、現在の真空度を閾値と比較するこICALEPCS 2003, Gyeongju, Korea, Oct. 13-17, 2003.とによりRF入力レベルの調整を行っている。閾値
[7]
Y.
Yasu, et al., “Development of the pipeline CAMAC
を越えない限りは一定のレートで入力レベルを上げ、
controller with PC/104-Plus single board computer”,
閾値を越えた場合には、真空度が閾値以下になるま
Proceedings of 13th IEEE-NPSS Real Time Conference,で一定のレベルに固定される。また、このシーケン
Montreal, Canada, May 18-23, 2003.
サは、インタロックが動作した際に必要に応じてリ[8] M. Komiyama et al., “Control system for the RIKEN
セットも行う。現在、シーケンサは、デスクトップAccelerator Research Facility and RI-Beam Factory", To be
published in the Proceedings of The 17th International
PC上で実行されているが、これをCC/NET上で実行
Conference on Cyclotrons and Their Applications, Tokyo,することも可能である。
Oct. 18-22, 2004.
[9] N. Yamamoto et al., “Development of the Python/TK
2.5 データの記録
Widgets for the Control System Based on EPICS”,
本制御システムでは実際にRF電子銃のエージン
Proceedings of 7th European Particle Accelerator
Conference (EPAC2000), Vienna, Austria, 2000, pp. 1865グを行う際には、エージングが進む過程でのデータ
1867.の記録・保存を確実に行うことが肝要である。この[10]http://www.aps.anl.gov/xfd/SoftDist/swBCDA/jca/index.ht
ためにデータ・アーカイブを行うEPICSのツールのml一つであるChannel ArchiverをデスクトップPC上で[11] 照沼信浩 他, “GLCTA計算制御システム”, 本研究会実行する。また、アーカイブされたデータの閲覧に[12] 吉田奨 他, “KEK60MeV陽子リニアックの機器信号
はJ-Parc制御のためにKEKで開発が進められている
データアーカイブシステム”, 本研究会

CGIを利用する[12]。

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