Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, Japan

PASJ2018 WEP099

J-PARC MR-MPS を用いた即時アボートシステムの開発
DEVELOPMENT OF A MS-ABORT SYSTEM VIA J-PARC MR-MPS
木村琢郎#, 上窪田紀彦, 佐藤健一, 山田秀衛, 石井恒次, 芝田達伸, 杉本拓也
Takuro Kimura #, Norihiko Kamikubota, Kenichi Sato Shuei Yamada
Koji Ishii Tatsunobu Shibata Takuya Sugimoto
KEK/J-PARC Center

Abstract
Machine Protection System (MR-MPS) is used to aggregate interlock (ILK) signals of each equipment in J-PARC
Main Ring (MR), since the start of operation in 2008.When an abnormality occurs, the MPS signal is used to stop thebeam operation and the beam is appropriately processed. It guarantees the safety of the accelerator and the experimentalfacility. In addition, the MR-MPS performs beam stop processing so that the availability of the accelerator can bemaximized by using the two types of beam stop processing, ALL stop and MR inhibit, depending on the equipment thatoccurred the ILK. Furthermore, beam abort processing is performed so as not to extract inappropriate beams to theexperimental facility. In this paper, we explain the immediate abort (ms-Abort) system with fast extraction (FX) whichbegan operation in the fall of 2017.We explain the effect of introducing ms-Abort in the way of ILK signal processing in
MR-MPS, upgrading FX-kicker which enabled ms-Abort, and beam operation.

1.

はじめに

J-PARC は 400 MeV の線形加速器（Linac）、3 GeV のRapid Cycling Synchrotron（RCS）、30 GeV の Main Ring
（MR）の 3 つの加速器と RCS からのビームを利用して実験を行う物質・生命科学実験施設(MLF)、MR からビームを利用して実験を行うニュートリノ実験施設(NU)、ハドロン実験施設(HD)の 3 つの実験施設で構成される[1,2]。
MR ではビーム運転を開始した 2008 年から MachineProtection System (MR-MPS)を用いて機器保護・施設保護を行っている[3]。MR-MPS では MR 及びその実験施設の各機器のインターロック(ILK)信号を集約することで、ILK 発報時にビーム運転の停止とビームアボート処理を行っている。ビーム停止処理は J-PARC の全加速器の運転を停止する All-stop と MR のみの運転を停止する MRinhibit の 2 種類の MPS 信号が存在する。2 種類の MPS
信号は ILK を発報した機器の影響範囲を考慮して適切に選択される。また、いずれかの機器が ILK を発報した際には、一部の例外の機器を除いてのビームアボート処理を行うための Abort 信号が出力される。これらの MPS信号は ILK 発報時にリアルタイムに処理され出力される。
しかし、MPS 信号を受けて、ビーム運転停止処理が即座に行われるのに対して、ビームアボート処理は Fig. 1 に示す MR の運転周期のどのタイミングで ILK が発報したとしても、必ず P3（P4-1ms）タイミングまで待機してアボート処理を行っていた。スケジュールされたタイミングでのみでしかアボート処理が行えなかった理由は、アボート処理を行う速い取り出し電磁石(FX-kicker)電源の性能により限定されるものであった。MR が大強度化を目指しビーム強度が増強されていく中で ILK 発報時にスケジュールされたタイミングでのみでしかビームアボートが行えなかった現状はビームロスによる高放射化リスクや機器損傷などの可能性もあったため大きな懸念材料と___________________________________________# kimurata@post.j-parc.jp

Figure 1: MR timing pattern for Fast Extraction.
なっていた。そのような中 2017 年の夏期メンテナンスにおいて FX-kicker 電源のアップグレードが行われ、リアルタイムでの即時アボートが可能となった[4]。
本稿では、FX-kicker 電源のアップグレードにより可能となった即時アボートシステム（以前 Fast-Abort と仮称していたが、ILK 発報から 1 ミリ秒以内でのアボート処理が可能ということから ms-Abort と呼称することとなった）について、FX-kicker 電源のアップグレード、MR-MPS 装置から FX-kicker 電源までの信号処理について説明を行い。
実際のビーム運転での ms-Abort システム導入の効果、現在までの運用について示す。

2.

FX-kicker 電源のアップグレード

FX-kicker 電磁石システムは Fig. 2 の模式図ように、集中定数型の kicker 電磁石とそれを励磁するパルス電源がそれぞれ 5 台ずつで構成されている。また、FX-kicker電源ではニュートリノ側とアボートダンプ側の 2 つのサイラトロンが存在し、サイラトロンへのトリガ信号入力を制御することで速い取り出しとビームアボートの蹴り分けを行うことができる。この FX-kicker 電磁石システムは 2010 年から運用されているが、定格である 33kV まで 1.8 秒の時間を要していた。一方で、MR では大強度化を目指すにあたり、運転周期を 2.48 秒から将来的に 1.16 秒まで短- 609 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 2: Pattern diagram of the FX kicker magnet system.

Figure 5: ms-Abort signal pressing timing.

縮することも計画されている[5]。そのため FX-kicker 電磁石システムでも MR の高繰り返し運転に対応可能な高速充電器の導入を 2017 年の夏に行った。その結果、定格電圧までの充電時間を大幅に短縮することに成功した。
高速充電器の導入前後での充電の繰り返し速度の比較
を Fig. 3 に示す。この高速充電器の導入により、Fig. 4 に示すように以前は MR の加速パターンに FX-kicker の充電パターンを追従させることができずに、スケジュールされた 30GeV での取り出しタイミングに合わせて充電を行っていたのに対して、MR の加速パターンにほぼ追従する FX-kicker の充電パターンを作成することができた。
これにより MR の各機器が ILK を発報した際に MR-MPSより ms-Abort をリクエストするトリガ信号を FX-kicker 電磁石システムに送ることで、任意のタイミングでアボート処理を行うことが可能となった。

報した際に、どの MPS 信号(MR-inhibit や Abort など)を出力するか、また MR の運転パターンのどのタイミングでMPS 信号を出力するかなど細かく設定が可能である。まず ms-Abort システムの導入にあたり ms-Abort というMPS 信号出力の追加を行った。ms-Abort 信号の出力条件は以下のとおりである。速い取り出し（FX）運転時のビーム行先が NU の状態であるとき、また ILK 信号の監視対象機器は、従来の Abort 処理を必要としているすべての機器を対象とした。さらに ms-abort 信号の出力タイミングについては Fig. 5 に示すように、タイミングマスクと呼ばれる 4 つのレジスタを用いて、MR へのビーム入射終了直後(P2)から加速終了後のビーム取り出し(P3)の区間のみをリアルタイムに信号出力を行い。P3 以降に ILK 発報があった際は次の運転周期の P2 タイミングまでは信号出力を行わないように設定した。これは FX-kicker 電源が MR の運転 1 周期に対して 1 度の充電開始トリガにより充電を開始し、取り出しトリガを 1 度のみ受け付け取り出しを行う仕様に起因するものである。仮に MR の運転周期の全区間でリアルタイムに信号出力を行ってしまうと、
ILK の発報のタイミング次第では MR へのビーム入射完了前に ms-Abort 処理を実行してしまい、その後ビーム取り出しを行えなくなる事態を避けるためである。
このように ms-Abort 信号が MR-MPS より出力されるよう設定を行ったが、これを FX-kicker 電源への入力トリガとして変換し、実際に運用を行うために Fig. 6 に示す回路の追加を行った。Fig. 6 の上部の枠線内は通常時 NUへビーム取り出しを行う際のトリガ信号出力回路である。
また、中央の枠線内は ILK 発報時に NU 側への取り出しを抑制し、従来の(scheduled) Abort トリガ出力を行う回路である。最後に下部の枠線内が 2017 年夏期メンテン
ナンスで追加した ms-Abort 信号出力回路である。MRMPS の ms-Abort 信号が正常状態から発報状態へ遷移する立ち下りを微分回路で検出しトリガ信号に変換してFigure 3: Comparison of charging speed of Upgrade
Charger and Present Charger.

Figure 4: Comparison of charging pattern of Upgrade FXkicker system and Present FX-kicker system.

3.

MR-MPS による ms-Abort 信号処理

MR-MPS では MR の運転状態に応じて、どの機器のILK 信号の監視を行うか、監視状態の機器が ILK を発- 610 -Figure 6: Circuit diagram of ms-Abort signal.

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Figure 7: ms-Abort 1st event.
いる。また、Abort 信号と ms-Abort 信号の両方の出力信号を用いることで、ms-Abort 信号が正常に出力された場
合は Abort 信号を抑制し、万が一 ms-Abort 信号が出力されなかった場合は、従来の Abort 信号を用いる安全面を考慮した 2 段構えとなっている。さらに、ここで生成された ms-Abort トリガ信号は、ms-Abort が正常に行われていることを確認するため、MR アボートラインに設置されているビーム位置検出器(ABORT BPM)やビームプロファイルモニタ(ABORT MRPM)などのモニタ系のトリガ入力としても使用される[6,7]。

4.

ms-Abort システムの運用状況

前述の通り ms-Abort システムは大きく分けて MR 機器と実験施設の ILK 信号を監視する MR-MPS とビーム取り出しを行う FX-kicker 電磁石システムで構成される。
ms-Abort システムは 2017 年夏期メンテナンス時に導入され、それぞれのシステム及び全体システムのオフラインでの試験を繰り返し想定通りの動作を行うことを確認した
うえで、2017 年 10 月の NU 利用運転から運用を開始した。ms-Abort が行われた最初の事象を Fig. 7 に示す。
参考のため上段左に正常運転時の MR 周回ビームをDCCT でとらえたグラフを示すが、上段中央と比較すると正常時は 1540 ミリ秒の P3 タイミングで NU へのビーム取り出しが行われているのに対して、ms-Abort が行われた際は 700 ミリ秒のところでビームアボートが行われていることがわかる。下段左図のこの時の MR の 4 極電磁石全216 台に設置されたビームロスモニタ(BLM)で測定される 1 周期でのビームロスの積算値がコリメータエリアでの閾値に達したため、BLM にて ILK が発報し ms-Abort が行われた。下図中央は MR を大きく 3 つの曲線部と 3 つの直線部に分け、ビームロスの時間分布を示すものである。700 ミリ秒付近のビーム加速途中でインスタビィティが発生しビームロスが増大していることと、ms-Abort を行ったことでビームロスのさらなる増加を抑えられていることもわかる。また右図は ms-Abort を行った際、正常にビームアボートが行われていることを ABORT BPM や ABORTMRPM でとらえることもできている。その後も何度となくms-Abort を行う事象が発生しているが、すべて想定通りの動作を行いビームロスによる機器の高放射化や損傷のリスク低減に非常に有効なツールとなっていることが示されている。また ms-Abort システムを運用していく中でFig.8 に示すような事象が発生した。左右のどちらも RF電源の 1 台がトリップした際の DCCT とビームロスの様子を示したものである。Fig. 8 (a)は ms-Abort を導入していないビーム行先 Abort でビーム調整を行っていた時のもの。Fig .8 (b)はビーム行先 NU で利用運転を行っていた時のものである。どちらもほぼ同時刻に RF 電源がトリップしているが ms-Abort が行われていない左図では MR全域で非常に大きなビームロスが発生しているのに対して、右図では RF 電源の ILK 発報直後に ms-Abort が行われているため大幅にビームロスを低減できていることがわかる。ms-Abort の有効性を顕著に表した事象といえるが、MR のビーム調整中も大きなリスクがあることを再認識した。この事象をうけて、ms-Abort システムの導入から半年以上が経過しており安定した動作の実績も確認されたため、2018 年 5 月からは ms-Abort を NU 利用運転
時のみならず、MR ビーム調整中のビーム行き先 Abort
時にも行うよう適用範囲を拡大し、さらなる安全性向上を行った。

(a) MPS by RF w/o ms-Abort (Beam destination Abort)(b) MPS by RF ms-Abort (Beam destination NU)

Figure 8: Performance comparison of the using ms-Abort system.

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5.

おわりに

2017 年夏期メンテナンスまでの FX-kicker 電磁石シス
テムのアップグレードにより MR での即時アボートが可能となった。そのため MR-MPS と FX-kicker 電磁石システ
ムを含めた ms-Abort システムの導入を行い、2017 年 10月から NU 利用運転での ms-Abort の運用を開始した。
以降、様々な MR 機器での ILK 発報事象で ms-Abortの有効性が示された。さらには ms-Abort の安定した運用実績とその効果から適応範囲を 2018 年 5 月からは MRのビーム調整運転にまで拡大させた。MR での即時アボートは MR のビーム運転開始当初から待ち望まれてきたものであったが、ms-Abort システムの導入によって、機器の放射化や損傷のリスクを大幅に低減させることに成功した。今後も安定した ms-Abort システムによる MR 及び実験施設の安全性の担保が期待される。

参考文献[1] K. Hasegawa et al., “Performance and Status of the J-PARCAccelerators”, Proc. of IPAC 2017, Copenhagen, Denmark,May 14-19, 2017, pp. 2290-2293.
[2] S. Igarashi et al., “Accelerator Based Neutrino Experiments
T2K J-PARC”, Proc. of 13rd Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, Chiba, Aug. 8-10, 2016, pp.
14-18.
[3] T. Kimura et al., “Performance evaluation of MR-MPS anddevelopment plan of new MR-MPS for J-PARC”, Proc. of
14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, Sapporo, August 1-3, 2017, pp. 1148-1150.
[4] T. Sugimoto et al., “Upgrades of fast extraction kicker
magnet system for J-PARC main ring”, Proc. of 14th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Sapporo,
August 1-3, 2017, pp. 1061-1064.
[5] S. Igarashi et al., “Study on the beam intensity upgrade of JPARC MR”, Proc. of 15th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, Nagaoka, Aug. 7-10, 2018,
these proceedings.
[6] T. Toyama et al., “Beam Diagnostics at the First BeamCommissioning of the J-PARC MR”, Proc of PAC09,
Vancouver, BC, Canada, Nov. 2009, paper WE4GRC01, pp.
1964-1966.
[7] T. Toyama et al., “Operating experiences of the J-PARC MR
BPMs”, Proc of Particle Accelerator Society Meeting 2009,
JAEA, Tokai, Naka-gun, Ibaraki, pp. 250-252.

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