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

PASJ2022 TUP012

J-PARC ハドロン実験施設における新二次粒子生成標的温度測定および制御システムの開発
DEVELOPMENT OF TEMPERATURE-MEASUREMENT AND CONTROL SYSTEMFOR NEW PRODUCTION TARGET AT J-PARC HADRON EXPERIMENTAL FACILITY
上利恵三#, 秋山裕信, 森野雄平, 里嘉典, 豊田晃久
Keizo Agari , Hironobu Akiyama, Yuhei Morino, Yoshinori Sato, Akihisa Toyoda
High Energy Accelerator Research Organization, KEK#Abstract
Hadron Experimental Facility (HEF) is designed to handle intense slow-extraction proton beam extracted from 30-GeV
Main Ring of Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC). Temperatures of an old production target in HEF
were monitored with 21 thermocouples with 100-millisecond sampling to detect damage to the production target as soon
as possible. The old production target was replaced with a new one which was acceptable for 95-kW proton beams. We
developed temperature-measurement and control system with a Programmable Logic Controller (PLC) because the new
production target was attached about 3 times as many thermocouples as the old one. We also measured the CPU and thememory usage of Linux-CPU modules embedded EPICS IOC on Yokogawa's FA-M3 PLC platform. As a result, thissystem has operated with stability during beam operation. This manuscript reports the upgrade of the temperature
measurements and control system for the new production target at the J-PARC Hadron Experimental Facility.

1.

はじめにJ-PARC ハドロン実験施設[1]（Fig. 1）では加速器により 30 GeV に加速され、遅く取り出された陽子ビームを Aラインにある二次粒子生成標的に照射し、発生した二次粒子を物理実験に使用している。また B ライン（高運動量ビームライン）は陽子ビームの一部が B ラインに取り出され、残りの大部分の陽子ビームが A ラインへ導かれ、それぞれの実験エリアで使用される。標的はビームパワーが 50 kW まで受け入れ可能であった(50 kW 標的[2])が、新しい標的の開発が行われ、95 kW まで受け入れ可能となった(95 kW 標的[3]、Fig. 2)。

6 mm
12 mm

Figure 2: Photograph of 95-kW production target.

Beam

2.

A-lineB-lineC-lineFigure 1: Drawing of J-PARC Hadron experimental
facility.

___________________________________________

Beam

Cu

Beamdump

Production
target# agari@post.kek.jp

Au

二次粒子生成標的より高いビームパワーでビーム運転を行うため、50 kW
標的を鉛直方向上下対称に 2 個設置した 95 kW 対応可能な標的が開発された。50 kW 標的と同様に、95 kW
標的はビームが照射される部分が金、その土台が無酸素銅や冷却水用ステンレス配管から構成され、He 容器内に設置される。ビーム寄与による熱応力を減少させるため、金部分はビーム方向に 6 分割している。そこに熱電対が左右に 2 個、ビーム方向に 6 個設置し、1 山につき 12 個、上下標的合わせて合計 48 個設置している。
Table 1 に 50 または 95 kW 標的の温度測定点数を示す。
また標的が何らかの原因で損傷した時のため、水平方向に 2 山構造とし、1 山はビームを照射し、他方はビームから退避している。もし標的に損傷が発生した場合、遠隔操作で標的を水平方向に移動し、安全が確認でき次第、他方の山に照射を行うことによりビーム運転を再開できる。

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上述のとおり 95 kW 標的は上下対称構造になり、金、無酸素銅、ステンレス配管、周辺機器などの熱電対が50kW 標的に比べ約 3 倍に増加したため、測定・制御機器の開発を行った。また下記がその要求事項となる。
• 熱電対の数が約 3 倍に増加するため、安定した測定・制御が可能な機器の査と選択。
• ビームスピルに同期した温度や上下左右温度差波形を表示できる。
• 安全なビーム運転を継続するため、温度がしきい値を超えればインターロック信号の出力し、ビーム運転を瞬時に停止できる。

3.3

ビームスピル同期温度

Target50kW

95kW

J-PARC ハドロン実験施設のビーム運転は 5.2 秒周期で行われ、主リングからハドロン実験施設に約 2 秒間ビームが遅く取り出される。
5.2 秒周期の温度波形を表示するため、温度測定はA/D モジュールでタイミング信号を受信してから開始し、温度データを 100 ミリ秒毎に 1 個ずつ別の PLC 内レジ
ス タ に 格 納 し 、 温 度 測 定 完 了 信 号 を Linux-CPU モ
ジュール内の EPICS シーケンサ[5]が検知し、レジスタの温度データを EPICS の waveform レコードにまとめて格納する。その waveform レコードから最高温度、その 5ショット平均温度、上下左右温度差などを EPICS で計算し、コントロール室でディスプレイに表示し、ビームコミッショニングや標的の健全性確認などに使用する。

Au12483.4

Cu24Cooling pipe

24

Peripheral

59

Total

2165

インターロックは下記のとおり 2 段階のしきい値を設定する。
1 段階目はアラームハンドラ[6]により警告音を鳴動する。
2 段階目はインターロック信号により自動的に加速器を停止させる。
2 段階目のインターロック用温度はビームと非同期で100 ミリ秒毎に測定する。しきい値は EPICS レコードで設定し、設定された値を PLC 内のレジスタに格納し、シーケンス CPU モジュールで標的温度と比較し、もししきい値を超えればインターロック信号を出力する。

Table 1: The Number of Temperature Measurements

3.

温度測定・制御機器

3.1

測定・制御機器

温度測定・制御機器は 50 kW 標的と同様[4]に、横河電機製 PLC、FA-M3V シリーズを選択した。この機器は温度測定が 100 ミリ秒周期で可能で、さらに測定された各温度にしきい値を設定し、それを超えればインターロック信号を出力させ、ビーム運転を安全に停止するシステ
ムを構築できる。
3.2

PLC モジュール

PLC のモジュール構成はシーケンス CPU モジュール
が温度測定、インターロック信号の出力、タイミング信号の入力などすべてを制御し、そこで得られた温度データやインターロック信号などは Linux-CPU モジュールにより EPICS レコード化される。温度測定は温度モニタモ
ジュールで行い、スピル同期した温度を測定するため、タイミング信号を A/D モジュールに入力する必要がある。
インターロック信号は D/A モジュールにより出力する。
Table 2 に 50 および 95 kW 標的で選択した PLC モ
ジュールを示す。
Table 2: PLC Modules
ModuleModel numberSequence CPU

F3SP71-4S

Linux CPUF3RP61-2L (50 kW)
F3RP71-2L (95 kW)

Temperature monitor

F3CX04-0N

A/D

F3AD04-0R

D/A

F3DA04-0N

インターロック

4.

測定機器の安定性

4.1

Linux-CPU モジュール

シーケンス CPU および Linux-CPU モジュールにより、温度測定、制御システムを構築するが、ビーム運転中測定機器に過度な負荷が発生していないか確認するため、Linux-CPU モジュールの CPU とメモリの使用状況を測定した。まず 50 kW 標的で F3RP61、次に 95 kW 標的でF3RP71 での結果を評価した。それぞれの Linux-CPU モ
ジュールの仕様と測定条件を Table 3 に示す。
Table 3: Specification of Linux-CPU Modules
Target

50 kW

95 kW

Linux CPUF3RP61-2L

F3RP71-2L

CPU

MPC8347E

Cortex-A9 MPCore533 MHz

Dual 866 MHz

SDRAM

DDR2 128 MB

DDR3 1 GBPeriod

6/2/18 –2/9/21 –Sampling [s]107/1/18- 310 -2/28/215

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4.2

4.3

50 kW 標的の試験結果

まず 50 kW 標的、Linux-CPU モジュールが F3RP61、2018 年 6 月 2 日から 7 月 1 日までのビーム運転時のCPU とメモリの使用状況の結果を Fig. 3 に示す。CPU はシステム・ユーザ・アイドル時間の割合[%]を、メモリはスワップ・フリー・バッファ・キャッシュの量[MB]を示している。
CPU 使用率はアイドル時間の割合は 50~60%、メモリ容量は空きメモリが徐々に減少し、数 MB までになった。結果より、測定する温度点数が約 3 倍になる 95 kW 標的でこのシステムで F3RP61 を使用することは過負荷になることが推定される。また CPU のアイドル時間の割合が約 1日間、約 90%に増加しているのは、加速器のメンテナンス日でビーム運転が行われていないからである。

95 kW 標的の試験結果

4.2 の結果やメモリ容量（RP61:128MB、RP71：1GB）、通信速度（RP61:100Mbps、RP71：1Gbps）により、95 kW
標的は Linux-CPU モジュールを F3RP61 から F3RP71に変更した。また 95 kW 標的が上下構造からなるので、測定機器の PLC も 2 系統用意し、標的上・下部に分け、温度測定および制御を 2 つに独立することにより、CPUやメモリの負荷を分散した。
95 kW 標的で、Linux-CPU モジュールが F3RP71 の2021 年 2 月 9 日から 2 月 28 日のビーム運転時の結果を Fig. 4 に示す。この測定では標的上部のみの結果を示している。結果より、CPU のアイドル時間の割合は90%以上になった。メモリ容量も未使用のメモリが少し漸減しているが使用上問題は無いことがわかる。結果より、負荷が分散でき、安定した動作ができたことを確認した。

(a) CPU usage rate(a) CPU usage rate(b) Memory usage
Figure 3: Trend graphs of CPU and memory usage with
F3RP61 for 50-kW production target during beam
operation.

(b) Memory usage
Figure 4: Trend graphs of CPU and memory usage with
F3RP71 for the upper side of 95-kW production target
during beam operation.

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5.

ビーム同期温度用ソフトウェア

6.

Linux-CPU モジュールによって EPICS レコード化された温度データはビーム制御室のディスプレイに表示される。現在値を並べたステータス画面、スピル同期温度波形やそこから EPICS レコード内で計算される最高温度・その 5 ショット平均温度・上下左右温度差、トレンドグラフなどがある。
ここでは代表的なスピル同期温度波形を表示する画面を Fig. 5 に示す。この画面は Python の GUI ツールキットである wxPython [7]で作成され、ビーム周期である5.2 秒毎に表示される。グラフの上部にある４つのグラフは上流から見た温度測定位置と同じ（例えば、左上のグラフは上流から見た標的左上の温度）で、下枠は左上グラフが（左上 - 左下）、右上が（右上 - 右下）、左下が（左上 - 右上）、右下が（左下 - 右下）の温度差を表示している。またグラフ毎にある 6 個のプロットはビーム方向にある 6 つの測定点で、上流から下流に行くにつれ
TC1, 2, ･･･, 6 と名付けている。
グラフは主リングから取り出されたビーム強度が 6.4×1013 [ppp], スピル長が 2.07 [sec]の時である。タイミング信号を入力してから 0.6～0.7 秒でビーム寄与による発熱が開始し、温度は徐々に上昇するが、2.6～2.7 秒で温度が減少を始める。スピル同期温度や上下左右温度の差分を表示することにより、温度勾配がわかり、ビームの状態や標的の健全性などを確認している。
On spill

On spill

まとめ

J-PARC ハドロン実験施設の新しい 95 kW 二次粒子生成標的の温度測定および制御システムの設計・開発を行ったことにより、下記の事がわかった。
 測定・制御機器は横河電機 PLC、FA-M3V シリーズを選択した。
 ビーム運転時、Linux-CPU モジュール F3RP61-2Lの CPU とメモリ使用状況を調査した結果、50 kW 標
的では CPU のアイドル時間の割合が約 50%で、メモリが不足していることがわかった。
 95 kW 標的に PLC を 2 系統、上記より性能が高いLinux-CPU モジュール F3RP71-2L を使用することにより、CPU とメモリの負荷が分散でき、安定した動作が確認できた。
 インターロックは 2 段階に設定し、1 段階目は警告音、2 段階目はインターロック信号を出力することによりビーム運転を安全に停止する。
 ビームスピルに同期した温度を表示し、ビームコミッショニングでの使用やビームの状態や標的の健全性を確認している。

参考文献[1] K. Agari et al., “Secondary charged beam lines at the JPARC hadron experimental hall”, Progress of Theoreticaland Experimental Physics (PTEP), Volume 2012, Issue 1, 1
January 2012, 02B009 (16 pages).
[2] H. Takahashi et al., "Indirectly water-cooled production
target at J-PARC hadron facility", J. Radioanalytical andNuclear Chemistry, Sept. 2015, vol. 305, no. 3, pp. 803-809.
[3] M. Saito et al., “Indirectly cooled secondary-particle
production target at J-PARC Hadron Experimental Facility”,
Phys. Rev. Accel. Beams 25, 063001 – Published 3 June
2022.
[4] K. Agari et al., “Upgrades of Temperature Measurements
and Interlock System for the Production Target at J-PARC
Hadron Experimental Facility”, Proceedings of the 15th
International Conference on Accelerator and Large
Experimental Control Systems (ICALEPCS), Melbourne,Australia, Oct. 17-23, 2015, pp. 371-373.
[5] EPICS Sequencer website;
https://www-csr.bessy.de/control/SoftDist/sequencer/[6] EPICS Alarm Handler website;
http://www.aps.anl.gov/epics/extensions/alh/[7] wxPython.org website;
http://www.wxpython.org/

Figure 5: Typical plots of Au temperatures synchronizedwith beam extraction.

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