Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP097

Ｊ－ＰＡＲＣリニアック 高周波源制御システムの現状
PRESENT STATUS OF RF CONTROL SYSTEM AT J-PARC LINAC
福井佑治#, A), 二ツ川健太 A), 方志高 A), 川村真人 A),
佐藤文明 B) , 篠崎信一 B), 堀利彦 B) , 千代悦司 B) , 鈴木浩幸 B)
Yuji Fukui #, A), Kenta Futatsukawa A), Zhigao Fang A), Masato Kawamura A),
Fumiaki Sato B), Shinichi Shinozaki B), Toshihiko Hori B), Etsuji Chishiro B), Hiroyuki Suzuki B)
A)High Energy Accelerator Research OrganizationB)
Japan Atomic Energy Agency

Abstract
In order to upgrade beam energy of linac from 181 MeV to 400 MeV, the ACS cavities and the new RF sources wereinstalled in the maintenance period of summer of 2013. We started preparation of the 972MHz RF Control systems,
which consist of RF control network, Low Level RF control system, klystron power supply control system and cavity
monitor system, from 2011 and had finished installing to all ACS stations in October, 2013. The ACS #16 and #17
stations were used as a klystron test station and high power test for 972 MHz klystrons was done there for five months.
The current status of RF control systems and the operating experience, mainly PLC control, are described on this report.

1.

はじめに

J-PARC リニアックでは RCS に入射するビームエ
ネルギーを 181MeV から 400MeV へ増強するため2013 年の夏季メンテナンス期間に、ACS 空洞および高周波源のインストールを行った。972MHz 用高周波源制御システムにおいては、ACS#21 ステーション（ACS 空洞、972MHz クライストロン用 RFコンポーネントの試験等を行うテストスタンド）やACS#16、ACS#17 ステーション（972MHz クライストロンの試験を行うテストスタンド）を先行して立ち上げ、2013 年 11 月の ACS 空洞コンディショニン
グ開始までにはエネルギー増強に必要となるすべての ス テ ー シ ョ ン （ Buncher1-2 、 ACS01-21 、Debuncher1-2）へのインストールを完了した。高周波源制御システムは低電力 RF（LLRF）制御システ
ム、クライストロン電源制御システム、空洞監視システムなどから構成されており、それらのシステムは主に PLC（Programmable Logic Controller）で制御されている。972MHz 系 RF 制御システムを増設するにあたっては、これまでの 4 ステーションを 1 つの CPU で制御する方式から、ステーション毎にCPU を持たせて独立した制御を行うように変更を行い、それに伴って各システム間の接続構成も変更した。本発表では高周波源制御システムの現状およびこれまでの運転状況について報告する。

2.

た ACS#3（旧 Debuncher1）、Debuncher2 のネットワークの敷設や残作業を行った。2013 年 5 月にはACS#16、#17 ステーションでクライストロンの大電力試験をするためのテストスタンドを立ち上げ、2013 年 10 月の空洞エージング開始まで試験が行われた。
2.1

972MHz 高周波源制御ネットワークの構築

972MHz 高周波源ネットワークはクライストロン
電源、LLRF、空洞、チューナーコントローラの各制御システム間を接続するネットワークである。
Figure 1 に示すようにリニアック制御室から光イーサネットケーブル（280ｍから 450ｍ長の MI 光ケーブル 8 本）を 4 ステーション毎に 1 台設置してあるメディアコンバータまで敷設し、そこから各ステーションのスイッチングハブがカスケード接続されている。増設した 972MHz 系機器では各ステーションリニアックビーム増強への対応

972MHz 用高周波源制御機器のインストールおよび各システム同士を接続するネットワークの敷設は2011 年の夏季メンテナンス期間から行っており、2013 年のメンテナンス時には、ビーム運転を継続する都合上、これまで作業を進めることができなかっ___________________________________________# yuji.fukui@kek.jp

Figure 1: Composition of the 324MHz and 972MHz
RF control system network. The table in this figure
shows the CPU module used in RF Systems.

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で 独 立 し て 制 御 を す る よ う に 変 更 し た 関 係 で 、 クパワーメータ（Giga-Tronics、8542C）を使用し、324MHz 系制御システムで使用している FA バス パワーメータのアナログ出力電圧およびセンサーケーブル（2 芯マルチモード光ファイバーケーブル） （80350A）の Detector 出力電圧（Figure 3(b)）をおよび FA リンクケーブル（4 芯メタルケーブル） PLC のアナログ入力モジュールに取り込み測定をは不要となった。ただしクライストロン電源制御シ 行った。Detector 出力はテストスタンド立ち上げ当
ステムについては日立側 PLC と子機同士が 1 対 1 で 初は使用していなかったが、パワーメータの応答時データ通信を行っているため日立側のシステムの改 間がボトルネックとなり測定に時間がかかっていた修も伴う大掛かりな作業が発生することから、これ ので ACS#16、#17 テストスタンドの構築をする際に追加した。これにより、変更前は 1 回の測定におまで通りの構成としている。
その他の信号配線としては、4 ステーション毎に よそ 12 分程度要していたが、変更後は 3 分程度に1 台、信号分配器を設置し PPS（Personnel Protection 短縮をすることも可能となり、測定を行う職員の負System）信号およびクライストロン高圧電源 Ready 担を軽減することができた。テストスタンドの運転は 2013 年 5 月から 10 月まで約 5 ヶ月間行われ（8信号を各ステーションに配線している。
月は中断）、ここで収集したデータを基に各ステー
2.2 LLRF 制御システムおよびチューナーコントションへのクライストロンのインストールが行われローラのインストールた。
324MHz 系の LLRF 制御システムでは 4 つのステーションを 1 CPU で制御する方式をとっているが、これはクライストロン高圧電源の構成（1 台の高圧電源に対して 4 台のクライストロン）に合わせた意味合いが強い。この構成の場合、4 つのステーションのうち 1 つが故障すると、どのステーションで不具合が発生したのかが分かりづらくなり、また原因を探るために他の 3 台を停止させることもあるため、
復 旧 に 時 間 が か か る こ と が あ っ た 。 972MHz 系
LLRF 制御システムでは、各ステーションに CPU を置いて空洞毎に独立で制御する方式に変更した。
Figure 3: (a) Input-output characteristics curve for
ACS チューナーコントローラの制御部分はこれまでの PLC に替わって FPGA がベースになっている。 972MHz Klystron and (b) sensor of Peak Power Meter.
構成は LLRF 制御システムと同様に各空洞で独立になっており、制御側 PLC とチューナーコントローラ 3.
運転状況
間はイーサネットを通じて 1 対 1 で通信が行われている[1]。
3.1 PLC モジュールの故障
2.3

ACS#16、#17、#21 テストステーションの構築

ACS#16、#17 および#21 ステーションを利用してテストスタンド（Figure 2）を構築し、ACS 空洞お
よび 972MHz 用クライストロンの大電力試験を行った。テストスタンドを構築する際には、実際の運転に使用する RF 制御機器に加えて、実機で対応できない部分については新たに機器（タイミングおよびゲート信号用パルスジェネレータ、クライストロン電力測定用のピークパワーメータ、データ収集用PC など）を追加した。クライストロン入出力電力の測定（Figure 3(a)）には実機で使用する VSWRメータに加え、より精度の高い測定をするためピー

Figure 2: Schematic view of the 972 MHz klystrontest station.

Table 1 にビーム利用運転中に故障した PLC の一覧を示す。6 件のトラブルのうちビーム運転停止に至ったものは 3 件発生している。

クライストロン高圧電源#1 で CPU モジュールが故障。 CPU 交換後のパラメータの再設定に時間がかかり復旧まで 1 時間 30 分を要した。
（Table 1, No.1）

SDTL#02 で光バスモジュールが故障。このトラブルの前にすでに光ケーブルの一部が断線していた（光ケーブルはループ状になっており、1 箇所が断線しても運転可能であった）ため、故障箇所の特定に時間がかかりビーム運転再開まで 1 時間 49 分を要した。（Table 1, No.2）

温度測定モジュールが故障し、DLT2 空洞の冷却水インターロックが 10 月 24 日 4 時 22 分か
ら 8 時 57 分まで断続的に 3 回発報した。その後、プログラム上でマスクをかけ仮復旧し、同日午後に約 1 時間かけて故障モジュールの交換を行った。（Table 1, No.3）

メンテナンスからビーム運転へ移行中に、高圧電源制御 PLC から RF 出力許可信号を出しているリレーモジュールが故障し運転開始が約 1 時間遅延した。 （Table 1, No.5）- 1283 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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ビ ー ム 運 転 中 以 外 の も の も 含 め る と 、 PLC モ ナー電源のリセットで対応しているが、休日や深夜ジュールの故障は全部で 17 件発生している。（シ に発生した際に対応する職員の負担も大きいため、ステムの稼動時間はおよそ 42,000 時間）そのうち 今夏のメンテナンスで早急にプログラムの修正を実
12 件はイーサネットや光リンクなどで発生しており、 施する予定である。ノイズ対策などの本質的な対応
通信関係での故障が目立つ。イーサネットモジュー が今後の課題となっている。
ルは故障の前兆として通信エラーが観測されること
3.3 PPS 信号の取扱いに関する不具合があり交換をする際の目安としている。
2013 年 11 月 14 日のメンテナンス終了後、空洞にRF を投入する際に、PPS からの RF 投入許可信号がTable 1: PLC Module Trouble on User Service Operation
無い状態で RF が投入されてしまう事象が発生した。
LLRF 制御システムでは、機器のメンテナンスを容易にするためにインターロックをマスクできるようになっており、PPS もマスクが可能な仕組みになっていたことが原因である。LLRF 制御システムの運用上、ビーム運転時には上位制御が可能な状態（REMOTE）にすることになっているが、この状態
ではすべてのインターロックマスクが外れるロジックになっているのでこれまで不具合を意識していなかった。これを受けてソフトウェア修正および運用面で以下の対策が講じられた。
3.2 ノイズ対策
 PPS をマスク対象から外すようにプログラムをRF 制御システムにおいてノイズが原因と見られ修正する。プログラムの修正が完了するまで、る機器の誤動作が確認されている。一部の不具合はトンネル入域時には、すべてのクライストロンクライストロン高圧電源のトリップと同期して発生高圧電源を落とす。（2013 年 11 月にプログラしていることが確認されており、また最近ではクラム対応済）
イストロンやモジュレーティングアノードの不安定 インターロックのマスク状態、上位からの許可性に関する報告もされているので [2]、これらの近傍信号の状態を端末に常時表示させる。の大電力高周波源機器からのノイズが誤動作を誘発
 PPS 許可信号が無いにもかかわらず RF が投入している可能性が考えられるが、詳しい原因は現在された時には、中央監視室で異常を知らせる警調査中である。最近発生した事例および対策を以下報を鳴らす。に示す。
 メンテナンスなどでインターロックマスクを行
うときは、事前に“マスク許可願”を提出する。
3.2.1 温度測定モジュール
ACS 増強後の 2014 年 1 月以降、ACS#17 から#20のクライストロン電源制御システムにおいて、集束コイル温度異常によるビーム運転停止が頻発した。
調査を進めるとクライストロン集束コイル温度を測定する熱伝対配線の 1 つにノイズが重畳していることが疑われたので、温度測定モジュール周りの信号線および AC100V 電源ラインに対しノイズ対策（分割型フェライトビーズ装着）を行った。類似の現象
は 2012 年、324MHz 系 LLRF 制御システムにおいてサーキュレータおよびダミーロード温度異常で発生しており、この時はアナログ入力モジュールの持つフィルター機能（一次遅れローパスフィルター）を設定して対処している。いずれの対策後も、当該箇所においてノイズによる誤発報は発生していない。

リニアック 400MeV エネルギー増強に対応するた
め 972MHzRF 制御システムのネットワーク構築、RF 制御システムの整備および大電力 RF テストスタンドの構築を行った。2014 年 1 月の 400MeV ビーム
加速開始からおよそ 6 ヶ月が経過したが、増強後のRF 制御システムにおいて大きな問題は発生していない。最近の RF 制御システムの稼働状況をみると、特に運転時間が長期化している 324MHz 系での不具合が目立つようになった。モジュールの交換やソフトウェアの修正などの対応を迅速に行う体制を整備することに加えて、不具合の兆候の早期発見など、事前の対策を確立していくことにも取り組んでいる。

3.2.2 チューナーコントローラ

参考文献

324MHz チ ュ ー ナ ー コ ン ト ロ ー ラ に お い て 、チューナー駆動が突然停止し、操作を受け付けなくなる不具合が約 1 ヶ月に 1～2 度の頻度で発生している。この不具合により離調度が大きくずれると、下流側の加速器でビームロスの増大を招くことやRF がトリップした後、立ち上がらなくなることもある。現時点の対策としては離調度のステータスを常時端末で監視し、異常があったときにはチュー[1] H. Suzuki, et al., “THE ACS TUNER CONTROLLRE
DEVELOPMENT”, Proceedings of the 6th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan (August 5-7, 2009,Tokai, Naka-gun, Ibaraki, Japan).
[2] T. Hori, et al., “IMPROVEMENT FOR THE TRIP RATEOF KLYSTRON HIGH-VOLTAGE POWER SUPPLIESIN J-PARC LINAC”, Proceedings of the 10th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 35, 2013, Nagoya, Japan).

4.

- 1284 -まとめ