Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

SPring-8 加速器診断ビームライン II の Turn-by-Turn 放射光プロファイル
モニター遠隔制御系整備
REMOTE CONTROL OF TURN-BY-TURN PHOTON BEAM PROFILE MONITOR AT
THE SPRING-8 DIAGNOSTICS BEAMLINE II植田 倉六，増田 剛正，正木 満博

Souroku Ueda #, Takemasa Masuda, Mitsuhiro Masaki
Japan Synchrotron Radiation Research Institute

Abstract
The turn-by-turn beam profile profile monitor (TTPM) using undulator radiation is installed in the diagnostic
beamline II (BL05SS) of the SPring-8 storage ring to observe stored beam oscillation, instabilities of a high current
single bunch and so on. The TTPM system employs a high-speed CCD camera (ProEM 512BK by PrincetonInstruments) with a special function to record turn-by-turn images both of horizontal and vertical spatial profiles in asingle picture by vertically shifting electric charge stored in the CCD elements in microseconds. The CCD camera canbe controlled by using WinSpec32 software (Prinston Instruments) running on a local Windows PC at BL05SS via agigabit Ethernet interface. We have built a TTPM remote control system to realize continuous and automatic
observation of stored beam stability during the user time operation at the SPring-8 central control room. The TTPM
remote control system consists of the following three parts; control software of WinSpec32 by through COM(Component Object Model) on the local Windows PC, remote application software on Linux operator consoles andcommunication software using ZeroMQ between the WinSpec32 control software and the remote application software.
As the remote application software, two kinds of GUIs are prepared. One is for the measurement of the stored beamoscillation at the top-up injection, and the other is for the instability observation of a high current single bunch. TheseGUIs provide functions of display of the captured image, fitting calculation of the image, display the result and record it
into the DB and so on. The remote control system has been utilized for the stability observation by operators in thecentral control room since December 2012 and worked well.

1.

はじめに

SPring-8 蓄 積 リ ン グ 加 速 器 診 断 ビ ー ム ラ イ ン
II(BL05SS)では、アンジュレーター放射の空間プロファイルをビーム周回毎に計測可能な Turn-by-Turn
放射光プロファイルモニター(TTPM)が設置されている[1]。これを用いて、ユーザー運転中のトップアップ入射時における蓄積ビームの微少な振動の連続測定や、大電流シングルバンチを含むバンチフィルモードでの運転時にビームの安定性監視などを中央制御室で行なえるようするため、制御ソフトウェアなどの環境を整備したので報告する。

2.Turn-by-turn 放射光プロファイルモニター
TTPM では、アンジュレーター放射の X 線イメー
ジを減衰時間の速い蛍光板で可視光イメージに変換しており、その２次元イメージを１次元集光系を用いて水平および垂直方向に圧縮し、それぞれの方向の射影プロファイルを生成している。これら２方向のライン状プロファイルは、CCD 素子のピクセル数が 512(X)×512(Y)である高速 CCD カメラ(PrincetonInstruments 社製 ProEM:512B)で撮像される。このカメラが持つキネティクスモードと呼ばれると特殊な___________________________________________#ueda_s@spring8.or.jp

機能が、高繰り返しでの撮像を可能にしている。この動作モードは、フレーム最下部に幅の細いサプフレームを設定して受光エリアとすると、蓄積したCCD 素子電荷を外部トリガーに同期して縦方向に(Y方向)にシフトさせることができるものである。外部トリガーとして、ビームのリング周回信号またはその分周信号を使えば、周回に同期して複数のプロファイルを１フレーム内に一度に撮像することができる。

3.

遠隔制御システムの設計

ProEM は ギ ガ ビ ッ ト イ ー サ ネ ッ ト の イ ン タ ー
フェースを搭載しており、BL05SS にある WindowsPC（現場制御用 PC）にインストールされている分光測定ソフトウェア Winspec32 を用いて、現場で操作することができる 当初は、ProEM の中央制御室からの遠隔制御を実施するにあたり、SPring-8 標準の制御フレームワークである MADOCA に組み込むことを検討していた。MADOCA では、中央制御室のオペレータコンソールと機器の近くにある制御用計算機との通信に RPC(Remote Procedure Call)を使用しており、それをサポートしていない Windows PCは制御できないため、現場 PC の OS を Windows から Linux に変更する必要がある。しかしながら、- 717 -

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Linux の ProEM 用デバイスドライバ及びソフトウェ 3.2 遠隔操作用 PC
アがベータ版であること、Linux からの制御には遠隔操作には SPring-8 の中央制御室に設定していProEM 側のファームウェア更新が必要であるが更新るオペレータコンソールを使用する(Table2)。
後は Windows から制御ができなくなることなどの理
Table 2: Main specification of the remote operation PC.
由により、MADOCA への組み込みを断念して現場PC を Windows のままで制御することにした。一方、
OSSUSE Enterprise Linux 11当時開発中であった新制御フレームワークである
SP1(32bit)
MADOCA II[3]では ZeroMQ[4]を通信に利用しており、Windows でも制御が可能となる。そこで将来的にはCPU
Xeon Quad Core 3.0GHz
MADOCA II へ移行することを念頭において、遠隔memory
4GB
操作用 PC との通信方法を容易に変更できるようにソフトウェアの設計を行った(Figure 1)。
HDD
160GByte mirror

Figure 1: Design overview of the remote control system.
具体的には、現場の PC において、カメラを制御する部分と中央制御室の遠隔操作 PC との通信を行なう部分のソフトウェアを分けて構築することにした。通信プロトコルや通信ライブラリの違いによるソフトウェア動作の差異を極力少なくするために、カメラ制御用プロセスと通信用プロセス間、及び通信プロセスとクライアントソフトウェア間の通信部分に ZeroMQ を使用することにとした。現場制御用
PC ではカメラの制御と画像取得のみを行い、取得した画像からプロファイルの強度、幅、位置を算出するフィッティング処理などは中央制御室の遠隔操作 PC 上のソフトウェアで行なうことにした。

3.

ハードウェア3.1

現場制御用 PC

OSWindows7 Pro(32bit)

CPU

Xeon Quad Core 3.1GHz

memory4GB

HDD

1TByteソフトウェア

4.1

カメラ制御用ソフトウェア

ProEM の 制 御 ソ フ ト ウ ェ ア で あ る
Winspec32(Figure 2)は外部から操作を行うためのイン タ ー フ ェ ー ス と し て COM(Component ObjectModel)を公開している。そこで、CCD カメラを直接制御するソフトウェアを用意するのではなく、COM介して Winspec32 を制御することにより、間接的にカメラを制御するソフトウェアを作成した。
Winspec32 は MDI(Multiple Document Interface)形式のソフトウェアで、取得した画像の強度グラフ等を表示するなど機能が豊富であり、その機能のほぼすべてを COM 経由で外部から操作が可能である。

Figure 2: Winspec32現場に設置する制御用 PC ではフィッティング処理等の計算を行わないため、標準的な仕様のものを用意している(Table 1) 。
Table 1: Main Specification of the local control PC.

4.

カメラ制御ソフトウェアは、クライアントソフトウェアからの設定値の取得や撮像開始・停止要求を受けて、COM を利用して Winspec32 の撮像開始・停止を操作する。撮像中は一枚撮像するごとにWinspec32 内で撮像完了のイベントが発生するので、そのイベントを待機しイベント発生時に Preset scalarから開始タイミングを取得し、現在時刻とともに共有メモリに書き込む。Winspec32 の起動は、制御ソフトウェア内で行われる COM の初期時にシステム(Windows)によって起動される。また既に起動している場合は、起動している Winspec32 と接続され制御可能となる。

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4.2

通信ソフトウェア

通信ソフトウェアは、クライアントソフトウェアからの要求を受け取り、CCD カメラ制御ソフトウェアに送信し、その応答をクライアントソフトウェアに返信する役割を担う。撮像開始・停止要求や撮像中・停止中や撮像サイズ取得等のステータス要求はZeroMQ 経由でカメラ制御ソフトウェアに送信し、応答をクライアントソフトウェアに返信する。画像取得要求を受信した場合は、共有メモリにアクセスし、画像データと共に取得日時・開始タイミングの情報を返信する。通信ソフトウェアはクライアントソフトウェアである遠隔 GUI と 1 対 1 の通信を想定し、また近い将来の MAODCA II 移行時は不要となるソフトウェアであるため、複雑な処理を行わず極力シンプルな構成とした。
4.3

取得した振動データは gnuplot を使用してグラフ化し、GUI 上に表示している。またカメラで撮像した画像を目視で確認できるように GUI 上にも表示している。(Figure 5)。

入射時のビーム振動測定用 GUI

TTPM を用いてユーザー運転中にビーム入射時の蓄積ビームの微少振動を自動で連続測定するためのGUI を 作 成 し た 。 作 成 に あ た り 、 RAD(RapidApplication Development)である Glade[5]を使用し画面構成の設計を行った(Figure 3)。

Figure 5: TTPM GUI for the measurement of stored
beam oscillation induced by beam injection.
また、振動データの FFT 解析で現れるベータトロ
ンチューンスペクトルの強度（振動の振幅に相当）およびチューン小数部などの変動をグラフ化して,中央制御室の大型ディスプレイに表示しており、ユーザー運転中における監視機能を強化している(Figure6) 。

Figure 3: Glade
シングルショットで取得した画像から水平および垂直方向の射影プロファイルを作り、ガウス関数＋１次関数によるフィッティング(Figure 4)により求めたプロファイル中心位置をターン毎にソートして光軸の角度振動とその FFT 処理の結果も合わせてデータベースに記録できるようになっている。また、測定の統計精度を向上させるために、指定回数分だけ複数回測定してターン番号毎に平均する機能も有している。

Figure 6: Trend graphs of stored beam oscillation
amplitude, fractional tune.

4.4

Figure 4: Gaussian fitting

シングルバンチ不安定性観測用 GUI

バンチ電流が増加すると電子バンチが作るウェイク場が自分自身に作用し不安定性によりビームロスなどが発生する場合がある。ユーザー運転中にこの- 719 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

ような不安定性が発生した際のビーム挙動を捉えるために、TTPM を用いて常時監視ができる環境を整備した。この測定では、前述したキネティクスモー
ドのサブプレームのウィンドウ幅を 1pixel とし、ビーム入射のタイミングで水平・垂直方向のプロファイルを計測し、ビームロスなどが発生して光強度が減少したときのプロファイルの強度、幅、位置をデータベースに記録するようになっている。

5.

まとめ今回の整備により中央制御室での連続的な監視が可能となり、加速器運転員がより加速器のビーム状態を把握できる環境が整った。2012 年 12 月に導入されてから、計算処理の変更等を行いながら、問題なく現在まで安定動作している。今後はさらなる詳細な情報収集と、新制御フレームワークである
MADOCA II への対応を行う予定である。

参考文献[1] M.Masaki, “Development of Turn-by-turn Diagnostic
System Using Undulator Radiation”, Proceedings ofIBIC2012, Tsukuba, Japan, 2012.
[2] T. Matsumoto, et al., "Development of New Control
Framework MADOCA II at SPring-8" in these proceedings[3] http://zeromq.org/[4] https://glade.gnome.org/- 720 -