X線自由電子レーザー-電子ビームプロファイルモニターシステム-
Print
Author(s):
株式会社 松浦電弘社 - 石川 桂氏
Industry:
Life Science
Products:
Analog Image Acquisition Devices, LabVIEW, PXI/CompactPCI
The Challenge:
1オングストロームの「X線自由電子レーザー」を世界で初めて実用化するにあたり、SASE（自己増幅型）のFEL（自由電子レーザー）の放射光発生のための線形加速器試験機において、電子ビームを直線軌道に極めて精度良く走らせるためのアライメント技術が重要であり、また課題となっていた。
The Solution:
拡張性のあるPXIシステムにより、シリアルインターフェースモジュールを組み込むだけで、単一で多機能な計測・制御が可能なシステム構築を実現した。
"NI画像関連のソフトウェアとハードウェアは、プロトタイピングツールや豊富な画像ライブラリを備え、様々な規格のカメラに対応し、デバイスの選定から実際の開発段階まで、LabVIEWを用いて容易に統合することができるため、システム全体の開発時間の短縮を可能となりました。"
はじめに
大型放射光施設（SPring-8）を拠点として放射光に係わる最先端の研究を行っている独立行政法人理化学研究所では、波長１オングストローム*以下のX線自由電子レーザーを世界で初めて実用化しようとする計画、SCSS（SPring-8 Compact SASE[Self Amplification of Spontaneous Emission] Source）プロジェクトと呼ばれる、国家基幹技術に指定されている国の基幹プロジェクトの1つに相当する最先端の研究を行っている。次世代放射光源「X線自由電子レーザー」などの放射光分野の研究は、物質科学、生命科学、環境科学などの分野へ応用されている。＊ オングストローム（記号:Å）は長さの単位で、原子や分子、可視光の波長など、非常に小さな長さを表すのに用いられる。1Åは10-10m = 0.1ナノメートル（nm）= 100ピコメートル（pm）と定義
されている。
現状と課題
この１オングストロームの「X線自由電子レーザー」を世界で初めて実用化するにあたり、SASE（自己増幅型）のFEL（自由電子レーザー）の放射光発生のための線形加速器試験機において、電子ビームを直線軌道に極めて精度良く走らせるためのアライメント技術が重要であり、また課題となっていた。その許容誤差は、10～20メートルあたりにわずか数マイクロメートルであり、これらの動作検証のため、加速管の複数箇所での電子ビームの空間プロファイルのモニタリングと計測を複数のCCDカメラを使用した画像により行うシステムの開発の依頼を受けた。
システム要件
1. 高分解能CCDカメラモニタシステムは、有効画素数1,000×1,000ドット以上を有し、20フレーム/秒以上のフレームレートを持つこと。また電動ズームレンズ部は動作距離300 mm以上500 mm以下であり、倍率は7倍以上を有すること。
2. 高フレームレートC CDカメラモニタシステムは、有効画素数640×480ドット以上を有し、60フレーム/秒以上のフレームレートを持つこと。
3. 映像出力方式は、Camera Linkインタフェースであること。
4. 制御室に設置されるコンピュータから、放射線管理区域に設置されるカメラシステムの機能を遠隔で制御可能できること。（ズーム、フォーカス、シャッタースピード他）
5. 制御室とカメラシステム部の間の映像伝送系は光ファイバーで構築すること。
6. 外部トリガによるシャッター開閉と、シャッター幅0.2 m秒以下の制御が可能であること。
7. 外部トリガ信号に同期して1,000フレーム以上のビームプロファイル計測を連続的に行えること。
システム概要
本システムの構築には、上記のシステム要件を満たす製品としてN IのPX Iシステム（図1参照）をベースとし、画像入力ボードやシリアルインターフェースなどのハードウェアとLabVIEWを採用した。信頼性と安定性が高いPX IコントローラとPX Iバスによる高速データ転送能力により、高解像度カメラおよび高フレームレートの両方のカメラからの画像集録時にも、データの欠損がなく画像集録・解析を行うことが可能となった。また本システムは画像集録だけではなく、複数のカメラの電動ズームレンズを使用することから、遠隔でのカメラの切り替え制御とレンズ制御が不可欠である。拡張性のあるPX Iシステムにより、シリアルインターフェースモジュールを組み込むだけで、単一で多機能な計測・制御が可能なシステム構築を実現した。
1. システム構成
本システムのコントローラにはインテル® PentiumM®2.0 GHzのCPUと1 GBのメモリを搭載した「NI PXI-8196」を採用した。PXIコントローラのWindows OS上で動作するLabVIEWを使用してアプリケーションを構築し、カメラの制御、レンズの制御、カメラの切り替え、画像の解析、解析結果の保存、画像の保存、および画像の再生を行う。また、LabVIEWを用いて制御も行う。ハードウェアとその他の構成は下の図2のようになる。
図2. システム構成図
2. システムの詳細とNI製品を使うメリット
使用するカメラは、システム要件の解像度（有効画素数）とフレームレート以上を満たしたCamera Linkタイプのものを選択した。NIのフレームグラバボードは種類が豊富で、35 以上のカメラメーカが製造する500以上のカメラ機種など、様々なタイプのカメラインタフェースに対応している。また、NI画像入力ソフトウェアは、Camera Linkを始め様々なカメラの規格に対応したドライバソフトウェアであるため、豊富な選択肢の中から本アプリケーションに合ったカメラを選定することができた。高解像度CCDカメラは、2/3型プログレッシブスキャンカメラを使用し、高速フレームレートCCDカメラは1/2型プログレッシブスキャンカメラを使用した。上記の両カメラは課題の有効画素数とフレームレートを満たし、Camera Linkの規格に沿っている。フレームグラバボードには、NIのCamera Link対応の画像入力ボード「NI PXI-1428」を選定し、付属の画像入力ソフトウェアを合わせて使用することで、カメラ特有の設定も制御でき、LabVIEWにより光ファイバーシリアル通信経由で露光時間やゲインレベルなどの設定や変更が可能となった。また、高解像度CCDカメラの電動ズームレンズには、動作距離（Working Distance）が300 mm以上500 mm以下で、最高倍率7倍の電動ズームレンズを選定した。本システムの電動ズームレンズはシリアル通信でズーム・フォーカスの各制御ができるため、シリアルインタフェースボード「NI PXI-8420」を使用し、LabVIEWからの制御も可能とした。シリアル通信を利用することで、放射線管理区域に設置してある電動ズームレンズを制御室から遠隔操作で制御することが可能となった。カメラとレンズの設置方法は下の図3のようになる。
図3. 自己増幅型放射光発生のための線形加速試験器
加速管の複数箇所での電子ビーム空間プロファイルのモニタリングのために12台のカメラを設置しているが、オンライン解析の処理を行えるように、12台中１つのカメラを計測専用のカメラとして切り替える必要がある。最大4台まで切り替え可能なカメラ切替器を5台用意し、図2のように配置することにより、最大20台までのカメラを切り替え可能とした。選定したカメラ切替器はシリアル通信で遠隔操作することができ、レンズ制御と同一のモジュール「NI PXI-8420」を使用した。また、カメラからの映像伝送系はレンズ制御と同じく長距離の高速データ転送になるが、画像データ光信号変換器（図2参照）を使用することで映像伝送が可能となった。 外部トリガ信号によるシャッター開閉制御は、電子ビームの発生後、カメラに到達するまでの遅延があるため、0.2ミリ秒以下での高精度の遅延コントロール制御が必要となる。画像入力ボード「NI PXI-1428」は4つのトリガを搭載しており、その中の2つのトリガを使用して正確な遅延制御を実現した。１つのトリガで外部トリガを受け、任意の遅延時間後に再度トリガを発生し、もう1つのトリガで発生したトリガを受けることで、カメラのシャッタータイミングと電子ビームの同期が可能となった。すべての信号伝達をハードウェアタイミングで行うため、マイクロ秒精度でのシャッター動作制御を実現でき、複雑な同期制御を可能とした。 さらに「NI PXI-1428」はケーションで、再度別のパラメータなどでも解析が可能となるため、バイナリからASCIIへの変換や、さまざまな画像形式に再変換して保存することもできた。LabVIEWで作成したユーザインタフェースは図4のようになり、実際の実験から得た電子ビームのプロファイル画像が表示されている。
課題解決
線形加速器試験器において、この電子ビームプロファイルのモニタリングシステムは、X線自由電子レーザーを世界で初めて実用化に貢献するものと考える。それには、次の2つの効果が大きい。 1） NI画像関連のソフトウェアとハードウェアは、プロトタイピングツールや豊富な画像ライブラリを備え、様々な規格のカメラに対応し、デバイスの選定から実際の開発段階まで、LabVIEWを用いて容易に統合することができるため、システム全体の開発時間の短縮を可能とした。 2） PXIシステムの同期制御機能やフレームグラバボードに搭載されているハードウェアタイミングクロック機能により、電子ビームパルスと撮像周期を容易に同期させることが可能となった。
|
|