研究課題/領域番号 |
25390138
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研究種目 |
基盤研究(C)
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研究機関 | 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 |
研究代表者 |
佐藤 政則 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 准教授 (90353367)
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研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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キーワード | ビーム制御 / ビックデータ解析 / ストリームコンピューティング / データマイニング / 大規模加速器 |
研究概要 |
近年,粒子加速器を用いた研究テーマは,高エネルギー物理学実験を始めとして,基礎物質科学・ナノテクノロジー,及び生命科学など多岐にわたる。次世代の高度な利用実験のためには,超高輝度・高安定なビームの利用が必須であり,粒子加速器の性能が利用実験の成果を大きく左右することとなる。 加速器の性能とは,粒子源・加速空洞・高周波源・電磁石及び電源など,個々の構成機器の性能・信頼性はもちろんのこと,ビーム運転の可用性から決定付けられる総合的な指標である。特に,SuperKEKBやILCのような大型最先端加速器においては,膨大な量の制御パラメーターを常に最適化し,高品質なビーム運転を維持する必要がある。そこで,本研究に於いては,ビッグデータ解析を応用した大型加速器ビーム制御・運転システムの開発を行い,大規模加速器に於けるビームの高可用化を試みる。 平成25年度においては,当該研究課題の基盤技術となる,ビッグデータ解析システムを構築する計画である。加速器ビーム運転に関するソフトウェア技術は,計算機科学の進歩にともない大幅な進歩を遂げたと言えるが,近年のビーム運転システムは,ILCに代表される超大型加速器の運転にそのまま適用できるレベルとは言い難い。大規模加速器では,その制御対象点数の多さから,単純な機器故障に起因しない場合のビーム変動要因の理解及び抑制が困難であると予想される。これらの理由から,次世代大規模加速器の運転効率を最大限に高め,ひいては物理実験効率の最大化を図るためには,従来の水準を超える新しいビーム運転システムが不可欠である。
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現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
高エネルギー加速器研究機構の電子陽電子入射器(以下,KEK入射器)は全長約600 mの線形加速器であり,複数の蓄積リングへビームを供給している。蓄積リング毎に要求されるビームパラメーター(エネルギー,電荷量,エミッタンス等)が大きく異なるため,最大ビーム繰り返し50 Hz(20ミリ秒間隔)において,特性の異なる電子・陽電子ビームを生成,加速,及び入射している。このように複雑な運転形態を取っているため,50 Hz毎の機器情報及びビーム情報(ビーム軌道,エネルギー,エネルギー広がり等)を取りこぼし無く収集及び蓄積することが重要となる。さらに,データ点数を可能な限り増やすことにより,直感的には把握することが困難であるパラメーター間の相関関係を,ビックデータ解析により明らかにすることが可能となる。このようなデータ解析を施すことにより,ショット毎のビーム不安定性および長周期のパラメーター劣化の原因を迅速に特定することが可能になる。 本研究課題では,ビックデータ解析を応用した加速器ビーム運転システムの構築が目的であるため,大容量ファイルサーバー及び高速計算機サーバーの導入が不可欠である。H25年度は,入射器の運転パラメーターを部分的に用いて,大量の機器情報及びビーム情報の相関解析を高速におこなうための高速計算サーバーの導入をおこなった。また,運転パラメーターを高速に蓄積するための基盤システムの構築をおこなった。具体的には,加速器ビーム制御システムの標準フレームワークであるEPICS環境を当該計算機上に構築し,KEK入射器におけるビーム運転パラメーターのデータロギング試験をおこなった。この結果,KEK入射器における約100台の非破壊型ビーム位置モニターの情報を,すべてのビームパルス(50 Hz)について同期計測し,なおかつストレージに蓄積する技術的な目処をつけることができた。
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今後の研究の推進方策 |
今後は,ビッグデータ解析を基盤としたソフトウェアフレームワークを,加速器ビーム運転システムに実装するための開発を中心におこなう予定である。これらの開発および実証実験は,すべてKEK入射器を用いた環境下においておこなう。具体的には,H25年度中に目処をつけた大容量パラメーター蓄積技術を基盤として,可能な限りのビーム情報を蓄積する。 ビーム情報は,主に全長600 mに渡りほぼ等間隔に設置されている約100台の非破壊型ビーム位置モニターを用いて得られる,ビームショット毎の水平方向ビーム位置,垂直方向ビーム位置,および電荷量である。これらの情報に加えて,今年度中に一部設置が予定されている,高速マイクロ波振幅位相検出器の情報を,ビームタイミングと完全同期計測し,なおかつ蓄積する。 これらの情報を,ビックデータ解析の手法に基づいて解析し,ビームショット毎のビーム位置ジッターおよびマイクロ波情報の相関を解析する。さらに,このような短期的な変動の相関要因を探るのみならず,1日ないしはそれ以上の周期に対応したドリフト的変動要因を解明するための解析もおこなう。 これらの解析に必要とされる演算アルゴリズムを構築し,ソフトウェアに実装する。開発当初は,既に蓄積されたビーム情報等を用いることにより,オフライン解析およびソフトウェアの構築をおこなう。その後,これらの機能をオンラインで高速に実行するための環境を並行して構築する。また,これらの相関関係を基にしたビームフィードバック用ソフトウェアの構築もおこなう。 上記の開発項目を達成し,本システムが実ビーム運転に有効であることを示す。これにより,KEK入射器のデータ点数を用いて,次世代大規模加速器に同様のビーム運転制御システムを実装するために要求される計算機能力およびデータストレージ容量を予測することが可能となり,本研究課題の目標が達成される。
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