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論文

Materials and Life Science Experimental Facility at the Japan Proton Accelerator Research Complex, 3; Neutron devices and computational and sample environments

坂佐井 馨; 佐藤 節夫*; 瀬谷 智洋*; 中村 龍也; 藤 健太郎; 山岸 秀志*; 曽山 和彦; 山崎 大; 丸山 龍治; 奥 隆之; et al.

Quantum Beam Science (Internet), 1(2), p.10_1 - 10_35, 2017/09

J-PARC物質・生命科学実験施設では、中性子検出器、スーパーミラーや$$^{3}$$Heスピンフィルターなどの光学機器、及びチョッパー等の中性子デバイスが開発され、据え付けられている。また、計算環境として機器制御、データ取得、データ解析、及びデータベースの4つのコンポーネントが整備されている。また、物質・生命科学実験施設では実験に使用される様々な試料環境が利用可能である。本論文では、これらの現状について報告する。

論文

ITER用ポート内重量物ハンドリング装置の開発

伊勢 英夫*; 伊崎 誠*; 大石 晴夫*; 森 清治*; 阿向 賢太郎*; 森山 尚*; 加賀谷 博昭*; 小林 正巳*; 田口 浩*; 柴沼 清

FAPIG, (159), p.10 - 14, 2001/11

国際熱核融合実験炉(ITER)のブランケット等の炉内構造機器を保守する際、水平ポート部に設置された約40tonの遮蔽プラグ等(以下、プラグ)を事前に取り扱う必要がある。その際、遠隔装置による片持ち取扱いが設計条件となる。本稿では実機装置の設計,縮小(1/2.5)モデル製作及び試験結果について報告する。設計では、プラグの最終位置決め精度($$pm$$1mm)を満足できるよう、走行,把持フックの独立昇降,フック取付アームチルトの4自由度のほか,トロイダル方向の相対位置ずれ($$pm$$5mm)に対処可能なように受動的コンプライアンス機構を備えた装置とした。縮小モデル制御システムの設計でき、遠隔操作部PCのOSにRT-Linuxを採用してリアルタイムプロセスが実行可能とした。縮小モデルを用いた理想状態($$pm$$1mm以下の位置ずれ量)での基本試験では、再現性の良いプラグ着脱手順,各軸座標,荷重条件等が明確となり、本装置の機構により片持ち方式による実機プラグの取扱いが可能である見通しを得た。

口頭

MLF experiment database

中谷 健; 稲村 泰弘; 大友 季哉*; 森山 健太郎

no journal, , 

J-PARC/MLFの中性子実験装置は大面積かつ高解像度の検出器システムと多種多様な試料環境デバイスを装備している。年間のべ約1万人と予想されるユーザーがMLFに持ち込む試料は実験装置が備える試料環境デバイスやユーザーが持ち込む試料環境デバイスによりさまざまな測定条件下で大強度パルス中性子を照射され測定される。この測定により巨大なデータが短時間に生成される。測定されたデータはオンサイトやユーザーの所属機関で多次元データ解析を施される。こういった多数のユーザー,多数のデータを取り扱うには柔軟性の高いデータ管理システムが必須である。本発表ではデータ管理システムのプロトタイプ、特に遠隔地からのアクセス及びデータバックアップの開発状況について詳細に述べる。

口頭

Update of the computing environment in MLF, J-PARC

中谷 健; 森山 健太郎; 稲村 泰弘; 伊藤 崇芳*; 鈴木 次郎*; 大友 季哉*

no journal, , 

J-PARC/MLFには計20台の中性子・ミュオン実験装置が現在稼働中である。これらの装置を使って多くの実験者が多種多様の実験を行い、巨大なデータを生み出している。MLF計算環境はこれらの実験において非常に重要な役割を担っている。ここ2年間、われわれは外部アクセス,自動測定,過渡現象測定,データ収集,データ解析について開発を進めてきた。外部アクセス開発では、Webによる実験状況の監視とデータベースによる遠隔データ解析・可視化環境を構築した。自動測定開発においては、Experiment Schedulerを用いた自動測定機能、その測定条件と取得データの自動データベース化を行い、効率的なデータ解析を可能にした。過渡現象測定開発では汎用信号イベントデータ化ボードを導入し、測定条件を動的に変化させつつ測定可能なシステムを構築した。データ収集ソフトウェア開発では64bit化を行い、データ解析ソフトウェアについては入出力を10倍以上高速化した。

口頭

外部アクセスのためのIROHAアップグレードとMLF実験データベース開発

中谷 健; 稲村 泰弘; 森山 健太郎; 大友 季哉*; 伊藤 崇芳*

no journal, , 

J-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)は2008年から中性子利用実験を開始しほぼ5年になる。MLFのデータ集積・制御を司るソフトウェアフレームワーク(IROHA)は各装置間で共通的に使用されることを念頭に開発され、MLF稼働当初から利用されてきた。しかしながら、利用開始から5年が経過し、実際の利用形態を考慮した改良の必要性が生じてきた。また、2年後にはMLFのビームパワーが1MWに増強される予定であり、より一層効率的な実験のニーズが高まると予想される。よって、我々は平成25年度大幅なIROHAのアップグレードを実施することとした。合わせて、1MWの利用実験においては、利用者はこれまで以上に多種多様な測定条件の下で大量の中性子散乱データを取得することが予想される。現在我々はこのようなデータを効率的に管理することができるデータベースシステム(MLF実験データベース)を開発中である。このMLF実験データベースは将来外部アクセスのフロントエンドになることが予定されている。

口頭

Data management and access for neutron scattering experiments in J-PARC/MLF

森山 健太郎; 中谷 健

no journal, , 

J-PARC/MLFは大強度中性子ビームを供給する実験施設であり、多様な研究目的に対応するために複数の中性子実験装置が稼働している。これらの実験装置には大面積検出器システムや様々な試料環境装置が備えられ、多様な条件下での測定が大強度ビームによって短時間のうちに大量に実施さるため、生成されるデータ総量は年間でペタバイトオーダーに達する見込みである。したがって大量の実験データを適切に管理し、効率的なデータ利用の機会を研究者に提供することを目的として、我々はMLF実験データベースと呼ばれる統合的なデータ管理システムの開発を進めている。本システムでは、実験メタデータのような半構造的でフレキシブルなデータに適した商用のXMLデータベース管理システムを利用している。測定Rawデータのカタログ化をリアルタイムで実施し、実験メタデータや実験課題、試料やユーザー等の情報との関連付けを行うことが可能である。また、測定Rawデータのストレージへの転送やバックアップ、アーカイブなどを行い一元的な管理が可能である。システムが提供するWebポータルを通して実験データの閲覧、検索やダウンロードと定型的なデータ解析処理が可能である。

口頭

MLFの装置制御ソフトウェアフレームワークIROHA2の現状

中谷 健; 稲村 泰弘; 森山 健太郎

no journal, , 

J-PARC, MLFの標準実験装置制御ソフトウェアフレームワーク(IROHA2)は、機器の個別制御および監視を行うデバイス制御サーバー、装置構成や測定の管理および認証を行う装置管理サーバー、自動測定を行うシーケンス管理サーバー、装置全体を統括し状態監視を行う統合制御サーバー、といった機能ごとに分かれた複数のソフトウェアコンポーネントから構成されている。今年度IROHA2をいくつかの装置に導入し、実際の装置での運用を開始している。装置への導入にあたって新しいデバイス制御モジュールの開発も進み、現在50種類近いデバイスへの対応を実現しようとしている。また、平成27年度は高度化の一環としてユーザーインターフェースの改良や外部システム(MLF統合認証システム、MLF連携データベース)との情報連携も開始される予定である。本報告ではIROHA2の現状と高度化の状況について示す。

口頭

Recent advances of a single crystal neutron diffractometer SENJU at J-PARC

大原 高志; 鬼柳 亮嗣; 中尾 朗子*; 宗像 孝司*; 茂吉 武人*; 森山 健太郎*; 花島 隆泰*; 黒田 哲也*

no journal, , 

Single-crystal neutron diffraction is one of the most fundamental and powerful techniques to determine the arrangement of light elements and magnetic moments in crystalline materials with high accuracy and reliability. We constructed a TOF-Laue single crystal neutron diffractometer, SENJU, at the BL18 of MLF/J-PARC, for precise crystal and magnetic structure analyses. In this presentation, we will show some recent scientific achievements and instrument advances of SENJU.

口頭

TOF単結晶中性子回折計SENJUの最新状況

大原 高志; 鬼柳 亮嗣; 中尾 朗子*; 宗像 孝司*; 茂吉 武人*; 森山 健太郎*

no journal, , 

J-PARC MLFのBL18に設置されたTOF-Laue型の単結晶中性子回折計SENJUは、主に低温や磁場といった極端環境下において1mm$$^{3}$$未満という小型単結晶の高効率な回折測定を目的とした装置である。SENJUでは2012年の供用開始以降、多くの一般課題を実施するとともに、より多様な試料環境下でより効率的な回折測定を実現するための試料環境の高度化を進めてきた。特に近年新たに利用可能となった試料環境機器としては、1500K以上での回折測定を可能とするニオブ高温炉や500Kまででの測定が可能な簡易型ヒーター、低温条件下で試料へ白色光を照射できるライトガイド付きパルス管冷凍機があり、加えて各種高圧試料セルについてもコミッショニングを進めている。更には、これら試料環境機器によって散乱される中性子によるバックグラウンドを低減するための振動コリメータについて、開発を進めている。本発表ではこれらの試料環境デバイスについての最新状況を示すとともに、実際に得られる構造解析例として、SENJUを用いた研究例についても紹介する。

口頭

MLF共通試料環境機器のIROHA2デバイスモジュール

中谷 健; 高橋 竜太*; 森山 健太郎*

no journal, , 

J-PARC・MLFでは装置制御ソフトウェアフレームワークIROHA2を用いて実験制御を行っている。平成28年度、MLFの実験装置で共通に利用されている7TマグネットおよびNb高温炉をIROHA2で制御可能にする開発を行った。MLF共通試料環境機器の一つである7Tマグネットは超伝導電磁石を用いて試料に強磁場を印可する機器である。7Tマグネットは電磁石に電流を印可する電源、マグネットを冷却する冷凍機、試料を冷却する温度制御器、ヘリウムの液面を監視する液面計および試料回転機構から構成されている。Nb高温炉は試料を電熱により加熱する機器である。Nb高温炉の監視はプログラマブルロジックコントローラーおよびレコーダーからステータス情報を読み出すことにより行う。我々は、これらの機器をIROHA2デバイス制御サーバーにより制御可能にするデバイスモジュールの開発を行った。本開発により、IROHA2を使用している実験装置では、7TマグネットおよびNb高温炉を実験装置制御系に簡便に組み込み、データ収集システムと連動した測定を実施することが可能になった。

口頭

MLF装置制御ソフトウェアフレームワークIROHA2の現状2017

中谷 健; 稲村 泰弘; 森山 健太郎*

no journal, , 

装置制御ソフトウェアフレームワークIROHA2はJ-PARC, MLFの共用ビームラインのいくつかに導入され、実運用されている。IROHA2ではデバイス制御, 装置管理, シーケンス管理, 統合制御といったサーバーが連携して実験機能を提供しており、各サーバーはWebブラウザ上で操作可能である。IROHA2は2016年からの開発により、(1)デバイス制御サーバーの実時間データ処理インターフェース、(2)シーケンス管理サーバーの自動測定スクリプトWebインターフェース改良、(3)実験ステータスのインターネットからの監視、を実装しようとしている。(1)により、DAQミドルウェアが採用するのと同じ分散メッセージングミドルウェアを用いて、ファイルを介さずにリアルタイムにデータを処理することが可能になる。(2)では、従来装置制御のみであったシーケンス管理サーバーによる自動測定について制御と解析を組み合わせた自動実験を可能にする。(3)では、統合制御サーバーが生成する実験ステータスについて、MLF統合認証システムによる権限管理下でインターネットからのアクセスを可能にする。本発表では、これらの新しい機能の実装状況と今後の展開について示す。

口頭

The Implementation for flexible, real-time, connective functions in IROHA2

中谷 健; 稲村 泰弘; 森山 健太郎*

no journal, , 

大強度陽子加速器施設(J-PARC)物質・生命科学実験施設(MLF)のような大型実験施設の実験装置は多くの研究者(ユーザー)の多種多様な実験を遂行できなければならない。このため、MLFでは中性子実験のための検出器、光学機器、計算環境、試料環境が開発、運用されている。計算環境においては、ユーザーの実験制御のために共通の装置制御ソフトウェアフレームワーク「IROHA2」を開発し、実験装置に導入している。本発表では、J-PARC MLFで計画している大強度ビーム運転に備えてIROHA2に実装された、柔軟な自動測定ユーザーインターフェース機能、外部ユーザー持込機器の実験装置制御系への簡便な組込機能、実時間データ処理機能について詳細を示す。

口頭

MLF先進計算環境整備2018

中谷 健; 稲村 泰弘; 伊藤 崇芳*; 岡崎 伸生*; 森山 健太郎*; 笠井 聡*; 瀬谷 智洋*; 安 芳次*; 大下 英敏*; 大友 季哉*

no journal, , 

J-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)では、MLFで 開発した新測定法により生み出されるデータを高速・最大限に活用するためのMLF先進計算環境を整備中である。今年度の整備ではMLFの各ビームラインのデータ収集システム(DAQシステム)により取得される実験データのJ-PARC研究棟サーバー室ストレージ(共通ストレージ)への高速転送・記録を実現する。本整備の主要項目は以下の3点である。(1)ビームラインネットワーク: 各ビームラインキャビンへ10Gbps光ファイバーを敷設し、末端に専用ネットワークスイッチを配置、DAQシステムと共通ストレージを高速に接続する。(2)ファイル共有システム: 専用装置を導入し、共通ストレージに対して高速でかつ並行ファイルアクセスを実現する。これにより、各ビームラインの計算機は、ローカルディスクと同等に共通ストレージを取り扱うことが可能となる。(3)監視システム: 機器の通信状況をリアルタイムに可視化し、ビームライン毎の通信独立性と情報セキュリティ監視を行う。また、障害時の警告等を保存及び表示する仕組みを備える。本発表では整備の詳細と2019年度以降の展開予定について報告する。

口頭

The Latest status of a TOF single crystal neutron diffractometer SENJU at J-PARC

大原 高志; 鬼柳 亮嗣; 中尾 朗子*; 宗像 孝司*; 石川 喜久*; 森山 健太郎*; 田村 格良; 金子 耕士

no journal, , 

SENJU at BL18 of MLF is a TOF single-crystal neutron diffractometer designed for precise crystal and magnetic structure analyses under multiple extreme environments such as low-temperature, high-pressure and high-magnetic field, as well as for taking diffraction intensities of small single crystals with a volume of less than 1.0 mm$$^{3}$$ down to 0.1 mm$$^{3}$$. Ever since SENJU was launched in 2012, continuous upgrading of diffractometer, detector, data acquisition and analysis software and sample environment devices have been carried out to enhance the capability of SENJU as a versatile single-crystal diffractometer. In this presentation, some recent upgradings and scientific results of SENJU will be shown.

口頭

The Latest status of a TOF single crystal neutron diffractometer SENJU at J-PARC

大原 高志; 鬼柳 亮嗣; 中尾 朗子*; 宗像 孝司*; 石川 喜久*; 森山 健太郎*; 田村 格良; 金子 耕士

no journal, , 

SENJU at BL18 of MLF is a TOF single-crystal neutron diffractometer designed for precise crystal and magnetic structure analyses under multiple extreme environments such as low-temperature, high-pressure and high-magnetic field, as well as for taking diffraction intensities of small single crystals with a volume of less than 1.0 mm$$^{3}$$ down to 0.1 mm$$^{3}$$. Ever since SENJU was launched in 2012, continuous upgrading of diffractometer, detector, data acquisition and analysis software and sample environment devices have been carried out to enhance the capability of SENJU as a versatile single-crystal diffractometer. In this presentation, some recent upgradings and scientific results of SENJU will be shown.

口頭

J-PARC/MLF中性子単結晶構造解析装置SENJUの現状

鬼柳 亮嗣; 大原 高志; 中尾 朗子*; 宗像 孝司*; 石川 喜久*; 森山 健太郎*; 中村 龍也; 金子 耕士; 田村 格良

no journal, , 

J-PARC/MLFのBL18に設置されているTOF-Laue型中性子単結晶構造解析装置SENJUは、無機物質や小型の分子性結晶,磁性体の磁気構造解析などを主なターゲットとした装置である。J-PARC/MLFで発生する大強度の白色中性子と広い立体角をカバーする検出器により、小さな試料でも効率的に逆空間を測定できることがSENJUの特徴であり、これまで多くのユーザー実験を行うとともに、装置の高度化を進めてきた。SENJUでは主に円筒形に配置された37台の2次元検出器により広い立体角のカバーが実現されているが、特殊環境下での測定など、試料の回転軸が1つしかない場合は測定領域が限定されてしまうことが問題であった。そこで、従来型の検出器よりも薄くコンパクトな検出器を開発し、試料の斜め下の位置にも検出器を追加設置した。これによりカバーする立体角が約10%増加し、1度に測定できる領域が広がるとともに、より高効率な測定を行うことが可能となった。また、ユーザーが実験終了後に各所属大学等でもスムーズな解析が行えるように、解析ソフトのonline化を行った。これはクラウド上にデータを保管し、webアプリ化したソフトをブラウザ上で使うことにより、SENJUのデータ解析をユーザー自身のPC上に解析環境を構築することなく行えるようにするものである。その他、測定効率の向上にむけた複数結晶の同時測定や3次元全散乱解析について報告する。

口頭

MLF先進計算環境設備の実験装置データ収集システムへの導入

中谷 健; 稲村 泰弘; 森山 健太郎*

no journal, , 

J-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)では、最先端量子ビーム測定手法と数理科学の融合による中性子マテリアルズインフォマティクスの実現のためMLF先進計算環境(MLF-ACE)を整備中である。R1-2年度においてMLF-ACEとMLF実験ホールのいくつかの装置のデータ収集システムを接続し、データ収集システムが取得したデータをリアルタイムにMLF-ACEストレージに保存可能にするシステムを構築した。MLFのデータ収集システムは基本的には標準化されているが、データ共有は各実験装置の状況に合わせたシステムが構築されている。MLF-ACEとの接続においてはその状況に合わせたネットワーク構成、DAQコンポーネント配置を検討し、システムを構築を行った。

口頭

Upgrades of a TOF single-crystal neutron diffractometer SENJU for improvement of versatility

大原 高志; 鬼柳 亮嗣; 中尾 朗子*; 宗像 孝司*; 石川 喜久*; 森山 健太郎*; 田村 格良; 金子 耕士

no journal, , 

SENJU at J-PARC is a time-of-flight (TOF) single-crystal neutron diffractometer designed for precise crystal and magnetic structure analyses under multiple extreme environments, such as low-temperature, high-pressure and high-magnetic field, as well as for taking diffraction intensities of small single crystals with a volume of less than 1.0 mm$$^{3}$$ down to 0.1 mm$$^{3}$$. We have recently upgraded some SENJU components, such as sample environment devices, the detector system, and data processing software. These upgrades of SENJU enhance the possibility and accessibility of SENJU, in other words, improvement of versatility. In this presentation, we will introduce the recent upgrades of SENJU for the improvement of its versatility.

口頭

Application of ML and KDE for efficient data treatment on single crystal diffraction data

鬼柳 亮嗣; 大原 高志; 中尾 朗子*; 宗像 孝司*; 石川 喜久*; 森山 健太郎*

no journal, , 

"SENJU" is a TOF-Laue neutron single crystal diffractometer installed at J-PARC/MLF in Japan. The experiments conducted at SENJU can be categorized into two types, one is for a standard structure analyses where a large number of Bragg reflections are collected, and the other is for a search for superlattice reflections including magnetic reflections where new reflections, which typically are weak, are searched within the observed 3D reciprocal space. For these types of data, some mathematical methods are applied in order to efficiently treat the data. (1) "Application of machine learning to Bragg reflection selection"; For a standard structure analysis, typically some hundreds, or often more than ten thousand, of Bragg reflections are measured. The issue is that the measured data have to be checked before fed into a structure analysis software. In order to efficiently check the data, machine learning was adapted. The model obtained by the convolutional neural network was able to distinguish "good" and "bad" data with high accuracy. Further improvement is envisaged by increasing number of the training data. (2) "Application of kernel density estimation to reciprocal map"; For a search for superlattice reflections, the expected reflections are typically very weak. Hence longer exposure is needed and, often, even after the long exposure, the reflections could be blurry. In order to enhance the chance to find new reflections, the kernel density estimation (KDE) method was applied to a measured reciprocal map data. The visibility of the reflections is found to be greatly enhanced by the application of KDE by roughly five times, which means that the application of KDE can be equal to five times longer exposure.

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