BL-18C Controller

高エネ研 PF BL-18Cにおける実験機器制御のための Python ベース GUI アプリケーションです。

バグ報告や改善・機能の追加の提案は、GitHub の Issues または E-mail でお願いいたします。

アプリケーション

ステージ制御を主たる目的とするもの

• Microscope + FPD stage control
  • 顕微鏡ステージ（Ch6, 7, 8）および検出器ステージ（Ch9）を制御する。
  • 顕微鏡ステージのIN位置およびOUT位置（Ch8）、検出器ステージのIN位置およびOUT位置（Ch9）を記憶し、ショートカットとして、１クリックでXRD測定と試料観察を切り替える。
  • 詳細な仕様は こちら
• Interactive camera
  • カメラ画像を基に、主に試料ステージ（Ch3,4,5）を動かし、試料位置の調整およびオートフォーカスを行う。カメラ画像中におけるX線ビーム位置やレーザースポット位置を記録し、その位置に試料を動かすことが可能。カメラ画像にオーバーレイとして図形を書き込んで視覚的補助とすることもできる。また、補助的に、Ch7も一部操作することができる。
  • 試料観察用カメラとして、静止画の取得および動画の撮影と保存の機能を備えている。
  • 低温実験中、冷凍機の伸び縮みによって試料位置が変化するが、画像認識を用いて位置のずれを定量化し、ステージを動かして補正することで、試料位置を見失わないようにできる（Follow sample position）。
  • 詳細な仕様は こちら（工事中）。また、どのようにして画像認識を行っているかについて、簡単な技術的背景を Interactive camera で用いられている画像認識手法に関して にまとめています。
• Simple controller for all stages
  • 全てのステージをパルス数ベースで制御する。ユーザーは目的のパルス数の絶対値、ないし現在値からの相対値を入力し、ステージを動かす。ステージ移動にある程度習熟しているユーザー向け。
• DAC stage oscillation
  • 二つのCh11位置（Pos A, Pos B）を定義し、その間を指定された回数往復する。
  • 詳細な仕様は こちら

スキャン

いずれのスキャンにも、得られたシグナルを函数フィットする機能が備えられている。フィッティング関数として、Gaussian および erf が使える。 erf は、台形状のシグナルが得られた際に便利である。強度の立ち上がりを両端それぞれ独立にerfでフィットし、立ち上がり位置の中心点を中心として計算する。

• Collimator scan
  • Ch1およびCh2をスキャンしながら透過X線強度を取得し、フィッティングにより最適位置の推定を行う。
  • 詳細な仕様は こちら
• DAC scan (normal)
  • Ch4およびCh5をスキャンしながら透過X線強度を取得し、フィッティングにより最適位置の推定を行う。
  • 詳細な仕様は こちら
• DAC scan (rotation centre)
  • Ch11を変化させながらCh10をスキャンすることで、幾何学的に試料中心と回転中心の位置のズレを計算し、両者を一致させるのに必要なCh3およびCh4の移動量を推定する。
  • 幾何学的な背景を含む、詳細な仕様はこちら
• DAC scan (XRD)
  • Ch4およびCh5をスキャンしながらFPDでX線回折強度を測定し、即時1次元化したうえで、ユーザーの指定した $2\theta$ 領域の回折強度でマッピングする。
• General 1D scan
  • 任意の並進ステージを選択し、透過X線強度をステージ位置の関数として取得し、フィッティングによる最適位置の推定を行う。
  • 詳細な仕様は こちら
• General 2D scan
  • 任意の並進ステージを2つ選択し、透過X線強度によるマッピングと、各軸方向の Gaussian または erf フィッティングによる最適位置の推定を行う。
  • 詳細な仕様は こちら

X線回折データ取得に関連するもの

• Rad-icon 2022 (FPD) controller
  • CMOSフラットパネル検出器 Rad-icon 2022 の制御を行う。
  • 検出器幾何校正を本プラットフォーム内部で行うことで、取得したデータの即時1次元化も可能
• Calibrate detector geometry
  • 検出器幾何校正のためのアプリケーション。カメラ長を変えた標準試料データの取得（ないし既存データ読み出し）と、検出器幾何パラメータの最適化を行う。
  • 詳細な仕様は こちら

試料環境の制御に関連するもの

• Druck PACE5000 controller "PaceMaker"
  • メンブレン駆動DAC用ガス圧制御装置 Druck PACE5000 の制御および値の読み出し、ログ取りを行う。
  • このアプリケーションは、単体（スタンドアロン）でも起動でき、BL-18C 以外でも利用できる。→ https://github.com/khsacc/PaceMaker
• LakeShore 335 controller
  • 低温実験用温度コントローラ LakeShore 335 の制御と値の読み出し、ログ取りを行う。

実験の自動化を目的としたもの

• Experimental Scheduler
  • 本プラットフォームで制御可能な全ての機器を組み合わせて、自動実験を計画し実行する。

XRDデータの解析に関する機能

CMOS 型フラットパネル検出器 Rad-icon 2022 で取得されたX線回折画像に対する基本的な解析機能を備えている。本プログラム内での解析には、Pythonを用いた2次元X線回折データ解析ライブラリである PyFAI を用いている（Kieffer and Karkoulis (2013a), Kieffer and Karkoulis (2013b)）。 PyFAI の検出器幾何は公式ドキュメントの General Introduction > Image representation in Python > Default geometry in pyFAI および Example of usage > Tutorials > Geometries in pyFAI に記載されているとおりである。

PyFAI の検出器幾何校正ファイルは PONI ファイルと呼ばれる。PONI ファイルは、アプリ内の Settings > Detector Calibration から登録することができ、一度登録すると、本アプリ内のあらゆるサブアプリケーションから即時読み出せるようになる。また、 PONI ファイルを作成するための機能も備えており、Calibrate detector geometry アプリケーションから行える。

BL-18C のユーザーが多く利用している IPAnalyzer （瀬戸ら (2010)） における検出器幾何の定義は、 PyFAI のそれとは異なり、またパラメータファイル自体の形式も異なるため、そのままでは流用することはできない。これに対応するため、 Calibrate detector geometry アプリケーションの内部では、pyFAI での処理に用いる PONI ファイルに加えて、 IPAnalyzer での処理に必要な prm ファイルを同時に作成する機能を用いている。具体的には、 pyFAI の検出器幾何定義をIPAでの定義に変換する変換式を用い、 pyFAI で最適化された検出器幾何パラメータを数値的に変換してファイルを作成している。 PyFAI の PONI ファイルと、 IPAnalyzer の prm ファイル間の変換については、別ドキュメント にまとめているので、必要な場合は参照されたい。

PyFAI を用いた処理は、具体的には以下のアプリで用いられている。

1. DAC Scan (XRD): 特定の物質の Bragg 反射の強度をもとにマッピングを行う。試料ステージを動かしながら、 FPD で XRD データを取得し、それを pyFAI を用いて即時１次元化し、ある散乱角 $2\theta$ 領域（ROI）の強度を抽出する。
2. Rad-icon 2022 (FPD) controller: オプション機能として、得られたデータを即時2次元化し、CSV, TSV, GSAS (.gsa), Z-Rietveld (.histogramIgor) 形式で画像と保存する機能を備えている。オプション機能を利用するときは、 pyFAI に対応した校正情報（PONIファイル）が必要だが、PONIファイルが登録されていない状態でも、データの取得や画像の保存は可能である。
3. Calibrate detector geometry: 先述の通り、２つ以上の異なるカメラ長で取得された標準試料XRDデータをもとに、検出器位置を校正する。なお、本アプリは、検出器そのものの制御機能も備えており、標準試料データの取得も本アプリ内で行える。
4. Experimental Scheduler: 自動測定シーケンス内で XRD 測定を行う場合には、 pyFAI の校正情報が必要。

参考文献

• PyFAI, a versatile library for azimuthal regrouping. J. Kieffer and D. Karkoulis. J. Phys.: Conf. Ser., 425 202012 (2013) http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/425/20/202012
• PyFAI: a Python library for high performance azimuthal integration on GPU. J. Kieffer and J. P. Wright. Powder Diffraction, 28, S2, S339--S350. (2013) http://dx.doi.org/10.1017/S0885715613000924
• X線回折実験における統合解析支援ソフトウェアの開発. 瀬戸 雄介, 浜根 大輔, 永井 隆哉, 佐多 永吉. 高圧力の科学と技術, 20, 3, 269--276. (2010)

開発関係

オフライン起動

# Simulates the PM16C stage controller — no network connection required
python main.py --debug

ライセンス

GPL-3.0

開発者

• Hiroki Kobayashi (Geochemical Research Center, Graduate School of Science, The University of Tokyo, Japan), hiroki [at] eqchem.s.u-tokyo.ac.jp

開発に際しては Claude Code の補助を利用しています。