JP2023531519A - イオンビーム変調のためのシステム、デバイス、および方法 - Google Patents

Abstract

システム、デバイス、および方法の実施形態は、イオンビーム源システムに関する。イオン源は、負のイオンビームをイオン源の下流のタンデム加速器システムに提供するように構成され、イオン源の抽出電極に接続される変調器システムは、タンデム加速器システムの加速電圧安定性を維持するために十分な持続時間にわたって抽出電極をバイアスするように構成される。一実施形態において、イオン源は、負の水素イオンを発生させるように構成されている、

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、その内容が参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる「ＳＹＳＴＥＭＳ，ＤＥＶＩＣＥＳ，ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＩＯＮ ＢＥＡＭ ＭＯＤＵＬＡＴＩＯＮ」と題され、２０２０年６月２５日に出願された米国仮出願第６３／０４４，３１４号の優先権を主張する。
（技術分野）

本明細書に説明される主題は、概して、ビームシステムにおける使用のためのビームを変調するシステム、デバイス、および方法に関する。

ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ）は、最も困難なタイプのうちのいくつかを含む、種々のタイプの癌の治療のモダリティである。ＢＮＣＴは、ホウ素化合物を使用して、正常細胞を避けながら、腫瘍細胞を治療するように選択的に照準する、技法である。ホウ素を含む物質が、血管の中に注入され、ホウ素が、腫瘍細胞内に集中する。患者は、次いで、（例えば、中性子ビームの形態における）中性子を用いた放射線療法を受ける。中性子は、ホウ素と反応し、正常細胞に害を及ぼすことなく、腫瘍細胞を死滅させる。長期臨床研究は、３～３０キロ電子ボルト（ｋｅＶ）以内のエネルギースペクトルを伴う中性子のビームが、患者への放射線負荷を減少させながら、より効率的な癌治療を達成するために好ましいことを証明している。このエネルギースペクトルまたは範囲は、頻繁に、熱外と称される。

熱外中性子（例えば、熱外中性子ビーム）の発生のための大部分の従来の方法は、ベリリウムまたはリチウム（例えば、ベリリウム標的またはリチウム標的）のいずれかとの陽子（例えば、陽子ビーム）の核反応に基づく。

タンデム加速器は、単一高電圧端子を使用したイオン粒子の２段階加速を採用し得る静電加速器のタイプである。高電圧は、例えば、流入する負のビームを加速するためにそれに印加される漸増的正勾配を形成するために使用され、その時点で、タンデム加速器は、負のビームを正のビームに変換し、次いで、高電圧は、再び、正のビームをタンデム加速器から加速（例えば、押す）する逆転された漸減的正勾配を形成するために使用される。高電圧が、２回、使用され得るため、３ＭｅＶの粒子エネルギーを伴う陽子ビームの発生は、典型的に、１．５ＭＶの加速電圧のみを要求し、それは、電気絶縁の現代の技術の範囲内である。さらに、タンデム加速器のイオン源は、接地電位に設置され、それは、イオン源を制御および維持することをより容易にする。

ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ）の目的のためにタンデム加速器によって提供される陽子ビームは、治療効能および下流機器との使用のための好ましいエネルギーレベルを有する（例えば、リチウム（Ｌｉ）標的上での中性子の効率的な発生のため）。合理的に短い治療時間にわたって、特定の束密度閾値が、要求され、そのような必須の閾値は、最小陽子ビーム電流をもたらす。そのような陽子ビームに関連付けられた電力密度は、中性子ビームシステムの構成要素において使用される材料に関する安全限界を大きく超える。

ビーム機器を保護することに対する従来のアプローチは、大幅に低減させられたビーム電流において高電力ビームを整列させることを含む。ビーム整列は、ビームの形状および位置が、ビームの自己空間電荷に依存しないとき、比較的に低い電流を伴うビームに関して良好に機能することができる。しかしながら、ビームパラメータがはるかに高いビーム電流を含む（および自己空間電荷がビーム形状に対してかなりの影響を及ぼす）タンデム加速器に関して、低減させられた電流におけるビームの整列は、困難である。

ビーム機器を保護することに対する従来のアプローチは、無線周波数四重極（ＲＦＱ）加速器または線形加速器（例えば、タンデム加速器ではない）等の加速器タイプに関するビーム変調をさらに含む。ビーム変調は、ビーム電流が低減させられることができないとき、平均ビーム電力を低減させるために、そのような用途において使用される。方法は、ビーム電流が束状であるので、ＲＦＱまたは線形加速器（「リニアック」）等の加速器タイプに非常に適したものであり得る。しかしながら、タンデム加速器等のＤＣ加速器に関して、短い時間量以内にＤＣ加速器の負荷をゼロから公称値まで、および戻るように変化させることができないので、変調は、適用可能ではなかった。

これらおよび他の理由から、治療効能を維持しながら、中性子ビームシステム機器の安全性および保全のためにビーム電力が低減させられ得るように、イオンビーム源を変調する改良された効率的かつコンパクトなシステム、デバイス、および方法の必要性が、存在する。

システム、デバイス、および方法の実施形態は、荷電粒子ビームを変調することが可能なビーム源システムに関する。イオン源は、負のイオンビームをイオン源の下流のタンデム加速器システムに提供するように構成され、イオン源の抽出電極に接続される変調器システムは、タンデム加速器システムの加速電圧安定性を維持するために十分な持続時間にわたって抽出電極をバイアスするように構成される。

本明細書に説明される主題の他のシステム、デバイス、方法、特徴、および利点は、以下の図および詳細な説明の検討に応じて、当業者に明白であるか、または、明白となるであろう。全てのそのような追加のシステム、方法、特徴、および利点が、本説明内に含まれ、本明細書に説明される主題の範囲内であり、付随の請求項によって保護されることを意図している。それらの特徴の明確な列挙が請求項内に不在であっても、いかようにも、例示的実施形態の特徴は、添付される請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。

その構造および動作の両方に関する本明細書に記載される主題の詳細は、同様の参照番号が同様の部分を指す付随の図の精査によって明白であり得る。図中の構成要素は、必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、主題の原理を図示することに重点が置かれている。さらに、全ての図示は、概念を伝えることを意図しており、相対的サイズ、形状、および他の詳述される属性は、文字通りまたは精密にではなく、図式的に図示され得る。

図１Ａは、本開示の実施形態との使用のための中性子ビームシステムの例示的実施形態の概略図である。

図１Ｂは、ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ）における使用のための中性子ビームシステムの例示的実施形態の概略図である。

図２は、本開示の実施形態との使用のための例示的前段加速器システムまたはイオンビーム注入器を図示する。

図３Ａは、図２に示されるイオン源およびイオン源真空ボックスの斜視図である。

図３Ｂは、図３Ａに示されるアインツェルレンズの例示的実施形態を描写する分解斜視図である。

図４Ａは、本開示の実施形態との使用のための例示的イオンビーム源システムを図示する。

図４Ｂは、図４Ａに描写される例示的イオン源を図示する。

図５Ａは、本開示の実施形態との使用のためのイオンビーム源の例示的な所望の定常状態放出パルスを図示する。

図５Ｂは、イオンビーム源の例示的な望ましくない定常状態放出パルスを図示する。

図６Ａは、本開示の実施形態との使用のための例示的な所望の容量放電曲線を図示する。

図６Ｂは、本開示の実施形態との使用のための例示的な所望の電流パルス曲線を図示する。

図７は、本開示の実施形態との使用のための例示的バイアススキームのタイミング図である。

図８は、本開示の実施形態が動作し得るシステムのブロック図を図示する。

図９は、本開示の実施形態に従って特別に構成され得る例示的コンピューティング装置を図示する。

本主題が詳細に説明される前に、本開示が、説明される特定の実施形態に限定されず、したがって、当然ながら、変動し得ることを理解されたい。専門用語が、特定の実施形態を説明する目的のためにのみ、本明細書で使用され、本開示の範囲が添付される請求項によってのみ限定されるであろうから、限定することを意図していないことも理解されたい。

用語「粒子」は、本明細書では、広義に使用され、別様に限定されない限り、電子、陽子（またはＨ＋イオン）、または中性子、および、２つ以上の電子、陽子、および／または中性子（例えば、他のイオン、原子、および分子）を有する種を説明するために使用され得る。

ビームシステム（例えば、粒子加速器を含む）との使用のためのビーム源システムのためのシステム、デバイス、および方法の例示的実施形態が、本明細書に説明される。本明細書に説明される実施形態は、任意のタイプの粒子加速器とともに使用されること、または粒子加速器に供給するための規定されたエネルギーにおける荷電粒子ビームの生成を伴う任意の粒子加速器用途において使用されることができる。

本イオンビーム源システムの実施形態は、負の粒子ビーム等のイオンビームをタンデム加速器（前段加速器システムとも協働する）に提供するために特に適している。そのようなシステムは、多数の用途において使用されることができ、その例は、ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ）における使用のための中性子ビームの発生のための中性子ビームシステムとしてである。説明を容易にするために、本明細書に説明される多くの実施形態は、ＢＮＣＴにおける使用のための中性子ビームシステムの文脈においてそのように行われるであろうが、実施形態は、中性子ビームまたはＢＮＣＴ用途のみに限定されない。

本明細書に説明される実施形態は、粒子加速器システムの平均ビーム電力を減少させ、それによって、熱外中性子の源のために好適なパラメータを伴う陽子ビームが、リチウム（Ｌｉ）またはベリリウム（Ｂｅ）標的を用いたホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ）のために提供されることができる。すなわち、本開示の実施形態は、中性子ビームシステムの文脈における機器および安全性によって導入される限界に関連付けられたいくつかの不利点を克服する。ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ）の目的のためにタンデム加速器によって提供される陽子ビームは、治療効能および下流機器との使用のための好ましいエネルギーレベルを有する（例えば、リチウム（Ｌｉ）標的上での中性子の効率的な発生のため）。例えば、陽子ビームは、好ましくは、１．９～３．０メガ電子ボルト（ＭｅＶ）のエネルギーを有することができる。合理的に短い治療時間にわたって、特定の束密度閾値が、所望され、そのような所望の閾値は、最小陽子ビーム電流（例えば、５ミリアンペア（ｍＡ）より高い）をもたらす。そのような陽子ビーム（例えば、１．９～３．０ＭｅＶのエネルギーおよび５ｍＡより高い電流を有する陽子ビーム）に関連付けられた電力密度は、中性子ビームシステムの構成要素（例えば、中性子発生標的等）において使用される材料に関する安全限界を大きく超える。

さらなる例として、２．５ＭｅＶビームエネルギーおよび１０ｍＡビーム電流の例示的公称設定において、ビーム電力は、２５キロワット（ｋＷ）である。そのような大きい電力を所与として、ビームが不整列の状態になり得る状況を回避することが、重要である。１０ｋＷを上回る電力が１０ミリメートル（ｍｍ）未満の直径を有する場所（例えば、円形または楕円形スポット）に集束させられる陽子ビームに関して、電力密度は、タンデム加速器（および中性子ビームシステム全体）において使用される材料に関する安全限界を実質的に超える可能性が高い。ビームのいずれかのわずかな偏向も、（例えば、タンデム加速器内の）ビームダクトの要素とのその接触、ビームによる要素のほぼ即時の損傷、おそらく破壊を引き起こし得る。

有利なこととして、本開示の実施形態は、イオン抽出電圧を変調する方法によって、イオンビーム源における負のイオンビームの変調を可能にする。そのような変調は、平均ビーム電力がビームシステムの材料に関する安全レベルまで低減させられるように、負のイオンビームの限定されたパルス持続時間をもたらし、同時に、検出可能な定常状態イオンビームが、タンデム加速器の電圧安定性に影響を及ぼすことなく、タンデム加速器に提供される。故に、必須のビームエネルギーおよび電流の陽子ビームが、中性子ビームシステム全体の構成要素に悪影響を及ぼすことなく、下流構成要素に提供される（例えば、１０ミリ秒（ｍ秒）～１００ｍ秒のビーム持続時間は、タンデム加速器から下流の中性子発生標的への損傷をもたらし得る）。

負のイオンビームの所望のパルス持続時間（例えば、イオンビーム源の抽出電極がバイアスされるべき長さ）は、いくつかの因子に基づくことができる。実施形態は、変動するであろうが、概して、パルス持続時間が（１）イオン源のプラズマからの水素の負イオン（Ｈ^－）の定常状態抽出に到達するために十分に長く、（２）タンデム加速器の電圧安定化システムとの干渉を回避するために十分に短くあるべきことが、望ましい。いくつかの実施形態では、パルスは、１０～１５％を上回る、より好ましくは、５～６％を上回るタンデム加速器内のコンデンサの総放電を回避するために、持続時間において十分に短い。故に、タンデム加速器を通過するビームのエネルギー安定性は、維持される一方、機器は、保護される。

（１）パルスが上で説明されるように十分に長いことに関して、いくつかの実施形態では、非セシウム添加（例えば、セシウム（Ｃｓ）を伴わない）イオン源に関する負の水素イオンの定常状態抽出に到達する時間は、０．１～０．３ｍ秒である。いくつかの実施形態では、タンデム加速器は、高電圧整流器の区分の出力に据え付けられるコンデンサを有する。（２）パルスが上で説明されるように十分に短いことに関して、そのような実施形態では、タンデム加速器が公称２．５ＭｅＶビーム粒子エネルギーにあるとき、１０ｍＡの電流および１ミリ秒の持続時間を伴うビームの伝搬による放電容量は、好ましくは、６％を超えない。

本明細書に説明されるある実施形態は、１０Ｈｚの周波数または０．５～１％のデューティサイクルにおいて、０．５～１．０ｍ秒の所望のパルス持続時間を達成することができる。デューティサイクル（アクティブ時間／合計期間）は、実装されるようなビームシステムの動作パラメータに基づいて変動するであろう。例えば、デューティサイクルは、０．１％～１０％に及ぶことができる。いくつかの実施形態では、デューティサイクルは、１％以下であり、他の実施形態では、デューティサイクルは、２％以下であり、他の実施形態では、デューティサイクルは、５％以下であり、なおも他の実施形態では、デューティサイクルは、１０％以下である。

好ましくは、そのようなビーム変調は：（ａ）タンデム加速器の電圧安定化を著しく乱さず；（ｂ）閾値量（例えば、１５％以下）を上回ってタンデム加速器内のコンデンサに放電させず；（ｃ）ビーム診断の大部分に関する典型的な時間分解能に関して十分に長い閾値時間量（例えば、２ｍ秒）にわたって一定の最大出力値（例えば、平坦または略平坦な頂部）を伴うビームを提供し；（ｄ）非変調ビームと比較して、ビームシステムにおいて使用される材料の大部分に関して実質的に安全なレベルまで平均ビーム電力を減少させる。いくつかの実施形態では、この低減は、約１００倍（約２５０ワット（Ｗ）のレベルまで）であり得る。ビームシステムの機能性を維持することに加えて、本明細書に説明される実施形態によるビーム変調は、ビームシステム材料および構成要素のより長期の完全性および信頼性につながる。
（例示的ＢＮＣＴ用途）

図に詳細に目を向けると、図１Ａは、本開示の実施形態との使用のためのビームシステム１０の例示的実施形態の概略図である。図１Ａでは、ビームシステム１０は、源１２と、低エネルギービームライン（ＬＥＢＬ）１４と、低エネルギービームライン（ＬＥＢＬ）１４に結合された加速器１６と、加速器１６から標的１００まで延びている高エネルギービームライン（ＨＥＢＬ）１６とを含む。ＬＥＢＬ１４は、ビームを源２２から加速器１６の入力に輸送するように構成され、加速器１６は、次に、ＬＥＢＬ１４によって輸送されるビームを加速することによって、ビームを生成するように構成される。ＨＥＢＬ１８は、ビームを加速器１６の出力から標的１００に移送する。標的１００は、入射ビームによって印加される刺激に応答して所望の結果を生成するように構成される構造であり得るか、または、ビームの性質を修正することができる。標的１００は、システム１０の構成要素であり得るか、または、少なくとも部分的に、システム１０によって調整または製造されるワークピースであり得る。

図１Ｂは、ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ）における使用のための中性子ビームシステム１０の別の例示的実施形態を図示する概略図である。ここでは、源１２は、イオン源であり、加速器１６は、タンデム加速器である。中性子ビームシステム１０は、荷電粒子ビーム注入器としての役割を果たす前段加速器システム２０と、前段加速器システム２０に結合された高電圧（ＨＶ）タンデム加速器１６と、タンデム加速器１６から標的１００（図示せず）を格納する中性子標的アセンブリ２００まで延びているＨＥＢＬ１８とを含む。本実施形態では、標的１００は、十分なエネルギーの陽子による影響に応答して、中性子を発生させるように構成され、中性子発生標的と称され得る。中性子ビームシステム１０および前段加速器システム２０は、本明細書に説明されるそれらの他の例等の他の用途のために使用されることもでき、ＢＮＣＴに限定されない。

前段加速器システム２０は、イオンビームをイオン源１２からタンデム加速器１６の入力（例えば、入力開口）に輸送するように構成され、したがって、ＬＥＢＬ１４としての機能も果たす。タンデム加速器１６は、それに結合された高電圧電力供給源４２によって給電され、タンデム加速器１６は、概して、加速器１６内に位置付けられる加速電極に印加される電圧の２倍に等しいエネルギーを伴う陽子ビームを生成することができる。陽子ビームのエネルギーレベルは、負の水素イオンのビームを加速器１６の入力から最も内側の高電位電極まで加速し、２個の電子を各イオンから奪取し、次いで、結果として生じる陽子を同じ印加される電圧によって下流に加速することによって達成されることができる。

ＨＥＢＬ１８は、陽子ビームを加速器１６の出力から、患者治療室の中に延びているビームラインの支流７０の端部に位置付けられた中性子標的アセンブリ２００内の標的に移送することができる。システム１０は、陽子ビームを任意の数の１つ以上の標的および関連付けられた治療エリアに方向づけるように構成されることができる。本実施形態では、ＨＥＢＬ１８は、３つの異なる患者治療室の中に延び得る３つの支流７０、８０、および９０を含み、各支流は、標的アセンブリ２００および下流ビーム成形装置（図示せず）において終端することができる。ＨＥＢＬ１８は、ポンプチャンバ５１と、ビームのデフォーカスを防止するための四重極磁石５２および７２と、ビームを治療室の中に操向するための双極子または曲げ磁石５６および５８と、ビーム補正器５３と、電流モニタ５４および７６等の診断器と、高速ビーム位置モニタ５５区分と、走査磁石７４とを含むことができる。

ＨＥＢＬ１８の設計は、治療設備の構成（例えば、１階建構成の治療設備、２階建構成の治療設備等）に依存する。ビームは、曲げ磁石５６の使用によって、（例えば、治療室の近傍に位置付けられる）標的アセンブリ２００に送達されることができる。四重極磁石７２は、次いで、ビームを標的においてあるサイズに集束させるために含まれることができる。次いで、ビームは、１つ以上の走査磁石７４を通過し、走査磁石７４は、所望のパターン（例えば、螺旋、湾曲、行および列における段階的、それらの組み合わせ、およびその他）において、標的表面上でのビームの側方移動を提供する。ビーム側方移動は、リチウム標的上で陽子ビームの平滑かつ均一な時間平均分布を達成し、過熱を防止し、中性子発生をリチウム層内で可能な限り均一にすることに役立ち得る。

走査磁石７４に入射した後、ビームは、電流モニタ７６の中に送達されることができ、それは、ビーム電流を測定する。標的アセンブリ２００は、ゲート弁７７を用いて、ＨＥＢＬ体積から物理的に分離されることができる。ゲート弁の主要機能は、標的を装填する間、および／または使用済み標的を新しいものと交換する間のビームラインの真空体積の標的からの分離である。実施形態では、ビームは、曲げ磁石５６によって、９０度曲げられないこともあり、それは、むしろ、図１Ｂの右にまっすぐに進み、次いで、水平ビームライン内に位置する四重極磁石５２に入射する。ビームは、続けて、別の曲げ磁石５８によって、建物および部屋構成に応じて、必要とされる角度まで、曲げられ得る。そうでなければ、曲げ磁石５８は、同一階上に位置する２つの異なる治療室のためにビームラインを２つの方向に分割するためのＹ形状磁石と置換され得る。

図２は、本開示の実施形態との使用のための前段加速器システムまたはイオンビーム注入器の例を図示する。この例では、前段加速器システム２０（例えば、ＬＥＢＬ１４）は、アインツェルレンズ３０（図２において不可視であるが、図３Ａ－３Ｂに描写される）と、前段加速器管２６と、ソレノイド５１０とを含み、イオン源１２から注入される負のイオンビームを加速するように構成される。前段加速器システム２０は、タンデム加速器１６のために要求されるエネルギーに対するビーム粒子の加速を提供し、タンデム加速器１６の入力開口または入口における入力開口面積に合致するための負のイオンビームの全体的収束を提供するように構成される。前段加速器システム２０は、イオン源１２への損傷、および／または、逆流がイオン源のフィラメントに到達する可能性を低減させるために、タンデム加速器１６から前段加速器システムをそれが通過するとき、逆流を最小化するように、またはデフォーカスするようにさらに構成されている。

実施形態では、イオン源１２は、負のイオンビームをアインツェルレンズ３０の上流に提供するように構成されることができ、負のイオンビームは、前段加速器管２６および磁気集束デバイス（例えば、ソレノイド）５１０を通過し続ける。ソレノイド５１０は、前段加速器管２６とタンデム加速器１６との間に位置付けられることができ、電力供給源と電気的に結合可能である。負のイオンビームは、タンデム加速器１６までソレノイド５１０を通過する。

前段加速器システム２０は、ガスを除去するためのイオン源真空ボックス２４と、ポンプチャンバ２８とを含むことができ、それらは、前段加速器管２６および上で説明される他の要素とともに、タンデム加速器１６につながる比較的に低いエネルギービームラインの一部である。アインツェルレンズ３０が位置付けられ得るイオン源真空ボックス２４は、イオン源１２から延びている。前段加速器管２６は、イオン源真空ボックス２４およびソレノイド５１０に結合されることができる。ガスを除去するための真空ポンプチャンバ２８は、ソレノイド５１０およびタンデム加速器１６に結合されることができる。イオン源１２は、荷電粒子の源としての役割を果たし、荷電粒子は、加速され、調整され、最終的に、中性子生成標的に送達されると、中性子を生成するために使用されることができる。例示的実施形態は、負の水素イオンビームを生成するイオン源を参照して本明細書に説明されるであろうが、実施形態は、そのようなものに限定されず、他の正または負の粒子も、源によって生成されることができる。

前段加速器システム２０は、ビームを集束および／またはその整列を調節する等の目的のために、ゼロ、１つ、または複数の磁気要素を有することができる。例えば、任意のそのような磁気要素は、ビームをビームライン軸およびタンデム加速器１６の受け入れ角度に合致させるために使用されることができる。イオン真空ボックス２４は、その中に位置付けられたイオン光学系を有することができる。

概して、２つのタイプの負のイオン源１２が存在し、それらは、負のイオンの発生の機構と異なる：表面タイプおよび体積タイプ。表面タイプは、概して、特定の内部表面上のセシウム（Ｃｓ）の存在を要求する。体積タイプは、高電流放電プラズマの体積内の負のイオンの形成に依拠する。両方のタイプのイオン源が、タンデム加速器に関連する用途のために、所望の負のイオンの流れを送達することができるが、表面タイプの負のイオン源は、変調のために望ましくない。すなわち、本明細書に説明される実施形態における負のイオンビームの変調のために、（例えば、セシウム（Ｃｓ）を採用しない）体積タイプの負のイオン源が、好ましい。

図３Ａに目を向けると、イオンビーム注入器２０のイオン源真空ボックス２４は、その中に位置付けられたアインツェルレンズ３０を含む。図３Ｂに詳細に示されるように、真空ボックス２４内のイオン源１２の接地レンズ２５の下流に搭載されるアインツェルレンズ３０は、搭載プレート３２と、搭載プレート３２に搭載され、搭載ロッド３５を用いて間隔を置かれた関係において互いに結合された２つの接地された電極３４と、２つの接地された電極３４間に位置付けられた給電（バイアス）される電極３８とを含む。電極３４および３８は、円筒形開口の形態に作製され、ビーム経路と一致する軸方向軸を有するように組み立てられる。給電される電極３８は、接地された電極または開口３４の間に延びている絶縁体／アイソレータ３６によって支持される。

スタンドオフアイソレータ３６は、電子雪崩の発達を阻止し、ストリーマ形成および伝搬（典型的に、最後にフラッシュオーバ形成において終わる）を抑制するように構成された幾何学的設計を含むことができる。スタンドオフアイソレータ３６の幾何学的設計は、絶縁体表面上の外部電場（電子雪崩を駆動し、経路長を事実上増加させる）を部分的にスクリーニングすることができる。加えて、絶縁体／アイソレータ３６の材料は、スパッタリング効果、表面上の負のイオンの損失、体積汚染、および電気強度の減少につながる絶縁体／アイソレータ表面上の伝導性コーティングの形成を減少させる傾向がある。

機能的に、イオン源１２から前進する荷電粒子のビームに対するアインツェルレンズ３０の作用は、光のビームに対する光学集束レンズの作用に類似する。すなわち、アインツェルレンズ３０は、流入平行ビームを焦点面においてスポットの中に集束させる。しかしながら、ここでは、給電される電極３８と２つの接地された電極３４との対間に形成される電場は、アインツェルレンズの集束強度（焦点長距離）を決定する。

アインツェルレンズ３０をイオン源接地レンズ２５の下流に搭載することによって、それは、固有の空間電荷に起因してビームが発散にさらされるビーム自由空間輸送を減少させる。

アインツェルレンズ３０の軸対称設計の寸法は、抽出されるイオンとアインツェルレンズ３０の露出表面との直接相互作用を回避するために最適化される。

動作時、アインツェルレンズ３０の負の極性バイアスは、正のバイアス極性より高い集束電力をもたらす。また、動作時、アインツェルレンズ３０への電力送達の方法は、瞬間電圧印加の代わりに、漸次的電圧成長を提供し、それは、アインツェルレンズ３０の表面上に存在する微小突出部における電場（例えば、爆発放出機構によるプラズマ形成に関与する）の成長率（ｄＥ／ｄｔ）を低減させる。そのようなプラズマ形成の妨害は、電気強度を高める。

高背景圧力内のアインツェルレンズのための負のバイアス電位は、通常、電気絶縁破壊に起因して、不可能である。本明細書に提供されるアインツェルレンズの例示的実施形態の構成は、電気絶縁破壊を伴わずに、１００％電流利用のために十分に高い負のバイアス電圧の印加を可能にする。

図４Ａは、本開示の実施形態との使用のための例示的イオンビーム源システムを図示する。図４Ａでは、イオン源１２は、随意に、イオン源封入体内に格納される。イオン源１２は、プラズマ電極３２０、加速器／加速電極（例えば、または接地レンズ）３１０、および抽出電極３３０等の複数の電極を含む。随意に、イオン源１２は、アインツェルレンズ３０と結合され、負のイオンビームは、イオン源１２から、アインツェルレンズ３０、前段加速器管２６、およびソレノイド５１０を通して、タンデム加速器１６の入力開口まで注入または伝搬される。

図４Ｂを参照すると、イオン源１２は、加速器電極３１０において、電力供給源ＰＳ３の第１の端子と電気的に結合されることができ、それは、次に、第２の端子において、イオン源１２の封入体に電気的に結合される。加速器電極３１０におけるイオン源１２のバイアスは、そのようなビームがイオン源１２から通過されるとき、負のイオンビームの維持および通過のために前段加速器システム２０を構成する。いくつかの実施形態では、電力供給源ＰＳ３は、－３０ｋＶの電圧を提供することができる。

イオン源１２のプラズマ電極３２０は、電力供給源ＰＳ５に電気的に結合されることができ、イオン源１２の抽出電極３３０は、変調器３５０に電気的に結合されることができ、変調器３５０は、次に、電力供給源ＰＳ４に電気的に結合される。プラズマ電極３２０のバイアスは、イオン源１２が、プラズマをイオン源１２内に維持し、抽出電極３３０がバイアスされると、負のイオンビームの中への抽出のために使用されることを可能にする。

いくつかの実施形態では、変調器３５０および電力供給源ＰＳ４は、単一の統合された調節器システム内に組み合わせられることができる。変調器３５０は、抽出電極３３０のバイアスを制御するために使用され得るスイッチを含む。

抽出電極３３０が、バイアスされると、負のイオンビームは、イオン源１２からタンデム加速器１６に沿って通され、または伝搬される。抽出電極３３０が、バイアスされていないと、負のイオンビームは、イオン源１２からタンデム加速器１６に沿って通されず、または伝搬されない。

上で議論されるように、タンデム加速器１６は、それに結合された高電圧電力供給源４２によって給電され、概して、加速器１６内に位置付けられる加速電極に印加される電圧の２倍に等しいエネルギーを伴う陽子ビームを生成することができる。タンデム加速器１６は、任意の数の２つ以上の入れ子状シェルを含み、加速電極が、図４Ａに示されるような各シェルの左端および右端開口に位置することができる。本実施形態では、加速器１６は、４つのシェルＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４に加えて、高電圧（ＨＶ）チャンバとして標識化される最内側シェルを含む。電力供給源ＰＳ６は、フィードバックループによって統御されることができ、それによって、タンデム加速器１６内の電圧安定性は、維持される。すなわち、測定または制御デバイス３６０（例えば、電圧計）は、タンデム加速器１６の高電圧整流器の区分の出力において据え付けられたコンデンサ（Ｃ）の電圧を監視することができる。少なくとも１つのコンデンサが、各シェルとそれにすぐに隣接するシェルとの間に接続されることができる。この例では、５つのシェルを横断して接続される４つのコンデンサが、存在する。加速器１６を通したビームの動作は、コンデンサの放電につながり得る。電圧安定性は、ビーム６２０の安定性を維持するために、コンデンサの放電が、完全充電状態の閾値を超えることができないことを必要とする。いくつかの実施形態では、この閾値は、５％であり、他の実施形態では、この閾値は、６％であり、他の実施形態では、この閾値は、１０％であり、なおも他の実施形態では、この閾値は、１５％である。そのような例では、測定または制御デバイス３６０は、電圧不安定性を示すフィードバック信号を電力供給源ＰＳ６に提供することができ、電力供給源ＰＳ６は、タンデム加速器１６をバイアスすることを中断する。

図５Ａは、本開示の実施形態との使用のためのイオンビーム源の例示的な所望の定常状態放出パルスを図示する。図５Ｂは、イオンビーム源の例示的な望ましくない定常状態放出パルスを図示する。図５Ａに示されるように、イオンビーム源における抽出電極のバイアスは、短い期間内にイオン源のプラズマからの負の水素イオンの定常状態抽出をもたらし、そうでなければ、イオンビームの生成は、下流構成要素の保護のために、必須の窓内で不成功である。図５Ｂは、定常状態抽出までの望ましくない漸増を描写する。

図６Ａは、本開示の実施形態との使用のための例示的容量放電曲線を図示する。図６Ｂは、本開示の実施形態との使用のための例示的な所望の電流パルス曲線を図示する。所望のイオンビームパルス電流シグネチャは、図６Ｂに示されるようなパルスの最小の上昇勾配および下降勾配およびアクティブな持続時間にわたる一定の値を伴う理想的なステップ関数に類似し、図６Ａに示されるような容量放電につながり、変調は、閾値を超える容量放電につながらない（例えば、閾値は、いくつかの実施形態では、約５～６％であり得る）。上で議論されるように、イオン源１２の抽出電極３３０のバイアス（またはバイアスしないこと）を制御する変調器３５０または変調システムを用いて負のイオンビーム６００のパルスの持続時間を限定することは、複数のコンデンサの放電が５～６％を超える可能性を低減させ、それによって、電力供給源ＰＳ６がタンデム加速器１６への電力を中断する可能性を低減させる（または完全に排除する）。

複数のコンデンサの容量定格は、正常なビームパルス持続時間に対する限界に影響し得る。すなわち、コンデンサが大きくなるほど、ビームパルス持続時間は、おそらくより長くなり得るが、しかしながら、空間および他の設計制約が種々のビームシステムにおいて静電容量を増加させることになると、それは、柔軟性を欠くことにつながる。

図７は、本開示の実施形態との使用のための互いの時間的関係における種々のパラメータの例を示すタイミング図である。図７の最上部の略図では、抽出バイアスが、ｔ１～ｔ３の所与の持続時間（例えば、ｔ_{ｐｕｌｓｅ}）にわたって適用され（例えば、Ｕ_{ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ}）、粒子源からのビームの抽出を引き起こす抽出パルス７００を形成する。ここで示されるように、抽出バイアスは、ステップ関数または方形波の形状において適用されるが、それは、理想化された描写であり、当業者は、ある程度の外れが起こるであろうことを認識するであろう。抽出されたビームの電流（Ｉ_ｂｅａｍ）が、中間の略図に描写される。電流Ｉ_ｂｅａｍは、ｔ１から、ｔ２における一定または略一定の大きさに到達するまで、急速に増加することによって、抽出バイアスＵ_{ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ}に応答する。これは、電流パルス７０２の平坦または実質的に平坦な最上部の輪郭によって描写される。この安定した大きさの領域は、電流の定常状態と称され得、抽出バイアスがｔ３において除去されるまで持続時間（例えば、ｔ_{ｆｌａｔ ｔｏｐ}）にわたって持続する。ある実施形態では、時間ｔ２～ｔ３の定常状態持続時間（例えば、ｔ_{ｆｌａｔ ｔｏｐ}）は、ビームシステムに関連付けられた１つ以上の測定値が取得されるために十分に長い。

ビーム抽出に先立って（例えば、ｔ０～ｔ１）、加速器電圧Ｕ_{ｔａｎｄｅｍ}が、定常状態レベル７０４まで充電される。図４Ａに関して説明されるタンデム加速器１６の実施形態では、この定常状態レベルは、それぞれの加速電極間のコンデンサ（Ｃ）に対する完全充電であり得る。ビーム抽出が、ｔ１においてイオン源から開始されると、これらのコンデンサの放電が、起こり得る。これらの実施形態では、放電は、好ましくは、放電閾値ΔＵ（例えば、１５％以下、１０％以下、６％以下）内に維持される。いくつかの実施形態では、変調システムは、ｔ_{ｐｕｌｓｅ}の持続時間が、閾値ΔＵ内の放電量を維持する時間長であるように設定またはプログラムされることができる。いくつかの実施形態では、ｔ_{ｐｕｌｓｅ}の持続時間は、放電量が、変調システムによって（または本明細書に説明される制御システムによって）アクティブに監視され、抽出パルスが、放電が放電閾値ΔＵに達する前に（または逆に、Ｕ_{ｔａｎｄｅｍ}がそれを下回って低下または減少する前に）終了するように、フィードバックループを用いて制御されることができる。抽出パルス７００が、ビームがもはや例示的イオン源から抽出されないように、ｔ３において終了すると、コンデンサの電荷（例えば、Ｕ_{ｔａｎｄｅｍ}）は、公称レベル７０４に戻る。実施形態では、電荷パルスの最小周期（例えば、ｔ１～ｔ４）は、コンデンサをレベル７０４に戻すように充電するべき持続時間を超えるために十分である。

図８は、本開示の実施形態が動作し得る例示的システムを示すブロック図である。例えば、図示される例示的システムは、イオンビーム源システム３００１と、１つ以上のコンピューティングデバイス３００２と、タンデム加速器システム３００３とを含む。実施形態では、イオンビーム源システム３００１およびタンデム加速器システム３００３は、集合的に、例示的中性子ビームシステム（例えば、上記のシステム１０）の一部であり得る。そのような実施形態では、中性子ビームシステム１０は、１つ以上の制御システムを採用することができ、それを用いて１つ以上のコンピューティングデバイス３００２は、中性子ビームシステム１０のシステムおよび構成要素と相互作用するために、通信することができる。これらのデバイスおよび／またはシステムの各々は、直接互いに（図示せず）、またはネットワーク３００４等のローカルネットワークを介して、通信するように構成される。

コンピューティングデバイス３００２は、種々のユーザデバイス、システム、コンピューティング装置等によって具現化されることができる。例えば、第１のコンピューティングデバイス３００２は、特定のユーザに関連付けられたデスクトップコンピュータであり得る一方、別のコンピューティングデバイス３００２は、特定のユーザに関連付けられたラップトップコンピュータであり得、さらに別のコンピューティングデバイス３００２は、モバイルデバイス（例えば、タブレットまたはスマートデバイス）であり得る。コンピューティングデバイス３００２の各々は、例えば、コンピューティングデバイスを介してアクセス可能なユーザインターフェースを通して、イオンビーム源システム３００１および／またはタンデム加速器システム３００３と通信するように構成されることができる。例えば、ユーザは、デスクトップアプリケーションをコンピューティングデバイス３００２上で実行することができ、それは、イオンビーム源システム３００１および／またはタンデム加速器システム３００３と通信するように構成される。

コンピューティングデバイス３００２を使用し、イオンビーム源システム３００１またはタンデム加速器システム３００３のうちの１つ以上のものと通信することによって、ユーザは、本明細書に説明される実施形態による本システムのいずれかのための動作パラメータ（例えば、動作電圧等）を提供することができる。実施形態では、イオンビーム源システム３００１は、制御システム３００１Ａを含むことができ、それによってイオンビーム源システム３００１は、動作パラメータをコンピューティングデバイス３００２から受信し、適用することができる。実施形態では、タンデム加速器システム３００３は、制御システム３００３Ａを含むことができ、それによってタンデム加速器システム３００３は、動作パラメータをコンピューティングデバイス３００２から受信し、適用することができる。

通信ネットワーク３００４は、例えば、有線または無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）、都市規模ネットワーク（ＭＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）等を含む任意の有線または無線通信ネットワーク、およびそれを実装するために要求される任意のハードウェア、ソフトウェア、および／またはファームウェアを含むことができる（例えば、ネットワークルータ等）。例えば、通信ネットワーク３００４は、８０２．１１、８０２．１６、８０２．２０、および／またはＷｉＭａｘネットワークを含むことができる。さらに、通信ネットワーク３００４は、インターネット等のパブリックネットワーク、イントラネット等のプライベートネットワーク、またはそれらの組み合わせを含むことができ、限定ではないが、ＴＣＰ／ＩＰベースのネットワーキングプロトコルを含む、現在利用可能なまたは後に開発される種々のネットワーキングプロトコルを利用することができる。

コンピューティングデバイス３００２および制御システム３００１Ａおよび３００３Ａは、図９に示される装置３１００等の１つ以上のコンピューティングシステムによって具現化されることができる。図９に図示されるように、装置３１００は、プロセッサ３１０２と、メモリ３１０４と、入力および／または出力回路網３１０６と、通信デバイスまたは回路網３１０８とを含むことができる。これらの構成要素３１０２－３１０８のうちのあるものが、類似するハードウェアを含み得ることも理解されたい。例えば、２つのモジュールの両方は、複製ハードウェアが各デバイスのために要求されないように、同一プロセッサ、ネットワークインターフェース、記憶媒体等の使用を活用し、それらの関連付けられた機能を実施することができる。装置の構成要素に関して本明細書に使用されるような用語「デバイス」および／または「回路網」の使用は、したがって、本明細書に説明されるように、その特定のデバイスに関連付けられた機能を実施するためのソフトウェアを伴って構成される特定のハードウェアを包含することができる。

用語「デバイス」および／または「回路網」は、広義に、ハードウェアを含むように理解されるべきであり、いくつかの実施形態では、デバイスおよび／または回路網はまた、ハードウェアを構成するためのソフトウェアを含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、デバイスおよび／または回路網は、処理回路網、記憶媒体、ネットワークインターフェース、入／出力デバイス等を含むことができる。いくつかの実施形態では、装置３１００の他の要素は、特定のデバイスの機能性を提供または補完することができる。例えば、プロセッサ３１０２は、処理機能性を提供することができ、メモリ３１０４は、記憶機能性を提供することができ、通信デバイスまたは回路網３１０８は、ネットワークインターフェース機能性を提供することができる等。

いくつかの実施形態では、プロセッサ３１０２（および／またはプロセッサを補助する、または別様にそれに関連付けられたコプロセッサまたは任意の他の処理回路網）は、装置の構成要素間で情報を通過させるために、バスを介して、メモリ３１０４と通信することができる。メモリ３１０４は、非一過性であり得、例えば、１つ以上の揮発性および／または不揮発性メモリを含むことができる。言い換えると、例えば、メモリは、電子記憶デバイス（例えば、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体）であり得る。メモリ３１０４は、装置が、本開示の例示的実施形態による種々の機能を実行することを可能にするために、情報、データ、コンテンツ、アプリケーション、命令等を記憶するように構成されることができる。

プロセッサ３１０２は、いくつかの異なる方法において具現化されることができ、例えば、独立して実施するように構成された１つ以上の処理デバイスを含み得る。加えて、または代替として、プロセッサは、バスを介して連動し、命令、パイプライン、および／またはマルチスレッドの独立実行を可能にするように構成された１つ以上のプロセッサを含むことができる。用語「処理デバイス」および／または「処理回路網」の使用は、装置の内部のシングルコアプロセッサ、マルチコアプロセッサ、複数のプロセッサ、および／または遠隔または「クラウド」プロセッサを含むように理解されることができる。

例示的実施形態では、プロセッサ３１０２は、メモリ３１０４内に記憶されるか、または別様にプロセッサにアクセス可能である命令を実行するように構成されることができる。代替として、または加えて、プロセッサは、ハードコーディングされた機能性を実行するように構成されることができる。したがって、ハードウェアまたはソフトウェア方法によって、またはハードウェアとソフトウェアの組み合わせによって、構成されるかどうかにかかわらず、プロセッサは、適宜構成される間、本開示のある実施形態による動作を実施することが可能である（例えば、回路網内で物理的に具現化される）エンティティを表すことができる。代替として、別の例として、プロセッサが、ソフトウェア命令のエグゼキュータとして具現化されると、命令は、命令が実行されると、本明細書に説明されるアルゴリズムおよび／または動作を実施するように、プロセッサを具体的に構成することができる。

いくつかの実施形態では、装置３１００は、入／出力デバイス３１０６を含むことができ、それは、次に、プロセッサ３１０２と通信し、出力をユーザに提供し、いくつかの実施形態では、入力をユーザから受信し得る。入／出力デバイス３１０６は、ユーザインターフェースを含むことができ、ウェブユーザインターフェース、モバイルアプリケーション、クライアントデバイス等を含み得るユーザデバイスディスプレイ等のデバイスディスプレイを含むことができる。いくつかの実施形態では、入／出力デバイス３１０６はまた、キーボード、マウス、ジョイスティック、タッチスクリーン、タッチエリア、ソフトキー、マイクロホン、スピーカ、または他の入／出力機構を含むことができる。プロセッサおよび／またはプロセッサを含むユーザインターフェース回路網は、プロセッサにアクセス可能なメモリ（例えば、メモリ３１０４および／または同等物）上に記憶されたコンピュータプログラム命令（例えば、ソフトウェアおよび／またはファームウェア）を通して、１つ以上のユーザインターフェース要素の１つ以上の機能を制御するように構成されることができる。

通信デバイスまたは回路網３１０８は、データを／ネットワークおよび／または装置３１００と通信する任意の他のデバイスまたは回路網から受信し、および／またはそこに伝送するように構成されたハードウェアまたはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせのいずれかにおいて具現化されるデバイス回路網等の任意の手段であり得る。この点で、通信デバイスまたは回路網３１０８は、例えば、有線または無線通信ネットワークとの通信を可能にするためのネットワークインターフェースを含むことができる。例えば、通信デバイスまたは回路網３１０８は、１つ以上のネットワークインターフェースカード、アンテナ、バス、スイッチ、ルータ、モデム、およびサポートハードウェアおよび／またはソフトウェア、またはネットワークを介して通信を可能にするために好適な任意の他のデバイスを含むことができる。加えて、または代替として、通信インターフェースは、アンテナと相互作用し、アンテナを介して信号の伝送を引き起こす、またはアンテナを介して受信される信号の受信をハンドリングするための回路網を含むことができる。これらの信号は、装置３１００によって、現在および将来的Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）規格（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）およびＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）低エネルギー（ＢＬＥ）を含む）、赤外線無線（例えば、ＩｒＤＡ）、ＦＲＥＣ、超広帯域（ＵＷＢ）、誘導無線伝送等のいくつかの無線パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）技術のうちのいずれかを使用して、伝送されることができる。加えて、これらの信号が、Ｗｉ－Ｆｉ、近距離無線通信（ＮＦＣ）、ワールドワイド・インターオペラビリティ・フォー・マイクロウェーブ・アクセス（ＷｉＭＡＸ）、または他の近接度ベースの通信プロトコルを使用して、伝送され得ることを理解されたい。

理解されるであろうように、任意のそのようなコンピュータプログラム命令および／または他のタイプのコードは、コンピュータ、プロセッサ、または他のプログラマブル装置の回路網上にロードされ、コードを機械上で実行するコンピュータ、プロセッサ、または他のプログラマブル回路網が、本明細書に説明されるものを含む、種々の機能を実装するための手段を生成するように、機械を生産することができる。

上で説明されるように、かつ本開示に基づいて理解されるであろうように、本開示の実施形態は、システム、方法、モバイルデバイス、バックエンドネットワークデバイス等として構成されることができる。故に、実施形態は、完全にハードウェアまたはソフトウェアおよびハードウェアの任意の組み合わせを含む種々の実装を含むことができる。さらに、実施形態は、記憶媒体内に具現化されるコンピュータ読み取り可能なプログラム命令（例えば、コンピュータソフトウェア）を有する少なくとも１つの非一過性コンピュータ読み取り可能な記憶媒体上のコンピュータプログラム製品の形態をとることができる。非一過性ハードディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、フラッシュメモリ、光学記憶デバイス、または磁気記憶デバイスを含む任意の好適なコンピュータ読み取り可能な記憶媒体が、利用されることができる。

本開示の実施形態との使用のための処理回路網は、１つ以上のプロセッサ、マイクロプロセッサ、コントローラ、および／またはマイクロコントローラを含むことができ、そのそれぞれは、別々のチップであるか、または、いくつかの異なるチップ（およびその一部）間で分散されることができる。本開示の実施形態との使用のための処理回路網は、本開示の実施形態との使用のための処理回路網のハードウェアおよび／またはソフトウェアにおいて実装され得るデジタル信号プロセッサを含むことができる。本開示の実施形態との使用のための処理回路網は、本明細書の図の他の構成要素と通信可能に結合されることができる。本開示の実施形態との使用のための処理回路網は、処理回路網に、異なるアクションの集合を行わせ、本明細書の図における他の構成要素を制御させる、メモリ上に記憶されたソフトウェア命令を実行することができる。

本開示の実施形態との使用のためのメモリは、種々の機能ユニットのうちの１つ以上のものによって共有されることができるか、または、それらのうちの２つ以上のもの間に分散されることができる（例えば、異なるチップ内に存在する別個のメモリとして）。メモリはまた、その独自の別個のチップであり得る。メモリは、非一過性であり得、揮発性（例えば、ＲＡＭ等）および／または不揮発性メモリ（例えば、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、Ｆ－ＲＡＭ等）であり得る。

説明される主題による動作を実行するためのコンピュータプログラム命令は、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｊａｖａ（登録商標）スクリプト、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｔｒａｎｓａｃｔ－ＳＱＬ、ＸＭＬ、ＰＨＰ等の、オブジェクト指向プログラミング言語、および「Ｃ」プログラミング言語または類似プログラミング言語等の従来の手続型プログラミング言語を含む、１つ以上のプログラミング言語の任意の組み合わせで書き込まれることができる。

本主題の種々の側面は、これまで説明された実施形態の復習として、および／またはその補完として、下記に記載され、以下の実施形態の相互関係および相互交換可能性がここで強調される。言い換えると、実施形態の各特徴は、別様に明示的に記載されない、または論理的にあり得なくない限り、あらゆる他の特徴と組み合わせられ得るという事実が強調される。

多くの実施形態では、イオンビームシステムは、負のイオンビームをイオン源の下流のタンデム加速器システムに提供するように構成されたイオン源と、イオン源の抽出電極に接続された変調器システムとを含む。これらの実施形態のうちの多くでは、変調器システムは、定常状態イオン抽出を達成し、タンデム加速器システムの加速電圧安定性を維持するために十分な持続時間にわたって抽出電極をバイアスするように構成される。

これらの実施形態のうちの多くでは、イオン源は、負の水素イオンを発生させるように構成される。

これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、１０ミリ秒（ｍ秒）未満である。これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、０．５～１．０ミリ秒（ｍ秒）の範囲内である。

これらの実施形態のうちの多くでは、変調器システムは、スイッチを含む。これらの実施形態のうちの多くでは、変調器システムは、ＤＣ電力供給源を含む。

これらの実施形態のうちの多くでは、加速電圧安定性は、部分的に、タンデム加速器システムの複数のコンデンサに関連付けられた容量放電に基づく。

これらの実施形態のうちの多くでは、タンデム加速器システムの電極または複数の電極のうちの１つは、ＤＣ電力供給源を使用してバイアスされる。これらの実施形態のうちの多くでは、ＤＣ電力供給源は、タンデム加速器システム内の複数のコンデンサに関連付けられた容量放電に基づくフィードバックループに応答する。これらの実施形態のうちの多くでは、ＤＣ電力供給源は、極低電圧（ＥＬＶ）ＤＣ電力供給源を含む。これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、フィードバックループの応答時間未満である。

これらの実施形態のうちの多くでは、イオン源は、加速電極を含む。これらの実施形態のうちの多くでは、加速電極は、第１の電力供給源を使用して連続的にバイアスされる。

これらの実施形態のうちの多くでは、イオン源は、プラズマ電極を含む。これらの実施形態のうちの多くでは、プラズマ電極は、第２の電力供給源を使用して連続的にバイアスされる。

これらの実施形態のうちの多くでは、変調器システムの第１の電力供給源、第２の電力供給源、および第３の電力供給源は、互いに独立している。

これらの実施形態のうちの多くでは、負のイオンビームは、タンデム加速器システムに到達する前、イオンビーム源システムから下流の前段加速器システムを通過する。これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、前段加速器システムまたはタンデム加速器システムの構成要素へのビーム誘発損傷を回避するために十分に短い。

これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、２．５メガ電子ボルト（ＭｅＶ）のビームエネルギーを有する陽子ビームの提供を可能にするために十分である。

これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、１５％未満のタンデム加速器システム内の容量放電が、負のイオンビームの導入の結果として起こるように十分である。

これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、６％未満のタンデム加速器システム内の容量放電が、負のイオンビームの導入の結果として起こるように十分である。

これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、イオン源からの定常状態イオン抽出を可能にするために十分に長い。これらの実施形態のうちの多くでは、イオン源に関する定常状態イオン抽出漸増時間は、０．１～０．３ミリ秒（ｍ秒）である。

これらの実施形態のうちの多くでは、タンデム加速器システムは、複数の入力電極と、電荷交換デバイスと、複数の出力電極とを含む。これらの実施形態のうちの多くでは、複数の入力電極は、前段加速器システムからの負のイオンビームを加速するように構成され、電荷交換デバイスは、負のイオンビームを正のビームに変換するように構成され、複数の出力電極は、正のビームを加速するように構成される。これらの実施形態のうちの多くでは、タンデム加速器システムから下流の標的デバイスは、タンデム加速器システムから受け取られる正のビームから中性ビームを形成するように構成される。これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、標的デバイスへのビーム誘発損傷を回避するために十分に短い。

多くの実施形態では、ビーム変調の方法は、それにイオン源が負のイオンビームを提供するように構成されたタンデム加速器システムの加速電圧安定性を維持するために十分な持続時間にわたってイオン源の抽出電極をバイアスすることを含む。

これらの実施形態のうちの多くでは、イオン源は、負の水素イオンを発生させるように構成される。

これらの実施形態のうちの多くでは、方法は、１０ミリ秒（ｍ秒）未満にわたって抽出電極をバイアスすることを含む。これらの実施形態のうちの多くでは、方法は、０．５～１ミリ秒（ｍ秒）にわたって抽出電極をバイアスすることを含む。

これらの実施形態のうちの多くでは、方法は、部分的に、タンデム加速器システムの複数のコンデンサに関連付けられた容量放電に基づいて、加速電圧安定性を測定することを含む。

これらの実施形態のうちの多くでは、方法は、ＤＣ電力供給源を使用してタンデム加速器システムの電極または複数の電極のうちの１つをバイアスすることを含む。

これらの実施形態のうちの多くでは、ＤＣ電力供給源は、タンデム加速器システム内の複数のコンデンサに関連付けられた容量放電に基づくフィードバックループに応答する。

これらの実施形態のうちの多くでは、方法は、フィードバックループの応答時間未満の持続時間にわたって抽出電極をバイアスすることを含む。

これらの実施形態のうちの多くでは、イオン源は、加速電極を含む。これらの実施形態のうちの多くでは、方法は、第１の電力供給源を使用して加速電極を連続的にバイアスすることを含む。

これらの実施形態のうちの多くでは、イオン源は、プラズマ電極を含む。これらの実施形態のうちの多くでは、方法は、第２の電力供給源を使用してプラズマ電極を連続的にバイアスすることを含む。

これらの実施形態のうちの多くでは、負のイオンビームは、タンデム加速器システムに到達する前、イオン源から下流の前段加速器システムを通過する。これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、前段加速器システムまたはタンデム加速器システムの構成要素へのビーム誘発損傷を回避するために十分に短い。

これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、２．５メガ電子ボルト（ＭｅＶ）のビームエネルギーを有する陽子ビームの提供を可能にするために十分である。

これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、６％以下のタンデム加速器システム内の容量放電が、負のイオンビームの導入の結果として起こるように十分である。

これらの実施形態のうちの多くでは、イオン源は、非セシウム添加イオン源を含む。

これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、イオン源からの定常状態イオン抽出を可能にするために十分に長い。これらの実施形態のうちの多くでは、イオン源に関する定常状態イオン抽出漸増時間は、０．１ミリ秒（ｍ秒）～０．３ミリ秒（ｍ秒）である。

多くの実施形態では、ビームシステムは、抽出電極を含む、源であって、源は、荷電粒子ビームを発生させるように構成されている、源と、源の抽出電極に接続された変調器システムであって、変調器システムは、荷電粒子ビームを変調するように構成されている、変調器システムと、変調された荷電粒子ビームを加速するように構成された加速器とを含む。

これらの実施形態のうちの多くでは、変調器システムは、荷電粒子ビームを複数のパルスに変調するように構成される。これらの実施形態のうちの多くでは、各パルスは、定常状態粒子抽出を達成するために十分な持続時間を有する。

これらの実施形態のうちの多くでは、加速器は、１つ以上のコンデンサを含む。これらの実施形態のうちの多くでは、変調されたビームは、１つ以上のコンデンサに閾値量を上回って放電させない。これらの実施形態のうちの多くでは、閾値量は、１つ以上のコンデンサの完全充電の１５％以下である。これらの実施形態のうちの多くでは、閾値量は、１つ以上のコンデンサの完全充電の６％以下である。

これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、１０ミリ秒（ｍ秒）より小さく、デューティサイクルは、０．１～１０％である。

これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、０．５～１．０ミリ秒（ｍ秒）の範囲内である。

これらの実施形態のうちの多くでは、変調器システムは、荷電粒子ビームを変調し、加速器の加速電圧安定性を維持するように構成される。

これらの実施形態のうちの多くでは、加速電圧安定性は、少なくとも部分的に、加速器の複数のコンデンサに関連付けられた容量放電に基づく。

これらの実施形態のうちの多くでは、加速器の電極または複数の電極のうちの１つは、ＤＣ電力供給源を使用してバイアスされる。これらの実施形態のうちの多くでは、ＤＣ電力供給源は、加速器内の複数のコンデンサに関連付けられた容量放電に基づくフィードバックループに応答する。これらの実施形態のうちの多くでは、持続時間は、フィードバックループの応答時間未満である。これらの実施形態のうちの多くでは、加速器は、タンデム加速器である。

これらの実施形態のうちの多くでは、荷電粒子ビームは、負のイオンビームであり、加速器は、負のイオンビームを陽子ビームに変換するように構成され、各パルスは、１．９～３．０メガ電子ボルト（ＭｅＶ）のビームエネルギーを有する陽子ビームの提供を可能にするために十分な持続時間を有する。

これらの実施形態のうちの多くでは、変調システムは、加速器内の容量放電が、変調された荷電粒子ビームの加速中に１５％を超えないように、荷電粒子ビームを変調するように構成される。

これらの実施形態のうちの多くでは、変調システムは、加速器内の容量放電が、変調された荷電粒子ビームの加速中に６％を超えないように、荷電粒子ビームを変調するように構成される。

これらの実施形態のうちの多くでは、加速器は、複数の入れ子式シェルと、隣接するシェル間に電気的に結合された１つ以上のコンデンサとを含むタンデム加速器であり、容量放電は、１つ以上のコンデンサの放電である。

これらの実施形態のうちの多くでは、加速器は、複数の入力電極と、電荷交換デバイスと、複数の出力電極とを含むタンデム加速器である。これらの実施形態のうちの多くでは、荷電粒子ビームは、負のイオンビームであり、タンデム加速器は、複数の入力電極を用いて負のイオンビームを加速するように構成され、電荷交換デバイスは、負のイオンビームを正のビームに変換するように構成され、タンデム加速器は、複数の出力電極を用いて正のビームを加速するように構成される。これらの実施形態のうちの多くでは、ビームシステムは、タンデム加速器から下流の標的デバイスを含む。これらの実施形態のうちの多くでは、標的デバイスは、正のビームから中性ビームを形成するように構成される。

これらの実施形態のうちの多くでは、変調器システムは、荷電粒子ビームを複数のパルスに変調するように構成される。これらの実施形態のうちの多くでは、各パルスは、標的デバイスへの熱損傷を回避するように限定された持続時間を有する。

本明細書に提供される任意の実施形態に関して説明される、全ての特徴、要素、構成要素、機能、およびステップが、自由に組み合わせ可能であり、任意の他の実施形態からのものと代用可能であることを意図していることに留意されたい。ある特徴、要素、構成要素、機能、またはステップが、１つのみの実施形態に関して説明される場合、その特徴、要素、構成要素、機能、またはステップが、別様に明示的に記載されない限り、本明細書に説明される全ての他の実施形態とともに使用され得ることを理解されたい。本段落は、したがって、随時、異なる実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、およびステップを組み合わせる、または一実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、およびステップを別の実施形態からのもので代用することの請求項の導入の前提および記述支援としての役割を果たし、以下の説明が、特定の事例において、そのような組み合わせまたは代用が可能であることを明示的に記載しない場合でも該当する。特に、あらゆるそのような組み合わせおよび代用の許容性は、当業者によって容易に認識されるであろうことを所与として、あらゆる可能性として考えられる組み合わせおよび代用の明確な列挙が、過度に負担であることが明示的に認識される。

本明細書に開示される実施形態が、メモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体を含む、またはそれに関連付けて動作する限りにおいて、そのメモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体は、非一過性である。故に、メモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体が、１つ以上の請求項によって網羅される限りにおいて、そのメモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体は、非一過性にすぎない。

本明細書および添付される請求項で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が別様に明確に決定付けない限り、複数指示物を含む。

実施形態は、種々の修正および代替形態を被るが、その具体的例が、図面に示され、本明細書で詳細に説明される。しかしながら、これらの実施形態が、開示される特定の形態に限定されず、対照的に、これらの実施形態が、本開示の精神内に該当する、全ての修正、均等物、および代替を網羅するものであることを理解されたい。さらに、実施形態の任意の特徴、機能、ステップ、または要素が、その範囲内に該当しない、特徴、機能、ステップ、または要素によって、請求項の発明的範囲を定義する、負の限定とともに、請求項内に列挙されるか、またはそれに追加され得る。

Claims (67)

1. イオンビーム源システムであって、前記イオンビーム源システムは、
   負のイオンビームをイオン源の下流のタンデム加速器システムに提供するように構成されたイオン源と、
   前記イオン源の抽出電極に接続された変調器システムと
   を備え、
   前記変調器システムは、定常状態イオン抽出を達成し、前記タンデム加速器システムの加速電圧安定性を維持するために十分な持続時間にわたって前記抽出電極をバイアスするように構成されている、イオンビーム源システム。
2. 前記イオン源は、負の水素イオンを発生させるように構成されている、請求項１に記載のイオンビーム源システム。
3. 前記持続時間は、１０ミリ秒（ｍ秒）より小さい、請求項１に記載のイオンビーム源システム。
4. 前記持続時間は、０．５～１．０ミリ秒（ｍ秒）の範囲内である、請求項１に記載のイオンビーム源システム。
5. 前記変調器システムは、スイッチを備えている、請求項１に記載のイオンビーム源システム。
6. 前記変調器システムは、ＤＣ電力供給源を備えている、請求項１に記載のイオンビーム源システム。
7. 前記加速電圧安定性は、部分的に、前記タンデム加速器システムの複数のコンデンサに関連付けられた容量放電に基づく、請求項１に記載のイオンビーム源システム。
8. 前記タンデム加速器システムの電極または複数の電極のうちの１つは、ＤＣ電力供給源を使用してバイアスされる、請求項１に記載のイオンビーム源システム。
9. 前記ＤＣ電力供給源は、前記タンデム加速器システム内の複数のコンデンサに関連付けられた容量放電に基づくフィードバックループに応答する、請求項８に記載のイオンビーム源システム。
10. 前記ＤＣ電力供給源は、極低電圧（ＥＬＶ）ＤＣ電力供給源を備えている、請求項８に記載のイオンビーム源システム。
11. 前記持続時間は、前記フィードバックループの応答時間より小さい、請求項９に記載のイオンビーム源システム。
12. 前記イオン源は、加速電極を備えている、請求項１に記載のイオンビーム源システム。
13. 前記加速電極は、第１の電力供給源を使用して連続的にバイアスされる、請求項１２に記載のイオンビーム源システム。
14. 前記イオン源は、プラズマ電極を備えている、請求項１に記載のイオンビーム源システム。
15. 前記プラズマ電極は、第２の電力供給源を使用して連続的にバイアスされる、請求項１４に記載のイオンビーム源システム。
16. 前記変調器システムの前記第１の電力供給源、第２の電力供給源、および第３の電力供給源は、互いに独立している、請求項１３および１５に記載のイオンビーム源システム。
17. 前記負のイオンビームは、前記タンデム加速器システムに到達する前、前記イオンビーム源システムから下流の前段加速器システムを通過する、請求項１に記載のイオンビーム源システム。
18. 前記持続時間は、前記前段加速器システムまたは前記タンデム加速器システムの構成要素へのビーム誘発損傷を回避するために十分に短い、請求項１７に記載のイオンビーム源システム。
19. 前記持続時間は、２．５メガ電子ボルト（ＭｅＶ）のビームエネルギーを有する陽子ビームの提供を可能にするために十分である、請求項１に記載のイオンビーム源システム。
20. 前記持続時間は、１５％未満の前記タンデム加速器システム内の容量放電が前記負のイオンビームの導入の結果として起こるように十分である、請求項１に記載のイオンビーム源システム。
21. 前記持続時間は、６％未満の前記タンデム加速器システム内の容量放電が前記負のイオンビームの導入の結果として起こるように十分である、請求項１に記載のイオンビーム源システム。
22. 前記持続時間は、前記イオン源からの定常状態イオン抽出を可能にするために十分に長い、請求項１に記載のイオンビーム源システム。
23. 前記イオン源に関する定常状態イオン抽出漸増時間は、０．１～０．３ミリ秒（ｍ秒）である、請求項２２に記載のイオンビーム源システム。
24. 前記タンデム加速器システムは、複数の入力電極と、電荷交換デバイスと、複数の出力電極とを備えている、請求項１に記載のイオンビーム源システム。
25. 前記複数の入力電極は、前段加速器システムからの負のイオンビームを加速するように構成され、前記電荷交換デバイスは、前記負のイオンビームを正のビームに変換するように構成され、前記複数の出力電極は、前記正のビームを加速するように構成されている、請求項２４に記載のイオンビーム源システム。
26. 前記タンデム加速器システムから下流の標的デバイスは、前記タンデム加速器システムから受け取られる前記正のビームから中性ビームを形成するように構成されている、請求項２５に記載のイオンビーム源システム。
27. 前記持続時間は、前記標的デバイスへのビーム誘発損傷を回避するために十分に短い、請求項２６に記載のイオンビーム源システム。
28. ビーム変調の方法であって、前記方法は、
    ある持続時間にわたって前記イオン源の抽出電極をバイアスすることを含み、前記持続時間は、前記イオン源が負のイオンビームを提供するように構成されたタンデム加速器システムの加速電圧安定性を維持するために十分である、方法。
29. 前記イオン源は、負の水素イオンを発生させるように構成されている、請求項２８に記載の方法。
30. １０ミリ秒（ｍ秒）未満にわたって前記抽出電極をバイアスすることをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
31. ０．５～１ミリ秒（ｍ秒）にわたって前記抽出電極をバイアスすることをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
32. 部分的に前記タンデム加速器システムの複数のコンデンサに関連付けられた容量放電に基づいて、前記加速電圧安定性を測定することをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
33. ＤＣ電力供給源を使用して前記タンデム加速器システムの電極または複数の電極のうちの１つをバイアスすることをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
34. 前記ＤＣ電力供給源は、前記タンデム加速器システム内の複数のコンデンサに関連付けられた容量放電に基づくフィードバックループに応答する、請求項３３に記載の方法。
35. 前記フィードバックループの応答時間未満の持続時間にわたって前記抽出電極をバイアスすることをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
36. 前記イオン源は、加速電極を備えている、請求項２８に記載の方法。
37. 第１の電力供給源を使用して前記加速電極を連続的にバイアスすることをさらに含む、請求項３６に記載の方法。
38. 前記イオン源は、プラズマ電極を備えている、請求項２８に記載の方法。
39. 第２の電力供給源を使用して前記プラズマ電極を連続的にバイアスすることをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
40. 前記負のイオンビームは、前記タンデム加速器システムに到達する前、前記イオン源から下流の前段加速器システムを通過する、請求項２８に記載の方法。
41. 前記持続時間は、前記前段加速器システムまたは前記タンデム加速器システムの構成要素へのビーム誘発損傷を回避するために十分に短い、請求項４０に記載の方法。
42. 前記持続時間は、２．５メガ電子ボルト（ＭｅＶ）のビームエネルギーを有する陽子ビームの提供を可能にするために十分である、請求項２８に記載の方法。
43. 前記持続時間は、６％以下の前記タンデム加速器システム内の容量放電が前記負のイオンビームの導入の結果として起こるように十分である、請求項２８に記載の方法。
44. 前記イオン源は、非セシウム添加イオン源を備えている、請求項２８に記載の方法。
45. 前記持続時間は、前記イオン源からの定常状態イオン抽出を可能にするために十分に長い、請求項２８に記載の方法。
46. 前記イオン源に関する定常状態イオン抽出漸増時間は、０．１ミリ秒（ｍ秒）～０．３ミリ秒（ｍ秒）である、請求項４５に記載の方法。
47. ビームシステムであって、前記ビームシステムは、
    抽出電極を備えている源であって、前記源は、荷電粒子ビームを発生させるように構成されている、源と、
    前記源の抽出電極に接続された変調器システムであって、前記変調器システムは、前記荷電粒子ビームを変調するように構成されている、変調器システムと、
    前記変調された荷電粒子ビームを加速するように構成された加速器と
    を備えている、ビームシステム。
48. 前記変調器システムは、前記荷電粒子ビームを複数のパルスに変調するように構成され、各パルスは、定常状態粒子抽出を達成するために十分な持続時間を有する、請求項４７に記載のビームシステム。
49. 前記加速器は、１つ以上のコンデンサを備え、前記変調されたビームは、前記１つ以上のコンデンサに閾値量を上回って放電させない、請求項４７または４８のいずれかに記載のビームシステム。
50. 前記閾値量は、前記１つ以上のコンデンサの完全充電の１５％以下である、請求項４９に記載のビームシステム。
51. 前記閾値量は、前記１つ以上のコンデンサの完全充電の６％以下である、請求項４９に記載のビームシステム。
52. 前記持続時間は、１０ミリ秒（ｍ秒）より小さく、デューティサイクルは、０．１～１０％である、請求項４８に記載のビームシステム。
53. 前記持続時間は、０．５～１．０ミリ秒（ｍ秒）の範囲内である、請求項４８に記載のビームシステム。
54. 前記変調器システムは、前記荷電粒子ビームを変調し、前記加速器の加速電圧安定性を維持するように構成されている、請求項４７に記載のビームシステム。
55. 前記加速電圧安定性は、少なくとも部分的に、前記加速器の複数のコンデンサに関連付けられた容量放電に基づく、請求項５４に記載のビームシステム。
56. 前記加速器の電極または複数の電極のうちの１つは、ＤＣ電力供給源を使用してバイアスされる、請求項４７に記載のビームシステム。
57. 前記ＤＣ電力供給源は、前記加速器内の複数のコンデンサに関連付けられた容量放電に基づくフィードバックループに応答する、請求項５６に記載のビームシステム。
58. 前記持続時間は、前記フィードバックループの応答時間より小さい、請求項５７に記載のビームシステム。
59. 前記加速器は、タンデム加速器である、請求項５８に記載のビームシステム。
60. 荷電粒子ビームは、負のイオンビームであり、前記加速器は、前記負のイオンビームを陽子ビームに変換するように構成され、各パルスは、１．９～３．０メガ電子ボルト（ＭｅＶ）のビームエネルギーを有する前記陽子ビームの提供を可能にするために十分な持続時間を有する、請求項４７に記載のビームシステム。
61. 前記変調システムは、前記加速器内の容量放電が変調された荷電粒子ビームの加速中に１５％を超えないように、前記荷電粒子ビームを変調するように構成されている、請求項４７に記載のビームシステム。
62. 前記変調システムは、前記加速器内の容量放電が変調された荷電粒子ビームの加速中に６％を超えないように、前記荷電粒子ビームを変調するように構成されている、請求項４７に記載のビームシステム。
63. 前記加速器は、複数の入れ子式シェルと、隣接するシェル間に電気的に結合された１つ以上のコンデンサとを備えているタンデム加速器であり、前記容量放電は、前記１つ以上のコンデンサの放電である、請求項６１または６２に記載のビームシステム。
64. 前記加速器は、複数の入力電極と、電荷交換デバイスと、複数の出力電極とを備えているタンデム加速器である、請求項４７に記載のビームシステム。
65. 前記荷電粒子ビームは、負のイオンビームであり、前記タンデム加速器は、前記複数の入力電極を用いて前記負のイオンビームを加速するように構成され、前記電荷交換デバイスは、前記負のイオンビームを正のビームに変換するように構成され、前記タンデム加速器は、前記複数の出力電極を用いて前記正のビームを加速するように構成されている、請求項６４に記載のビームシステム。
66. 前記タンデム加速器から下流の標的デバイスをさらに備え、前記標的デバイスは、前記正のビームから中性ビームを形成するように構成されている、請求項６５に記載のビームシステム。
67. 前記変調器システムは、前記荷電粒子ビームを複数のパルスに変調するように構成され、各パルスは、前記標的デバイスへの熱損傷を回避するように限定された持続時間を有する、請求項２６に記載のビーム源システム。

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