(57)【要約】  本発明の方法および装置は、荷電粒子ビームを高周波四重極加速器にカップリングさせることができる。荷電粒子ビームのカップリングは、少なくとも部分的に、高周波四重極が有する、入力荷電粒子ビームの角度に対する入力位相空間アクセプタンスの感度に依拠して実現される。ビーム偏向器を交差する第１電界は、粒子ビームを高周波四重極の許容角度を超えた角度で偏向させる。電界を瞬時的に反転させまたは減少させることにより、荷電粒子ビームの狭小部分は、高周波四重極の許容角度範囲内の角度で偏向される。他構成において、ビームは第１電界によって高周波四重極の許容角度範囲内の角度で偏向され、第２電界により高周波四重極の許容角度を超えた角度で偏向される。【選択図】図３Ａ
2013546121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを高周波四重極（ＲＦＱ）にカップリングする方法であって、
粒子ビーム偏向器を交差する第１電界を生成するステップであって、前記粒子ビーム偏向器は前記ＲＦＱの入口に配置され、前記第１電界は前記荷電粒子ビームが前記ＲＦＱの許容角度を超える第１軌道を有するようにする、ステップ、
第２電界を所定期間にわたって生成するステップであって、前記第２電界は前記荷電粒子ビームを前記第１軌道から前記ＲＦＱの前記許容角度範囲内の第２軌道へ偏向させることにより、前記荷電粒子ビームを前記ＲＦＱにカップリングする、ステップ、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
２つの実質的に平行な板を前記粒子ビーム偏向器の一部として用いるステップ、
前記２つの実質的に平行な板を通過して前記荷電粒子ビームを伝搬させるように前記２つの実質的に平行な板を構成するステップ、
前記板を交差する第１電圧差を生じさせて前記第１電界を生成するステップ、
を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第１電圧差とは反対極性の第２電圧値の電圧パルスを印加して前記第２電界を生成するステップを有する
ことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記第２電圧値の絶対値は、
前記第１電圧差の絶対値よりも小さい値；
前記第１電圧差の絶対値と等しい値；
前記第１電圧差の絶対値よりも大きい値；
のなかから選択されていることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記カップリングされた荷電粒子ビームの時間幅は、前記ＲＦＱの動作周波数の１周期と実質的に等しい
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記電圧パルスの時間幅は、前記ＲＦＱの動作周波数の１周期よりも短い
ことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項７】
前記電圧パルスの時間幅は２〜４．７ナノ秒の範囲であり、前記ＲＦＱは４２５ＭＨｚで動作する
ことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項８】
前記荷電粒子ビームは陽子ビームであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記粒子ビーム偏向器は、前記第１および第２電界の一方または双方の不均一性を減少させるように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記粒子ビーム偏向器は、前記荷電粒子ビームが通過して伝搬するように構成された２つの板を備え、
前記第１電界は、前記板を交差する第１電圧差を生じさせることにより生成され、
前記第２電界は、前記板を交差する第２電圧差を生じさせることにより生成され、
前記板の少なくとも一方は、前記第１および／または第２電界の不均一性を減少させるように調整された不均一面領域を備える
ことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記粒子ビーム偏向器と前記ＲＦＱの入口との間に配置されたレンズを用いて、前記ＲＦＱの許容角度範囲内で偏向された前記荷電粒子ビームを集束させるステップをさらに有する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも、イオン源、前記ＲＦＱ、誘電体壁加速器（ＤＷＡ）、Ｂｌｕｍｌｅｉｎデバイス、およびレーザのタイミング同期を維持するステップをさらに有する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１３】
荷電粒子ビームを高周波四重極（ＲＦＱ）にカップリングする方法であって、
粒子ビーム偏向器を交差する第１電界を生成するステップであって、前記粒子ビーム偏向器は前記ＲＦＱの入口に配置され、前記第１電界は前記荷電粒子ビームを前記ＲＦＱへ前記ＲＦＱの許容角度範囲内の角度で入射させる、ステップ、
第２電界を所定期間にわたって生成するステップであって、前記第２電界は前記荷電粒子ビームを前記ＲＦＱの許容角度を超えた角度で偏向させる、ステップ、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１４】
荷電粒子ビームを高周波四重極（ＲＦＱ）にカップリングする装置であって、
粒子ビーム偏向器であって、前記粒子ビーム偏向器を交差する第１電界が生成されると前記荷電粒子ビームが前記ＲＦＱの許容角度を超えた第１軌道を有するようにし、前記粒子ビーム偏向器を交差する第２電界が生成されると前記荷電粒子ビームを前記第１軌道から前記ＲＦＱの許容角度範囲内の第２軌道へ偏向するように構成された、粒子ビーム偏向器、
前記粒子ビーム偏向器に対して電圧を供給して前記第１および第２電界を生じさせるように構成された１以上の電圧源、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１５】
前記１以上の電圧源は、
前記粒子ビーム偏向器に対して電圧を供給して前記第１電界を生成するように構成された少なくとも１つの直流（ＤＣ）電圧源、
前記粒子ビーム偏向器に対して所定時間幅を有する１以上のパルスを供給して前記第２電界を生成するように構成された少なくとも１つのパルス生成器、
を備えることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
前記粒子ビーム偏向器は、前記荷電粒子ビームが通過して前記ＲＦＱの入口へ伝搬するように構成された２つの実質的に平行な板を備え、
前記粒子ビーム偏向器は、前記板を交差する第１電圧差を生じさせることにより前記第１電界を生成するように構成されている
ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのパルス生成器は、前記第１電圧差とは反対極性の第２電圧値の電圧パルスを供給するように構成されている
ことを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
前記第２電圧値の絶対値は、
前記第１電圧差の絶対値よりも小さい値；
前記第１電圧差の絶対値と等しい値；
前記第１電圧差の絶対値よりも大きい値；
のなかから選択されていることを特徴とする請求項１７記載の装置。
【請求項１９】
前記粒子ビーム偏向器は、前記ＲＦＱの動作周波数の１周期と実質的に等しい時間幅を有する前記カップリングされた荷電粒子ビームを生成するように構成されている
ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項２０】
前記電圧パルスの時間幅は、前記ＲＦＱの動作周波数の１周期よりも短い
ことを特徴とする請求項１７記載の装置。
【請求項２１】
前記電圧パルスの時間幅は２〜４．７ナノ秒の範囲であり、前記ＲＦＱは４２５ＭＨｚで動作する
ことを特徴とする請求項１７記載の装置。
【請求項２２】
前記荷電粒子ビームは陽子ビームであることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項２３】
前記粒子ビーム偏向器は、前記第１および第２電界の一方または双方の不均一性を減少させるように構成されている
ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項２４】
前記粒子ビーム偏向器は、前記荷電粒子ビームが通過して伝搬するように構成された２つの板を備え、
前記粒子ビーム偏向器は、前記板を交差する第１電圧差を生じさせることにより前記第１電界を生成し、前記板を交差する第２電圧差を生じさせることにより前記第２電界を生成するように構成され、
前記板の少なくとも一方は、前記第１および／または第２電界の不均一性を減少させるように調整された不均一面領域を備える
ことを特徴とする請求項２３記載の装置。
【請求項２５】
前記粒子ビーム偏向器と前記ＲＦＱの入口との間に配置されたレンズを備え、
前記レンズは、前記ＲＦＱの許容角度範囲内で偏向された前記荷電粒子ビームを集束させるように構成されている
ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項２６】
少なくとも、イオン源、前記ＲＦＱ、誘電体壁加速器（ＤＷＡ）、Ｂｌｕｍｌｅｉｎデバイス、およびレーザの動作同期を維持するように構成された、タイミングおよび制御部品を備える
ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項２７】
荷電粒子ビームを高周波四重極（ＲＦＱ）にカップリングする装置であって、
粒子ビーム偏向器であって、前記粒子ビーム偏向器を交差する第１電界が生成されると前記荷電粒子ビームを前記ＲＦＱに対して前記ＲＦＱの許容角度範囲内の角度で入射させ、前記粒子ビーム偏向器を交差する第２電界が生成されると前記荷電粒子ビームを前記ＲＦＱの許容角度を超えた角度で偏向するように構成された、粒子ビーム偏向器、
前記粒子ビーム偏向器に対して電圧を供給して前記第１および第２電界を生じさせるように構成された１以上の電圧源、
を備えることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への参照
本出願は、２０１１年１０月５日に出願された米国特許出願第１３／２５３，９４４号および２０１０年１０月６日に出願された米国仮出願第６１／３９０，５２９号に基づく優先権を主張する。これらの全内容は参照により本願に組み込まれる。
【０００２】
連邦支援の研究または開発
米国政府は、米国エネルギー省とＬａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ（Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙの活動のためのＬＬＣ）との間の契約第ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４号に準じて、本発明における権利を有する。
【０００３】
本発明は、誘電体壁加速器を用いる線型粒子加速器を含む粒子加速器に関する。
【背景技術】
【０００４】
粒子加速器は、例えば電子、陽子、または帯電原子核のような、帯電した原子粒子のエネルギーを増加させるために用いられる。高エネルギー帯電原子粒子が加速されると、ターゲット原子と衝突し、その結果物は検出器を用いて観察される。非常に高いエネルギーにおいて、荷電粒子はターゲット原子または分子の核を破壊し、他粒子と干渉し得る。物質の基本単位の性質および挙動を識別するのに役立つ変換が生じる。粒子加速器はまた、核融合装置を開発する作業および癌治療のための陽子線治療のような医療用途における重要なツールである。
【０００５】
陽子線治療は、主に癌治療において、陽子ビームを用いて病変組織を照射する。陽子ビームを利用することにより、その他タイプの外部ビーム放射線治療と比較して、放射線量を正確に局所化し、ターゲットを絞って人体内を貫通することができる。比較的質量が大きいので、陽子は組織内において側面散乱が比較的小さい。このため陽子ビームは、少量の副作用を周辺組織にもたらすのみで、腫瘍上に集束し続けることができる。
【０００６】
陽子ビームによって組織に照射される放射線量は、粒子範囲の最後の数ミリメートル近傍においてのみ最大となる。これはブラッグピークとして知られている。人体表面により近い腫瘍は、より低いエネルギーを有する陽子を用いて取り扱われる。より深い腫瘍を取り扱うためには、陽子加速器はよりエネルギーが高いビームを生成する必要がある。放射線治療の間に陽子エネルギーを調整することにより、陽子ビームに起因する細胞ダメージは腫瘍自身の内部で最大化される。一方で、腫瘍よりも人体表面に近い組織および腫瘍よりも人体の深い位置にある組織は、より少ないまたは無視できる放射線量を受け取る。
【０００７】
陽子ビーム治療システムは、従来は高価で維持が難しい大型加速器を用いて構築されている。しかし、近年の加速器技術における進歩により、陽子ビーム治療システムのサイズを減少させて単一の治療室内に設置することができるような道が開けている。このようなシステムは、小サイズの陽子治療システムの範囲内で動作し、被験者とシステムオペレータの健康リスクを減少または除去し、拡張機能および特性を提供することができる、新たに設計または再設計したサブシステムを必要とする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の方法および装置は、荷電粒子ビームを、陽子癌治療システムを含む粒子加速システムおよび装置における高周波四重極とカップリングさせることができる。荷電粒子ビームのカップリングは、少なくとも部分的に、高周波四重極の入力フェーズ空間アクセプタンスが入射荷電粒子ビームの角度に対して有する感度に依拠して実現される。ビーム偏向器を交差する第１電界は、荷電粒子ビームが高周波四重極の許容角度を超えた第１軌道を有するようにする。電界を瞬時的に反転または減少させることにより、荷電粒子ビームの狭小部はその初期第１軌道から、高周波四重極の許容角度範囲内の第２起動へ偏向される。
【０００９】
本発明の１側面は、荷電粒子ビームを高周波四重極（ＲＦＱ）とカップリングする方法を含む。同方法は、粒子ビーム偏向器を交差する第１電界を生成するステップを含む。偏向器はＲＦＱの入口に配置され、第１電界は荷電粒子ビームがＲＦＱの許容角度を超える第１軌道を有するようにする。本方法はさらに、所定期間にわたって第２電界を生成するステップを有する。第２電界は、荷電粒子ビームを第１軌道からＲＦＱの許容角度範囲内の第２起動へ偏向させる。これにより荷電粒子ビームをＲＦＱとカップリングする。
【００１０】
本発明の他側面は、荷電粒子ビームを高周波四重極（ＲＦＱ）とカップリングする方法を含む。本方法は、粒子ビーム偏向器を交差する第１電界を生成するステップを含む。偏向器はＲＦＱの入口に配置され、第１電界は荷電粒子ビームをＲＦＱに対してＲＦＱの許容角度範囲内の角度で入射させる。本方法はまた、所定期間にわたって第２電界を生成するステップを含む。第２電界は、荷電粒子ビームをＲＦＱの許容角度を超えた角度に偏向させる。
【００１１】
本発明の他側面は、荷電粒子ビームを高周波四重極（ＲＦＱ）とカップリングする装置を含む。本装置は、粒子ビーム偏向器を交差する第１電界が生成されると荷電粒子ビームをＲＦＱの許容角度を超えた角度に偏向させ、粒子ビーム偏向器を交差する第２電界が生成されると荷電粒子ビームをＲＦＱの許容角度範囲内の角度に偏向させるように構成された、粒子ビーム偏向器を備える。本装置はまた、粒子ビーム偏向器に対して電圧を供給して第１および第２電界を生じさせるように構成された１以上の電圧源を備える。
【００１２】
本発明の他側面は、荷電粒子ビームを高周波四重極（ＲＦＱ）とカップリングする装置を含む。同装置は、粒子ビーム偏向器を交差する第１電界が生成されると荷電粒子ビームをＲＦＱの許容角度範囲内の角度でＲＦＱへ入射させ、粒子ビーム偏向器を交差する第２電界が生成されると荷電粒子ビームをＲＦＱの許容角度を超えた角度に偏向させるように構成された、粒子ビーム偏向器を備える。本装置はまた、粒子ビーム偏向器に対して電圧を供給して第１および第２電界を生じさせるように構成された１以上の電圧源を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に対応する線型粒子加速器のブロック図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態とともに用いることができる誘電体壁加速器の動作を示す。
【図２Ｂ】本発明の実施形態とともに用いることができる誘電体壁加速器の動作を示す。
【図２Ｃ】本発明の実施形態とともに用いることができる誘電体壁加速器の動作を示す。
【図３Ａ】実施例に基づく粒子ビーム偏向器を示す。
【図３Ｂ】図３Ａの粒子ビーム偏向器を交差して生成された第１および第２ＤＣ電圧を示す。
【図４Ａ】本発明の他実施例に基づく粒子ビーム偏向器を示す。
【図４Ｂ】図４Ａの粒子ビーム偏向器を交差して生成された第１および第２ＤＣ電圧を示す。
【図５】本発明の実施例に基づく高周波四重極の角度アクセプタンスのプロットを偏向角の関数として示す。
【図６】本発明の実施例に基づく平行板粒子ビーム偏向器を示す。
【図７】本発明の実施例に基づくタイミングおよび同期部品の一部を示す。
【図８】本発明の他実施例に基づくタイミングおよび同期部品の一部を示す。
【図９】本発明の実施例に基づき荷電粒子ビームを高周波四重極とカップリングするために用いることができる動作例のセットを示す。
【図１０】本発明の他実施例に基づき荷電粒子ビームを高周波四重極とカップリングするために用いることができる動作例のセットを示す。
【図１１】本発明の実施例に基づく高周波四重極隣接サイクルにおける陽子ビーム漏れ（スピルオーバ）の簡易図である。
【図１２】本発明の実施形態の構成要素の動作を制御するために用いることができる装置の簡易図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に対応するため用いることができる線型粒子加速器（ｌｉｎａｃ）１００の簡易図を示す。簡易のため、図１はｌｉｎａｃ１００の一部の構成要素のみを示す。したがって、ｌｉｎａｃ１００は図１には特段示していない他の構成要素を備えることができることを理解されたい。イオン源１０２は、カップリング部品１０４を用いて高周波四重極（ＲＦＱ）１０６とカップリングされる荷電粒子ビームを生成する。カップリング部品１０４は例えば、ＲＦＱ１０６に入力される陽子ビームに対して集束／焦点外し機構を提供する１以上のアインツェルレンズのような構成要素を備えることができる。カップリング部品１０４はまた、荷電粒子ビームをＲＦＱ１０６と選択的にカップリングできるように構成されたビーム偏向機構を備える。偏向機構の詳細については、以下の説明で述べる。ＲＦＱ１０６は、陽子ビームの集束、集群、および加速を提供する。高周波四重極の１構成例は、陽子ビームが通過する小孔を形成する４つの三角形羽根を備える。中央孔における羽根のエッジは、ビームの加速と整形を提供するリップルを有する。羽根はＲＦ励起され、通過するイオンビームを加速し整形する。
【００１５】
図１の例において、ＲＦＱ１０６が出力した荷電粒子ビームは、ビームをさらに加速して出力荷電粒子ビームを生成する誘電体壁加速器（ＤＷＡ）１０８にカップリングされる。この出力荷電粒子ビームは陽子ビーム１１０として示している。図１はまた、Ｂｌｕｍｌｅｉｎデバイス１１２および対応するレーザ１１４を示す。レーザ光を用いてスイッチをトリガしＤＷＡ１０８を制御することにより、これらデバイスを用いて電圧パルスをＤＷＡ１０８に提供する。タイミングおよび制御部品１１６は、必要なタイミングおよび制御信号をｌｉｎａｃ１００の各構成要素に対して提供し、これら構成要素の適切な動作と同期を保障する。
【００１６】
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃは、図１のｌｉｎａｃ１００とともに利用することができる単一ＤＷＡセル１０の動作を示す例示図を提供する。図２Ａ〜２Ｃは、スイッチ１２の状態に関連する時系列を示す。図２Ａ〜２Ｃに示すように、誘電体材料から製造された軸鞘２８は、単一加速器セル１０の内径上に形成され、加速器管の誘電体壁を提供する。システムによっては、ＤＷＡは高傾斜絶縁器（ＨＧＩ）を用いる。これは導体と誘電体を交互に構成するための積層絶縁器である。ＨＧＩは、Ｂｌｕｍｌｅｉｎデバイスによって生成された高電圧に耐えることができる。したがって、加速器管の誘電体壁の適切な候補となる。粒子ビームが加速器管の一端において誘起され、中心軸に沿って加速される。スイッチ１２を接続すると、中央導体板１４は高電圧源によって帯電される。比較的高い誘電係数を有する積層誘電体２０は、導体板１４と１６を分離する。比較的低い誘電係数を有する積層誘電体２２は、導体板１４と１８を分離する。図２Ａ〜２Ｃの例示図において、中央導体板１４は上部導体板１６よりも底部導体板１８に対してより近く配置されている。これにより、異なる間隔と異なる誘電係数の組み合わせが、中央導体板１４の両側面上で同じ特性インピーダンスを生じさせるようにしている。特性インピーダンスは両半体において同じであるとしても、各半体を通過する信号の伝搬速度は同じではない。誘電係数が高い積層誘電体２０はずっと遅い。この相対伝搬速度の差異は、図２Ｂにおける短太矢印２４と長細矢印２５、および図２Ｃにおける長太矢印２６と反射短細矢印２７で示している。システムによっては、Ｂｌｕｍｌｅｉｎデバイスは同じ誘電体を両半体上にスイッチからギャップまでの長さが異なるようにして線型折り畳みした配置を備える。
【００１７】
図２Ａに示すスイッチ１２の第１位置において、両半体は反極性に帯電し、部品の内部長に沿った合計電圧が生じないようにしている。図２Ｂに示すように、ラインが完全に帯電すると、スイッチ１２は単一加速器セルの外径における両ラインの外を交差して閉じる。これにより電圧波２４と２５は内部に向かって伝搬する。これら電圧波は初期電荷の反対極性を伝搬し、各波の跡の合計電圧がゼロとなるようにする。高速波２５がラインの内径に衝突すると、衝突する開回路から反射して戻る。この反射は、波２５の電圧振幅を倍増させ、高速ラインの極性を反転させる。内径における低速ライン上の電圧は、さらにほんの僅かの間、初期電荷レベルと極性を維持する。このようにして、図２Ｂに示すように、波２５が内径に到着した後かつ波２４が内径に到着する前、両ラインの内端上の電界電圧は同じ方向に向けられ、互いに加算する。この電界加算により、ビームを加速するため用いることができるインパルス電界が生成される。しかしこのインパルス電界は、低速波２４が内径に到着し反射したとき、中和される。この低速波２４の反射は、図２Ｃに示すように低速ラインの極性を反転させる。インパルス電界が存在する時間は、電圧波２４と２５が伝搬する距離を増やすことにより、拡大することができる。１つの方法は、単一加速器セルの外径を単純に増やすことである。もう１つのより簡易な方法は、導体板１４、１６、１８の固体ディスクを、内径および／または外径において導体リング間に接続される１以上の螺旋導体と置き換えることである。
【００１８】
複数ＤＷＡセル１０を積層または連続誘電体壁にわたって配置して、様々な加速方法により陽子ビームを加速することができる。例えば、複数ＤＷＡセルを積層し、単一ステージ加速のための単一電圧パルスを生成するように構成することができる。他実施例において、複数ＤＷＡセルを連続配置し、多段加速するように構成することができる。この場合ＤＷＡセルは、個別かつ連続的に、適切な電圧パルスを生成する。この多段ＤＷＡシステムにおいて、スイッチを閉じるタイミング（図２Ａ〜２Ｃに示す）を適切にとることにより、誘電体壁上に生成される電界を任意の所望速度で移動させることができる。具体的には、このような電界の移動は、ＤＷＡに入力される陽子ビームパルスと同期させることができる。これにより、ＤＷＡ軸に沿って伝搬する「伝搬波」と同様の態様で制御して、陽子ビームを加速することができる。これらパルスの時間をできる限り短くすることは有用である。ＤＷＡは短期間の大きな電界パルスに耐えることができるからである。
【００１９】
本実施形態は、ビームパルスを狭くして立ち上がり時間と立ち下がり時間を高速にしつつ、ｌｉｎａｃの各構成要素の適切な同期を維持することにより、荷電粒子ビームをｌｉｎａｃシステム内のＲＦＱへカップリングすることを促す。本実施形態の理解を促すため、イオン源が５〜２０μｓのパルスからなる低エネルギー陽子ビーム（例えば３５ｋｅＶ）を生成し、ＲＦＱが４２５ＭＨｚで動作する、ｌｉｎａｃ構成例を考える。低エネルギー陽子ビームは、イオン源からＲＦＱへの伝搬の一部において１以上のアインツェルレンズで整形することができる。この構成例におけるＲＦＱの標準出力は、５〜１０μｓのマイクロパルス列である。各パルスは時間幅約２００〜５００ｐｓであり、パルス列内の他パルスから１ＲＦ周期（すなわち４２５ＭＨｚ動作周期の場合は２．３５ｎｓ）だけ分離されている。
【００２０】
実施形態に基づき、イオン源によって生成された陽子ビームの狭小部は、ＲＦＱにカップリングされる。具体的には、本実施形態はＲＦＱの入口に配置されたビーム偏向器（キッカーとも呼ぶ）を利用する。これによりＲＦＱは、単一ＲＦサイクル（または周期）の期間にわたって、短陽子ビームで満たされる。偏向された陽子パルスの立ち上がり時間および立ち下がり時間を十分に小さくして、ＲＦＱに入射されるビームがＲＦサイクル全体を実質的に満たすようにしつつ、隣接ＲＦサイクルへの広がりを最小化する。ＲＦＱによって陽子ビームを伝搬、加速、集群させるため、ビームはＲＦＱの入力アクセプタンスに合致する必要がある。このアクセプタンスは、空間、モーメント、および／または角度座標を有する位相空間において特徴づけることができる。本実施形態のビーム偏向方法および機構は、ＲＦＱが有する、入力ビームの角度に対する入力位相空間アクセプタンスの感度を部分的に利用することにより、連続低エネルギービーム（または長いパルス幅を有するパルスビーム）を切断することを促す。
【００２１】
連続ビームから一部を切断することは通常、イオン源と目標地点との間に配置された１以上の偏向板と物理開口を用いてなされる。この場合の目標地点はＲＦＱの入口である。この技術は、最終開口の物理境界を空間アクセプタンスとして用い、時間的に選択したビームを規定する。この技術の１つの課題は、低エネルギービーム（例えば３５ｋｅＶビーム）が偏向板を交差して伝搬する時間が所望パルス幅（例えば４２５ＭＨｚで動作するＲＦＱについては２．３５ｎｓ）に近接するかまたはこれよりも大きいことである。これらシステムにおいて、イオン源からＲＦＱまでのビーム伝搬も、アインツェルレンズを通過して集束する。この伝搬メカニズムにより、伝搬時間（数ナノ秒のオーダ）がさらに拡散する。これは例えば、アインツェルレンズによってもたらされた経路長差異に起因する。このように、偏向板に対して印加される完全平方電圧パルスであっても、偏向板を介して概ね陽子伝搬時間にまで至る偏向を生じさせる。したがってこのような構成は、意図したパルス動作においてＲＦＱに対する最大伝搬を得ることができない。
【００２２】
上記課題は、長さが陽子速度とＲＦＱ周期の積算よりも短いかまたはこれに近いビーム偏向器をＲＦＱ入口に配置することにより、緩和することができる。このビーム偏向器は、第１ＤＣバイアスレベルで動作するように構成されている。第１ＤＣバイアスレベルに起因して生成される電界は、陽子を偏向してその軌道を変更し、変更された軌道がＲＦＱの許容角度を超えた角度となるようにする。これら条件の下（例えばデフォルト条件）において、陽子ビームはＲＦＱにカップリングされない。しかし、第１ＤＣバイアスレベルの反対極性のインパルス電圧をビーム偏向器に対して印加することにより、狭小陽子パルスを生成し、ＲＦＱに向けることができる（すなわち、ＲＦＱの許容角度範囲内の角度で）。印加されるパルスは、ビーム偏向器を交差する電界を瞬時的に変更し、これにより陽子ビームはＲＦＱにカップリングされる。
【００２３】
図３Ａと３Ｂ（まとめて図３と呼ぶ）は、本実施形態に基づくビーム偏向器３０４の動作を概略的に示す。ビーム偏向器３０４は、ＲＦＱ３０６の入口開口に配置され、陽子ビーム３０２がビーム偏向器３０４を通過するように構成されている。ビーム偏向器３０４は例えば、ＤＣ電圧源に接続された２つの平行板を備えることができる。陽子ビーム３０２は、ビーム偏向器を交差する電界が存在しない場合（例えばＤＣ電圧値がゼロ）、ＲＦＱ３０６に入射すると陽子ビーム初期経路３１０を伝搬する。図３の実施例において、第１ＤＣ電圧値３１２がビーム偏向器３０４に対して印加され、ビーム偏向器３０４板を交差する第１電位差を生じさせる。第１ＤＣ電圧値３１２によってビーム偏向器３０４を交差して生成される電界は、陽子ビームがＲＦＱ３０６の角度アクセプタンスを超えた第１軌道を有するようにする。この第１軌道は、陽子ビーム初期経路３１０からの偏向と考えることができる。これは図３Ａにおいて符号１、５、６を付した陽子ビームの一部によって示されており、これらはＤＣ角度偏向経路３０８に沿っている。この結果、ビーム偏向器３０４が第１ＤＣ電圧値３１２によってバイアスされると、陽子ビーム３０２はＲＦＱ３０６によって受信されず、ＲＦＱ３０６を通過する。
【００２４】
ビーム偏向器３０４に対して負パルスを印加すると、ビーム偏向器３０４を交差する電圧は、第２電圧値３１４まで瞬時的に減少する。これによりビーム偏向器３０４を交差する電界が消滅（または減少）する。その結果、陽子ビーム３０２は、負パルス期間の間、陽子ビーム初期経路３１０に沿って伝搬し、第２軌道および角度（第１軌道および角度とは異なる）でＲＦＱ３０６に入射する。これはＲＦＱ３０６の許容角度範囲内である。この動作は、図３Ａにおいて符号２、３、４を付した陽子ビームの一部によって示されており、これらは陽子ビーム初期経路３１０に沿っている。陽子ビームは、負電圧パルスが印加されたとき、正確に陽子ビーム初期経路３１０に沿う必要はないことに留意されたい。実際、陽子ビーム３０２がＲＦＱ３０６の許容角度範囲内の角度において偏向する限り、陽子はＲＦＱ３０６を介して伝搬することができる。
【００２５】
１実施例において、第１ＤＣ電圧値３１２は正電圧値であり、第２電圧値３１４は０である。上記例の変形例において、第２電圧値３１４は第１ＤＣ電圧値３１２よりも小さい正電圧値である。さらに別の変形例において、第２電圧値３１４は負電圧値である。他実施例において、第１ＤＣ電圧３１２は負値であり、第２電圧値３１４の絶対値は第１ＤＣ電圧値３１２の絶対値よりも小さい。他実施例において、第１ＤＣ電圧値はゼロまたはゼロ近傍であり、これにより陽子ビームがＲＦＱの許容角度外の軌道を有するようにし、第２電圧値はゼロでない値であり、これにより陽子ビームがＲＦＱの許容角度範囲内の軌道を有するようにする。ゼロ値（またはゼロ値近傍）電圧源によって生成された電界は、ゼロ値（またはゼロ値近傍）電界である。
【００２６】
図３Ｂに示すように、短インパルスキック電圧を用いることにより、インパルス時点における偏向板間の全陽子は、同じ横向きキックを受け取り、キックされた陽子の時間幅は板長を陽子速度によって除算したものである。インパルス期間は、ＲＦＱの１周期より短くてもよい。例えば１実施例において、インパルス期間はＲＦＱ周期より１振幅オーダ以下だけ短くてもよい。他実施例において、インパルス期間はＲＦＱ周期より１以上の振幅オーダだけ短くてもよい。パルス期間は、キック効率を僅かに減少させて長くしてもよい（例えばＲＦＱ周期に近くなる程度に）。１実施例において、容易に得られる高電圧パルサを用いて、インパルス期間を２．４〜４．４ｎｓにし、立ち上がり時間と立ち下がり時間を約２００ｐｓにする。この電圧パルス幅における陽子パルス期間（すなわち「キックされた」陽子または陽子「集群」）は、電圧パルス幅と偏向板長さの畳み込みを陽子速度で除算することによって与えられる。狭小陽子パルス幅を維持するため、偏向板はＲＦＱ入口直前に配置される。このように、ＲＦＱの角度アクセプタンスは、イオン源とＲＦＱとの間の物理開口を必要とせずに、ＲＦＱによって加速されるビームを規定する。ＲＦＱ入口の直前にビーム偏向器を配置することにより、ＲＦＱにカップリングされる全陽子軌道の経路長差異は、数ピコ秒のオーダとなる。これは、ビーム偏向器とＲＦＱ入口が近接し、この領域における陽子速度が均一であることによる。図３の構成例は、少なくとも２〜２．５ｎｓの時間レンジで陽子パルスを生成することができる。先述のように、４２５ＭＨｚで動作するＲＦＱのサイクルは２．３５ｎｓである。
【００２７】
図３または図４Ａと４Ｂ（まとめて図４と呼ぶ）に示すビーム偏向システムの構成例のその他要素は、単にビーム偏向器へ電圧を印加しないことにより、ｌｉｎａｃの標準動作（すなわちビーム偏向機構がない）が維持できることである。このシナリオにおいて、陽子ビームはまったく偏向されず、したがってＲＦＱに対する初期軌道を伝搬する。
【００２８】
実施例によっては、図３または４に示す電圧パターンとは反対のものが用いられる。具体的には、このような反転電圧パターンは、ゼロ近傍の第１ＤＣバイアスレベルを含むことができる。これを用いて、公称動作またはデフォルト動作の間に、陽子ビームをＲＦＱに受信させることができる。この動作例や実施形態において、任意数のパルスをビーム偏向器に対して印加して、荷電粒子ビームをＲＦＱの許容角度外へ偏向することができる。この反転パターンは、ノッチパターンまたはノッチ構成と呼ばれる。
【００２９】
図４に示す他実施例において、ビーム直径をビーム偏向器３０４内およびＲＦＱ３０６入口において小さく維持するため、ビーム偏向器３０４とＲＦＱ３０６入口との間にアインツェルレンズ４０２が配置されている。１実施例において、アインツェルレンズ４０２は「Ａｃｃｅｌ−Ｄｅｃｅｌ」タイプ（例えば有電力電極負極性）であり、ビームのフォーカス外しと集束を提供する。陽子ビームはレンズ４０２を通して小さく維持されるので、レンズによってもたらされる経路差も小さい（例えば約１００ｐｓのオーダ）。レンズ４２０を含む構成において、ＲＦＱのｏｆｆ状態に対応する第１印加ＤＣ電圧値３１２を調整し、および／またはレンズ４０２の位置を良好に調整して、ｏｆｆ状態に関連する陽子がＲＦＱ３０６入口面へＲＦＱ３０６の許容角度を超えた角度で確実に到達するようにする必要がある。
【００３０】
図５は、ＲＦＱによる陽子ビームの相対アクセプタンスを陽子ビームの偏向角度の関数としてプロットした例である。図５のプロットは、ＲＦＱ構成例について生成した。図５のプロットは、偏向角度が０から約１５０ｍｒａｄｉａｎへ移動するのにともない、ＲＦＱ入口における陽子ビームの相対アクセプタンス（すなわち、特定の偏向角度における陽子ビームの比をゼロ偏向角度における陽子ビームによって除算したもの）が１（すなわち１００％アクセプタンス）から０へ移動することを示す。偏向角度が約１５０ｍｒａｄｉａｎ超に増加すると、相対アクセプタンスはゼロのままである。図５のプロットから明らかであるように、ＲＦＱアクセプタンスはビーム偏向器による偏向角度に対して非常に敏感である。このように、小さな角度偏向（例えば１５０ｍｒａｄｉａｎ超）であっても、陽子ビームがＲＦＱによって受信されない（および加速されない）ようにすることができる。図５のプロットは説明目的であることに留意されたい。このようにＲＦＱの許容角度は、ｌｉｎａｃ構成要素と陽子ビームの特定の構成に依拠して、図５に示すものとは異なる角度に広がり、または異なる下降特性を示す場合がある。また、ＲＦＱの許容角度はＸＹ方向において同じである場合もあるし異なる場合もある（ＸＹ方向はＲＦＱ位相空間に対して定義される）ことに留意されたい。
【００３１】
特定の実施形態に基づきビーム偏向器に対して印加される「キック」の長さは、所望の陽子パルス長（例えば４２５ＭＨｚ動作周波数に対応する２．３５ｎｓ）と略等しくなるように選択される。最適シナリオにおいて、キック電圧は、低エネルギー陽子速度に所望パルス長を乗算したものと等しい長さの板に対して印加されるインパルス（陽子が偏向板を通過して移動する時間に対して短い）である。したがって、ビーム偏向板間の全陽子は同じキックを受け取り、ＲＦＱアクセプタンスと最適に合致して伝搬が最大となり隣接ＲＦＱサイクルへの拡散が最小となる。しかし、インパルス生成技術の制約により、真に高電圧のインパルスを生成することは実現できない。例えば、商用入手可能な技術において、約５００ｐｓの半値全幅（ＦＷＨＭ）パルスは容易に生成できるが、ユニットコストが高い。しかし本実施形態は、より狭いＦＷＨＭの高電圧インパルスを生成できる将来のシステムに対して適用できることが分かる。この最適インパルスキックは、以下に説明する偏向板の末端（またはエッジ）電界を最小化することも必要とする。
【００３２】
本出願のビーム偏向システムを設計するに当たり、末端（またはエッジ）電界効果について検討する。具体的には、偏向板のエッジにおける電界強度は、偏向板中心における電界強度とは異なる場合がある。この電界不均一により、エッジ電界内に存在する陽子が板中心におけるものよりも弱いキックを受け取ると、不均一なキックが生じる場合がある。その結果、偏向の立ち上がり時間がさらに増大する。１実施例に基づき、偏向板間の分離幅を狭くすることにより、このエッジ効果を減少させる。他実施例において、偏向板を整形して電界不均一を減少させ、上部平坦形状に似たビームプロファイルを生成することにより、エッジ効果が緩和される。後者の例において、偏向板を整形して、平行板構成の電界内に存在する不均一性を補償する（例えば無効化する）不均一電界効果を生成する。
【００３３】
電圧パルスの立ち上がり時間を維持するため、パルス生成器のインピーダンスに合致した同軸ケーブルまたはストリップライン伝送線を用いて、電圧をビーム偏向板に供給することができる。さらにビーム偏向器の板を伝送線に合致させ、ＤＣブロックをインピーダンス整合させることができる。
【００３４】
図６は、本発明の実施例に基づくビーム偏向器６００の構成例を示す。ビーム偏向器６００の構成は正確なサイズで記載しているものではなく、図６の概略例において記載していない追加要素またはより少ない要素を備える場合もある。図６は、ギャップ６０８によって分離された２つの平行キック板６０２と６０４を示す。１実施例において両キック板は同じ厚さを有するが、一般的な構成においては、上部キック板厚さＴ１  ６１０は下部キック板厚さＴ２  ６１２とは異なっていてもよい。各キック板６０２はさらに、板長６０６と板領域（図示せず）によって特徴づけられる。図６に例示するビーム偏向器６００はさらに、キャパシタ６１４および６１６、上部同軸線６２８と下部同軸線６１８を備える。これら同軸線は、上部キック板６０２と下部キック板６０４に対してそれぞれ高電圧パルス生成器に対する接続を提供する。上部キック板６０２と下部キック板６０４に近いブロックキャパシタ６１４と６１６の配置により、パルス生成器が生成するＲＦパルスの形状を維持する。パルス電圧は通常、板において倍増する。キック構造は同軸線にとって負荷が非常に小さいからである。ビーム偏向器６００に対するバイアス電圧は、上部ＤＣバイアス電圧線６２０と下部ＤＣバイアス線６２４を介して供給される。これらバイアス線は、抵抗器および／またはインダクタ６２２、６２６を介してビーム偏向板６０２、６０４とそれぞれ接続される。
【００３５】
１実施例において、以下の特性を有するビーム偏向器６００について考える：板長６０６＝８ｍｍ、ギャップ６０８＝９ｍｍ、キック板面積＝１６０ｍｍ２、上部キック板厚さＴ１  ６１０および下部キック板厚さＴ２  ６１２＝５．７ｍｍ、キャパシタ６１４および６１６＝６８０ｐＦ、抵抗器／インダクタ６２２および６２６＝１．５ＭΩ。上記ビーム偏向器６００の構成例は、＋６．２ｋＶと−６．２ｋＶがそれぞれ上部ＤＣバイアス線６２４と下部ＤＣバイアス線６２０に供給され、＋３．７ｋＶと−３．７ｋＶの２．５ｎｓ（または４ｎｓ）のパルスがそれぞれ上部同軸線６２８と下部同軸線６１８に供給されると、立ち上がり時間と立ち下がり時間が５００ｐｓ以下で幅約２．３５ｎｓの分割した陽子ビームを生成することができる。１以上のＤＣ電圧源および１以上のパルス生成器を用いて、ＤＣおよびパルス電圧を供給することができる。上述の値は製造者および製造上の公差に影響されることに留意されたい。さらに他実施形態において、上述の原理に基づき、異なる構成値およびサイズを有するビーム偏向器を考えることもできる。例えば実施形態によっては、ビーム偏向器の構成は、２〜４．７ｎｓの幅を有する分割した粒子ビームを生成することができる。
【００３６】
ｌｉｎａｃの各構成要素間の同期は、出力陽子ビームを適切に生成し制御するための重要な要因である。図１のｌｉｎａｃ構成例の前提において、このような複数要素間の同期動作を維持する必要がある。これはイオン源１０２、ＲＦＱ１０６、多段ＤＷＡ１０８を含む。具体的には、多段ＤＷＡ内で陽子ビーム（または陽子集群）を加速するためには、少なくともＲＦＱおよびビーム偏向器動作と同期したＢｌｕｍｌｅｉｎｓデバイスと関連するレーザを順に帯電および放電することが必要である。図１において、タイミングおよび制御部品１１６は、ｌｉｎａｃ１００構成要素にとって必要なタイミングと同期制御を提供する。
【００３７】
図７は、Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ＳｙｓｔｅｍｓのＤＧ６４５  デジタル遅延／パルス生成器のハイレベルブロック図を示す。これを用いて、少なくとも部分的に、ｌｉｎａｃのタイミング同期信号を生成することができる。ＤＧ６４５は、正確に定義されたパルスを１０ＭＨｚまでの繰り返しレートで提供する汎用遅延／パルス生成器である。ＤＧ６４５はまた、５ｐｓ解像度で０〜２０００ｓのデジタル遅延を生成することができる。図７に示すように、４２５ＭＨｚ周波数信号（すなわちＲＦＱのＲＦ動作周波数）は１６で除算され、外部トリガとして用いられる。ＤＧ６４５は５つの前面出力：Ｔ０、ＡＢ、ＣＤ、ＥＦ、ＧＨを有する。Ｔ０はＲＦＱゲート信号およびイオン源トリガとして動作するために用いられ、トリガ信号を２６５６２５０で除算することにより生成される。ＡＢ、ＣＤ、ＥＦ、ＧＨは全て、２Ｈｚ信号である。これら信号を用いて、陽子キッカ、任意波形生成器（ＡＷＧ）、ポッケルスセルパルサ（Ｋｅｎｔｅｃｈ  ＰＳＰ１  パルサ）、フラッシュランプのためのトリガをそれぞれ提供することができる。ＡＷＧ、ＰＳＰ１、フラッシュランプは、Ｂｌｕｍｌｅｉｎｓデバイスに関連するＱスイッチレーザを動作させるために用いられる。
【００３８】
ＤＧ６４５は、１００〜２００ｐｓのタイミングジッタを有する。１実施形態において、トリガ信号のジッタ性能は、ゲートメカニズムを利用することにより改善される。図８は、ＤＧ６４５デジタル遅延／パルス生成器を利用する低ジッタタイミングシステムの他実施例に基づくハイレベルブロック図を示す。図８に示す実施例のマスタ発振器部において、１０６．２５ＭＨｚ信号は４で除算され、２６．５６２５ＭＨｚ周波数信号（すなわち、ＲＦＱのＲＦ動作周波数の１／１６）を外部トリガとして提供する。１０６．２５ＭＨｚ信号はまた、４を乗算して、ＲＦＱの４２５ＭＨｚ動作周波数を提供する。図において、ＡＢ、ＣＤ、ＥＦを用いて、正確トリガを生成する２６．５６２５ＭＨｚをゲーティングする。得られるトリガは、入力トリガ自身を用いるＲＦゲーティングのため、ＲＦ信号に対して測定不能な程度（例えば５ｐｓ以下）のジッタを有する。ＲＦゲートの後、ＡＢ、ＣＤ、ＥＦに対応するＲＦゲートの出力は増幅され（ａｍｐ）、その後にアナログ遅延ラインが続く。アナログ遅延は低ジッタを維持し、ＡＷＧ、ＰＳＰ１、陽子キッカに対してトリガを提供する。図８に示すように、陽子キッカは正負キッカインパルスによって提供することができる。フラッシュランプトリガは、ＧＨによって提供される。
【００３９】
１実施形態において、図１のタイミングおよび制御部品１１６は、図７と８に示す特定のタイミング信号を利用し、ｌｉｎａｃ１００構成要素を４２５ＭＨｚクロックで同期させる。イオン源がｏｎになり安定化すると、ビーム偏向器またはキッカは、ＲＦＱにカップリングされた陽子ビームの一部を切断する。ＲＦＱは充填し安定化するため約１０μｓを必要とする。ＲＦＱを通過する移動時間は約３００ｎｓであり、ＲＦＱが出力するイオンパルスは約２００ｐｓの長さである。ＤＷＡは、レーザ駆動陽子スイッチを用いてＢｌｕｍｌｅｉｎｓデバイスを順に帯電および放電することによりエネルギー供給される。これは次に陽子パルスを加速し、ＤＷＡの中央空洞へ伝搬させる。本実施形態によれば、陽子パルスがＤＷＡに到着するタイミングと陽子スイッチを駆動するレーザパルスは、２０ｐｓ以内で同期化される。さらにキッカトリガ信号は、レーザトリガ信号の数１００ｎｓ以内でアクティブになり、ジッタは２０ｐｓ以下である。
【００４０】
図９は、動作例セット９００を示す。１実施例に基づきこれを実施することにより、荷電粒子ビームをＲＦＱとカップリングすることができる。ステップ９０２において、ビーム偏向器を交差する第１電界が生成され、荷電粒子ビームをＲＦＱの許容角度を超えた角度で偏向する。第１電界は例えば、ビーム偏向器板を交差する電圧差を生じさせることにより生成することができる。ステップ９０４において、第２電界が所定期間にわたって生成され、荷電粒子ビームをＲＦＱの許容角度範囲内の角度で偏向させる。第２電界は例えば、ビーム偏向板を交差する既存電圧差の反対極性のピーク電圧値を有する電圧パルスを印加することにより生成することができる。結果、荷電粒子ビームの一部は、ＲＦＱの角度アクセプタンスに基づきＲＦＱ入力にカップリングされる。ＲＦＱの角度アクセプタンスに依拠して、ＲＦＱの空間アクセプタンスとは対照に、エッジを不鮮明にしてＲＦＱに入力されるビームの立ち上がり／立ち下がり時間を増大させる物理開口を利用することなく、荷電粒子ビームをＲＦＱにカップリングすることができる。
【００４１】
１実施例において、上述の動作セットは、粒子ビーム偏向器の一部として２つの実質的に平行な板を用いるステップ、荷電粒子ビームが２つの実質的に平行な板を通過して伝搬するように同平行板を構成するステップ、板を交差する第１電圧差を生じさせて第１電界を生成するステップ、を含む。この実施例はまた、第１電圧差とは反対極性の第２電圧値の電圧パルスを印加して第２電界を生成するステップを含むこともできる。さらに、第２電圧値の絶対値は、以下のいずれか１つを選択することができる：第１電圧差の絶対値より小さい値；第１電圧差の絶対値に等しい値；第１電圧差の絶対値よりも大きい値。
【００４２】
他実施形態によれば、カップリングされた荷電粒子ビームの時間幅は、ＲＦＱの動作周波数の１周期と実質的に等しい。第１電圧差とは反対極性の第２電圧値の電圧パルスを印加することにより第２電界が生成される本実施例において、電圧パルスの時間幅は２〜４．７ナノ秒とすることができ、ＲＦＱは４２５ＭＨｚで動作する。１実施例によれば、荷電粒子ビームは陽子ビームである。
【００４３】
他実施例において、粒子ビーム偏向器は、第１および第２電界の一方または双方の不均一性を減少させるように構成されている。例えば粒子ビーム偏向器は、荷電粒子ビームが通過して伝搬するように構成された２つの板を備えることができる。第１電界は板を交差する第１電圧差を生じさせることにより生成され、第２電界は板を交差する第２電圧差を生じさせることにより生成される。この例において、少なくとも１つの板は、第１および／または第２電界の不均一性を減少させるように調整された不均一面領域を備えることができる。
【００４４】
さらに別実施例において、粒子ビーム偏向器とＲＦＱに入口の間に配置されたレンズを用いて、ＲＦＱの許容角度範囲内で偏向された荷電粒子ビームを集束させることができる。他実施形態において、タイミング同期は、少なくともイオン源、ＲＦＱ、誘電体壁加速器（ＤＷＡ）、Ｂｌｕｍｌｅｉｎデバイス、およびレーザの動作で維持される。
【００４５】
さらに別実施形態において、荷電粒子ビームを高周波四重極（ＲＦＱ）へカップリングするデバイスを提供する。このデバイスは、当該粒子ビーム偏向器を交差する第１電界が生成されると荷電粒子ビームをＲＦＱの許容角度を超えた角度で偏向させるように構成された粒子ビーム偏向器を備える。粒子ビーム偏向器はさらに、当該粒子ビーム偏向器を交差する第２電界が生成されると荷電粒子ビームをＲＦＱの許容角度範囲内の角度で偏向させるように構成されている。上述のデバイスはまた、粒子ビーム偏向器に対して電圧を供給して第１および第２電界を生じさせるように構成された１以上の電圧源を備える。
【００４６】
１実施例において、上述のデバイス内の１以上の電圧源は、粒子ビーム偏向器に対して電圧を供給して第１電界を生成するように構成された少なくとも１つの直流（ＤＣ）電圧源と、粒子ビーム偏向器に対して所定時間幅の１以上のパルスを供給して第２電界を生成するように構成されたパルス生成器と、を備える。
【００４７】
図１０は、動作例セット１０００を示す。別実施例に基づきこれを実施することにより、荷電粒子ビームをＲＦＱにカップリングすることができる。ステップ１００２において、ビーム偏向器を交差する第１電界が生成され、荷電粒子ビームをＲＦＱの許容角度範囲内の角度で偏向させる。例えば第１電界は、ビーム偏向板を交差する０に近いまたは０の電圧差を生じさせることにより生成することができる。ステップ１００４において、第２電界が所定期間にわたって生成され、荷電粒子ビームをＲＦＱの許容角度を超えた角度で偏向させる。第２電界は例えば、１以上の電圧パルスを印加することにより生成することができる。この電圧パルスは、特定期間にわたって正負ピーク電圧値を有し、これにより荷電粒子ビームが瞬時的にＲＦＱの許容角度外へ偏向される場合がある。
【００４８】
実施形態によっては、１以上の別偏向メカニズム（例えば偏向板）をキッカの１側面または両側面に配置して、荷電粒子ビームの偏向を促すことができる。例えば図３において、第１ＤＣ電圧値３１２でバイアスされた別の平行板セットを、図示するビーム偏向器３０４の左側面に配置して、ビームをＲＦＱの許容角度範囲外の角度で偏向することができる。この実施例において、キッカ板に印加される電圧パルスは、荷電粒子ビームをＲＦＱの許容角度範囲内の角度で偏向させることができる。これに加えてまたはこれに代えて、第２板セットをキッカ板とＲＦＱとの間に配置して、単独で、または第１平行板セットおよび／またはキッカ板と連動して、粒子ビーム偏向を促すことができる。
【００４９】
特定の構成において、ＲＦＱが受け取る陽子ビームは、隣接ＲＦＱサイクルにカップリングされた陽子を含む場合がある。この現象は、「スピルオーバ」と呼ばれる場合がある。アプリケーションによっては、スピルオーバによりパルス前およびパルス後に陽子が存在することは許容範囲である。したがって、例えば既存の技術レベルおよび／または実装コストによれば特定の時間幅の単一陽子集群を生成することが不可能な実施形態においては、ビーム偏向部品と関連するパラメータを設計して、ある程度のスピルオーバを許容することもできる。さらに、技術レベルまたはコストによらず、隣接ＲＦＱサイクルへのスピルオーバを許容し得るアプリケーションにおいて、スピルオーバの割合を他の調整可能パラメータとして用いて、陽子ビームをＲＦＱへ適切にカップリングすることを促すことができる。図１１は、中央ＲＦＱサイクル（例えば２６５ＭＨｚ動作周波数においては２．３５ｎｓ）内に６５％の陽子電荷が含まれ、各隣接サイクルにおいて約１５％のスピルオーバが存在する、実施例を示す。他実施例において、スピルオーバは図１１に示すものよりも少ないまたはより多い隣接サイクルに広がっていてもよい。
【００５０】
本発明の様々な実施形態は、個別または一体的に、様々なハードウェアおよび／またはソフトウェアーモジュールと構成要素を備えるデバイス内に実装できることを理解されたい。実施形態の記載において、分離した構成要素が１以上の動作を実施するように構成されていることを示した。しかし、２以上の上記構成要素を組み合わせ、および／または各構成要素が図示していないサブ構成要素を備えてもよいことを理解されたい。さらに、図９と１０においてフローチャート形式で記載した動作は、各実施形態の動作を実施する別のステップを含むことができる。
【００５１】
実施例によっては、本出願において記載したデバイスは、互いに通信可能に接続されたプロセッサ、メモリ部、インターフェースを備えることができる。例えば図１２は、図１のタイミングおよび制御部品１１６の一部として利用することができ、または図１の１以上の構成要素と通信可能に接続することができる、デバイス１２００のブロック図を示す。デバイス１２００は、少なくとも１つのプロセッサ１２０２および／またはコントローラ、プロセッサ１２０２と通信する少なくとも１つのメモリ部１２０４、通信リンク１２０８を介して他の構成要素、デバイス、データベース、ネットワークと直接的または間接的にデータと情報を交換することを可能にする少なくとも１つの通信部１２０６、を備える。通信部１２０６は、１以上の通信プロトコルに基づき、有線および／または無線通信能力を提供することができる。したがって、適切な送信／受信アンテナ、回路、ポートとともに、データその他の情報を適切に送信および／または受信するために必要になるエンコード／デコード機能を備えることができる。
【００５２】
本開示の各実施形態は、全体として方法またはプロセスの前提で説明した。これは１実施形態において、コンピュータ読取可能媒体内に格納されたコンピュータプログラム製品により実装することができる。これは例えばネットワーク環境においてコンピュータが実行するプログラムコードのようなコンピュータ実行可能命令を含む。コンピュータ読取可能記憶媒体は、リムーバブルおよびノンリムーバブル記憶デバイスを含む。これは、限定するものではないが、Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ（ＲＯＭ）、Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ（ＲＡＭ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ（ＤＶＤ）、Ｂｌｕ−ｒａｙ  Ｄｉｓｃ、などを含む。したがって、本出願において記載するコンピュータ読取可能媒体は、不揮発記憶媒体を含む。一般にプログラムモジュールは、特定のタスクを実施し、または特定の抽象データ型を実装する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造、などを含むことができる。コンピュータ実行可能命令、関連するデータ構造、プログラムモジュールは、本実施形態のステップを実行するプログラムコードの例を表すものである。この実行可能命令の特定シーケンスまたは関連するデータ構造は、そのステップまたはプロセスにおいて記述された機能を実装する対応動作の例を表すものである。
【００５３】
以上の実施形態の説明は、図示と説明目的で提示したものである。以上の説明は、本発明の実施形態を、説明した事項そのものに限定することを意図するものではない。上述の教示または各実施形態を実施する際に得られる事項にしたがって修正または変形が可能である。本実施形態は、各実施形態およびその実アプリケーションの原理と性質を説明し、当業者が本発明を各実施形態において特定の利用形態に適した様々な変形とともに利用できるようにするために選択され記載されたものである。例えば、実施例は陽子ビームの前提で説明したが、本原理は他の荷電粒子ビームへ適用できることを理解されたい。さらに、特定の実施形態に基づき実施される非常に短い荷電粒子パルスは、放射線癌治療、球状核物質検出プローブ、またはプラズマ圧縮もしくは加速設備に至る、様々なアプリケーションにおいて用いることができる。本実施形態の特性は、全ての可能な方法、装置、モジュール、システム、コンピュータプログラム製品の組み合わせと組み合わせることができる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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