"サブナノ秒単一イオンビームパルスを供給する装置であって、イオン源と、電極を備えた高周波四重極線形加速器と、高周波交流電流を前記電極に印加する電源と、前記イオン源から前記加速器にイオンを入射させて、一度に単一サブナノ秒出力ビームパルスのみを前記加速器によって供給させる入射装置と、を備える、装置。請求項1に記載の装置であって、前記入射装置は、前記交流RF電流の実質的に少なくとも1つの単一サイクル中にのみ前記イオン源から前記加速器にイオンを入射させる、装置。請求項2に記載の装置であって、前記イオン源はイオンビームを供給し、前記入射装置は、前記イオン源からのイオンビームのイオンを前記加速器外に偏向させる偏向メカニズムと、前記偏向メカニズムが、所定の時間間隔内の前記交流RF電流の実質的に前記少なくとも1つの単一サイクル中にのみ前記イオンビームのイオンを前記加速器外に偏向させないように、前記偏向メカニズムを制御する回路と、を備える、装置。請求項3に記載の装置であって、前記入射装置は、前記イオン源から前記加速器に時間間隔を空けて間欠的にイオンを入射して、前記加速器によって、時間的に離間されたサブナノ秒出力ビームパルスの列を供給させる、装置。請求項4に記載の装置であって、前記電源は高周波交流電流を前記電極へ連続的に印加し、前記回路は、前記偏向メカニズムが前記交流RF電流の個々のサイクル中にのみ前記加速器外に前記イオンビームのイオンを偏向させないように、前記偏向メカニズムを制御する、装置。請求項4に記載の装置であって、前記偏向メカニズムは、繰り返し周波数で周期的に発生する前記交流RF電流の個々のサイクル中に前記加速器外に前記イオンビームのイオンを偏向させず、前記加速器によって、前記繰り返し周波数でサブナノ秒出力ビームパルスの前記列を供給させる、装置。請求項3に記載の装置であって、前記偏向メカニズムは、一対の導電性偏向プレートを備え、前記回路は、前記加速器外に前記イオンビームのイオンを偏向させるために、前記プレートにDC電圧を印加する、装置。請求項7に記載の装置であって、前記電源は、前記交流電流のサイクルのタイミングを制御するクロックを備え、前記回路は、前記クロックからの信号に応答して、前記交流電流の前記単一サイクル中に前記DC電圧を打ち消すために前記一対の導電性偏向プレートに前記DC電圧の反対の電圧を印加する、装置。請求項4に記載の装置であって、前記電源は、周期的に発生する個々の時間間隔中にのみ高周波交流電流を前記電極へ印加し、前記回路は、前記偏向メカニズムが前記周期的な時間間隔の各々の間の実質的に単一サイクル中にのみ前記加速器外に前記イオンビームのイオンを偏向させないように、前記偏向メカニズムを制御する、装置。請求項2に記載の装置であって、前記入射装置は、前記交流電流の実質的に前記単一サイクル中にのみ前記イオン源から前記加速器にイオンを入射させるように、前記電源からの前記高周波交流電流と同期して動作する、装置。請求項10に記載の装置であって、前記電源はクロックを備え、前記入射装置は前記クロックと同期して動作する、装置。請求項1に記載の装置であって、前記加速器は、400ピコ秒未満のパルス幅の単一パルスを供給する、装置。請求項1に記載の装置であって、前記加速器は、300ピコ秒未満のパルス幅の単一パルスを供給する、装置。請求項1に記載の装置であって、前記加速器の電極は、マッチング段、成形段、バンチング段、および、加速段、の4つの段を備え、前記段は、前記加速器を通る前記イオンのバンチングを引き起こして、300ピコ秒未満の幅の単一出力ビームパルスを供給する、装置。請求項14に記載の装置であって、前記加速段は、入力端および出力端を有し、前記加速器の前記加速段のベーン変調が、前記入力端から前記出力端まで増加している、装置。請求項1に記載の装置であって、さらに、前記イオン源から前記加速器にイオンを輸送するために前記イオン源および前記加速器の間に配置された低エネルギビーム輸送部を備え、前記ビーム輸送部は、接地電位にある電極によって互いに分離された2つの正バイアス電極を備える、装置。請求項1に記載の装置であって、さらに、前記イオン源から前記加速器にイオンを輸送するために前記イオン源および前記加速器の間に配置された低エネルギビーム輸送部を備え、前記ビーム輸送部は、前記加速器内に前記ビームを輸送および集束するためにバイアス電極または磁石を備える、装置。イオン源と、電極を備えた高周波四重極線形加速器とを備える装置によって、サブナノ秒単一イオンビームパルスを供給するための方法であって、高周波交流電流を前記電極に印加する工程と、前記イオン源から前記加速器にイオンを入射させて、一度に単一サブナノ秒出力ビームパルスのみを前記加速器によって供給させる工程と、を備える、方法。請求項18に記載の方法であって、前記入射工程は、前記交流RF電流の実質的に少なくとも1つの単一サイクル中にのみ前記イオン源から前記加速器にイオンを入射させる、方法。請求項19に記載の方法であって、前記イオン源はイオンビームを供給し、前記装置は、さらに、前記イオン源からのイオンビームのイオンを前記加速器外に偏向させる偏向メカニズムを備え、前記入射工程は、前記偏向メカニズムが、所定の時間間隔内の前記交流RF電流の実質的に前記少なくとも1つの単一サイクル内にのみ前記イオンビームのイオンを前記加速器外に偏向させないように、前記偏向メカニズムを制御する、方法。請求項21に記載の方法であって、前記入射工程は、前記イオン源から前記加速器に時間間隔を空けて間欠的にイオンを入射して、前記加速器によって、時間的に離間されたサブナノ秒出力ビームパルスの列を供給させる、方法。図1は、本発明の一実施形態を説明するのに有用な従来の高周波四重極構造を示す斜視図である。4つの電極が、長さに沿って同じ寸法を有するため、4つの電極に電荷が印加されることによって生じる電場が、横方向すなわち、電極の長さ、および、z軸に沿ったイオンビーム軸と直交する方向にのみ存在しており、その結果、4つの電極の間のイオンには縦方向すなわち、電極の長さ、および、z軸に沿ったイオンビーム軸に平行な方向の力が掛からない。したがって、イオンは、縦方向の力を受けないので、縦方向には加速しない。図2は、本発明の一実施形態を説明するのに有用なRFQリニアック構造を示す斜視図である。図1の構造とは対照的に、4つの電極2つの水平電極12、14および2つの垂直電極16,18は、ビーム軸に沿って変調された面を有する。4つの電極にRF電力を印加すると、縦方向の電場が生成され、4つの電極の間のイオンに力が印加される。そのように印加されたRF場は、RFQリニアック構造内のビーム軸に沿ってイオンを集束、バンチ集群化、および、加速する。RFQリニアックの動作に関するより詳細な説明については、ThomasWangler著RFLinearAcceleratorsWiley-VCHVerlagGmBhCo.、2008の第8章p.232-281を参照のこと。4つのベーンが内部に空洞を規定している。この空洞のイオンビーム軸に関する断面図が、ThomasWangler著RFLinearAccelerators第8章の図8.8に示されている。4つの電極の変調は、電極の長さ方向に沿った異なる点における電極面の径によって規定される。図3に示すように、電極チップ面の最小径がaで示され、電極チップ面の最大径がmaで示されている。ここで、mは表面の変調率調整係数である。図2および図3に示すように、電極面とビーム軸との間の最小距離がaで示され、電極面とビーム軸との間の最大距離がmaで示されている。図2に示すように、2つの水平電極12、14の間の距離は12aにおいて最小値aを取り、その時、2つの垂直電極の間の距離は16aにおいて最大値maを取る。その逆12b、16bも同様である。図3に示すように、一方の電極の電極面において、かかる電極面およびビーム軸の間の距離が最大である位置例えば、16aと、かかる一方の電極の電極面において、電極面およびビーム軸の間の距離が最小である隣の位置例えば、16bとの間の分離によって、ユニットセルが規定される。パルスRFQリニアック構造のタイミング構造を図4に示す。図4に示すように、ビームは、RFQリニアックの出力側における各マクロパルス内に、空洞の周波数構造を有しており、ビームのマイクロパルスは、各RFサイクル内に、空洞周波数と、構造の出口におけるビームの最終的なRF位相幅とに応じて、ナノ秒または10分の数ナノ秒の時間構造を有しうる。例えば、RF動作周波数が425MHzである場合、本発明の一実施形態において、RFQ空洞は、~7,000のQ値と、5~10マイクロ秒の空洞充填時間cavityfilltimeとを有する。空洞は、15から~1000マイクロ秒のRFパルス幅に伴って10から2000Hzまで変化しうる繰り返し率でパルス化される。これらのパラメータの上限は、通常、RFパワーアンプの限界によって決まっている。この結果、このタイミング構造は、図4に示すように、5から1000マイクロ秒の出力ビームマクロパルス幅を提供する。ビームは、各マクロパルス内に、空洞の周波数構造425MHzを有しており、ビームのマイクロパルスは、各RFサイクル内に、構造の出口におけるビームの最終的なRF位相幅に応じて、10分の数ナノ秒の時間構造を有する。換言すると、パルスRFQ線形リニアック構造は10分の数ナノ秒の時間構造を有するマイクロパルスを供給できるが、これらのマイクロパルスは、1つのマクロパルスとして一緒に供給される。飛行時間測定用の中性子生産など、RFQリニアックの多くの潜在的な用途においては、マクロパルス内で時間的に近接したマイクロパルスの列を供給するのではなく、一度に単一マイクロパルスを供給することが望ましい。しかしながら、他のどのマイクロパルスにも時間的に近接しない単一マイクロパルスを一度に出力側で供給するように、1つのマイクロパルスを除いてマクロパルス内の全マイクロパルスをフィルタリングまたはブロックすることは非常に困難である。単一マイクロパルスの間の時間を決定するマクロパルスの繰り返し周波数を用いて、各々の短マクロパルスから1つのマイクロパルスのみを供給させることが、潜在的な用途において望ましい。本発明の一実施形態は、マクロパルス内の各マイクロパルスが、RFQリニアック構造に印加されたRF電力のサイクルに応じて生成されると共に、RFサイクルと同期する出力ビームを偏向させることによって、一度に単一イオンパルスをRFQリニアックによって出力させることが可能であるという認識に基づいている。単一サイクルのRF電力をRFQリニアック構造に印加することは実際的ではないため、複数サイクルのRF電力を印加することによって、複数のマイクロパルスをマクロパルスに含めて一緒に印加する。この課題は、本発明の一実施形態において、RFQリニアック構造の出力として一度に単一マイクロパルスを供給するために、RF電力サイクルの1サイクルの間にRFリニアックを通されたビーム内のイオンのみがRFQリニアック構造に入射されるように、イオンビームをゲーティングすることによって、図5および図6に示す装置で解決される。図5は、本発明の一実施形態を説明するために、RFQリニアック構造を備えたサブナノ秒単一イオンビームパルス供給装置を示すブロック図である。図6は、一度にサブナノ秒幅の単一ビームパルスをRFQリニアック構造に生成させるように図5の偏向メカニズムを同期するための回路を備えたシステムを示すブロック図である。図5に示すように、イオン源20がイオンを供給する。イオン源20は、ガス電子アークを用いる供給源などのイオン源を含んでよく、一例としては、蛍光電球タイプのアークが、その点灯時に生成されるようなプラズマ放電によってイオンを発生させる例が挙げられる。以下の記載では、陽子が用いられているが、本発明は、他のタイプのイオンにも適用可能であり、陽子に限定されないことを理解されたい。イオン源20によって生成されたイオンは、引き出し電極22によって引き出され、高エネルギ約35keVなどに加速される。イオンが陽子である場合、ビームは、約35keVの引き出しエネルギで50mA程度の陽子ビームでありうる。次いで、これらのイオンは、低エネルギビーム輸送部LEBT24によって集束され、偏向メカニズム26の間を通るビーム18を供給する。偏向メカニズム26は、2つの偏向プレートすなわちビームキッカー電極26aを備えうる。一実施形態では、ビームがRFQリニアック30のアパーチャ外に偏向されるように偏向電圧をプレート26aに印加して、その結果、図7Aに示すように、リニアック30にイオンを通過させないようにする。この状況は、制御電圧がプレート26aに送信されて偏向電圧の印加を停止させるまで続く。印加が停止されると、図7Bに示すように、ビーム中のイオンは、プレート26aによって偏向されなくなるため、RFQリニアック30の入力ポートを通過する。このようにプレート26aに印加される制御電圧は、RFQリニアック30に印加されるRF電力のRFサイクルの1サイクルと同期されており、その結果、RFQリニアック30は、制御電圧が印加される度に、かかるイオンのみをバンチおよび加速して、単一サブナノ秒イオンパルスを供給する。図6は、制御電圧を生成するためのシステムを示す。クロック34を備えたタイミングシステムまたはコントローラ32が、RFQリニアック30にRF電力を印加するRF電源36、偏向プレート26aの電圧を制御する偏光器電源38、および、イオン源20を制御するパルス電源40を制御する。始動されると、タイミングコントローラ32は、電源36、38、および、40に信号を印加し、RF電力がRFQリニアック30に印加されるようにし、電源38および40によって印加された電力によって、イオン源20に所与の持続期間だけイオンビームを放射させると共に、電源28によるDCバイアス電圧の印加を通して、プレート26a間を通るイオンビームを偏光プレート26aによって偏向させる。図7Aは、LEBTのイオンビーム経路を示しており、経路は、上述の条件下でRFQアパーチャに入る。図7Bは、RFQ30のアクセプタンスアパーチャを示すRFQアクセプタンス位相空間のグラフである。RFQアクセプタンス位相空間は、RFQ30の入力ポート側でビーム軸に垂直な平面上に空間境界42を規定しており、この境界内の位置例えば、非偏向ビーム位相空間44で入力ポートに入ったイオンはRFQ30の出力側に現れるが、この境界の外側の位置例えば、偏向ビーム位相空間46で入力ポートに入ったイオンはRFQ30の出力側に現れない。図7Aに示すように、上述の信号および電圧の条件で、イオンは、プレート26aによって偏向されてRFQのベーンに到達し、その結果、この境界の外側の位置に偏向されて、図7Bに示すように偏向ビーム位相空間46として現れる。これは、イオンがRFQ30の出力側に現れないことを意味する。この状況は、急峻なRFパルスが偏向器電源38によってプレート26aに印加されて、イオンビームを偏向させるDCバイアス電圧が打ち消されるまで続く。電圧が打ち消されると、イオンビームは偏向されなくなり、図7Bに示すように、偏向ビーム位相空間46ではなく非偏向ビーム位相空間44によって特徴付けられる。したがって、イオンがRFQ30の出力側に現れる。本発明の一実施形態の一応用例は、癌治療の陽子線療法で用いられるような誘電体壁加速器DWAである。RFQ入射リニアックに必要な陽子ビームを生成できるプラズマイオン源はいくつか存在するが、DWA入射システムについて記載するイオン入射器の実施形態は、標準的なデュオプラズマトロンである。指定された出力ビームパラメータを実現しつつ、できる限り短い出力ビームパルスを開発するために、提案されたRFQ設計に対してビーム力学の計算を実行した。さらに、RFQリニアックは、できる限り小型化すると共に、RF電力を最小化して動作の信頼性および既存の市販のRFアンプとの適合性を提供するように設計された。これは、425MHzのRFQ動作周波数を選択した根拠でもあるが、RFQは、より高い500MHzの周波数で若干良好な性能を示すように設計されてもよい。RFQ設計が完成した後、イオン源の要件を考慮すると共に、イオン源から取り出した陽子ビームをRFQリニアックに入射させるためのビーム輸送システムの予備設計を完成させた。これらの特性から、RFQリニアックは、通例、数十keVで入射されるDC陽子ビームの>80を補足し、DC電流から~1/6にバンチされて±1のエネルギ広がりを有する0.40ナノ秒のマイクロパルスを提供する。ただし、設計の柔軟性から、出力ビームの特性の間のトレードオフによってこれらの値を変化させることも可能である。RFQリニアックの物理設計本実施形態のために開発された陽子RFQリニアックは、表IIIに挙げる設計パラメータを有する。このRFQは、35keVで入射器から取り出された陽子を2keVの最終エネルギまで加速する。構造の電流制限は、DWAを用いた特定の用途に必要な出力電流の約2倍であるため、構造の性能には十分な余裕がある。この構造のためのRF電力は大きくないため、商用電源から得ることができる。1つの3~1/8同軸駆動ループが、425MHzの動作周波数でRF電力をRFQに結合する。RFQ真空チャンバの最終的な物理長は、示されている構造の長さよりも若干長くてもよい。このRFQ構造は、35kVのエネルギでプラズマイオン源から直接取り出された陽子ビームを受け入れることができ、そのビームは、静電レンズによってかかる低入射エネルギで効果的に集束されうる。LEBTで提案された静電集束はイオンビームをRFQに適合させうることが十分に実証されているので、適合されたビームをRFQへの入力として用いることを仮定して、RFQ構造を設計し、ビーム力学の計算を行った。最終的なRFQの設計パラメータが、図8にセル番号の関数として示されており、Mはベーン変調、Wはビームエネルギ、TLはベーン長、PHIはRF周期のピークに対する同期粒子の位相である。最終的なRFQ設計が完成した後、ロスアラモスのコードPARMTEQを用いて、ベーン間電圧RF電力の関数として出力特性に関する多くのビーム力学計算を実行し、性能を予測した。ビームのタイミングパルスRFQリニアック構造の典型的なタイミング構造を図4に示す。425MHzのRF動作周波数において、RFQ空洞は、~7,000のQ値と、5~10マイクロ秒の空洞充填時間とを有する。したがって、空洞は、通常、15から~1000マイクロ秒のRFパルス幅に伴って10から2000Hzまで変化しうる繰り返し率でパルス化される。これらのパラメータの上限は、通常、RFパワーアンプの限界によって決まっている。この結果、このタイミング構造は、図4に示すように、5から1000マイクロ秒の出力ビームマクロパルス幅を提供する。ビームは、各マクロパルス内に、空洞の周波数構造425MHzを有しており、ビームのマイクロパルスは、各RFサイクル内に、構造の出口におけるビームの最終的なRF位相幅に応じて、10分の数ナノ秒の時間構造を有する。上述の例では複数サイクルのRF電力が10から2000Hzの繰り返し率で印加されているが、単一マイクロパルスを生成するための本明細書の技術は、RF電力がRFQリニアック30に連続的に印加される場合にも適用可能であることを理解されたい。RF電力がRFQリニアック30に連続的に印加される場合、偏向プレート26aに印加される偏向電圧を打ち消す電圧の印加の繰り返し周波数すなわち、かかる電圧の繰り返し印加の間の時間間隔が、単一マイクロパルスの間の時間を決定する。図10は、短ビームマクロパルスを伴うRFQの実際の動作を示す。曲線102は、空洞内のピックアップループを用いて測定されたRFQ空洞電場であり、曲線104は、電流トロイドで測定されたRFQ出力ビームである。ビームパルスの遅い立ち上がり時間は、図9に見られるようなビーム電流の立ち上がりを引き起こすRF場の立ち上がりと、電流トロイドの時定数とに起因する。RFQからDWAにビームパルスを入射させるために必要なのは、単一マイクロパルスのみである。この動作は、RFQリニアックおよびDWAの間に数ピコ秒のタイミング精度を必要とする。RFQリニアックの動作を、図11で概略的に示す。10Hzで動作するマスタクロックが、RFQ空洞を満たすために、イオン源がオンにされた後にRF電源がオンにされるシーケンスを開始する。このパルスのほとんどの期間、イオン源から取り出されたビームは、DC電圧偏向によって偏向され、RFQ構造内に入射されない。このイオン源およびRFQ空洞が、図11において信号値1で示される安定した定常動作に各々到達した後、急峻なRF信号パルスが、図11において約4200ナノ秒に位置する急峻なパルスで示されるように、偏向器26に供給され、図12に示すようにDC偏向電圧の変化を引き起こすことにより、DC偏向電圧を打ち消して、図12に示すように数ナノ秒のビームパルスをRFQに入射させる。425MHzのRF周波数では、RFサイクルは、図12に示すように約2.35ナノ秒である。RFQ構造30に電力供給する電源36のRF発生器からのRFパルスのタイミングおよび偏向器電源38から偏向プレート26aへの急峻なRF信号パルスのタイミングを制御するシステム32内のクロック34からの正確なマスタタイミング信号が、1つのRFサイクル中に入力陽子ビームをRFQ内に集束させることを許容する期間中にDC偏向場を打ち消すように、DCバイアスの位置での偏向を打ち消すトリガとして用いられる。結果として、単一の出力パルスのみがRFQによって生成される。クロック34によって制御またはトリガされる電源38からの制御パルスの立ち上がり時間および立ち下がり時間は、RFQに入射されるビームが1つのRFサイクルを完全に満たしつつも、その1サイクルの前後のRFサイクルにほとんど電荷を導入しないことを保証するために、約1ナノ秒以下であることが好ましい。重複を最小化することに加えて、偏向器電圧の立ち上がりおよび立ち下がり中のビームの掃引動作も、その時間中にRFQに捕捉されるビームを減少させるよう機能する。RFQリニアック30の電極は、イオンビームの入力端から出力端までに4つの段を含むよう設計されている:すなわち、マッチング段、成形段、バンチング段、および、加速段である。パルス幅を狭めるためのバンチングは、主にバンチング段の間にのみ達成される。以前の設計では、RFQリニアック30は、通例、その周波数での1つのRFサイクルの期間の1/6に等しい時間幅を有する出力マイクロパルスを生成するよう設計される。したがって、425MHzのRFの1サイクル中にRFQリニアック30によって加速およびバンチされたイオンについて、単一イオンマイクロパルスは、2.35/6ナノ秒で与えられる約400ピコ秒のパルス幅を有することになる。この単一マイクロパルスのパルス幅をさらに狭めるために、バンチング段の間だけでなく加速段の間にもバンチングを実行することにより、ビームをオーバーバンチングする。オーバーバンチングによって、RFQリニアック30は、300ピコ秒未満の幅の単一出力ビームパルス約200ピコ秒の幅の単一出力ビームパルスなどを供給することができる。オーバーバンチングについては図8に示されている。図8に示すように、セル90からRFQリニアック30の出力付近の電極の端部まで、変調率Mが増加すると共に、RFサイクルに関するバンチの同期位相PHIが単調に減少する。変調率Mまたはmは、電極の最大径と電極の最小径との比、すなわち、図3に示すように、ビーム軸から電極表面までの最大距離とビーム軸から電極表面までの最小距離との比として上記で定義されている。同期位相PHIは、ビーム内の参照粒子とRFサイクルのピークとの間の位相角として定義される。一実施形態において、オーバーバンチングを実現するために、セル90からRFQリニアック30の出力付近の電極の端部まで、変調率Mは増加し、同期位相は単調に減少する。したがって、本発明の一実施形態において、後続のパルスリニアックDWAなどへの入射に向けて、または、短い中性子バーストを生成するための対象材料の衝撃に向けて、~200ピコ秒のビームパルス幅および30ピコクーロンの電荷を有するイオンの単一パルスを生成できる装置が提供される。この実施形態において、これは、イオン源の取り出しエネルギで入射された2.35ナノ秒の単一ビームパルスを、入力パルスの>80のビーム伝送率で~200ピコ秒の幅を有する出力エネルギでの最終パルスにバンチするよう設計された425MHzで動作する高周波四重極RFQ線形加速器を用いて達成される。このサブナノ秒単一パルス装置の主な利点は、そのサイズと動作の単純さである。RFQを加速構造として用いると、小型サイズで単一サブナノ秒バンチに大電荷を効果的に生み出すことができる。RFQの入力アクセプタンス特性は、単純なDCバイアスによって不要なビームの加速をブロックできるため、動作が非常に簡便である。図13は、イオンビーム内のイオン源からRFQリニアック構造にイオンを輸送するためのエネルギ輸送システム内の電極を示す概略図である。図13に示すように、イオン源からRFQリニアック30にイオンを輸送するためにイオン源および加速器の間に配置された低エネルギビーム輸送部が、接地電位の電極によって互いに分離された2つの正バイアス電極を備える。2つの正バイアス電極は、それぞれ、約34720Vおよび31200Vの電位を有してよい。図13の塗りつぶし部分は、接地電位の電極によって互いに分離された2つの正バイアス電極のLEBTをビームが通る時のビームプロファイルを示しており、RFQリニアックの入力に到達した際の集束効果を示す。様々な実施形態を参照して本発明について記載したが、本発明の範囲から逸脱することなく変更および変形が行われてもよく、本発明は添付の特許請求の範囲および等価物によってのみ規定されることを理解されたい。"