用于离子束调制的系统、装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年6月25日提交的题为“用于离子束调制的系统、装置和方法”的美国临时申请系列号63/044,314的优先权，其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本文描述的主题一般涉及调制用于束系统中的束的系统、装置和方法。

背景技术

硼中子俘获疗法(BNCT)是一种治疗多种类型癌症——包括一些最难治的癌症类型——的物理疗法。BNCT是一种选择性地旨在治疗肿瘤细胞同时使用硼化合物保护正常细胞的技术。一种含有硼的物质被注入血管，并且硼会聚集在肿瘤细胞中。然后患者接受中子放射治疗(例如，形式为中子束)。中子与硼发生反应，在不伤害正常细胞的情况下杀死肿瘤细胞。长期的临床研究证明，能谱在3-30千电子伏(keV)范围内的中子束更适合实现更有效的癌症治疗，同时降低患者的辐射负荷。该能谱或能量范围通常称为超热能。

大多数用于产生超热中子(例如，超热中子束)的常规方法基于质子(例如，质子束)与铍或锂(例如，铍靶或锂靶)的核反应。

串列式加速器是一种静电加速器，其可使用单个高电压端子对离子粒子进行两步加速。高电压用于形成例如越来越大的正梯度，该正梯度施加到进入的负束以使它加速，此时串列式加速器将负束转换为正束，然后再次使用高电压来形成加速(例如，推动)来自串列式加速器的正束的反向递减正梯度。由于高电压可使用两次，因此产生粒子能量为3MeV的质子束通常只需要1.5MV的加速电压，这在现代电绝缘技术的可及范围内。此外，串列式加速器的离子源处于地电位，从而更易于控制和维护离子源。

由用于硼中子俘获疗法(BNCT)的串列式加速器提供的质子束具有对于疗效和供下游设备(例如，用于在锂(Li)靶上有效产生中子)使用而言优选的能量水平。对于合理地短的治疗时间，需要特定的通量密度阈值，并且随着这种必要的阈值出现最小质子束电流。与此类质子束相关联的功率密度大大超过了中子束系统部件中所用材料的安全极限。

保护束设备的常规方法包括以大幅降低的束电流对准高功率束。当束的形状和位置不依赖于束的自空间电荷时，束对准可很好地用于电流相对低的束。然而，对于其中束参数包括高得多的束电流(并且自空间电荷对束形状具有显著影响)的串列式加速器，束在减小的电流下难以对准。

保护束设备的传统方法还包括用于加速器类型的束调制，例如射频四极(RFQ)加速器或线性加速器(例如，且不是串列式加速器)。束调制用于此类应用，以在无法减小束电流时降低平均束功率。这种方法会非常适合于RFQ或线性加速器(“直线加速器”)等加速器类型，因为束电流是聚束的。然而，对于串列式加速器等直流加速器，由于无法在短时间内将直流加速器的负载从零更改为标称值并返回，因此调制还不适用。

出于这些和其他原因，需要改进的、有效的和紧凑的系统、装置和方法来调制离子束源，使得束功率可以降低以用于中子束系统设备的安全和保护，同时保持疗效。

发明内容

系统、装置和方法的实施例涉及能够调制带电粒子束的束源系统。离子源被配置为向离子源下游的串列式加速器系统提供负离子束，并且连接到离子源的引出电极的调制器系统被配置为在足以保持串列式加速器系统的加速电压稳定性的持续时间内偏置引出电极。

在查阅以下附图和详细描述后，本文中所描述的主题的其他系统、装置、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的或将变得显而易见。意图是所有这种附加的系统、方法、特征和优点都被包括在此描述内、在本文中所描述的主题的范围内并且受所附权利要求的保护。示例性实施例的特征绝不应被解释为限制所附权利要求，权利要求中没有对那些特征的明确叙述。

附图说明

本文中所阐述的主题的细节，无论是其结构还是操作，都可以通过研究附图而显而易见，在附图中相同的附图标记表示相同的部分。图中的部件不一定按比例绘制，而是着重于图示主题的原理上。此外，所有图示均旨在传达概念，其中相对尺寸、形状和其他详细属性可能被示意性地示出而非字面或精确地示出。

图1A是用于与本公开的实施例一起使用的中子束系统的一个示例性实施例的示意图。

图1B是用于硼中子俘获疗法(BNCT)中的中子束系统的一个示例性实施例的示意图。

图2图示了用于与本公开的实施例一起使用的示例性预加速器系统或离子束注入器。

图3A是图2所示的离子源和离子源真空盒的透视图。

图3B是描绘图3A中所示的单透镜的一个示例性实施例的分解透视图。

图4A图示了用于与本公开的实施例一起使用的示例性离子束源系统。

图4B图示了图4A中所描绘的示例性离子源。

图5A图示了用于与本公开的实施例一起使用的离子束源的示例性期望的稳态发射脉冲。

图5B图示了离子束源的示例性非期望的稳态发射脉冲。

图6A图示了用于与本公开的实施例一起使用的示例性期望电容性放电曲线。

图6B图示了用于与本公开的实施例一起使用的示例性期望电流脉冲曲线。

图7是用于与本公开的实施例一起使用的示例性偏置方案的时序图。

图8图示了本公开的实施例可以在其中操作的系统的框图。

图9图示了可根据本公开的实施例专门配置的示例性计算装置。

具体实施方式

在详细描述本主题之前，将理解，本公开不限于所描述的特定实施例，因为这些当然可变化。还将理解，本文中所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的且并不旨在为限制性的，因为本公开的范围将仅由所附权利要求限制。

术语“粒子”在本文中被广泛使用，除非另有限制，可用于描述电子、质子(或H+离子)或中子，以及具有一个以上电子、质子和/或中子(例如，其他离子、原子和分子)的物质。

系统、装置和方法的示例性实施例在本文中被描述用于与束系统(例如，包括粒子加速器)一起使用的束源系统。本文中所描述的实施例可与任何类型的粒子加速器一起使用，或者用于涉及以指定能量产生带电粒子束以供应给粒子加速器的任何粒子加速器应用。

本公开的离子束源系统的实施例特别适合于向也与预加速器系统一起工作的串列式加速器提供离子束，例如负粒子束。这样的系统可用于许多应用中，其一个示例是作为用于产生用于硼中子俘获疗法(BNCT)的中子束的中子束系统。为了便于描述，本文中所描述的许多实施例将在用于BNCT的中子束系统的背景下完成，尽管这些实施例不仅限于中子束或BNCT应用。

本文中所描述的实施例降低了粒子加速器系统的平均束功率，使得可以为具有锂(Li)或铍(Be)靶的硼中子俘获疗法(BNCT)提供具有适合超热中子源的参数的质子束。亦即，本公开的实施例克服了与在中子束系统背景下设备和安全引入的限制相关联的若干缺点。出于硼中子俘获疗法(BNCT)的目的而由串列式加速器提供的质子束对于疗效和供下游设备(例如，用于在锂(Li)靶上有效产生中子)使用而言具有优选的能量水平。例如，质子束可优选地具有1.9-3.0兆电子伏特(MeV)的能量。对于合理地短的治疗时间，需要特定的通量密度阈值，并且随着这样的期望阈值出现最小质子束电流(例如，高于5毫安(mA))。与此类质子束相关联的功率密度(例如，能量为1.9–3.0MeV且电流高于5mA的质子束)大大超过了中子束系统的部件(例如，中子发生靶等)中使用的材料的安全极限。

再举例而言，在2.5MeV束能量和10mA束电流的示例性标称设置下，束功率为25千瓦(kW)。在如此大的功率下，重要的是要避免束可能变得未对准的情形。对于聚焦到直径小于10毫米(mm)的位置(例如，圆形或椭圆形点)功的率高于10kW的质子束，功率密度可能大幅超过串列式加速器(和整个中子束系统)中使用的材料的安全极限。束的任何轻微偏转都会导致它与(例如，串列式加速器内的)束管道元件相接触并几乎立即损坏，并且束可能破坏这些元件。

有利地，本公开的实施例能够通过调制离子引出电压来调制离子束源处的负离子束。这种调制导致负离子束的脉冲持续时间有限，使得平均束功率降低到束系统材料的安全水平，同时向串列式加速器提供可检测的稳态离子束而不会影响串列式加速器的电压稳定性。因此，向下游部件提供了具有必要束能量和电流的质子束，而不会对整个中子束系统的部件产生负面影响(例如，10毫秒(ms)至100ms的束持续时间可能会损坏串列式加速器下游的中子发生靶)。

负离子束的期望脉冲持续时间(例如，离子束源的引出电极应当被偏置多长时间)可基于许多因素。虽然实施例会有所不同，但通常希望脉冲持续时间应当(1)足够长以达到从离子源的等离子体中稳态引出负氢离子(H

关于脉冲(1)如上所述足够长，在一些实施例中，对于非铯(例如，不含铯(Cs))离子源，达到负氢离子稳态引出的时间是0.1-0.3ms。在一些实施例中，串列式加速器具有安装在高电压整流器各部分的输出端中的电容器。关于脉冲(2)如上所述足够短，在此类实施例中，当串列式加速器处于标称2.5MeV束粒子能量时，通过电流为10mA且持续时间为1毫秒的束传播的放电电容优选地不超过6％。

本文中所描述的特定实施例可实现在10Hz的频率下0.5-1.0ms的期望脉冲持续时间，或0.5至1％的占空比。占空比(活动时间/总周期)将根据实施的束系统的操作参数而变化。例如，占空比的范围可为0.1％至10％。在一些实施例中，占空比为1％或更小，在其他实施例中，占空比为2％或更小，在其他实施例中，占空比为5％或更小，并且在再另一些实施例中，占空比为10％或更小。

优选地，这种束调制：(a)不会显著干扰串列式加速器的电压稳定性；(b)不会使串列式加速器内的电容器放电超过阈值量(例如，15％或更少)；(c)在阈值时间量(例如，2ms)内提供具有恒定的最大输出值(例如，平坦或基本平坦的顶部)的束，该阈值时间量对于大多数束诊断的典型时间分辨率而言足够长；并且(d)与非调制束相比，将平均束功率显著降低至对在束系统中使用的大多数材料而言安全的水平。在一些实施例中，这种降低可以是大约100倍(大约250瓦特(W)的水平)。除了保持束系统的功能之外，根据本文中所描述的实施例的束调制导致束系统材料和部件的更长期完整性和可靠性。

详细来看附图，图1A是用于与本公开的实施例一起使用的束系统10的一个示例性实施例的示意图。在图1A中，束系统10包括源12、低能束线(LEBL)14、耦合到低能束线(LEBL)14的加速器16和从加速器16延伸到靶100的高能束线(HEBL)16。LEBL 14被配置为将束从源12输送到加速器16的输入端，加速器16又被配置为通过加速由LEBL 14输送的束来产生束。HEBL 18将束从加速器16的输出端转移到靶100。靶100可以是被配置为响应于入射束所施加的刺激而产生期望结果的结构，或者可改变束的性质。靶100可以是系统10的部件或者可以是至少部分地由系统10调节或制造的工件。

图1B是示出了用于硼中子俘获疗法(BNCT)的中子束系统10的另一示例性实施例的示意图。这里，源12是离子源并且加速器16是串列式加速器。中子束系统10包括用作带电粒子束注入器的预加速器系统20、耦合到预加速器系统20的高电压(HV)串列式加速器16和从串列式加速器16延伸到收纳靶100(未显示)的中子靶组件200的HEBL 18。在该实施例中，靶100被配置为响应于具有足够能量的质子的冲击而产生中子，并且可被称为中子发生靶。中子束系统10以及预加速器系统20也可用于其他应用，例如本文中所描述的那些其他示例，并且不限于BNCT。

预加速器系统20被配置为将离子束从离子源12输送到串列式加速器16的输入端(例如，输入孔径)，因此也充当LEBL 14。由与其耦合的高电压电源42供电的串列式加速器16可产生能量通常等于施加到定位在加速器16内的加速电极的电压的两倍的质子束。质子束的能量水平可通过以下方式实现：将来自加速器16的输入端的负氢离子束加速度最里面的高电位电极，从每个离子中剥离两个电子，然后用相同的施加电压向下游加速得到的质子。

HEBL 18可将质子束从加速器16的输出端输送到中子靶组件200内的靶，中子靶组件200定位在延伸到患者治疗室中的束线的分支70的端部处。系统10可被配置为将质子束引导至一个或多个靶中任意数量的靶和相关联的治疗区域。在该实施例中，HEBL 18包括三个分支70、80和90，它们可以延伸到三个不同的患者治疗室中，其中每个分支都可终止于靶组件200和下游束整形设备(未示出)中。HEBL 18可包括泵室51、用以防止束散焦的四极磁体52和72、用以将束引导到治疗室的偶极或弯曲用磁体56和58、束校正器53、诸如电流监测器54和76的诊断装置、快速束位置监视器55部分以及扫描磁体74。

HEBL 18的设计取决于处理设施的构造(例如，处理设施的单层构造、处理设施的两层构造等)。可使用弯曲用磁体56将束传送到靶组件(例如，定位在治疗室附近)200。可包括四极磁体72以随后将束聚焦到靶处的特定尺寸。然后，束通过一个或多个扫描磁体74，这使得束以期望的图案(例如，螺旋、弯曲、成行和列的阶梯、它们的组合等)横向移动到靶表面上。束横向移动可有助于实现质子束在锂靶上的平滑且均匀的时间平均分布，从而防止过热并使锂层内的中子发生尽可能均匀。

在进入扫描磁体74之后，束可被传送到测量束电流的电流监测器76中。可用闸阀77将靶组件200与HEBL体积物理地分离。闸阀的主要功能是在加载靶和/或将用过的靶更换为新靶时将束线的真空体积与靶分离。在实施例中，束不能被弯曲用磁体56弯曲90度，而是直接向图1B的右侧行进，然后进入位于水平束线中的四极磁体52。束随后可以由另一弯曲用磁体58弯曲到所需的角度，这取决于建筑物和房间构造。否则，弯曲用磁体58可以用Y形磁体代替，以便为位于同一楼层的两个不同治疗室将束线分成两个方向。

图2示出了与本公开的实施例一起使用的预加速器系统或离子束注入器的一个示例。在该示例中，预加速器系统20(例如，LEBL 14)包括单透镜30(在图2中不可见，但在图3A-3B中被描绘)、预加速器管26和螺线管510，并且被配置为使从离子源12注入的负离子束加速。预加速器系统20被配置为提供束粒子加速至串列式加速器16所需的能量，并且提供负离子束的整体会聚以匹配串列式加速器16的输入孔径或入口处的输入孔径面积。预加速器系统20还被配置为在回流从串列式加速器16通过预加速器系统时最小化回流或散焦回流，以便降低损坏离子源12和/或回流到达离子源的灯丝的可能性。

在实施例中，离子源12可被配置为在单透镜30的上游提供负离子束，并且该负离子束继续穿过预加速器管26和磁聚焦装置(例如，螺线管)510。螺线管510可定位在预加速器管26和串列式加速器16之间并且可与电源电联接。负离子束通过螺线管510到达串列式加速器16。

预加速器系统20还可包括用于去除气体的离子源真空盒24和泵室28，泵室28与预加速器管26以及上述其他元件是通向串列式加速器16的相对低能量束线的一部分。单透镜30可定位在其内的离子源真空盒24从离子源12延伸。预加速器管26可耦合到离子源真空盒24和螺线管510。用于去除气体的真空泵室28可耦合到螺线管510和串列式加速器16。离子源12用作当被传送到中子发生装置时可被加速、调整并最终用于产生中子靶的带电粒子源。文中将参考产生负氢离子束的离子源来描述示例性实施例，但实施例不限于此，并且该源可产生其他正或负粒子。

预加速器系统20可具有零个、一个或多个磁性元件，用于诸如聚焦和/或调节束对准等目的。例如，可使用任何这样的磁性元件来使束与束线轴和串列式加速器16的接收角相匹配。离子真空盒24可具有定位在其中的离子光学器件。

负离子源12根据产生负离子的机理不同通常有两种：表面型和体积型。表面型通常需要在特定的内表面上存在铯(Cs)。体积型依赖于在高电流放电等离子体的体积中负形成离子。虽然两种类型的离子源都可为与串列式加速器相关联的应用递送所需的负离子电流，但表面型负离子源不适合调制。亦即，对于本文中所描述的实施例中的负离子束的调制，体积型负离子源(例如，不采用铯(Cs))是优选的。

转向如图3A，离子束注入器20的离子源真空盒24包括定位其中的单透镜30。如图3B详细所示，安装在真空盒24内的离子源12的接地透镜25下游的单透镜30包括安装板32、安装到安装板32上并与安装杆35成间隔开的关系的彼此耦合的两个接地电极34以及定位在两个接地电极34之间的通电(偏置)电极38。电极34和38以圆柱形孔径的形式并组装成具有与束路径重合的轴向轴线。通电电极38由在接地电极或孔径34之间延伸的绝缘体/隔离体36支承。

支座隔离器36可以包括被配置为阻止电子雪崩的发展并抑制通常以闪络形成结束的流光形成和传播的几何设计。支座隔离器36的几何设计可部分地屏蔽驱动电子雪崩的绝缘体表面上的外部电场并有效地增加路径长度。另外，绝缘体/隔离体36的材料往往会减少溅射效应、表面上的负离子损失、体积污染以及在绝缘体/隔离体表面上形成导致电气强度降低的导电涂层。

在功能上，单透镜30对从离子源12前进的带电粒子束的作用类似于光学聚焦透镜对束的作用。即，单透镜30将入射的平行束聚焦到焦平面上的一个点。然而，这里形成在成对的通电电极38与两个接地电极34之间的电场决定了单透镜的聚焦强度(焦距距离)。

通过将单透镜30安装在离子源接地透镜25的下游，它减少了束自由空间输送，其中束由于固有空间电荷而发散。

单透镜30的轴对称设计的尺寸被优化以避免引出的离子与单透镜30的暴露表面直接相互作用。

在操作中，单透镜30的负极性偏置导致比正偏置极性高的聚焦能力。同样在操作中，向单透镜30供电的方法提供了逐渐的电压升高而不是瞬时电压应用，这降低了单透镜30的表面上存在的用于通过经由例如爆炸性发射机制形成等离子体的微凸起处的电场生长率(dE/dt)。阻止这种等离子体的形成提高了电气强度。

由于电击穿，单透镜在高背景压力下的负偏置电位通常是不可能的。本文中所提供的单透镜的示例性实施例的构型使得能够施加足够高的负偏置电压以实现100％的电流利用而没有电击穿。

图4A示出了用于与本公开的实施例一起使用的示例性离子束源系统。在图4A中，离子源12任选地被收纳在离子源封壳中。离子源12包括多个电极，例如等离子体电极320、加速器/加速电极(例如，或接地透镜)310和引出电极330。任选地，离子源12与单透镜30耦合，并且负离子束从离子源12通过单透镜30、预加速器管26和螺线管510注入或传播到串列式加速器16的输入孔径。

参照图4B，离子源12可在加速器电极310处与电源PS3的第一端子电联接，电源PS3又在第二端子处电联接到离子源12的封壳。离子源12在加速器电极310处的偏置将预加速器系统20配置用于在负离子束从离子源12来到时维持和通过这种束。在一些实施例中，电源PS3可以提供-30kV的电压。

离子源12的等离子体电极320可以电联接到电源PS5，并且离子源12的引出电极330可以电联接到调制器350，调制器350又电联接到电源PS4。当引出电极330被偏置时，等离子体电极320的偏置使离子源12能够维持离子源12内的等离子体用于引出成负离子束。

在一些实施例中，调制器350和电源PS4可以在单个集成调节器系统内组合。调制器350包括可用于控制引出电极330的偏置的开关。

当引出电极330被偏置时，负离子束从离子源12传递或传播到串列式加速器16。当引出电极330未被偏置时，负离子束不从离子源12传递或传播到串列式加速器16。

如上所述，串列式加速器16由与其耦合的高电压电源42供电，并且可产生能量通常等于施加到定位在加速器16内的加速电极的电压的两倍的质子束。串列式加速器16可包括两个或多个嵌套壳中的任何数量的嵌套壳，加速电极位于每个壳的最左边和最右边的孔径，如图4A所示。在该实施例中，加速器16包括四个壳G1、G2、G3、G4加上标记为高电压(HV)室的最里面的壳。电源PS6可由反馈回路控制，从而保持串列式加速器16内的电压稳定性。亦即，测量或控制装置360(例如，电压计)可监测安装在串列式加速器16的高电压整流器的各部分的输出端中的电容器(C)两端的电压。至少一个电容器可连接在每个壳和与其紧邻的壳之间。在本例中，有四个电容器跨接在五个壳上。束通过加速器16的操作可导致电容器放电。电压稳定性可表明电容器的放电不会超过完全带电状态的阈值以维持束620的稳定性。在一些实施例中，该阈值是5％，在另一些实施例中，该阈值是6％，在另一些实施例中，该阈值是10％，在另一些实施例中，该阈值是15％。在这样的示例中，测量或控制装置360可向电源PS6提供指示电压不稳定性的反馈信号，并且电源PS6停止偏置串列式加速器16。

图5A示出了用于与本公开的实施例一起使用的离子束源的示例性期望的稳态发射脉冲。图5B示出了离子束源的示例性非期望的稳态发射脉冲。在图5A中示出了引出电极在离子束源处的偏置引起负氢离子在短时间内从离子源的等离子体中的稳态引出，否则离子束的产生可能无法在保护下游部件所需的窗口内成功。图5B描绘了非期望的斜升至稳态引出。

图6A示出了用于与本公开的实施例一起使用的示例性电容放电曲线。图6B示出了与本公开的实施例一起使用的示例性期望的电流脉冲曲线。期望的离子束脉冲电流特征类似于理想的阶跃函数，如图6B所示具有最小的上升和下降斜率以及脉冲的有效持续时间的恒定值，并导致如图6A所示的电容放电曲线，其中调制不会导致电容放电超过阈值(例如，在一些实施例中，该阈值可为大约5-6％)。如上所述，通过调制器350或控制离子源12的引出电极330的偏置(或不偏置)的调制系统来限制负离子束600的脉冲持续时间降低了多个电容器放电超过5-6％的可能性，从而降低(或完全消除)了电源PS6中断对串列式加速器16供电的可能性。

多个电容器的电容额定值可以有助于限制成功的束脉冲持续时间。亦即，电容器越大，束脉冲持续时间可能越长，但是空间和其他设计制约导致在各种束系统中的电容增加时缺乏灵活性。

图7是示出了用于与本公开的实施例一起使用的彼此具有时间关系的各种参数的示例的时序图。在图7最上面的图中，在从t1至t3的给定持续时间(例如，t

在束引出之前(例如，从t0至t1)，加速器电压U

图8是示出了本公开的实施例可以在其中操作的示例性系统的框图。例如，所示出的示例性系统包括离子束源系统3001、一个或多个计算装置3002和串列加速器系统3003。在实施例中，离子束源系统3001和串列加速器系统3003可共同成为示例性中子束系统(例如，上面的系统10)的一部分。在此类实施例中，中子束系统10可采用一个或多个控制系统，一个或多个计算装置3002可以与之通信以便与中子束系统10的系统和部件交互。这些装置和/或系统中的每一个都被配置为彼此直接通信(未示出)或经由本地网络(例如网络3004)通信。

计算装置3002可由各种用户装置、系统、计算装置等体现。例如，第一计算装置3002可以是与特定用户相关联的台式计算机，而另一个计算装置3002可以是与特定用户相关联的膝上型计算机，并且又一个计算装置3002可为移动装置(例如，平板电脑或智能装置)。计算装置3002中的每一个都可被配置为例如通过可经由计算装置访问的用户界面与离子束源系统3001和/或串列式加速器系统3003通信。例如，用户可在计算装置3002上执行桌面应用程序，计算装置3002被配置为与离子束源系统3001和/或串列式加速器系统3003通信。

通过使用计算装置3002与离子束源系统3001或串列式加速器系统3003中的一者或多者通信，用户可根据本文中所描述的实施例来提供任一系统的操作参数(例如，操作电压等)在此处。在实施例中，离子束源系统3001可包括控制系统3001A，离子束源系统3001可通过该控制系统从计算装置3002接收和应用操作参数。在实施例中，串列式加速器系统3003可包括控制系统3003A，串列式加速器系统3003可通过该控制系统可以从计算装置3002接收和应用操作参数。

通信网络3004可包括任何有线或无线通信网络，该通信网络包括例如有线或无线局域网(LAN)、个域网(PAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)等，以及实现它所需的任何硬件、软件和/或固件(例如，网络路由器等)。例如，通信网络3004可以包括802.11、802.16、802.20和/或WiMax网络。此外，通信网络3004可包括诸如因特网的公共网络、诸如内联网的私有网络或它们的组合，并且可利用现在可获得的或今后开发的各种联网协议，包括但不限于基于联网协议的TCP/IP。

计算装置3002以及控制系统3001A和3003A可由一个或多个计算系统体现，例如图9所示的设备3100。如图9所示，设备3100可包括处理器3102、存储器3104、输入和/或输出电路3106以及通信装置或电路3108。还应当理解，这些部件3102-3108中的某些部件可包括类似的硬件。例如，两个模块均可杠杆使用同一处理器、网络接口、存储介质等来执行它们相关联的功能，这样就不会每个装置都需要重复的硬件。因此，如本文中关于设备的部件所使用的术语“装置”和/或“电路”的使用可涵盖配置有软件以执行与该特定装置相关联的功能的特定硬件，如文中所述。

术语“装置”和/或“电路”应当被广义地理解为包括硬件，在一些实施例中，装置和/或电路还可包括用于配置硬件的软件。例如，在一些实施例中，装置和/或电路可包括处理电路、存储介质、网络接口、输入/输出装置等。在一些实施例中，设备3100的其他元件可提供或补充特定装置的功能。例如，处理器3102可提供处理功能，存储器3104可提供存储功能，通信装置或电路3108可提供网络接口功能，等等。

在一些实施例中，处理器3102(和/或协处理器或辅助处理器或以其他方式与处理器相关联的任何其他处理电路)可经由总线与存储器3104通信以在设备的部件之间传递信息。存储器3104可为非暂时性的并且可包括例如一个或多个易失性和/或非易失性存储器。换言之，例如，存储器可为电子存储装置(例如，计算机可读存储介质)。存储器3104可被配置为存储信息、数据、内容、应用程序、指令等，以使设备能够执行根据本公开的示例性实施例的各种功能。

处理器3102可采用多种不同的方式体现，并且例如可以包括被配置为独立地工作的一个或多个处理装置。附加地或替代地，该处理器可包括一个或多个处理器，其经由总线串联配置以实现指令、流水化和/或多线程的独立执行。术语“处理装置”和/或“处理电路”的使用可被理解为包括单核处理器、多核处理器、设备内部的多个处理器和/或远程或“云”处理器。

在一个示例性实施例中，处理器3102可被配置为执行存储在存储器3104中或处理器可访问的指令。替代地或附加地，处理器可被配置为执行硬编码功能。因此，无论是通过硬件或软件方法配置，还是通过硬件与软件的组合配置，处理器都可表示能够在相应配置的同时执行根据本公开的实施例的操作的实体(例如，物理地体现在电路中)。或者，作为另一示例，当处理器被体现为软件指令的执行器时，指令可具体配置处理器以在指令被执行时执行本文中所描述的算法和/或操作。

在一些实施例中，设备3100可包括输入/输出装置3106，输入/输出装置3106又可与处理器3102通信以向用户提供输出并且在一些实施例中接收来自用户的输入。输入/输出装置3106可包括用户界面并且可包括装置显示器，例如可包括网络用户界面、移动应用程序、客户端装置等的用户装置显示器。在一些实施例中，输入/输出装置3106还可包括键盘、鼠标、操纵杆、触摸屏、触摸区域、软键、麦克风、扬声器或其他输入/输出机构。处理器和/或包括处理器的用户界面电路可被配置为通过存储在处理器可访问的存储器(例如，存储器3104等)上的计算机程序指令(例如，软件和/或固件)来控制一个或多个用户界面元件的一个或多个功能。

通信装置或电路3108可为任何器件，例如体现在硬件或硬件与软件的组合中的装置电路，其被配置为从/向网络和/或与设备3100通信的任何其他装置或电路接收和/或发送数据。在这方面，通信装置或电路3108可包括例如用于实现与有线或无线通信网络的通信的网络接口。例如，通信装置或电路3108可包括一个或多个网络接口卡、天线、总线、开关、路由器、调制解调器以及支持硬件和/或软件，或任何其他适合经由网络实现通信的装置。附加地或替代地，通信接口可包括用于与天线交互以引起信号经由天线发送或处理经由天线接收的信号的接收的电路。这些信号可由设备3100使用多种无线个域网(PAN)技术中的任何一种来发送，例如当前和未来的蓝牙标准(包括蓝牙和蓝牙低功耗(BLE))、红外无线(例如，IrDA)、FREC、超宽带(UWB)、感应无线发生等。另外，应当理解，这些信号可使用Wi-Fi、近场通信(NFC)、全球微波接入互操作性(WiMAX)或其他基于近程的通信协议来发送。

应当理解，任何这样的计算机程序指令和/或其他类型的代码都可被加载到计算机、处理器或其他可编程设备的电路上以产生机器，使得执行机器上的代码的计算机、处理器或其他可编程电路创建了实现各种功能——包括本文中所描述的功能——的手段。

如上所述并且基于本公开将理解的是，本公开的实施例可被配置为系统、方法、移动装置、后端网络装置等。因此，实施例可包括各种实施方案，包括完全硬件或软件与硬件的任何组合。此外，实施例可采取在至少一个非暂时性计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式，该程序产品具有在存储介质中体现的计算机可读程序指令(例如，计算机软件)。可采用任何合适的计算机可读存储介质，包括非暂时性硬盘、CD-ROM、闪存、光存储装置或磁存储装置。

用于与本公开的实施例一起使用的处理电路可包括一个或多个处理器、微处理器、控制器和/或微控制器，它们中的每一者都可为分立芯片或分布在多个不同芯片(和其一部分)之中。用于与本公开的实施例一起使用的处理电路可包括数字信号处理器，其可在用于与本公开的实施例一起使用的处理电路的硬件和/或软件中实现。用于与本公开的实施例一起使用的处理电路可与本文的附图的其他部件通信耦合。用于与本公开的实施例一起使用的处理电路可执行存储在存储器上的软件指令，这些指令使处理电路采取许多不同的动作并控制本文的附图中的其他部件。

用于与本公开的实施例一起使用的存储器可由各种功能单元中的一个或多个共用，或者可分布在它们中的两个或多个之中(例如，作为存在于不同芯片内的单独存储器)。存储器本身也可为单独的芯片。存储器可以是非暂时性的，并且可为易失性存储器(例如，RAM等)和/或非易失性存储器(例如，ROM、闪存、F-RAM等)。

根据所描述的主题执行操作的计算机程序指令可用一种或多种编程语言的任意组合编写，包括面向对象的编程语言，例如Java、JavaScript、Smalltalk、C++、C#、Transact-SQL、XML、PHP等，以及传统的过程编程语言，例如“C”编程语言或类似的编程语言。

下面回顾和/或补充迄今为止描述的实施例阐述本主题的各个方面，这里强调以下实施例的相互关系和互换性。换言之，着重于实施例的每个特征都可与每一个其他特征组合的事实，除非另有明确说明或逻辑上不可信。

在许多实施例中，离子束系统包括被配置为向离子源下游的串列式加速器系统提供负离子束的离子源和连接到离子源的引出电极的调制器系统。在这些实施例中的许多实施例中，该调制器系统被配置为在足以实现稳态离子引出和维持串列式加速器系统的加速电压稳定性的持续时间内偏置引出电极。

在这些实施例中的许多实施例中，离子源被配置为产生负氢离子。

在这些实施例中的许多实施例中，持续时间小于10毫秒(ms)。在这些实施例中的许多实施例中，持续时间在0.5到1.0毫秒(ms)的范围内。

在这些实施例中的许多实施例中，调制器系统包括开关。在这些实施例中的许多实施例中，调制器系统包括直流电源。

在这些实施例中的许多实施例中，加速电压稳定性部分基于与串列式加速器系统的多个电容器相关联的电容性放电。

在这些实施例中的许多实施例中，串列式加速器系统的一个电极或多个电极使用直流电源进行偏置。在这些实施例中的许多实施例中，直流电源基于与串列式加速器系统内的多个电容器相关联的电容性放电来响应反馈回路。在这些实施例中的许多实施例中，直流电源包括超低电压(ELV)直流电源。在这些实施例中的许多实施例中，持续时间小于反馈回路的响应时间。

在这些实施例中的许多实施例中，离子源包括加速电极。在这些实施例中的许多实施例中，加速电极使用第一电源连续偏置。

在这些实施例中的许多实施例中，离子源包括等离子体电极。在这些实施例中的许多实施例中，等离子体电极使用第二电源连续偏置。

在这些实施例中的许多实施例中，调制器系统的第一电源、第二电源和第三电源彼此独立。

在这些实施例中的许多实施例中，负离子束在到达串列式加速器系统之前穿过离子束源系统下游的预加速器系统。在这些实施例中的许多实施例中，持续时间足够短以避免对预加速器系统或串列式加速器系统的部件造成束引起的损坏。

在这些实施例中的许多实施例中，持续时间足以实现具有2.5兆电子伏特(MeV)的束能量的质子束的提供。

在这些实施例中的许多实施例中，持续时间足以使得由于引入负离子束而在串列式加速器系统内发生小于15％的电容性放电。

在这些实施例中的许多实施例中，持续时间足以使得由于引入负离子束而在串列式加速器系统内发生小于6％的电容性放电。

在这些实施例中的许多实施例中，持续时间足够长以实现从离子源的稳态离子引出。在这些实施例中的许多实施例中，离子源的稳态离子引出斜升时间为0.1–0.3毫秒(ms)。

在这些实施例中的许多实施例中，串列式加速器系统包括多个输入电极、电荷交换装置和多个输出电极。在这些实施例中的许多实施例中，多个输入电极被配置为使来自预加速器系统的负离子束加速，电荷交换装置被配置为将负离子束转换为正束，并且多个输出电极被配置为使正束加速。在这些实施例中的许多实施例中，串列式加速器系统下游的靶装置被配置为由从串列式加速器系统接收的正束形成中性束。在这些实施例中的许多实施例中，持续时间足够短以避免束对靶装置造成损坏。

在许多实施例中，束调制方法包括偏置离子源的引出电极足以维持串列式加速器系统的加速电压稳定性的持续时间，离子源被配置为向该串列式加速器系统提供负离子束。

在这些实施例中的许多实施例中，离子源被配置为产生负氢离子。

在这些实施例中的许多实施例中，该方法包括偏置引出电极小于10毫秒(ms)。在这些实施例中的许多实施例中，该方法包括偏置引出电极0.5至1毫秒(ms)之间。

在这些实施例中的许多实施例中，该方法包括部分基于与串列式加速器系统的多个电容器相关联的电容性放电来测量加速电压稳定性。

在这些实施例中的许多实施例中，该方法包括使用直流电源偏置串列式加速器系统的一个电极或多个电极。

在这些实施例中的许多实施例中，直流电源基于与串列式加速器系统内的多个电容器相关联的电容性放电来响应反馈回路。

在这些实施例中的许多实施例中，该方法包括在小于反馈回路的响应时间的持续时间内偏置引出电极。

在这些实施例中的许多实施例中，离子源包括加速电极。在这些实施例中的许多实施例中，该方法包括使用第一电源连续偏置加速电极。

在这些实施例中的许多实施例中，离子源包括等离子体电极。在这些实施例中的许多实施例中，该方法包括使用第二电源连续偏置等离子体电极。

在这些实施例中的许多实施例中，负离子束在到达串列式加速器系统之前穿过离子源下游的预加速器系统。在这些实施例中的许多实施例中，持续时间足够短以避免对预加速器系统或串列式加速器系统的部件造成束引起的损坏。

在这些实施例中的许多实施例中，持续时间足以实现具有2.5兆电子伏特(MeV)的束能量的质子束的提供。

在这些实施例中的许多实施例中，持续时间足以使得由于引入负离子束而在串列式加速器系统内发生不超过6％的电容性放电。

在这些实施例中的许多实施例中，离子源包括非铯离子源。

在这些实施例中的许多实施例中，持续时间足够长以实现从离子源的稳态离子引出。在这些实施例中的许多实施例中，离子源的稳态离子引出斜升时间是0.1毫秒(ms)-0.3毫秒(ms)。

在许多实施例中，束系统包括：源，该源包括引出电极，该源被配置为产生带电粒子束；连接到源的引出电极的调制器系统，其中该调制器系统被配置为调制带电粒子束；和被配置为使调制的带电粒子束加速的加速器。

在这些实施例中的许多实施例中，调制器系统被配置为将带电粒子束调制为多个脉冲。在这些实施例中的许多实施例中，每个脉冲都具有足以实现稳态粒子引出的持续时间。

在这些实施例中的许多实施例中，加速器包括一个或多个电容器。在这些实施例中的许多实施例中，经调制的束不会导致一个或多个电容器放电超过阈值量。在这些实施例中的许多实施例中，阈值量是一个或多个电容器的完全充电的15％或更小。在这些实施例中的许多实施例中，阈值量是一个或多个电容器的完全充电的6％或更小。

在这些实施例中的许多实施例中，持续时间小于10毫秒(ms)并且占空比在0.1％与10％之间。

在这些实施例中的许多实施例中，持续时间在0.5至1.0毫秒(ms)的范围内。

在这些实施例中的许多实施例中，调制器系统被配置为调制带电粒子束以维持加速器的加速电压稳定性。

在这些实施例中的许多实施例中，加速电压稳定性至少部分基于与加速器的多个电容器相关联的电容性放电。

在这些实施例中的许多实施例中，使用直流电源偏置加速器的一个电极或多个电极。在这些实施例中的许多实施例中，直流电源响应基于与加速器内的多个电容器相关联的电容性放电的反馈回路。在这些实施例中的许多实施例中，持续时间小于反馈回路的响应时间。在这些实施例中的许多实施例中，加速器是串列式加速器。

在这些实施例中的许多实施例中，带电粒子束是负离子束，加速器被配置为将负离子束转换成质子束，并且每个脉冲地具有足以实现具有在1.9与3.0兆电子伏特(MeV)之间的束能量的质子束的提供的持续时间。

在这些实施例中的许多实施例中，调制系统被配置为调制带电粒子束以使得在经调制的带电粒子束的加速期间加速器内的电容性放电不超过15％。

在这些实施例中的许多实施例中，调制系统被配置为调制带电粒子束以使得在经调制的带电粒子束的加速期间加速器内的电容性放电不超过6％。

在这些实施例中的许多实施例中，加速器是串列式加速器，其包括多个嵌套壳和电联接在相邻壳之间的一个或多个电容器，并且电容性放电是该一个或多个电容器的放电。

在这些实施例中的许多实施例中，加速器是串列式加速器，其包括多个输入电极、电荷交换装置和多个输出电极。在这些实施例中的许多实施例中，带电粒子束是负离子束，并且串列式加速器被配置为使用多个输入电极加速负离子束，电荷交换装置被配置为将负离子束转换成正束，串列式加速器被配置为使用多个输出电极加速正束。在这些实施例中的许多实施例中，束系统包括在串列式加速器下游的靶装置。在这些实施例中的许多实施例中，靶装置被配置为由正束形成中性束。

在这些实施例中的许多实施例中，调制器系统被配置为将带电粒子束调制为多个脉冲。在这些实施例中的许多实施例中，每个脉冲具有有限的持续时间以避免对靶装置造成热损坏。

应当注意，关于本文提供的任何实施例描述的所有特征、元件、部件、功能和步骤旨在能够与来自任何其它实施例的特征、元件、部件、功能和步骤自由组合和替换。如果某个特征、元件、部件、功能或步骤仅关于一个实施例进行描述，则应当理解，该特征、元件、部件、功能或步骤可与本文描述的每个其它实施例一起使用，除非另有明确说明。因此，该段落在任何时候都用作权利要求书的介绍的引用基础和书面支持，权利要求书组合了来自不同实施例的特征、元件、部件、功能和步骤，或者用来自一个实施例的特征、元件、部件、功能和步骤替换来自另一个实施例的特征、元件、部件、功能和步骤，即使以下描述在特定情况下没有明确说明这种组合或替换是可能的。明确承认，对每一种可能的组合和替换的明确叙述是过于繁琐的，尤其是考虑到每一种这样的组合和替换的允许性将容易被本领域普通技术人员认识到。

在本文公开的实施例包括存储器、存储装置和/或计算机可读介质或结合它们操作的意义上，则该存储器、存储装置和/或计算机可读介质是非暂时性的。因此，在存储器、存储装置和/或计算机可读介质由一项或多项权利要求覆盖的意义上，则该存储器、存储装置和/或计算机可读介质仅仅是非暂时性的。

如本文和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数指代物，除非上下文另有明确规定。

虽然实施例易于具有各种修改和备选形式，但是其具体示例已经在附图中被示出并在本文中被详细描述。然而，应当理解，这些实施例不限于所公开的特定形式，而是相反，这些实施例将覆盖落入本公开的精神内的所有修改、等同方案和备选方案。此外，实施例的任何特征、功能、步骤或元素可在权利要求书以及通过不在权利要求书的发明范围内的特征、功能、步骤或元素来限定该发明范围的负面限制中被叙述或添加到权利要求书或该负面限制。