声子介导的核态激发和去激发的系统和方法

摘要

本发明涉及一种产生高能粒子的系统，所述系统包括产生离子束的设备，所述离子束包括第一组原子核，和凝聚态介质，所述凝聚态介质包括第二组原子核。所述离子束被配置为与所述凝聚态介质相互作用，使得所述第一组原子核的一些原子核注入所述凝聚态介质中并发生第一核反应，从而释放第一能量。所述离子束进一步被配置为在所述凝聚态介质中产生高频声子。所述高频声子被配置为与所述第二组原子核相互作用，并且通过将所述第一组原子核的第一能量转移到所述第二组原子核并使所述第二组原子核发生第二核反应和发射高能粒子，影响所述第二组原子核的核态。

说明书

相关共同未决申请的交叉引用

本申请要求于2018年6月4日提交的名称为“用于从原子核产生光子发射的系统和方法”的WIPO非临时申请序列号PCT/US2018/35883的权益，其内容通过引用明确地并入本文。

本申请要求于2018年6月3日提交的名称为“基于声子-核偶联效应的方法和系统”的美国临时申请序列号62/679,974的权益，其内容通过引用明确地并入本文。

本申请要求于2018年6月4日提交的名称为“影响凝聚态介质中核反应速率的方法和系统”的美国临时申请序列号62/680,579的权益，其内容通过引用明确地并入本文。

本申请要求于2018年6月5日提交的名称为“产生高能粒子的系统、方法和装置”的美国临时申请序列号62/681,088的权益，其内容通过引用明确地并入本文。

本申请要求于2019年2月15日提交的名称为“引起具有宏观效应的声子-核相互作用的系统和方法”的美国临时申请序列号62/806,071的权益，其内容通过引用明确地并入本文。

本申请要求于2019年3月23日提交的名称为“用于核激发转移的系统和方法”的美国临时申请序列号62/822,790的权益，其内容通过引用明确地并入本文。

本申请要求于2019年3月24日提交的名称为“用于测量凝聚态中的振动的系统和方法”的美国临时申请序列号62/822,970的权益，其内容通过引用明确地并入本文。

技术领域

本发明涉及一种激发和去激发原子核的系统和方法，尤其涉及一种通过声子介导的核激发转移向原子核和从原子核转移激发能的系统和方法，涵盖诸如产生带电粒子发射的应用。

背景技术

原子核持续具有重大的科学和实践意义，因为它决定了材料的宏观特性，并在其组成核子之间包括结合能，该结合能可通过核反应(诸如裂变和聚变)释放。尽管它们具有重要意义，但对原子核的许多方面仍知之甚少。这包括原子核的具体结构以及原子核与环境之间相互作用的范围。当前关于原子核知识的不完整性反映在当前的核结构模型无法高度准确地预测广泛的各种核物种之间凭经验已知的辐射衰减率。

参考图1，原子核的激发和去激发通常通过经由光子的能量吸收或发射或经由高能粒子101(诸如中子、带电粒子或光子等)的能量吸收或发射而发生。高能粒子101与原子核102之间的相互作用产生激发核104。激发核104在短时间后衰减并导致产生反应产物106。反应产物106包括新粒子109和其他核108a、108b。

这种方法有许多约束条件：以足够的能量水平产生光子以激发原子核，往往需要使用大型粒子加速器，但相关的成本和效率低，从而排除了许多核过程和相关应用的可扩展性。类似地，以适当的能量水平产生中子通常是复杂且低效的。另外，高能光子和中子可能很难屏蔽，因此可能对人造成危害，并导致对周围环境的有害辐射。向原子核和从原子核转移激发能的可选机制，具有降低危害等级、提高可扩展性和经济性的潜力，对于跨多个领域和行业的一系列应用非常有用。

发明内容

通常，在一个方面，本发明的特征在于一种产生高能粒子的系统，所述系统包括产生离子束的设备，所述离子束包括第一组原子核，和凝聚态介质，所述凝聚态介质包括第二组原子核。所述离子束被配置为与所述凝聚态介质相互作用，使得所述第一组原子核的一些原子核注入所述凝聚态介质中并发生第一核反应，从而释放第一能量。所述离子束进一步被配置为在所述凝聚态介质中产生高频声子。所述高频声子被配置为与所述第二组原子核相互作用，并且通过将所述第一组原子核的第一能量转移到所述第二组原子核并使所述第二组原子核发生第二核反应和发射高能粒子，影响所述第二组原子核的核态。

本发明的这个方面的实施可以包括以下特征中的一个或多个。第一核反应包括第一组原子核的一些原子核的聚变。离子束的能量范围为100eV至2000eV。该系统进一步包括粒子检测器，该粒子检测器用于检测发射的高能粒子。凝聚态介质包含在真空室内。凝聚态介质包括锂箔，并且第二组原子核包括Li-6核。第一组原子核包括氘(H-2)和氕(H-1)核。发射的高能粒子包括氚(H-3)和氦-4(He-4)核。第一组原子核包括氘(H-2)和氕(H-1)核，第二组原子核包括Li-6核，并且第一核反应包括H-2和H-1核的聚变，导致释放5.5MeV的核结合能，并且第二核反应包括Li-6核的衰变，导致发射具有1.1MeV能量的高能粒子。第一组原子核包括氘(H-2)和氕(H-1)核，第二组原子核包括Pb-204核，并且第一核反应包括H-2和H-1核的聚变，导致释放5.5MeV的核结合能，并且第二核反应包括Pb-204核的衰变，导致发射具有7.3MeV能量的高能粒子。第一核反应进一步发射具有比第二核反应产生的高能粒子的能量低的能量的高能粒子。该高能粒子是带电粒子、中子或光子等。

通常，在另一方面，本发明的特征在于一种产生高能粒子的方法，该方法包括以下内容。首先，产生离子束，该离子束包括第一组原子核。其次，提供凝聚态介质，该凝聚态介质包括第二组原子核。再次，使离子束与凝聚态介质相互作用，使得第一组原子核的一些原子核注入凝聚态介质中并发生第一核反应，从而释放出第一能量。离子束进一步被配置为在凝聚态介质中产生高频声子。最后，使高频声子与第二组原子核相互作用，并且通过将第一组原子核的第一能量转移到第二组原子核并使第二组原子核发生第二核反应和发射高能粒子，影响第二组原子核的核态。

通常，在另一方面，本发明的特征在于一种产生高能粒子的系统，该系统包括凝聚态介质和声子发生器。该凝聚态介质包括第一组原子核和第二组原子核。该声子发生器被配置为在凝聚态介质中产生高频声子。第一组原子核中的一些原子核发生第一核反应从而释放第一能量。高频声子被配置为与第一组原子核和第二组原子核相互作用，并且通过将第一组原子核的第一能量转移到第二组原子核并使第二组原子核发生第二核反应和发射高能粒子，影响第二组原子核的核态。第一核反应包括裂变、聚变或放射性衰变中的一种。

附图说明

参照附图，其中在多个视图中，相同的数字表示相同的部分：

图1示意性地示出了通过分别经由高能粒子将能量转移进核态和从核态转移出能量来激发和去激发原子核的过程；

图2示意性地示出了根据本发明的在供体核与受体核之间的核激发转移过程，其产生一组新的反应产物；

图3示意性地示出了根据本发明的影响Fe-5714.4keV核跃迁的两个Fe-57核(A核301向B核302)之间的核激发转移；

图4示意性地示出了包括Fe-56、Fe-57和Co-57核的振动原子晶格，其中Co-57核发生β衰变；

图5示意性地示出了图4的振动原子晶格，其中先前的Co-57核现在经过β衰变后变为激发的Fe-57*核；

图6示意性地示出了图4和图5的振动原子晶格，并示出了从激发的Fe-57*核向基态Fe-57核(通过转移进行激发)的核激发的声子介导的转移；

图7示意性地示出了图4、图5和图6的振动原子晶格，并示出了经由常规光子发射(在先前已经由声子介导的核激发转移进行激发之后)对激发的Fe-57*核的去激发；

图8描绘了用于经由声子介导的核激发转移产生和监测光子发射的空间和角度分布的变化的示例性装置；

图9示意性地示出了包括Li-6和Li-7核的振动原子晶格，该振动原子晶格具有注入的和进入的高能H-2核(通过离子束轰击)和晶格缺陷(也通过离子束轰击)；

图10示意性地示出了图9的振动原子晶格，其中两个H-2核发生聚变反应，产生He-4原子核并释放核结合能量子(24MeV)；

图11示意性地示出了图9和图10的振动原子晶格，其中从聚变反应中释放的核结合能经由声子介导的核激发转移而转移到Li-7核，从而使其处于激发态；

图12示意性地示出了图9、图10和图11的振动原子晶格，其中激发的Li-7核(先前已经由声子介导的核激发转移进行激发之后)通过分解成具有动能的H-3和He-4核(高能粒子)而发生衰变；

图13描绘了用于经由声子介导的核激发转移产生和监测高能粒子发射的示例性装置；

图14以图形方式描绘了当经由声子介导的核激发转移接受D+D聚变(24MeV)的核激发后分解时，初始质量数为A的核发射的α粒子的计算动能；

图15以图形方式描绘了当经由声子介导的核激发转移接受D+D聚变(24MeV)的核激发后分解时，初始质量数为A的核发射的中子的计算动能；

图16以图形方式描绘了当经由声子介导的核激发转移接受D+P聚变(5.5MeV)的核激发后分解时，初始质量数为A的核发射的α粒子的计算动能；

图17以图形方式描绘了当经由声子介导的核激发转移接受D+P聚变(5.5MeV)的核激发后分解时，初始质量数为A的核发射的光子的计算动能；

图18以图形方式描绘了当经由声子介导的核激发转移接受D+P聚变(5.5MeV)的核激发后分解时，初始质量数为A的核发射的中子的计算动能；

图19示意性地示出了通过增加旋转(即，占据较高能量旋转状态)分裂变形核的过程；

图20以图形方式示出了原子核中高能旋转态的“阶梯”及其在引起裂变中的作用；

图21以图形方式示出了在相干裂变过程中E与I之间的关系；

图22提供了声子-核耦合强度的决定因素的定性概述，特别是声子-核耦合矩阵元大小的变化对声子-核耦合强度、核激发转移的模态及所产生的效果的相对影响；

图23提供了声子-核耦合强度的决定因素的另一定性概述，特别是核跃迁量子的大小对声子-核耦合强度、核激发转移的模态和所产生的效果的相对影响；

图24提供了用于确定和优化核激发转移参数的依存关系的概述的框图，其为基于核激发转移的应用系统提供了系统设计，特别是晶格配置；

图25是总结基于核激发转移的带电粒子产生系统的设计过程的框图；以及

图26是总结基于核激发转移的系统的一般设计过程的框图。

具体实施方式

在国际专利申请PCT/US2018/35883中，其内容通过引用明确地并入本文，我们描述了基于声子-核相互作用的核激发转移的系统和方法，其首次由我们的实验证明和表征。

本发明涉及一种用于激发和去激发原子核的系统和方法，特别涉及一种经由声子介导的核激发转移向原子核和从原子核转移激发能的系统和方法，涵盖诸如产生带电粒子发射的应用。具体地，本发明教导了经由声子相互作用将能量转移入和转移出激发核态而产生的新型应用。

1、前言

声子-核相互作用源自对原子核进行加速或减速时所需的原子核内部核子-核子相互作用的增强校正，如在原子晶格中振动时一样。晶格振动(也称为声子)与内部核态之间的耦合导致了量子系统的临时形成(包括受影响的核和声子)，在该量子系统中能量可以非辐射转移。这种耦合的原子核和声子模式的量子系统的形成的一个结果是能量从一组核(供体)104转移到另一组核(受体)204，这一过程被称为核激发转移202，如图2所示。当量子系统的相干性维持足够长的时间时，能量也可占据中间的非共振态(也称为虚拟态)，并从核模式转移为声子模式，反之亦然。

声子被定义为原子或分子在凝聚态物质(诸如固体的原子晶格)中周期性、弹性排列的原子的集体激发。可以将其视为与振动模式相关的能量量子。振动模式描述了连接原子的周期性运动的特定空间表现。与激发模式相关的是激发模式的频率、振幅和相应的总能量。在量子力学上，可以将激发模式的总能量视为包括声子，作为能量的量子。术语声子模式用于指代这种模式。声子能量与声子模式的频率成正比，这取决于原子的空间配置。激发声子模式中的声子数是激发声子模式的总能量除以声子能量。激发声子模式的总能量(以及由此声子的数量)与振动幅度的平方成正比。

核激发转移的模拟过程是电子激发转移。尽管直到本发明前尚未考虑核激发转移，但是电子激发转移已被很好地建立并被广泛应用。最著名的是福斯特共振能量转移(FRET)。在FRET中，原子或分子耦合到(虚拟)光子，该光子也耦合到另一原子或分子。它们共同形成量子系统，在该量子系统中能量可以非辐射转移。尽管FRET通常由光子介导，但也有人提出通过声子介导发生这种在原子水平上的能量转移。经过同行评审的文献中的实例可以追溯到20世纪50年代，并包括描述声子介导的电子激发转移的模型，其中即使中介声子的能量远低于转移的激发能，也可以期望激发转移。尽管人们普遍关注光子和声子介导的电子激发转移，特别是FRET，在最近几十年中已经受到关注，但是直到本公开内容核激发转移和相关应用才被认为具有可能性。

2、概述

上一节介绍了声子介导的核激发转移，作为量子系统中非辐射能量转移的一种形式，其中，原子核经由激发的声子模式耦合到激发的声子模式和其他原子核。

如此，核激发转移可以构成许多有用应用的基础。出于一般原理的说明性目的，当考虑来自吸收中子101后留在激发态104的核102的核激发的转移，诸如在许多常见裂变反应中的第一步时，这一点变得显而易见，如图1所示。在常规裂变反应中，激发核104然后将分裂成较小的核108a、108b，通常伴随着其他分解产物，诸如中子109，也如图1所示。然而，当在裂变反应发生之前，激发核104(供体)的激发能转移到另一核204(受体)时，新激发的受体核204将发生衰变或裂变，从而产生一组不同的特征产品206，如图2所示。在此，供体核102对中子101的吸收可以看作是主要反应，受体核204的衰变可以看作是次要反应，而次要反应由核激发202向受体核204的非辐射转移触发。在宏观上，该过程导致从系统产生一组不同的反应产物206，否则该系统将导致常规裂变，并因此导致常规预期的裂变产物106。当这种转移以特定能量导致避免非预期的反应产物(诸如长寿命的镧系元素、有害中子)或当转移导致生成预期的反应产物(诸如高能粒子)时，以这种方式将核激发能转移到其他核特别有用。

如何以及如何有效地应用核激发转移并实现采用核激发转移的系统的特定工程和设计目标，取决于这种系统的实施。这种系统的核心是在晶格(如果缺少序，则为非晶态结构)中排列的核。其次，声子是在核排列中产生的，这导致形成了在核与核之间以及核与声子模式之间耦合的量子系统。所产生的声子-核耦合的强度决定了能量转移的速度–结合其他能量转移和转换通道的可用性，这决定了系统中的可用能量将流向何处以及产生什么样的宏观影响。

声子-核耦合强度以及能量转移的可选通道取决于许多参数，诸如晶格的声子模式及其激发、量子系统和各个模式中的声子能量、保持耦合量子系统的相干性的时间长度、参与量子系统的核的声子-核耦合矩阵元(在本文档中也简称为耦合矩阵元)和晶格(或非晶态结构)中核的排列，包括其核种(确定能级和参与核的相关横截面)、其距离和晶格位点占据、其数目(由于Dicke超辐射，随核数目的增加而增加耦合强度)，以及量子系统中其他核的参与，这些核提供可选性能量转移和转换通道(即它们存在于供体核可以耦合的结构的相关部分中)。

在下一节中，系统地概述了利用核激发转移原理的不同形式的核激发转移模式以及相关的应用模式。接下来是关于此类应用的实施的章节以及相关工程和设计方面的公开，包括对上述参数及其与各自的运行方式和应用模式的关系的更详细讨论。这包括指导材料和结构选择的公开内容，诸如适用于各自应用的合适晶格配置和选择的核种，用于使所提出的示例性实施例适应更广泛的与高能粒子生产相关的应用的特定设计方法，基于核激发转移的系统的通用设计方法，以及其他与设计和应用相关的方面。高能粒子包括带电粒子、中子和光子等。

通常使用各种不同的符号来描述氢的同位素。在本文中，氕、P和H-1用于描述无中子的氢核。氘、氘核、D和H-2用于描述具有一个中子的氢核。氚、氚核、T和H-3用于描述具有三个中子的氢核。

3、核激发转移的模态和应用

3.1、角各向异性和离域化

核激发转移的最简单表现包括具有相同核种的激发核和基态核的系统，其中两种核通过共享声子模式耦合。在这种情况下，核激发可以经由中间态从激发核转移到基态核。这种形式的核激发转移的实例如图3所示，其描绘了Fe-57原子核的能量图，其中一个A核的14.4keV激发态的激发能通过声子介导的核激发转移非辐射转移到相同晶格一部分的B核(和转移过程中该晶格中同一耦合量子系统的一部分)。该图遵循雅布隆斯基图的基本设置，雅布隆斯基图是原子物理学和生物物理学中经常用来说明能量跃迁的可视工具。

如共有专利申请PCT/US2018/358831中所述，这种系统中的核激发转移可能导致诸如核相位相干性引起的角度各向异性(当声子-核耦合强度相对较弱且激发转移产生共振时)和发射的离域化(当声子-核耦合强度相对较强且激发转移不共振时)等效应。

正如在PCT/US2018/35883和Metzler在2019年“研究声子-核相互作用的实验”(麻省理工学院核科学与工程系的论文可在麻省理工学院的数字空间系统获得)中所报道，我们在用Fe-57*(激发态)和Fe-57(基态)的实验中已经证明了这一点。图4-7进一步示出了具有所述配置的系统中的核激发转移。

图4描绘了包括Fe-56、Fe-57和Co-57核的振动原子晶格303，其中Co-57核(A核)301发生β衰变，导致发射电子304。图5描绘了图4的振动原子晶格，其中先前的Co-57核301现在是经过β衰变后的激发态Fe-57核(也表示为Fe-57*)。β衰变后不久，激发的Fe-57*核通常经由从该原子核位置的各向同性光子发射而去激发到其基态。然后可以观察到所得的光子是源自A核301位置的光子发射。与图中原子核相互作用的上述激发声子模式可以实现其他结果。图6示出了一种可选结果。图6描绘了图4和图5的振动原子晶格，示出了从激发的Fe-57*核301(A核，供体核)到基态Fe-57核302(B核，受体核)的声子介导的核激发转移。供体核301的激发能经由共声子模式介导的核激发转移305转移至基态受体核302，在这种情况下，该基态受体核可以容纳从供体核去激发的相同量子的能量作为核激发。后者之所以如此，是因为供体和受体核的能量水平相同，因为它们均是同一核种(Fe-57)。在该实例中，现在激发的Fe-57*B核然后按常规方式(通过辐射衰减)去激发，并从B核的位置发射光子。图7描绘了图4、图5和图6的振动原子晶格，示出了通过常规光子发射306对激发的Fe-57*核的去激发。B核的光子发射306被证明与A核的发射源不同。

在PCT/US2018/35883中描述的示例性实施例中，声子的产生由机械应力触发。在本申请中，可选实施例如图8所示，其中通过激光代替机械应力进行声子的产生，即声子模式激发，从而形成涉及晶格核的耦合量子系统。该可选示例性实施例如以下第4.1.2节详述。

3.2、通过次要反应/衰变改变核反应产物

如果在耦合量子系统中没有(或没有足够的)具有等效能级的匹配核可作为供体激发的受体，则其他核种的核可充当激发能的受体(只要它们是耦合量子系统的一部分，并且只要向它们的能量转移代表系统中能量转移的最快途径)。供体和受体能量量子之间的差异可以通过周围晶格中声子的发射或吸收来补偿。另外，系统中原子核和声子模式之间的声子-核耦合强度将确定哪些能量转移和转换通道最快从而是首选的，因此，哪些原子核或声子模式将贡献并接受激发能。

如果在这种核激发转移的情况下，接收的原子核高度不稳定，并且在接收能量量子(例如经由衰变)后不久就会破坏量子系统中的相干性，那么这种形式的核激发态转移就被称为非相干核激发态转移。以下描述表现出这种形式的核激发转移的系统的示例性实施例。换言之，该过程代表了两个核反应的耦合：涉及供体核并产生激发能量子的主要反应，以及由于激发能转移给受体而引起的涉及受体核的次要反应。

这种方法可以用于能够解决一系列预期工程结果的多种应用中：包括但不限于受体核的分解导致特定的预期带电粒子或中子发射，或者避免特定的带电粒子或中子发射。

关于前一种情况(产生预期反应产物)：包括直接电转换机制的示例性系统可能需要特定能量范围内的带电粒子。在发生核激发转移的晶格中包括产生预期能量范围的带电粒子发射的核种的受体核，满足了这种示例性系统设计要求。

对于后一种情况(抑制非预期反应产物)：可能预期由于在系统中发生聚变、裂变或衰变反应的核而显示中子发射的示例性系统不显示中子发射。通过在发生核激发转移的晶格中包括接受供体核激发的物种的受体核来避免中子发射，否则该供体核的激发会导致中子发射，以及其中受体核随反应产物衰变或分解，而不是中子发射(或可选地，除了要避免的中子发射的能量范围以外)。

图9-12进一步示出了导致带电粒子产生的模态“非相干核激发转移”的核激发转移的一个实例。实例是通过两个氘核H-2+H-2的聚变释放核结合能的系统(这在中子发生器中很常见)。图9描绘了振动的原子晶格603，其包括Li-6和Li-7核，并且具有注入的和进入的高能H-2核—诸如由核(已注入)601和核(进入的高能)604所示--(经由离子束轰击)和晶格缺陷-诸如晶格缺陷605所示-(也经由离子束轰击)；图10描绘了图9的振动原子晶格，其中两个H-2核(604和601)发生聚变反应，导致产生He-4核608和释放量子核结合能607(在这种情况下为24MeV)。常规上，即在不存在核激发转移的情况下，聚变反应将预期产生动能约为0.8MeV的He-3核和动能约为2.5MeV的中子或动能约为1MeV的H-3核和动能约为3.0MeV的H-1核或24MeV的光子。然而，如果发生聚变反应的原子核通过声子-核耦合耦合到晶格中可以接收释放的核结合能的其他原子核，则可以通过将聚变反应产生的能量量子以非辐射方式转移到受体核，例如Li-7核602来避免中子和伽马发射。图11描绘了图9和图10的振动原子晶格，其中聚变反应释放的核结合能经由声子介导的核激发转移转移到Li-7核602，从而使Li-7核602处于激发态；图12描绘了图9、图10和图11的振动原子晶格，其中激发的Li-7核602(先前已经由声子介导的核激发转移进行激发之后)通过利用动能(即高能粒子)609分解成H-3和He-4核而发生衰变。而进入的高能粒子(氢离子，诸如原子核604)的动能在keV和sub-keV范围内，而所得高能粒子(诸如原子核609)的能量在MeV范围内(由于在此过程中释放核结合能)。

在该实例中，锂箔用于提供原子晶格，并且Li-7核充当受体核，并通过置于激发态来接收来自聚变反应的转移能量。在H-2+H-2→He-4聚变反应的情况下，该能量量子约为24MeV，该能量被转移到附近的Li-7原子核并导致所述核分解，产生H-3和He-4核，如图12所示。

以上实例描述了包括氢化锂晶格的系统的情况，该氢化锂晶格提供了可以发生次要反应的受体核。可以将该应用扩展到包括其他材料的系统。原则上，对于基于声子介导的核激发转移应用，系统设计人员需要考虑核素图表中的材料。可以基于核素的能级和相关的衰变模式/衰变链、其化学性质和成本以及其他此类参数来选择核素。

具体地，在其他实施例中，以下一个或多个核种及其同位素被用作原子晶格中的受体核：H、Li、Be、B、C、N、O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、Fr、Ra、Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm。

对于基于核激发转移的应用，原子晶格中原子核的排列被描述为“晶格配置”，以下将描述针对不同应用和系统的各个实施例设计合适晶格配置的过程，包括对特定和通用系统设计过程的详细讨论，以及待包括在系统中的核种的选择标准和其他系统参数。

概括地，图14(α)和图15(中子)概述了由H-2+H-2→He-4反应释放的结合能转移到核质量数为A的核种的受体核所产生的次要反应产物。如果相应的材料作为受体核嵌入晶格中，并且晶格维持耦合量子系统，且声子-核的耦合强度足够大，从而使非相干激发转移最快并因此成为能量转移的首选通道，则显示的是所发射粒子的预期能级(有关声子-核耦合强度和实施的讨论，见下文)。图16(α)、图17(中子)和图18(质子)显示了从H-1+H-2→He-3反应释放的核结合能转移到具有核质量数为A的系统晶格中的受体核的潜在次要反应产物(即具有各自动能的高能粒子)的模拟概述。这些图说明了用于基于核激发转移的粒子产生系统的晶格配置中要使用的材料的选择。以下第4.8节提供了具有预期高能粒子输出能量的高能粒子产生系统的系统设计过程和选择标准的详细说明。

3.3、相干裂变和向较轻核素的转变

上述分解反应(诸如Li-7→H-3和He-4)可被视为不对称裂变反应或向较轻核素的转变，因为该过程导致发生这些反应的核的核种的变化。当涉及较重的核素时，这种分解/裂变反应不太可能是对称的或接近对称的--从主要核反应转移到较重核种的受体核的能量不太可能足够高以在这种受体核中达到典型相对较高的能级，从而导致对称或接近对称的裂变(约数十MeV)。学术文献描述了高能旋转状态下核的裂变以及由此产生的不同类型的裂变。具体地，导致裂变的旋转状态可以描述为：

图19原则上示出了通过增加旋转(即，通过占据高能旋转状态)从变形核602到分裂核610的过程600。图20示出了这种旋转状态的“阶梯”，其中箭头651表示基本上通过旋转所关注的核来占据越来越高的旋转状态。如果目标是对称裂变或接近对称裂变，则将占据这种旋转状态阶梯上的较高状态，并因此将更大的能量量子转移至该核。

经由不相干的核激发转移从其他核转移的能量通常不足以在这种旋转状态的阶梯上达到更高的旋转状态。然而，相干核激发转移提供了累积和转移足够数量的能量量子的可能性：相干核激发转移是在足够长的时间内保持相干性并且声子-核耦合强度足够强的激发转移，以占据高能量(数十MeV)的非共振状态。当处于非共振状态的各个能量量子足够大时，它们可以转移到受体核并占据所述旋转状态之一，从而导致裂变。如果较重核素的对称裂变或接近对称裂变是设计目标，则应采用这种方法。图21定性地示出了在从变形核602到发生裂变610的核的各个阶段的相干裂变过程中E与I之间的关系。

为了实现这种相干的核激发转移，需要相对强的声子-核耦合(如果各声子-核耦合相对较弱，那么将预期占据较低的受体核态--从而导致分解和相对更多的不对称裂变产物，而不是由于占据较高旋转状态而引起的相对更对称的裂变产物。

由于通过相干核激发转移进行的对称裂变和接近于对称的裂变反应以强声子-核耦合强度为前提，因此释放的核结合能可能不会非相干地发射，而是相干地向下转换并转移到进一步激发声子模式。有关如何设计具有强声子-核耦合强度的晶格结构的进一步说明，见本文件的第4节。

与通过带电粒子和中子发射向较轻核素的有限转变(即反应引起的受影响核中核子数的减少很小)相比，相干裂变为向较轻核素的转变提供了更大的向下阶跃的潜力。

3.4、向较重核素的转变

如果提供强声子-核耦合，则核激发转移还可以向较重核素转变。在这种情况下，可以占据足够高能量的非共振状态，从而使能量的相应转移--相当于一个或多个中子的质量能--导致消除供体核中的中子且在受体核中形成中子，这一过程可以描述为相干中子转移。由具有高声子-核耦合强度的声子介导的核激发转移诱导的相干中子转移可以导致产生比原始受体核更重的核种。

4、实施

4.1、示例性实施例

本文件的描述以足够的细节呈现，以提供对更广泛的发明主题的一个或多个特定实施例的理解。这些描述阐述并示例了那些特定实施例的特定特征，而不将本发明的主题限于明确描述的实施例和特征。在不背离本发明主题的范围的情况下，考虑这些描述将可能引起另外的和相似的实施例和特征。尽管可以明确地使用或暗示与过程或方法的特征有关的术语“步骤”，但是除非明确说明次序或顺序，否则在这些表达或暗示的步骤中不暗示任何特定的次序或顺序。

为了示例性目的，提供了在附图和这些描述中表达或暗示的任何尺寸。因此，并非根据这些示例性尺寸做出附图和这些描述范围内的所有实施例。附图不一定按比例绘制。因此，并非在附图和这些描述的范围内的所有实施例均是根据附图的相对于附图中的相对尺寸的明显比例做出的。然而，对于每个示意图，根据附图的表观相对比例做出至少一个实施例。

4.1.1、示例性实施例1

通过核激发转移诱导的次要反应表现出核反应产物变化的系统的示例性实施例在以下更详细地描述，并如图13所示。

该示例性系统500包括样品组件510、粒子检测器502以及由离子源504产生的H和D离子束505。样品组件510包括真空室506和支撑在真空室506内的样品架507上的样品508。

在一个实例中，真空室506是球形真空室，诸如由不锈钢制成并具有多个凸缘端口的18英寸外径的Lesker SP1800SEP真空室。在真空室506中，在足够低的压力下允许离子源运行，将包括氢(H-1)和氘(H-2)核的离子束505对准金属箔样品508。合适的真空室工作压力在关闭离子束的情况下为10^-7托，在打开离子束的情况下最高为10^-5。通过安装在真空室506的端口中的真空压力计512来监测工作压力。真空由真空泵511(诸如来自Edwards的nEXT 400涡轮分子泵)抽吸。

在一个实例中，样品架507是具有附接的50×50×5mm板的不锈钢杆，而样品架安装在真空室506的内部至腔室的端口之一并延伸到室的中心，以便允许将附接的样品放置在真空室506的几何中心。在一个实例中，样品508包括金属箔，该金属箔包括Li-6和Li-7核(天然锂)，测量尺寸为50×50×0.1mm。样品通过机械压力通过金属夹固定在样品架板上。

该系统被构造和操作成使得离子束505以500-1000eV范围内的能量到达金属箔靶标508。合适的离子束发生器504是来自牛津应用研究公司的DC25离子源，其通常用于在10eV-1000eV范围内的平行束蚀刻、辅助沉积和溅射应用。在一个实例中，离子源以0.1mA的束流操作。在另一实例中，束流在0.01mA至10mA的范围内变化，以最大化预期效应(如下所述)。离子源504通过牛津应用研究公司的NW63CF附件安装凸缘安装在真空室的端口中，指向真空球几何中心的样品架507上的样品508。以使金属箔样品508的表面和离子束505形成45度角的角度定位样品。DC25离子束的束直径在真空长度为100mm时为25mm。在一个实例中，离子源504用50％氢气和50％氘气的混合物操作。在另一实例中，离子源以100％氘气的气体比率运行。在另一实例中，将气体比率从100％氢气和0％氘气逐步调整到0％氢气和100％氘气，以使预期效应最大化(如下所述)。

用基于硅的表面势垒带电粒子检测器502(诸如来自Ortec的R系列检测器)检测在系统运行期间发出的带电粒子。在一个实例中，具有600mm^2的检测器尺寸的Ortec R系列检测器被安装在不锈钢检测器支架509上，该检测器支架通过类似于样品架507的支架杆将检测器502牢固地安装在真空室506内。检测器支架509经由端口凸缘的内侧上的安装件被附接到真空室。检测器502在真空室的几何中心面对样品架507上的样品508。在一个实例中，检测器502在真空室506中的位置使得其在真空室506的圆周上与离子源504分开，在一个球面方向上成45度的弧度，而在另一个球面方向上成0度的弧度。由于样品金属箔508相对于离子束504成45度角取向(参见上述说明)，因此在该配置中，检测器502的表面与金属箔样品508的表面平行。在一个实例中，检测器502的表面与样品508的表面之间的距离为50mm。在另一实例中，检测器502的位置被改变以最大化对预期效应的观察(如下所述)。检测器502通过室端口中的电馈通连接到位于真空室506外部的Ortec 142前置放大器，然后连接到Ortec 672光谱放大器以及Ortec 428偏置电源。光谱放大器的输出通过OrtecEASY-MCA 8k多通道分析仪进行数字化和分箱，该分析仪通过USB连接到Windows计算机，其中Ortec Maestro软件显示和记录带电粒子光谱，并在每个光谱一分钟内累积计数。一分钟光谱然后在后处理中较长的时间段内进一步累积。在一个实例中，将系统在其运行期间的12小时内的所有一分钟光谱相加，以形成累积光谱。设置光谱放大器的增益，以可以在系统运行期间监视1MeV至20MeV的带电粒子发射范围。可以使用Am-241校准源(可从Eckert&Ziegler获得)校准检测子系统，该校准源发射约5.4MeV的α粒子。在一个实例中，另外地将中子检测器503(诸如来自赛默飞世尔的FHT 762Wendi-2宽能中子检测器)邻近真空室506(在室的外部)放置，在该室的50cm距离内。

当离子源504被操作并且用氢和氘核轰击样品508时，其中一些核被注入金属箔中。注入并随后用高能离子轰击的结果是，根据各自的低能聚变反应截面，一些进入的H-2和H-1弹核与注入到金属箔晶格中的一些H-2和H-1离子发生聚变。另外，离子束轰击在金属箔508的晶格中产生高频声子--包括THz状态的声子--从而局部增加声子-核的耦合强度并促进核激发转移，即从核中释放的核结合能转移，其中该能量释放源于周围晶格中的其他核。

在金属箔样品508的声子-核耦合强度足够高的区域中，从聚变反应释放的结合能通过声子介导的核激发转移转移到金属箔的晶格中的Li-6和Li-7核。激发态Li-6和Li-7核的随后衰变导致核反应产物，这是常规上从这些核素因其各自的暂时激发而衰变所期望的，并由带电粒子检测器502和中子检测器503进行测量。因此，该示例性实施例描述了一种系统，其中主要核反应(氢聚变反应)导致次要核反应(激发的Li-6和Li-7的分解)产生反应产物--同时减少或抑制主要核反应的传统预期反应产物。

更一般而言，在该示例性实施例中，声子介导的核激发转移导致核反应产物的变化(从第一核反应[具有第一能量的高能粒子]至第二核反应/分解的反应产物[具有第二能量的高能粒子])。

在其他示例性实施例中，样品包括以下一种或几种元素的核及其同位素：H、Li、Be、B、C、N、O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、Fr、Ra、Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm。

4.1.2、示例性实施例2

在下文中更详细地描述并在图8中示出了通过声子介导的核激发转移显示核反应产物的变化和相关作用的系统的可选示例性实施例。在该实例中，主要核反应(也称为第一核反应)是放射性同位素的β衰变。由于缺少用于改变核反应产物和相关效应的系统(诸如以下所述)的操作，此β衰变反应的结果是随后从衰变核位置发出的各向同性光子发射。下述系统将反应的结果更改为各向异性光子发射和与衰变原子核不同的其他原子核的光子发射(即晶格中其他位置的原子核)。在图4-7中以简化为关键方面的形式说明了该机制，以强调一般原理(在以上第3.1节中详述)。

参照图8，用于光子产生的系统400包括样品组件410、具有针孔光学器件409的能量色散X射线照相机402和可调太赫兹(THz)激光器404。样品组件410包括真空室406和支撑在真空室406内的样品架407上的样品408。样品408包括金属箔，该金属箔包括放射性Co-57、Fe-56、Fe-57核和激发的Fe-57*核(后者是由Co-57核的衰变产生)。激光404发射被引导到样品408上的激光束405。激光束405提供有助于声子诱导的核能转移的声子源。

包括真空室406、真空泵411和真空计412的真空室设置与在以上章节中的示例性实施例1中所述的真空室设置相同，并且在10^-3托的真空压力下操作。

样品组件410包括平板形式的样品408。在一个实例中，样品408是细长板，并且尺寸为3”×6”×5/32”。在一个实例中，样品408是由轧制的低碳钢制成的钢板(McMaster-Carr部件号1388K546)。在一个实例中，样品408是由天然铁制成的板。在一个实例中，在板样品表面的几何中心处，放置放射性基质。在真空子系统外部的样品子系统的制备过程中，即在随后将样品安装到样品架上并抽真空之前，将放射性基质放置在板上。具体地，使用在0.1M HCl溶液(获自Eckert&Ziegler)中的0.05ml的

在一个实例中，样品408是由包括Fe-57和Co-57核的合金制成的板。在一个实例中，制备样品使得样品的一个区域(诸如左半部分)具有高浓度的Fe-57核(高于该区域中Co-57核数目的三倍)，以及样品的另一相邻区域(诸如右半部分)具有高浓度的Co-57核(高于该区域中Fe-57核的数量的三倍)。

在一个实例中，样品架407是不锈钢杆，而样品架安装在真空室406的内部到室的端口之一上并延伸到室的中心，以便允许附接样品被定位在真空室406的几何中心。在一个实例中，样品通过机械压力通过金属夹被附接到样品架板上。

激光器404是具有大于1且小于15Thz的可调频率范围的量子级联激光器。激光功率高于1mW。激光器404安装在真空室406的端口中，使得其指向由样品架407持有的样品408的中心，并且在系统运行期间以设定的频率在样品晶格中产生声子。在一个实例中，将激光器安装在真空室的外部，并且激光束通过窗口进入真空室。

能量色散X射线照相机402安装在真空室406的一个面对真空室中心的端口中。在一个实例中，X射线照相机402是来自Andor的iKon M照相机，具有1024x1024像素的分辨率和25μm的铍窗口。

放置样品408，使得样品408的表面平行于照相机402的窗口的表面。照相机窗口表面与样品表面之间的距离为50mm，并且铅(Pb)针孔光学器件409位于相照机402和样品408之间的中间位置。铅针孔光学器件409由50x50x1mm的铅板组成，该铅板的中心有0.5mm的孔，而从板的两侧打孔，两个圆锥形锥子从板的几何中心向两侧挤压。照相机402、针孔光学器件409中的针孔和样品408沿着垂直于照相机窗口表面和样品表面的轴线对准，使得照相机传感器的中心(在照相机窗口后面)对准针孔和样品表面的中心。在此配置中，激光器404呈一定角度，以使激光束405撞击样品408表面的几何中心。

在系统的操作期间，激光器404被激活，从而在样品的晶格中产生声子，并且X射线照相机402用于连续记录来自样品的光子发射的X射线图像。在一个实例中，X射线照相机402以其最快的读出速率操作以便获得关于每个像素的光谱(即能量)信息，从而允许产生用于单独的光子能带的单独的图像。在一个实例中，通过逐步扫描激光器的可调频率范围来操作激光器404。在这种配置中，激光频率的阶跃变化每12小时执行一次。在两次阶跃之间，激光器以固定频率运行。在激光器404的操作期间，X射线照相机402以空间和时间(在一些示例中为能量)分辨率记录来自样品的发射。照相机连续曝光(在照相机规格允许的范围内)。每分钟从照相机读取并存储一次图像数据，并在更长的时间段(诸如12小时)内进行汇总，以形成长时间曝光的图像。样品发射的这种图像数据也在激光器操作之前和之后获得。图像数据表示来自样品408的光子发射的空间和角度分布。

当比较操作前、操作期间和操作后不同频率(激光频率，即对应于晶格中的声子频率)的图像时，X射线图像显示了由声子介导的核激发转移引起的光子发射的空间和角度分布的变化。

发射角分布的变化由核激发的共振激发转移引起，该转移导致受影响核的核相位相干性，从而使来自那些核的各个光子发射准直。发射空间分布的变化由核激发的非共振激发转移引起，其中核激发能从核到核转移多次(在某些情况下跨宏观距离)--直到最终受体核发生光子发射为止(距最初发生β衰变的核能释放的核的距离)。

更一般而言，在该示例性实施例中，声子介导的核激发转移导致核反应产物的变化(从Co-57核位置的各向同性光子发射到其他核位置的各向异性光子发射)。

在其他示例性实施例中，样品包括以下一种或几种元素的核及其同位素：H、Li、Be、B、C、N、O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、Fr、Ra、Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm。

4.2、声子-核耦合强度参数

如上所述，在既定的配置中会出现哪些核激发转移形式(诸如非相干核激发转移、共振核激发转移、非共振核激发转移)，因此显示出哪种效应(诸如光子发射变化、核的分解和带电粒子发射)以及因此可以在既定系统中实现的应用关键取决于该系统中的声子-核耦合强度以及保持耦合量子系统的相干性的时间(在耦合量子系统内发生能量转移)。声子与核的耦合强度随以下参数的增长而增长：与核相互作用的声子模数；与原子核相互作用的声子模式中的能量(取决于声子的频率和振幅)；参与各自耦合量子系统的核数；以及相反地，参与耦合量子系统的原子核的核跃迁能。声子-核的耦合强度还取决于(随其增长)特征耦合矩阵元，该特征矩阵元素描述了各个激发转移所涉及的核的核跃迁的初始状态和最终状态之间的耦合。这些依存关系如图24所示：核跃迁能和声子极化影响耦合矩阵元的大小，以及耦合量子系统中的核数和声子能量，影响各自的声子-核的耦合强度。在图24中，实线箭头表示依存关系，非实线箭头表示依存关系对(即，实线箭头之间的两个框)中的因变量和自变量如何相关。在核跃迁能与受其影响的各个耦合矩阵元之间的关系803的情况下，如实心箭头803所示，朝上的非实心箭头802和朝下的非实心箭头801表示当所有其他因素保持固定时，较高的核跃迁能转化为较小的耦合矩阵元。

进入系统设计决策的关键因素(诸如核跃迁能和耦合矩阵元)的重要定性依存关系，如图22和图23所示。在这两个图中，激发声子模式的能量、声子模式特性和晶格配置被认为是固定的。在这种背景下，图22中的表定性地示出了耦合矩阵元幅度的相对变化如何影响相应的声子-核耦合强度，核激发转移模态以及相关效应。类似地，图23中的表定性地示出了原子核的核跃迁量子的相对变化(即当比较具有不同核跃迁能量的不同核种时)如何影响声子-核耦合强度，核激发转移模态和相关效应。

下面进一步描述了通过模拟对各个参数进行定量估计的方法。有关声子-核耦合强度特性的更多详细信息，请参阅Hagelstein博士在2018年发表的关于“声子介导的核激发转移”的论文和Metzler博士在2019年发表的论文“研究声子-核相互作用的实验”(Metzler 2019--麻省理工学院核科学与工程系的论文，可在麻省理工学院的数字空间系统获得)，两者均通过引用整体并入本文。

4.3、声子-核耦合强度映射到应用

如果声子-核的耦合强度相对较弱，则可以预期共振的核激发转移，即在初始状态和最终状态之间没有能量与晶格交换。换言之：在共振核激发转移过程中，声子仅介导能量转移，而不直接发射或吸收系统中的其他能量。在应用方面，这种形式的核激发转移会导致角度各向异性，因为受体核表现出核相位相干性。如果声子-核的耦合强度较强，则可能发生非共振激发转移，即，除了初始状态和最终状态之间的状态变化之外，系统中的能量还可以被一个或多个声子模式吸收或发射。在应用方面，非共振激发转移可表现为发射的离域，并触发次级核反应/衰变，如上文非相干激发转移部分所述。甚至更强的声子-核耦合强度也可以实现相干激发转移，因为能量以非共振态累积，最终可以转移到受体核中相对高能的核态，诸如旋转的高能态。在应用方面，这可以实现相干裂变和中子转移。具有强声子-核耦合强度并可能影响高能核态的另一个应用是处于亚稳态的临时能量存储。

4.4、确定耦合矩阵元

不同材料的特征声子-核耦合矩阵元的大小与确定既定晶格配置中可实现的声子-核耦合强度的范围有关。后者反过来确定核激发转移的可行模式，从而确定在既定系统中可以实现的应用模式的范围。用于不同材料的耦合矩阵元可以根据第一原理计算确定，或者通过测量经验确定或其组合来确定。

PCT/US2018/35883和Metzler在2019年描述的实验和测量对于探索核激发转移至关重要，因为它们提供了该现象的经验证据，并允许首次估计耦合矩阵元。这些实验导致对嵌入基态Fe-57原子核的局部BCC晶格中的激发态Fe-57*核的耦合矩阵元的第一估计。根据实验结果，我们估计了配置中的相应的声子-核耦合矩阵元，约为：V＝1.6x 10^-8eV。

Hagelstein在2018年描述了基于核结构模型的声子-核耦合矩阵元的第一性原理计算的详细步骤。

4.5、建模与工程声子特性

在既定的系统配置中，诸如在特定的晶格配置(即晶格中原子核的排列)中，以及基于不同形式的声子生成，声子模式和预期的声子能量可以通过使用凝聚态物理的标准计算工具进行建模和模拟(例如，包括Quantum Espresso代码集)。声子工程领域的出版物描述了如何创建具有特定声子特性(诸如特定声子模式和能量)的纳米结构，将其中的见解应用于基于核激发转移的系统的设计。

此外，如果在特定实施例中(即在该实施例的晶格或非晶态结构中)使用特定的核反应(例如，作为提供第一能量的主要反应)，例如，Pd或Ni晶格中的氢聚变反应，那么系统设计人员还需要考虑在晶格中创建空位，以使相应晶格中氢原子的位点占据能够允许此类原子核接近(从而增加隧穿概率和聚变截面)。可以通过许多已知方式在晶格中产生空位，包括通过离子注入和电化学共沉积。

4.6、用于向上和向下阶跃的阶跃石；避免晶格分解

如以上所讨论的，如果声子-核耦合足够强，则非共振激发转移能将核激发能转移到激发的声子模式(即晶格的振动模式)，反之亦然。但是，如果晶格的振动模式吸收的能量大到足以破坏晶格原子之间的键，那么由于通过核激发转移接受的能量，晶格会分解。

在大多数应用中，这种结果是非预期的，因为它表示系统的部分破坏。为了避免晶格分解，可将细分的核激发的中间受体包括在晶格结构中。然后，这些中间受体核可以接受供体核的激发，并以非相干方式(例如，通过较低能量的高能粒子发射)或通过将能量转移到声子模式来相干地发射该能量–从应用的角度，前者或后者可能取决于具体的设计目标(例如，如果采用直接电转换，带电粒子可能比热量更可取)是优选的。能够使能量量子“向下阶跃”的中间受体原子核可将接收到的能量转移到晶格中更宽范围的原子核上(即降低该能量的集中度)，从而降低了一部分晶格因吸收能量量子而分解的可能性，否则该能量量子将大规模破坏各个原子键。如Hg-201这样的核特别适合作为“阶跃石”中间受体。

中间体“阶跃石”以及逐步进出大型能量量子的向上和向下转换的概念已经超出了避免晶格积分的范围。“阶跃石”原子核还有助于上转换，诸如当达到更高的能量状态时，例如，在诱发相干裂变的过程中(见以上有关相干裂变的章节)。“阶跃石”原子核也可用于改变既定系统中的首选转移和转化通道，从而促进预期的能量流。

4.7、增强声子-核耦合强度和声子能

如上所述，优选的转移和转换通道以及相关的能量流受到晶格结构的配置(晶格配置)和系统中相应的声子-核耦合强度的影响。

较高的声子能级导致较高的声子-核耦合强度。进而，高声子-核耦合强度导致其中核激发能(例如，来自释放的核结合能)可以相干地转移到声子模式并进一步增加声子能级的条件。反过来，这会增加声子-核的耦合强度，从而导致更相干的核激发转移，并声子能量的相关增加等。该原理构成了基于核激发转移的系统的应用模式的基础，该系统有效地代表了声子激光器，即正反馈环路导致系统中声子能量逐步增加的过程。

以上暗示某些基于声子介导的核激发转移的系统需要初始刺激，即由于正反馈回路而在进行自我维持之前，声子能量的初始增加。通过增加声子能量来增加声子-核耦合强度的这种初始刺激可以由多种不同的声子发生器产生，包括激光、机械应力、离子束、电脉冲。核反应(诸如聚变反应)，其中释放的核结合能连贯地转移到激发的声子模式，也能够增加声子能量。声子能量的增加(通过上述方法中的任何一种)可以增加系统中声子-核的耦合强度，进而可以实现其他形式的核激发转移以及相关的次要反应。

4.8、带电粒子生成系统的设计方法

当来自不同核种的核处于激发态时(诸如通过声子介导的核激发转移接受核激发)，与产生的不同粒子种类和粒子能量分解。因此，在设计用于产生高能粒子的系统时，系统设计人员需要将要嵌入到系统中的原子核核作为受体核(通过声子介导的核激发转移而转移的能量的受体)。换言之，不同的受体核导致不同的发射粒子和粒子能量。设计一种系统，其输出产物包括在特定能带内具有动能的高能粒子，这对于诸如直接电转换之类的应用非常有用。

在可选实施例中，在晶格配置中用作受体核的核包括以下元素中的一种或几种及其同位素：H、Li、Be、B、C、N、O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、Fr、Ra、Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm。

如果需要在特定能带内具有动能的带电粒子，则系统设计人员需要考虑那些通过核激发转移而分解的核物质，该激发能激发产生预期能量范围内的具有动能的带电粒子。图14-18提供了在质量数A的整个范围内由核素种核的分解产生的高能粒子的预期动能的概述。在图14-18中的每个图中，y轴描述了既定主要核反应的各个粒子的动能(有关此信息，参见图形标题)；x轴描述了产生高能粒子的原子核的相应质量数A，所述高能粒子具有y轴上相应能量的动能。

系统设计人员需要在y轴上选择预期的能量范围，并在x轴的相应部分上识别初始质量数为A的相应核种。

如果找到几个合适的候选物，则需要考虑次要因素，诸如候选原子核的光分解横截面，其决定转移速率，进而决定了系统的效率，以及其他参数，诸如候选核种的成本和化学性质。

图25列出了在其他步骤中系统设计过程的总结，该过程导致关于预期带电粒子能量的核种的鉴别。

4.9、一般设计方法

上述设计过程涵盖更一般的设计过程的特定情况(具有特定动能的带电粒子的带电粒子生成)，该设计过程用于设计具有更大范围的输入、输出和功能的基于核激发转移的系统。

如第3节所述，基于核激发转移的系统及其设计方法可实现广泛的应用和可实现的设计目标。技术人员将希望基于多种因素来设计系统，诸如材料的可用性、其化学性质、成本、危害性和可制造性；预期的输出产品(诸如带电粒子、其他高能粒子、热量等)；触发和刺激反应所需的设备。其他设计约束可以进一步包括系统的尺寸、可靠性、效率和稳健性。

本文介绍的方法和系统涵盖了范围广泛的具体实施例，这些具体实施例可以根据特定情况和实施例中的工程和设计目标而变化。由于表现形式和可能的实施例的范围很广，因此在本文件中并未详细描述每个实施例。因此，本节提出了一般设计方法，即技术人员实现可以跨越目标和约束的广泛参数空间的特定设计目标的过程。

在可选实施例中，晶格配置中使用的原子核包括以下一种或几种元素及其同位素：H、Li、Be、B、C、N、O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、Fr、Ra、Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm。

技术人员需要相应地考虑和设计所得到的实施例：

1.预期的输入反应是什么，预期的输出产物是什么？

2.哪些材料可以视为受体核，以实现上一个问题中定义的结果？

3.在系统结构/晶格配置中应考虑哪些其他原子核，例如，作为向上或向下阶跃的阶跃石(参见第4.6节)？

4.与先前问题的答案相关，对于工程和设计约束(诸如以上列出的潜在约束)中涉及的材料，可以实现多少对应的声子-核耦合强度？为了达到预期的输入反应和输出产物，需要多少大小的声子-核耦合强度？

5.非相干核激发转移是否足够还是需要相干核激发转移(如果非相干激发转移足够，则通常首选非相干激发转移，因为其实现起来更简单)？

6.供体和受体核的预期和所需晶格配置是什么？它们的比例和距离是多少？

7.晶格的声子模式是什么？哪些声子模式应参与耦合并激发？预期和可实现的声子能量是多少？与先前问题相关的设计选择如何影响声子特性？

通过反复研究这些问题和所公开的系统设计过程，技术人员可以设置系统结构和晶格配置、输入反应以及产生预期输出产物的声子生成机制。

产生预期的系统结果的一般系统设计过程的总结如图26所示。

4.10、基于模型的声子-核耦合强度及能量转移通道的确定

考虑凝聚态动力学以及与不同能量的核态耦合的模拟可以帮助鉴别和创建与预期设计目标相对应的特定晶格结构。这样的模拟有助于确定声子-核耦合强度以及在优选的能量转移通道中，即在既定系统中优选的能量路径。

模拟的起点是以下模型，该模型描述原子晶格中的原子核和电子集合：

第一项中的矩阵M包括不同的内部核态能量作为对角元素。由非共振态占据期间核子-核子结合能的变化引起的核态能的变化可通过调节解决(应对否则产生破坏性干扰效应)：

M

上述哈密尔顿函数还包括原子核之间、电子之间以及原子核和电子之间的库仑相互作用项。现有术语包括电偶极和磁偶极相互作用。引起声子-核耦合的相对论性增强相互作用表现为a*cP相互作用。这种哈密尔顿函数表示固态应用中使用的类似哈密尔顿函数的扩展。

将电子部件与核部件分开可以简化模型。生成的模型类似于诸如嵌入原子理论中的原子间作用势模型：

可以进一步简化该模型，以侧重于声子模式与内部核跃迁的相互作用：

以上模型用作声子-核耦合强度的第一原理计算的基础，以进一步显示晶格结构的特定配置，该结构与声子介导的基于核激发转移的系统的预期应用模式和设计目标相匹配。

4.11、公开系统设计中的变化

其他实施例包括以下一个或多个。具体地，用作受体核并在系统的携带声子的晶格或非晶态结构的晶格结构中使用的材料可以是以下元素及其同位素中的一种或几种：H、Li、Be、B、C、N、O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、Fr、Ra、Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm。

晶格或非晶态结构中的原子核的排列包括晶格或非晶态结构中的原子核的配置，其中晶格或非晶态结构可以维持声子并允许声子耦合至晶格核。这包括具有诸如空位和位错的缺陷的晶格结构。

声子产生的机制包括所有用于以原子晶格或非晶态结构产生声子，特别是频率>1THz的声子的方法。

产生初始核激发(第一能量)的机制包括所有激发原子的方法，包括核聚变、核裂变、α衰变和β衰变等。

已经描述了本发明的几个实施例。然而，将理解的是可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改。因此，其他实施例在所附权利要求的范围内。