核素轰击的靶、轰击系统和方法

摘要

本发明涉及核素轰击系统及方法以及用于核素轰击的靶及其形成方法。在一个实施例中，靶可以包括具有吸氢属性的金属元素的单晶薄层，以及处于所述金属元素的单晶薄层中作为填隙核素的氢的第一同位素。所述氢的第一同位素形成包括基本沿着所述金属元素单晶中的晶格通道排列的核素的点阵。在某些实现方式中，靶的厚度可以为5μm或更小。在另外的实施例中，可以将氢的第二同位素基本沿所述金属元素的单晶中的晶格通道射向所述靶。氢的第二同位素可以具有例如大于等于约10keV的能量。

说明书

技术领域

本发明涉及用于核素轰击的靶及形成靶的方法，以及核素轰击系 统和方法。

背景技术

当前对可控核融合(聚变)的研究主要集中在磁场约束和惯性约 束两个方向，例如已经开发出各种托卡马克(Tokamak)或超级托卡 马克装置，以及激光诱发的氘球内爆装置等。

另外，已经报导对用氘射束轰击铒的氘化物靶进行过实验研究， 然而发现，虽然可以检测到该撞击导致的核融合(聚变)，但是由于韧 致辐射而无法达到能量平衡。

还提出了用极低温固态氘/氚(D(即，²H)/T(即，³H))或者用 含氘/氚的重水凝结成冰作为靶，但是对于前者，难以保持持续超低的 温度；对于后者，难以实现有效率的能量传递。

至少部分针对上述问题，提出了本发明。

概述

应理解，本发明的应用范围是广泛的，而并不限于核融合应用。

因此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于核素(nuclide) 轰击的靶。可以提高入射的D/T和靶中的D/T的碰撞几率。所述靶可 以包括：具有吸氢属性的金属元素的单晶薄层，以及氢的同位素(例 如，氘、氚)，其处于所述金属元素的单晶薄层中作为填隙核素，其 中，所述氢的同位素形成包括基本沿着所述金属元素单晶中的晶格通 道排列的核素的点阵。在一些实施例中，靶的厚度可以为5μm或更 小，优选地，3μm或更小，更优选地，2μm或更小，更优选地，1.5 μm或更小，更优选地，1μm或更小。

根据本发明的另一方面，提供了一种形成该靶的方法。所述方法 可以包括：提供具有吸氢属性的金属元素的单晶薄层；以及，利用所 述金属元素单晶薄层吸收包含氢的同位素的流体，使得氢的同位素进 入所述金属元素的单晶中作为填隙核素，其中所述氢的同位素形成包 括基本沿着所述金属元素的单晶中的晶格通道排列的核素的点阵。在 某些实施例中，将所述金属元素单晶薄层在低温下浸入在富含氢的同 位素的流体中，从而吸收氢的同位素。然而本发明不限于此，在某些 其他实施例中，可以在高温高压下将所述金属元素单晶薄层浸入在富 含氢的同位素的流体中，从而吸收氢的同位素。

根据本发明的再一方面，提供了一种核素轰击系统。所述核素轰 击系统包括：如前所述的靶；以及，轰击装置，用于将另外的氢的同 位素基本沿所述金属元素的单晶中的晶格通道射向所述靶中的所述点 阵。

根据本发明的又一方面，提供了一种核素轰击方法。所述方法包 括：提供如前所述的靶，以及将另外的氢的第二同位素基本沿所述金 属元素的单晶中的晶格通道射向所述靶中的所述点阵。

在某些实施例中，入射的氢的同位素可以具有大于等于约10keV 的能量。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于核素轰击的靶，其特征 在于，包括：包括单晶薄层的靶体，以及第一元素的同位素，其处于 所述单晶薄层中作为填隙核素，其中，所述第一元素的同位素形成包 括基本沿着所述单晶中的晶格通道排列的核素的点阵。

根据本发明的再一方面，提供了一种核素轰击系统，其特征在 于，包括：前述的靶，以及轰击装置，用于将第二元素的同位素基本 沿所述单晶中的晶格通道射向所述靶。所述第一元素可以选自：氢的 同位素、氦的同位素、硼的同位素、铝的同位素等。

根据本公开的不同方案，至少可以实现以下下列效果中的一项或 多项：

提供了新的用于轰击的靶及其形成方法；

提供了新的轰击靶的方法和系统；

较大提高入射核素和靶中的填隙核素的碰撞几率；

约束(乃至低温冻结)靶金属的晶格振动从而降低了晶格对入射 射束的碰撞；

有利于控制靶的温度、再结晶、维持其单晶态和晶格完整；

有利于能量收集；

有利于轰击过程以及反应过程控制；以及

有利于资源节约。

附图说明

附图构成说明书的一部分，其描述了本公开的实施例，并且连同 描述一起用于解释本公开的原理。参照附图，根据下面的详细描述， 可以更加清楚地理解本公开。在附图中：

图1是示出作为吸氢金属的一个示例的钯的晶格结构的示意图；

图2是示出了钯-氢体系中氢原子在一种典型的相下Pd-H(或 Pd-D/T)中的位置模型的透视图，并且示出了各Pd和H核素在晶格 坐标系下的(x,y,z)坐标(以Pd的晶格常数为1单位)；

图3A示出了根据本公开一个实施例的钯(Pd)靶中两个相邻Pd 晶胞的透视图；

图3B示出了图3A的晶胞的正视图；

图3C示出了图3B的视图的部分放大视图；

图3D示出了从图3A的晶胞上方向下看(即，在晶格的[001]方向 (晶格矢量(0,0,-1)的方向上))的俯视图；

图3E示出了图3D的[110]面的截面图；

图3F是图3C的部分放大视图；

图4是根据本公开一个实施例的用核素轰击靶的示意图；

图5是D和T碰撞发生核聚变的示意图；以及

图6是根据本公开一个实施例的核素轰击系统的示意图。

应理解，附图仅仅是示例性的，并且为了便于描述，附图中所示 出的各个部分的尺寸并未按照实际的比例关系绘制。另外，在附图中， 用钯(Pd)作为靶金属的例子，但如下面所说明的，靶金属并不限 于钯(Pd)。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的示例性实施例。应注意，除 非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、 数字表达式和数值不限制本公开的范围。

以下对实施例的描述上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其 应用或使用的任何限制。并且，在下面的说明中，对于相关领域普通 技术人员已知的技术、方法和部件可能不作详细讨论，但在适当情况 下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是 示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具 有不同的值。

应注意，在附图中相同的附图标记表示相同的对象，因此，一旦 某一对象在一个附图中被说明，则在后续的描述中不再对其进行进一 步讨论。

注意，在以下的说明中，在没有相反说明的情况下，术语“氢”是 指元素周期表中第一号元素的各种同位素，也即，包括H、D和/或T 等；术语“氢的同位素”或者“氢的第一/第二同位素”是指元素周期 表中第一号元素的除了¹H以外的同位素，例如D、T等。类似地，对 某其它元素的引述是指该元素的各种同位素；而对某其它元素的同位 素的引述是指该元素的能够进行聚变反应的各种同位素。术语“核素” 是指包含原子核的粒子或粒子团，包括但不限于，例如，原子、离子、 离子团簇等等。

在本公开的实施例中，提供了用于核素(也称作轰击核素)轰击的 靶。该靶包括金属的单晶薄层，以作为靶体。在一些实现方式中，所 述金属可以是具有吸氢属性的金属。所述具有吸氢属性的金属也即氢 (包括其同位素)可以溶解在其中的金属，例如但不限于，铂(Pt)、 钯(Pd)、钛(Ti)、镍(Ni)等。所述靶还包括氢的同位素(也可 称为第一同位素)，例如氘和/或氚。所述氢的第一同位素处于所述金 属的单晶中作为填隙核素。优选地，所述靶可以包括一个或多个所述 具有吸氢属性的金属的单晶薄层，所述单晶薄层中吸附有较大量氢的 同位素。在某些实施例中，该靶甚至可以是氢饱和的。

图1示出了作为吸氢金属的一个示例的钯的晶格结构的示意图。 如图1所示，钯(Pd)晶体属面心立方(fcc)结构，每个晶胞包含4 个Pd原子，4个八面体填隙位(O)和8个四面体填隙位(T)。有 报导指出，在氢核素溶解在晶格中时，其占据八面体填隙位(O)。

图2示出了钯-氢体系中氢核素(在此，原子)在一种典型的相下 钯-氢中的位置模型的透视图，其中氢核素填充了晶胞的所有八面体 填隙位(O)。并且，图2中示出了各Pd和H原子在晶格坐标系下 的(x,y,z)坐标(以Pd的晶格常数为单位)。如从图2可以看到的， 在氢填充了晶胞的所有八面体填隙位时，氢核素可以形成fcc的子晶 格。然而，图2示出的是氢核素溶解在钯晶格中的理想情况下的氢核 素分布，然而，实际的溶解过程中，还存在在氢在钯中的扩散，因 此，Pd晶格中的O填隙位可能不是都为氢核素所占据。

尽管如此，氢的核素(例如，D或T，即，第一同位素)可以在 Pd单晶中形成包括基本沿着单晶钯的晶格的<110>晶向排列的核素的 点阵，如图2中的点划线A-A’和B-B’所示。如本领域技术人员将容 易理解的，在图2中，点划线A-A’和B-B’为基本沿着钯单晶晶格的 <110>晶向。结合图3A-3E，本领域技术人员将容易理解，氢的核素 (例如，D或T)可以在钯(Pd)单晶中形成包括基本沿着单晶钯的 晶格通道排列的核素的点阵。在此，需要注意的是，图2是透视 图，因此，点划线A-A’和B-B’未被示出为彼此严格平行。

由于该晶格通道，进入到晶格通道中的入射(轰击)的核素(例 如，D/T的离子)的韧致辐射要小得多，轰击的核素可以更加深入到 靶内，并且较大增加了入射核素和填隙核素碰撞的概率。此外，由于 金属单晶中晶格原子(原子核和电子云)的约束，可能将入射射束“挤 压”使其进入晶格通道，而靶中富含的氢的(第一/填隙)核素正处于 晶格通道中的填隙位中，从而可以进一步增加晶格通道内入射核素的 密度，从而相应可以增加入射核素和填隙核素碰撞的概率，也因此可 以增加可能的核融合的概率。另外，由于晶格通道边缘处晶格原子的 约束，被挤入到晶格通道中的轰击核素会被束缚而不易离开通道，从 而也增加了入射核素和填隙核素碰撞的概率。

图3A示出了根据本公开一个实施例的钯(Pd)钯中两个相邻Pd 晶胞的透视图，其中每一个大的圆代表Pd原子，而小的未填充的圆 代表氢元素(即，D/T)的杂质。这里，将以D作为示例进行说明。 Pd原子301和305是从图2的箭头C-C’所示方向看晶胞时离观察者 最近的两个顶角原子，对应于图2中坐标分别为(0,0,1)和(0,0,0) 的Pd原子。如图2中所示，箭头C-C’是沿着晶胞的上表面的对角线 c-c’方向，也即<110>晶向。原子301、311、321和315构成了该晶胞 的[0,0,1]面(即，图2中的上表面)上的四个顶角原子，而原子313 是该晶面上的处于面心的原子。Pd原子303、315、319、323以及Pd 原子317构成了另一晶胞的[0,0,1]面上的四个顶角和面心的原子。

原子341、343、345和347表示晶胞含有的D杂质。D原子341 对应于图2中坐标为(0,0,0.5)的氢原子。注意，在图3A中仅仅示 出了部分氘杂质，例如，并未示出[0,0,1]晶面上的D杂质。

Pd原子331/335和333/337则分别是[0,1,0]面上的面心原子和 [1,0,0]面上的面心原子，分别对应于图2中的坐标(0.5,0,0.5)处的 Pd原子和坐标(0,0.5,0.5)出的Pd原子。

Pd原子371、373、375、377和379表示两个相邻的如图2所示 晶胞立方体中的下表面的对角线上的原子，在下面的图3E中更好地 示出。

图3B示出了图3A的晶胞的正视图，也即从图2的箭头方向(也 即，单晶Pd的晶格的<110>晶向)看晶胞的情况下的正视图。图3B 中的虚线框表示晶胞的立方的表面。例如，虚线框361表示原子301、 305、311和371构成的表面，其对应于图2中所示晶格的[100]面，也 即坐标为(0.5,0,0.5)的面心原子所处的表面。虚线框363表示原子 301、305、315和375构成的表面，其对应于图2中所示晶格的[010] 面，也即坐标为(0,0.5,0.5)的面心原子所处的表面。

从图3B可见，在相邻的Pd原子331和333之间，存在空间350。 图3C示出了图3B的视图的部分放大视图。在图3C的放大视图中， 更佳地示出了该空间350。应理解，D杂质341在该空间350的前方， 也即，更靠近观察者，如从图3D中更佳地示出的。

图3D示出了从图3A的晶胞上方向下看的俯视图，其中白色小圆 表示未被遮蔽的D核素杂质，而黑色小圆表示被Pd原子遮蔽的D杂 质，如341所示。图3D中的D核素381被四个同层级的面心原子(例 如，331等)环绕，并且其上方被原子313遮蔽，相应地其下方也存 在一个紧邻的Pd原子(未示出)。容易理解，D核素381对应于图2 中所示的坐标为(0.5,0.5,0.5)的中心的氢核素，其被6个面心Pd原 子(其构成图2中的中心八面体)环绕。图3D中还示出了晶格的示 例性的<110>晶向和[110]晶面。顺便提及，本领域技术人员将容易理 解，晶向<110>与<101>、<011>是等效的，<100>与<001>、<010>是 等效的，区别仅在于如图2所示的坐标系的原点的位置和轴的取向； 对于晶面也是如此。

图3E示出了图3D的[110]面的截面图。图3E中示出了处于该截 面上的D杂质，例如345、381等。Pd原子391、393、395、397表 示该截面后方的面心Pd原子，其对应于处于图2中所示的坐标为 (0.5,1,0.5)和(0.5,1,1)的Pd原子。图3E中亦示出了类似的空间 350。

本领域技术人员将理解，图3A-3E的图示是基于金属晶格原子的 刚性小球的假设的。本领域技术人员还将理解，原子包括原子核和电 子，而原子体积的较大部分被电子(或者说，电子轨道或电子云)所 占据，并且外层轨道的电子相对于内层轨道电子在空间分布上会更加 稀疏。因而，由于空间350的存在以及稀疏的外层电子分布，因此当 D/T射束基本沿Pd晶格的<110>晶向，由于Pd晶格原子对入射射束 的“挤压”作用，进入靶的入射射束可以基本被限制或者约束在基本 沿着Pd晶格的<110>晶向延伸的“晶格通道”内行进，从而提高了 D-D或D-T碰撞的几率。这里，将这样的通道称作晶格通道。

容易理解，这里所示的晶格通道是由构成靶的金属的晶格核素限 定的通道，其基本沿着一定晶向，例如在图3B中，沿着Pd晶格的<110> 晶向。

图3F示出了图3C的部分放大视图。如图3F所示，Pd原子的刚 性小球311、301、371和305的球心基本位于矩形的各顶角。这里假 设了彼此垂直的x和y轴以便计算。x-y坐标的原点位于小球331的 球心。为了计算的方便，令x-y坐标的单位一致，并且令小球311、 301的球心的连线与y轴相交点(也即，球311、301的切点)坐标为 (0,1)，相应地，小球301、305的球心的连线与x轴相交点坐标约 为本领域技术人员根据图3C和图3F将容易理解，图 3F中一个单位约等于Pd晶格常数(a)的二分之一；图3F中矩形的 长边长为2(＝晶格常数a)，短边长度为(晶格常数a)。

因此，根据刚性小球假设，可以计算图中的小球间的空间，也即 图3F中的矩形中的空白区域。图3F中还示出了球301和331在该正 视图投影中的一个交点A。在一个示例中，采用直角三角形近似，如 图3F中的三角形T所示。其中过圆301与矩形右侧边的交点A作一 与x轴平行线，其与圆331相交于交点B。于是点A、B以及点构成三角形T。根据计算，三角形T的直角长边长度 直角短边长度 $E=r-\sqrt{r^2-h^2}=r-\sqrt{{(\sqrt{2}/2)}^2-{(1-\sqrt{2}/2)}^2}\approx 0.063513.$因此，图3F中的矩形中 的该矩形的面积相对于该空白区域的面积的比例可 以约为

考虑到前述挤压效应的影响，在入射在图3F所示的矩形中的入射 粒子D/T会被挤压到空白区域或其附近空间，从而形成“晶格通道”。 并且，从图3C可见，靶中的D/T核素基本沿该晶格通道排列，如图 4所更佳地示出的。因而，该矩形的面积相对于该空白区域的面积的 比例可以等效为一放大系数M_A，如前所述的，其可以近似为38。

考虑到原子的电子云及外层轨道电子的稀疏，以及靶中D/T核素 的存在，假设采用矩形近似，如图3F中的R所示，矩形R的面积为 三角形T的两倍，从而在这样的近似下，放大系数M_A约为19。。但 本领域技术人员应理解，实际的放大系数可能远大于19而接近38。

应理解，该数值仅仅是示例性的而非限制性的。由于可虑不同的 模型和计算的精度，该放大系数的数值也可能会有所不同。

应当理解，尽管这里以钯(Pd)作为示例进行了说明，然而本发 明还可以应用于(且并不限于)铂、镍等。例如，其它的具有吸氢属 性的金属(例如，过渡金属)也是可以适用的。

靶的厚度优选为这样的厚度，该厚度使得所得到高能的聚变产物 (例如，高能粒子)能够离开靶而不会导致显著的能量损失。在本公 开的一些示例性的实施例中，靶的厚度可以是，例如，5μm或更 小，优选地，3μm或更小，更优选地，2μm或更小，更优选地，1.5 μm或更小，更优选地，1μm或更小。而在另外的实施例中，根据其 不同应用，靶可以采用其它的厚度。

此外，在本公开的一些实施例中，靶被降温，以约束所述金属元 素单晶的晶格的热振动，从而可以降低晶格振动对入射核素(这里， 也可以称作入射射束)的影响(例如，散射)。这里使用的术语“降低 的温度”包括常温(例如室温，大约300K)或更低，甚至可以直至接 近0K。例如，可以通过水、液氮、液氦等浸透或者升华，来提供低 温。

在一些实施例中，如稍后将参照图4说明的，靶的入射表面基本 与所述金属元素的单晶的晶格通道垂直，也即成基本90度的角度。 在上述Pd的示例中，靶的入射表面(见，图4的407)基本与Pd单 晶晶格的<110>晶向(即，晶格通道的方向)垂直，也即，靶的入射 表面基本沿着Pd单晶晶格的<110>晶面。然而，本发明并不限于此， 在某些其它实施例中，靶的入射表面可以基本与所述金属元素的单晶 的晶格通道成其它角度。

在一些实施例中，对靶中氢的同位素的含量没有特别的限制，优 选不导致破坏单晶靶的晶格完整性即可。例如，靶中氢的同位素的含 量可以为小于等于约20原子百分比。已知，在这样的含量的情况 下，不会导致Pd单晶的相变。

在本公开的一些实施例中，可以通过如下的方法来形成上面所述 的靶。提供具有吸氢属性的金属元素(例如，Pd、Pt、Ti、Ni等)的 单晶薄层。例如，该薄层可以具有例如大约5μm或更小，优选地，3 μm或更小，更优选地，2μm或更小，更优选地，1.5μm或更小，更 优选地，1μm或更小的厚度。这些金属元素的单晶层的制备方法是 本领域中已知的，例如，单晶钯可以通过充分退火来形成，因此在此 省略对其详细说明。利用所述金属元素的单晶薄层吸收包含氢的(第 一)同位素的流体，使得氢的第一同位素进入所述金属元素的单晶中 作为填隙核素。

这里，仍以钯(Pd)为例进行说明。在单晶钯(Pd)吸收氢核素 (例如，氢分子)时，氢分子首先被钯表面吸附，随即离解成原子， 溶入钯内部，形成固溶相。从而，如前所述的，所述氢的同位素形成 包括基本沿着所述金属元素的单晶中的晶格通道排列的核素的点阵。 对其它吸氢金属也可以存在类似的过程。另外，在钯(Pd)晶体吸氢 时，晶格可能发生些许膨胀，但仍保持fcc结构。在此，认为吸氢所 引起的厚度的增加可以不予考虑。

在本公开的一些实施例中，还可以通过降温来约束单晶金属的晶 格的热振动能量，以降低晶格振动与射束的碰撞，从而降低或消除了 晶格振动的影响。

图4是根据本公开一个实施例的用核素轰击靶的示意图。首先， 提供前述的靶，如前所述地，所述靶包括例如单晶钯401以及作为填隙 核素的氢的第一同位素(例如，D或T)403，其中氢的同位素形成包括 基本沿着所述金属元素单晶中的晶格通道排列的核素的点阵。接着， 将另外的氢的同位素405(也可称为第二同位素，也即，轰击核素)， 例如，T和/或D，以大于等于10keV(千电子伏特)的能量基本沿所 述金属元素的单晶中的晶格通道射向所述靶。

在一些实施例中，入射能量可以是但不限于，例如，10～100 keV、10～200keV。一般认为，要撞击的氢的同位素核素具有10 keV的相对能量，即可有足够的发生核融合的概率。然而，应当理 解，本发明的应用显然不限于核融合应用。另外，还应当理解，本发 明中的轰击核素并不限于单个D或T的原子或离子，其也可以包括离 子团簇，例如D₃⁺(其表示3个D原子核构成的带一个正电的离子团) 等。

图5是D和T碰撞发生核聚变的示意图。²H(即，D)和³H(即， T)发生核融合，生成高能的中子(n，具有约14.1MeV的能量)和 高能的氦核素(⁴He，具有约3.5MeV的能量)。也就是说，D/T的核 融合可以贡献大约17.6MeV的能量。相对于10～100keV的入射能 量，该反应的能量放大系数M_E约为1700～170。核融合产生的高能粒 子可以被收集以收集其能量用于例如发电等。

另外，D和D或者T和T的碰撞也可以导致核融合，需要的能量 要高于D/T碰撞，T/T碰撞需要的能量更高，相应地，发生的概率也 相应低得多。因此，在本公开的一些实施例中，主要考虑D/T碰撞， 然而应理解，本发明并不排除考虑D/D和T/T碰撞发生和融合的可能 性。这也就是说，入射的第二同位素可以与靶中的第一同位素相同或 者不同。

如前所述的，由于晶格通道的存在，进入到晶格通道中的入射(轰 击)的核素(例如，D/T的离子)的韧致辐射要小得多，轰击的核素 可以更加深入到靶内，并且较大增加入射核素和填隙核素的碰撞截面。

而根据常态理论，核融合的反应速率f被定义为f＝n₁n₂<σv>，其 中，n₁和n₂分别是入射射束和靶内的反应物(即，氢的同位素)的浓 度(密集度)，σ为反应截面，v为速率(这里是入射核素的速率)。 因此，晶格通道内的反应速率(进而，靶内的反应速率)将得到较大 提升。

在本公开的一些示例性的实施例中，可以采用厚度较薄的靶，例 如其厚度可以是5μm或更小。具有10keV或更高能量的D/T轰击核 素可以具有达到约0.5μm的入射深度。氘/氚的碰撞次数与入射射束 以及靶中氚/氘的浓度和入射的氘/氚核素的投影射程成正比。入射 D/T粒子的浓度并非是本发明所关注，但在某些实施方式中，入射 D/T粒子的浓度可以为例如但不限于1×10¹²atom/cm²至1×10¹⁸atm/cm²。根据本公开的一些优选实施例，每一入射的离子平均可以 有250次碰撞的机会。据计算，每100个入射的D/T核素中有一个产 生核融合反应，即可以达到能量平衡；或者，若在三万四千次氘/氚 碰撞中能有一次的热核反应，将可达到能量平衡。

另外，这样的厚度使得核融合生成的高能核素(粒子，例如中子n 和氦⁴He)能够迅速飞逸出靶从而被能量收集装置或者探测器收集。 这样的厚度还使得可以容易控制该靶的温度，从而一方面易于维持其 晶格，例如，以减少晶格振动，另一方面还易于控制其再结晶从而使 其保持在单晶态。

在一些实施例中，未反应的残留在靶中的入射的D/T核素可以在 靶中扩散，并作为填隙核素，从而与后续入射核素的碰撞，也就是说， 作为可能的后续反应的“燃料”。另外，可以根据靶中D/T的含量来调 整入射射束中的成分，例如T/D的含量，或者在T/D之间切换。由于 靶的单晶态一直被维持，因此，燃料耗尽的靶还可以容易地再利用， 从而节约了资源。

这里，优选地，靶的入射表面407(图4)基本与所述金属元素的 单晶的晶格通道垂直。例如，Pd靶的入射表面407基本沿着其单晶的 晶格的[100]晶面，如图4所示。

另外，如前所述的，还可以通过极低的温度来约束单晶金属的晶 格的振动。从而，可以降低晶格振动对入射核素(这里，也可以称作 入射射束)的影响(例如，散射)。由于入射(轰击)的射流具有相 对高的能量，以及可能的核融合反应，可能导致单晶靶的单晶结构可 能受到损伤。然而，另一方面，由于射流和核融合反应导致的高温将 有利于受损部分的再结晶。就此而言，降低的温度也可以有利于促进 靶受损部分的快速再结晶。本领域技术人员将理解，可以在辐射强度 和持续时间与靶的再生温度和时间之间进行一定的折衷。

图6是根据本公开一个实施例的核素轰击系统600的简化示意图。 核素轰击系统600可以包括：如前所述的包括氢的第一同位素的单晶 靶601；以及，轰击装置603，用于将氢的第二同位素(605)以大于 等于10keV的能量基本沿所述靶的单晶中的晶格通道射向所述靶。

这里，系统600还可以包括其它一些可用但非必要的特征。例如， 靶可以设置在腔室607中的支持物609上。又例如，可以在支持物609 处设置冷却装置，用于通过降低的温度约束所述金属元素的单晶晶格 的振动和/或促进其再结晶。容易理解，可以在腔室607内，尤其是支 持物609处，设置各种感测设备，以便于监视和控制反应以及系统操 作。例如，如前所述的，可以监测靶的温度、靶中的D/T含量等等， 从而相应调整射束的成分、入射的功率和持续时间(占空比)等。

另外，系统600还可以包括能量收集装置611，其可以是例如储水 容器(其可以是外部系统(例如利用蒸汽发电的系统的一部分)，以 用于收集由所述氢的第一同位素被所述氢的第二同位素轰击所产生的 高能粒子及其能量。收集的能量可以用于发电。

根据发明人的计算，本发明在理想情况下的能量放大系数可以为

${\tilde{M}}_E=Y·M_E·M_V·M_A·M_1·M_{\mathrm{con}}={10}^{-5}·{10}^3·38·38·3·1\approx 43,$

其中：

Y表示在随机方向(或者说，在非有意沿着前述晶格沟道方向上 入射)进入靶的入射粒子(D/T)与杂质粒子(T/D)发生聚变反应的 概率，通常Y在10^-5至10^-6的量级，这里在理想情况下取10^-5；

M_E表示入射粒子与杂质粒子(例如，D-D或D-T)碰撞发生聚变 反应的能量放大系数，对于例如10KeV至100KeV的入射能量，通常 在100至1700之间，这里，在理想情况下取1000；

M_V表示由于前述的晶格沟道对入射粒子的“挤入”效应而导致的 几何放大系数，这里为约38；

M_A与M_V类似，表示由于前述的晶格通道导致的对同位素杂质粒子 的几何放大系数，这里为约38；

M₁表示估算的根据本发明的方案沿所述晶格通道入射的入射粒子 穿透靶的程度相对于在随机方向入射的情况下入射粒子穿透靶的程度 的放大系数，约为3；

M_con表示根据本发明的方案溶解在靶中的同位素杂质粒子的浓度 相对于在常规的靶的情况下的浓度的比例，这里取其为1。

在保守的情况下，能量放大系数可以为

${\tilde{M}}_E=Y·M_E·M_V·M_A·M_1·M_{\mathrm{con}}={10}^{-6}·170·38·38·2·3\approx 1.4.$

这里，在保守情况下，Y取10^-6，M_E取170，M_V为约38，M_A为约 38，M₁取2。另外，需要说明的是，如这里相对于前述理想状况Y和 M_E有10倍或者接近10倍(例如，在M_E取1700的理想情况下)，这 里M_con取其为3(即，为常规的靶的情况下的浓度)，即可基本为正的 能量产出。

也就是说，根据本发明，可以实现能量平衡，并且可以提供正的 甚至较高的正能量产出。

应理解，尽管在此在氢及其同位素的背景下进行了说明，然而本发明 并不限于此。本领域技术人员根据本公开的教导将理解，本发明的原理 也可以适用于其它聚变燃料(例如，氦的同为素(例如，³He)，硼的同 位素(例如，¹¹B)，等等)和相应的靶材料。

因此，本公开的实施例还构思了另外的用于核素轰击的靶以及包 括该靶的核素轰击系统。所述靶可以包括：包括单晶薄层的靶体，以 及第一元素的同位素，其处于所述单晶薄层中作为填隙核素，其中， 所述第一元素的同位素形成包括基本沿着所述单晶中的晶格通道排列 的核素的点阵。所述第一元素可以通过例如吸附-扩散、掺杂-扩散、 固体互溶、或注入-退火等工艺等等并入到靶体中，并可以通过另外 的晶化工艺(例如，退火)使单晶薄层保持单晶状态。

所述核素轰击系统可以还包括轰击装置，用于将第二元素的同位 素基本沿所述单晶中的晶格通道射向所述靶。应理解，所述第一元素 和第二元素可以是相同的或不同的，所述第一元素的同位素和所述第 二元素的同位素也可以是相同或不同的。

还应理解，在某些实现方式中，优选所述第一元素的同位素和所 述第二元素的同位素能够碰撞发生聚变反应，例如，所述第一和第二 元素可以选自元素周期表中从氢直至例如铁的诸多元素的同位素。例 如，所述第一元素可以选自：氢的同位素、氦的同位素、硼的同位素、 铝的同位素等。本领域技术人员根据本公开可以容易地选择对应的可以 与所选择的第一元素发生例如聚变反应的第二元素，以及相应的靶材 料。

至此，已经详细描述了根据本公开的实施例。为了避免使本公开的要 点模糊，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据本公 开的教导，可以明白如何实施这里公开的技术方案及其具体细节。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是 本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是限制 本公开的范围。并且本领域技术人员将理解，本公开的各实施例及其示 例可以自由地组合。因此，本领域的技术人员应该理解，可以本公开的 实施例进行多种修改和变更而不脱离本公开的范围和精神。因此，本公 开的范围仅由所附权利要求来限定。