CN110998875A - 用于从原子核产生光子发射的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于从原子核产生光子发射的系统，所述系统包括用于产生声子的装置和包括原子核的凝聚体介质。声子与原子核相互作用，并通过将能量转移到原子核并使原子核发射光子来影响某些原子核的核态。

Description

用于从原子核产生光子发射的系统和方法
相关共同未决申请的交叉引用
本申请要求2017年6月5日提交的名称为“Probabilistic Models for Beam,Spotand Line Emission for Collimated X-ray Emission(用于准直X射线发射的束源、点源和线源发射的概率模型)”的美国临时申请序列号62515393的权益，其内容通过引用明确地并入本文。
本申请要求2017年6月7日提交的名称为“Probabilistic Models for Beam,Spotand Line Emission for Collimated X-ray Emission(用于准直X射线发射的束源、点源和线源发射的概率模型)”的美国临时申请序列号--------的权益，其内容通过引用明确地并入本文。
本申请要求2017年11月14日提交的名称为“Temperature Change Stimulationof Stress-Induced Nuclear Excitation(应力诱导的核激发的温度变化刺激)”的美国临时申请序列号62586144的权益，其内容通过引用明确地并入本文。
本申请要求2018年5月23日提交的名称为“Phonon-mediated nuclearexcitation and de-excitation(声子介导的核激发和退激)”的美国临时申请序列号62675755的权益，其内容通过引用明确地并入本文。
发明领域
本发明涉及一种用于从原子核产生光子发射的系统和方法，具体涉及一种通过声子介导的核态激发从原子核产生光子发射的系统和方法。
发明背景
原子核可以吸收能量，从而使这种核处于受激态。为了激发原子核，可以将能量从原子核外部耦合到原子核中，或者能量可以源自原子核本身内的核反应。不同的核素表现出不同的离散能级，也称为核态。如果匹配的能量可以转移到这种原子核中或从这种原子核中转移出去，则这些是相应的原子核能受激或退激的能级。与给定原子核的可能的受激态相对应的能级由其内部组成决定，例如特定核素的原子核所包含的中子和质子数。原子核的可能的受激态的能级也称为那些原子核的核共振。当原子核处于受激态时，它可以变为低受激态或变为未受激态，也称为原子核的基态。从高受激态到低受激态或到基态的过程称为退激。在退激的过程中，与原始状态和最终状态之间的差相对应的量的能量从原子核中转移出去。
参照图1，原子核的激发和退激通常通过分别经由光子102、104吸收或发射能量，或分别经由例如中子或带电粒子之类的高能粒子101、103的吸收或发射来进行。尽管这些方法可以实现广泛的核工程应用，但存在与之相关的缺点。为了经由光子或高能粒子激发原子核，通常需要大型且昂贵的固定设备，例如粒子加速器，其通过电磁装置将粒子加速至所需的能级。反过来，当能量从受激的原子核转移到光子和高能粒子时，所产生的辐射通常会穿透人体并对人体有害，并且难以利用和转化为更理想的能量形式。因此，以更简单、更经济且更安全的方式采用替代方法来实现原子核激发和退激更加实用。
发明内容
总体而言，在一个方面，本发明的特征在于一种用于从原子核产生光子发射的系统，所述系统包括用于产生声子的装置和包括原子核的凝聚体介质。声子与原子核相互作用并通过将能量转移到原子核并使原子核发射光子来影响某些原子核的核态。
本发明的这个方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。用于产生声子的装置经由应力引起的位错运动产生声子。用于产生声子的装置被配置为将应力施加到凝聚体介质上。用于产生声子的装置还被配置成向凝聚体介质施加热量。用于产生声子的装置包括细长板和分别附接到细长板的第一端和第二端的第一夹具和第二夹具，并且其中第一夹具和第二夹具被配置成将应力施加到细长板的第一端和第二端上，并使细长板内发生位错运动。凝聚体介质包括放射性材料。凝聚体介质包括粘合到细长板的中心的蒸发的57CoCl2的环形基板(称为“基板”)。环形基板上还涂覆有环氧树脂。细长板包括位错密度为108/cm2至1016/cm2的钢。第一夹具和第二夹具在细长板的第一端和第二端上施加约2000lbs的压缩应力。每个夹具包括第一板和第二板，并且第一板和第二板覆盖细长板的顶面角和底面角，以使得细长板被两个板覆盖的每个区域形成等腰三角形。产生的光子发射是单能的。产生的光子发射是各向异性的。产生的光子发射是准直的。能量经由上转换被转移到原子核。能量经由激发转移而转移到原子核。能量经由细分转移到原子核。用于产生声子的装置包括激光器。用于产生声子的装置包括换能器。细长板包括金属、半导体材料、非金属材料、石墨烯、陶瓷或其组合中的一种。
总体而言，在另一方面，本发明的特征在于一种用于从原子核产生光子发射的方法，所述方法包括以下步骤。首先，产生声子，然后提供包括原子核的凝聚体介质，之后使声子与原子核相互作用，并通过将能量转移到原子核并使原子核发射光子来影响某些原子核的核态。
总体而言，在另一方面，本发明的特征在于一种用于抑制来自原子核的光子发射的系统，所述系统包括用于产生声子的装置和包括原子核的凝聚体介质。声子与原子核相互作用，并通过将能量转移到原子核之外并抑制从原子核发出的预期的光子发射来影响某些原子核的核态。
总体而言，在另一方面，本发明的特征在于一种用于在特定位置从原子核产生光子发射的系统，所述系统包括用于产生声子的装置和包括第一组原子核和第二组原子核的凝聚体介质。声子与第一组原子核相互作用，并通过将能量转移到第一组原子核并使第一组原子核在第一位置发射光子来影响第一组原子核的核态。声子与第二组原子核相互作用，并通过将能量从第二组原子核转移出去而抑制从第二组原子核在第二位置发出的预期的光子发射来影响第二组原子核的核态。
附图说明
参照附图，其中相同的数字在所有视图中表示相同的部分：
图1示出了经由高能粒子或光子分别将能量转移到核态中和将能量从核态中转移出去来实现原子核激发和退激的过程；
图2示出了根据本发明，经由声子分别将能量转移到核态中和将能量从核态中转移出去来实现原子核激发和退激的过程；
图3A示出了根据本发明，用于经由声子实现原子核激发和退激的示例性系统的侧视图；
图3B示出了图3A中所示的示例性系统的仰视图；
图3C是在图3A中所示系统中使用的具有环形基板302的钢板301的照片；
图4示出了Co-57的核态和对应的能级以及衰变路径；
图5示出了Co-57源的伽玛/X射线光谱，显示图4中所示的能级的峰值；
图6示出了图5中所示的伽玛光谱中的峰值的30天周期内的时间历史数据的图表；
图7示出了五天周期内的盖革计数器计数的时间历史数据的图表；
图8示出了图表，描绘了来自Co-57源的伽玛光谱中的14keV核能级的声子介导的发射增强；
图9示出了图表，描绘了对Co-57源用盖革计数器测量的声子介导的122keV和136keV核能跃迁的发射增强；
图10示出了图表，描绘了对Co-57源用闪烁检测器测量的声子介导的122keV和136keV核能跃迁的发射减少；
图11示出了不同的原子核，例如Co-57和Fe-57，在基板中占据不同的位置A、B、C；
图12示出了在没有受激声子模式的情况下，预计仅从Co-57核所占据的那些位置发出的光子发射，其中Co-57最终衰减到受激态Fe-57*和基态Fe-57；
图13示出了在存在受激声子模式的情况下，由于声子介导的Fe-57*的退激和基态Fe-57原子核的激发，预计从连接到相同受激声子模式的其他位置发出光子发射，然后可以通过所述位置的光子发射以概率x衰减到基态；
图14以更普遍的方式描绘了图12-图13所示的可能的退激路径，示出了在一般情况下，对于给定的原子核，两种退激路径都可以以给定的概率/速率出现；
图15示出了一示例性设备，所述设备用于产生声子介导的原子核的激发和退激(通过非共振激发转移)，并且用于测量最终光子发射的对应的离域效应；
图16示出了在运行中的图15所示的示例性设备；
图17示出了一示例性设备，所述设备用于产生声子介导的原子核的激发和退激(通过共振激发转移)，并且用于测量最终光子发射的对应的角度各向异性效应；
图18示出了在运行中的图17所示的示例性设备；
图19示出了根据本发明的用于经由声子实现原子核激发和退激的系统的另一实施例的侧视图；
图20示出了利用图19所示的系统获取的数据；
图21示出了根据本发明的用于经由声子实现原子核激发和退激的系统的又一实施例的侧视图；
图22示出了图3A所示实施例的侧视图的照片；
图23示出了根据本发明的用于经由声子实现原子核激发和退激的系统的又一实施例的侧视图；
图24示出了图23所示实施例的照片；
图25示出了根据本发明的用于经由声子实现原子核激发的系统的又一实施例的侧视图；
图26示出了根据本发明的用于经由声子实现原子核激发和退激的系统的又一实施例的侧视图；
图27示出了根据本发明的用于经由声子实现原子核激发的系统的又一实施例的侧视图。
具体实施方式
本发明涉及通过声子介导的能量交换来激发原子核以特定能级和特定角度取向(例如，准直)产生有用的辐射源(例如，光子源)的系统和方法。本发明还涉及一种从放射源和受激原子核产生例如热量之类的有用的能量的系统和方法。具体而言，本发明教示了经由声子相互作用将能量转移到受激核态中和将能量从受激核态中转移出去的新颖方式。
以下段落首先介绍原子核的声子介导的激发和退激的基本物理原理。接下来，简要介绍基于声子-核耦合的能量交换机制。最后，如所公开的方法和设备所展示的，介绍此类机制操作时的宏观功能效应及其可观测性。
声子-核耦合
声子被定义为原子或分子在凝聚体(例如，固体原子晶格)中以周期性、弹性排列的集体激发原子。可以将其视为与振动模式相关联的能量量子。振动模式描述了连接原子的周期性运动的特定空间表现形式。与受激模式相关联的是受激模式的频率、振幅和对应的总能量。在量子力学上，可以将受激模式的总能量视为包括作为能量的量子的声子。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比例，这取决于原子的空间构型。受激声子模式中的声子的数量是受激声子模式的总能量除以声子能量。受激声子模式的总能量(以及声子的数量)与振动幅度的平方成比例。原子核的内部状态与受激声子模式之间的耦合(此类原子核参与其中)被称为声子-核耦合。当原子核是振动结构的一部分时，例如，当各个原子核与维持常见受激声子模式的同一晶格结合时，会发生声子-核耦合。原子核是晶格的主要组成部分(如果无序，则为无定形结构)。如果晶格中存在振动，则振动核的内部状态可以经由声子交换耦合到振动。
声子-核耦合何时出现以及以何种方式出现取决于多个变量。在激发的情况下，原始核态和最终核态之间的能量差必须与对应数量的能量以相当数量的声子或来自其他原子核的核激发能量或其组合的形式相匹配。类似地，在退激的情况下，原始核态与最终核态之间的能量差必须可被晶格可维持的相当数量的声子吸收，或通过激发其他原子核来吸收，或其组合来吸收。存在的声子的数量或可以在特定凝聚体环境中维持的声子的数量以及声子的能级取决于晶格中原子的组成和排列，这决定了振动模式和频率，以及可导致晶格振动的不同触发器的存在。
图2以示意性方式示出了一种用于原子核的声子介导的激发201和声子介导的退激202的机制。声子-核耦合的强度可能会有所不同，具体取决于系统配置，系统配置决定了相关变量，例如，受激声子模式中的声子能量和声子数量、受激声子模式的类型(优选光谱带头模式和其他空间均匀或自相似模式，因为它们最大程度地实现了基于声子-核耦合的机制显现的可能性)以及受到受激声子模式、它们的排列、能级，以及初始状态影响的核素。决定声子-核耦合强度的其他变量是振动原子上的相均匀度和参与振动的原子数量(大迪克因子)。对于这两个变量，较高的值导致声子-核耦合更强。
根据给定凝聚体环境中声子-核耦合的强度，声子-核耦合可以通过多种不同的机制和对应的效果来显现。
当某些机制的声子-核耦合强度足够高时，可以观察到宏观效果，如下文所述。然而，首先，介绍不同的能量交换机制。
声子-核耦合产生的能量交换机制
声子-核耦合可以通过多种不同的机制来显现，它们的发生取决于形成上述变量的特定边界条件：
·激发转移：由常见的受激声子模式介导的从受激核到处于低受激态或基态的其他核的能量转移。受体和供体原子核都由于结合到相同的振动晶格而以相同的声子模式相互作用。如果受体和供体核的能级匹配，则此机制发生的可能性会增加。激发转移可以是共振的，表现为如此受激的核的核相位相干，进而导致各向异性的光子发射(如果核本身以有序的方式排列，例如排列成晶格)。在受激声子模式中存在相对较高的能量时，激发转移也可以是非共振的，表现为一系列激发转移，会导致可观察到的离域效应。在这种非共振激发转移中，非共振状态(也称为虚拟状态)比共振激发转移中占据更广泛的位置。在这种非共振状态下，声子模式可以暂时容纳核转移过程中涉及的来自原子核核态的一些能量。如果在给定的配置下受激声子模式的能量进一步增加，则-按照相同的原理-非共振激发转移可以让位于上转换(或者如果系统中已经存在激发，则让位于下转换)，因为可用的声子模式与原子核交换能量。
·上转换：上转换经由大量连续的非共振激发转移发生：声子将能量转移到原子核，原子核是维持所述声子的振动晶格的一部分。这样转移的能量导致原子核的激发，并在受激声子模式下相应地减少能量。为了使这种机制发生，可用的受激声子模式需要具有足够的能量，以将能量接收核从其原始状态激发到最终状态。
·下转换：来自受激原子核的能量(它是维持声子的振动晶格的一部分)从核转移到所述声子。如此转移的能量导致原子核退激到低受激态或基态，并使可用的声子模态的能量相应增加。为了使这种机制发生，振动晶格需要能够以受激声子模式维持足够的能量，以吸收退激核的原始核态与最终核态之间的能量差。
·细分：由常见的受激声子模式介导的能量转移，从受激核到具有不匹配能级的基态核。如果潜在受体原子核基于其能级所能容纳的能量量子低于从退激供体原子核获得的能量量子，则从供体原子核发出的能量可以转移到多于一个受体原子核。为了作为量子相干过程进行，任何能量失配都需要通过(部分)上转换或下转换来弥补。
各个机制显现出来的条件取决于声子-核耦合的强度，而声子-核耦合的强度又是由关于上述变量的特定系统配置引起的。关键参数是受激声子模式下的能量和晶格中核素的构型(核素的空间分布和它们各自的能级/跃迁能)。由于这两种方法在整个宏观样本中都可能有所不同(或可以通过这种方式进行设计)，因此实际上，通常可以在给定的实施方式中观察到多种机制的叠加，具体比例取决于各自的边界条件。从从业者的角度以及就工业应用而言，在给定的实施方式中产生可观察到的效果的那些机制通常最为相关。
要强调的是，激发转移作为一般原理是所有以上列出的机制的先决条件，并且上转换和下转换之类的机制是由于大量非共振激发转移而显现的。在给定的晶格构型中，上述每种机制的相对存在都可以指示所述晶格中的特定受激声子模式和它们的总能量。此外，在给定的原子核晶格构型中，且当关注给定的核跃迁时，确定哪种机制显现出来的其余关键操作参数是受影响原子核的常见受激声子模式的能量，所述能量通常由振动的幅度确定。借助声子-核耦合强度(在上述晶格构型中：随着激发声子模式能量的增加)，机制将按以下顺序显现：共振激发转移、非共振激发转移、上转换(或下转换/细分，如果已经存在核激发的话)。因此，在本文中，共振激发转移之类的机制被描述为低阶机制，而上转换之类的机制被描述为高阶机制。具体来说：与上转换之类的高阶机制相比，所有其他相等的低阶机制(例如，激发转移)在受激声子模式下需要较少的能量显现出来。因此，从激发转移中得出的表征效应是判断和优化关于声子-核耦合强度的凝聚体环境的合适起点。
宏观效应：离域
激发转移机制导致对应的放射性发射的离域和角度各向异性效应–使这些效应适合在操作中基于声子-核耦合的机制的观测。离域是指光子发射的空间分布的变化。之所以会产生这种效应，是因为除了上文介绍的基于声子-核耦合的声子介导的激发和退激机制之外，经由光子发射(辐射衰减)进行的常规退激对受激核而言仍然具有可能性为非零的独特可能性。这很实用，因为可以轻松可靠地检测到光子；并且因为此类光子可以在应用中使用。如果原子核经由光子介导的能量交换(例如，激发转移、上转换或细分)而较早受激之后，经由光子发射实现了原子核的受激态的退激，则由于退激产生的光子发射的位置与在没有声子介导的能量交换时光子发射的位置不同。换句话说，在存在一种或多种常见的受激声子模式的情况下，光子发射从不包含受激核或放射性核的位置发生。类似地，在存在一种或多种常见的受激声子模式的情况下，在包含受激核或放射性核的位置不存在光子发射。这种离域效应是否可以从宏观上观察到取决于以这种方式进行的激发转移的距离(包括通过重复转移)。当激发转移是非共振的时，即在所有其他条件都相同的情况下，受激声子模式的能量相对较高，或者受影响的核态能量相对较低，则激发转移的距离增加，因此其宏观可观察性也增加。在展现出非共振激发转移的给定的原子核构型中，可以通过增加受激声子模式中的可用能量来进入上转换范围，例如，通过在较高频率下激发可用的声子模式或增加振动幅度(增加声子数量)来实现。
图11-图14示出了从原子核之间的声子介导的能量交换如何产生离域效应。图11以示例性方式示出了在相同原子晶格中的三个不同原子核(Co-57、Fe-57和另一个Fe-57)的位置，它们能够维持足够大的能量的常见的受激声子模式，从而实现声子-核耦合机制。在此示例中，位置A处的1是Co-57核，位置B处的2是Fe-57核，且位置C处的3是Fe-57核。图12示出了当考虑这三个位置时对源自辐射衰减的可观察到的光子发射的常规期望。位置B和位置C不会产生光子发射。在位置A，Co-57原子核经由贝塔(Beta)衰变而衰变成Fe-57*原子核，即处于受激态的Fe-57原子核之后，会产生光子发射。此后不久，这种受激的Fe-57*原子核通常会经由光子发射而退激到其基态。然后可以将最终的光子视为源于位置A1201的光子发射。上述受激声子模式的存在将使其他结果成为可能。在图13中以示例性方式示出了此类可能结果中的一种：在Co-57的贝塔(Beta)衰变之后并且在所述声子模式存在的情况下，Fe-57*不会经由光子发射而退激，而是经由声子介导的激发转移而退激。位于位置A处的Fe-57*原子核的激发能量经由常见的声子模式转移到位于位置B的基态Fe-57原子核(接收原子核)，其能容纳从供体核退激的相同能量量子作为核激发。之所以如此，是因为供体和受体核的能级是相同的，因为它们都是相同的核素Fe-57。在图13所示的此示例中，现在在位置B处的受激Fe-57*核以常规方式退激(经由辐射衰减)并从位置B发射光子。在这种情况下，在设备运行期间，即在存在上述受激声子模式的情况下，在位置B1301中意外地观察到光子，而在位置A中意外地观察不到光子。图14以更一般的方式扩展了此特定示例，考虑到了概率结果的一个子集。即使在存在常见的受激声子模式的情况下，位置A处的Fe-57*核也可以常规方式经由光子发射以特定的概率退激。在一般情况下，在发生常规的退激之前，也有可能反复发生激发转移。
经由激发转移对离域效应的更早介绍和图11-图13中所示的示例集中于单个核的微观位置及其光子发射。在下一节中，将讨论宏观含义。
在正常条件下，宏观观察到的局部发射强度有望与局部Co-57浓度成比例。在存在声子介导的非共振激发转移的情况下，宏观观察到的局部发射强度不再与Co-57浓度匹配。
在考虑宏观区域时，还必须考虑统计数据。在这种情况下，离域效应表现为在特定区域中主要由声子介导的退激的情况下，此区域的平均光子发射减少，以及在特定区域中主要由声子介导的激发的情况下，此区域的平均光子发射增强，而不是如上述微观示例中所推断的那样，导致绝对存在或不存在预期的光子发射。因此，在某些情况下，通过降低高密度的受激核区域的光子发射和低密度的基态潜在受体核区域的光子发射，以及在某些情况下通过增加低密度或受激核区域的光子发射和高密度的基态潜在受体核区域的光子发射，可以观察到声子-核耦合相关机制的存在-只要潜在供体和受体连接到能量大到足以实现基于声子-核耦合的机制和效应的常见的受激声子模式即可，例如，在一些实施例中，在所公开的设备的操作期间。因此，在存在受激声子模式的情况下光子发射的空间分布的变化是声子-核耦合产生的效应，并且可用于观察、判断以及利用声子介导的原子核激发和退激。在本发明中就是这种情况。
宏观效应：角度各向异性
重复使用基于声子-核耦合的机制以产生宏观可观察效应的另一种方法是通过声子介导的共振激发转移产生的角度各向异性。换句话说，声子-核耦合机制的作用导致了从常规退激(辐射衰减)发射的光子的角度分布发生变化。由于在通过常见声子模式受激时(例如，在共振激发转移的情况下)受激的原子核在相位上对齐，因此可以预期这种效应。如此受激的原子核随后处于相同的核取向，从而在通过常规的退激(辐射衰减)发射光子时，导致相同的光子发射角度。因此，由声子介导的共振激发转移引起的核激发光子发射通常是准直的。准直的光子发射，特别是在单能级，具有多种工业用途，例如，X射线光刻和微机械加工。
在没有进行特殊处理的情况下，来自常规的受激态核的退激的光子发射被认为是各向同性的，即其角度分布是恒定的。那是因为发射核的核取向是随机的，并且对于大量发射核，统计数据导致在给定立体角上的发射的恒定分布。当大量的光子发射核经由声子介导的共振激发转移而受激时，就会出现准直和束源形成的宏观观察。如果以这种方式激发了较小的光子发射核子集，则此类机制在宏观上表现为光子发射角度分布的变化。具体来说，在给定的立体角上观察到的发射是来自某些仍随机取向并以恒定角度分布发射光子的原子核以及已经通过声子介导的能量交换对齐并以准直的方式发射光子的其他原子核的发射的叠加。因此，在存在声子模式的情况下，光子发射角度分布的变化是声子-核耦合产生的效应，且可用于观察、判断以及利用声子介导的原子核激发和退激。在本发明中就是这种情况。
为了实现因上转换而引起的核相位相干和对应的光子发射的准直，必须在凝聚体介质中有一个区域，在所述区域中也可发生共振激发转移。上转换不会自动且必然导致准直发射。与凝聚体介质中发生上转换的位置相比，共振激发转移位置需要具有相对较弱的声子-核耦合强度，以使共振激发转移占主导地位。较低的声子-核耦合强度可以通过调整上述确定声子-核耦合强度的变量来实现。由此得出结论，用于来自上转换的准直光子发射的工业装置需要至少两个区域，在每个区域中，不同的基于声子-核耦合的机制占主导地位(例如，用于初始激发的上转换和用于准直的共振激发转移)。两者的组合会导致在不存在受激态的情况下，来自声子介导的核态激发的准直光子发射。
其他宏观效应
根据不同的基于声子-核耦合的机制的相对存在，其他宏观效应包括比常规预期更高或更低水平的光子和高能粒子发射，以及受影响的凝聚体环境中高于常规预期的声子的能量和数量。后者通常在宏观上表现为热。此类宏观效应在许多应用中可能是实用的，并且被本公开明确地涵盖在内。然而，由于声子介导的原子核的激发和退激的激发转移而引起的离域和角度各向异性相关联的质变-与其他通常更为模棱两可和仅是定量性的变化相反-下述示例性实施例特别注意定性显现的宏观效应。
最后，核态与声子模之间的量子力学相互作用还会导致处于中等能级(与介质中可用原子核能级相比)的所谓混合态。此类混合态也可以受激和退激，并且如果需要混合态能够提供的特定能级，则可以是有利的。
内容重述
本发明提供了一种可再现和可观察地利用声子介导的原子核激发和退激的系统和方法。为此，本发明利用了由声子介导的激发转移引起的离域和角度各向异性效应。提出的方法和设备首次确立了声子-核耦合的可再现和可观察的存在以及由此产生的能量交换机制。这样，本发明为核工程师工具箱中的新工具以及更一般地，基于声子的核工程的新领域奠定了基础。
这些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。这些描述阐述并例示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。在不脱离本发明主题的范围的情况下，鉴于这些描述的考量将可能引起另外的和类似的实施例和特征。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”，但是除非明确说明顺序(order)或次序(sequence)，否则在此类表达或暗示的步骤中不暗示任何特定的顺序(order)或次序(sequence)。
为了实现示例性目的，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给出了在附图和这些描述的范围内的所有实施例。附图不必按比例绘制。因此，并非在附图和这些描述的范围内的所有实施例都是相对于附图中的相应尺寸根据附图所表示出的比例做出的。然而，对于每幅示意图，根据附图表示出的相对比例来做出至少一个实施例。
系统组装
所述系统的示例性实施例的示意图在图3A中以侧视图示出。图3B以仰视图示出了相同的示例性实施例。系统300包括样本组件310、在位置B的X射线检测器304、闪烁检测器305，以及盖革计数器306。样本组件310包括板301和支撑板301的端部的两组夹具303。在一个示例中，板301是细长板，并且尺寸为3”×6”×5/32”。在一个示例中，板301是由轧制的低碳钢(McMaster-Carr部件号1388K546)制成的钢板。已知这种钢板的位错密度约为108/cm2至1016/cm2。位错是晶体学缺陷，在施加机械应力时会通过凝聚体晶格移动。移动的位错继而产生并散布局部晶格振动，即受激声子模式，例如，前文中讨论的那些。这种受激声子模式的能量取决于对应振动的频率和幅度。缓慢移动的位错对散布已经存在的声子是有效的(导致非各向同性和非平衡分布)，并且对制造新的声子也是有效的。根据计算，人们期望移动位错以使高频声子在THz(太赫兹)范围内散布。这样的高频又导致高声子能量。位错运动可能是由塑性变形引起，例如在施加压缩应力、拉伸应力和/或剪切应力的过程中出现的塑性变形引起的。
在钢板301的中心点处，放置放射性基板302。具体而言，使用在0.1M HCl溶液(来自Eckert&Ziegler)中的0.05ml 57CoCl2滴液，其活性约为250μCi。溶液滴在一个小时的过程中蒸发，并在钢板表面上形成直径约12mm的灰环。样本组件现在包括结合到下面的钢板的蒸发的57CoCl2溶液的环形基板302，如图3C所示。基板302包括数量减少的放射性Co-57核，其充当核激发源。基板302还提供由衰变的Co-57核以及从较早的Co-57衰变产生的基态的Fe-57核导致的受激Fe-57*核稳定且短暂的存在。由于铁中自然存在Fe-57，因此在下面的钢板301中存在额外的基态Fe-57核。由蒸发溶液产生的环形基板302被环氧树脂(J-BWeld 50112Clear 25ml ClearWeld Quick-Setting Epoxy Syringe(快速设置环氧树脂注射器))覆盖。基板顶部上的圆形环氧树脂层的直径约为30mm，厚度约为0.5mm。在本段中描述的子系统在下文中称为样本。
具有这种构型的声子的另一个来源是摩擦。当对上一段中所述的样本之类的系统施加应力时，在边界处(包括材料之间的边界、晶界等)发生摩擦，例如，在板与基板、基板与环氧树脂，以及板和环氧树脂的界面处发生摩擦。
接下来，如图3B所示，将两个夹具303在板的相对角上松散地附接到钢板，以在操作期间提供机械应力。每个夹具303包括尺寸为2”×6”×1”的两块胶合板，并覆盖钢板301的一个角，从而使夹具覆盖的钢板上的每个区域形成等腰三角形，其边长约为1.5”。在每块胶合板中钻三个7mm的孔307。孔的位置使得如图3B所示形成三角形。接下来，拧紧六个1/4-20螺栓308和对应的螺母309和垫圈311，以连接每个夹具303的两块胶合板。将螺母309和螺栓308拧紧到足以将夹具303固定到位，但不施加额外的应力在这一点上，即在操作之前。
然后将整个样本组件310(包括钢板301、环氧树脂覆盖的蒸发基板302，以及钢板各角上的夹具303)放置在简单的安装架上，其中三个检测器304、305、306安装在固定位置。
样本的材料组成及其微观结构很重要，并且在此示例性实施例中已被选择出来。首先，样本需要在受激的声子模式下能够维持足够的声子以及足够高的声子能量，从而影响那些将受激或退激的核。对于本节中介绍的示例性实施例，上述样本组件就是这种情况，特别是钢板、基板和环氧树脂覆盖的凝聚体环境。其次，样本需要允许在材料中产生声子。在本节介绍的示例性实施例中，声子是经由应力引起的位错运动和摩擦产生的。第三，需要考虑所涉及材料的离散能级以及与激发和退激相关联的最终能量量子。为了实现原子核激发，需要通过受激的声子模式或其他受激的核或两者的组合来提供足够的能量。为了实现原子核退激，声子模式或其他原子核或两者的组合需要能够吸收从退激释放出的能量。在本节中提出的示例性实施例中，Fe-57原子核的能级在这方面起着核心作用。图4示出了Fe-57核的能级400。Fe-57核展现出基态(在0keV)和两个受激态：一个在14keV的受激态和一个在136keV的受激态。衰变的Co-57核导致Fe-57*核在136keV的较高受激态下受激。然后，此受激核可以直接退激至基态，发射出136keV的激发能401，或者退激至14keV的较低受激态，发射出122keV的激发能402，然后在第二步中从14keV的较低激发态退激到基态403。因此，14keV、136keV和122keV的离散能量量子可用于原子核的激发或退激。由于样本中存在大量的基态Fe-57核，因此样本中包含大量潜在的受体核，它们的能级与潜在的供体核匹配。潜在供体和受体能级的这种匹配增加了声子介导的退激和激发在受激态的Fe-57与基态的Fe-57之间发生的可能性。对于本节中提出的示例性实施例，已经以这种方式考虑了能量发射和吸收能力的匹配，以便使期望的反应发生的概率最大化。
检测
如图12-图14所示，在没有声子的情况下，可以预期受激核经由光子发射以常规方式退激。在包含Fe-57的示例性实施例中，可以观察到14keV、136keV和122keV的释放能量量子是从前Co-57原子核(在贝塔(Beta)衰变后为Fe-57*核)的位点发出的高能光子。通过由伽玛/X射线光谱仪304产生的光子能谱进行这种光子的观察。在一个示例中，伽玛/X射线光谱仪304是Amptek X123光谱仪。在另一个示例中，伽玛/X射线光谱仪344是Ortec高纯度锗伽玛光谱仪。这样的光子能谱500(伽玛/X射线光谱)表现出在14keV 501、136keV 503和122keV 502的能级上的峰值，这是由Co-57的常规核退激产生的光子发射引起的，如图5所示。在本文中，Fe-57的14keV跃迁被描述为低能核跃迁，而Fe-57的122keV和136keV跃迁被描述为高能核跃迁。
类似地，用盖革·穆勒(GM)计数器306作为计数观察此类发射的光子。GM计数器306以检测器覆盖的立体角检测光子的存在并对其进行计数。然而，GM计数器306不能解析光子的能量。可以从检测器中检索每秒检测到的计数，并为其分配时间戳并进行存储。尽管缺乏能量分辨，但是GM计数器306可用于检测特定的立体角中的光子发射的变化，例如，由离域和角度各向异性效应引起的变化。在上述从受激的Fe-57*发出的光子发射的情况下，与14keV的低能光子相比，大多数GM计数器对122keV和136keV的高能光子最敏感。
在本节中呈现的示例性实施例中，三个检测器304、305和306被放置在样本组件310上方和下方的三个单独的位置中，以便在操作期间监测样本的辐射响应及其变化。在此示例中，如图3A所示，将闪烁检测器305和GM计数器306放置在样本组件310上方，并且将伽玛/X射线检测器304放置在样本组件310下方。所有检测器均放置在与钢板表面每侧相距约1”的法线角度处。下面将更详细地描述这三个检测器。
位置B中面向环形基板外边缘的伽玛/X射线检测器304是Amptek X-123Si-PIN伽玛/X射线光谱仪，具有0.5mil铍(Be)窗口和6mm2的检测区域。检测器304在从1-28keV的能量范围内每分钟连续记录一个累积的光谱，并通过2048个通道解析这些光谱。为了进行与时间有关的数据分析，来自此检测器304的时间历史数据，如图8所示，是基于Fe-5714.4keV线的60个通道的总和(对应于788eV的宽能量范围)。
在钢板301的背面(即，在样本组件310上方并且不直接面对环形基板302)，闪烁检测器305用于伽玛能谱测量。此检测器305位于位置Y上，位置Y同心地位于板301的另一侧上的环形样本基板302的上方，如图3B所示。此检测器305使用250μm ZnS(Ag)闪烁体和直径为3”的Hamamatsu(滨松)光电倍增管(型号R6233)。Radfilm盖用于阻挡可见光。检测器由伽玛Spectacular GS-2000-PRO高压驱动器驱动，且产生的模拟信号经由Focusrite 192KHz低噪声USB模拟数字转换器数字化。经由开源软件Theremino MCA将得到的数字信号转换为光谱。在这些光谱中，2048个通道解析的能量范围约为5keV至200keV，而闪烁体的选择使检测器对较低能量的光子最敏感。与其他检测器类似，此检测器的光谱每分钟累积并记录一次，并分配时间戳。由于此检测器对较低能量敏感，并且面对钢板的背面，从正面激发的Fe-57*核发射的14keV光子几乎无法穿透所述的钢板的背面，因此，此检测器对较硬的伽玛(例如，来自环形样本基板的122keV线和136keV线)引起的钢板背面上的X射线荧光效应最敏感。因此，此检测器可以看作是板背面上高能量光子的代替物(proxy)，大部分位于检测器所覆盖的立体角上。
在钢板的背面(即不直接面对环形基板302)，GM计数器306用于在立体角的这一部分对大多数较硬的伽玛进行计数。此检测器306被定位在位置Z中，在其中一个钢板的暴露的角(其中一个其上没有夹具的角)的上方，如图3B所示。GM计数器是连接到Ludlum 2350-1数据记录仪的Ludlum 44-88型阿尔法贝塔伽玛(Alpha Beta Gamma)检测器探头。Ludlum数据记录仪大约每秒从此检测器读取一次计数，分配一个时间戳，并记录这些值。
操作与回应
在本节中介绍的示例性实施例的操作包括产生声子，声子产生会引起样本中的声子介导的核态的激发和退激。为了展示操作的效果，在操作期间和操作外部都获取了数据。
图7中示出了由GM计数器306在操作之外获取的时间序列数据。图7中的图表示出了大约五天时间的数据。在此期间，发射的光子数量逐渐且持续减少与已知的Co-57衰减率一致。随着时间的流逝，预计有这种减少，随着越来越多的Fe-57衰变，剩余的Co-57原子核数量减少。图表中的直线标记基于充分证明的Co-57的半衰期的预期计数下降。图6呈现了类似的照片。图6中的图表示出了由X123检测器304在操作之外测量的光子数量。同样，测得的光子数量减少，与已知的Co-57半衰期一致。图6和图7示出了由此构型预期的数据，没有出现新的机制或效应。
通过产生声子使所述设备投入运作。在本节介绍的示例性实施例中，声子是通过应力引起的位错运动和凝聚体样本中的摩擦产生的。具体地，这是通过经由每个夹具上的三个螺母309和螺栓308将样本组件的角上的夹具303拧紧以在钢板301的每个角上产生大约2000lbs的正常的压缩应力来完成的。夹具303引起的应力导致在整个钢板301上产生应力场，从而引起位错在整个钢板301上移动。由于夹具303和板301的几何形状，应力场具有压缩、剪切和拉伸分量。移动的位错会导致在板的许多部分中发生局部声子的产生和散布。然后，如上所述，这些声子可以通过声子-核耦合与原子核相互作用。表现出哪些基于声子-核耦合的机制(共振激发转移、非共振激发转移、上转换、下转换、细分)是由声子-核耦合的强度(总体而言)确定，且在此特定实施例中，由受激声子模式(随振动幅度的增加而增加，例如，当施加更大的应力时)以及所关注的核态的能量确定。在后一点上，在受激声子模式下的给定能量下，高阶机制(例如，非共振激发转移)倾向于以较低能量的核跃迁(例如，Fe-57的14keV跃迁)表现出来，而较低能量的机制(例如，共振激发转移)倾向于表现出更高的能量核跃迁(例如，Fe-57的136keV和122keV跃迁)。同样，如果增加了受激声子模式中的可用总能量，那么更高阶的机制也可能表现出更高的能量核跃迁(并且根据增加的幅度，甚至更高阶的机制也可能表现出更低的能量跃迁)。这是在另一示例性实施例中可以如何实现包含特定核跃迁的上转换、下转换或细分的方式(根据上面讨论的且在图3A中示出的当前所讨论的示例性实施例)。
图25示出了这样的另一示例性实施例，其在操作期间呈现出上转换。在此实施例中，钢板上没有放置放射性基板。从2000lbs开始，机械应力逐渐增加，直到受激声子模式中的能量足够大，足以使上转换机制得以显现为止。在这种情况下，当钢板中的Fe-57原子核受激时，可以观察到来自常规退激(辐射衰减)的对应的光子发射。
返回到如图3A所示的示例性实施例的详细描述，声子可以在基板附近通过激发转移来介导受激的Fe-57*核的退激和基态Fe-57的激发，从而导致发射的空间分布发生变化(离域)和发射的角度分布发生变化(角度各向异性)。随着检测到的光子的减少和增加，离域和各向异性效应在检测器中显现出来。图8示出了在设备运作期间(即，在经由夹具施加应力之后)从位置B处的X123伽玛光谱仪304起的14keV能量范围内的随时间变化的光子计数。图8中的图表展示了位置B处的14keV光子发射的增强，其逐渐降低，直到接近由剩余Co-57核的衰变所预期的稳定且一致的光子发射下降为止。位置B(即环形样本基板的边缘)处的光子发射增强是由声子介导的核激发转移到此区域引起的。由于施加了一次施加并保持在原处的机械应力，位错运动随时间而减小，这被描述为冷流或蠕变。随着位错运动和摩擦的逐渐减小，声子的产生或散布也减少了，因此声子介导的激发和退激效应也降低了。到图8中的图表末尾的时间为止，位置B处的检测器几乎无法再记录到可观察到的离域效应。
图15和图16进一步示意性示出了观察到的14keV光子发射增强的起源。在这两幅示意图中，附图标记321标记了原子核发射14keV光子的区域。具体而言，图15示出了操作之前的示例性设备。图16示出了在操作中的设备，即具有由施加的机械应力产生的声子。在存在声子的情况下，通常经由光子从基板中Co-57位置发射的一些激发通过声子介导的退激而退激，并且一些附近的基态Fe-57原子核通过声子介导的激发(由非共振激发转移驱动)受激。因此，在存在足够高能量的受激声子模式，能够实现声子介导的能量交换的情况下，来自许多潜在供体核附近具有许多潜在受体核的区域的光子发射会上升。在此特定示例性构型中，Amptek X123伽玛光谱仪304是板301底侧的唯一检测器，直接面对环形样本基板302。由于钢板301将背面上的检测器与14keV光子隔离开，因此，伽玛光谱仪304是此示例性设置中唯一一个跟踪涉及Fe-57核的14keV核能级的激发和退激变化的检测器。对于板301的背面上的检测器305、306，由于屏蔽了正面上的14keV发射，使得它们能够特别跟踪涉及136keV和122keV跃迁为较低状态的变化。此外，在背面的两个不同位置中存在两个检测器305、306提供了关于较硬伽玛发射的变化的额外空间信息。图9示出了位置Z处的GM计数器306处的较硬伽玛的时间相关的光子计数。在操作期间，所述图表展示了位置Z处的较硬伽玛发射的增强，其逐渐减小，直到接近由剩余的Co-57核的衰变预期的光子发射的稳定且一致的下降为止。如上所述，在这样的实施例中，随着系统机械平衡，位错运动减慢并且声子产生减少，基于声子-核耦合的机制产生的效益随着时间而减小。与位置Z处的增强相反，位置Y处的检测器305示出了在操作(声子产生)期间的发射的减少，如图10所示。图17和图18进一步示意性示出了在位置Y和位置Z处观察到的122keV和136keV光子发射的增强和降低的起源。图17示出了操作之前的示例性设备。附图标记322标记了由常规的Fe-57*核的136keV能级的退激中，核发射122keV和136keV光子的区域。图17中的光子发射是在基板322周围各向同性的。图18示出了在运行过程中的设备，即具有由施加的机械应力310产生的声子。由于存在声子，并且表现出共振激发转移，样本基板中某些受激的Fe-57*会经由声子介导的退激而退激，并且某些基态的Fe-57核通过声子介导的激发而受激。因此，通过声子介导的激发而受激的核沿它们的核取向对齐，并且当它们以常规方式退激时(通过辐射衰减)，它们的光子以相等的发射角发射。从宏观上看，这表现为光子发射的整体角度分布发生了变化(总立体角的某些部分有所增强，而其他部分有所减小)。如图18所示，光子发射变得集中在特定角度。图17和图18示出了在运作期间，光子发射的角度分布的变化如何分别导致位置Z和位置Y处的检测器的增强和减小观察。设备的此特定实施例的操作和所提出的方法的实施所描述的效应已经被多次再现和确认，包括使用不同的检测器、不同的检测器位置，以及不同的样本。因此，可以认为此实施例、基本方法、观察到的效果和相关机制是高度可再现的和有效的。
参照图19，在另一个实施例中，在夹具303的机械应力作用下加热样本组件300。具有50W加热功率的硅橡胶加热垫312附接到板的背面并保持向下以将其保持在适当位置并通过钢板边缘上的两个小弹簧保持与钢板接触。如上所述，在此实施例的操作期间，机械应力被施加到夹具303。现在的不同之处在于，在操作过程中，钢板301通过三个小时或更长时间的直流热脉冲加热，这会暂时导致钢板301发生热膨胀，并随着膨胀钢板压在固定夹具303上而增加机械应力。在一个示例中，钢板的温度升高为75℃。这种方法允许就声子产生的增加(由于增加的机械应力)对光子发射响应进行原位测量。换句话说，无需将板组件从测试台和检测器上取下就可以增加机械应力。图20示出了来自这样的实施例的数据。在此实施例中，数据中的核反应可以更直接地与其机械原因联系起来。
参照图21，在另一个实施例中，可以进一步观察发射的空间分布的变化。小孔314(也称为针孔)用于测量光子发射及其在样本上不同位置的变化。为了用作孔314，将尺寸为1.5”×1.5”×0.25”的铝板313放置在基板302的顶部上。铝板313包含直径为1mm的孔314。如上所述，将伽玛光谱仪(例如Amptek X123)放置在针孔上方，并记录时程光谱，而声子是经由热感应应力脉冲在原位生成的。这些测量结果表明，在产生声子的过程中，原子核的光子发射在样本的某些位置下降，而在样本的其他位置上升。在声子产生期间，这进一步展现出离域和非共振激发转移的显现。
在另一个实施例中，将高感光度(ISO 1000或更高)的摄影胶片放置在图21所示的针孔314上方的不透光的封套中。使用的胶片是Ilford 1200，尺寸为2”x 2”，并包裹在3”x3”的不透光黑色塑料封套中(来自B&H Video)。胶片封套经由一层绝缘层和热电冷却层保持在恒定的室温下。在不加热样本组件的同时，即在操作之前，将胶片(影像A)曝光24小时。在操作过程中，经由加热垫312使样本组件中的钢板301温度升高20℃，从而引起热诱导应力和声子的产生。随着操作的继续，将带有相同类型未曝光胶片(影像B)的新胶片封套在针孔上方的相同位置放置24小时。两种胶片均按照Ilford的标准程序进行冲洗，并使用胶片扫描仪进行数字化处理。将数字化处理后的影像转换为位图，将其亮度规格化并进行几何叠加。如上所述，从影像B减去影像A表示声子引起的核发射分布的变化。
在另一个实施例中，样本组件310附接到二维计算机控制的平台，所述平台允许样本相对于检测器304和针孔314在可编程和可重复位置处逐步线性定位。在一个示例中，在XZ配置中使用了最小步长为3μm的两个Parker 404XR线性平台。然后，所述平台可以进行光栅扫描，相对于检测器移动样本组件，以便在板组件上的基板顶部扫描100x 100个位置。在每个点上获取带有时间戳和位置标记的一个1分钟光谱。根据这些数据，可以测量不同能级(例如，仅核线)的发射空间分布。在固定的机械应力水平下拍摄完整影像(影像A)。接下来，操作开始，且机械应力就地增加(如上所述，通过加热垫的热力方式)。结果，在操作过程中，板上会产生更多的声子。在这种状态下，将执行另一个完整扫描，从而生成另一个完整影像(影像B)。可以减去所得的100x 100个像素图像(从影像B中减去影像A)，以观察不同能带(例如，14keV能带、122keV能带和136keV能带)核发射的空间变化。
在又一个实施例中，将样本放置在旋转台316上，并在如Ortec高纯度锗伽玛光谱仪344之类的伽玛光谱仪的前面旋转，如图24所示。旋转可以手动进行或以计算机控制的方式进行。旋转台316相对于检测器304以不同的角度放置样本。在一个示例中，平台316以相对于检测器覆盖180度角的相等距离以18个不同的角度放置样本。在固定水平的机械应力下进行扫描，并记录每个角度的光谱。然后，如上所述，通过增加机械应力(即产生更多的声子)来开始操作，并重复扫描。比较不同光子能带上的光子发射角度分布，证明由于声子核耦合机制而产生的各向异性和准直效应。
在又一个实施例中，声子是经由激光(太赫兹(THz)范围的高频激光器、具有高频拍频的双激光器配置或快速脉冲激光器/超快激光器/极快激光器之一)产生的。当使用激光器在凝聚体材料中产生声子时，需要注意激光与凝聚体材料之间的耦合。为此，采用了不同的表面增强技术。此外，在这种配置中，由于钢的更高的光吸收特性，优选钢以外的其他材料。参照图26，使用激光器在凝聚体介质中产生声子以实现声子介导的进出原子核的能量转移的示例性实施例包括将激光束331引导到板组件上的激光器330。板组件可以在钢板之类的板301的顶部上包含基板302。激光器330可以是高频激光器、具有高频拍频的双激光器配置，或超快激光器。激光束331用高能光子撞击样本组件的表面，并在凝聚体介质中产生声子。如上所述，声子可以导致声子-核耦合效应的显现。图26中的示例性实施例示出了在放射源的存在下激光感生的声子的产生，所述放射源提供初始的核受激态，其能量可以被转移(例如，经由激发转移或下转换)。根据激光的特性及它们对声子-核耦合强度的影响(确定上述变量)，感生声子的产生会导致产生上述效应，例如，离域和发射各向异性。图27示出了稍微不同的配置。在这里，不存在初始受激态，并且激光感生的声子产生用于上转换，即从基态的核态或混合态的激发，而对已受激态没有对应的退激。再次，在这种配置中，可用的核态和混合态取决于凝聚体介质323的工程组成和结构及它们对声子-核耦合强度的影响。
其他实施例包括以下一个或多个。术语“声子产生”在功能意义上使用，其表示产生声子的各种已知过程，即在凝聚相中的量化振动。为此，第一实施例采用了来自木制夹具的机械应力。这种材料很容易获得，且方法也很容易实现。适用于本公开主题的产生声子的其他方式和携带声子的其他结构是可获得的。可用于产生和增强光子发射的其他声子产生技术的示例包括但不限于激光器、电流、换能器、溶质在固溶体中的扩散和粒子束轰击、伽玛射线照射等。可以使用的介质的其他材料包括但不限于钢以外的其他金属、半导体材料以及非金属材料，例如石墨烯、陶瓷和材料组合。可以使用的其他微结构和纳米结构包括但不限于膜、隔膜、线、人造纳米结构(例如超晶格结构)和纳米颗粒。影响声子数量并且可能受材料科学家影响的其他相关变量是晶体/晶粒尺寸、缺陷的类型和密度，以及表面的特征(例如，通过表面纳米结构化/表面纳米图案化等的增强)。
上述发明的应用包括以下一种或多种。声子用于在特定能级激发核态和/或混合态以获得单能光子源。声子用于使，例如由受激的He-4实现核受激态能量退激，从宏观上讲是产生热量而不是伽玛发射。
声子用于激发汞核，例如Hg-201。产生的低能量光子，尤其是经过准直的光子，可以用于X射线光刻和微机械加工等应用中。声子用于激发核态低于100keV的其他核。产生的低能量光子，尤其是经过准直的光子，可以用于X射线光刻和微机械加工等应用中。声子用于将原子核激发或退激为其他状态，以使这些原子核通过不同的衰减链衰减。声子用于激发长寿命的亚稳态来存储能量。声子用于实现长寿命的亚稳态退激，以恢复存储的能量。声子用于将原子核激发到更高的不稳定状态，从而导致这些原子核发生裂变。我们称此过程为相干裂变、声子介导的核裂变或短声子裂变。声子介导的辐射响应变化用于测量凝聚体材料中与声子有关的特性，例如用于传感/传感器应用中，以及用于基于声子-核耦合的应用中所用的凝聚体环境的设计、开发和优化。
已经讨论了凝聚体环境的变化和所产生的声子特性，其目的是针对与特定应用相关的基于声子-核耦合的机制和效应。在许多应用中，基于声子-核耦合的机制和所产生的效应是理想的结果(例如，处于特定能量或特定角度取向的光子)。在其他应用中，基于声子-核耦合的机制以及所产生的效应(例如，离域和角度各向异性效应)可以用作代替物或中间结果，例如，用作表征潜在凝聚体环境及其变化的判断方法。鉴于其他基于声子-核耦合的应用，此类应用在设计、测试和优化凝聚体环境中可能很有用。这些应用还可用于更一般地表征凝聚体环境，例如在涉及应力、应变和蠕变/冷流敏感感测的应用的情况下，以及用于更一般地增强对材料、纳米结构、装置中声子行为的理解-包括声子寿命、能量和散布机制。
原子核的激发和退激与许多工业应用相关并且实用。在某些应用中，人们努力将能量转移到基态核，以激发它们。例如，在与核共振荧光、单能光子源或光核反应有关的应用中就是这种情况。在其他应用中，来自通常由于先前的核反应或衰变而已受激的核的能量将转换为更有用的能量形式，例如热或电。例如，在核电池和核反应堆中就是这种情况。
已经描述了本发明的几个实施例。然而，将理解，可以在不脱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。

Claims (23)

1.一种用于从原子核产生光子发射的系统，包括：
用于产生声子的装置；
包括原子核的凝聚体介质；
其中所述声子与所述原子核相互作用，并通过将能量转移到所述原子核并使所述原子核发射光子来影响某些所述原子核的核态。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，用于产生声子的所述装置经由应力引起的位错运动来产生声子。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，用于产生声子的所述装置被配置为向所述凝聚体介质施加应力。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，用于产生声子的所述装置还被配置为向所述凝聚体介质施加热量。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，用于产生声子的所述装置包括细长板和分别附接到所述细长板的第一端和第二端的第一夹具和第二夹具，并且其中所述第一夹具和第二夹具配置成将应力施加到所述细长板的所述第一端和第二端上，并在所述细长板内引起位错运动。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述凝聚体介质包括放射性材料。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述凝聚体介质包括粘合到所述细长板的中心的蒸发的57CoCl2的环形基板。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述环形基板还涂覆有环氧树脂。
9.根据权利要求5所述的系统，其中，所述细长板包括位错密度为108/cm2至1016/cm2的钢。
10.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第一夹具和第二夹具在所述细长板的所述第一端和第二端上施加约2000lbs的压缩应力。
11.根据权利要求5所述的系统，其中，每个夹具包括第一板和第二板，并且其中，所述第一板和第二板覆盖所述细长板的顶面角和底面角，使得所述细长板的被所述两个板覆盖的每个区域形成等腰三角形。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所产生的光子发射是单能的。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所产生的光子发射是各向异性的。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所产生的光子发射是准直的。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，能量经由上转换被转移到所述核。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，能量经由上激发转移被转移到所述核。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，能量经由细分被转移到所述核。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，用于产生声子的所述装置包括激光器。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，用于产生声子的所述装置包括换能器。
20.根据权利要求5所述的系统，其中，所述细长板包括金属、半导体材料、非金属材料、石墨烯、陶瓷及其组合中的一种。
21.一种用于从原子核产生光子发射的方法，包括以下步骤：
产生声子；
提供包括原子核的凝聚体介质；
使所述声子与所述原子核相互作用，并通过将能量转移到所述原子核并使所述原子核发射光子来影响某些所述原子核的核态。
22.一种用于抑制来自原子核的光子发射的系统，所述系统包括：
用于产生声子的装置；
包括原子核的凝聚体介质；
其中，所述声子与所述原子核相互作用，并通过将能量转移到所述原子核之外并抑制从所述原子核发出的预期的光子发射来影响某些原子核的核态。
23.一种用于在特定位置从原子核产生光子发射的系统，包括：
用于产生声子的装置；
包括第一组原子核和第二组原子核的凝聚体介质；
其中所述声子与所述第一组原子核相互作用，并通过将能量转移到所述第一组原子核并使所述第一组原子核在第一位置发射光子来影响所述第一组原子核的核态；以及
其中所述声子与所述第二组原子核相互作用，并通过将能量从所述第二组原子核转移出去而抑制从所述第二组原子核在第二位置发出的预期的光子发射来影响所述第二组原子核的核态。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114283952A (zh) * 2021-11-19 2022-04-05 核工业西南物理研究院 垂直向中子相机屏蔽与准直结构

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020197738A1 (en) * 2019-03-23 2020-10-01 Industrial Heat, Llc Phonon-mediated off-resonant neutron transfer

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3430046A (en) * 1966-06-23 1969-02-25 Terra Nova Inc Coherent gamma ray emitter
US6483100B1 (en) * 1999-11-30 2002-11-19 Hitachi, Ltd. Photonic device
CN101093339A (zh) * 2006-06-23 2007-12-26 株式会社日立制作所 反压缩态光产生器
CN104659137A (zh) * 2014-12-22 2015-05-27 电子科技大学 一种全固态光子增强热电子发射器件
US20150162104A1 (en) * 2011-11-27 2015-06-11 Etiam Oy Thermal-energy producing system and method
WO2015195171A2 (en) * 2014-03-20 2015-12-23 Massachusetts Institute Of Technology Conversion of vibrational energy

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3281600A (en) 1966-10-25 Stimulated gamma ray emission
JP3234151B2 (ja) 1996-04-18 2001-12-04 科学技術振興事業団 高エネルギー・コヒーレント電子線とガンマ線レーザーの発生方法及びその装置
AU4812197A (en) * 1996-10-10 1998-05-05 Eneco, Inc. Method and apparatus for energy generation
JP2010025781A (ja) * 2008-07-22 2010-02-04 Toshihisa Shirakawa 中性子照射済ハフニウム制御棒のγ線崩壊加速装置
US8695476B2 (en) * 2011-03-14 2014-04-15 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Armor plate with shock wave absorbing properties

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3430046A (en) * 1966-06-23 1969-02-25 Terra Nova Inc Coherent gamma ray emitter
US6483100B1 (en) * 1999-11-30 2002-11-19 Hitachi, Ltd. Photonic device
CN101093339A (zh) * 2006-06-23 2007-12-26 株式会社日立制作所 反压缩态光产生器
US20150162104A1 (en) * 2011-11-27 2015-06-11 Etiam Oy Thermal-energy producing system and method
WO2015195171A2 (en) * 2014-03-20 2015-12-23 Massachusetts Institute Of Technology Conversion of vibrational energy
US20170173552A1 (en) * 2014-03-20 2017-06-22 Massachusetts Inctitue Of Technology Conversion of vibrational energy
CN108604882A (zh) * 2014-03-20 2018-09-28 彼得·哈格尔施泰因 振动能的转换
CN104659137A (zh) * 2014-12-22 2015-05-27 电子科技大学 一种全固态光子增强热电子发射器件

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114283952A (zh) * 2021-11-19 2022-04-05 核工业西南物理研究院 垂直向中子相机屏蔽与准直结构
CN114283952B (zh) * 2021-11-19 2023-05-16 核工业西南物理研究院 垂直向中子相机屏蔽与准直结构

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