CN117413322A - 一种核靶、用于诱导核反应的方法以及适用于实施该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核靶(1)、用于诱导核反应的方法以及能够诱导核反应的装置。根据本发明，核靶(1)配备有空腔(12)，抛射粒子(3)沉积在该空腔中。在空腔(12)中，抛射粒子(3)与前体(21和/或22和/或23)相互作用，或者抛射粒子(3)弹性散射在同位素(4)上。因此，核靶(1)、方法或装置提供了更有效的核反应诱导，并提供了更高的放射性同位素产量。在另一实施方式中，核靶(1)可以用作核废料嬗变的手段，或者用作可持续放热核反应的手段。

Description

一种核靶、用于诱导核反应的方法以及适用于实施该方法的 装置

技术领域

本发明涉及一种核靶、通过核靶和受控核反应诱导核反应的方法。在一个优选实施方式中，使用激光驱动的加速器来实施用于产生同位素的方法。

在另一个实施方式中，本发明涉及放热核反应以及将核能转化为热的方法，产生放射性同位素的方法，特别是放射性药物的方法，以及处理燃烧过的核燃料的方法，更具体地说，核裂变产物的嬗变方法。

在另一个实施方式中，本发明涉及一种能够实施本文公开的方法的装置。

背景技术

目前有多种放射性同位素被用于医学、能源或使用电离辐射的诊断方法。一些放射性同位素，特别是用于医学的放射性同位素，通常半衰期相对较短。因此，普遍需要一种在打算使用放射性同位素的特定地点或在相对较近的地点制备放射性同位素的方法。另一方面，²³⁵U的裂变反应产物的半衰期为几十年。因此，需要一种用于嬗变作为裂变核反应的最终产物的放射性材料(废物)的方法，优选为在将要利用它们的地点或在相对靠近它们的地点处理废物的方法。

进一步，还提供一种清洁能源。实现这种清洁能源的一种方法是利用放热核反应。根据现有技术，如何从中实现能量生产具有两个技术方向。一种是核裂变，另一种是核聚变。

激光通常用于工业、科学和工程应用。然而，对于受控核反应仍然是新的，因为仍有一些技术差距需要解决。

US2016/0172065公开了一种核靶、用于产生其同位素的系统以及方法。该核靶包含一个空腔，其中激光束聚焦到空腔中，在核靶表面产生等离子体。然后，核靶仍处于等离子体状态，用质子等抛射粒子束照射。根据核反应的需要来选择核靶材料和粒子类型。公开的示例是，例如，¹⁴N(p,α)¹¹C；¹¹B(p,n)¹¹C；¹⁸O(p,n)¹⁸F；²⁰Ne(d,n)¹⁸F-如该专利申请所公开；¹⁶O(p,α)¹³N；¹³C(p,n)¹³N；¹⁴N(d,n)¹⁵O；¹⁵N(p,n)¹⁵O。

根据US2016/0172065，该系统包括：

1)装置，其配置为将所述核靶转换为等离子体状态；例如激光或z箍缩；

2)粒子源，其设置为通过诱导上述核反应的粒子将所述核靶照射至等离子体状态；以及

3)同位素回收装置，其配置为回收由核反应产生的同位素。

根据US2016/0172065的系统的用途仅公开了用于产生放射性同位素。该技术方案对能量的要求也很高，并且在现有技术的背景下无损的能量产生是不可能的。

使用高强度激光产生用于受控核反应的高能粒子的另一种公开的技术方案是US2002/0172317。该装置包含两个平面靶标。用激光束对包含薄聚酯薄膜的主要靶标进行照射。在激光轰击时，第一靶标发射朝向第二靶标发射的高能粒子，例如质子或氘核。第二靶标包含¹⁰B，从而由于从主要靶标发射的质子或氘核辐射而引起核反应。

公开的用于控制聚变核反应的核靶、装置以及方法的示例是EP2833365。该靶标是平面的并且包括两层。第一层包括富氢硅，使得在激光脉冲照射时质子被发射到第二层。第二层包括硼，在某些实施方式中，硼诱导放热核反应。

例如在US20120114088中所公开的，还有胶囊状靶，其中核靶的包层压缩是激光辐射机制的结果。原子核一旦到达一定距离，它们就会在给定的靶内聚变。

然而，上述技术方案在制造放射性同位素方面效率较低，因为必须始终给所述靶提供相当大的一部分能量，例如通过激光辐射和/或外部加热。在该装置将导致核聚变的情况下，在技术上难以实现所产生等离子体的期望密度。由于放射性同位素在多个技术领域的应用日益广泛，人们越来越需要使用受控核反应来产生放射性同位素。本发明在一定程度上解决的技术问题在于更有效地产生放射性同位素的方法，或者更有效地诱导核反应的方法。

发明内容

本发明的第一个实施方式涉及一种核靶，其适用于提高诱导核反应的效率，因此也适用于制备放射性同位素，特别是放射性药物，或使燃烧的核燃料嬗变，和/或作为能够有效诱导放热核反应并产生大量热能的手段。

根据本发明的核靶，如权利要求1所述，具有包括空腔的材料本体，其中关于二次核反应的目的，优选地优化所述空腔的形状。核靶是由包括前体的材料制成。在某个实施方式中，前体可以植入所述靶的固体材料中，而在另一实施方式中，前体可以以固体(例如粉末)、液体或气体形式放置在所述靶的空腔中。在另一实施方式中，核靶的至少一部分由前体组成。在另一优选实施方式中，可以结合如上所述的前体的定位，即，将粉末前体提供到核靶的空腔中，而围绕空腔的核靶的至少一部分由相同或另外的前体组成。前体是由特定的预定同位素形成，该同位素在与抛射粒子碰撞时形成核反应的所需产物，如放射性同位素。核靶的材料，更具体地说是前体，或多种前体，被选择用于前体和抛射粒子的核反应，以获得最终产物，最常见的是放射性同位素。所述核靶还包括至少一个用于抛射粒子束通过的开口。核靶在位于开口后面的材料本体中进一步配备了空腔，用于抛射粒子的入射。穿过开口并入射到材料本体的空腔上的抛射粒子要么弹性地散射在空腔中的同位素的至少一个核/多个核上，要么取决于抛射粒子的能量而发生与同位素的期望核反应。一些抛射粒子可能会被反射出空腔，其中反射的粒子会产生损耗。可以通过空腔的形状，特别是几何形状，通过开口和空腔的位置，将损耗降至最低。在空腔中同位素/核上抛射粒子的弹性散射提供了至少两个技术效果。第一个技术效果导致空腔内能量的耗散，从而导致核靶材料的加热。第二个技术效果涉及将动能转移到所述靶/同位素核，从而可以超过所需反应的阈值能量。

然后，上述技术效果提供了与提高放射性同位素制备效率或另一个所需核反应的产率有关的协同技术效果，例如放热反应或变核的频率。

如上所述，核靶由材料本体形成，其中相对于所需核反应的过程对空腔的形状进行了优化。在某个实施方式中，材料本体可以是单个本体。在另一实施方式中，单个本体可以被划分为多个节段。在另一实施方式中，面向空腔的所述靶的开口可以稍微弯曲和/或包含纹理，特别是在空腔的内侧上。然而，核靶必须始终包含至少一个开口，优选地只有一个开口，用于使抛射粒子进入核靶的空腔。因此，核靶的空腔不会完全被含有前体和同位素的材料包围，其中抛射粒子弹性地散射在前体和同位素上。仅一个开口的上述优选实施方式提供了有效捕获散射的抛射粒子、二次粒子和由它们加速的前体粒子的优点。由于反向散射，抛射粒子从空腔中逃离的概率可以通过空腔形状的适当几何形状来最小化。

空腔可以是任何形状。在某个实施方式中，空腔的形状可以是椭圆体或球体的一部分。空腔的优化形状，优选为更复杂的形状，可以通过在连接时形成单个本体的节段来产生。在优选实施方式中，该空腔包括至少两个部分。第一部分由较窄的通道组成，而第二部分由较宽较大的空间组成。第一部分可以是圆柱体、块体或多面体的形状，而第二部分则无缝地延伸有椭圆体、球体或例如多面体的一部分的形状。空腔的几何形状至少分为两部分，提供了有效地将抛射粒子捕获在空腔中的技术优势，同时显著地限制了其反向散射。在更优选的实施方式中，空腔的第一部分的横截面尺寸对应于抛射粒子束的横向尺寸。

在本发明的上下文中，前体是指与抛射粒子相互作用的原子核，特别是抛射粒子与原子核发生碰撞，相互作用导致诱导的核反应。最终产物或中间产物可以是进一步衰变的放射性同位素，例如通过α、β和/或γ衰变，其中该衰变进一步用于特定的工业应用。中间体也可能是实现所需核反应所必需的中子。在某个实施方式中，前体可在材料中实施，例如通过离子原子实施，或CVD，或通过原子沉积到基材上的PVD。在另一实施方式中，核靶可以由围绕空腔的前体材料组成，其中在核靶的材料中存在至少一种同位素，抛射粒子散射在该同位素上。在另一实施方式中，前体可以形成空腔的一部分，以便将前体填充到一定体积。在另一实施方式中，前体可以包括在材料和空腔填充物两者中。在这种情况下，前体不一定是特定的，但是第一前体可以在空腔的壁中实施或者可以形成空腔，而第二前体可以是填充物的一部分。前体可以是，例如：¹⁰B；¹¹B；硼的天然混合物；¹³C；¹⁴N；¹⁵N；¹⁶O；¹⁸O；²⁰Ne；⁹⁹Mo、¹⁸⁶W、裂变反应产物、²³³U、²³⁵U、²³⁹Pu的放射性药物。在特定的实施方式中，核靶的材料本体可以由相应的前体材料制造。

抛射粒子是轰击核靶的粒子。在使用的情况下，根据激光靶的材料，抛射粒子可以是，例如：质子、中子、氘核、α粒子、轻离子-例如¹⁴C、¹⁶O、中重离子(例如²⁷Al)或甚至重核，例如¹⁹⁷Au。抛射粒子可以由最先进的加速器制备，或者可以由放射性同位素发射，例如AmBe或PuBe，或者可以由激光驱动的加速器制备。

如果抛射粒子的能量不对应于允许通道的共振宽度，则与抛射粒子发生弹性散射的同位素可以是核靶核、前体核和已发生反应的次生产物核。如果前体没有在核靶的材料中实施，则期望的抛射和二次粒子与核靶核的可能反应是弹性散射。因此，这些粒子被部分反射回来，并且可以与前体核相互作用。例如，钨核靶包含¹⁸⁰W、¹⁸²W、¹⁸³W、¹⁸⁴W和¹⁸⁶W同位素，其中，在质子作为质子能量高达6MeV的抛射粒子的情况下，实际上仅发生弹性散射。质子的能量可以通过多次弹性散射耗散，直到它达到与前体发生某种可能反应的共振能量。

本发明中的诱导核反应可以是核嬗变、散裂或裂变核反应、聚变反应或复合核反应。下面给出了合适的诱导核反应的示例。

在优选实施方式中，核靶还配备有激光靶，该激光靶在激光照射时发射抛射粒子。激光靶可以优选地放置在核靶开口上。在另一实施方式中，激光靶可以定位在核靶开口的前面，以在发射抛射粒子的激光靶与核靶开口之间产生空间。该空间可以优选地用于滤出由激光靶的激光照射形成的其他粒子。在另一实施方式中，激光靶与核靶之间的开口可以被封闭并填充有流体，例如包含前体核的流体。在核靶材料包括导电材料的情况下，上述激光靶的实施方式进一步提供了优点。由例如高功率脉冲激光器发射的激光脉冲可导致在导电核靶内部产生电流。在这种情况下，激光靶的嵌入优选地是对影响导电核靶的电磁辐射进行一定隔离。在一个实施方式中，激光脉冲的参数可以取自EP2833365。

在某个实施方式中，核靶的材料可以适当地选择为仅由恰好含有两种同位素的材料组成。第一种同位素是前体，第二种同位素是抛射粒子在其上弹性散射的同位素。该实施方式的技术优点在于，在辐射之后在核靶的空腔中仅发生两种相互作用。第一种相互作用诱导前体与抛射粒子的核反应。第二种相互作用表示抛射粒子在同位素上的弹性散射。因此，提高了诱导核反应或产生放射性同位素的效率。然而，一段时间后，由于与前体的核相互作用，其产物出现，也进入了进行中的相互作用。

在另一实施方式中，激光靶材料可以优选地选择为包括多种同位素。如果一个激光靶由多种同位素组成，它们发射的形成抛射粒子的离子将按一定顺序与核靶相互作用。这可以用来影响进行中的反应的动力学。在核靶空腔中提供一系列的诱导核反应的上述入射抛射粒子的顺序可以通过制造具有嵌入激光靶的核靶来确保。嵌入物的尺寸可以有利地根据反应动力学来选择。

根据IAEA公约，在下文中，我们将使用所谓的核反应缩写符号，即，反应抛射P+靶T→发射的粒子X+残余核R为T(P，X)R。同位素¹H、²H、³H和⁴He在反应中作为靶起作用时，即前体或残余核，会被相应地标记。²H和³H有时根据公约分别标记为D和T。如果同位素¹H、²H、³H和⁴He以抛射粒子或发射粒子的形式出现，我们将分别根据公约p、d、t和α来表示它们。其他同位素默认在反应的所有角色中都被标记。

在另一优选实施方式中，空腔的内壁设有一层，其包括发射二次抛射粒子的材料，在一次抛射粒子或具有足够动量的另一粒子相互作用时，二次抛射粒子从该层发射。在另一实施方式中，在空腔的体积中可以设置有能够在抛射和/或另一粒子相互作用时发射二次抛射粒子的材料。上述方法也可以结合使用。这种材料的示例是：¹H、²H，由于实际原因，其可以以例如聚乙烯或HDPE(高密度聚乙烯)的化合物的形式存在。空腔的内壁不必完全覆盖有该层；只覆盖一部分就足够了。该实施方式的优点是抛射粒子在空腔中的链式生长。一次抛射粒子和二次抛射粒子不需要相同。例如，一次抛射粒子可以是质子，二次抛射粒子可以是例如α粒子或中子。

在另一优选实施方式中，核靶可以在相应的多个空腔上设置多个开口。该优选实施方式表示了诱导放热核反应的连续操作和/或放射性同位素制备的优点。核靶可以放置在机动支架上，该支架可以与核靶一起向任何方向移动和/或可以旋转该核靶。一旦根据相应的诱导核反应产生足够量的放射性同位素，或者核靶空腔的整个前体被消耗掉，则移动核靶，使得入射的抛射粒子落入下一个或多个包含仍然未消耗的前体的空腔中。

在另一优选实施方式中，核靶或前体的材料可以根据各自的工业应用进行选择。在有利于放射性同位素制备的某个实施方式中，可以选择以下前体：¹¹B、⁹⁸Mo、¹⁸⁶W或前体⁹⁸Mo和²H的混合物。在另一有利于制备适用于使用电离辐射的诊断方法的同位素的实施方式中，前体可以选自¹⁸⁵Re、¹⁸⁷Re或^NatRe的天然混合物。在另一有利于乏核废料嬗变的工业应用的实施方式中，选择核靶前体，或者核靶材料由具有较长半衰期的同位素组成。这些同位素包括²³³U、²³⁵U、²³⁹Pu的裂变产物。在这种情况下，它也适合作为一种附加前体，这种材料在被抛射粒子照射后也能提供中子，例如在用质子照射时的²H或在用氘照射时的³H。在另一实施方式中，优选将核能转化为热，²H、⁶Li、⁷Li、¹⁰B、¹¹B、¹⁵N或其混合物被选择作为前体。

在另一优选实施方式中，发光体或闪烁体可以应用于开口和/或应用于空腔的一部分。发光体或闪烁体具有双重技术功能。第一功能是控制核靶的空腔的放射性粒子的发射。放射性粒子的发射不一定是亚原子或原子粒子，但也可能形成空腔的宏观部分，由于反应机制，该宏观部分已将部分材料喷射出空腔。第二技术功能在于控制抛射粒子束的聚焦及其沉积到核靶的空腔中，或者控制其最佳形状。

本发明的第二个实施方式涉及一种诱导如权利要求12所述的核反应的方法。根据本发明的方法是完全通用的，并且可以应用于上面提到的许多工业问题。

该方法包括提供从含有前体的材料本体入射到核靶上的抛射粒子束的步骤。本发明用于实施该方法的方式在于，抛射粒子束被聚焦到核靶的空腔中，其中抛射粒子弹性地散射在空腔内的至少一种同位素的核上；弹性散射优选发生在空腔填充物中包含的同位素上和/或核靶的壁的同位素上。抛射粒子被弹性散射，直到它们在前体上诱导核反应，或者直到抛射粒子与前体之间发生相互作用。

在优选实施方式中，抛射粒子在激光控制的加速器中产生。与常用加速器相比，激光控制的加速器通常被认为是一种更紧凑、更便宜的选择。

在另一优选实施方式中，放射性药物可以通过本发明的方法制备，其中，根据以下核反应¹¹B(p,n)¹¹C、⁹⁸Mo(p,n)^99mTc、¹⁸⁶W(p,n)¹⁸⁶Re或前体⁹⁸Mo以及²H的混合物来选择抛射粒子和前体，以在使用抛射粒子d时诱导²H(d,n+p)²H和/或²H(d,n)³He与⁹⁸Mo(p,n)^99mTc和⁹⁸Mo(n,γ)⁹⁹po后续反应的同时反应。¹⁸⁵Re(n,γ)¹⁸⁶Re、¹⁸⁷Re(n,γ)¹⁸⁸Re的反应也是可能的，同样在优选实施方式中使用氘作为抛射粒子，更优选使用由激光靶产生的氘和/或存在于核靶的空腔中并通过与任何抛射粒子的弹性碰撞而活化的氘。

在另一优选实施方式中，乏核废料的核可以通过该方法进行嬗变，其中，根据以下核反应²³³U(p,裂变)、²³⁵U(p,裂变)、²³⁹Pu(p,裂变)，特别是²³³U(n,裂变)、²³⁵U(n,裂变)、²³⁹Pu(n,裂变)，或⁶⁰Co(n,γ)⁶¹Co来选择抛射粒子和前体。在中子诱导的裂变过程中，中子必须通过作为抛射粒子的中子与前体的相互作用产生。在某个实施方式中，例如，可以通过附加的抛射粒子和含有氘的前体来实现中子产生。在该实施方式的粒子的相互作用中，发生²H(d,n)³He和/或²H(d,n+p)²H、或²H(d,p)³H和后续²H(t,n)⁴He的反应，或者前体将含有氚³H，其中发生³H(d,n)⁴He的反应。

在另一优选的实施方式中，核能可以通过该方法转化为热，其中根据以下核反应来选择抛射粒子和前体：³He(d,p)⁴He、⁶Li(d,α)⁴He、⁷Li(p,α)⁴He、¹⁰B(p,α)⁷Be、¹¹B(p,2α)⁴He、¹⁵N(p,α)¹²C或⁶Li(p,³He)⁴He，接着是二次反应⁶Li(³He,2α)¹H和³He(³He,2p)⁴He。其他可能的反应包括³H(d,n)⁴He、²H(t,n)⁴He、²H(h,γ)³H、⁶Li(n,³He)⁴He、¹⁰B(n,α)⁷Li、⁷Be(n,p)⁷Li、¹³C(n,γ)¹⁴C、¹⁴N(n,p)¹⁴C、¹⁷O(n,α)¹⁴C、²¹Ne(n,α)¹⁸O、²²Na(n,p)²²Ne或³⁷Ar(n,α)³⁴S。在更优选的实施方式中，使用热交换器从核靶传导热量。

本发明的第三实施方式涉及一种适用于，即不专用于实施根据本发明第二实施方式或优选实施方式的方法的装置。该装置在权利要求19中进行了限定。

根据本发明，该装置包括抛射粒子源和核靶，其中所述抛射粒子源配置为向根据本发明的核靶的空腔中沉积抛射粒子。

在优选实施方式中，该装置包括核靶和激光靶，其中核靶是根据本发明的核靶，并且激光靶能够在激光脉冲打击时发射抛射粒子。激光靶可以是固态的，例如EP2833365中公开的激光靶，或者也可以使用气体喷射靶，利用激光尾流场加速现象。

在其他优选实施方式中，该装置配置为实施根据本发明的方法。

附图说明

图1a-图1f是根据本发明的核靶的第一实施方式在所述靶中放置前体的各种替代方案的示意图。

图2a和图2b是根据本发明的核靶的第二优选实施方式的示意图，该核靶具有空腔的第一和第二部分。

图3a、图3b和图3c是根据本发明的核靶的另一优选实施方式的示意图，该核靶包括能够产生抛射粒子的激光靶，其中图3b示出了具有嵌入激光靶的更优选实施方式，图3c示出了包括液体或气体形式的前体的优选实施方式，其中所述前体包含在所述核靶的空腔中。

图4是根据本发明的核靶空腔的实施方式的示意图，其中空腔配备有在与一次抛射粒子相互作用时发射二次抛射粒子的层。

图5是具有根据本发明的核靶的连续带的实施方式的示意图。

图6a和图6b是具有发光体的核靶的实施方式的示意图。

图7是与热交换器结合的核靶的实施方式的示意图。

图8a-图8e示出了根据本发明的核靶空腔几何形状的不同实施方式。

图9a和图9b是包括激光控制加速器的装置的示意图，该加速器产生包括根据本发明的核靶的抛射粒子。

图10a和图10b是实验中使用的根据本发明的核靶的示意图。

图11表示根据本发明的核靶#1、#2和#6的空腔的实验后分析。

图12表示根据本发明的核靶#1、#2和#6的高度分布的实验后分析。

附图标记列表

1 核靶

11 开口

110 开口的外侧

12 空腔

121 空腔具有较窄横截面的第一部分

122 空腔具有扩大横截面的第二部分

123 空腔的内侧

13 核靶节段

21 空腔周围的核靶材料中植入的前体

22 形成空腔的前体

23 空腔中的前体

3 抛射粒子

31 背散射的粒子

32 提供二次抛射粒子的层

320 二次抛射粒子

301 同步加速器

4 同位素

5 激光靶

50 发射抛射粒子的层

51 暴露于激光束的层5的反向侧

52 激光脉冲

6 真空泵

7 方向改变

8 发光体

81 发射(宏观)粒子方向

9 热量

91 热交换器

92 安全壳

具体实施方式

放射性同位素是通过轰击或辐射包含前体21或前体22和/或前体23的核靶1而产生的。前体21和/或前体22和/或前体23是指与抛射粒子3相互作用以获得最终产物的原子核，并且在本领域中通常是已知的。最终产物通常是不稳定的放射性同位素，通过α、β和/或γ衰变进一步衰变。根据本发明，通过诱导的核反应产生的产物基本上发生在核靶1的空腔12内，其中存在/包含在空腔12中的前体21和/或前体22和/或前体23的至少一部分与抛射粒子3相互作用，并通过核反应形成最终产物。在大多数情况下，形成的产物，通常是放射性同位素，因此是与形成核靶1的其它材料混合的，其中未转化的前体21和/或前体22和/或前体23保持随机分布在所述核靶1中。转化为最终产物的前体21和/或前体22和/或前体23的某些部分可以使用化学方法进行分离。用于分离转化的放射性同位素的化学方法的示例包括：在强酸中溶解核靶1或核靶1的空腔12的内容物，随后过滤放射性同位素并将其沉淀。

根据本发明的核靶1包括：在核靶1的包层中的前体21或前体22的至少一个核和/或在空腔12内的前体23，其通过核反应转化为产物核；以及同位素4，抛射粒子3在同位素4上弹性散射直到与前体21和/或前体22和/或前体23的核相互作用。在根据图1a-图1f的示例的情况下，前体21和/或前体22或前体23本身可以是同位素4，直到抛射粒子3的动能等于反应通道的能量。这种材料的示例可包括，例如，¹⁰B作为前体21和/或前体22和/或前体23的核，p作为抛射粒子3，其中抛射粒子3弹性散射在其上的同位素4是稳定同位素4W(¹⁸⁰W、¹⁸²W、¹⁸³W、¹⁸⁴W、¹⁸⁶W；或其天然混合物，根据图1a)之一，并且其中所得到的核反应是¹⁰B(p,α)⁷Be。在另一示例中，可以选择¹¹B(p,α)⁸Be，其中⁸Be根据⁸Be→2α进一步衰变，其中W同位素4被用作抛射粒子3在其上弹性散射的核。另一示例可以包括⁹⁸Mo(p,n)^99mTc的核反应，其中抛射粒子3在其上弹性散射的同位素4是形成核靶1的包层的W同位素4。在另一实施方式中，可以将前体21或前体22放置到核靶1的主体中，例如，作为空腔12的包层的一部分(图1a、图1b、图1d、图1e和图1f)，和/或将其放置在核靶1的空腔12中(图1c、图1d、图1e和图1f)。也可以将前体21和/或前体22和/或前体23b的上述放置组合起来，如图1d-图1f所示。

根据实施方式的另一示例，核靶1可以包含硼的天然混合物，即20％的¹⁰B和80％的¹¹B，作为前体21和/或前体22和/或前体23的核。图1a示意性地说明了前体21的有序分布，其横截面对应于圆形。在该实施方式中，可以使用各种化学物理过程，例如化学或物理气相沉积(分别为CVD或PVD)，将相应的前体21植入核靶1的主体内。图1b示意性地示出了一种情况，其中前体22沉积在限定的区域中，并形成具有空腔12的材料本体。图1c示出了一个实施方式，其中前体23直接放置在核靶1的空腔12中，即前体23没有植入核靶1的材料中，而是放置在核靶1的空腔12的一部分中，并用作空腔12中的填充物。前体22也可以使用已知的PVD、CVD或离子注入方法直接放置到核靶1的空腔12中，或者将其作为材料本体。图1d示意性地示出了两个前体22和前体23的放置的可能组合。类似地，可以提供根据图1e的实施方式，其中存在前体21和前体23，其中第一前体21形成材料本体的一部分。第二前体23被放置在空腔12中。根据图1f的第一和第二前体21和/或前体22和前体23可以是相同的同位素。在另一实施方式中，根据图1f，第一和第二前体21和/或前体22或前体23的同位素组成分别不同。根据图1d-图1f的优选实施方式可以特别用于通过裂变核反应产生热量的领域。在该优选实施方式中，核靶1可以在包层中包括前体21和/或前体22，其包含例如同位素²³³U、²³⁵U和²³⁹Pu。同时，核靶1包括空腔12，其填充有前体23，至少部分地用作填充物。第二前体23可以是³H或LiD，以在与抛射粒子3相互作用时发射能够在前体21和/或前体22上诱导裂变核反应的中子。最后，由于上述选择的前体21和/或前体22和前体23与抛射粒子3的相互作用，发生放热核反应。

在另一实施方式中，核靶1可以是富集的，例如具有浓度高达90％的¹⁰B的靶，从而根据上述核反应诱导适当的反应方案。还可以根据其预期用途选择前体21和/或前体22和/或前体23的分布，例如在核靶1边缘的更高浓度的前体21和/或前体22和/或前体23。也可以使用两种类型的前体21和/或前体22和/或前体23，或者同时放置，例如，根据图1d-图1f的布置。

核靶1可以基本上是平面形状，具有开口11和位于开口11后面的材料本体中的空腔12。空腔12可以采用任何形状。图1a-图1d显示了核靶1的示意性横截面，其中空腔12的一部分横截面基本上对应于圆形。在另一实施方式中，例如根据图8，空腔12的横截面形状可以对应于具有锥形开口11的椭圆形、矩形、蘑菇形或多边形的截面。然而，核靶1总是包括用于使抛射粒子3进入核靶1的空腔12中的开口11。

在图2a所示的优选实施方式中，空腔12可由两部分形成。第一部分121表示空腔12的较窄部分，抛射粒子3穿过该较窄部分。在空腔12的第二部分122中，其体积比第一部分121大，抛射粒子3沉积并弹性散射在同位素4的核上，或者在特定的前体21和/或前体22和/或前体23上诱导核反应。核靶1的空腔12的较窄部分121的优点是使从空腔12的区域外的核靶1发出的反向散射粒子31最小化。具有部分121和部分122的空腔12的另一优点在于，抛射粒子3的束3不必垂直于核靶1聚焦。抛射粒子束3可以在特定角度下沉积到空腔12中，例如根据图2b。抛射粒子3在空腔12中的弹性散射确保了足够数量的被捕获的抛射粒子3，以在前体21和/或前体22和/或前体23上诱导足够数量的核反应。

核靶1的开口11用于抛射粒子3的进入，例如质子、氘、轻核，它们可以在常用的粒子加速器中被加速。在另一实施方式中，可以使用激光控制的加速器。在另一实施方式中，也可以使用来自静态发射器，例如AmBe、RaBe或PuBe的抛射粒子3的准直束。在使用中子作为抛射粒子3的情况下，也可以使用散裂源或来自裂变反应堆的准直中子束。抛射粒子3穿过核靶1的开口11并沉积在其空腔12中。理想情况下，在空腔12中正好发生两种可能的相互作用。第一相互作用由抛射粒子3与前体21和/或前体22和/或前体23的诱导核反应组成，其中根据工业应用而适当选择抛射粒子3和前体21和/或前体22和/或前体23。在所需相互作用的后一种情况下，抛射粒子3弹性散射在同位素4上，其中抛射粒子3的动能被耗散，直到抛射粒子3与从可能的相互作用通道中选择的所需核反应相互作用，并且核反应发生在前体21和/或前体22和/或前体23上。

根据所需的核反应和相关工业应用，适当选择核靶1的体积、核靶1壁的厚度、空腔12的尺寸和形状、前体21和/或前体22和/或前体23的分布以及核靶1的其他通常需要的参数。可以使用常用的计算机程序来确定上述参数。

抛射粒子3与前体21和/或前体22和/或前体23的核反应的最终产物可以是，例如，用于放射治疗的放射性同位素、用于医疗应用和/或材料诊断的成像的放射性同位素。在另一实施方式中，最终产物可以是具有短和/或中等半衰期的稳定同位素4。在另一实施方式中，最终产物可以是在放热核反应中制备的稳定同位素4，其然后可以在热转换器91中转化为热9。

在根据图3a和图3b的实施方式中，核靶1可以进一步配备激光靶5，激光靶5包括层50，如果层50的反向侧51暴露于激光束，则层50发射抛射粒子3。因此，从层50发射加速的抛射粒子束3，其可用于在根据本发明的核靶1的空腔12中诱导核反应。在图3a所示的实施方式中，具有层50的激光靶5紧紧地放置在核靶1的开口11的前面。在被激光脉冲52撞击之后，抛射粒子3被直接发射到核靶1的空腔12中，在其中它们诱导核反应或被弹性散射。通过使用TNSA机制(M.Roth,M.Schollmeier.Ion Acceleration—Target Normal SheathAcceleration.Vol.1(2016):Proceedings of the 2014CAS-CERN Accelerator School:Plasma Wake Acceleration,DOl:https://doi.org/10.5170/CERN-2016-001.231)提供抛射粒子3的发射。在另一实施方式中，如图3b所示，激光靶5可以被放置到插入开口11前面的核靶1的空腔12，以加速抛射粒子3进入核靶1的空腔12中。在激光靶5与核靶1的开口11之间插入的优点提供了在激光脉冲52的影响和激光尾流场加速度的使用下放置真空泵6的可能性，该真空泵6吸出从激光靶5发射的杂质。一个优选实施方式还提出了激光靶5与层50的偏移，在核靶1的材料导电的情况下，提供了激光辐射的电磁脉冲与核靶1之间的屏蔽。在抛射粒子3表示同位素4的混合物的情况下，该插入使得可以配置抛射粒子3将撞击前体21和/或前体22和/或前体23并与其相互作用的时间序列，或者配置抛射粒子3的前一波与前体21和/或前体22和/或前体23相互作用的产物的时间序列。具有抛射粒子3入射到空腔12中的时间序列的这种示例性实施方式可以从Torrisi,Lorenzo&Cavallaro,Stefano&Cutroneo,M.&Krasa,Josef&Klir,Daniel.(2014)获得。激光等离子体在10¹⁶Wcm^-2强度下诱导D-D核聚变。Physica Scripta.2014.014026.10.1088/0031-8949/2014/T161/014026。入射抛射粒子3的顺序以及与前体21和/或前体22和/或前体23的相互作用是由更复杂的激光靶5配置提供，例如D.Margarone等人(2020)中报道的“捕手-投手(catcher–pitcher)”。用Multi-kJ，佩雷斯维特激光系统的α粒子束的产生，(Generation ofα-Particle Beams With aMulti-kJ,Peta-Watt Class Laser System.)，物理学前沿(Frontiers in Physics)，2020年9月，B卷，第343条。

具有激光靶5的优选实施方式能够提供高能强子粒子束，例如质子、轻核、重核(例如Au)或中子，但也能够提供电子束，而不需要复杂的束传输。如图3b所示的优选实施方式，除其他外，能够使用激光控制的加速器，这通常被认为是比传统加速器更紧凑、更便宜的选择。

图3c进一步示意性地示出了另一个实施方式，其包括核靶1和激光靶5。激光靶5与核靶1之间的区域被关闭以防止流体与周围环境的交换。然后可以用含有前体23的液体或气体填充封闭区域。

在另一优选实施方式中，可以选择激光靶5的材料、结构和厚度，以便使用TNSA机制适当选择激光脉冲的焦点(脉冲横截面)，从而在粒子的强度和能谱方面产生最佳的抛射粒子谱。在实施方式的某个示例中，核靶1的同位素组成被选择为由恰好两种同位素组成。第一同位素是前体21和/或前体22和/或前体23，其定位在核靶1的包层和/或空腔12中。第二同位素是原子核，抛射粒子3弹性散射在该原子核上。该实施方式提供的优点在于，在轰击抛射粒子3之后，仅允许与前体21和/或前体22和/或前体23的相互作用，或者抛射粒子3弹性散射在同位素4上，直到它们与前体21和/或前体22和/或前体23的原子核相互作用。在下一阶段中，与抛射粒子3进行核反应的产物也可以进入该过程。例如，如Torrisi,Lorenzo&Cavallaro,Stefano&Cutroneo,M.&Krasa,Jos ef&Klir,Daniel.(2014)所报道的，这些产物可以通过具有较小质荷比的离子以一定延迟到达空腔12。激光等离子体在10¹⁶Wcm^-2强度下诱导D-D核聚变。Physica Scripta.2014.014026.10.1088/0031-8949/2014/T161/014026。最终，核反应的产率会增加。

在图4所示的示例中，核靶1的空腔12的内侧123设有层32。层32包括原子核，原子核能够在与抛射粒子3相互作用之后发射二次抛射粒子320。图4显示了带有激光靶5的具体实施方式。然而，本领域技术人员显而易见的是，层32的技术功能与激光靶5的技术功能是完全可分离的，因此可以在没有任何进一步技术困难的情况下，在任何实施方式中实施，例如根据图1a-图1f和/或图2a、图2b，或者有益的技术效果可以与上述任何一个示例相结合。更具体地说，例如，根据图4所示实施方式的层32的技术功能可以在根据图2a或图3b的实施方式中使用和实现，即，可以构造核靶1的空腔12的第一部分121和第二部分122，使得背散射的粒子31撞击层32，或者为核靶1提供具有激光靶5的层32。技术功能保持完全可分离，包括所提供的优势。由于与一次抛射粒子3的相互作用，层32则能够发射额外的二次抛射粒子320。该优选实施方式提供了链式反应的可能性，即，与由一次抛射粒子束3沉积的最初的相比更多的抛射粒子释放到空腔12中。类似地，该优点可以通过在空腔12中的前体23的适当组合来实现。例如，如果激光靶5由高密度聚乙烯(HDPE)制成，则在抛射粒子3中将存在质子和碳离子¹²C。如果氢也与例如¹¹B一起包含在前体21和/或前体22和/或前体23中，则其核-质子将通过与抛射粒子的二次反应而逐渐加速至150keV或更高的能量，从而允许进一步的反应，例如¹¹B(p,2α)⁴He。前体23中的氢原子核也将被先前p¹¹B反应中形成的α粒子加速。

图5显示了具有多个根据本发明的核靶1的带，核靶1包括多个开口11和空腔12。该实施方式表示了在方向7上移动核靶1的优点。如果在第一空腔12的体积中消耗了一定数量的前体21和/或前体22和/或前体23的原子核，则核靶1在这样的方向7上移动，使得抛射粒子束3与未消耗的前体21和/或前体22和/或前体23一起落入下一个空腔12中，从而允许核反应的连续诱导。例如，该示例可以在具有位于核靶1周围的热交换器91的放热核反应的情况下使用。该实施方式的另一优点在于，核靶1可以形成由一个抛射粒子源3辐射的环形带，其中核靶1根据需要在方向7上移动。

图6a和图6b示出了核靶1的一个实施方式，该核靶1具有施加在开口11上的发光体8。更具体地，开口11的外侧110设置有发光体8。可以使用常用的发光体8，例如Gd₃Ga₃Al₂O₁₂:CeMg。图6示出了一种情况，在这种情况下，通过激光控制的加速器从激光靶5产生抛射粒子3，激光脉冲52聚焦在激光靶5上。抛射粒子3被发射到核靶1的空腔12中，同时与前体21和/或前体22和/或前体23的核相互作用。在一个实施方式中，抛射粒子3与前体21和/或前体22和/或前体23的核之间的相互作用可以是放热核反应。也可能出现这样的情况，在这种情况下，作为相互作用的二次产物，在核靶1的空腔12中释放了过多的气体9，或者由于空腔12的不完全最优的形状，此情况导致粒子逆着脉冲52的方向大量回流。结果，空腔12的内部的一部分可以被撕裂并且在方向81上向外发射。方向81上的发射不一定表示原子和/或亚原子粒子，或背散射的抛射粒子31，但它也可以是肉眼可见的小粒子。在上述情形的情况下，发光体8提供了能够检测核靶1的一部分是否已经撕裂并落在空腔12的区域之外的安全功能。当处理诸如核裂变产物的危险同位素4时，也可以使用这种有利的实施方式。图6a中的实施方式说明了发光体8，其也可以与空腔12中的前体23混合。类似地，图6b说明了发光体8的应用，其可以帮助优化抛射粒子3的强度和能谱。这就故意使激光束失焦。如果激光器未对准，则脉冲轨道52可能不会最佳地与开口11重叠。发光体8在辐射后的后续分布可用于根据使用目的优化空腔12的内部形状，例如根据图8优化空腔12的形状。图8e示出了核靶1的空腔12的形状的优选实施方式，其中优化空腔12的形状，使得背散射的粒子被进一步反射到空腔12中。根据图8e的核靶1由几个节段13组成，这些节段13在制造基本上任何形状的核靶1的空腔12时都具有优势。组装核靶1的各个节段13以有效地防止抛射粒子3在空腔12的区域之外的散射。因此，空腔的形状针对可能的核反应产率损失进行了优化。

上述实施方式可以与根据本发明的用途选择的优选核反应相结合。在一个实施方式中，可以使用进一步设置有激光靶5的核靶1，例如由聚合物(CD₂)_n-聚乙烯的层50组成，其中氢核被氘核取代，例如根据Torris,L.和Cutroneo,M.,“来自氘靶的激光等离子体中的三重核反应(d，n)(Triple nuclear reactions(d,n)in laser-generated plasma fromdeuterated targets)”,等离子体物理学(Physics of Plasmas),24卷,2017年第6期,doi:10.1063/1.4984997。核靶1可以由钨制成，并且填充有⁶LiD和/或⁷LiD或^NatLiD的前体21或前体22和前体23。加速的氘核、碳核和质子混合物的束，其形成从激光靶5向核靶1的空腔12发射的抛射粒子束3。抛射粒子3与包含在核靶1的空腔12中的前体21和/或前体22和/或前体23的核碰撞。这在核靶1的空腔12内诱导相应的核反应，在D-D和Li-D(⁷Li(d,n)⁸Be)反应的情况下，这些核反应产生中子。不与前体21和/或前体22和/或前体23的核碰撞的抛射粒子3在同位素4上弹性散射，或者在抛射粒子3与前体21和/或前体22和/或前体23发生的反应的产物的核上弹性散射，直到在前体21和/或前体22和/或前体23上发生相应的核反应。

在另一示例中，激光靶5可以由HDPE层50组成。根据该示例，从激光靶5产生加速的抛射粒子3，即质子，导致与例如粉末状非晶¹⁰B和/或¹¹B或^NatB形式的前体21和/或前体22和/或前体23的诱导核反应。在该示例中，以下反应是可能的：¹¹B(p,n)¹¹C与进行中的¹¹B(p,α)⁸Be和¹⁰B(p,α)⁷Be的平行反应。然后可以化学分离得到放射性同位素，其中一种产物，即¹¹C，是半衰期为20分钟的纯正电子发射体，可用于医疗诊断或材料缺陷诊断。在另一实施方式中，激光靶5可以是能够发射氘的聚合物膜(CD₂)_n的层50，其中¹⁸⁵Re、¹⁸⁷Re或^NatRe的天然混合物可以用作核靶1中的前体21和/或前体22和/或前体23。天然铼由¹⁸⁵Re和¹⁸⁷Re两种同位素组成，比例为37.4:62.6。根据该示例，从激光靶5产生抛射粒子3，即氘，并且如果氘包含在核靶1的空腔12中的前体21和/或前体22和/或前体23中，²H(d,n)³He或²H(d,n+p)²H的核反应导致中子的产生，并且随后¹⁸⁵Re(n,γ)¹⁸⁶Re、¹⁸⁷Re(n,γ)¹⁸⁸Re的反应导致¹⁸⁶Re和¹⁸⁸Re放射性核素的产生，半衰期分别为90个和17个小时，用于^99mTc等医学中。

在另一示例中，为了诱导放热核反应的目的，可以使用反应³He(d,p)⁴He、⁶Li(d,α)⁴He、⁷Li(p,α)⁴He、¹⁰B(p,α)⁷Be、¹¹B(p,2α)⁴He、¹⁵N(p,α)¹²C或⁶Li(p,³He)⁴He，接着是二次反应³He(⁶Li,2α)¹H和³He(³He,2p)⁴He。其他可能的放热核反应包括：³H(d,n)⁴He、²H(n,γ)³H、⁶Li(n,³He)⁴He、¹⁰B(n,α)⁷Li、⁷Be(n,p)⁷Li、¹³C(n,γ)¹⁴C、¹⁴N(n,p)¹⁴C、¹⁷O(n,α)¹⁴C、²¹Ne(n,α)¹⁸O、²²Na(n,p)²²Ne或者³⁷Ar(n,α)³⁴S。释放的能量可以转换成热量9。图6和图7示意性地示出了在核靶1中产生热量9的示例。图7示意性地显示了同步加速器301产生的抛射粒子3。鉴于上述优选实施方式，常用的抛射粒子加速器3可以用作抛射粒子3的发生器。抛射粒子3在与前体21和/或前体22和/或前体23的核碰撞时在核靶1中诱导放热核反应，其中在核靶1的空腔12中产生热量9。然后，热量9通过热交换器91被传导到核靶1的外部。热交换器91随后可以连接到用于产生电能的蒸汽发生器。根据相应的核安全规定，核靶1可以与热交换器91一起放置在安全壳92中。

在以下实施方式的示例中，本发明公开了诱导核反应的方法。在第一步骤中，提供抛射粒子束3。在优选实施方式中，抛射粒子3具有相对于所需反应优化的光谱和强度。这些抛射粒子3沉积在包含前体21和/或前体22和/或前体23的核的核靶1的空腔12中。抛射粒子3要么诱导核反应，要么弹性散射在制造核靶1的材料的同位素4上。在本发明方法的某一步骤中，在所诱导的反应被烧尽后，放射性同位素制备方法结束或可以重复；所述重复可以发生在核靶1的同一空腔12中，或者核靶1可以进一步移动并且抛射粒子3被聚焦到包含先前未消耗的前体21和/或前体22和/或前体23的新空腔12中。

检测前体21和/或前体22和/或前体23上发生的核反应数量的一种方法是测量从核靶1发出的电离辐射。在一个实施方式中，可以使用核反应¹⁰B(p,α)⁷Be，从而检测来自⁷Be的去激发的伽马辐射。伽马辐射的监测可以作为诱导核反应数量的指标。

加速的抛射粒子3也可以是正离子，其可以诱导与核靶1的空腔12内的其他材料的核聚变或核裂变。

在某个示例中，通过组合辐射的核靶1的材料，优选地通过由激光靶5产生加速的抛射粒子3，可以诱导除上述反应之外的许多反应。

另一种组合包括质子作为具有高能量的高能抛射粒子3与前体21和/或前体22和/或前体23的¹⁶O的核的碰撞。碰撞可能引发¹⁶O(p,α)¹³N的核反应，其中¹³N是一种短半衰期放射性同位素，可以通过α衰变进一步衰变。

在另一实施方式中，质子作为加速的抛射粒子3，与包含前体21和/或前体22和/或前体23的核¹⁸O的核靶1碰撞，从而诱导核聚变¹⁸O(p,n)¹⁸F，其中¹⁸F是半衰期为109分钟的放射性同位素。

在另一示例中，质子作为加速的抛射粒子3，与含有¹⁰B的核靶1碰撞，引发¹⁰B(p,α)⁷Be的核反应，其中⁷Be是半衰期为53天的放射性同位素。

在另一示例中，质子作为加速的抛射粒子3，与含有¹⁵N的核靶1碰撞，从而诱导¹⁵N(p,n)¹⁵O的核反应，其中¹⁵O是短半衰期的放射性同位素。

通过使用其他抛射粒子3，或使用另一激光靶5，可以产生正离子抛射粒子3。在某个实施方式中，它可以是落入包含前体21和/或前体22和/或前体23的¹²C原子核的核靶1的空腔12中的高能氘，其可以诱导¹²C(d,n)¹³N的核反应，其中¹³N是具有短半衰期的放射性同位素。

在另一示例中，作为加速抛射粒子3的氘与前体21和/或前体22和/或前体23的¹⁴N原子核的碰撞可以诱导¹⁴N(d,n)¹⁵O的核反应，其中¹⁵O是短半衰期的放射性同位素。

在另一示例中，作为加速抛射粒子3的氘与前体21和/或前体22和/或前体23的²⁰Ne原子核的碰撞可以诱导²⁰Ne(d,α)¹⁸F的核反应，其中¹⁸F是短半衰期的放射性同位素。

在其他示例中，中子可以用作抛射粒子3，其中它可以被两级激光靶5加速，其中，第一激光靶中产生的质子落在由例如LiF制成的第二激光靶上。此外，作为氘核的一部分，在与前体21和/或前体22和/或前体23的反应中使用汽提反应，中子可以在空腔12中直接产生，例如通过²H(d,n)³He、²H(d,n+p)²H反应，特别是³H(d,n)⁴He。

在另一实施方式中，根据该方案，通过²H(d,n)³He、²H(d,n+p)²H反应，特别是³H(d,n)⁴He，中子也可以作为抛射粒子用于核裂变。

在另一示例中，核靶1可以用燃烧过的核燃料的核进行浓缩，或者由燃烧过的燃料材料制成，其中，用抛射粒子3-氘轰击的氚前体23被放置在空腔12中，形成中子脉冲，使重核的核在²³³U(n,裂变)、²³⁵U(n,裂变)、²³⁹Pu(n,裂变)反应中裂变。

图9a示意性地示出了激光控制的激光束发射加速器，该加速器用激光脉冲52辐射激光靶5。激光靶5由暴露于激光脉冲52的反向层51组成，激光靶5设置有层50，该层50通过TNSA机制产生朝向核靶1的空腔12的加速抛射粒子3。加速的抛射粒子3通过开口11进入空腔12，通过空腔12的较窄部分121进入空腔12的较宽部分122。在空腔12中，抛射粒子3要么与前体23的核碰撞，要么弹性散射在同位素4上。空腔12的较窄部分121防止背散射的抛射粒子31离开空腔12。在根据图9a的示例中，核靶1与激光靶5分离，激光靶5是激光加速器的一部分。

在实施方式的另一示例中，根据图9b，可以为核靶1预先配备激光靶5，即，牢固地固定在核靶1上，使得在激光脉冲52入射到核靶1的空腔12中之后从激光靶5发射抛射粒子3。在根据图9b的示例中，该装置还配备有核靶1，该核靶1包括沉积在开口11的外侧110上的发光体8。因此，发射抛射粒子的层50不必是加速器的一部分，并且可以与核靶1一起作为一个产品来供应。预配置的激光靶5提供了至少部分屏蔽由高功率脉冲激光器引起的电磁脉冲的优点。这种布置还允许使用液体前体23。

实验例

根据本发明，实验装置专用于核靶的表现方式。与实验证明相对应的示意图如图10a和10b所示。

如图10a所示，实验装置由六个钨核靶组成。每个核靶包括直径为1mm、深度为0.8mm的圆柱形空腔，如图10a所示。核靶的总厚度为1.6mm。空腔由厚度为23μm的MYLAR箔覆盖。每个空腔包括前体并填充香豆素，香豆素在紫外光下产生发光。具有空腔矩阵的核靶的示意图如图10b所示。下表表示了如图10b所示的空腔编号，以及在核靶的相应空腔上进行的激光发射。具有中等激光对比度10^-9的激光脉冲(30fs)提供了非相对论强度(≈10¹⁷W/cm²)。如表中所示，所使用的激光脉冲能量为6焦耳或10焦耳。

在实验中，激光发射被引导到由MYLAR箔覆盖的空腔。根据发明人的观察，无论激光脉冲的能量如何，激光发射都不会对核靶的钨表面产生任何影响。这一点在2#靶上尤为明显，其中激光发射没有击中空腔，而是击中了钨表面。香豆素填充物没有通过激光发射从空腔中喷出，因此它可以有效地用于监测其中的核反应。具有低原子序数Z的粉末状靶材料允许足够长的平均自由程用于抛射粒子和二次粒子的再散射，这导致所述靶的一定体积内的束能量耗散。与此相反，具有大库仑势垒的所述靶的高Z钨体在给定的束参数下反射束粒子，而靶体没有任何明显的变化。本发明人进一步提供了用于发射的每个空腔的实验后分析。代表性示例如图11所示。图12显示了根据图11所示的线对各个靶的深度分析。

工业适用性

本发明在多个行业中都有应用，因为在某种程度上，它表示一种诱导核反应的通用方法。在某一工业应用中，本发明可用于制备放射性同位素，特别是放射性药物。在另一工业应用中，本发明可用于燃烧的核燃料的嬗变，从而将危险的核废料转化为稳定的同位素，或者至少转化为短半衰期的同位素。在第三个但不是最后一个工业应用中，本发明可用于从受控核反应中产生热量。

Claims (20)

1.一种核靶(1)，其形成为本体，其中所述核靶(1)包括至少一种前体(21和/或22和/或23)，所述前体能够在与抛射体粒子(3)相互作用时诱导核反应，其特征在于，所述核靶(1)包括：

至少一个开口(11)，用于使抛射粒子束(3)通过；和

空腔(12)，位于所述开口(11)后面的所述核靶(1)的主体中，其中，所述空腔(12)包括所述前体(21和/或22和/或23)和/或由其形成和/或被其包围；并且其中，

所述核靶(1)包括至少一种同位素(4)，所述抛射粒子(3)弹性散射在所述同位素上。

2.根据权利要求1所述的核靶，其特征在于，所述抛射粒子(3)在其上弹性散射的同位素(4)为：

-与前体(21和/或22和/或23)的核不同的核的同位素(4)；或

-与所述前体(21和/或22和/或23)的核相同的核的同位素(4)，其中所述撞击抛射粒子(3)具有动能，所述动能不同于用于诱导核反应的阈值能量。

3.根据前述权利要求中任一项所述的核靶(1)，其特征在于，所述核靶(1)的至少一部分由围绕所述空腔(12)的所述前体(22)形成和/或包括所述空腔(12)中的所述前驱体(23)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的核靶(1)，其特征在于，所述核靶(1)包括至少两个相同的前体(21和/或22和/或23)或不同地位于其中的不同前体(21和/或22和/或23)。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的核靶(1)，其特征在于，所述核靶(1)由两种同位素组成，其中第一同位素是前体(21和/或22和/或23)，第二同位素是所述抛射粒子(3)弹性散射在其上的同位素(4)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的核靶(1)，其特征在于，所述核靶(1)还配备有激光靶(5)，所述激光靶(5)能够在与激光辐射相互作用后发射抛射粒子(3)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的核靶(1)，其特征在于，所述空腔(12)的内侧(123)设置有所述材料的层(32)，和/或所述空腔(12)包括在抛射粒子(3)或由所述空腔(12)内的相互作用产生的另一粒子的相互作用的情况下发射二次抛射粒子(320)的材料。

8.根据前述权利要求中任一项所述的核靶(1)，其特征在于，所述核靶(1)设置有多个开口(11)和相应数量的空腔(12)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的核靶(1)，其特征在于，所述核靶(1)包含同位素(4)，其选自与抛射粒子(3)或前体(21和/或22)的核具有非弹性散射阈值的核，或者抛射粒子(3)与前体(21和/或22和/或23)的反应产物高于相互作用核的能量的核。

10.根据前述权利要求中任一项所述的核靶(1)，其特征在于，所述开口(11)和/或所述空腔(12)的一部分设置有发光体(8)和/或者闪烁体。

11.根据前述权利要求中任一项所述的核靶(1)，其特征在于，所述核靶(1)由多个配置成这样的节段(13)组成，所述节段形成单一的材料本体，其中空腔(12)的形状用于抑制所述抛射粒子(3)在所述空腔(12)的区域外部的散射。

12.一种用于诱导核反应的方法，包括以下步骤：

提供撞击在根据前述权利要求中任一项所述的核靶(1)上的抛射粒子束(3)；

其特征在于，

抛射粒子束(3)被聚焦到所述核靶(1)的空腔(12)中；其中

抛射粒子(3)弹性散射在核靶(1)的空腔(12)内的至少一种同位素(4)的核上，直到抛射粒子(3)与前体(21和/或22和/或23)相互作用。

13.根据权利要求12所述的用于诱导核反应的方法，其特征在于，所述抛射粒子(3)由激光驱动的加速器产生。

14.一种用于制备放射性同位素的方法，其特征在于，所述方法包括根据权利要求12或13所述的用于诱导核反应的方法，其中所述抛射粒子(3)选自p、d、n，并且所述前体(21和/或22和/或23)选自²H、³H、¹⁰B和/或¹¹B或^NatB、⁹⁹Mo、¹⁸⁶W、¹⁸⁵Re、¹⁸⁷Re或^NatRe的天然混合物，其中优选选择抛射粒子(3)和前体(21和/或22和/或23)的组合以诱导¹¹B(p,n)¹¹C、⁹⁸Mo(p,n)^99mTc、¹⁸⁶W(p,n)¹⁸⁶Re或²H(d,n)³He和²H(d,n+p)²H的核反应，用于中子制备，接着是⁹⁸Mo(n,γ)^99mTc、¹⁸⁵Re(n,γ)¹⁸⁶Re、¹⁸⁷Re(n,γ)¹⁸⁸Re反应。

15.一种用于核废料嬗变的方法，其特征在于，所述方法包括根据权利要求12或13所述的用于制备放射性同位素的方法，其中所述抛射粒子(3)选自p、d、n，并且所述前体(21和/或22和/或23)选自核废料，其中优选选择抛射粒子(3)和前体(21和/或22和/或23)的组合，使得以下核²³³U(p,裂变)、²³⁵U(p,裂变)、²³⁹Pu(p,裂变)，特别是²³³U(n,裂变)，²³⁵U(n,裂变)、²³⁹Pu(n,裂变)或⁶⁰Co(n,γ)⁶¹Co，并且其中的中子裂变过程中，它们的产生也发生在与前体(21和/或22和/或23)相互作用时，特别是²H(d,n)³He和/或²H(d,n+p)²H，或²H(d,p)³H反应和随后的²H(t,n)⁴He反应中，或当³H用作前体(21和/或22和/或23)时直接发生在反应³H(d,n)⁴He中。

16.一种用于诱导放热核反应的方法，其特征在于，所述方法包括根据权利要求12或13所述的用于诱导核反应的所述方法，其中所述核反选自³He(d,p)⁴He、⁶Li(d,α)⁴He、⁷Li(p,α)⁴He、¹⁰B(p,α)⁷Be、¹¹B(p,2α)⁴He、¹⁵N(p,α)¹²C、⁶Li(p,³He)⁴He，接着是二次反应⁶Li(³He,2α)¹H和³He(³He,2p)⁴He、³H(d,n)⁴He、²H(t,n)⁴He、²H(n,γ)³H、⁶Li(n,³He)⁴He、¹⁰B(n,α)⁷Li、⁷Be(n,p)⁷Li、¹³C(n,γ)¹⁴C、¹⁴N(n,p)¹⁴C、¹⁷O(n,α)¹⁴C、²¹Ne(n,α)¹⁸O、²²Na(n,p)²²Ne或³⁷Ar(n,α)³⁴S。

17.一种从放热核反应中回收热量的方法，其特征在于，所述方法包括根据权利要求15或16所述的方法，其中所述热量(9)被引导至热交换器(91)。

18.根据权利要求12-17中任一项所述的方法，其特征在于，从激光靶(5)发射的抛射粒子(3)按所述抛射粒子(3)的重量和/或质荷比顺序撞击到核靶(1)的空腔(12)中。

19.一种适用于制备放射性同位素的装置，其中所述装置包括可调节的抛射粒子源(3)，使得所述抛射粒子(3)落在核靶(1)的空腔(12)上，其特征在于，所述核靶(1)是根据权利要求1-11中任一项所述的核靶(1)。

20.根据权利要求14所述的适用于制备放射性同位素的装置，其特征在于，所述装置包括激光靶(5)，所述激光靶在被激光脉冲(52)撞击后发射抛射粒子(3)，其中所述激光靶(5)被放置在所述核靶(1)的开口(11)的前面，使得所发射的抛射粒子(3)落入所述核靶(1)中的空腔(12)中。