ジェット制御デバイス及び方法

〔関連出願への相互参照〕 本出願は、これにより引用によってその全体が本明細書に組み込まれる2012年4月4日出願の「ジェット制御デバイス及び方法(JET CONTROL DEVICES AND METHODS)」という名称の米国特許仮出願第61/620,326号の「35 U.S.C.§119(e)」の下での利益を主張するものである。

この開示は、一般的に、流体ジェット制御デバイス及びその使用の方法に関し、より具体的には、ジェット形成場所から流出する高速流体ジェットの流れを排除、低減、及び/又は偏向するのに使用される流体ジェット制御デバイスに関する。

ジェット制御デバイス及び方法の実施例の詳細説明 概要 流体が作動媒体として使用されるシステムでは、高速流体ジェットが発生する可能性がある。高速流体ジェットの発生は、作動媒体のエネルギ、質量、又は運動量の損失のような様々な欠点を与える場合がある。これに加えて、流体ジェットは、制御された空間から漏出して機器又は周辺システムへの損傷を引き起こす可能性がある。例えば、プラズマ圧縮システムでは、高速液体ジェットが、空洞の崩壊によりプラズマを封入して圧縮することによって発生する可能性がある。そのような高速液体ジェットは、プラズマ圧縮システムから漏出する場合があり、かつ隣接するシステム内に入り、それによってそのようなシステムの機器又は性能に対して損害を引き起こす可能性がある。

米国特許出願公開第2006/0198483号明細書

米国特許出願公開第US2011/0026657号明細書

米国特許出願公開第US2011/002665号明細書

米国特許公開第2010/0163130号明細書

PCT公報WO 2012/113057明細書

Enriquez他著「非軸対称空洞の崩壊(Collapse of Nonaxisymmetric Cavities)」、Phys.Fluids 22(2010年)、091104

従って、流体ジェットが選択された場所に到達せず、かつその場所で損傷を引き起こさないように高速流体ジェットの強度及び/又は方向を制御する必要性が存在する。

本発明の一態様により、選択された場所に流体ジェットが到達しないように流体ジェットを破壊又は偏向するためのジェット制御デバイスを提供する。デバイスは、流体ジェットが形成されるジェット形成場所を収容する空間内にジェット偏向体材料を注入するための手段を含む。注入するための手段は、ジェット偏向体材料源と連通し、ジェット形成場所に向けられた吐出端部を有し、かつジェット形成場所で形成される流体ジェットが選択された場所から遠ざかるように破壊又は偏向されるようにジェット偏向体材料を注入するように構成される。

ジェット偏向体材料は、液体状態にあるとすることができ、この場合に、注入するための手段は、吐出端部に注入ノズルを有する液体導管を含む液体注入器である。注入手段は、ノズルからの液体ジェット偏向体の流れを制御するための制御弁、及び/又は導管に結合され、かつ液体ジェット偏向体材料の実質的に均一な半径を有する連続的な流れをジェット形成場所に向けるのに十分な圧力を供給するように構成された加圧手段を更に含むことができる。加圧手段は、ポンプ又は加圧気体源とすることができる。

これに代えて、ジェット偏向体は、固体状態にあるとすることができ、この場合に、注入するための手段は、ジェット偏向体材料を押し出し器から細長ロッドの形態で押し出すように構成されたダイとラムとを含む押し出し器とすることができる。押し出し器は、少なくとも押し出し器の吐出端部からジェット形成場所まで連続的に延びる長さを有する細長ロッドの形態でジェット偏向体材料を押し出すように更に構成することができる。

固体状態細長ロッドの代わりに、ジェット偏向体は、離散ペレットの形態にある固体状態にあるとすることができ、この場合に、注入するための手段は、割れ目と、ジェット形成場所での固体状態ジェット偏向体ペレットの注入を制御するための可動ゲートとを有するペレット駆動体である。ペレット駆動体は、レール銃又は圧縮気体銃とすることができる。各ペレットは、凹面形状を有する表面を有することができる。

本発明の別の態様により、プラズマ発生器と、プラズマ圧縮チャンバと、圧力波発生器と、空洞発生手段と、ジェット制御デバイスとを含むプラズマ圧縮システムを提供する。プラズマ発生器は、プラズマを発生させるように構成され、かつ発生したプラズマを吐出するための吐出出口を有する。プラズマ圧縮チャンバは、チャンバの内側空洞を定める外側壁と、開口部とを有し、チャンバの内側空洞には、液体媒体が部分的に充填され、プラズマ発生器の吐出出口は、発生したプラズマをプラズマ圧縮チャンバ内に吐出することができるように開口部を通して圧縮チャンバの内側空洞と流体連通している。圧力波発生器は、チャンバの周りに配置された複数のピストンを含み、ピストンは、液体媒体の中に収束する圧力波を発生させるように構成される。空洞発生手段は、第1の端部と第2の端部とを有する細長い空の空洞を液体媒体に発生させるように構成され、第1の端部は、プラズマ発生器によって吐出されたプラズマが細長空洞に流入するようにプラズマ発生器の吐出出口と少なくとも部分的に位置合わせされる。収束圧力波が空洞の界面に到達すると、空洞が崩壊し、それによってプラズマを封入する。ジェット制御デバイスは、ジェット偏向体材料源と連通して空洞内のジェット形成場所に向けられた吐出端部を有するジェット偏向体材料を注入するための手段を含む。注入するための手段は、ジェット形成場所に形成された流体ジェットが、プラズマ発生器から遠ざかるように破壊又は偏向されるようにジェット偏向体材料を空洞内に注入するように構成される。

ジェット偏向体材料は、液体状態にあるとすることができ、この場合に、注入するための手段は、吐出端部に注入ノズルを有する液体導管を含む液体注入器である。液体注入器は、ノズルからの液体ジェット偏向体の流れを制御するための制御弁、及び/又は導管に結合され、かつ液体ジェット偏向体材料の実質的に均一な半径の連続的な流れをジェット形成場所に向けるのに十分な圧力を供給するように構成された加圧手段を更に含むことができる。加圧手段は、ポンプ又は加圧気体源とすることができる。

これに代えて、ジェット偏向体は、固体状態にあるとすることができ、この場合に、注入するための手段は、ジェット偏向体材料を押し出し器から細長ロッドの形態で押し出すように構成されたダイとラムとを含む押し出し器とすることができる。押し出し器は、少なくとも押し出し器の吐出端部からジェット形成場所まで延びる長さを有する細長ロッドの形態でジェット偏向体材料を押し出すように更に構成することができる。

固体状態細長ロッドの代わりに、ジェット偏向体は、離散ペレットの形態にある固体状態にあるとすることができ、この場合に、注入するための手段は、割れ目と、ジェット形成場所での少なくとも1つの固体状態ジェット偏向体ペレットの注入を制御するための可動ゲートとを有するペレット駆動体である。ペレット駆動体は、レール銃又は圧縮気体銃とすることができる。

ジェット偏向体材料の細長固体ロッド又は連続的液体流れは、細長固体ロッド又は連続的液体流れの面で空洞の崩壊を発生させる寸法を有することができる。

プラズマ圧縮システムは、シールドを更に含むことができ、シールドは、プラズマ圧縮チャンバの開口部の近くに配置され、かつ液体媒体の塊がプラズマ圧縮チャンバを漏出してプラズマ発生器に流入するのを抑制するための環状構成を有する。より具体的には、シールドは、チャンバの内側空洞内に下向きに突出して開口部を取り囲む壁とすることができる。シールドは、開口部の縁部に形成されて空洞の中心に向けて半径方向に突出するリップ形状狭窄部とすることができる。

ジェット偏向体材料は、液体媒体と同じ組成を有することができ、この場合に、システムは、チャンバと流体連通する液体媒体回収タンクと、回収タンクをジェット偏向体材料源に流体的に結合する流体導管とを更に含む。

プラズマ圧縮システムは、空洞が崩壊するときにペレットが崩壊点の近くにあるように空洞内への少なくとも1つの固体状態ジェット偏向体ペレットの注入のタイミングを制御するようにプログラムされたコントローラを更に含むことができる。これに代えて、コントローラは、空洞内へのジェット偏向体材料の連続的液体流れの注入のタイミングを空洞が連続的液体流れの面で崩壊するように制御するようにプログラムすることができる。

本発明の別の態様により、流体ジェットが、プラズマ発生器から遠ざかるように破壊又は偏向されるように流体ジェットが形成されたジェット形成場所にジェット偏向体材料を向ける段階を含むプラズマ圧縮システムのプラズマ発生器をプラズマ圧縮システムの圧縮チャンバに形成された流体ジェットから保護する方法を提供する。圧縮チャンバは、液体媒体を収容することができ、この場合に、空洞が、プラズマ発生器によってプラズマが注入される液体媒体に発生し、ジェット偏向体材料は、空洞の中に向けられる。収束圧力波を液体媒体の中に発生させることができ、空洞の界面を収束圧力波が界面に到達した時に崩壊させ、この場合に、ジェット偏向体材料は、空洞がジェット偏向体材料の面で崩壊するように注入される。

本方法は、ジェット偏向体材料が圧縮チャンバ内に吸引され、かつジェット形成場所に向けられるように、ジェット偏向体材料を収容するジェット制御デバイスでのものよりも低い圧力を圧縮チャンバの内側に維持する段階を更に含むことができる。これに代えて又はこれに加えて、ジェット偏向体材料は、加圧下でジェット偏向体材料を空洞内に注入することによってジェット形成場所に向けることができる。これに代えて又はこれに加えて、ジェット偏向体材料を収容するジェット制御デバイスは、ジェット偏向体材料がジェット形成場所に重力によって向けられるように圧縮チャンバの上方に位置付けられ、かつそこと連通することができる。

上述の態様及び実施形態に加えて、更に別の態様及び実施形態は、図面を参照して以下に続く詳細説明を精査することにより明らかになるであろう。

図面内の要素のサイズ及び相対位置は、必ずしも正確な縮尺で作図したものではない。例えば、様々な要素の形状及び角度は、正確な縮尺で作図したものではなく、これらの要素の一部は、図面の視認性を改善するために任意に拡大かつ位置決めされている。

1つの非限定的な実施形態により液体ジェット偏向体を吐出するように構成されたジェット制御デバイスの概略断面図である。

別の非限定的な実施形態により固体ロッドジェット偏向体を吐出するように構成されたジェット制御デバイスの概略断面図である。

プラズマ圧縮システムに設置された図1Aに示すジェット制御デバイスの実施形態の概略断面図である。

別の非限定的な実施形態により固体ペレット状ジェット偏向体を吐出するように構成され、かつプラズマ圧縮システムに設置されたジェット制御デバイスの概略断面図である。

伝播の早期段階での圧力波面及び空洞形状の例を示すプラズマ圧縮チャンバの計算モデルの垂直断面図である。

図の下部の凡例バーがパスカルでの流体圧力を示す図4のプラズマ圧縮チャンバの計算モデルの水平方向の断面図である。

チャンバの壁の周りに配置された複数のピストンの例及び空洞内の中心に挿入されたジェット偏向体の例を示すプラズマ圧縮チャンバの計算モデルの部分図である。

図の右上コーナの凡例バーが液体と気体の体積割合を示す渦空洞にジェット偏向体が存在しない時の中心高速液体ジェット及び液体塊の例を示すプラズマ圧縮チャンバの計算モデルの部分断面図である。

空洞にジェット偏向体が存在する時の液体ジェット及び液体塊の例を示すプラズマ圧縮チャンバの計算モデルの部分断面図である。

中心高速ジェット速度の例を示すプラズマ圧縮チャンバの計算モデルの部分断面図である。

液体塊速度の例を示すプラズマ圧縮チャンバの計算モデルの部分断面図である。

空洞にジェット偏向体が存在しない時の中心高速ジェット速度の例を示すプラズマ圧縮チャンバの計算モデルの部分断面図である。

空洞にジェット偏向体が存在する時の射出ジェットの速度の例を示すプラズマ圧縮チャンバの計算モデルの部分断面図である。

高速流体ジェットの形成は、空洞の崩壊中の自然な結果とすることができ、過去において、例えば、Enriquez他著「非軸対称空洞の崩壊(Collapse of Nonaxisymmetric Cavities)」、Phys.Fluids 22(2010年)、091104において観察されており、高速中心流体ジェットは、固体と液体リザーバの衝突によって形成された空気腔が静水圧に起因して崩壊するときに生成されている。高速流体ジェットの形成は、General Fusion,Inc.(カナダ、バーナビー)において構成中であるプラズマ圧縮システムのある一定の試作品に対して関連するファクタとすることができる。プラズマ圧縮システムの一部の例において、空洞(例えば、渦空洞)は、プラズマ圧縮チャンバ内で液体媒体をスピンさせることによって生成することができる。プラズマは、この圧縮チャンバの渦空洞内にプラズマ発生器によって注入することができる。プラズマ圧縮チャンバの外面に衝撃を与えるように時間調節された複数の空気圧ピストンにより、液体媒体中に収束圧力波を生成することができる。ピストンの衝撃は、圧縮チャンバの中心に向けて進行する収束圧力波を発生させる。収束圧力波は、渦空洞を崩壊させることができ、かつプラズマを封入し、それによってそれを圧縮することができる。渦空洞の圧力波誘起崩壊は、崩壊点から遠ざかるように渦軸に沿って射出する可能性がある中心高速液体ジェットの形成を引き起こす可能性がある。これに加えて、圧力波がプラズマ発生器のノズルに近づく時に液体媒体の「塊」が生成される可能性がある。本明細書に使用する場合の液体塊は、圧力波面が発生器のノズルに近づく時に形成される液体の質量塊を含むことができる(しかし、これに限定されない)。液体塊は、中心ジェットよりもかなり低速に流れる場合があり、プラズマ発生器のノズル内に滴り落ちる可能性がある。液体塊は、塊の形態(例えば、比較的無定形の液体の質量)を有することができ、又は噴霧及び1つ又はそれよりも多くの液滴又は小滴などの形態を有することができる。液体塊の例を図7a、図7b、及び図8bに例示している。崩壊点から放出される中心ジェット及び液体媒体の塊は、プラズマ発生器内に流入し、それによってプラズマ伝播チャネルを汚染するか、又は発生器又は圧縮チャンバ又はプラズマ発生器に使用されるいずれかの診断システムへのいずれかの他の損傷を引き起こす場合がある。

本明細書に説明する本発明の実施形態は、流体ジェット形成場所で流体ジェットが形成されるのを阻止するか、又は流体ジェットを偏向するか、又は他に流体ジェットが上述のプラズマ発生器のような選択された場所に到達するのを阻止するように流体ジェット形成場所にジェット偏向体材料を向けるための流体ジェット制御デバイス10に関する。流体ジェット制御デバイスは、ジェット偏向体材料容器と、ジェット偏向体材料を流体ジェット形成場所に注入するための手段とを含む。ジェット偏向体材料は、流体ジェットと同じか又は異なる状態にあり、又は同じか又は異なる材料組成にあるとすることができる。図1Aから図1Bは、流体ジェット制御デバイスの2つの異なる実施形態を示しており、図2から図9は、プラズマ圧縮システムの圧縮チャンバの内側にあるジェット形成場所で形成された液体ジェットがシステム100のプラズマ発生器(すなわち、選択された場所)に到達するのを阻止するためにプラズマ圧縮システムに設置された流体ジェット制御デバイスの実施形態に関するものである。しかし、ジェット制御デバイスは、この用途だけに限定されず、これに代えて、ジェット制御が望ましいあらゆるシステム、デバイス、又はエンジンにおいて高速ジェットを排除、低減、及び/又は向け直すためにジェット制御デバイスを使用することができることは理解されるものとする。

一実施形態においてかつ図1Aを参照すると、ジェット制御デバイス10は、ジェット形成場所20から射出する流体ジェット18の場所に液体状態のジェット偏向体材料(「液体ジェット偏向体」)12を向けるように構成される。ジェット偏向体材料は、流体ジェットと同じ材料組成を有するか又はそれとは異なる組成を有することができ、流体ジェットは、液体又は気体とすることができる。ジェット偏向体容器は、液体リザーバ11であり、注入手段は、一端で液体リザーバ11に、かつ反対端で吐出ノズル17に流体的に結合された液体導管16を有する液体注入器14である。液体注入器16は、液体注入器14から流出するジェット偏向体の液体の流れを制御するための制御弁(図示せず)を更に含むことができる。

液体ジェット偏向体12を液体注入器14から吐出するために、液体注入器14とジェット形成場所20を含む環境との間に圧力差を与えることができ、この圧力差及び液体ジェット偏向体12の量は、流体ジェット18が、保護される場所(「選択された場所」)から遠ざかるように流体ジェット18を破壊するか又は少なくとも流体ジェット18を偏向するほど十分な質量流量で液体ジェット偏向体12を環境内に注入(吸引)するほど十分に大きくなければならない。この圧力差及び液体ジェット偏向体12の量の選択は、その密度及び流量のような流体ジェットのある一定の性質に依存することになる。一実施形態において、液体注入器14は、液体導管16に結合されて所要圧力差を与えるためにジェット形成場所20を含む環境のものよりも大きい十分な圧力まで液体導管16内の液体ジェット偏向体12を加圧するように作動可能であるポンプ(図示せず)のような加圧手段を含み、この場合に、液体ジェット偏向体12は、環境内に加圧下で注入されることになる。別の実施形態において、ジェット制御デバイス10は、所要圧力差(「負の圧力差」)を与えるのに十分であるジェット制御デバイス10のものよりも小さい圧力下にあるジェット形成場所20を含む環境内で作動させることができ、この場合に、液体ジェット偏向体12は、制御弁が開いている時に環境内に吸引されることになる。更に別の実施形態において、ジェット制御デバイス10には加圧手段が設けられ、加圧手段と環境の低い圧力との組合せは、所要圧力差を与えるようにジェット制御デバイス10よりも低い圧力を有する環境内で作動される。

作動時に、液体ジェット偏向体12は、それがジェット形成場所から射出する流体ジェットと衝突するジェット形成場所に液体注入器14によって向けられる。流体ジェット18が偏向体液体12と衝突すると、流体ジェットの方向をその初期方向からオフセットすることができ、流体ジェットを初期ジェット方向とは異なる方向にターゲットの場所から遠ざかるように向け直すことができる。同時に、偏向体液体12との衝突に起因して、流体ジェット速度を低下させることができる。更に、流体ジェット18と液体ジェット偏向体12の間の衝突に起因して、高速ジェットの凝集体を断片化することができ、ジェットのサイズを縮小する。小さいジェットは、凝集体として留まる可能性が低く、ジェットの噴霧に更に分解することができ、それによってそのような高速ジェットによる影響を受ける区域を取り囲む機器及びシステムに対するジェットの効果が低下する。

図1Bを参照すると、別の実施形態において、ジェット制御デバイス10は、細長ロッドの形態にある固体状態のジェット偏向体材料12(「固体ロッドジェット偏向体」)を流体ジェット18に向けるように構成される。注入手段は、固体状態のジェット偏向体材料12を細長ロッドの形態に押し出す押し出し器14である。ジェット偏向体容器11は、固体又は液体の状態のジェット偏向体原料を貯留するように構成することができる。固体の場合に、原料は、固体ブランクの形態にあり、容器11には、ブランクを押し出し器14に搬送するためのコンベヤ手段を設けることができる。液体の場合に、ジェット偏向体容器は、液体リザーバ11であり、原料が押し出し器14内に流れ込み、かつその中で凝固するように押し出し器14に流体的に結合される。押し出し器14は、一端でジェット偏向体容器11に結合され、反対の吐出端部に同じく押し出しノズル17を含む。押し出し器14は、原料をダイに通すためのラム(図示せず)も含む。押し出し器14は、高温又は中温の押し出し工程を使用することができ、この場合に、押し出し器14は、原料を適切な押し出し温度まで加熱するためにダイに熱結合された加熱器を更に含むことができる。ジェット偏向体材料12は、流体ジェット18と同じ材料組成又は異なる組成を有することができる。例えば、ジェット偏向体材料は、鉛か、又は鉛及びリチウム混合物とすることができる。

押し出し器14は、固体ジェット偏向体12をジェット形成場所に到達させるのには十分に長いが、尚も押し出し器14と物理的に係合する細長ロッドとして押し出すように構成される。固体ジェット偏向体12は、流体ジェットの運動量が依然として低い時に形成場所20において流体ジェット18と出会うように押し出すことができ、固体ジェット偏向体は、ジェット形成場所20において静止又は移動しているとすることができる。細長ロッド12は、形成場所20での流体ジェット18のパラメータに基づいて寸法が決定される。

形成場所での流体ジェットの運動量は、次式のように計算することができる。 P=υ×m ここで、υは、形成場所での流体ジェット速度(初速)であり、mは、形成場所での流体ジェットの質量である。

例えば、流体ジェットが、約0.04〜0.1kgの質量と、約400〜1500m/sの形成場所でのジェット速度とを有する溶融鉛から構成される場合に、形成場所20での流体ジェット18の運動量は、約20〜160kg・m/sである。固体ロッドジェット偏向体12がジェット形成場所20の静止位置に置かれる場合に、流体ジェット18の方向を偏向するためには、2〜4cm前後の直径寸法と約1〜10mの長さ寸法とを有することが必要になることが予想される。細長ロッドが約10m/sの速度で注入される場合に、ロッドの長さは、約2〜4cmの直径を有するロッドで約0.1〜3mの範囲にあるとすることができる。

別の実施形態において、ジェット偏向体は、固体状態で離散ペレットの形態にあるとすることができる。ペレットは、ジェット形成場所20へのジェット偏向体ペレットの注入を制御するための割れ目及び可動ゲートを有するペレット駆動体を用いて注入することができる。ペレット駆動体は、レール銃又は圧縮気体銃とすることができる。

次いで、図2を参照すると、図1Aに図示の実施形態によるジェット制御デバイス(200という番号が振られた)が、プラズマ圧縮システム100に設置され、システム100の圧縮チャンバ120内に形成された液体ジェットがシステム100のプラズマ発生器110に到達するのを阻止するように作動されており、この場合に、液体ジェットは、圧縮チャンバ120内の液体媒体から形成される。ジェット制御デバイス200は、液体ジェット偏向体210の流れを圧縮チャンバ120内に注入するように構成される。圧縮チャンバ120には、液体媒体を部分的に充填することができ、この液体媒体中に細長い空の空洞140を形成することができる。プラズマ発生器110により、空洞140内にプラズマ125を注入することができる。プラズマ125は、例えば、スフェロマク、逆転磁場配位(FRC)プラズマ、又はあらゆる他の小型トロイド配位、又はこれらの1つ又は複数の組合せのような磁化トロイドプラズマとすることができる。一実施では、空洞140内にいずれかの他の気体媒体を注入することができる。

圧縮チャンバ120は、圧縮チャンバの内側空洞を定める壁130と、プラズマ125を通過させて空洞140内に注入することができる開口部185と、圧縮チャンバ120の周りに配置された複数の圧力波発生器160とを含む。チャンバ120の内側空洞には、液体媒体を部分的に充填することができる。液体媒体は、鉛、リチウム、又はナトリウム、又は金属の合金、組合せ、又は混合物のような溶融金属とすることができる。一実施では、細長空洞140は、圧縮チャンバ120内に閉じ込められた液体媒体を回転させることによって形成され、特に、圧縮チャンバ120は、細長空洞140を発生させるための渦発生器150を含む。渦発生器150は、出口導管152と、ポンプ154と、入口導管156とを含む。図示の例では、ポンプ154は、液体媒体の一部分をチャンバ120からチャンバ120の極の近くに設けられた出口導管152を通してポンピングするように作動可能であり、チャンバ120の赤道の近くで入口導管156を通してチャンバ120内に液体媒体をタンジェンシャルに注入するように作動可能である。一実施では、出口152は、チャンバ120の極から赤道に向けて離間される。別の実施形態(図示せず)では、チャンバ120内で液体媒体を循環させるために、1つよりも多い入口156及び/又は出口152を使用することができる。十分に高速な回転数での液体媒体の流れは、液体媒体が実質的に不在の空洞140を生成する。

本発明の範囲から逸脱することなく、当業技術で公知である空洞140を発生させるための他の手段を使用することができる。例えば、一実施では、細長空洞140は、例えば、圧縮チャンバ120の開口部185に形成された環状ノズルから液体媒体のジェットを注入すること、又は成形された固体物体を液体媒体に高速で通すことなどによって形成することができる。

図2に示す実施形態に関して、圧縮チャンバ120は、チャンバ120の極に開口部185が形成された球形の形状を有する。しかし、この実施形態は、単に例示を目的とするものであり、プラズマ圧縮チャンバ120は、本発明の範囲から逸脱することなく、別の形状(例えば、円筒形、球形、楕円形、円錐形、又はあらゆる他の適切な形状、又はその組合せ)及び/又は寸法を有することができる。

細長空洞140は、少なくとも部分的に開口部185に位置合わせされた第1の端部を有する。プラズマ発生器110は、プラズマ125を発生させて、開口部185を通して空洞140内に注入するように構成される。プラズマ発生器110の第2の出口端190は、開口部185内に若干挿入され、プラズマ発生器110と圧縮チャンバ120の間に流体連通を与える。図示の実施形態において、チャンバ120は、その各極に設けられた2つの環状開口部185及び185aを有する。任意的に、システム100は、第1のプラズマ発生器110と正反対に配置された第2のプラズマ発生器110a(図2には部分的にしか示していない)を含むことができる。2つの開口部185、185aの各々は、2つの別個のプラズマ発生器110及び110aと連通している。システム100と共に使用することができるプラズマ発生器110、110aの様々な実施形態に関する詳細は、本出願人所有の米国特許出願公開第2006/0198483号明細書、米国特許出願公開第US2011/0026657号明細書、及び米国特許出願公開第US2011/002665号明細書に記載されており、これらの文献は、その文書全体で引用によって本明細書に組み込まれている。

一実施では、細長空洞140は、実質的に円筒形状を有し、チャンバ120の一方の極から反対の極までチャンバ120を貫通して延びている。別の実施では、空洞140は、チャンバ120の全長(極から極)の全てにわたって延びるか、又はチャンバ120の長さの途中までしか延びない円錐形を帯びた形状を有する。細長空洞140は、本発明の範囲から逸脱することなく、実質的に垂直に又は実質的に水平に配置することができる。空洞140の少なくとも一端は、プラズマ125(又はあらゆる他の気体媒体)を空洞140内に注入することができるように、開口部185及びプラズマ発生器の第2の端部190に位置合わせされる必要がある。

複数の圧力波発生器160は、チャンバ120内に閉じ込められた液体媒体中に圧力波を生成するように構成される。圧力波発生器160は、壁130から半径方向外向きの向きに配置される。圧力波発生器160は、チャンバ120の壁130に衝撃を与えることによって液体媒体中に圧力波を発生させるように作動可能である。一実施形態において、圧力波発生器160は、チャンバ120の壁130に衝撃を与えるように駆動されるハンマーピストンを含む。ピストンの衝撃に起因する運動エネルギは、壁130内に圧縮波を引き起こすことができ、この圧縮波は、壁を通して液体媒体内に進行し、それによって液体媒体中に圧力波を発生させる。発生した圧力波は、液体媒体を通して伝播し、チャンバ120の中心に向けて収束するはずである。別の実施形態において、圧力波発生器160は、壁130内の対応する開口部内に固定された又は他に壁130に結合された変換器を含む。圧力波は、対応するハンマーピストンを用いて変換器に衝撃を与えることによって発生する。システム100の様々な実施形態と共に使用することができる圧力波発生器160の様々な実施形態に関する詳細は、所有者が共通の米国特許公開第2010/0163130号明細書及び国際特許出願(PCT)公報WO 2012/113057明細書に見出すことができ、これらの文献は、その文書全体で引用によって本明細書に組み込まれている。

圧力波発生器の個数及び位置は、液体媒体中に望ましい形状と振幅とを有する圧力波を発生させることができるように選択することができる。明瞭化の目的で、図2は、圧力波発生器160のうちの一部だけしか示していない。

プラズマは、プラズマ発生器110(使用される場合に更に110a)によって発生され、加速され、出口端190及び開口部185を通して圧縮チャンバ120内に注入される。出口端190は、チャンバ120の開口部185に位置合わせされる。発生する収束圧力波は、前縁又は波面170を有することができる。収束圧力波は、液体媒体を通して進行することができ、空洞界面(液体/気体界面)に衝突することができる。その結果、界面は、急速な加速を受けることができ、空洞を崩壊させ、プラズマ125を収束空洞内で圧縮しながらチャンバ120の中心に向けてその移動を持続することができる(図3を参照されたい)。衝撃のタイミング、従って、収束圧力波の発生は、空洞140が崩壊する前にプラズマを空洞140内に注入することができるように緻密に制御することができる。収束圧力波によって誘起される空洞140の崩壊は、チャンバ120内の液体の高速中心ジェットの発生(図2には示していないが、図3に180として示す)をトリガすることができる。液体ジェットは、崩壊点から中心方向に遠ざかるように向けられた液体の「スパイク」の形態を有することができる。崩壊点から放出された液体ジェットが、プラズマ発生器110、110aに向う方向に移動すると、液体ジェットは、発生器110、110aに流入し、及び/又はそれを損傷するか、又は発生器110、110a内のプラズマ伝播チャネル195を汚染する可能性がある。

中心ジェットがプラズマ発生器110、110aに流入する可能性を低減するために、液体ジェットがプラズマ発生器110、110aに到達しないように液体ジェットを破壊又は偏向するためのジェット制御デバイス200が使用される。ジェット制御デバイス200は、出口ノズル207を有する液体導管205を含む液体注入器を含む。ジェット制御デバイス200は、出口ノズル207を開閉するように構成された制御弁208を更に含むことができる。ジェット制御デバイス200は、液体ジェット偏向体210をジェット制御デバイス200からその軸250に沿って空洞140内に注入することができるような向きに配置される。導管205には液体貯留タンク220が流体的に結合され、液体貯留タンク220は、液体ジェット偏向体を導管に供給する。液体貯留タンク220は、プラズマ発生器110の中心部分内に配置される。一実施形態において、貯留タンク220は、プラズマ発生器110から電気的に分離することができる。

液体ジェット偏向体210は、この実施形態では圧縮チャンバ120内の液体媒体と同じ組成を有し、これは、偏向体210の液体とチャンバ120の液体媒体との高い可能性の混合という観点から有利とすることができる。例えば、液体ジェット偏向体210及びチャンバ内の液体媒体は、鉛、リチウム、又はナトリウムのような溶融金属である。これに代えて、偏向体210が作動条件の下で液体状態にあり、偏向体210の異なる材料をチャンバ120内の液体媒体から分離するためのシステム(図示せず)が設けられる場合に、液体ジェット偏向体210は、チャンバ120内の液体媒体とは異なる組成を有することができる。

液体貯留タンク220は、プラズマ発生器110に設置され、従って、ジェット制御デバイス200とジェット形成場所を収容する空洞140との間に負の圧力差が存在することになるので、プラズマ圧縮チャンバ120は、一般的にプラズマ発生器110の内側の圧力よりも低い圧力に維持される。更に、ノズル207が下向きに視準されるように、ジェット制御デバイス200は、空洞140の上方に配置される。従って、重力と圧力差によって引き起こされる吸引力とにより、液体ジェット偏向体210は、液体貯留タンク220から流体導管205に流れ、制御弁208が開いている場合に、次いで、出口ノズル207から空洞140内に流れ込むことになる。下記でより詳細に説明するように、ジェット制御デバイス200と空洞140の間の圧力差は、液体ジェットがプラズマ発生器110、110aに到達しないように液体ジェットを破壊又は偏向するほど十分な質量流量を液体ジェット偏向体210に与えるように構成することができる(重力の助けに関して)。任意的に、所要程度まで圧力差を高めるために、ポンプ又は加圧気体源(いずれも図示していない)のような加圧手段を導管205に結合することができる。

液体ジェット偏向体210の所要質量流量を与えるのに必要とされる圧力を決定するために、液体ジェット偏向体210に対するある一定の作動パラメータが定められる。最初に、連続的液体流れがノズル207から空洞140内に延びるように、液体ジェット偏向体注入システム200は、十分な液体ジェット偏向体材料を空洞内に注入しなければならない。更に、液体ジェット偏向体210の流れの半径は、その長さに沿って可能な限り均一でなければならず、従って、液体ジェット偏向体210は、それが重力に起因して空洞140を流れ落ちる時に液体ジェット偏向体210の減幅を阻止するほど十分な初期速度で注入することができる。エネルギ収支から、次式は公知である。 ここで、V_top及びV_bottomは、上部(制御弁208の近く)及び下部(液体ジェット偏向体210の反対端)での液体ジェット偏向体210の速度であり、gは、重力に起因する加速度であり、Hは、液体ジェット偏向体210の長さである。約〜3mの高さを有する圧縮チャンバ120及びチャンバ120の一方の極から他方の極まで延びる空洞140では、液体ジェット偏向体は、約3mの長さ(空洞140の全長の全てにわたって延びる)を有する。速度変化が、例えば、25%よりも小さい(V_bottom=1.25V_top)と仮定すると、注入速度は次式である。

この注入速度を達成するためには、流体を加圧下で注入しなければならない。

密度ρ=10000kg/m³及びV_top=10m/sを有する溶融鉛偏向体では、液体ジェット偏向体210を注入するのに必要とされる圧力は、約P=500000Pa≒5Atmであり、溶融金属を導管205の下方に押し下げるための液体タンク内の圧縮気体のような加圧手段により、又はジェット制御デバイス200と空洞140の間の圧力差を維持することにより、又はこれらの両方によって与えることができる。これは例示目的のためのものに過ぎず、長さに沿ってほぼ均一な半径を有する偏向体が与えられると仮定すると、本発明の範囲から逸脱せずに、高い初期速度を有する液体ジェット偏向体210を注入することができる。液体ジェット偏向体210の半径(R_defelctor)は、空洞140の半径(R_cavity)に依存し、空洞の半径の数分の1である。例えば、液体ジェット偏向体210の半径は、0.1R_cavity≦R_deflector≦0.2R_cavity前後である。液体ジェット偏向体210の材料組成は、圧縮チャンバ120内の液体媒体と同じとすることができる。例えば、約20cmの半径を有する空洞では、液体ジェット偏向体210の半径は約2〜4cmである。

再使用に向けて回収タンク225から貯留タンク220内に液体を再度循環し戻すために、液体循環アセンブリ230を使用することができ、このアセンブリ230は、回収タンク225に流体的に結合された入口と、液体貯留タンク220に結合された出口とを有する流体導管を含む。偏向体210が渦の全長の全てにわたって流れる連続的液体円柱である場合に、空洞の崩壊は、液体ジェット偏向体210の点におけるものではなく、面におけるものであるので、高速液体ジェット180の形成を阻止することができる。従って、偏向体の面での空洞140の崩壊中に発生する可能性がある1つ又はそれよりも多くのジェットは、液体ジェット偏向体210によってチャンバ120内の液体本体中に向けられるはずである。

一実施では、液体ジェット偏向体210は、空洞140内に制御式及び時間調節式に注入される。空洞の崩壊が、液体ジェット偏向体210の面で発生することができるように、プラズマが空洞140に流入するときに液体ジェット偏向体210を注入し、空洞140の空洞の長さの全てにわたって少なくとも部分的に延ばすことができるように、制御弁208の開放及び/又は圧力波の発生を制御するようにプログラムされたコントローラ(図示せず)が設けられる。液体ジェット偏向体210の寸法は、射出するジェットのエネルギに依存して変えることができる。例えば、偏向体210の流れの長さは、圧縮チャンバ120の半径と同じとすることができる。一部の実施では、偏向体210の長さは、圧縮チャンバ120の半径よりも小さいか又は大きいとすることができる。

上述したように、液体ジェット偏向体210を導管205内に押し入れ、かつノズル207から押し出すために、ポンプ又は圧縮気体を用いて加圧下で液体ジェット偏向体210を注入することができる。圧力は、液体ジェット偏向体205が空洞140内に流れ込み、かつ崩壊点で射出する高速液体ジェットと衝突するように選択することができる。例えば、崩壊点又はその近くにおいて液体ジェットと出会う約2〜4cmの半径と約10m/s又はそれよりも多い流量と(約〜20〜160kg・m/sのジェット運動量)を有する液体ジェット偏向体210の流れは、凝集体を液体媒体の本体内に向け直すことができるより小さいジェットに分断することができる。液体ジェット偏向体210の注入及びそのエネルギ(又は圧力)は、ジェットのエネルギの大部分が低下し、ジェットが発生器の出口端190に到達することが阻止されるように空洞の崩壊と同期させることができる。

別の実施形態において、図1Bに示すジェット制御デバイスは、図2に示すものと類似のプラズマ圧縮システム100に設置され、かつ圧縮チャンバ120内の液体媒体から形成された液体ジェットがシステム100のプラズマ発生器110に到達するのを阻止するように作動させることができ、液体ジェットは、システム100の圧縮チャンバ120内に形成される。ジェット制御デバイスは、圧縮チャンバ120内に連続的固体ロッドジェット偏向体210を注入するように構成され、ブランクは、押し出し器14が、押し出しノズル17から空洞140の全長の全てにわたって延びるほど十分な長さを有する固体ロッドを形成するほど十分な原料材料を含有する。一部の作動モードでは、固体ロッドジェット偏向体12は、システム100の作動中に完全又は部分的に破壊することができる。従って、固体ロッドジェット偏向体12をチャンバ120内の液体金属と同じ金属で製造することを有利とすることができる。そのような場合に、チャンバ120内の液体金属の一部を使用することにより、新しい固体ロッドジェット偏向体12を押し出すことができる。固体ロッドジェット偏向体12は、空洞140のサイズ、及び/又はチャンバ120のサイズ及び形状に依存して様々な異なるサイズ及び形状を有することができる。固体ロッドジェット偏向体12は、それ自体が空洞に流入するプラズマと干渉しないように寸法を決定することができる。例えば、偏向体は、空洞140の直径の約1/5〜1/10の直径を有する円柱の形状に成形することができる。

代替の実施では、ジェット制御デバイス(図示せず)は、固体ロッドジェット偏向体と液体流れジェット偏向体の両方を同時に注入するように構成される。このジェット制御デバイスには、図1Bに図示の実施形態と類似の押し出し器が設けられ、かつ液体流れが空洞内に固体ロッドと並行して流れ込むように押し出し器のそばに配置された図1Aに図示の実施形態と類似の液体注入器も有する。これに代えて、液体流れが固体ロッドの周囲の周りに注入され、ロッドの長さの周りで空洞内に流れ込むように、押し出し器は、液体注入器の内側に同軸状に設けられる。液体流れの組成は、リチウムとすることができ、かつプラズマに対面する面で低Z材料を与え、それによってプラズマ汚染に起因する放射線損失を最小にすることが予想されるリチウムの薄層を固体ロッドジェット偏向体を覆って形成することができる。これに代えて、固体ジェット偏向体と液体ジェット偏向体の両方は、液体媒体とは異なる材料で製造することができ、この場合に、システムには、偏向体210の材料を液体媒体から分離するための手段が設けられる。分離後に、液体媒体は、圧縮チャンバ120内に戻され、一方、ジェット偏向体材料は、ジェット制御デバイスに戻される。

図1Aの液体ジェット制御デバイス10又は図1Bの固体ロッドジェット制御デバイス10のいずれを使用するプラズマ圧縮システム100においても、圧力波面と発生器110の出口端190との相互作用の結果として出口190の近くで液体媒体の塊が形成される可能性がある。そのような液体塊がプラズマ発生器110(又は使用される場合に発生器110a)に流入するのを抑制又は阻止するために、ジェット制御デバイス200は、図2に見ることができるシールド240を更に含む。シールド240は、液体媒体の塊が発生器110の出口端190に流入するのを阻止することができる。第2のプラズマ発生器110aが使用される場合に、ジェット制御デバイス200は、シールド240とほぼ同様であって第2のプラズマ発生器110aの出口端の近くに設けられた第2のシールド240aを含む。

図2に示す実施形態において、シールド240は、環状開口部185の近くの壁130に接続されるか、又はシールド240は、壁130の一体的な部分を形成する。いかなる場合にも、下向きのプラズマ発生器110のためのシールド240は、壁130の内面から下向きに延びる(上方のプラズマ発生器110aでは上方に延びる)円筒体(例えば、スカート)である。シールド240、240aは、液体塊がプラズマ発生器110、110aに流入するのを阻止することができるように寸法が決定される。例えば、シールド240、240aの長さは、プラズマ圧縮チャンバ120の高さの1/10から1/7前後(高さが約3mのチャンバ120を有する図2に示すプラズマ圧縮システム100では、0.2〜0.4m)とすることができる。別の実施形態(図示せず)では、シールド240、240aは、プラズマ発生器110、110aの外壁の出口端190の一体部分を形成する。発生器110、110aの出口端190が開口部185、185a内に挿入されると、発生器110、110aの外壁は、出口端190の周りに垂直な環状壁を形成しながら、圧縮チャンバ120内により深く突出することができる。シールド240、240aは、空洞形成及び/又は空洞発生システムと干渉することのないように成形され、かつ寸法を決定することができ、かつ圧縮チャンバ120の特定の幾何学形状に適合するように調整することができる。シールド240、240aの壁は、軸250と平行とすることができ、又は軸250に対して若干傾斜させることができる。

図3を参照すると、別の実施形態において、液体ジェット制御デバイスは、液体状態の流体ジェット(「液体流体ジェット」)180の場所に複数の固体状態ペレット300の形態にあるジェット偏向体300(「固体ペレットジェット偏向体」)を向けるように構成される。注入するための手段は、図3に示すようなペレット駆動体320であるが、圧縮気体銃のような他のペレット駆動体を設けることができる。レール銃は、プラズマ発生器110の内側に配置され、空洞140が形成されることが予想されるチャンバ140内に軸350に沿って下を向いている。

ペレット駆動体の代わりに、注入するための手段は、導管の吐出端部に制御可能ゲート(図示せず)を有する下向きの導管の形態にある受動ペレット注入器とすることができる。導管は、一線のペレットを貯留するようにサイズが決定され、ゲートは、ペレット300を空洞140内に吐出することを可能にするために開くことができる。このペレット注入器は、ペレットが、液体ジェット形成場所から射出する液体ジェット180を破壊又は偏向するほど十分な速度を得るように、ペレット300を導管から空洞140内に取り出すほど(重力の助けにより)十分な負の圧力差がジェット制御デバイス110とチャンバ120の間に存在する時に使用することができる。

ジェット制御デバイスは、ペレット300を貯留してペレットをペレット駆動体320に送出するための装填機構を有するペレット容器310を更に含む。容器310は、追加のペレットを通過させて追加ペレットの再充填を提供することができる入口(図示せず)と、ペレットを通過させて容器310からペレット駆動体320内へのペレットの制御された放出を行うことができる出口とを含む。装填機構は、ペレット300をレール銃320の割れ目内に装填するコンベヤベルトとすることができ、レール銃320は、軸350に沿って比較的間断なくペレット300を放出するように作動させることができる。一部の場合に、ペレット300の次のカートリッジの装填を可能にするために短い期間(1〜2s)を設けることができる。

空洞140の崩壊時に発生する可能性がある中心液体ジェット180を捕捉してそれと衝突するように、1つ又はそれよりも多くのペレット300を空洞140内に注入することができる。例えば、ペレット300は、軸250に沿って移動してジェット180を捕捉するように注入することができる。ペレット30は、崩壊点において射出するジェット180の運動量を相殺するようにサイズが決定される。ペレット300における流速は、実施及び作動条件に依存して数十m/sから数百m/sまでの範囲に及ぶ可能性がある。例えば、崩壊点において約20〜160kg・m/sの運動量P=υ×mを有する流体ジェットと、約0.08kg(2立方cm)から0.64kg(4立方cm)の質量を有する鉛ペレットとでは、パレット300の速度は約30〜2000m/sである。ペレット300は、空洞140に流入するプラズマと干渉することのないように、又は空洞140自体を外乱することのないように相応にサイズを決定し、かつ成形することができる(例えば、ペレットのサイズは、空洞140の直径の1/5から1/10前後とすることができる)。各ペレット300は、高速ジェット180と衝突してそれを偏向し、複数のより小さいジェットに分注するように構成される。特に、各ペレット300は、高速ジェット180の初期方向を望ましい新しい方向に偏向するようにサイズが決定され、かつ成形された表面301を有する。例えば、ペレット300は、凹面又は円錐形の表面301を有することができる。各ペレット300は、チャンバ120内の液体媒体と同じ材料で製造することができ、例えば、球形、楕円形、円筒形、矩形、又はあらゆる他の適切な形状のような様々な異なる形状を有することができる。

ジェット制御デバイスは、ペレット300の放出及び注入を空洞の崩壊及び液体ジェット180の形成と調整するように構成されたタイミングシステム(図示せず)を更に含むことができる。一実施では、液体ジェット180を捕捉して向け直すのに単一のペレット300を注入することができる。別の実施では、ペレットのアレイ300を空洞140内に注入することができる。液体ジェット180は、ペレット300のうちの1つ又はそれよりも多くによって捕捉することができる。ペレットが液体媒体の組成と同じ組成のものである場合に、チャンバ120内の液体媒体の一部は、新しいペレット300を製造するために取り出される(ペレットを製造するための手段は図示していない)。

ジェット制御デバイスは、チャンバ120の環状開口部185の近くに形成された狭窄部330のような液体塊シールドを更に含むことができる。狭窄部330は、プラズマがこの狭窄部330を超えて通過するが、圧力波170が出口端190に近づく時に形成される液体塊がプラズマ発生器110内に流入するのを阻止することを可能にするように構成することができる。狭窄部330は、発生器110の入口(出口端190)に形成されたリップとして機能することができる。リップは、チャンバ120の内側に向けて若干下向きに突出することができ、チャンバ120の一体部分又は発生器110の外壁の一体部分として構成することができる。更に、狭窄部330は、ジェット180がプラズマ伝播チャネルに流入するのを少なくとも部分的に阻止することができ、従って、ジェット180に対するシールド及び/又は偏向体として機能することができる。一部の実施では、液体材料の塊が発生器110、110aに流入するのを阻止するのに、狭窄部330とシールド240の両方を使用することができる。

空洞の崩壊及びそれに続く流体ジェットの形成のシミュレーションが、数値流体力学(CFD)コードであるOpenFOAM(英国ウィナーズのOpenFOAM Foundationから入手可能)と有限要素解析(FEA)コードであるLS−DYNA(米国カリフォルニア州リバモアのLivermore Software Technology Corporationから入手可能)とを用いて実施された。シミュレーションの結果の例を図4〜図9に示している。

1.5mの半径と2mの高さとを有する円筒形プラズマ圧縮システムのCFDシミュレーションが、円筒形幾何学形状を用いて実施された。空洞の半径を0.2mに設定し、空洞を円柱の全体の高さにわたって延びるように設定した。流体の例として、溶融鉛、又は溶融鉛及びリチウム混合物のような溶融金属を使用することによってシミュレーションを実施した。流体(例えば、鉛)における音速を1800m/sとした。以下の3つの異なる振幅の圧力パルスに対してシミュレーションを実施した。 1.球状に収束する波の場合の1つのプロトタイププラズマ圧縮チャンバ内の空洞界面の近くの圧力振幅に対応するP=1.5×10¹⁰Pa 2.約50m/sのピストン速度での小さいサイズの圧縮チャンバ内の初期圧力振幅に対応するP=2×10⁹Pa 3.約15m/sのピストン速度での小さいサイズの圧縮チャンバ内の圧力振幅に対応するP=5×10⁸Pa

図4及び図5は、P=1.5×10¹⁰Paの振幅を有する圧力パルスにおけるCFD計算モデルの垂直断面及び水平断面を示している(これらの断面は、他の圧力パルス振幅においてもほぼ同じに見える)。湾曲した断面410(図4及び図5)は、伝播の早期段階での圧力パルスを示している。図4の垂直な黒色の実線420、及び図5の円形の曲線420は、垂直方向(図4)及び水平方向(図5)それぞれの初期の流体/気体界面を示している。

P=1.5×10¹⁰Paのパルスでは、次式(1)によって計算された粒子速度は、800m/s前後である(鉛を流体とする場合)。 V_particle=P/(ρ×c) 式(1) ここで、Pはパルスの圧力であり、ρは流体の密度であり、流体中のcは音速である。

空洞の崩壊の形状は、圧力パルスが界面に当たる時点における空洞界面に沿った圧力分布に少なくとも部分的に依存する。界面の初期速度は、圧力パルスの粒子速度に比例し、この粒子速度は、同じく圧力パルスが界面に到達する時点における圧力に比例する。図4及び図5に示すように、圧力パルス410は、球形の形状を有し、従って、チャンバの中心部分にある(例えば、図4に示す円筒形チャンバの中心線又は赤道に沿う)パルスは、最初に空洞界面に到達する可能性がある。中心線から遠ざかると、圧力パルスは、時間遅延の後に空洞界面に到着することになる。従って、空洞の長さに沿った圧力パルスの到着は、ある期間にわたって発生することになる。高振幅圧力パルス(例えば、P=1.5×10¹⁰Pa)では、流体中の界面速度(V_interface=2×V_particle)は、線形関係に基づいて流体中の音速と同程度の大きさのものとすることができる。例えば、鉛中の界面速度は、約1600m/s前後であり、これは、鉛中の音速である約1800m/sに近い。この例では、空洞界面の長さに沿った圧力パルスの到着の時間遅延は、比較的大きいと考えられ、従って、チャンバの中心において空洞の狭域崩壊が発生する。低振幅パルスでは、界面速度は、流体中の音速よりもかなり低速であると考えられ、従って、空洞の長さに沿った圧力パルス到着の時間遅延を無視することができることになり、空洞界面の長さに沿ってより均一な崩壊がもたらされる(高振幅圧力パルスと比較した場合に)。計算シミュレーションは、空洞崩壊の形状(例えば、空洞界面の狭域崩壊又はより均一な崩壊)に関わらず、そのような空洞崩壊が、高速中心ジェット及び液体塊の発生をもたらすことを示している(図7aに示す例を参照されたい)。

FEAコードを用いて、楕円形プラズマ圧縮容器内のピストンシステム、流体(例えば、鉛)、及び真空/空気をモデル化した。モデル化は、2次元軸対称幾何学形状において行った。図6は、シミュレートしたモデルの例を示している。楕円形容器の内部610は、流体(例えば、鉛又は鉛/リチウム混合物)で部分的に充填される。空洞を参照記号620に示し、ピストンを参照記号630に示している。容器の内側半径は2mであり、外側半径は2.3mである。ピストンは、約40m/sの速度で加速され、球の壁に衝突し、次いで、容器内の流体に衝突する。参照番号640は、空洞の中心に挿入された偏向体12(図1A、図1B)又は偏向体210(図2)に対応する中心シャフトを示している。

CFDとFEAの両方のシミュレーションの結果は、空洞崩壊の結果として射出するジェットが、(i)空洞の軸(単一の崩壊点)における実際の崩壊によって発生する高速中心ジェットと(ii)流体塊、例えば、圧力パルス波面が発生器の出口端に近づいた時に注入器のノズル内に滴り落ちる流体の質量塊とに分割される可能性があることを示している。行ったシミュレーションでは、塊は、全ての振幅の圧力パルスにおいて見られ、塊の速度は、高速中心ジェット速度よりもかなり低速である。図8a及び図8bは、高速ジェット及び液体塊それぞれの速度の例を示している。図8aに示すように、中心ジェット720は、数キロメートル毎秒の速度で射出することができ、それに対して塊710は、数10メートル毎秒で射出する可能性がある(図8b)。図8a及び図8bのシミュレーションの例は、中心ジェット720の速度が、約1500m/sから約2500m/sまでの範囲にある場合があり、塊710の速度が、約50m/sから約75m/sまでの範囲にある場合があり、塊の速度は、中心ジェット速度の約3%でしかないことを示している。

図7及び図9には、中心シャフト640がある場合の流体ジェットと中心シャフト640がない場合の流体ジェットとの比較を示している。図7a及び図9aは、偏向体(シャフト640)が空洞に存在しない時の流体の細いフィラメント720のような高速中心ジェットの形成を示している。図7aは、チャンバの開口部の近くでの塊710の形成を更に示している。ジェット720は、空洞の軸に沿って流れる高速ジェットである可能性がある。中心ジェットを排除又は低減するために、空洞の中心に挿入されたシャフト640(図7b、図9bを参照されたい)を用いてシミュレーションを実施した。図7b及び図9bは、シャフト640が空洞内に挿入された場合に形成される分散した複数のジェット730を示している。シミュレーションは、中心シャフトが空洞に存在する時に、中心高速ジェットの形成を回避することができ、空洞の崩壊によって形成されたジェット730は、シャフト640の面で流体の本体に当たるように偏向される傾向を有することを示している。更に、シミュレーションにより、シャフトが存在する時に形成されるジェット730のサイズは、シャフトが存在しない時に形成されるジェット720のサイズの約4分の1である。図7bに示す例では、シャフト640の存在は、流体塊710のサイズを縮小したが、それ自体を完全には排除しなかった。

図9aは、空洞内に中心シャフト640が存在しない時に形成されるジェット速度を示しており、それに対して図9bは、空洞内に中心シャフト640が挿入された場合に形成されるジェット速度を示している。シミュレーションは、空洞内にシャフトが存在する時にはジェット730の速度を空洞内にシャフト640が不在である場合のジェット720の速度の約60%まで低減することができることを示している。

図2のシールド240に対応する幾何学的シールドもシミュレートされた。シミュレーションは、シールドの使用により、流体塊が発生器に流入する可能性を低下させ、この流入を阻止することができることを示している。シールドの垂直長さは、チャンバのサイズに依存し、シミュレートされた例では、垂直長さを0.25m前後とした。この長さは、単なる例示目的のものであり、他の実施では異なる寸法のシールドを使用することができる。

本発明の開示の特定の要素、実施形態、及び用途を図示して記述したが、当業者は、本発明の開示の範囲から逸脱することなく、特に上述の教示を踏まえて修正を加えることができるので、本発明の開示の範囲はこれらの要素、実施形態、及び用途に限定されないことを理解するであろう。従って、例えば、本明細書に開示したいずれの方法又は工程においても、これらの方法/工程を構成する行為又は作動をあらゆる適切な順序に実施することができ、これらの行為又は作動は、開示したいずれかを特定の順序に必ずしも限定しない。要素及び構成要素は、様々な実施形態において異なって構成又は配置され、組み合わされ、及び/又は排除することができる。上述の様々な特徴及び工程は、互いに独立して使用することができ、又は様々な手法で組み合わせることができる。全ての可能な組合せ及び部分結合は、本発明の開示の範囲に収まるように意図している。本発明の開示を通して「一部の実施形態」又は「実施形態」などの表現への参照は、その実施形態に関して記述した特定の特徴、構造、段階、工程、又は特性が少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本発明の開示を通して「一部の実施形態において」又は「実施形態において」などの表現の出現は、必ずしも全てが同じ実施形態を指しているわけではなく、同じか又は異なる実施形態のうちの1つ又はそれよりも多くを指すことができる。実際に、本明細書に記述した新しい方法及びシステムは、様々な他の形態に実施することができ、更に、本明細書に記述した実施形態の形態における様々な割愛、追加、置換、均等物、再配置、及び変更を本明細書に記述した本発明の精神から逸脱することなく具現化することができる。

実施形態の様々な態様及び利点を適切な場合に記述した。いずれかの特定の実施形態によって必ずしも全てのそのような態様又は利点を得ることができるわけではないことは理解されるものとする。従って、例えば、本明細書に教示又は示唆した場合がある他の態様又は利点を必ずしも得ることなく、本明細書に教示した1つの利点又は利点群を得るか又は最適化する方式で様々な実施形態を実施することができることを認識しなければならない。

取りわけ「can」、「could」、「might」、「may」、及び「e.g.,」などのような本明細書に使用する条件的表現は、一般的に、別途明記しない限り又は用いている状況の中で別途理解されることのない限り、ある一定の実施形態がある一定の特徴、要素、及び/又は段階を含むが、他の実施形態は、これらの特定のものを含まないことを伝えるように意図したものである。従って、そのような条件的表現は、一般的に、1つ又はそれよりも多くの実施形態に特徴、要素、及び/又は段階がどのような形であっても必要とされること、又は1つ又はそれよりも多くの実施形態が、いずれかを特定の実施形態においてこれらの特徴、要素、及び/又は段階が含まれるか否か又は実施されることになるか否かをオペレータの入力又はプロンプト指示により又はこれらによらずに決定するための論理を余儀なく含むことを意味するように意図したものではない。いかなる特定の実施形態にも、ある単一の特徴又は特徴群が必要ではないか又は必須であることはない。「comprising」、「including」、及び「having」などの表現は、同義的であり、包含的に非限定的に使用され、かつ追加の要素、特徴、行為、作動などを排除しない。同じく、用語「or」は、例えば、列記した要素を関連付けるために使用する場合に、用語「or」が列記された要素のうちの1つ、一部、又は全てを意味するように、包含的な意味で(限定的な意味ではなく)用いられる。

本明細書で説明した実施形態の例示的な計算、シミュレーション、結果、グラフ、値、及びパラメータは、開示する実施形態を限定するのではなく、例示するように意図したものである。他の実施形態を本明細書で説明する例示目的の例とは異なるように構成し、及び/又は作動させることができる。

100 液体ジェットがシステム 110 プラズマ発生器 160 圧力波発生器 200 ジェット制御デバイス 210 液体ジェット偏向体