專利名稱：：產生用于受控核反應的液體微滴的激光納米顆粒成核空腔的撞擊受迫坍塌的系統和方法
技術領域：
：本發明涉及在液體微滴中產生空腔并使空腔坍塌，并且特別涉及對這種對塌的能量加以利用。
背景技術：
：核聚變是指將較輕的原子(氫、氘等)結合從而形成較重的原子的那類反應。對于最輕的原子，由于缺乏屏蔽以及庫侖效應的緣故，每核子的結合能是原子序數的急劇遞增的函數。因此，將兩個氫原子結合(例如)從而形成氦產生了巨量的能量。然而，當聚變前的核子更近地靠在一起時，需要克服的能壘(質子的庫侖斥力)是很大的。上述能壘對于氫的較重的同位素氘(一個質子和一個中子)和氚(一個質子和2個中子)而言較小。多個大型政府研究計劃(例如美國能源部橡樹嶺國家實驗室的國際熱核聚變實驗反應堆(ITER))已致力于實現對規模足夠大的、最終目的為提供相對清潔且充足的能源的聚變反應的控制。有兩種主要的途徑(每種分別具有多種細節上不同的產物)用以實現受控的持續核聚變，它們的差異取決于對高t顯、高壓和高度離子化(即所謂"等離子"態)的反應體積的約束方法。慣性約束聚變(inertialconfinementfhsion)依靠高功率激光沖擊靶丸(targetcapsule)，使靶丸的一部分燒蝕(ablate)并在耙丸的燃料部內部產生聚爆沖擊波。磁約束聚變依靠強動態磁場來約束和壓縮反應體積。至少在美國，對以上兩種途徑的探索(借助大規模的政府贊助)已進行了將近50年。除了其他國家之外，美國、英國、法國和日本均存在并且正在規劃大型固定設施。到目前為止，由所有這些計劃取得的最顯赫的結果是實現了受控聚變反應。雖然己經實現了長達5秒的持續核反應(具體地說是D-T聚'變)，'但已經i正明根據任何這些方^去均無法獲得凈育S量(netenergy)。空腔坍塌使得球形空腔坍塌可以實現高的空腔壁面速度(cavitywallvelocity)、高內壓和高溫。許多最早期的裂變式原子彈的設計都利用了由傳統爆炸物的球形裝填物所產生的沖擊波的球形聚爆。聚變式炸彈則在許多場合下利用來自聚變爆炸的沖擊波的球形聚爆。在這兩種情況下，通用機理為慣性約束。以上例子在展示了用于能量聚集(energyfocusing)的球形聚爆概念的實用性的同時，還展示了控制和產生這種反應的問題。首先，通過聚爆產生的能量必須超過為啟動聚變反應所需的能量。維持核反應所需的輸入溫度(該溫度必然為不確定，其所處的數量級取決于燃料質量、密度等因素)預計為107K的數量級。假設能夠取得這樣的能量，如果單獨的聚爆和靶的規模過大就會失控，則生產簡單地是毀滅性的。作為另一極端，如果單獨的聚爆和靶的規模非常小，則雖可實現控制，但卻犧牲了持續性和產量。該尺寸級別必須介于核彈級(過大)與原子級(過小)之間的某處。同樣，由聚變來最終獲得可利用的能量，需要簡單且廉價的裝置來維持大量的反應區域。如果考慮由氣體和蒸汽的混合物填充、并在液體中對稱坍塌的球形空腔的情況，與擴張的空腔相關的尺寸級別為一至數百微米，而與坍塌空腔相關的尺寸級別為數百至數十納米。如果保持球形的對稱性，則可估算出在空腔的自由坍塌期間可獲得的能量。對于絕熱理想氣體(外加某些空泡動力學)的標度無關率(scalinglaw)的分析例如可得出空泡從約50微米的初始半徑、且僅包含與初始半徑的平衡狀態相關的0.1%氣體體積坍塌，會坍塌至半徑約500nm，且內部溫度為104K的數量級。然而，如果空泡的初始半徑僅增加2倍，則所得到的溫度的數量級將增大到105K。有科技文獻宣稱，已通過用聲能來驅動空腔聚爆，而利用這種空腔坍塌實現了聚變。例如參見PhysicalReviewE2004;69，TaleyarkhanRP,ChoJS，WestCD,LaheyRT，NigmatulinRI,BlockRC論文"Additionalevidenceofnuclearemissionsduringacousticcavitation"。雖然上述技術與本文所J皮露白勺概念十分不同，但重要的是應注意這種聲學慣性約束聚變尚未贏得廣泛的可信度。此外，即使承認已確如該文所聲稱的實現了核聚變，但對于聲學系統而言，由于受到波長必須遠大于空腔半徑的要求的限制、且由于輸入至變頻器(transducer)的功率的提高受到固有的非線性聲傳播飽和度(nonlinearacousticpropagationsaturation)的限制，因此功率的擴大和規模的擴大均在本質上難以實現。微滴碰撞及具有空腔的微滴被超高壓推動到極高速度的液流的形成和使用在產業內是公知的。例如，這種液流被用來清潔表面塵垢、污物和銹蝕，并用來移除例如漆之類的涂層。一些研究者已經注意到，對于這些應用來說，非穩定流比穩定流更有效。在非穩定流的應用中，液流被分散成小團或滴。例如參見通過引用結合在本申請中的美國專利第3,983,740號。本
技術領域：
中的現有技術受多種缺陷的困擾，這些缺陷包括(但不限于)需要使用例如高頻超聲波發生器之類復雜的驅動器來引發形成小團或微滴。此外，在沒有驅動器的情況下，其他現有技術的裝置不適用于這種應用，原因在于將液流分裂成微滴所需的距離長到使得液流霧化成為霧而不是形成微滴。通過高速液體微滴(其產生方法將在下文中說明)在硬質靶表面上的撞擊可導致極大的壓力值。形成這種微滴碰撞的最初目的是將動物細胞生物反應器獲取液(harvestliquor)中的病毒滅活，以生產注射用藥物(parenteralpharmaceutical)。為了進一步增大撞擊時液滴內的內壓，在微滴內部設置充有氣體的空腔，使得坍塌空腔的極高的聚爆壓力能夠疊加到沒有空腔的微滴的撞擊峰值壓力上。于是挑戰又變為如何在被噴嘴高壓室中的超高壓力驅動的超高速微滴內部產生空腔。已有人提出一種在微滴中形成蒸汽空腔的方法，這種方法是將在lbar條件下極易揮發的液態丙垸或丁烷的極小(微米級)微滴的乳液劇烈地混入水中。強力的混合將使水中的丙烷在Pn-Pmi^g時飽和。選定的液態點必須在水的高壓壓力的臨界點之上。然而，上述乳液技術的缺點在于，缺少對產生空腔的定時及尺寸的控制，上述空腔在射流離開高壓噴嘴時隨著壓力減小而開始從基質液體(hostliquid)內的乳化相微滴形成。此外，這種空腔整個體積含有蒸發出的揮發性化合物，且其隨后的坍塌可能因內部如此大量的蒸汽的緩沖效果而被減弱。
發明內容本發明為一種用于引起液體微滴中的蒸汽空腔受迫坍塌的新型的裝置、系統和方法。示例性的裝置可具有用于將納米顆粒注入液體中的注入裝置，或者所述示例性裝置可以使用預先混合的液體。高壓室和一個或多個噴嘴可噴射一個或多個包括液體和納米顆粒材料的射流。可通過將該射流分裂來產生微滴。照射裝置使微滴曝露在電磁波下，以通過加熱納米顆粒而在微滴中產生空腔并使空腔擴張。微滴與合適的(例如固態的)靶相撞以加劇微滴內部的空腔坍塌。照射和相撞被定時，以增大空腔坍塌的聚爆能量。在可選的實施例中，可將核反應的燃料引入到在微滴內形成的空腔中。可利用聚爆能量來驅動空腔內的核反應。由核反應產生的中子可被捕獲并用以提供熱能。重要的是應注意到，本發明并非旨在被限制到必須滿足本發明的任何一個或多個具體描述的目的或特征的系統或方法。同樣重要的是應注意到，本發明不限于本文中所描述的示例性實施例或主要實施例。由本領域普通技術人員作出的多種變型以及替換均被視為落入僅由所附權利要求及其法定的等效方案所限定的本發明的保護范圍之內。通過閱讀以下參照附圖所作的詳細說明，將能更好的理解本發明的上述和其他的特征及優點圖1為根據本發明一個示例性實施例的用于引起液體微滴內的空腔受迫坍塌的示例性系統的方框圖2為示出根據本發明的用于引起液體微滴內的空腔受迫坍塌的方法的示例性實施例的流程圖；且圖3為示出根據本發明的用于驅動因液體微滴坍塌而引起的聚變反應的示例性實施例的流程圖。具體實施例方式本文公開的本發明在于兩種不同技術的結合。第一種技術涉及在液體中產生時間、空間及能量受控的空腔。第二種技術涉及例如在共同待決的、通過引用完全地結合在本文中的美國第11/075,833號專利申請中所公開的產生小的高速微滴的技術。通過結合這兩種技術，能夠在高速微滴內引發出空腔，這些空腔的初始產生時刻被精確定時、并擴張到優選的半徑。當這些包含空腔的微滴與靶碰撞時形成強壓縮波，隨后這種壓縮波迅速傳播到液滴內部。沿壓縮波橫向呈現出的巨大的正壓力將迫使空腔迅速地慣性坍塌，從而驅動空腔比自然發生的坍塌更為劇烈地坍塌。借助包含空腔成分的合適的材料，可在空腔坍塌過程中產生能量以驅動例如核聚變反應。可通過由噴嘴陣列形成的多個射流，來提高由單個射流形成的、超過lMHz的微滴碰撞率。因為每個微滴可包含多個空腔，因此易于實現規模的擴大。現公開對上述過程的每個步驟的技術說明。微滴的產生參照圖1、圖2和圖3，其詳細示出了在R.CDean,Jr等人的名稱為"MethodandApparatusforFormingHigh-SpeedLiquidDroplets(用于形成高速液體微滴的方法和裝置)"的美國第11/075,833號專利申請中的微滴產生系統100的一個示例，可用微滴產生系統100來實施本發明。本發明的一個示例性實施例提供一種用于在微滴中產生及控制空腔的方法(方框202、302)，所述微滴是例如由通過引用結合在本文中的、名稱為"MethodandApparatusforFormingHigh-SpeedLiquidDroplets"的美國第11/075,833號專利申請的微滴產生及激勵裝置來產生的。納米顆粒材料源102提供納米顆粒材料103的來源，納米顆粒是以在水被壓縮之前混合入水中的液體懸浮物的形式來供給的。納米顆粒的直徑為10-lOOnm且為規則或不規則的任意形狀，納米顆粒可為金或其他材料，并隨后與來自液體源104(方框204、304)的液體流105混合，以提供包含納米顆粒的混合液體流107。從高壓室108以20ksi(140MPa)-180ksi(1.3GPa)的壓力噴射一個或多個高速液體射流(通常其直徑為50-100(Vm，行進速度在500-1500m/s之間)。上述液體壓力可以由公知的(例如由FlowInternational,Inc.制造的)超高壓泵106產生，或者由電動機或內燃機(例如柴油機)所驅動的增壓器產生。將包含納米顆粒的高壓液體供給至高壓室和一個(多個)噴嘴108。并排操作的噴嘴108的數目范圍可為1-5000或更多。噴嘴的口徑范圍可為l-1000um或更大。當射流離開(多個)噴嘴108之后，由于眾所周知的Rayleigh、項々!J乂3、"鬼/l、《S定力兄豕IIIJ*7|處牙」Wti刀-農P乂一遷中EPJ1觀Y問1丄4、刀不EZUO、306)。參見J.W.S.Rayleigh，Lord所著"TheTheoryofSound(聲音理論)"(Dover,NewYork,1945)。由此形成的微滴114的直徑約為射流直徑的兩倍，并且相隔的間距約為射流直徑的四倍。當這些微滴114撞擊合適的(例如固態的)表面112時，微滴114可在被撞擊的基底上產生峰值壓力，該峰值壓力為向噴嘴108供液的高壓室中壓力的10-20倍(方框206、306)。微滴的撞擊118在微滴114內部產生壓縮波，該壓縮波的峰值壓力可以與被撞擊的基底上的峰值壓力處于相同的數量級。在特定情況下，高壓室108中的高壓壓力為25ksi(170MPa)，產生的射流的速度為580m/s，并且由直徑約75pm的射流所形成的微滴的直徑為114150(im。液滴通過頻率(dr叩-passingfrequency)約為lMHz，淑滴通過頻率是由單股射流形成的微滴撞擊到基底上的頻率。根據Rosenblatt等人的數值分析，所產生的峰值壓力約為噴嘴高壓壓力的15倍，即375ksi(2.6GPa)。參見A.G.Evans、Y.M.Ito禾卩M.Rosenblatt的論文，JournalofAppliedPhysics,51,2473(1980)。該壓力已被證明高得足以從鋼制基底(例如航空母艦的甲板)上鑿開材料。空腔的激光激勵納米顆粒成核如前所述，在先前存在的、被壓縮性的壓力波驅動至坍塌的蒸汽/氣體空腔內部，理論上可以達到非常高的壓力。用于產生這種空腔的唯一的現有技術(過熱乳液)具有缺乏控制并且自身會減緩坍塌的缺陷。所需要的是一種可靠的裝置，用以將恰當尺寸、恰當數值密度的氣體/蒸汽空腔，在恰當的瞬間及時成核，使得這些空腔優化地易于被壓縮波驅動而坍塌(上述壓縮波是由微滴撞擊在靶上產生的)。在本部分介紹一種用于這種受控成核的方法。在諸如光學領域(參見CanfieldBK,KujalaS,JefimovsK，TurunenJ,KauranenM的"Linearandnonlinearopticalresponsesinfluencedbybrokensymmetryinanarrayofgoldnanoparticles",OpticsExpress2004;12:5418-5423)、無破壞測試(參見NatoliJ畫Y,GallaisL,BertussiB,DuringA，Co讓andreM的"Localizedpulsedlaserinteractionwithsubmicronicgoldparticlesembeddedinsilica:amethodforinvestigatinglaserdamageinitiation"，OpticsExpress2003;11:824-829)、生物醫學成像(參見ZharovV，LapotkoD的"Photothermalsensingofnanoscaletargets",ReviewofScientificInstruments2003;74:785-788)以及涉及選擇性細胞死亡的各種醫療處置方案(參見HmtmannG,RadtB,SerbinJ,LangeBI，BimgruberR的"Highprecisioncellsurgerywithnanoparticles"，MedicalLaserApplication2002;17:9-14)等不同領域，育巨量源110(例如激光源)與微米和納米尺寸的顆粒的相互作用近來已受到很大的關注。當被可見的激光脈沖照射時，15nm金顆粒(HUttmami等人，2002)以及250nm、100nm、40nm、10nm和2nm金顆粒均表現出在細胞的懸浮液中形成微泡型空腔(microbubblecavity)。在凝膠中進行的實驗已顯示，激光、納米顆粒和聲學的結合可以降低慣性空化(inertialcavitation)的臨界值。對于給定的聲壓，成核及實現慣性空化所需的激光強度與僅有激光/納米顆粒的情況相比降低了幾乎兩個數量級；反之，對于給定的最小激光脈沖強度，在凝膠中產生慣性空化所需的聲壓減小到原量的約五分之一(參見FarnyC、WuT、HoltR、MurrayT和RoyR的"Nucleatingcavitationfromlaser-illuminatednano-particles",AcousticsResearchLettersOnline2005;6:138-143)。在此為示范目的概括地提供用以產生空腔的方法。可以在WuT所著的"Bubblemediatedfocusedultrasound:nucleation,cavitationdynamicsandlesionprediction"(PhDThesis,BostonUniversity,DepartmentofAerospaceandMechanicalEngineering,June,2006)中找到描述空腔產生的過程的理論模型。使來自光能量源110的光(通常為處于可見光譜內的激光)的短脈沖(持續時間為ps至ns)入射到半徑為Rs的金屬顆粒(包含在液體微滴中的納米顆粒)上，使得光學尺寸參數kRs的數量級為0.1至l;此處k:co/c為光波數目，其中0)=頻率(弧度/秒)，0=光速。廣泛的共振吸收引起顆粒被迅速加熱，這些顆粒轉而迅速加熱顆粒球體周圍的液體。圍繞球體的液體薄層過熱，最終形成蒸汽毯(vaporblanket)。在超過臨界激光強度時會發生爆炸性汽化，從而在微滴114中形成約為納米顆粒103的初始尺寸100倍的空腔116。例如，計算表明，對于半徑約為50nm的金球體，使用持續時間為5ns、能量通量小至150mJ/cr^的532nm入射激光脈沖，可以得到擴張100倍的水蒸汽空腔。通過增大激光能量可增大最后得到的空腔116的擴張率。盡管以上就使用光能(激光)作為加熱、形成并擴張微滴空腔的能量源tfj'l育f兀;ra處J牛厭"力，1B込/l、疋"J斗、厭W口.、j卩R疋。'ij/y乂w，目6里i7哀1丄Uwj括任意類型的振蕩能量源，例如像可在無線電波和微波應用中找到的電能能量源，以及例如像可由波動磁場(fluctuatingmagneticfield)提供的磁能能量源。舉例來說，波動磁場可以加熱微滴中的小導電顆粒。、丄f丄LBh"1,1—、,Ar*,I--TmIA"/tt^"上">^nA^丄工l1,'f、a1^n_Lj"^rrnP^A"丄[=|門、/人+門日二^o/it，a卜i工f、ru《Hj^a卩口w:j丄。工'j乂jjx/x^工hj丄/j工wjr;j口ij^i一iyjzl主要由蒸汽和少量氣體構成的空腔116開始自由坍塌(方框210、310)，也就是說，枬塌是由空腔壁兩側的靜壓差驅動的。在例如空腔116的撞擊點118處的坍塌極快，最后的速度接近液體聲速。在撞擊點118處的這種坍塌是由周圍的液體壓力以及涌入液體的慣性驅動的，并且傳統上將發生這種坍塌的空腔116稱為"慣性空腔(inertialcavities)"。Rayleigh是最先考慮到液體中空隙的坍塌的，并且可以證明，即使上述激光納米顆粒成核的空腔也可以像Rayleigh空腔一樣坍塌，直到空腔壽命終結為止(方框212、312)。由撞擊液滴內部的空腔成核產生的能量激光成核空腔的自由坍塌不夠劇烈，不足以引發聚變。然而，在撞擊被精確定時，從而與其他自由空腔坍塌的初始階段相一致的微滴內部，強壓縮波的額外貢獻能夠以下文所述的方式產生必要的坍塌能量。設想在某一瞬間朝向靶行進的包含一納米顆粒的單個微滴。使激光脈沖在這一相同的瞬間入射到該微滴上，從而成核出一個空腔，該空腔在100ns數量級的某一段時間內成長到空腔初始尺寸的約100倍。在激光脈沖與撞擊之間的時間段，空腔116應當成長到空腔的最大尺寸并且恰好剛開始坍塌，使得撞擊壓力波到達空腔116的時刻與空腔的坍塌階段的開始時刻一致。撞擊點118處的空腔坍塌能量由于強大的脈沖式壓縮波而大幅增加，并且最后形成的峰值內部壓力和溫度可以超過為進行空腔內部的燃料的聚變反應所需的壓力和溫度。控制和定時對于優化坍塌能量118是必要的。空泡動力學模擬實驗表明，存在著脈沖壓力波(壓縮波)到達的最佳時間，其使得坍塌118的速度最大化，由此而使空腔的內含物的壓縮和加熱最大化。參見MossWC,ClarkeDB,WhiteJW，YoungDA的"Sonoluminescenceandtheprospectsfortable-topmicro-thermonuclearfUsion"，PhysicsLettersA1996;211:69-74。因此，使微滴撞擊在適當的靶112上，這一撞擊產生壓縮波從而導致空腔坍塌，這必須發生在相對于空腔半徑演變的某一精確的時刻。乂乂a米，力、jm^日漢口、j義:r^;tg;^口、j》u。、j而要起、h不宥i^、"乂大"。力、j:^mi;3乂T》口、j間的精確控制。這種控制是通過用激光輻射(脈沖或CW)照射在與懸浮于基質微滴液體中的金屬納米顆粒相關的微滴上來提供的。對導致蒸汽形成的納米顆粒的迅速(ns)加熱所進行的定時既可通過相對于在固定的空間位置形成的微滴來定時激光脈沖的方式進行、也可通過沿微滴速度軸線改變CW激光束的空間位置的方式進行。如果必要，可將微滴軸線的長度延伸至數米(參見美國第11/075,833號專利申請)。激光能量密度將決定所生成的空腔的最大半徑。微滴尺寸、微滴速度和激光能量的特定組合可使坍塌能量優化。燃料構想至此，在本文中披露的實施例傳授了在撞擊點118處獲得遠超過那些通過被動坍塌可取得的能量的空腔坍塌能量的能力。參照圖3，以下的實施例利用坍塌能量來引發核聚變反應(方框312)。雖然存在多種變例，但最通用且能量最小的反應如下D+T—4He(3.56MeV)+n(14,03MeV)(1)D+D—3He(0.82MeV)+n(2,45MeV)(2)D+D—T(1.01MeV)+p(3.02MeV)(3)D+3He—4He(3.6MeV)+p(14.7MeV)(4)其中D為氘、T為氚、n為中子并且p為質子，在圓括號中給出的是每個成分的反沖動能(recoilkineticenergy)。對于可達到的等離子體溫度而言，具有最高反應率的反應為D-T反應(1)，其后為D-D對反應(2)、(3)。因此，實施例可以利用引發D-T反應和D-D反應的燃料。以下為核燃料的內含物的幾個有益的且可優化的實施例的變例(方框304)。1.微滴材料作為燃料。在此實施例中，微滴基質液體蒸汽自身用作燃料。通過上述方法產生的空腔116可以包含由激光能量、液體源104的材料特性(蒸汽壓力、表面張力、粘度)、納米顆粒102的尺寸和微滴114的尺寸來決定的一定量的基質液體蒸汽。因此，在這種最簡單的情況下，液體源104可以本身就是可聚變材料或包含可聚變材料。氘化水(所謂的重水)是一個選擇。氘化溶劑(由于其在液相色譜中的使用而易于獲得)可能是有利的，這是因為能夠通過選擇蒸汽壓非常低的液體(例如気化甲苯)來使得坍+旦、/^々雲息，1、乂b—口六h六+與+旦六n六dh^r7A^imzv^:、、^，Trr臺匕4^+士irr^72.溶解在基質液滴中的氣體作為燃料。在此實施例中，使用的微滴104是低蒸汽壓材料，少量的氘或氘/氚氣體已經溶解在所述材料中。當空腔U6形成及擴張時，溶解的燃料氣體會擴散到空腔114中，部分可燃氣體會在坍塌118發生時發生反應。可利用水作為液體源104，不過也可利用其他液體而不脫離本發明的范圍。3.納米顆粒作為燃料載體。此實施例使用包含或埋入氘或気/氚氣體的中空的或多孔的納米顆粒102。使用低蒸汽壓微滴基質，形成的空腔的坍塌118會聚在納米顆粒上，能夠在顆粒自身內啟動次級會聚壓縮波(secondaryconvergingcompressionwave)。4.上述實施例1-3的組合。上述實施例的任何組合或上述實施例的任何部分的組合可能是有利的。例如，可以通過將使用低蒸汽壓氘化液體源104與包含納米球體102的中空的T或D-T組合，來得到更為劇烈的坍塌118。能量提取構想一旦核聚變反應和/或自維持聚變(self-sustainingfbsion)反應己實現(方框312)，即可隨后利用核反應產生的能量。上述的反應實施例(1、2)表明，大部分能量可通過所產生的中子而以動能形式被傳遞出。在傳統的激光慣性約束聚變(ICF)中使用的一個實施例可以是，以金屬"毪"來圍繞反應區域，該金屬毯將會捕獲中子并將中子的動能轉化為熱能(方框314)，該熱能可隨后用于產生蒸汽(方框316)，該蒸汽則傳統上可通過本領域技術人員公知的技術轉換為電(方框318)。我們可以將能量提取構想劃分為兩個額外的實施例。在第一實施例中，撞擊靶本身還用作中子吸收/熱交換介質。在第二實施例中，中子吸收器/熱交換器113可以與固態耙112上的微滴撞擊反應位置隔開一定距離(lm以上)。碰撞靶/中子吸收器/熱交換器的結合1.圓筒蓋狀(cylindricalcap)碰撞靶上文說明了高速微滴如何必須撞擊合適的且硬度適當的靶112以便產生驅動空腔坍塌的壓縮波。但除了微滴撞擊的區域之外，"硬質"撞擊靶不需要為平面。正圓柱體(其如果由諸如不銹鋼之類高密度金屬制成，則具有沿軸線鉆出的孔以便為微滴噴嘴108i且/卄X門AAAA飾tU"、"Frr曰口Tf^縣4夂frh、〉吝；+!6h、/Ain玄l[T7:!3夂;t旦/卄究壬口壬n;Hi./H二遞。撞擊靶可以是固定的，也可用平移(左右和/或上下)方式或轉動方式運動。耙或靶表面還可以包括冰或其他凍結的液體，硫磺，蠟，包含或不包含固體混雜物的聚合物涂層，類似硅橡膠和膠原凝膠的自修復材料，借助物理力、磁力或電性力(electricalforce)涂覆并保持在旋轉盤上的固體顆粒，以及包括金屬、粘土或石墨的薄片材料。2.流動的撞擊靶"硬質"撞擊靶112可以不必是固態，即撞擊靶112可以是液態。如果液態金屬(例如汞)處于連續流動狀態，其表面可被液滴撞擊，從而在液滴中產生所需的壓縮波。流動的汞也可在隨后實現所期望的中子捕獲，從而將汞加熱。由此傳遞的能量可隨后通過本領域技術人員公知的技術而被提取并被轉換成電或其他形式的能量。同樣基本有效、較廉價且毒性小得多的液態金屬例如但不限于Sn、Al、Cu、Li、Hg、Gd、Bi、Pb和Zn以及它們與其他金屬的合金。雖然汞具有中等的中子捕獲截面，但例如釓具有非常高的截面。此外，釓已被用作溶液中的懸浮液，用以提供MRI對比。可以想象的是，基質工作液體中的Gd懸浮液可提供熱傳導性能與(非常)高的中子捕獲截面的理想結合。液態金屬不會被消耗。此外，本發明設想使用的液態金屬的其他等效替代物，包括但不限于冰或其他類似液態金屬的凍結的液體，硫磺，蠟，包含或不包含固體混雜物的聚合物涂層，類似硅橡膠和膠原凝膠的自修復材料，借助物理力、磁力或電性力涂覆并保持在旋轉盤上的固體顆粒，以及類似金屬、粘土或石墨的薄片材料。3.低吸收撞擊靶/遠距離的中子吸收器如果附近的金屬物體會由于過快吸收高能量的中子而被破壞，如激光ICF(慣性約束核聚變)據信就很可能如此，則撞擊耙本身不可以用作中子吸收器/熱交換器。因此，可以使用較遠距離(lm以上)的中子吸收器/熱交換器。非常可能的是，吸收器可以例如為固態的不銹鋼或充滿流動的液態吸收體(例如上文論述的Gd懸浮液)的鋼容器。在后一種情況下，該撞擊靶本身可能必須為自修復的，或者是可迅速更換且較廉價的(可以實現重復的MHz微滴撞擊速率)。4.自修復撞擊靶上文所述的流動的撞擊固態靶112可以在本處語境(context)下用作自修復撞擊靶。然而，在此情況下，可以將撞擊固態靶112i1X'l不逃譯,J只B勺、口、JT丁H^CMX鎖LHJ，WI義1守"W;^取勺、'Kj，7rJzL'l又《守丁亇B匕y夕行進到較遠處的吸收器。5.轉動的撞擊靶在這種情況下，也可以應用轉動的撞擊靶U2，使得每個新的液滴能夠撞擊新的表面。同樣地，在此實施例中，撞擊靶材可以被選擇為具有小的中子捕獲截面。靶也可以旋轉通過某種"鍍液(bath)"或材料以"再涂覆"或"更新"其撞擊表面。6.相撞的液滴通過使相對的兩個相同的微滴彼此撞擊可使撞擊的能量翻倍。然而，每個液滴內的物理事件(physicalevent)不從撞擊在固定靶上的液滴變化。這種相撞的微滴串的設計可用兩個噴嘴來實現，或者甚至可利用相對對準的噴射頭實現多個相撞的微滴串。通過沿射流軸線簡單的平移可以實現撞擊定時(進而實現撞擊定位)，并且在任何情況下，在微滴平均間隔的+/-4倍的范圍之內是不確定的。因為微滴會在任一事件中被破壞，這種液滴作為撞擊靶的設計解除了改變(changeout)靶的需求。相撞的微滴可以為遠距中子吸收器實施例的一部分，但也可將微滴本身作為吸收器來使用。重液滴作為吸收器將是優選的。7.多個液體射流為了最終實現得失相當及擴大規模的目標，可以使用多個微滴形成液體射流，每個射流包含用于形成空腔的納米顆粒核、對每個射流進行電磁照射的裝置、及用于每個射流的合適的燃料/撞擊靶。對于大型的商業發電廠，可能要求在一個裝置中具有數百萬個這種射流，其中多個噴嘴108共用一個噴射頭，多個噴射頭共用一個泵，最后運行多個泵。由本領域普通技術人員做出的多種變型以及替換均被視為落入僅由所附權利要求書及其法定等效方案所限定的本發明的保護范圍之內。權利要求1.一種用于引起包含納米顆粒的液體微滴中的空腔受迫坍塌的方法，所述方法包括如下動作產生包括液體和納米顆粒材料的至少一個增壓液體射流；引起所述包括液體和納米顆粒材料的至少一個增壓液體射流分裂，由所述射流的分裂產生包含液體和納米顆粒材料的多個微滴；利用能量照射所述微滴，以在所述微滴內產生空腔并使所述空腔擴張，并引起所述微滴與靶相撞而使所述微滴內的空腔坍塌，其中所述照射和所述相撞被定時以增大所述空腔坍塌的聚爆能量。2.如權利要求l所述的用于液體微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中所述微滴的撞擊產生引起所述空腔坍塌或有助于所述空腔坍塌的內部壓縮波。3.如權利要求1所述的用于液體微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中利用能量照射所述微滴以在所述微滴內產生空腔擴張，使得所述微滴中的所述納米顆粒吸收所述照射能量，其中所述方法還包括通過調節被所述納米顆粒材料吸收的照射能量的能量密度以及從照射到微滴相撞的時間，來控制所述空腔在坍塌前的半徑。4.如權利要求1所述的用于液體微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中所述照射能量包括光子。5.如權利要求4所述的方法，其中所述能量包括激光能量。6.如權利要求1所述的用于液體微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中在所述空腔坍塌的中心處的溫度引起至少一個核子聚變反應。7.如權利要求1所述的用于液體微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中所述多個微滴為一串微滴流。8.如權利要求1所述的用于液體微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中所述靶為液態金屬。9.如權利要求8所述的用于液體微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中所述液態金屬包括汞。10.如權利要求8所述的用于液體微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中所述液態金屬選自包括Sn、Al、C8u、Li、Hg、Gd、Bi、Pb和Zn的組以及該組的合金。11.如權利要求l所述的用于液體微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中所述耙選自包括以下材料的組冰或其他凍結的液體，硫磺，蠟，具有或不具有固體混雜物的聚合物涂層，類似硅橡膠和膠原凝膠的自修復材料，借助物理力或磁力或電性力涂覆并保持在旋轉盤上的固體顆粒，以及包括金屬、粘土或石墨的薄片材料。12.—種用于引起液體微滴中的空腔受迫坍塌的裝置，所述裝置包括注入裝置，用于將納米顆粒注入液體中；一個或多個噴嘴，其噴射包括液體和納米顆粒材料的增壓液體射流，并通過分裂所述射流而產生多個微滴；照射裝置，其將所述微滴曝露在能量下，以在所述微滴中產生空腔并使所述空腔擴張；以及靶，其與所述微滴及所述微滴的坍塌空腔相撞而引發空腔聚爆能量，其中所述照射和相撞被定時以增大所述空腔坍塌的聚爆能量。13.如權利要求12所述的用于引起液體微滴中的空腔受迫坍塌的裝置，其中所述微滴與所述靶的相撞產生有助于所述空腔坍塌的強壓縮波。14.如權利要求13所述的用于引起液體微滴中的空腔受迫坍塌的裝置，其中所述微滴中的納米顆粒材料吸收所述照射能量；且其中所述照射裝置通過調節所發射的、并從而被所述微滴中的納米顆粒材料吸收的能量的能量密度，來控制所述空腔在坍塌前的半徑。15.如權利要求13所述的用于引起液體微滴中的空腔受迫坍塌的裝置，其中所述照射能量包括光子。16.如權利要求15所述的裝置，其中所述光子包括激光能量。17.如權利要求12所述的用于引起液體微滴中的空腔受迫坍塌的裝置，其中在所述空腔坍塌的中心處的溫度高于107K。18.如權利要求12所述的用于引起液體微滴中的空腔受迫坍塌的裝置，其中所述多個微滴為一串微滴流。19.如權利要求12所述的用于引起液體微滴中的空腔受迫坍塌的裝置，其中所述靶包括液態金屬。20.如權利要求12所述的用于引起液體微滴中的空腔受迫坍塌的裝置，其中所述耙選自包括以下材料的組冰或其他凍結的液體，硫磺，蠟，具有或不具有固體混雜物的聚合物涂層，類似硅橡膠和膠原質凝膠的自修復材料，借助物理力或磁力或電力涂覆并保持在旋轉盤上的固體顆粒，以及類似金屬、粘土或石墨的薄片材料；并且其中所述靶還選自包括固定靶和移動靶的組。21.—種用于由包含納米顆粒的液體微滴中的空腔的坍塌來驅動聚變反應的方法，所述方法包括如下動作產生包括液體和納米顆粒材料的至少一個增壓液體射流；引起所述包括液體和納米顆粒材料的至少一個增壓液體射流分裂，由所述射流的分裂產生各自包含液體和納米顆粒材料的多個微滴；利用能量照射所述微滴，以在所述微滴內產生空腔的擴張，以及引起所述微滴與合適的靶相撞，以使所述微滴內的空腔坍塌，其中所述照射和所述相撞被定時以引發聚爆能量來驅動所述空腔內的核燃料的核反應。22.如權利要求21所述的用于驅動核聚變反應的方法，還包括捕獲所述核反應產生的中子的動作。23.如權利要求21所述的用于驅動核聚變反應的方法，還包括下述動作提取由所述聚變反應產生的熱能。24.如權利要求21所述的用于驅動核聚變反應的方法，其中形成所述空腔的所述液體的蒸汽提供用于所述聚變反應的燃料。25.如權利要求21所述的用于驅動核聚變反應的方法，其中所述納米顆粒材料提供用于所述聚變反應的燃料。26.如權利要求21所述的用于驅動核聚變反應的方法，其中溶解在所述液體中的氣體提供用于所述聚變反應的燃料。27.如權利要求21所述的用于驅動核聚變反應的方法，其中所述靶為液態金屬。28.如權利要求21所述的用于驅動核聚變反應的方法，其中所述耙選自包括以下材料的組冰或其他類似液態金屬的凍結的液體，硫磺，蠟，具有或不具有固體混雜物的聚合物涂層，類似硅橡膠的自修復材料，借助物理力或磁力或電力涂覆并保持在旋轉盤上的固體顆粒，以及類似粘土或石墨的薄片材料。29.—種用于由液體微滴中的空腔的坍塌來驅動聚變反應的裝置，所述裝置包括注入裝置，用于將納米顆粒注入液體中；高壓室及一個或多個噴嘴，其噴射包括液體和納米顆粒的增壓液體射流并且產生微滴，所述微滴構造成具有含有用于核反應的燃料的空腔；照射裝置，用于將所述微滴曝露在能量下，以在所述微滴中產生空腔并使所述空腔擴張；以及革巴，用于與所述微滴相撞以使所述微滴中的空腔坍塌，其中所述照射和相撞被定時以引發聚爆能量來驅動所述空腔內的燃料的核反應。30.如權利要求29所述的用于由液體微滴中的空腔的坍塌來驅動聚變反應的裝置，還包括捕獲裝置，用于捕獲所述核反應產生的中子。31.如權利要求29所述的用于由液體微滴中的空的穴坍塌來驅動聚變反應的裝置，還包括能量提取裝置，用于提取所述聚變反應產生的熱能。32.如權利要求29所述的用于由液體微滴中的空腔的坍塌來驅動聚變反應的裝置，其中形成所述空腔的所述液體的蒸汽提供用于所述聚變反應的燃料。33.如權利要求29所述的用于由液體微滴中的空腔的坍塌來驅動聚變反應的裝置，其中所述納米顆粒材料提供用于所述聚變反應的燃料。34.如權利要求29所述的用于由液體微滴中的空腔的坍塌來驅動聚變反應的裝置，其中溶解在所述液體中的氣體提供用于所述聚變反應的燃料D35.如權利要求29所述的用于由液體微滴中的空腔的坍塌驅動來聚變反應的裝置，其中所述靶為液態金屬。36.如權利要求29所述的用于由液體微滴中的空腔的坍塌來驅動聚變反應的裝置，其中所述靶選自包括以下材料的組冰或其他凍結的液體例如液態金屬，硫磺，蠟，具有或不具有固體混雜物的聚合物涂層，類似硅橡膠的自修復材料，借助物理力、磁力或電力涂覆并保持在旋轉盤上的固體顆粒，以及類似金屬、粘土或石墨的薄片材料。全文摘要一種裝置(100)、方法(200/300)和系統，用于引起在液體微滴(114)內形成的空腔(116)受控坍塌，其中增壓射流(109)包含液體(104)和納米顆粒材料(102)，且燃料可能由射流(109)的分裂而產生微滴(114)。液體微滴(114)由能量(110)照射，以通過包含在微滴(114)內的納米顆粒(102)的照射(110)，來產生形成于微滴(114)內的空腔(116)并使空腔(116)擴張。微滴(114)與靶(112)相撞(118)而使得微滴(116)內的空腔坍塌。照射和相撞被定時，以增大空腔坍塌的聚爆能量。聚爆能量和空腔中的燃料可被用于激發和維持聚變反應(113)。文檔編號H05H6/00GK101682980SQ200880018238公開日2010年3月24日申請日期2008年4月4日優先權日2007年4月4日發明者R·格林·霍爾特,小羅伯特·C·迪安,羅納德·A·羅伊申請人:協同創新公司