JP5400786B2 - 磁気流体力学シミュレーション装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、概ね様々な天体に生起する磁気流体力学を再現するのに有用な装置および方法に関する。より具体的には、本発明は低エネルギ制御実験室内でこのような再現を行うのに有用な装置および方法に関する。

観測可能な宇宙の約９６パーセントが、プラズマ状態にある物質で出来ている。従って、宇宙をよりよく理解しようとして、科学界はプラズマの発生や研究に対し相当な時間とエネルギと資源とを費やしてきた。これらの努力の一部の成果を、下記に考察する。

科学的研究は、幅広く異なる幾何学的スケールのプラズマが同様の現象に遭遇していることを示してきた。例えば、同種のプラズマ現象が銀河団、銀河形成、銀河ハロー、ブラックホール作用圏、他の星状天体、惑星大気内で観察されている。この見かけ上プラズマが幾何学的スケールに依存しないことを利用するため、大規模プラズマ（例えば、銀河形成プラズマ）内のイオンの動きを地球上の実験室環境内に収容可能な幾何学的スケールで再現するよう試みる科学的装置が製造されてきた。

今日まで、これらの装置は大きな天体物理学的プラズマをモデル化するのに液体（すなわち、液体ナトリウム）や帯電した液体（すなわち、帯電した液体ナトリウム）を用いてきた。これらの装置はまた、プラズマ中のイオンが追随する経路に沿って液体や帯電した液体内でイオンを案内するのに強磁場の使用に頼ってきた。

上記にもかかわらず、当然、実際のプラズマはガス状である。換言すれば、実際のプラズマは液体や帯電した液体状態の物質は含んでおらず、液体や帯電した液体中のイオンを用いてプラズマ中のイオンの挙動を再現するのは欠点を有することがある。従って、非液体媒体中の広範囲のプラズマの磁気流体力学をシミュレーションすることのできる新規の装置を提供することが望ましい。

前述の要求は、本発明の幾つかの実施形態より大いに達成される。例えば、本発明の一実施形態により、磁気流体力学シミュレータが提供される。磁気流体力学シミユレータは、プラズマ容器を含む。磁気流体力学シミュレータはまた、プラズマ容器内にしっかりと収容された第１の電離可能なガスを含む。加えて、磁気流体力学シミユレータはまた、プラズマ容器に隣接配置した第１のループで、ギャップと、ギャップの第１の側の第１の電気的接続部と、ギャップの第２の側の第２の電気的接続部と、低帯磁率と高導電率のうち少なくとも一方を有する第１の材料とを含む第１のループを含む。磁気流体力学シミュレータはさらに、プラズマ容器周りに第１のループを挿通させて巻かれた第１の導電性コイルを含む。

このように、本発明の一実施形態を、その詳細な説明がよりよく理解され、かつ当該技術分野に対する本貢献がより認識されるようやや大まかに概説してきた。当然、下記に説明され、かつ本明細書に添付された特許請求の範囲の主題を形成することになる本発明の追加の実施形態が存在する。

この点で、本発明の少なくとも一実施形態を詳細に説明する前に、本発明がその用途において、構成の細部や、下記の説明に記載しまたは図面に示す構成要素の配置に限定されないことを理解されたい。本発明は、記載したものの外に実施形態が可能であり、かつ様々な方法で実施し実行することができる。また、要約だけでなく本明細書にも用いる語法や用語は説明目的であり、限定するものと見なしてはならないことを理解されたい。

従って、当業者は本開示が根拠とする概念が本発明の幾つかの目的を果たす他の構造や方法やシステムを設計する根拠として即利用できることを理解する。従って、特許請求の範囲は本発明の趣旨ならびに範囲から逸脱しない限り、このような等価構成を含むと見なすことは重要である。

本発明の一実施形態による磁気流体力学（ＭＨＤ）シミュレータに含まれる複数のリブの斜視図を示す。 本発明の別の実施形態によるＭＨＤシミユレータ内に含まれるリブと他の構成要素の断面図を示す。 これらのリブを含むＭＨＤシミユレータに含まれる他の構成要素と併せ図１に示したリブの側面図を示す。 本発明の幾つかの実施形態によるリブの側面図を示す。

ここで、図面を参照して本発明は説明される。全体を通じて図面中同様の参照符号は同様の部分を指す。図１は、本発明の一実施形態による磁気流体力学（ＭＨＤ）シミユレータ１２内に含まれる複数のリブ１０の斜視図を示す。図２は、本発明の他の実施形態によるＭＨＤシミユレータ１２に含まれるリブ１０と他の構成要素の断面図を示す。図３は、リブ１０を含むＭＨＤシミユレータ１２内に含まれる他の構成要素と併せ、図１に示したリブ１０の側面図を示す。

図１から図３に示すように、ＭＨＤシミユレータ１２はほぼその中心に配置したプラズマ容器１４を含む。プラズマ容器１４は、任意の形状寸法とすることができる。しかしながら、ほぼ球状のプラズマ容器１４が図１から図３に示されている。また、プラズマ容器１４は本発明の１つ以上の実施形態を実施する際に当業者には明らかである形式でＭＨＤシミユレータ１２内に支持することができるが、図１から図３に示したプラズマ容器１４は複数の支持体１６を介してリブ１０の一部に接続してある。

図１から図３に示したプラズマ容器１４は、引き上げられた結晶からなる中空内装と中実外装とを有する。しかしながら、他の材料を用いて本発明の幾つかの実施形態による外装を形成することもできる。

プラズマ容器１４内に収容されているのは、１つ以上の電離可能なガスである。例えば、プラズマ容器１４内にアルゴン、窒素、ヘリウム、キセノン、ネオン、二酸化炭素、一酸化炭素および／またはクリプトンを用いることができるが、各種の他のガスでもよい。一般に、プラズマ容器１４に１つ以上のガスを追加する前に、プラズマ容器１４の内部を真空にまで排気する。

図２に示すように、ＭＨＤ装置１２はプラズマ容器１４に的を絞ったイオン源１８を含む。より具体的には、イオン源１８はプラズマ容器１４のほぼ中心部分に的を絞ってある。本発明の幾つかの実施形態によれば、イオン源１８はそこから放射されたエネルギビーム（例えば、図２に点線で示したレーザビーム）がＭＨＤシミユレータ１２内に含まれるどのリブ１０にも触れることなくプラズマ容器１４に衝突するよう位置させてある。

図２に示したイオン源１８はレーザであるが、他の電離エネルギ源を用いてプラズマ容器１４内で１つ以上のガスを電離させることもできる。例えば、無線周波（ＲＦ）イオン源を用いることができる。また、本発明の幾つかの実施形態によれば、１つ以上のレーザを用いることができるが、１つ以上のミラーを用いてレーザビーム（複数可）を一般には図１に示したＭＨＤシミユレータ１２の磁極（Ｎ、Ｓ）の一方を介してプラズマ容器１４に導くことができる。使用することのできるレーザには、位相共役レーザ、連続レーザ、およびパルス化レーザを含めることができる。

図４は、本発明の幾つかの実施形態によるリブ１０の側面図を示す。図４に示されるように、リブ１０は図２に示したようにプラズマ容器１４に隣接配置されるループである。しかしながら、ループは閉じておらず、ギャップ２０を含む。ギャップ２０の両側には、電線（図示せず）を接続することのできる電気的接続部２２（すなわち、電気的接点）が存在する。

本発明の幾つかの実施形態によれば、リブ１０は中実リブ１０周りに巻かれた導電性材料からなるループを含む構造とする。加えて、本発明の幾つかの実施形態によれば、リブ１０は導電性材料からなるループから形成され、複数層を有するコイル構造を形成する。これらの層の一部が、本発明の幾つかの実施形態により、誘導作用によるコイルの磁界の相互作用を監視するのに用いられる。

また、本発明の幾つかの実施形態により、別の独立した巻線がリブ１０内部のコイルに追加される。このような実施形態によれば、コイルは一般に環状をなし、独立した巻線は誘導作用を介する監視目的に用いられる。例えば、このような誘導作用を用いることで、パルスレート、アンペア数、電圧レベル等を監視することができる。

一般に、上記リブ１０は低帯磁率および／または高導電率を有する材料から作成される。例えば、本発明の幾つかの実施形態によれば、リブ１０はアルミニウムを含む。また、図４に示したリブ１０の断面は、本発明の幾つかの実施形態によれば、ほぼ四角形である。しかしながら、他の形状寸法もまた本発明の範囲内にある。

図４に示すように、リブ１０は（ＭＨＤシミユレータ１２の作動時にプラズマ容器１４に対し）近位弧状部分２４と遠位弧状部分２６とを含む。図４に示すリブ１０はまた、それぞれ近位弧状部分２４と遠位弧状部分２６の両方に接続された１対のほぼ直線部分２８、３０を含む。

図４に示すように、近位弧状部分２４と遠位弧状部分２６は大きさの異なる２つのほぼ同心円の外周の一部分に概ね沿って存在する（図示せず）。本発明の幾つかの実施形態によれば、近位弧状部分２４と遠位弧状部分２６はそれぞれ約７０．５２度の角度にわたって拡開している。しかしながら、本発明の他の実施形態によれば、弧状部分２４、２６はより大きいかまたは小さい角度にわたって拡開させることもできる。例えば、図２に示すように、ＭＨＤシミユレータ１２の頂部と底部に示したリブ１０は約５１．２６度の角度にわたって拡開しているが、一方でＭＨＤシミユレータ１２の中央に示したリブ１０は約１９．４７度の角度にわたって拡開している。

図１に示したように、リブ１０の互いにほぼ真上にある１２個の二部構成体３２が存在する。各二部構成体３２内に含まれる各リブ１０は、二部構成体３２内の他のリブ１０とほぼ共面をなしている。また、図１に示したように、プラズマ容器１４がそこに図示したＭＨＤシミユレータ１２の一部分に含まれるとする場合、リブ１０の各二部構成体３２はプラズマ容器１４に隣接配置される。また、１２個の二部構成体３２はプラズマ容器１４周りにほぼ等間隔に配置される。本発明の代替実施形態によれば、１２個程度の二部構成体３２が含まれることに留意すべきである。これらの二部構成体３２もまた、通常プラズマ容器１４周りにほぼ等間隔に配置される。

図２は、リブ１０の２個の四部構成体３４を示す。前記二部構成体３２内のリブ１０同様、各四部構成体３４内の各リブ１０は四部構成体３４内の他のリブ１０とほぼ共面をなしている。本発明の幾つかの実施形態によれば、１２個の四部構成体３４がプラズマ容器１４周りにほぼ等間隔に配置される。しかしながら、１２個よりも多いかまたは少ない四部構成体３４を含めることも、本発明の幾つかの実施形態の範囲内にある。

前記した構成要素に加え、図２に示したＭＨＤシミユレータ１２は頂部内側コイル３６と上部中間内側コイル３８と下部中間内側コイル４０と底部内側コイル４２とを含む。これらコイル３６、３８、４０、４２の各々は、プラズマ容器１４周りに少なくとも１つのリブ１０を挿通横断して巻かれている。

また、図２に示したのは、プラズマ容器１４周りに巻かれ、どのリブ１０も挿通横断しない外側コイル４４である。より正確には、外側コイル４４もまたリブ１０周りを巻いている。本発明の幾つかの実施形態によれば、単一の外側コイル４４を用いる代わりに、各内側コイル３６、３８、４０、４２に当該内側コイル３６、３８、４０、４２が横断するリブ集合体周りに巻いた関連する外側コイル（図示せず）を持たせる。

これらのコイル３６、３８、４０、４２、４４の各々は、通常１つ以上の導電材料を含む。例えば、本発明の幾つかの実施形態によれば銅が用いられる。

上記のように、各リブ１０は１対の電気的接続部２２を含む。これらの電気的接続部２２は、１つ以上の電線および／または電気デバイスに接続することができる。また、前記コイル３６、３８、４０、４２、４４の各々を１つ以上の電線、電気回路および／または電子デバイスに接続できることに留意すべきである。

本発明の実施形態による幾つかの回路および／またはデバイスを用い、前記の個々のまたは複数のリブ１０や内側コイル３６、３８、４０、４２および／または外側コイル４４に対する様々な電流および／または電圧レベルを切り替える。本発明の幾つかの実施形態によるこの切り替えが、他の磁界に対し一部を直交させかつ／または回転させることのできる１つ以上の電磁界を生成する。

実際は、前記した本発明の実施形態では、各リブ１０は事実上１ループか、または順次パルス駆動して図１に示した本発明の実施形態において垂直方向を向く回転磁界を生成する複数ループの電磁石となる。また、内側および／または外側のコイル３６、３８、４０、４２、４４は、個別にまたは対にする等のいずれかで用い、図１の１つ以上の実質水平方向の磁界を生み出すことができる。

上記の磁界を生成すべく、リブ１０とコイル３６、３８、４０、４２、４４を例えば既製品の電流制限された電源に作動的に接続することができる。本発明の実施形態次第では、単一もしくは複数のリブ１０に単一または複数の電源のいずれかを用いて給電することができる。

電源、コイルおよび／またはリブ１０接続部の様々な組み合わせを制御するため、本発明の幾つかの実施形態によりコンピュータや電子スイッチもまた用いられる。例えば、高速ＭＯＳＦＥＴスイッチング回路を用いて前記コイル３６、３８、４０、４２、４４のうち１つ以上に対する電流を制御することができる。また、制御コンピュータに対するデジタルインタフェースを設け、科学者にＭＨＤシミユレータ１２の操作を簡単化するグラフィカルインタフェースを提供することができる。

上記に列挙した構成要素に加え、プラズマ容器１４内で生起していることを計量しＭＨＤシミユレータ１２自体を監視し制御するため、ＭＨＤシミユレータ１２内にセンサおよび／または他のデバイスを含めることができる。例えば、電子温度、電子密度および／またはプラズマ電位を計測するのに、ラングミュア（Ｌａｎｇｍｕｉｒ）プローブを含めることができる。また、静電界を計測するのに電子計測器を含めることができ、電源の出力を介して電流および／または電圧を監視および／または記録することができ、磁界を計測するのにホール効果センサおよび／または前述の監視コイルを用いることができる。加えて、ＭＨＤシミユレータ１２内の温度は熱電対プローブおよび／または「ヒートスパイ」デバイスを用いて計測することができる。また、紫外光（ＵＶ）や赤外光（ＩＲ）や可視光帯は適当なＣＣＤカメラおよび／または光電子増倍管を用いて記録することができる。このような紫外光および／または赤外光撮像センサは、望遠鏡、内視鏡、および／または画像をカメラまたは他の検出器へ中継する光束ファイバシステムを用いて構成することができる。加えて、２つ以上のロッドレンズ内視鏡を配置し、画像を立体写真対として撮影し、従ってプラズマ容器１４内のプラズマ形状等の詳細な写真測量を可能とすることができる。一般に、望遠鏡はその光路がレーザ光路に対し直角となるよう配置される。観察が必要であれば、科学者は揺動アーム上の直角プリズムをレーザ光路内へ移動させることができる。

幾つかの実験を行うのに、他のセンサもまた含めることができる。これらのセンサは、Ｘ線束、ガンマ線束、中性子線束、陽子線束、アルファ粒子線束を（例えば、ガイガーカウンタを用いて）検出することのできるセンサ、シンチレーションカウンタおよび／または様々な他の粒子カウンタとすることができる。

本発明の幾つかの実施形態によれば、リブ１０および／または内側と外側のコイル３６、３８、４０、４２、４４に適切にタイミングをとった順序でかつ特定の方向に電流を供給することで、プラズマ容器１４内に収容された高電離プラズマ内に回転二重環状流動パターンが生成される。

より具体的には、作動に際し、１つ以上の電離可能ガスをプラズマ容器１４内に配置する。プラズマ容器１４はそこで、前述したリブ１０と内側および外側コイル３６、３８、４０、４２、４４とにより形成されたほぼ球状構造の中心空腔内に配置される。イオン源１８はそこで給電され、プラズマ容器１４内でガスを電離させるのに用いられる。内側コイルと外側コイルのパルス駆動は、リブのパルス駆動と同時に始動される。

プラズマ容器１４内に収容された高電離プラズマ内に上記の回転二重環状流パターンを発生させる１つの代表的な理由は、このパターンが宇宙では複数スケールにて見いだされるという証拠の結果である。例えば、ブラックホールの作用圏を含む銀河周りの物質の循環は、Ｅｉｎｓｔｅｉｎの場方程式に対するＨａｒａｍｅｉｎ−Ｒａｕｓｃｈｅｒ解により予測されているような二重円環体パターンに精密にモデル化されているという証拠がある。さらにまた、そのパターンの実例がクェーサー（準星）、パルサー、我々の太陽と土星や木星等の惑星を取り囲むプラズマ動力学のコリオリの力に見いだされる。本発明の幾つかの実施形態による装置により、このようなパターンを低エネルギ実験室環境内で生成できるようになる。

本発明の多くの特徴や利点は詳細な説明から明らかであり、従って、本発明の真の趣旨ならびに範囲内に含まれる本発明の全てのこのような特徴および利点が添付特許請求の範囲により包含されることを意図するものである。さらに、当業者には多数の改変と変形が容易に想起されるため、図示し説明した厳密な構成ならびに動作に本発明を限定することは望ましくなく、従って全ての適切な改変や等価物は本発明範囲内に含まれるよう用いられることができる。

Claims (20)

1. 第１の電離可能ガスを収容するように構成された非導電性の球状のプラズマ容器であって、軸極を有するプラズマ容器と、
   球状のプラズマ容器に隣接配置し、該プラズマ容器から径方向に延びた、軸極と同じ平面にある中実リブの第１のループであって、ギャップと、ギャップの第１の側の第１の電気的接続部と、ギャップの第２の側の第２の電気的接続部と、低帯磁率と高導電率のうち少なくとも一方を有する第１の材料とを含む第１のループと、
   プラズマ容器周りに第１ループを直交するように挿通させて巻かれた第１の導電性コイルとを備える、磁気流体力学シミユレータ。
2. 第１のループが、
   第１の弧状部分と、
   第１の弧状部分に接続した第１の直線部分と、
   第１の弧状部分に接続した第２の直線部分と、
   第１の直線部分と第２の直線部分とに接続した第２の弧状部分とを備え、第１の弧状部分と第２の弧状部分とが大きさが異なるほぼ同心円の外周部分に概ね沿って存在する、請求項１に記載の磁気流体力学シミユレータ。
3. 第１の弧状部分が約７０．５２度の角度にわたって拡開している、請求項２に記載の磁気流体力学シミユレータ。
4. プラズマ容器に隣接配置した第２のループで、第２のギャップと、第２のギャップの第１の側の第３の導電性接続部と、第２のギャップの第２の側の第４の導電性接続部とを備えるとともに、低帯磁率と高導電率のうち少なくとも一方を有する第２の材料を含む第２のループをさらに備える、請求項１に記載の磁気流体力学シミユレータ。
5. 第１の弧状部分が約５１．２６度の角度にわたって拡開し、第２のループが約１９．４７度の角度にわたって拡開する第３の弧状部分を含む、請求項４に記載の磁気流体力学シミユレータ。
6. 第１の弧状部分が約７０．５２度の角度にわたって拡開し、第２のループが約７０．５２度の角度にわたって拡開する第３の弧状部分を含む、請求項４に記載の磁気流体力学シミユレータ。
7. 第１のループと第２のループがほぼ共面をなし、それによって第１の二部構成リブを作り上げており、さらにこのシミユレータが、
   プラズマ容器に隣接配置した１１個の追加の二部構成リブを備え、第１の二部構成リブと１１個の追加の二部構成リブをプラズマ容器周りにほぼ等間隔に配置した、請求項４に記載の磁気流体力学シミユレータ。
8. プラズマ容器周りに第２のループを挿通させて巻いた第２の導電性コイルをさらに備える、請求項５に記載の磁気流体力学シミユレータ。
9. プラズマ容器に隣接配置した第３のループで、第３のギャップと、第３のギャップの第１の側の第５の電気的接続部と、第３のギャップの第２の側の第６の電気的接続部とを含むとともに、低帯磁率と高導電率のうち少なくとも一方を有する第３の材料を含む第３のループと、
   プラズマ容器に隣接配置した第４のループで、第４のギャップと、第４のギャップの第１の側の第７の電気的接続部と、第４のギャップの第２の側の第８の電気的接続部とを含むとともに、低帯磁率と高導電率のうち少なくとも一方を有する第４の材料を含む第４のループとをさらに備える、請求項８に記載の磁気流体力学シミユレータ。
10. 第１のループと第２のループと第３のループと第４のループが、全てほぼ共面をなす、請求項９に記載の磁気流体力学シミユレータ。
11. 第３のループが約５１．２６度の角度にわたって拡開する第４の弧状部分を含み、第４のループが約１９．４７度の角度にわたって拡開する第５の弧状部分を含む、請求項９に記載の磁気流体力学シミユレータ。
12. プラズマ容器周りに第３のループを挿通させて巻かれた第３の導電性コイルと、
    プラズマ容器周りに第４のループを挿通させて巻かれた第４の導電性コイルとをさらに備える、請求項９に記載の磁気流体力学シミユレータ。
13. 第１のループと第２のループと第３のループと第４のループが全てほぼ共面をなし、それによって第１の四部構成リブを作り上げており、シミユレータがさらに、
    プラズマ容器に隣接配置した１１個の追加の四部構成リブを備え、第１の四部構成リブと１１個の追加の四部構成リブとをプラズマ容器周りにほぼ等間隔に配置した、請求項１２に記載の磁気流体力学シミユレータ。
14. プラズマ容器が結晶からなる、請求項１に記載の磁気流体力学シミユレータ。
15. プラズマ容器の一部分に的を絞ったイオン源をさらに備える、請求項１に記載の磁気流体力学シミユレータ。
16. 第１の電気的接続部と第２の電気的接続部と第１のコイルとに作動的に接続した回路をさらに備え、回路が第１のコイルに電流を印加するとともに第１のループに電気的パルスを印加するよう構成した、請求項１に記載の磁気流体力学シミユレータ。
17. プラズマ容器周りに巻かれ、第１のループの外周縁周りにも巻かれた第２の導電性コイルをさらに備える、請求項１に記載の磁気流体力学シミユレータ。
18. プラズマ容器内にしっかりと収容した第２の電離可能ガスをさらに含む、請求項１に記載の磁気流体力学シミユレータ。
19. 第１の四部構成リブと１１個の追加の四部構成リブと第１、第２、第３、第４の導電性コイルとに作動的に接続した回路をさらに備え、回路が第１の四部構成リブと１１個の追加の四部構成リブと第１、第２、第３、第４の導電性コイルとに電流を印加し、ほぼ直交する磁界を発生するよう構成した、請求項１３に記載の磁気流体力学シミユレータ。
20. 回路が磁界を回転させるようさらに構成した、請求項１９に記載の磁気流体力学シミユレータ。

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