(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射を発生させるための装置であって、
ａ）外囲器と、
ｂ）前記外囲器の内面に沿って液体渦流を発生させるように構成された渦発生器と、
ｃ）前記外囲器内の第１及び第２の電極であり、前記電極間にプラズマ・アークを発生させるように構成された第１及び第２の電極と、
ｄ）前記電極の一方との電気接続部の少なくとも一部を囲む絶縁筐体と、
ｅ）前記アークによって放射された電磁放射が前記絶縁筐体の全内面に照射されるのを防ぐために、前記電磁放射を遮断するように構成された遮蔽システムと、
ｆ）前記遮蔽システムを冷却するように構成された冷却システムと、
を備える、装置。
【請求項２】
前記遮蔽システムは、前記電磁放射を遮断するように構成された不透明面を有する絶縁遮蔽部品を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記絶縁遮蔽部品はセラミック遮蔽部品を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記冷却システムは前記渦発生器を含み、前記渦発生器は、前記絶縁遮蔽部品の前記不透明面を前記液体渦流に露出するように構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記遮蔽システムは、前記電磁放射を遮断するように構成された、前記外囲器の不透明部を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記外囲器の前記不透明部は、内面に不透明被膜を有する前記外囲器の一部を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記外囲器の前記不透明部は不透明石英で構成される、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記冷却システムは前記渦発生器を含み、前記渦発生器は前記外囲器の前記不透明部を前記液体渦流に露出するように構成される、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記遮蔽システムは、前記電磁放射を遮断するように構成された不透明面を有する導電遮蔽部品を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記冷却システムは前記導電遮蔽部品を伝導冷却するように構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記冷却システムは、前記導電遮蔽部品に伝導可能に接触している液冷された導体を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記遮蔽システムは、前記電磁放射がＯリング・シールに照射されるのを遮断するようにさらに構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記装置の少なくとも１つの部品を前記外囲器に対して封止するように構成された耐熱Ｏリング・シールをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記電極の他方の少なくとも一部を囲む第２の絶縁筐体と、前記アークによって放射された前記電磁放射が前記第２の絶縁筐体の全内面に照射されるのを防ぐために、前記電磁放射を遮断するように構成された第２の遮蔽システムとをさらに備え、前記冷却システムは、前記第２の遮蔽システムを冷却するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記遮蔽システムは、前記電磁放射が前記外囲器の環状内容積部から軸方向に流出するのを防ぐように構成された光伝送遮蔽部品をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記光伝送遮蔽部品は、前記外囲器の遠位端に当接する不透明ワッシャを備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記冷却システムは前記渦発生器を備え、前記渦発生器は、前記光伝送遮蔽部品を前記液体渦流に露出するように構成される、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記絶縁筐体の外面の少なくとも一部を熱遮蔽するように構成された外部熱シールドをさらに備え、前記冷却システムは、前記外部熱シールドを冷却するようにさらに構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
電磁放射を発生させるための装置であって、
ａ）外囲器の内面に沿って液体渦流を発生させるための手段と、
ｂ）前記外囲器内の第１の電極と第２の電極との間にプラズマ・アークを発生させるための手段と、
ｃ）前記電極の一方との電気接続部の少なくとも一部を囲む絶縁筐体の全内面に、前記アークによって放射された電磁放射が照射されるのを防ぐために、前記電磁放射を遮断するための手段と、
ｄ）前記遮断するための手段を冷却するための手段と、
を備える装置。
【請求項２０】
電磁放射を発生させる方法であって、
ａ）外囲器の内面に沿って液体渦流を発生させる工程と、
ｂ）前記外囲器内の第１の電極と第２の電極との間にプラズマ・アークを発生させる工程と、
ｃ）前記電極の一方との電気接続部の少なくとも一部を囲む絶縁筐体の全内面に、前記アークによって放射された電磁放射が照射されるのを防ぐために、前記電磁放射を遮蔽システムによって遮断する工程と、
ｄ）前記遮蔽システムを冷却する工程と、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁放射を発生させるための装置及び方法に関するものである。より詳細には、例示的な実施例は、アーク管又はアーク外囲器の内面に沿って液体渦流を有するアーク・ランプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気アーク・ランプは、広範な目的で電磁放射を生じさせるために用いられる。一般的な従来の直流（ＤＣ）アーク・ランプは、しばしばアーク管と称される石英外囲器内に装着された２つの電極、即ちカソード及びアノードを含む。外囲器は、キセノン又はアルゴン等の不活性ガスで満たされる。電源は、電極間で連続プラズマ・アークを持続させるために用いられる。プラズマ・アーク内で、プラズマは、粒子衝突によって高電流で高温に加熱され、電極間を流れる電流に対応する強度で電磁放射を放射する。
【０００３】
最も強力なタイプのアーク・ランプは、所謂「水壁（ｗａｔｅｒ  ｗａｌｌ）」アーク・ランプであり、この内部には、アーク・チャンバ外囲器の内面に沿って流れる渦液体壁（ｖｏｒｔｅｘｉｎｇ  ｌｉｑｕｉｄ  ｗａｌｌ）（「水壁」）を形成するように接線方向速度を伴って、水等の液体がアーク・チャンバを通じて循環される。渦液体壁は、それを通してアークが放電される不活性ガス柱の周囲を冷却する。この冷却効果は、アーク直径を制限し、積極的な（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）動作インピーダンスをアークに与える。渦液体壁の早い流速は、この冷却効果がアーク放電の全長に亘ってほぼ一定であることを確実にし、均一なアーク条件及び電磁放射の空間的に均一な放射をもたらす。不活性ガスの渦流は、アークを安定させるために、渦液体壁からすぐ半径方向内側に維持される。渦液体壁は、外囲器の内面から効率的に熱を除去し、また赤外線を吸収し、したがって、外囲器によって吸収される電磁放射の量を少なくする。渦液体壁は、電極によって蒸発又は飛沫化された任意の材料も除去し、外囲器のくすみを防ぐ。本出願と重複する発明者表記を共有し、参照によって本明細書に組み込まれる、Ｎｏｄｗｅｌｌ等の米国特許第４，０２７，１８５号は、第１の水壁アーク・ランプを開示するものと思われる。そのような水壁アーク・ランプに関するさらなる改良は、Ｃａｍｍ等の米国特許第４，７００，１０２号、Ｃａｍｍ等の米国特許第４，９３７，４９０号、Ｐａｒｆｅｎｉｕｋ等の米国特許第６，６２１，１９９号、Ｃａｍｍ等の米国特許第７，７８１，９４７号、及びＣａｍｍ等の米国特許出願公開第２０１０／０２７６６１１号に開示されており、これらの全ては、本出願と重複する発明者表記を共有し、本出願と同じ出願人によるものであり、参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００４】
渦液体壁の上記効果によって、そのような水壁アーク・ランプは、他のタイプのアーク・ランプよりも非常に高いパワー・フラックス性能を有する。例えば、上記したＮｏｄｗｅｌｌ等の米国特許第４，０２７，１８５号は、１４０キロワットでの動作を開示し企図しており、本出願の譲受人によって製造された後の水壁アーク・ランプは、最大５００キロワットでの連続動作、及び最大６メガワットでのパルス動作若しくはフラッシュ動作について評価している。対照的に、他のタイプのアーク・ランプは、一般に数十キロワットに制限された連続出力を伴い、一般的に全く桁違いに出力が劣る。
【０００５】
そのような高出力水壁アーク・ランプの多くの用途は、数秒間等、短時間の間の動作のみを要求する。例えば、本出願と同じ出願人による米国特許第６，９４１，０６３号に開示されるような、半導体ウェハのフラッシュ支援の高速熱焼鈍しでは、アルゴン・プラズマ水壁アーク・ランプは、２５０℃／秒と４００℃／秒の間の傾斜率で、室温から６００℃と１２５０℃の間の範囲のどこかの中間温度までほぼ等温でウェハを加熱するために、数秒以下の間、半導体ウェハを連続的に照射するように作動される場合がある。中間温度に達すると、１００，０００℃／秒を超す傾斜率でさらに高い焼鈍し温度まで装置側面を加熱するために、例えば約１ミリ秒の期間を有する場合がある急激な高出力照射フラッシュを生じさせるように、別のアルゴン・プラズマ水壁アーク・ランプが作動される。したがって、各焼鈍し周期では、水壁アーク・ランプは、焼鈍し周期間の長い冷却期間を伴って、ミリ秒から数秒までの範囲の期間の間、作動される場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４，０２７，１８５号
【特許文献２】米国特許第４，７００，１０２号
【特許文献３】米国特許第４，９３７，４９０号
【特許文献４】米国特許第６，６２１，１９９号
【特許文献５】米国特許第７，７８１，９４７号
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１０／０２７６６１１号
【特許文献７】米国特許第６，９４１，０６３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者らは、従来の一般的な用途に伴う状況よりも一層困難な状況における、より長い時間の間の水壁アーク・ランプの連続動作を研究した。アーク・ランプの他の任意のタイプでは、それらの著しく低いパワー出力に起因してそのような状況が生じえないので、そのような状況に従来は直面していないと思われる。
【０００８】
例えば、本発明者らは、様々なタイプの被膜を金属構造体に溶着させるクラッディング処理に用いるレーザ・クラッディング・ヘッド又は溶接クラッディング・ヘッドの代替品として水壁アーク・ランプを研究した。金属構造体は、鉄パイプ、鉄管、鉄板若しくは鉄棒、又は、腐食若しくは摩耗によって耐久性及び耐用年数が悪影響を受ける他の任意の金属構造体を含んでもよい。被膜は、例えば、耐腐食性合金、耐摩耗性合金、セメント、セラミック又は金属粉末を含んでもよい。被膜は、金属構造体上に配置され、次いで、アーク・ランプは、被膜を金属構造体に治金的に接合するように被膜を熱処理する。
【０００９】
そのようなクラッディング用途の一部、例えば、耐腐食性被膜をパイプの内面に接合すること等は、著しい難題をもたらす。そのような処理のために、水壁アーク・ランプは、アークによって放射された電磁放射の実質的に全てを矩形ビームに導くように特別な反射板を取り付けられる場合がある。水壁アーク・ランプは、次いでビームを下に向けてパイプの内側に挿入され、アーク・ランプがパイプの中心軸線に沿って前方向に徐々に移動される間にパイプがその中心軸線の周りに回転されることによって、パイプの全内面に沿ってビームを走査し、被膜をパイプに治金的に接合する。有利な事には、１００〜５００キロワットの出力レベルで一度に数時間の間、連続的に水壁アーク・ランプを動作させることによって、処理能力は、従来のレーザクラッディング又は溶接クラッディングのプロセスを越えて著しく増加しうる。
【００１０】
しかし、本発明者らは、従来の水壁アーク・ランプの設計がそのような状況に理想的に適合しない場合があることを見出した。上記の米国特許第４，０２７，１８５号、同第４，７００，１０２号及び同第４，９３７，４９０号に開示された例示的な実施例等の前の設計では、導電性電極アセンブリを囲む絶縁筐体を有しておらず、したがって、２つの電極間よりもむしろ導電性電極アセンブリの一方とパイプの間にアークを偶発的に形成させる電圧破壊の可能性によって、小さな直径の金属パイプ内に挿入するには適していない。上記の米国特許第６，６２１，１９９号及び同第７，７８１，９４７号に開示された例示的な実施例等の後の設計では、カソード・アセンブリを囲む絶縁筐体を有しており、それらのアノードは、そのようなランプを電圧破壊又は偶発的なアーク発生のリスクなしに接地された導電性パイプに挿入しうるように、接地され又は接地電位の比較的近くに維持されうる。しかし、これらの後の設計の例示的な両方の実施例は、アークからの電磁放射の比較的ごく一部がアーク・ランプ内の内側を進み、絶縁筐体の内面に照射されことを可能にする場合がある。
【００１１】
絶縁筐体の内面に入射する放射は、高出力レベルでの短期動作又は低出力レベルでの長期動作を伴う従来の状況では問題となり難いが、数百キロワットでの長期の連続動作を持続させるために新たな問題が生じ始めることがある。例えば、米国特許第７，７８１，９４７号に開示されるように、カソード・アセンブリを囲む絶縁筐体は、優れた熱抵抗性、及び高電圧に耐えることを可能にする優れた絶縁特性を有する、非晶性の熱可塑性ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂であるＵＬＴＥＭ（商標）プラスチックで作られる場合がある。しかし、ＵＬＴＥＭ（商標）プラスチックの格別な熱抵抗性にも拘らず、例えば、一部のクラッディング用途のための連続動作の数分から数時間に及ぶ、より長期の間、数百キロワットの極端な出力レベルで動作するとき、アークによって放射された電磁放射の非常にごく一部に対する持続的な露出は、プラスチックの過熱及び露出面の溶解を最終的に生じさせる場合がある。さらに、プラスチックは、アークによって放射された波長の一部に対して少なくとも部分的に透過となり易く、その結果、アーク放射は、プラスチック内に深く吸収されて内部加熱及び内部溶解を生じさせうるし、プラスチックを通って進み隣接する金属部品を照射して、金属部品を金属に隣接するプラスチックの面を溶かすのに十分なほど高温にしうる。
【００１２】
そのような過熱問題は、一部のクラッディング用途に伴う環境条件によってさらに悪化しうる。例えば、アーク・ランプが２０．３２ｃｍ（８インチ）直径のパイプの内側に挿入されてパイプの内面に被膜を治金的に接合する場合、パイプ内の制限された空間及び隙間は、ランプの周囲環境にランプが熱を放散させる可能性を減らす傾向がある。さらに、ランプは、加熱されたパイプが赤外線放射を放射しうるとき、及び雰囲気を通じて伝導及び対流によってランプを加熱しうるときに、ランプの周囲環境によって加熱される場合もある。
【００１３】
本発明者らは、プラスチックの隣接面を溶かすようにシールドがアーク放射によって十分に加熱され易いので、ＵＬＴＥＭ（商標）プラスチックの内面にセラミック層等の不透明シールドを単に直接配置することは、それ自体がこれらの問題を解決するには十分でないことを見出した。本発明者らは、ＵＬＴＥＭ（商標）プラスチックをセラミック絶縁筐体に単に置き換えることは、それ自体がこれらの問題に対する実行可能な解決策でないことも見出した。セラミック材料は、アーク放射に対して不透明であり、ＵＬＴＥＭ（商標）プラスチックよりも高い耐熱性を有するが、内側の露出した面の加熱は、セラミック材料に亀裂を生じさせ易い大きな熱勾配及び熱応力をセラミック材料に生じさせ、そのような亀裂は、セラミック材料の比較的低い破壊靱性に起因して、セラミック材料にとって特に問題である。セラミック材料とＵＬＴＥＭ（商標）プラスチックの熱膨張差は、破壊に導く応力をプラスチック内に生じさせうる。さらに、セラミック材料は、脆すぎて、一部の用途のために耐えることが期待される絶縁筐体の機械的応力に耐えられない場合がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の例示的な実施例によれば、電磁放射を発生させるための装置は、外囲器と、外囲器の内面に沿って液体渦流を発生させるように構成された渦発生器と、外囲器内の第１及び第２の電極であり、電極間にプラズマ・アークを発生させるように構成された第１及び第２の電極と、電極の一方との電気接続部の少なくとも一部を囲む関連した絶縁筐体とを備える。装置は、アークによって放射された電磁放射が絶縁筐体の全内面に照射されるのを防ぐために、電磁放射を遮断するように構成された遮蔽システムをさらに備える。装置は、遮蔽システムを冷却するように構成された冷却システムをさらに備える。
【００１５】
有利な事には、そのような実施例では、遮蔽システムは、アークによって放射された電磁放射が絶縁筐体の内面に照射されるのを防ぐことによって、直接照射によって絶縁筐体が過熱し溶けるのを防ぐ。同様に、遮蔽システムは、内部アーク放射が絶縁筐体を通して進みアーク・ランプの他の隣接部品に照射されるのも防ぐことによって、そのような他の隣接部品が絶縁筐体の隣接面を過熱し溶かすのを防ぐ。遮蔽システムを冷却することにより遮蔽システムの過熱が避けられることによって、有利な事には、遮蔽システムの部品が絶縁筐体の隣接面を過熱し溶かすのを防ぐ。
【００１６】
別の例示的な実施例によれば、電磁放射を発生させる装置は、外囲器の内面に沿って液体渦流を発生させる手段と、外囲器内の第１の電極と第２の電極との間にプラズマ・アークを発生させる手段とを含む。装置は、電極の一方との電気接続部の少なくとも一部を囲む絶縁筐体の全内面に、アークによって放射された電磁放射が照射されるのを防ぐために、電磁放射を遮断する手段をさらに含む。装置は、遮断する手段を冷却する手段をさらに含む。
【００１７】
別の例示的な実施例によれば、電磁放射を発生させる方法は、外囲器の内面に沿って液体渦流を発生させる工程と、外囲器内の第１の電極と第２の電極との間にプラズマ・アークを発生させる工程とを含む。方法は、電極の一方との電気接続部の少なくとも一部を囲む絶縁筐体の全内面に、アークによって放射された電磁放射が照射されるのを防ぐために、電磁放射を遮蔽システムによって遮断する工程をさらに含む。方法は、遮蔽システムを冷却する工程をさらに含む。
【００１８】
遮断する工程は、遮蔽システムの絶縁遮蔽部品の不透明面で電磁放射を遮断する工程を含んでもよい。絶縁遮蔽部品はセラミック遮蔽部品を含んでもよい。
【００１９】
冷却する工程は、絶縁遮蔽部品の不透明面を液体渦流に露出する工程を含んでもよい。
【００２０】
代わりに又は加えて、遮断する工程は、外囲器の不透明部で電磁放射を遮断する工程を含んでもよい。外囲器の不透明部は、内面に不透明被膜を有する外囲器の一部を備えてもよい。代わりに、外囲器の不透明部は不透明石英で構成されてもよい。冷却する工程は、外囲器の不透明部を液体渦流に露出する工程を含んでもよい。
【００２１】
代わりに又は加えて、遮断する工程は、遮蔽システムの導電遮蔽部品の不透明面で電磁放射を遮断する工程を含んでもよい。冷却する工程は、導電遮蔽部品を伝導冷却する工程を含んでもよい。伝導冷却する工程は、導電遮蔽部品と液冷された導体との間で熱エネルギーを伝達する工程を含んでもよい。
【００２２】
したがって、一部の実施例では、遮断する工程は、遮蔽システムの絶縁遮蔽部品の不透明面、外囲器の不透明部、及び遮蔽システムの導電遮蔽部品の不透明面で電磁放射を遮断する工程を含んでもよい。
【００２３】
遮断する工程は、電磁放射がＯリング・シールに照射されるのを遮断する工程をさらに含んでもよい。
【００２４】
方法は、耐熱Ｏリング・シールで少なくとも１つの部品を外囲器に対して封止する工程をさらに含んでもよい。
【００２５】
方法は、電極の他方の少なくとも一部を囲む第２の絶縁筐体の全内面に、アークによって放射された電磁放射が照射されるのを防ぐために、電磁放射を第２の遮蔽システムで遮断する工程と、第２の遮蔽システムを冷却する工程とをさらに含んでもよい。
【００２６】
遮断する工程は、電磁放射が外囲器の環状内容積部から軸方向に放出されるのを防ぐために、遮蔽システムの光伝送遮蔽部品で電磁放射を遮断する工程をさらに含んでもよい。光伝送遮蔽部品は、外囲器の遠位端に当接する不透明ワッシャを備えてもよい。冷却する工程は、ワッシャを液体渦流に露出する工程を含んでもよい。
【００２７】
方法は、絶縁筐体の外面の少なくとも一部を外部熱シールドで熱遮蔽する工程と、外部熱シールドを冷却する工程とをさらに含んでもよい。
【００２８】
例示的な実施例の他の態様及び特徴は、添付図面と併せてそのような実施例の以下の記述を検討することによって当業者に明らかとなるであろう。
【００２９】
図面には、本開示の実施例を例示している。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１の実施例による、電磁放射を発生させるための装置の等角図である。
【図２】図１の装置の断面図である。
【図３】図１の装置の一部の詳細断面図である。
【図４】図１の装置のカソード・アセンブリの分解等角図である。
【図５】図４に示すカソード・アセンブリの分解断面図である。
【図６】図１の装置の外囲器の分割断面図である。
【図７】図１の装置のアノード・アセンブリの分解等角図である。
【図８】図６に示すアノード・アセンブリの分解断面図である。
【図９】図１の装置のアノード側の正面図である。
【図１０】図１の装置のカソード側の正面図である。
【図１１】第２の実施例による、電磁放射を発生させるための装置の外囲器の分割断面図である。
【図１２】第３の実施例による、電磁放射を発生させるための装置の等角図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１、図２及び図３を参照すると、本開示の第１の実施例による電磁放射を発生させる装置が図２に全体として１００で示されている。この実施例では、装置１００は、外囲器１０２と、外囲器１０２の内面に沿って液体渦流１０６を発生させるように構成された渦発生器１０４とを含む。この実施例では、装置１００は、外囲器１０２内に第１及び第２の電極１０８、１１０をさらに含み、これらの電極は、電極間でプラズマ・アーク１１２を発生させるように構成される。
【００３２】
本実施例では、装置１００は、この実施例では第１の電極１０８である一方の電極との電気接続部の少なくとも一部を囲む絶縁筐体１１４と、アーク１１２によって放射された電磁放射が絶縁筐体１１４の全内面に照射されるのを防ぐために、電磁放射を遮断するように構成された全体として１１６で示される遮蔽システムとをさらに含む。この実施例では、装置１００は、遮蔽システム１１６を冷却するように構成された全体として１１８で示される冷却システムをさらに含む。
【００３３】
この実施例では、装置は、この実施例では第２の電極１１０である他方の電極の少なくとも一部を囲む第２の絶縁筐体１２０と、アーク１１２によって放射された電磁放射が第２の絶縁筐体の全内面に照射されるのを防ぐために、電磁放射を遮断するように構成された第２の遮蔽システム１２２とをさらに含む。また、この実施例では、冷却システム１１８は、第２の遮蔽システム１２２を冷却するように構成される。
【００３４】
第１及び第２の遮蔽システム１１６、１２２並びに冷却システム１１８については、以下でさらに詳しく記述する。
【００３５】
以下でさらに詳しく記述する、第１及び第２の遮蔽システム１１６、１２２、並びに冷却システム１１８の補足的な態様を別として、装置１００は、全体として、本出願と同じ出願人による上記米国特許第７，７８１，９４７号に記述された装置に類似する。よって、不要な繰り返しを避けるために、本実施例の補助的特徴の多くの詳細については、本開示から省略する。
【００３６】
カソード・アセンブリ及びカソード側遮蔽システム
図１、図２、図３、図４及び図５を参照すると、この実施例では、装置１００は、図４及び図５に全体として４００で示すカソード・アセンブリを含む。この実施例では、カソード・アセンブリ４００は、カソード絶縁スペーサ４０４に接続されたカソード供給板４０２を含み、カソード絶縁スペーサは次に渦発生器１０４に接続され、渦発生器は次に、この実施例ではカソードの機能を果たす第１の電極１０８に接続される。
【００３７】
この実施例では、カソード供給板４０２は、液冷媒入口孔４１０、液冷媒出口孔４１２及び不活性ガス供給入口孔４１４を含む。本実施例では、液冷媒入口孔４１０は、この実施例では脱イオン水である液冷媒の加圧供給を受け、液冷媒を渦発生器１０４及び第１の電極１０８に供給する。また、この実施例では、液冷媒出口孔４１２は、第１の電極１０８内部を通って循環した液冷媒を排出する。第１の電極１０８を通した液冷媒の循環については、本出願と同じ出願人による上記米国特許第７，７８１，９４７号にさらに詳しく記述されており、したがって、本明細書ではさらなる詳細を省略する。最後に、この実施例では、不活性ガス供給入口孔４１４は、この実施例ではアルゴンである不活性ガスの加圧供給を受け、不活性ガスを渦発生器１０４に供給する。
【００３８】
この実施例では、渦発生器１０４は、液冷媒の加圧供給を受け、次いで液冷媒は、加圧液体を外囲器１０２内に排出する渦発生器内の複数の内部穴を通して運ばれる。より具体的には、液体は、渦発生器の穴を通して押し進められるときに、外囲器１０２に対して半径方向及び軸方向の成分の速度のみならず、外囲器１０２の内面の円周に対して接線方向の速度成分も得る。したがって、加圧液体が渦発生器１０４から流出して外囲器１０２に流入するときに、液体は、第２の電極１１０に向けて軸方向に外囲器を進みながら外囲器１０２の内面の周りを旋回する液体渦流１０６（「水壁」とも称される）を形成する。同様に、この実施例では、渦発生器１０４は、また不活性ガスの加圧供給を受け、不活性ガスは、渦発生器１０４内の複数の穴を通して運ばれ、次いで、流出ガスも半径方向及び軸方向のみならず水壁の内面に対して接線方向の速度成分も有するように、液体渦流１０６よりも僅かに半径方向内側で外囲器１０２内に排出される。したがって、加圧ガスが渦発生器１０４から外囲器１０２内に押し進められるときに、加圧ガスは、液体渦流１０６からすぐ半径方向内側に、液体渦流１０６と同じ回転方向で旋回するガス渦流を形成する。液体渦流１０６及び液体渦流に封じ込められたガス渦流を発生させるための、渦発生器１０４及び渦発生器内の穴の構造については、本出願と同じ出願人による上記米国特許第７，７８１，９４７号に記述されており、したがって、本明細書ではさらなる詳細を省略する。
【００３９】
この実施例では、渦発生器１０４は、電気伝導体である。より具体的には、この実施例では、渦発生器１０４は真ちゅうで構成され、この実施例ではカソードの機能を果たす第１の電極１０８の電気接続部の一部を形成する。より具体的には、この実施例では、第１の電極１０８との電気接続は、図１に示す絶縁電気バスバー４２０を含み、これは、絶縁筐体１１４を通じて延びる図１及び図４に示す絶縁バス・コネクタ４２２によって、図４に示す渦発生器１０４の電気接続面４２４に接続される。この実施例では、絶縁バス・コネクタ４２２は、最小の外向き半径方向突起を伴うコンパクトな電気接続を容易にする、装置１００のアノード側を向く接続孔を有する。したがって、絶縁電気バスバー４２０、絶縁バス・コネクタ４２２及び渦発生器１０４の全ては、カソードとの電気接続部の一部を形成する。
【００４０】
よって、動作中に、渦発生器１０４は第１の電極１０８と同じ電位にある。この実施例では、絶縁電気バスバー４２０の他端は、装置１００用電源の負電圧端子（不図示）に電気ケーブル（不図示）で接続されることによって、第１の電極１０８及び渦発生器１０４を電源の負端子に接続する。電源は、例えば、上記米国特許第７，７８１，９４７号に開示された電源に類似する電源を含んでもよく、随意には、例えば、本実施例の連続動作に必要とされない、フラッシュ・ランプ動作用の専用コンデンサ・バンク等の部品を省略してもよい。代わりに、他の適した電源で置き換えられてもよい。したがって、この実施例では、渦発生器１０４は、電源の負端子及びカソードと同じ電圧にあり、この実施例では、電圧は、始動時に約−３０キロボルトに達し、運転中に最高−３００ボルトの、接地に対する電圧を含んでもよい。
【００４１】
この実施例では、カソード絶縁スペーサ４０４は、渦発生器１０４とカソード供給板４０２の間の電圧破壊及び偶発的なアーク発生を避けるために、渦発生器１０４とカソード供給板４０２の間で高電圧隔離絶縁体の役割を果たす。より具体的には、この実施例では、カソード絶縁スペーサ４０４は、この実施例では白色のＤＥＬＲＩＮ（商標）ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）である熱可塑性プラスチックで構成される。
【００４２】
同様に、渦発生器１０４が第１の電極１０８との電気接続部の一部を形成するので、この実施例では、絶縁筐体１１４は、渦発生器１０４を囲み、したがって、渦発生器１０４と装置１００付近にある任意の導電体との間の偶発的な電圧破壊又はアーク発生を防ぐための隔離絶縁筐体の役割を果たす。実際には、この実施例では、絶縁筐体１１４は、渦発生器１０４の全体及び第１の電極１０８の大半を囲む。絶縁筐体１１４が第１の電極１０８の軸方向最内側先端を囲まない程度まで、絶縁筐体１１４と外囲器１０２は、第１の電極１０８のこの最内側部が外囲器１０２によって囲まれるように軸方向に重なり合う。したがって、渦発生器１０４及び第１の電極１０８の高電圧サブアセンブリの全体は、外囲器１０２と絶縁筐体１１４の重なり合う組合体によって囲まれる。この実施例では、外囲器１０２は、以下でさらに詳しく議論するように石英で構成される。また、この実施例では、絶縁筐体１１４は、非晶質熱可塑性ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂、即ち、ＳＡＢＩＣ製（以前はＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ製）のＵＬＴＥＭ（商標）プラスチックで構成される。
【００４３】
この実施例では、絶縁筐体１１４は、図２、図３及び図５に示すように、互いに接着されてボルト締めされるＵＬＴＥＭ（商標）の２つの別個の片、軸方向最外側片１１４ａと軸方向最内側片１１４ｂから組み立てられる。組み立てられる際に、渦発生器１０４は、絶縁筐体１１４の軸方向最外側片１１４ａによって全体的に囲まれ、渦発生器１０４の軸方向内側の面は、絶縁筐体１１４の軸方向最内側片１１４ｂの軸方向外側の面に対して、この実施例ではシリコーンで構成されるＯリング４０８で封止される。
【００４４】
図３〜図５を参照すると、この実施例では、絶縁筐体１１４は、この実施例では窒素である加圧絶縁ガスを受けるための絶縁ガス供給入口孔４３０をさらに含む。加圧窒素は、二片で構成される絶縁筐体１１４の軸方向最内側片の半径方向内側を向く面と、以下で議論する絶縁遮蔽部品４４０の半径方向外側を向く面との間に画定された、図３に示す薄い間隙４３２を満たす。薄い間隙４３２は、この実施例ではシリコーンで構成される２つのＯリング４４２、４４４によって封止される。加圧窒素間隙は、有効高電圧沿面距離を増加させることによって、第１の電極１０８の高電圧を隔離して、第１の電極と第２の電極１１０以外の導電体（とりわけ、以下で議論する遮蔽システムの銅導電性遮蔽部品を含むが、より一般的には、装置１００の内部にせよ外部にせよ、電極付近の他の任意の導電体を含む）との間の偶発的な電圧破壊又はアーク発生を防ぐ絶縁筐体１１４の性能を向上させる。
【００４５】
図２、図３、図４、図５及び図６を参照すると、この実施例では、カソード・アセンブリ４００は、遮蔽システム１１６の様々な部品を含む。この実施例では、遮蔽システム１１６は、この実施例では、プラズマ・アーク１１２によって放射された電磁放射を遮断するように構成された不透明面を有する絶縁遮蔽部品４４０を含む。より具体的には、この実施例では、絶縁遮蔽部品４４０は、不透明なセラミック材料で構成されるセラミック遮蔽部品であり、したがってその全面が不透明である。さらにより具体的には、この実施例では、絶縁遮蔽部品４４０は、Ｃｏｒｎｉｎｇ製のＭＡＣＯＲ（商標）機械加工性ガラスセラミックで構成される。
【００４６】
また、この実施例では、遮蔽システム１１６は、この実施例では、プラズマ・アーク１１２によって放射された電磁放射を遮断するように構成された不透明面も有する、導電遮蔽部品４５０を含む。より具体的には、この実施例では、導電遮蔽部品４５０は、機械加工された銅で構成され、したがってその全面が不透明である。
【００４７】
図２、図３及び図６を参照すると、この実施例では、遮蔽システム１１６は、プラズマ・アーク１１２によって放射された電磁放射を遮断するように構成された、外囲器１０２の不透明部４６０を含む。より具体的には、この実施例では、外囲器１０２の不透明部４６０は、外囲器の内面にある不透明被膜４６２を有する外囲器の一部を含む。さらにより具体的には、この実施例では、外囲器１０２は、Ｈｅｒａｅｕｓ製のＨＳＱ３００級の電気溶解石英で構成され、不透明被膜４６２は、紫外線域から赤外線域までの広帯域スペクトル域に亘って拡散（近似的ランベルト）反射率をもたらす開放微細多孔質構造を有する純シリカ材で構成され高い熱安定性を有するＨＲＣ（商標）Ｈｅｒａｅｕｓ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃｏａｔｉｎｇである。この実施例では、不透明被膜４６２は、カソード側で外囲器１０２の内面の軸方向最外側７０ｍｍに亘って付着される。この実施例では、外囲器１０２はカソード側で約２．５ｍｍの厚さを有し、不透明被膜は約０．５〜１ｍｍの厚さを有する。
【００４８】
したがって、図３に示すように、遮蔽システム１１６、又はより具体的には、絶縁遮蔽部品４４０の不透明面、外囲器１０２の不透明部４６０、及び導電遮蔽部品４５０の不透明面は、アーク１１２によって放射された電磁放射が絶縁筐体１１４の全内面に照射されるのを遮断する。
【００４９】
図３、図５及び図６を参照すると、この実施例では、遮蔽システム１１６は、アークによって放射された電磁放射がＯリング・シールに照射されるのを遮断するようにさらに構成される。これに関して、本実施例では、カソード・アセンブリ４００は、装置１００の少なくとも１つの部品を外囲器１０２に対して封止するように構成された耐熱Ｏリング・シール４７０をさらに含む。より具体的には、この実施例では、耐熱Ｏリング４７０は、外囲器１０２の不透明部４６０の外面を遮蔽システム１１６の絶縁遮蔽部品４４０の内面に対して封止する。この実施例では、耐熱Ｏリング・シール４７０は、ＤｕＰｏｎｔ製のＫＡＬＲＥＺ（商標）パーフロオロ・エラストマＯリング・シールであり、カソード・アセンブリ４００の他の場所で用いられるシリコーンＯリング４０８、４４２、４４４よりも高い耐熱性を有する。この実施例では、外囲器１０２の不透明部４６０、又はより具体的には不透明被膜４６２は、プラズマ・アーク１１２によって放射された電磁放射が耐熱Ｏリング・シール４７０に照射されるのを遮断する。
【００５０】
有利な事には、不透明被膜４６２が外囲器１０２の外面よりもむしろ内側に付着されるので、不透明被膜４６２は、外囲器１０２と絶縁遮蔽部品４４０の間を封止する耐熱Ｏリング・シール４７０の性能を妨げない。
【００５１】
また、この実施例では、図３及び図６に示すように、遮蔽システム１１６は、電磁放射が外囲器の環状内容積部から軸方向に流出するのを防ぐように構成された光伝送遮蔽部品４８０をさらに含む。この実施例では、光伝送遮蔽部品は、不透明ワッシャを含む。より具体的には、この実施例では、不透明ワッシャは、外囲器１０２の軸方向外側のカソード側端と、絶縁遮蔽部品４４０の軸方向内側の当接部との間に挿入された白色反射Ｔｅｆｌｏｎ（商標）スペーサを含む。あるいは、光伝送遮蔽部品４８０は省略してもよい。
【００５２】
この実施例では、遮蔽システム１１６の前述した部品、即ち、絶縁遮蔽部品４４０の不透明面、外囲器１０２の不透明部４６０、導電遮蔽部品４５０の不透明面、及び光伝送遮蔽部品４８０は、有利な事には、アノード・アセンブリ及びアノード側遮蔽システムの要約に続いて以下でさらに詳しく議論するように、冷却システム１１８によって冷却される。
【００５３】
アノード・アセンブリ及びアノード側遮蔽システム
図２、図７及び図８を参照すると、装置１００のカソード側で絶縁筐体１１４をアーク放射から遮蔽するのに加えて、この実施例では、装置１００のアノード側に類似の遮蔽が設けられる。したがって、本明細書で前に述べたように、この実施例では、装置１００は、この実施例ではアノードの役割を果たすように構成される第２の電極１１０である他方の電極の少なくとも一部を囲む、第２の絶縁筐体１２０をさらに含む。この実施例では、装置１００は、アークによって放射された電磁放射が第２の絶縁筐体１２０の全内面に照射されるのを防ぐために、電磁放射を遮断するように構成された第２の遮蔽システム１２２をさらに含む。また、この実施例では、冷却システム１１８は、第２の遮蔽システム１２２を冷却するように構成される。
【００５４】
図２、図７及び図８を参照すると、この実施例では、装置１００のアノード・アセンブリが全体として７００で示されている。この実施例では、アノード・アセンブリ７００は、液体・ガス排出管７０２及び排出チャンバ７０４を含み、これらを通って液体渦流１０６及び不活性ガスの渦流が装置１００から排出される。この実施例では、液体・ガス排出管７０２はステンレス・スチールで構成され、排出チャンバ７０４は、この実施例ではＵＬＴＥＭ（商標）プラスチックである高性能プラスチックで構成される絶縁筐体である。この実施例では、液体・ガス排出管７０２の軸方向最内側端は、排出チャンバ７０４の軸方向最外側端に挿入され軸方向最外側端に対して、この実施例ではエチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）Ｏリングである、図８に示す２つのＯリング７０６によって封止される。
【００５５】
図１、図２、図７及び図８を参照すると、この実施例では、アノード・アセンブリ７００は、第２の電極１１０に取り付けられ第２の電極に電気的に接続している電極筐体７０８をさらに含む。本実施例では、電極筐体７０８は、真ちゅうで構成される導電性筐体であり、電気接続面７１０を含む。この実施例では、絶縁電気バスバー（図示しないが、図１に示すバスバー４２０に類似する）は、絶縁バス・コネクタ（図示しないが、図１に示すコネクタ４２２に類似し、装置１００のアノード側の接続孔も有しており、最小の半径方向突起を伴うコンパクトな電気接続を容易にする）を通して電気接続面７１０に接続される。絶縁電気バスバーの他端は、装置１００用電源（不図示）の正電圧端子に電気ケーブル（不図示）で接続される。よって、動作中に電極筐体７０８は第２の電極１１０と同じ電位にあり、双方が電源の正端子に接続される。この実施例では、この正端子電圧は最大で＋３００ボルトに及んでもよい。本実施例では電極筐体７０８が露出されるので、装置１００は、電極筐体と、装置１００が挿入されうる接地された円筒状パイプとの間に、数ミリメートルを超す最小分離間隙を維持するように構造的に構成されるので、２つの構造体間のこの中位の電位差に対して、間隙内の雰囲気が電極筐体をパイプから十分に絶縁する。代わりに、正端子電圧は、上記米国特許第７，７８１，９４７号に開示されたように接地されてもよい。
【００５６】
この実施例では、電極筐体７０８は、冷却システム１１８から液冷媒を受ける図７に示す液冷媒入口７１２をさらに含む。液冷媒は、液冷媒をアノードに導きアノードを冷却する図８に示す冷却路７１４を通して第２の電極１１０内に運ばれる。液冷媒は、第２の電極１１０を通って循環し、次いで第２の電極１１０から排出チャンバ７０４及び排出管７０２に流出し、これらを通って外囲器１０２から流出する液体及びガスと共に、装置１００から流出する。第２の電極を通じた冷媒の循環については、本出願と同一の出願人による上記米国特許第７，７８１，９４７号に記述されており、したがって、本明細書ではさらなる詳細を省略する。
【００５７】
図２、図７及び図８を参照すると、この実施例では、電極筐体７０８は、第２の絶縁筐体１２０に、これらの間の接続を封止するＯリングで接続される。この実施例では、Ｏリング７１６はシリコーンＯリングである。
【００５８】
この実施例では、装置１００は、装置１００の少なくとも１つの部品を外囲器に対して封止するように構成された耐熱Ｏリング・シールを含む。より具体的には、この実施例では、第２の絶縁筐体１２０は、第２の絶縁筐体１２０の内面を外囲器１０２の外面に対して封止するための、この実施例ではＤｕＰｏｎｔ製のＫＡＬＲＥＺ（商標）パーフロオロ・エラストマＯリング・シールである２つの耐熱Ｏリング・シール７２０を含む。
【００５９】
図２、図６、図７及び図８を参照すると、この実施例では、アノード・アセンブリ７００は、第２の遮蔽システム１２２の様々な部品を含む。より具体的には、この実施例では、遮蔽システム１２２は、外囲器１０２の環状内容積部から電磁放射が軸方向に流出するのを防ぐように構成された光伝送遮蔽部品７２４を含む。さらにより具体的には、この実施例では、光伝送遮蔽部品７２４は、外囲器の遠位端に当接する不透明ワッシャを含む。この実施例では、不透明ワッシャは真ちゅうで構成される。したがって、アークによって放射された電磁放射の一部が外囲器１０２の環状内容積部内で軸方向外向きに進む程度まで、光伝送遮蔽部品７２４は、そのような放射が外囲器１０２の遠位端から軸方向に流出するのを遮断することによって、そのような放射が第２の絶縁筐体１２０に照射又は進入するのを防ぐ。
【００６０】
同様に、この実施例では、第２の絶縁筐体１２０の内面も、以下で記述する遮蔽システム１２２の２つの追加部品によって、半径方向外側に向けて進むアーク放射に対して遮蔽される。
【００６１】
図２、図７及び図８を参照すると、この実施例では、第２の遮蔽システム１２２は、不透明面を有する導電遮蔽部品７３０を含む。より具体的には、この実施例では、導電遮蔽部品７３０は、第２の絶縁筐体１２０の軸方向最内側端に挿入されるスリーブを含む。この実施例では、スリーブは不透明な銅で構成され、したがってその全面が不透明である。
【００６２】
図２、図６、図７及び図８を参照すると、この実施例では、遮蔽システム１２２は、図６に示すように外囲器１０２の不透明部７４０をさらに含む。より具体的には、この実施例では、外囲器の不透明部７４０は、外囲器の内面に不透明被膜７４２を有する外囲器の一部を含む。本実施例では、不透明被覆７４２は、類似するカソード側不透明被膜４６２に関連して前に記述したようなＨＲＣ（商標）Ｈｅｒａｅｕｓ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃｏａｔｉｎｇである。この実施例では、不透明被膜７４２は、アノード側で外囲器１０２の内面の軸方向最外側８０ｍｍに亘って付着される。この実施例では、外囲器１０２はアノード側で約３ｍｍの厚さを有し、不透明被膜は約０．５〜１ｍｍの厚さを有する。
【００６３】
図２、図６及び図８を参照すると、この実施例では、第２の遮蔽システム１２２は、電磁放射がＯリング・シールに照射されるのを遮断するようにさらに構成される。より具体的には、この実施例では、外囲器の不透明部７４０は、アークから放射された電磁放射が耐熱Ｏリング７２０に照射されるのを遮断する。
【００６４】
したがって、図２に示すように、この実施例では、第２の遮蔽システム１２２、又はより具体的には、光伝送遮蔽部品７２４、導電遮蔽部品７３０の不透明面、及び外囲器１０２の不透明部７４０は、アーク１１２によって放射された電磁放射が第２の絶縁筐体１２０の全内面に照射されるのを遮断する。本実施例では、遮蔽システム１２２のこれらの３つの部品の全ては、有利な事には、以下で議論するように冷却システム１１８によって冷却される。
【００６５】
反射板アセンブリ
図１、図２及び図３を再び参照すると、この実施例では、装置１００は、全体として１５０で示す反射板アセンブリを含む。この実施例では、反射板アセンブリ１５０は、反射板１５２を含む。より具体的には、この実施例では、反射板１５２は、プラズマ・アーク１１２によって放射された電磁放射を、反射板１５２の下部に画定された矩形開口（不図示）によって外囲器１０２を通して導くように構成された、楕円形反射板である。この実施例では、反射板１５２は研磨された銅本体を有し、その楕円形の反射面はロジウム面である。より具体的には、反射ロジウム面を形成するために、反射板１５２の楕円形内面はまず無電解ニッケルで被覆され、次いで高度に平坦化された光沢ニッケルで被覆され、次いで金で被覆され、次いでロジウムで被覆される。
【００６６】
図１、図２及び図３を参照すると、この実施例では、反射板アセンブリ１５０は、反射板アセンブリ１５０をカソード・アセンブリ４００に接続するためのカソード・アセンブリ支持板１５４と、反射板アセンブリ１５０をアノード・アセンブリ７００に接続するためのアノード・アセンブリ支持板１５６とをさらに含む。この実施例では、カソード・アセンブリ支持板１５４及びアノード・アセンブリ支持板１５６は、銅で構成される。
【００６７】
図２、図３及び図４を参照すると、この実施例では、カソード・アセンブリ支持板１５４は導電遮蔽部品４５０に当接し、絶縁筐体の軸方向最内側片１１４ｂ及び導電遮蔽部品４５０を通してカソード・アセンブリ支持板１５４の本体内に延びる複数のボルトによってカソード・アセンブリ４００に固定される。
【００６８】
同様に、図２及び図７を参照すると、この実施例では、アノード・アセンブリ支持板１５６は導電遮蔽部品７３０に当接し、第２の絶縁筐体１２０の軸方向最内側端及び導電遮蔽部品７３０を通してアノード・アセンブリ支持板１５６の本体内に延びる複数のボルトによってアノード・アセンブリ７００に固定される。
【００６９】
本実施例では、反射板アセンブリ１５０の３つの主要部品、即ち、反射板１５２、カソード・アセンブリ支持板１５４及びアノード・アセンブリ支持板１５６の全ては、例えば１５８、１６０、１６２で示す内部冷媒路等の内部冷媒路を有し、以下で議論するように、これらを通って液冷媒が導かれる。
【００７０】
冷却システム
図１、図２、図３、図９及び図１０を参照すると、冷却システムが図２に全体として１１８で示されている。全体として、この実施例では、冷却システム１１８は、遮蔽システム１１６及び第２の遮蔽システム１２２の様々な部品を冷却する。
【００７１】
この実施例では、冷却システム１１８は、図９及び図１０に示す上部マニフォールド９０２及び下部マニフォールド９０４を含む。本実施例では、下部マニフォールド９０４は、反射板アセンブリ１５０の上部に載せられて取り付けられ、上部マニフォールド９０２は、下部マニフォールド９０４の上部に載せられて取り付けられる。
【００７２】
本実施例では、上部マニフォールド９０２及び下部マニフォールド９０４は、装置１００のアノード側が全ての外部流体接続部に用いられて、装置１００が液体供給源システム（不図示）からの液体又はガスの供給を受けるのを可能にするように構成され、装置のカソード側が装置の様々な部品間の流体接続部にのみ用いられて外部流体接続部に用いられないように構成される。カソードとの電気接続用の絶縁バス・コネクタ４２２とアノードとの電気接続用の類似するバス・コネクタとの両方が、装置１００のアノード側を向く接続孔を有することを想起されたい。したがって、流体接続部及び電気接続部のこの配置は、有利な事には、全ての外部接続部がアノード側に作られて装置１００のコンパクトな設計をもたらし、このことは、例えば、クラッディング用途の２０．３２ｃｍ（８インチ）直径パイプの内部等、狭い環境に装置１００を挿入するのを容易にする。
【００７３】
この実施例では、上部マニフォールド９０２は、マニフォールドのアノード側に、外部源（不図示）からの液冷媒を受けるための液冷媒主入口孔９０６を含む。この実施例では、液冷媒は脱イオン水である。本実施例では、上部マニフォールド９０２は、上部マニフォールド９０２のカソード側にあるカソード供給出口孔１００２と、上部マニフォールド９０２のアノード側にあるアノード供給出口孔９０８との間で、受けた液冷媒流を分割する。
【００７４】
この実施例では、カソード供給出口孔１００２は、カソード供給板４０２にある液冷媒入口孔４１０に液冷媒を導く。本明細書で前に議論したように、この実施例では、液冷媒入口孔４１０で受けた液冷媒は、渦発生器１０４に供給されて液体渦流１０６を発生させ、第１の電極１０８に供給されて電極を通って循環され電極を冷却する。液体渦流１０６は、排出チャンバ７０４及び排出管７０２を通って装置１００から流出する。第１の電極１０８に供給される冷媒は、高温のカソードを通って循環し、次いで液冷媒出口孔４１２を通ってカソード・アセンブリ４００から流出し、次いで液冷媒戻し入口孔１００４で上部マニフォールド９０２に再流入し、上部マニフォールド９０２を通って冷媒出口孔９１０に進み、冷媒出口孔を通って使用済み冷媒が装置１００から流出する。
【００７５】
この実施例では、アノード供給出口孔９０８は、アノード・アセンブリ７００の電極筐体７０８の液冷媒入口７１２に液冷媒を導く。入口７１２で受けた液冷媒は、冷却路７１４及び第２の電極１１０を通って循環され、本明細書で前に議論したように、外囲器１０２を通って進んだ液体渦流１０６及びガス渦流と共に、次いで排出チャンバ７０４及び排出管７０２を通って排出される。
【００７６】
本実施例では、上部マニフォールド９０２は、パージ・ガス供給入口９１２をさらに含み、これを通って加圧パージ・ガスが供給され、外囲器１０２の外側の周囲に不活性ガスの加圧流を維持する。この実施例では、加圧パージ・ガスはアルゴンであり、上部マニフォールド９０２は、反射板アセンブリ１５０の反射板１５２を通して画定された複数の穴（不図示）を通して、受けたパージ・ガスを導く。一部の用途では、このようなパージ・ガス流が、外囲器１０２及び反射板１５２の外面が外部環境粒子によって汚染される可能性を低減してもよい。
【００７７】
この実施例では、下部マニフォールド９０４は、外部源（不図示）から液冷媒の加圧流を受け、液冷媒を反射板アセンブリ１５０に供給するための反射板冷媒供給入口孔９２０を含む。この実施例では、冷媒は施設冷却水（ｆａｃｉｌｉｔｙ  ｃｏｏｌｉｎｇ  ｗａｔｅｒ）であり、下部マニフォールド９０４は、入口孔９２０で受けた水を反射板アセンブリ１５０を通して導く。より具体的には、この実施例では、下部マニフォールド９０４は、反射板１５２、カソード・アセンブリ支持板１５４及びアノード・アセンブリ支持板１５６の１５８、１６０、１６２で示す内部冷却路等の内部冷却路を通って循環するように、受けた冷媒を導く。
【００７８】
本実施例では、下部マニフォールド９０４は、反射板冷媒戻し出口孔９２２をさらに含む。この実施例では、前述したように、加圧液冷媒が反射板アセンブリ１５０の内部冷却路を通って循環するときに、下部マニフォールド９０４は、次いで反射板冷媒戻し出口孔９２２を通って装置１００から流出するように液冷媒を導く。
【００７９】
この実施例では、下部マニフォールド９０４は、第１の不活性ガス供給入口孔９２４、第２の不活性ガス供給入口孔９２６、第１の不活性ガス供給出口孔１０２０及び第２の不活性ガス供給出口孔１０２２をさらに含む。
【００８０】
本実施例では、第１の不活性ガス供給入口孔９２４は、この実施例ではアルゴンである不活性ガスの加圧供給を受ける。加圧アルゴンは、不活性ガス供給入口孔４１４に接続される第１の不活性ガス供給出口孔１０２０で下部マニフォールド９０４に流出する。不活性ガス供給入口孔４１４は、本明細書で前に議論したように、液体渦流１０６よりも半径方向内側にアルゴンの渦流を発生させるために、アルゴンの加圧流を渦発生器１０４に供給する。
【００８１】
この実施例では、第２の不活性ガス供給入口孔９２６は、この実施例では窒素である不活性ガスの加圧供給を受ける。加圧窒素は、前に議論したように、絶縁筐体１１４と絶縁遮蔽部品４４０の間の、図３に示す薄い間隙４３２を満たして加圧するために、絶縁ガス供給入口孔４３０に接続される第２の不活性ガス供給出口孔１０２２で下部マニフォールド９０４から流出する。
【００８２】
図１及び図９を参照すると、この実施例では、冷却システム１１８は、液体及びガス排出管７０２に接続され液体及びガス排出管から軸方向外側を向く液体及びガス戻し出口孔９５０をさらに含み、液体及びガス戻し出口孔を通って液体渦流１０６、それに付随する不活性ガスの渦流、及び第２の電極１１０からの冷媒が装置１００から流出する。
【００８３】
図２を参照すると、この実施例では、冷却システム１１８は、以下でさらに詳しく議論するように、とりわけカソード・アセンブリ支持板１５４及びアノード・アセンブリ支持板１５６を含む反射板アセンブリ１５０の幾つかの部品ばかりではなく、とりわけ渦発生器１０４を含むカソード・アセンブリ４００の幾つかの部品も含む。
【００８４】
動作
動作中に、プラズマ・アーク１１２によって放射された電磁放射の大半は、外囲器１０２を通って半径方向外側に進み装置１００から流出するが、アークによって放射された電磁放射のごく一部は、電磁放射が装置１００の内部部品に入射することになる第１及び第２の電極１０８、１１０の先端を越えて、装置１００内を軸方向外側に進む傾向がある。この内部照射は、非常に高い出力レベルで短期の間又は低出力レベルで長期の間には問題となり難いが、例えば、一部のクラッディング用途のために数分から数時間までの連続動作のような、より長い間、数百キロワットの極端な出力レベルで連続的に装置１００を動作させる場合には、そのような内部照射が著しい加熱効果を及ぼす場合がある。本実施例の遮蔽及び冷却がなければ、そのような加熱は、本明細書で前に議論したように、絶縁筐体１１４、１２０等、装置１００の絶縁部品にとって問題となる場合がある。
【００８５】
図２、図３、図６、図９及び図１０を再び参照すると、本明細書で前に議論したように、この実施例では、遮蔽システム１１６は、有利な事には、アーク１１２によって放射された電磁放射が絶縁筐体１１４の全内面に照射されるのを防ぐために、電磁放射を遮断するように構成される。より具体的には、この実施例では、絶縁遮蔽部品４４０の不透明面、外囲器１０２の不透明部４６０、及び導電遮蔽部品４５０の不透明面が、アーク１１２によって放射された電磁放射が絶縁筐体１１４の全内面に照射されるのを遮断する。よって、有利な事には、この実施例では、遮蔽システム１１６は、装置１００内の内部電磁放射が絶縁筐体１１４に照射されるのを防ぐことによって、そのような放射が筐体によって直接吸収されて筐体を溶かすのを防ぎ、筐体を通して進んで装置の隣接部品を過熱し、そして隣接部品が筐体の隣接面を溶かしうるそのような内部放射を防ぐ。
【００８６】
しかし、遮蔽システムの追加冷却がなければ、追加の問題が生じる場合がある。例えば、この実施例ではセラミックである絶縁遮蔽部品４４０の内側不透明面に内部アーク放射が過度の熱エネルギーを伝達する場合、照射された内部不透明面は、セラミック材料の本体又は塊よりも非常に高温になり、セラミック材料内に大きな熱勾配及び熱応力を生じさせ、セラミック材料に亀裂が発生し、次いで最終的に破壊する場合がある。同様に、この実施例では銅である導電遮蔽部品４５０の内面にアーク放射が過度の熱エネルギーを伝達する場合、導電遮蔽部品４５０の全質量は過熱し、絶縁筐体１１４の隣接面を潜在的に溶かす場合がある。最後に、外囲器１０２の不透明部４６０にアーク放射が過度の熱エネルギーを伝達する場合、不透明部は最終的に過熱し、著しい量の赤外線放射を放射し始める場合がある。従って、有利な事には、この実施例では、冷却システム１１８は遮蔽システム１１６を冷却することによって、これらの問題を避ける。
【００８７】
この実施例では、冷却システム１１８は渦発生器１０４を含み、渦発生器１０４は、絶縁遮蔽部品４４０の不透明面を液体渦流１０６に露出するように構成される。図３に示すように、液体渦流１０６は、絶縁遮蔽部品４４０の半径方向最内面に直接接触している。液体渦流１０６の高い体積速度によって、液体渦流１０６は、内部アーク放射によって熱エネルギーが不透明面に伝達されるよりも非常に速い速度で、不透明面から熱エネルギーを除去しうる。有利な事には、液体渦流１０６に露出される絶縁遮蔽部品の面は、アークによって放射された電磁放射を遮断し、電磁放射が絶縁筐体１１４の内面に照射されるのを防ぐのと同じ不透明面である。よって、内部アーク放射の一部を遮断し吸収する同じ不透明面は、不透明面の過熱を防ぐ液体渦流１０６によって冷却される。よって、絶縁遮蔽部品４４０内の熱勾配及び熱応力が最小化されることによって、さもなければ絶縁遮蔽部品の不透明面の部品の大部分に比べて特異な加熱から生じるかもしれない、絶縁遮蔽部品４４０のセラミック材料の潜在的な亀裂及び破壊の問題が避けられる。
【００８８】
また図３を参照すると、この実施例では、渦発生器１０４は、また外囲器１０２の不透明部４６０及び光伝送遮蔽部品４８０を液体渦流１０６に露出するように構成される。よって、有利な事には、アークによって放射された電磁放射を遮断するというその役割にも拘らず、外囲器１０２の不透明部４６０及び光伝送遮蔽部品４８０は過熱せず、赤外線放射を過度に放射し始めない。
【００８９】
この実施例では、絶縁遮蔽部品４４０の不透明面及び外囲器１０２の不透明部４６０と違って、この実施例では、導電遮蔽部品４５０は液体渦流１０６に直接接触していない。むしろ、この実施例では、冷却システム１１８は導電遮蔽部品４５０を伝導冷却するように構成される。
【００９０】
これに関して、本実施例では、冷却システム１１８は、導電遮蔽部品４５０に伝導可能に接触している液冷された導体を含む。より具体的には、この実施例では、液冷された導体は、反射板アセンブリ１５０のカソード・アセンブリ支持版１５４である。この実施例では、カソード・アセンブリ支持板１５４が１５８で示す内部冷却路等の内部冷却路を有し、これを通って液冷媒が循環されることを想起されたい。図３に示すように、この実施例では、導電遮蔽部品４５０は、液冷されたカソード・アセンブリ支持板１５４に直接伝導可能に接触している。よって、内部アーク放射が導電遮蔽部品４５０の加熱を起こす程度まで、そのような加熱エネルギーはカソード・アセンブリ支持板１５４に伝達され、次いで、これを通って循環する液冷媒流によって除去される。
【００９１】
この実施例では、装置１００のアノード側にある第２の遮蔽システム１２２の部品は、冷却システム１１８によって同様に冷却される。
【００９２】
例えば、図２及び図６を参照すると、この実施例では、渦発生器１０４は、外囲器１０２の不透明部７４０と光伝送遮蔽部品７２４の双方を液体渦流１０６に露出するように構成されることによって、これらの２つの遮蔽部品を冷却し、これらを内部アーク放射が過熱するのを防ぐ。
【００９３】
図２及び図７を参照すると、この実施例では、冷却システム１１８は、導電遮蔽部品７３０に伝導可能に接触している液冷された導体を含む。より具体的には、この実施例では、液冷された導体は反射板アセンブリ１５０のアノード・アセンブリ支持板１５６であり、アノード・アセンブリ支持板は１６２で示す内部冷却路等の内部冷却路を有し、これを通って液冷媒が循環される。図２に示すように、この実施例では、導電遮蔽部品７３０は液冷されたアノード・アセンブリ支持板１５６に直接伝導可能に接触している。よって、内部アーク放射が導電遮蔽部品７３０の加熱を起こす程度まで、そのような加熱エネルギーはアノード・アセンブリ支持板１５６に伝達され、次いで同支持板を通って循環する液冷媒流によって除去される。
【００９４】
代替例
図２、図６及び図１１を参照すると、本開示の第２の実施例による外囲器が図１１に全体として１１００で示されている。この実施例では、遮蔽システム１１６及び遮蔽システム１２２は、図６に示す外囲器１０２を図１１に示す外囲器１１００で置き換えることによって変更されている。この実施例では、遮蔽システム１１６は、外囲器１１００の不透明部、即ちカソード側不透明部１１０４を含み、同様に、遮蔽システム１２２は、外囲器１１００の別の不透明部、即ちアノード側不透明部１１０６を含む。
【００９５】
この実施例では、外囲器１１００は、図６に示す外囲器１０２と同じ材料、即ちＨｅｒａｅｕｓ製のＨＳＱ３００級の電気溶解石英で構成される中央部１１０２も含む。
【００９６】
しかし、この実施例では、不透明部１１０４、１１０６は不透明石英で構成される。より具体的には、この実施例では、不透明部１１０４、１１０６はＨｅｒａｅｕｓ製のＯＭ１００不透明石英ガラスで構成される。この材料は、非晶性の不透明石英マトリクスに均質に分布する不規則な形のミクロンサイズの小孔を含み、電磁放射の効率的な散漫散乱をもたらす。この実施例では、不透明部１１０４はカソード側で外囲器１１００の軸方向最外側５５ｍｍで構成され、不透明部１１０６はアノード側で外囲器１１００の軸方向最外側８０ｍｍで構成される。本実施例では、従来の実施例と同様に、不透明部の長さは、前述したように、内部アーク放射が内部遮蔽部品に照射されるのを遮断するのには十分長いが、電極の先端を越えて内側に延びないように十分短く選択され、したがって、さもなければ反射板アセンブリ１５０を通って装置１００から流出するであろう放射の偶発的な遮断が避けられる。この実施例では、中央部１１０２は、同心性、表面平滑性及び寸法精度を可能な最大の限り維持することに努める一方で、これらを注意深く一緒に溶かすことによって不透明部１１０４、１１０６に結合される。
【００９７】
この実施例では、不透明部１１０４、１１０６は、有利な事には、冷却システム１１８によって、又はより具体的には、冷却システム１１８の渦発生器１０４によって発生する液体渦流１０６によって、従来の実施例の不透明部４６０、７４０と同じ方法で冷却される。
【００９８】
図１、図９、図１０及び図１２を参照すると、本発明の第３の実施例による電磁放射発生装置は図１２に全体として１２００で示されている。この実施例では、装置１２００は、以下で議論する変形に関する以外は図１に示す装置１００と同一である。
【００９９】
この実施例では、装置１２００は、絶縁筐体１１４の外面の少なくとも一部を熱遮蔽するように構成された外部熱シールド１２０２をさらに含み、冷却システム１１８は、外部熱シールド１２０２を冷却するようにさらに構成される。
【０１００】
この実施例では、外部熱シールド１２０２は導体である。より具体的には、この実施例では、外部熱シールド１２０２は陽極処理されたアルミニウムで構成され、その内容積部を通して延びる液冷媒路（不図示）を有する。
【０１０１】
図９及び図１０を参照すると、この実施例では、冷却システムの下部マニフォールド９０４は、外部シールド冷媒供給出口孔１２０４をさらに含み、上部マニフォールド９０２は、外部シールド冷媒戻し入口孔１２０６及び外部シールド冷媒戻し出口孔１２０８をさらに含む。下部マニフォールドは、反射板冷媒供給入口孔９２０で加圧液冷媒を受け、外部熱シールド１２０２の冷媒供給入口孔（不図示）に銅管（不図示）を介して接続される外部シールド冷媒供給出口孔１２０４に加圧液冷媒の一部を導く。液冷媒は、外部熱シールド１２０２の内側の内部冷媒路を通って循環し、次いで外部熱シールド１２０２の冷媒戻し出口孔１２１０を通って外部熱シールド１２０２から流出する。冷媒戻し出口孔１２１０は、上部マニフォールド９０２の外部シールド冷媒戻し入口孔１２０６に銅管（不図示）を介して接続され、それを通って使用済み液冷媒は上部マニフォールド９０２を通って流れ、次いで外部シールド冷媒戻し出口孔１２０８を介して装置１２００から流出する。
【０１０２】
液冷された外部熱シールド１２０２は、一部の具体的な用途では有利である場合がある。例えば、パイプの内面に被覆を治金的に接合するためのクラッディングに装置１２００が用いられる場合、装置１２００は、カソード・アセンブリ４００がパイプの遠端から突出し、反射板アセンブリ１５０が遠端でパイプの内面を覆って位置合わせされた状態で、パイプ内に完全に挿入されてもよい。被覆されたパイプは、次いで、装置１２００がパイプを通して長手方向に徐々に引き戻される間に、アークによって放射された電磁放射を反射板１５２がパイプの内面全体に螺旋状に走査するように回転されてもよい。そのような用途では、カソード・アセンブリ４００に面しているパイプの部分は、反射板１５２から放射された高強度の電磁放射にパイプのその部分が直前に露出されていたので高温になる傾向がある。よって、液冷された外部熱シールド１２０２は、さもなければパイプの周囲環境で生じうる伝導、対流及び輻射による熱伝達からカソード・アセンブリを遮蔽する。この実施例では、外部熱シールド１２０２も、パイプによって散乱又は反射される場合があるアークによって放射された電磁放射から絶縁筐体１１４の外部を遮蔽し、加熱されたパイプから来る破片からカソード・アセンブリ４００を遮蔽する。
【０１０３】
代わりに又は加えて、装置１２００のアノード側に類似する外部熱シールド（不図示）が設けられてもよい。
【０１０４】
具体的な実施例を記述し図解してきたが、そのような実施例は、例示として考慮されるべきであり、添付の請求項によって規定された本発明を限定するものとして考慮されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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