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/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / physics / fusion / 3130 < prev    next >
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Text File  |  1993-01-03  |  88.3 KB  |  1,667 lines

  1. Newsgroups: sci.physics.fusion
  2. Path: sparky!uunet!zaphod.mps.ohio-state.edu!cs.utexas.edu!sun-barr!sh.wide!wnoc-tyo-news!nec-tyo!nec-gw!netkeeper!vivaldi!aslws01!aslss01!terry
  3. From: terry@asl.dl.nec.com
  4. Subject: Ultra Cavitation
  5. Message-ID: <1993Jan3.043411.2231@asl.dl.nec.com>
  6. Originator: terry@aslss01
  7. Sender: news@asl.dl.nec.com
  8. Nntp-Posting-Host: aslss01
  9. Organization: (Speaking only for myself)
  10. Date: Sun, 3 Jan 1993 04:34:11 GMT
  11. Lines: 1654
  12.  
  13.  
  14. --------- Copyrighted document begins with (and includes) this line ----------
  15.  
  16.  
  17.                                ULTRA CAVITATION
  18.  
  19.             -- An Outline of Theoretical and Experimental Issues --
  20.  
  21.                               December 31, 1992
  22.                                  Version 1.0
  23.  
  24.                               Terry B. Bollinger
  25.                              2416 Branch Oaks Lane
  26.                            Flower Mound, Texas 75028
  27.  
  28.  
  29.                     Copyright 1993 by  Terry B. Bollinger.
  30.                     Unlimited rights  to  duplicate in any
  31.                     form, provided only that the  document
  32.                     and its  copyright  notice  are copied
  33.                     in their entirety. Properly attributed
  34.                     short quotes are also fine.
  35.  
  36.  
  37.                         -- DOCUMENT UPDATE HISTORY --
  38.  
  39.             AUTHOR             DATE                  ACTION
  40.     ----------------------  ----------  ----------------------------------
  41.     Terry B. Bollinger      1992-12-20  Initial outline completed
  42.     Terry B. Bollinger      1993-01-02  Version 1.0 completed and released
  43.  
  44.  
  45. 1.  INTRODUCTION  
  46.  
  47. The purpose of this document is to further explore a number of issues related 
  48. to how cavitation in a fluid may be capable of generating extraordinarily 
  49. high pressures and temperatures that are well beyond the range normally 
  50. assumed possible with cavitation.  I refer to this idea of an extended range 
  51. of cavitation phenomena as "ultra cavitation."  Ultra cavitation is proposed 
  52. to be quantitatively different from ordinary cavitation through its use of a 
  53. "wedge-out" mechanism to accelerate a fraction of the imploding molecules to 
  54. much higher velocities that are possible in ordinary cavitation.  For this 
  55. acceleration effect to apply, the interior of the ultra cavitation void must 
  56. contain an extremely hard vacuum, and the surface of the void must maintain a 
  57. very high degree of spherical symmetry throughout the collapse process.
  58.  
  59. This exploration is an extension of the ideas the author first proposed in 
  60. Network references [1] and [2].  The issue of cavitation and whether or not 
  61. it could induce exceptionally energetic events was first brought to my 
  62. attention by Cameron Randale Bass (crb7q@kelvin.seas.Virginia.EDU) in a 
  63. private email, and my interest was further increased by some intriguing 
  64. recent data on cavitation results that were provided by Steven E. Jones in 
  65. Network references [3] and [4]
  66.  
  67. The style of this document is to provide a broad framework and exploration of 
  68. theoretical and experimental issues, rather than a rigorous mathematical 
  69. analysis of the relative importance of many of the effects described.  The 
  70. style of exploration is perhaps more characteristic more of computer science 
  71. than physics, since it emphasizes identification of key abstractions ("what 
  72. really makes cavitation work?") followed by exploration of a broad range of 
  73. potential theoretical and experimental "free parameters."  The next step is 
  74. "implementation," or expansion of the concepts and relationships described 
  75. here into specific mathematical formula and numerical analysis methods.
  76.  
  77. It is my hope that by publishing the outline as quickly as possible, others 
  78. on the Net will be able to contribute to directly to the quantification of 
  79. the framework I am proposing below.  Also, I think it would be worth looking 
  80. at the possibility of synthesizing contributions into a multi-author paper 
  81. for submission to a conventional physics journal, so that slow-mail readers 
  82. will have easier access to such Network results.
  83.  
  84. My overall conclusion is that cavitation is an extraordinarily complex and 
  85. rich phenomenon.  Based on early reports of cavitation energies corresponding 
  86. to 100,000 degrees with comparatively simple setups [3], I would judge it to 
  87. be highly probably that significant, detectable increases in the rates of T-T 
  88. and possibly D-T reactions should be possible using advanced cavitation 
  89. methods.  Details of such reactions will require further experimental and 
  90. (especially) numeric simulation work to be validated and studied in detail.
  91.  
  92.  
  93. 2.  FUNDAMENTALS OF VOID FORMATION
  94.  
  95. Cavitation consists of two major steps: void formation, and void collapse or 
  96. implosion.  This section looks at void formation.
  97.  
  98. 2.1  VOIDS IN GASES AND LIQUIDS
  99.  
  100. The initial step in cavitation is the formation of a vacuum bubble (void) 
  101. within a gas or liquid.  Both gas and liquid voids are inherently unstable. 
  102. Gas voids will quickly be filled through simple diffusion, while liquid voids 
  103. will close because of surface tension in the void surface and (if present) 
  104. internal fluid pressure.
  105.  
  106. Of the two types, liquid voids are significantly more interesting due to the 
  107. special properties of well-defined void surfaces.  Sharply delineated void 
  108. surfaces that exhibit surface tension drastically alter the dynamics of void 
  109. collapse, generally by making them far more intense than gas void closures. 
  110. Apart from this key difference, the dynamics of gas voids should be largely a 
  111. subset of the dynamics liquid voids.  Thus in this paper gas voids will be 
  112. discussed only as they relate to the behavior of liquid voids.
  113.  
  114. 2.2  INTRA-LIQUID BONDS
  115.  
  116. All liquids possess cohesive intra-liquid forces that hold the fluid together 
  117. even in the presence of a vacuum.  At the molecular level these cohesive 
  118. forces translate into inter-molecular and inter-atomic bonds that range over 
  119. many orders of magnitude in strength, from the exceedingly weak Van der Waals 
  120. forces that provide liquid helium with cohesion to the very strong ionic, 
  121. metallic, and covalent bonds that are characteristic of most high-temperature 
  122. fluids.  Hydrogen bonding, which allows the very light constituents of water 
  123. to exist in liquid form at room temperature, is an example of a intra-fluid 
  124. bonding mechanism of intermediate strength.  Intra-liquid bonds also vary 
  125. greatly in relative mobility, or the ease with which molecules or atoms can 
  126. "slip around" each other to form new bonds.  Van der Waals bonds and hydrogen 
  127. bonds in water are examples of highly mobile intra-fluid bonds, while the 
  128. largely covalent bonds of high-temperature liquids such as molten silica are 
  129. both highly directional and difficult to rearrange rapidly.
  130.  
  131. 2.3  EXPLOSIVE VOID FORMATION
  132.  
  133. To form a void in liquid, it will be necessary to both to break and to 
  134. rapidly rearrange intra-fluid bonds to form a nanovoid, and to then expand 
  135. the nanovoid by rapidly accelerating its walls outward from the point of 
  136. origin.  There are two primary mechanisms for driving this outward 
  137. expansion:  explosive void formation, and decompressive void formation.  (A 
  138. third possibility of very rapid removal of an object from a fluid is similar 
  139. enough to decompressive void formation that it will not be treated separately 
  140. here.)
  141.  
  142. In explosive void formation, a void is created in a liquid (or gas) by a tiny 
  143. but intense explosion within the liquid.  Such an explosion drives away the 
  144. liquid with very high momentum gases (possibly the vaporized liquid itself), 
  145. thus leaving a region of relative vacuum.
  146.  
  147. Explosive void formation is limited in several ways.  Firstly, the energy 
  148. needed to enlarge the void increases rapidly with increasing void size, since 
  149. the explosion must "push" increasingly large volumes of fluid outward as the 
  150. radius of the void expands.  Secondly, the vacuum formed my such a explosive 
  151. methods will necessarily be imperfect for two reasons:  the early stages of 
  152. the micro-explosion are likely to vaporize much of the fluid around it, and 
  153. most micro-explosive mechanisms are likely to leave behind a residue of gases 
  154. or other products.
  155.  
  156. Ironically, the most practical approach to creating the necessary minuscule 
  157. explosions for explosive void formation is through implosion of decompression 
  158. voids.  That is, the rebound effect of void collapse can be energetic enough 
  159. and sufficiently point-like to lead to secondary (explosive) void formation. 
  160. Such secondary voids will in general be smaller than the voids that produced 
  161. them, but if the original implosion is exothermic (e.g., if it resulted in 
  162. the recombination of dissolved hydrogen and oxygen in the fluid), secondary 
  163. voids could in some cases be as large as or larger than the original voids.
  164.  
  165. This paper will in general assume that voids are created via decompression, 
  166. not explosion.  Explosive void formation will be discussed only as it is 
  167. relevant to the aftermath of decompressive void implosions.
  168.  
  169. 2.4  DECOMPRESSIVE VOID FORMATION
  170.  
  171. In decompressive void formation, a void is formed literally by "stretching" 
  172. the liquid (that is, forcing it to increase in total volume) until nanovoids 
  173. present in the fluid undergo exponential expansion and become macroscopic.
  174.  
  175. In contrast to explosive void formation, decompressive void formation tends 
  176. to produce clean voids that can be expanded to arbitrarily large size, 
  177. without requiring the addition of large quantities of a foreign explosive 
  178. materials into the void region. Also, since the events surrounding the 
  179. rupture and subsequent rearrangement of intra-fluid bonds are relatively low 
  180. energy at the rupture point, less of the fluid is likely to be vaporized 
  181. during the early stages of void formation.  In fact, if the fluid possesses 
  182. sufficiently strong intra-fluid bonding, it should be possible to arrange 
  183. decompressive void formation so that extremely few (possibly zero) molecules 
  184. of liquid will enter into the void.
  185.  
  186. Voids of quite large size can be formed by decompression, since a 
  187. sufficiently rapid and symmetrical decompression cycle will allow them to 
  188. grow in size until the surrounding fluid either breaks up or physically can 
  189. no longer contain them.  However, once the dynamic forces of decompression 
  190. are removed, the resulting voids will necessarily become unstable due the 
  191. effects of surface tension at the void surface, even in the absence of 
  192. internal fluid pressure.  (The effects of surface tension are discussed 
  193. further in the Section 3.XX discussion of symmetry enhancement, and in the 
  194. Section 3.XX discussion of the early stages of void implosion.)
  195.  
  196. 2.4.1  Impulse Decompression (and Void Formation in Nature)
  197.  
  198. Mechanically, decompressive voids can be created by something as simple as an 
  199. abrupt pull on a piston in a cylinder that contains a low-gas liquid. Note 
  200. that the liquid must "wet" or bond tightly to the piston and cylinder surface 
  201. if the void is to form in the interior of the fluid; weak bonding to the 
  202. surrounding surfaces will simply result in voiding formation at the junction 
  203. between the cylinder/piston and the fluid.
  204.  
  205. This concept of impulse decompression is sufficiently simple that it is quite 
  206. likely to occur naturally.  For example, one possible scenario for natural 
  207. formation of impulse decompression voids would be the sudden "snapping" of a 
  208. fluid-filled crack in a rock.  Because a sufficiently sudden break in the 
  209. rock would not allow enough time for fluid to fill the crack, void formation 
  210. would be a likely consequence.
  211.  
  212. 2.4.2  "Flow Shadow" Decompression
  213.  
  214. Another mechanism that can be used to generate decompressive voids is the 
  215. very rapid flow of a fluid around a "shadow object."  If the flow is rapid 
  216. enough, and the if the trailing side of the object cuts off abruptly enough 
  217. to make laminar or even ordinary turbulent flow impossible, the result will 
  218. be the formation of a large "void shadow" that continually breaks up and 
  219. enters into the fluid flow voids of various sizes.  Using very-high-velocity 
  220. water, this technique has been studied as a method for drilling into solid 
  221. rock using the impact of the imploding voids [5].
  222.  
  223. Flow shadowing could perhaps exist in nature, but is less likely due the need 
  224. for very high fluid velocities in an environment free of gases. Nonetheless, 
  225. the existence of high-velocity "black smoker" vents at some mid oceanic 
  226. ridges provides a simple example of how surprisingly rapid velocities can 
  227. develop within natural fluids.  (To be of interest from a cavitation 
  228. perspective, such rapid flows would of course also need to meet the 
  229. additional requirement of having low dissolved contents, which is in general 
  230. not the case for such "black smokers" with their high hydrogen sulphide 
  231. content.)
  232.  
  233. 2.4.3  Sonic Decompression
  234.  
  235. For general applications, the most common decompression void formation 
  236. technique is to use intense sound waves, generally (but not necessarily) in 
  237. the ultrasonic range.  Since sound waves are composed of traveling regions of 
  238. high and low pressure, sufficiently powerful sound waves provide a good 
  239. technique for rapidly and cyclically producing regions of sufficiently high 
  240. stress to cause fluid rupture around a transient defect or a point defect. 
  241. Sound has the additional advantage of providing compression cycles shortly 
  242. after the formation of a void.
  243.  
  244. Transient sonic cavitation in nature is clearly possible in any circumstances 
  245. where sharp, intense sounds are generated in fluids by natural phenomena.
  246.  
  247. Two major types of sonic decompression should be distinguished:
  248.  
  249.    1)  Traveling-wave decompression, and
  250.  
  251.    2)  Standing-wave decompression
  252.  
  253. Traveling waves are conventional sound waves in which the decompression 
  254. region moves at the speed of sound.  Although the can cause cavitation, they 
  255. are of secondary interest here because voids formed by this method will tend 
  256. to be "pulled along" by the traveling wave.  This "pulling" effect will tend 
  257. both to distort the shape of the void axially and cause the void to collapse 
  258. over an extended period of time, rather than as a single brief collapse event.
  259.  
  260. Standing wave decompression, which is usually achieve by reflecting the 
  261. initial traveling wave back on itself, is far more interesting from the 
  262. perspective of creating high-quality, high-symmetry voids.  In standing-wave 
  263. decompression the regions of decompression stay "in place", and furthermore 
  264. can be shaped to relatively high levels of symmetry by the use of complex 
  265. combinations of reflection and wave interference.  Finally, standing-wave 
  266. decompression permits the formation of "lattices" of similar decompression 
  267. regions that can be used to create large numbers of highly similar voids.
  268.  
  269.  
  270. 3.  THE CAVITATION PROCESS
  271.  
  272. In this section the cavitation process is analyzed with the objective of 
  273. identifying parameters that are likely to influence peak implosion pressures 
  274. and temperatures.  Cavitation is described in terms of the following phases:
  275.  
  276.    1)  Void Initiation                 (Section 3.1)
  277.  
  278.    2)  Accelerated Expansion           (Section 3.2)
  279.  
  280.    3)  Inertial Overshoot              (Section 3.3)
  281.  
  282.    4)  Restructuring of Void Surface   (Section 3.4)
  283.  
  284.    5)  Implosion Initiation            (Section 3.5)
  285.  
  286.    6)  Early Implosion                 (Section 3.6)
  287.  
  288.    7)  Mid Implosion                   (Section 3.7)
  289.  
  290.    8)  Late Implosion                  (Section 3.8)
  291.  
  292.    9)  Implosion Termination           (Section 3.9)
  293.  
  294.    10)  Region of Maximum Energy       (Section 3.10)
  295.  
  296.    11)  Post-Implosion Rebound         (Section 3.11)
  297.  
  298.  
  299. 3.1  VOID INITIATION
  300.  
  301. The earliest identifiable stage in void formation is to create a macroscopic 
  302. region in a liquid for which the average intra-liquid bond length is somewhat 
  303. larger than normal.  This elastic stretching of molecule-to-molecule bonds in 
  304. the region then provides the necessary potential energy for the formation of 
  305. a void.
  306.  
  307. If the stretched bonds of the liquid region are viewed as an elastic 
  308. "fabric", then void formation is simply the release of their potential energy 
  309. through the rapid growth of a "hole" somewhere in the fabric.  Just as 
  310. pricking a balloon with a pin results in a (catastrophically) rapid expansion 
  311. of the hole to release energy in the stretched fabric of the balloon, a "pin 
  312. prick" in a (considerably less) stretched liquid will result in the rapid 
  313. formation of a void that permits intra-liquid bonding lengths to return to 
  314. normal.
  315.  
  316. (It should be noted that in the case of an extremely pure liquid, it may be 
  317. possible for such a stretched state to remain stable for long lengths of 
  318. time.  This "superstretched" liquid state would be a close analog of a liquid 
  319. superheated and supercooled states.  I do not know if this concept has ever 
  320. been explored experimentally.)
  321.  
  322. Borrowing the analogy of the balloon, what exactly would be the nature of the 
  323. "pin prick" (nanovoid) that would lead to rapid release of the potential 
  324. energy of intra-liquid bond stretching?
  325.  
  326. There are two possible answers:
  327.  
  328.    1)  Statistical Nanovoids.  Fluctuations at the molecular level should be
  329.        capable of forming "nanovoids," or extremely tiny (Angstrom range),
  330.        very short lived voids.  If the stress on the fabric of the liquid is
  331.        very severe, amplification of these statistical nanovoids may be
  332.        possible.
  333.  
  334.    2)  Void Seeds.  As implied by the name, void seeds are small to
  335.        extremely small imperfections in the "fabric" of the stretched
  336.        liquid.  They could be foreign bodies ranging in size from dust
  337.        particles to single molecules, or the could be energy events such the
  338.        passage of ionizing radiation.  A void seed forms a nanovoid when
  339.        bonding of the fluid to the void seed fails and a vacuum region forms
  340.        around the seed.
  341.  
  342. Except for extremely pure liquids preserved under careful conditions, the 
  343. most likely source of nanovoids will be void seeds, since the initial energy 
  344. required to expand around a statistical nanovoid will be so high that it will 
  345. tend to be self-equalizing -- that is, the pull of adjacent fluid molecules 
  346. on the surface of a statistical nanovoid will be near the limit of what the 
  347. fluid can handle, so that rather than expanding the nanovoid might simply 
  348. shift to or be recreated in a new position.  This means that the level of 
  349. strain on the intra-fluid bonds will be so high that amplification of a 
  350. statistical nanovoid will be more likely to cause a general explosion of the 
  351. liquid than it is to cause void formation.
  352.  
  353. Void seeding, however inadvertent, therefore will be assumed to be the normal 
  354. mechanism by which decompressive void formation is initiated.
  355.  
  356. 3.2  ACCELERATED EXPANSION
  357.  
  358. 3.2.1  Conversion of Bond Potential Energy into Void Potential Energy
  359.  
  360. The next phase of void formation is expansion, in which the potential energy 
  361. of the stretched intra-liquid bonds is rapidly converted into a general 
  362. acceleration away from the initial nanovoid.  This acceleration will be the 
  363. most rapid at the surface of he nanovoid, and will fall off linearly away 
  364. from the surface until at some point it reaches zero.  The closed surface 
  365. defined by all of these zero acceleration points will be called the Zero 
  366. Acceleration Surface (ZAS), and the volume of liquid enclosed by it will be 
  367. referred to as the ZAS cell for the void.
  368.  
  369. The ZAS cell contains the total volume of liquid that will contribute its 
  370. potential (tension) bond energy to the formation of the void.  Thus if the 
  371. size of the ZAS cell and the potential energy profile of the liquid within it 
  372. are both known, this information can be used to calculate the maximum total 
  373. energy available for forming the void.  There will be some loss of the bond 
  374. potential energy due to heating, but in general a high percentage of the 
  375. total bond energy in the ZAS cell should be converted into a new form of void 
  376. potential energy that will be released when the void collapses.
  377.  
  378. In a generally decompressed fluid in which multiple voids are formed at the 
  379. same time, a ZAS "cell structure" of zero acceleration surfaces will be 
  380. formed in the fluid, with a void at the center of each ZAS cell.  In the case 
  381. of sonic decompression the region that contributes to a single void will be 
  382. defined by the form of decompression regions of the standing waves, with ZAS 
  383. cells separated by distinct regions of sonic compression.
  384.  
  385. Although in this paper the ZAS cell will generally be discussed as if it were 
  386. a stable, unchanging volume in the fluid, a more realistic model must take 
  387. into account the fact that the ZAS cell may shrink or expand if the ambient 
  388. pressure changes during void expansion or collapse.
  389.  
  390. 3.2.2  Release of Dissolved Gases Into Decompressive Voids
  391.  
  392. An important side effect of void expansion is the release of dissolved gases 
  393. into the growing void.  This is in part due simply to the natural tendency of 
  394. a liquid to de-gas into any hard vacuum with which it comes into contact, but 
  395. it is also due to the dynamic, non-equilibrium nature of the void surface 
  396. during expansion.  Because the void surface is rapidly "stretched" as it 
  397. expands, normal lateral surface bonding at the surface of the liquid will be 
  398. severely stressed.  This in turn means that the normally higher density of 
  399. the fluid surface may be largely or entirely lost, especially during the 
  400. early stages of decompression, and that this resulting "porous" surface will 
  401. not be able to inhibit the passage of dissolved gases as efficiently as a 
  402. normal fluid surface.  (This argument does not apply to explosively formed 
  403. voids, since during expansion their void surfaces will be compressed rather 
  404. than expanded.)
  405.  
  406. Also, the rapid expansion of the void during decompression will in effect 
  407. "sweep" a large volume of liquid into close proximity with the void surface. 
  408. This again will encourage release of dissolved gases into the void, 
  409. especially in combination with the increased porosity of the surface during 
  410. expansion.
  411.  
  412. The idea that decompression voids should act as effective gas "sweepers" is 
  413. demonstrated by the use of ultrasonic cavitation to degas liquids [6]. As 
  414. will be discussed later, the tendency for voids to sweep up dissolved gases 
  415. during expansion has considerable significance for the mid and late phases of 
  416. void implosion.
  417.  
  418. For a reasonably symmetrical void, the accelerated expansion phase of void 
  419. formation ends when average bond lengths in within the zero-acceleration 
  420. surface have returned to normal (non-stressed) lengths.  However, because the 
  421. particles near the void surface have appreciable mass, the void will continue 
  422. to grow for a short period after the zero-acceleration point.  This overshoot 
  423. effect is described in the next section.
  424.  
  425. 3.3  INERTIAL OVERSHOOT
  426.  
  427. When the average bond length within the ZAS cell has reached normal values, 
  428. ZAS cell bond potential energy will have been converted primarily into three 
  429. new forms:
  430.  
  431.    1)  Kinetic energy (outward motion of liquid)
  432.  
  433.    2)  Tension in void surface
  434.  
  435.    3)  Dissipative heat
  436.  
  437. Dissipative heat during expansion should be relatively minor if the void is 
  438. highly symmetrical, and should impact void collapse only through the indirect 
  439. effect of possibly producing some heating of the liquid around the void.
  440.  
  441. The role of tension in the void surface can be best understood by realizing 
  442. that during the very early expansion of the nanovoid the dominant force that 
  443. must be overcome is not the inertia of the liquid, but the highly resistive 
  444. effects of surface tension in very small voids.  Just as blowing up a very 
  445. small balloon requires far more force than adding the same volume of air to a 
  446. balloon that has already been expanded to a large size, the energetic role of 
  447. this "stretching" of the nanovoid surface will be dominant while the void is 
  448. sufficiently small in size.  For a very large void the dominant force 
  449. resisting further expansion will become the inertial of the liquid, rather 
  450. than the surface tension of the void.  An accurate mathematical model of the 
  451. conversion of ZAS cell bond potential energy into void energy thus must take 
  452. the forces of surface tension carefully into account, especially for models 
  453. of the earliest stages of void expansion.
  454.  
  455. Kinetic energy will consist of an (ideally) linear outward-bound velocity 
  456. profile that has its highest value at the void surface, and reaches zero at 
  457. the ZAS.
  458.  
  459. It is the kinetic energy component of the newly formed void that will lead to 
  460. overshoot and further enlargement of the void.  This kinetic energy will be 
  461. converted rapidly into compression of (momentarily) normal-average-length 
  462. intra-fluid bonds within the ZAS cell.  For the ideally linear acceleration 
  463. profile of a line drawn from the void surface to the ZAS, this new 
  464. compressive potential energy should be stored uniformly throughout the fluid 
  465. of the ZAS cell.
  466.  
  467. The overshoot phase will end when all of the kinetic energy of the ZAS cell 
  468. has been converted over to compressive bond energy.  Since this is the point 
  469. at which all of the outward bound kinetic energy has been exhausted, it will 
  470. also be the same point at which the void encloses its maximum volume.
  471.  
  472. Another effect over overshoot compression is "closure" of void surface, which 
  473. was more porous than normal during the rapid expansion phase.  By the time 
  474. the void has reached its maximum volume, the void should have a fairly normal 
  475. (or actually compressed) liquid surface that exhibits higher density and 
  476. greater cohesiveness than the volume fluid.
  477.  
  478. 3.4  RESTRUCTURING OF VOID SURFACE
  479.  
  480. 3.4.1  Surface Tension
  481.  
  482. Surface tension now begins to play a significant role in the maximum-volume 
  483. void.  Surface tension may be roughly understood as a lateral and downward 
  484. (into the fluid) "re-alignment" of intra-fluid bonds that otherwise would 
  485. have gone to bonding with the "missing" fluid.  A molecule at the surface of 
  486. a liquid thus will bond more tightly (and physically more closely) with the 
  487. fluid molecules around and below it, giving the net effect of an elastic 
  488. membrane that tends both to compress the underlying fluid and to resist 
  489. stretching.  This elastic-membrane analogy helps provide a general idea of 
  490. how such surfaces will behave.
  491.  
  492. It should be noted that if surface tension is a consequence of "re-alignment" 
  493. of intra-fluid bonds, the fluids that will tend to have the strongest surface 
  494. tensions will be those that have intra-fluid bonds that are both very strong 
  495. and easily re-aligned.  Many liquid metals provides examples of such strong 
  496. surface tension, since metallic bonding is both strong and generally easy to 
  497. re-align.  Hydrogen bonding also meets these criterion well, at least in the 
  498. case of water.
  499.  
  500. In general, the smaller the radius of a displacement of a liquid surface is, 
  501. the stronger the accelerating "displacement removal" force per molecule will 
  502. be.  A single molecule displaced slightly above the surface will be subject 
  503. to a very strong accelerating force consisting of its own bonding forces 
  504. trying to return it to body of the fluid, while for larger and larger 
  505. displacements of fluid this accelerating force will be distributed out over 
  506. increasingly large numbers of molecules.  Very large displacements thus will 
  507. be subject only to modest accelerations, and may be overcome by other forces 
  508. that could (for example) tend to break up the surface structure into droplets 
  509. or bubbles.
  510.  
  511. In general, these accelerating effects of surface tension thus will tend to 
  512. simplify the equations that describe the curvature of the liquid surface, 
  513. with very small radii of displacement being subject to very high, short-
  514. duration accelerating forces, and large radii displacements being subject to 
  515. much lower accelerations over more extended periods of time.  This range of 
  516. accelerations over a wide scale of sizes helps produce the common liquid 
  517. effects of both bubble and droplet formation, and the tendency of a fluid in 
  518. a gravitational field to form a large-scale flat surface.
  519.  
  520. 3.4.2  Surface Tension at Maximum Void Displacement
  521.  
  522. Once the kinetic energy of void overshoot has been expended, surface tension 
  523. will take over as the dominant force in the surface of voids in most fluids. 
  524. As described above, its major effect will be to rapidly "smooth out" the 
  525. surface of a the void and create a highly symmetrical spherical surface. Very 
  526. large voids may be subject to fragmentation, but relatively small ones are 
  527. far more likely to be "sphericized" than they are to fragment.  The most 
  528. likely remnants of asymmetry from the expansion phase will be comparatively 
  529. large-scale ones, such as the void being an ovoid instead of a sphere.
  530.  
  531. 3.4.3  Void Formation and Entropy
  532.  
  533. The process of void formation is highly entropic in the sense that it cannot 
  534. be reversed in time.  Both the expansion phase and the restructuring of the 
  535. void surface by surface tension "lose" information needed to make the inverse 
  536. process of void collapse time-reversible.
  537.  
  538. This entropic process can be understood by imagining an orderly arrangement 
  539. of marbles at the bottom of a shallowly depressed, flexible sheet.  If this 
  540. sheet is very gently pushed upwards, the marbles will slowly begin to roll 
  541. outward along paths determined primarily by their initial positions on the 
  542. sheet.  This kind of outward expansion is non-entropic and time reversible in 
  543. the following sense:  If the sheet is again allowed to relax back to its 
  544. original shallowly depressed position, the marbles can in principle retrace 
  545. their paths and literally reassemble themselves back into the same positions 
  546. from which they originated.  The reversal process (collapse) is in this case 
  547. smooth and low in energy.  Each marble is enclosed by other marbles of 
  548. similar speed and direction, so that from the perspective of any individual 
  549. marble the surrounding environment is very "cool" (low in energy differences).
  550.  
  551. In contrast, if the marbles are allowed to expand over a sheet that is rough 
  552. and allowed to come to rest on a circular rim around the sheet, all of the 
  553. early time-reversible trajectory information that permitted each marble to 
  554. "remember" its original location relative to its neighbors will be lost. 
  555. Instead, when the sheet is flexed back down the marbles will all take on 
  556. trajectories that try to take them to the same location in space at the same 
  557. instant in time.  Time reversibility thus has been lost, and the gentle 
  558. return of the marbles to complementary positions has been replace with a 
  559. "race" that ensures that there will be relatively violent collisions between 
  560. the marbles as they attempt to occupy the same location in space and time.
  561.  
  562. In the case of voids, this same kind of entropic "forgetting" of original 
  563. positions occurs both as a result of rapid randomization of the trajectories 
  564. of individual molecules during the expansion phase, and as a result of the 
  565. strong coercing effect of surface tension, which tends to erase large-scale 
  566. differences in where the molecules would have been "targeted" to return.
  567.  
  568. All of this is relevant to the final intensity of void implosion in that a 
  569. void which is characterized by nearly total "forgetting" of the original 
  570. locations of all of the molecules on and near the void surface will result in 
  571. a far more intense collapse than one in which significant remnants of that 
  572. information can still be found in the detailed structure of the void.  In an 
  573. ideal "total position erasure" void, all of these molecules should be "aimed" 
  574. at a single very tiny target area at the center of the void, and all of them 
  575. should begin their inward trajectory at the same instant in time.  The result 
  576. is a highly time-asymmetric  collapse profile in which "competition" for the 
  577. interior target position of the void ensures much higher temperatures and 
  578. pressures than ever existed during the original formation of the void.
  579.  
  580. In contrast, a void in which there are severe long-range distortions of the 
  581. void surface, such as a long stretching along one axis (a thin tube) or two 
  582. axis (a thin sheet) will be far less severe (and far more time-symmetric) in 
  583. their collapse.
  584.  
  585. In summary, the degree of positional "forgetting" that is made possible both 
  586. by the void expansion process and surface tension at maximum void 
  587. displacement is a key initial condition for obtaining high intensity void 
  588. implosions.  The final intensity of that implosion process will of course be 
  589. determined by many other factors, also, but without this initial condition of 
  590. a past-erasing, highly spherical void form, very high final intensities are 
  591. unlikely.
  592.  
  593. 3.5  IMPLOSION INITIATION
  594.  
  595. Another way of understanding the importance of spherical symmetry development 
  596. (or "sphering" as it will be referred to below) is to recognize that when it 
  597. is combined with a rapid, powerful inwardly directed acceleration of the void 
  598. surface it becomes the microscopic equivalent of a spherical explosive of 
  599. much higher quality and symmetry than can be obtained by large-scale 
  600. processing of explosive charges.  This micro-implosion analogy is useful in 
  601. understanding the subsequent evolution of the void as it collapses, because 
  602. it turns out that there are several forces which provide a substantial 
  603. initial impulse for the collapse of such spherical voids.
  604.  
  605. The three main forces working towards inward collapse of the void surface are:
  606.  
  607.    1)  Release of ZAS cell "overshoot" compressive potential energy
  608.  
  609.    2)  Ambient fluid pressure
  610.  
  611.    3)  Surface tension effects
  612.  
  613. Collectively, these three effects provide a sufficiently strong and rapid 
  614. inward acceleration of the void surface that the term "implosion" is used 
  615. instead of "collapse."  The use of the former term serves as a reminder that 
  616. the process of void closure is both forceful and highly energetic at the 
  617. physical scales involved.
  618.  
  619. 3.5.1  Release of ZAS Cell Compressive Energy
  620.  
  621. As described earlier, the initial expansion of the void in a decompressed 
  622. fluid will normally lead to the conversion of the kinetic energy of void 
  623. formation into compressive potential energy that is stored evenly throughout 
  624. the ZAS cell.  At maximum void displacement this stored energy will lead to a 
  625. rapid rebound effect that begins accelerating the void cell surface inward. 
  626. The magnitude of this effect will depend on many factors such as the detailed 
  627. characteristics and compressibility of the fluid, but in general it should 
  628. lead to a rapid and strong initial inward acceleration of the void surface as 
  629. the compressive ZAS cell energy is converted back to kinetic motion.
  630.  
  631. As with the initial outward expansion, the ZAS cell should develop an overall 
  632. velocity profile in which the void surface is moving inward the fastest, with 
  633. the velocity (and acceleration) falling off in an ideally linear profile 
  634. until both reach zero at the ZAS boundary.  This gradual profile is important 
  635. not only because of the rapid and smooth acceleration of the void surface it 
  636. provides, but because the inertial of the fluid around the void will help 
  637. provide better containment (resistance to early rebound) as the process of 
  638. void implosion intensifies.
  639.  
  640. The release of compressive energy should nominally fall gradually to zero as 
  641. the void approaches the point of zero average intra-fluid bond distortion, 
  642. which (unless the pressure of the fluid is changing dynamically) will be well 
  643. before the collapse process is completed.  After that point the fluid will 
  644. again be under tension and should act as a drag against further implosion.
  645.  
  646. However, this profile can be modified by the use of dynamic pressure changes 
  647. in the fluid, such as can be provided by appropriately designed standing 
  648. sonic waves.  By causing the ambient pressure of the ZAS cell to increase at 
  649. or before the point where the void reaches its zero-ZAS-bond-distortion size, 
  650. it should be possible to effectively nullify or even reverse the slowing 
  651. effects of intra-fluid bond stretching.
  652.  
  653. Even in the presence of a rapidly increasing ambient fluid pressure profile, 
  654. however, the contribution of compression to the void collapse will eventually 
  655. fade due to entropic effects.  The fluid around the void cannot be compressed 
  656. in an exact time reversal of the way in which it was expanded, so that adding 
  657. high levels of external pressure will result more in heating of the fluid 
  658. around the collapsing void than it will contribute directly to the collapse 
  659. of the void.
  660.  
  661. An important difference between early implosion in an explosively formed void 
  662. and a decompression void is that the fluid immediately behind the surface of 
  663. an explosive void will tend to "rebound" due to compression of that fluid 
  664. during the initial explosion.  This rebound effect will contribute to the 
  665. speed of the void collapse by reducing the "drag effect" that would normally 
  666. slow inward acceleration of the void surface.
  667.  
  668. 3.5.2  Ambient Fluid Pressure
  669.  
  670. While high ambient fluid pressures will of course help close a void and add 
  671. to the initial implosion impulse, it must be recalled that for decompressive 
  672. voids the ambient pressure in the ZAS cell must initially be negative, or 
  673. else the void will never form in the first place.  Thus a high ambient 
  674. pressure amounts to the same case as using a rapidly increasing pressure 
  675. profile during the collapse of the void, as described above for extending the 
  676. useful length of ZAS cell compressive rebound.  A high ambient pressure will 
  677. be useful only if a decompression method that is sufficiently intense to 
  678. overcome the ambient pressure can be used.
  679.  
  680. On the positive side, the use of high ambient pressure provides a fairly 
  681. simple way to construct a rapidly increasing pressure profile during the 
  682. early stages of void collapse.  In the case of standing sonic waves, it may 
  683. be possible to further use the standing waves to shape the details of the 
  684. increasing pressure profile.
  685.  
  686. 3.5.3  Surface Tension Effects
  687.  
  688. The effects of surface tension in driving the void collapse are especially 
  689. interesting.  Unlike compression of the liquid, surface tension will tend to 
  690. inwardly accelerate the surface of the void more rapidly as the void size 
  691. shrinks.  This is a consequence of the general principle described earlier 
  692. that surface tension tends to accelerate the molecules in small deformities 
  693. more quickly than it does the molecules of large deformities, primarily due 
  694. to surface forces being distributed over a smaller total numbers of molecules.
  695.  
  696. Thus while surface tension may or may not be a dominant force (compared to 
  697. compressive release) during the early stages of void collapse, it is likely 
  698. to play a highly significant role later in the collapse.  The constantly 
  699. increasing inward force of surface tension on the void surface will continue 
  700. until vaporization of the surface occurs and surface tension is thus lost. 
  701. The importance of surface tension acceleration and loss of surface tension 
  702. due to void surface vaporization will be discussed in more detail below, 
  703. since it is particularly relevant to trying to determine the total energy 
  704. that will be imparted during void implosion.  (These same surface tension 
  705. effects are also important for self-focusing.)
  706.  
  707. 3.6  EARLY IMPLOSION
  708.  
  709. Early implosion is the period between maximum void displacement and the 
  710. vaporization (if any) of the void surface.  Early implosion is the energy 
  711. contribution phase, in which the void collapse process receives the majority 
  712. of the total energy that will be available to it during the final stages of 
  713. collapse.
  714.  
  715. As described above in Section 3.5, the drivers of early implosion are rebound 
  716. of the ZAS cell, ambient pressure, and surface tension.  While for very large 
  717. voids the ambient pressure would be the dominant effect, for small voids the 
  718. other two effects of rebound and surface tension will become increasingly 
  719. significant or dominant to the final energy contribution profile.
  720.  
  721. However, for intense void implosions in ordinary fluids the early implosion 
  722. phase must invariably end as a result of void surface heating.  This surface 
  723. heating is a direct consequence of the "competition" for the same location in 
  724. space and time that the molecules in the void surface must undergo in a 
  725. spherical collapse.  As the total void surface area decreases, molecules must 
  726. be "forced out" of the surface and outward into the surrounding fluid, an 
  727. effect which jostles the molecules and results in rapidly a rapidly 
  728. increasing temperature at the void surface.
  729.  
  730. Along with this heating effect there will also be an increase in void surface 
  731. pressure as too many molecules compete for the same space.  This increase in 
  732. pressure will in general reach a maximum very slightly outward from the void 
  733. surface, but for a very rapid implosion it may be present essentially at the 
  734. void surface due to inertial (acceleration) confinement of surface molecules.
  735.  
  736. The combination of void surface heating and void surface pressure increases 
  737. will complicate the behavior of the void collapse and make it dependent on 
  738. the particular properties of the fluid, but for ordinary fluids the effects 
  739. of heating will eventually win out and cause loss of surface tension (that 
  740. is, vaporization) at the implosion surface.  Despite this vaporization event, 
  741. the surface may remain rather sharply defined if collapse rate is very high.  
  742. But the loss of surface tension has other important effects, such as loss of 
  743. the accelerating effects of surface tension, even if the surface itself 
  744. remains sharply defined.
  745.  
  746. The vaporization of the void surface will be referred to below as the 
  747. Vaporization Event, or VE.
  748.  
  749. 3.6.1  Factors Affecting Early Implosion Energy Contribution
  750.  
  751. The main factors that affect the overall energy contribution during the early 
  752. implosion phase include:
  753.  
  754.    1)  Size of the void (the larger the better)
  755.  
  756.    2)  Available ZAS cell compression energy (the higher the better)
  757.  
  758.    3)  Increasing ambient pressure (best if "tuned" to collapse process)
  759.  
  760.    4)  High surface tension (the higher the better)
  761.  
  762.    5)  Delay of the vaporization event
  763.  
  764. Larger voids increase the total energy contribution simply by extending the 
  765. length of the acceleration phase.  However, larger void sizes involve factors 
  766. that tend to work against the benefits of a longer acceleration period.  
  767. These include increased venting of gases into the void, increased turbulence, 
  768. and failure to make good use of surface tension acceleration prior to 
  769. vaporization of the void surface.  Thus the use of larger voids can be more 
  770. complex than it might at first appear.
  771.  
  772. The ZAS compression energy is most effective if the fluid is both elastic 
  773. under compression and capable of significant energy storage when under 
  774. decompressive tension.
  775.  
  776. Rapid increases in ambient pressure should be oriented towards adding energy 
  777. early in the collapse and preventing "drag" on surface tension acceleration 
  778. during later phases.  Additionally, it should help provide overall pressure 
  779. confinement during the final stages of collapse by preventing premature 
  780. rebound of the outer fluid layers around collapsing void.  Resonances and 
  781. standing wave methods provide the most direct approach to implementing such 
  782. detailed pressure increase profiles.
  783.  
  784. High surface tension comes into play not only as an accelerating force, but 
  785. also as a self-focusing mechanism (see below).
  786.  
  787. Delaying the vaporization event is particularly important if the void size 
  788. becomes small enough for surface tension acceleration to become significant. 
  789. The simplest approach is to pick a fluid with a high boiling point and to set 
  790. the ambient temperature of the fluid to be as low as possible.  Mixtures of 
  791. fluids often demonstrate higher boiling points than pure liquids, so this 
  792. point also argues for the use of such "antifreeze" style fluid mixtures.
  793.  
  794. 3.6.2  Self-Focusing Effects
  795.  
  796. Until this point surface tension has been discussed primarily in the contexts 
  797. of initial shaping of the maximum displacement void surface, and acceleration 
  798. of the void surface during early implosion.  However, another important 
  799. effect of surface tension is that it provides "self-alignment" or focusing of 
  800. the collapse process itself.  The significance of this is that self-focusing 
  801. effects can significantly delay the onset of turbulence and thus increase the 
  802. intensity of the final stages of the collapse.
  803.  
  804. 3.6.2.1  Radial Self-Focusing
  805.  
  806. Radial self-focusing refers to the tendency of surface tension to produce a 
  807. surface in which any line normal to the surface points to the exact center of 
  808. the void.  Because of the tendency of a liquid surface to suppress small 
  809. deviation more with greater force, this tendency may actually be grow 
  810. stronger as the void shrinks in size.
  811.  
  812. When combined with implosion, radial self-focusing due to surface tension has 
  813. the effect of "guiding" or correcting the trajectory of inward-bound 
  814. molecules so that they remain targeted towards the center of the void.
  815.  
  816. 3.6.2.2  Temporal Self-Focusing
  817.  
  818. Temporal self-focusing refers to the tendency for surface tension to keep the 
  819. entire void surface collapsing at very nearly the same rate.  As with radial 
  820. self-focusing, this effect should increase in strength as the void collapses. 
  821. Temporal self-focusing has the net effect of keeping the molecules of the 
  822. void surface targeted to arrive at the center of the void at the same instant.
  823.  
  824.  
  825. 3.7  MID IMPLOSION
  826.  
  827. Although the vaporization event corresponds roughly to the end of external 
  828. energy contribution into the void collapse, it does not necessarily represent 
  829. the end of energy intensification.  In the next (mid implosion) phase the 
  830. emphasis shifts from mechanisms that contribute to the total energy of the 
  831. void collapse to a new set of mechanisms that serve to focus or collect the 
  832. energy of many inwardly moving molecules and transfer it to a smaller number 
  833. of correspondingly more energetic molecules.  It is this process, rather than 
  834. the initial implosion drivers, that is the most likely to make extremely high 
  835. densities and temperatures possible during a void collapse.
  836.  
  837. 3.7.1  Wedge-Out Effect
  838.  
  839. The tendency for the void surface to increase in both pressure and 
  840. temperature as it implodes has already been mentioned, but these effects need 
  841. to be looked at in more detail to understand the details of the later stages 
  842. of implosion. In particular, the high spherical symmetry of an intense 
  843. collapse should lead to a tendency for these temperature and pressure effects 
  844. to be both selective and directional in nature.  In particular, faster or 
  845. more mobile molecules or ions should tend to be selectively given still 
  846. higher velocities that will be oriented primarily towards the center of the 
  847. void.  This _wedge-out effect_ is particularly important for estimating the 
  848. final energy intensity of the void collapse, since it presents a mechanism by 
  849. which the final stages of void collapse might reach almost arbitrarily high 
  850. densities and temperatures.
  851.  
  852. The term "wedge-out" intentionally has a mechanical connotation of forcing or 
  853. "popping out" an object under extreme mechanical pressure.  Figure 1 shows an 
  854. idealized wedge-out scenario.
  855.  
  856.  
  857.                                    Pressure
  858.                                    | | | |
  859.                                    v v v v
  860.  
  861.                                --> ()()()|
  862.                                --> ()()()|       ()  Slightly slower molecules
  863.                       Pressure --> ()() <>|      <>  Slightly faster molecule
  864.                                --> ()()()|        |  Void surface (gaseous)
  865.                                --> ()()()|
  866.  
  867.                                    ^ ^ ^ ^
  868.                                    | | | |
  869.                                    Pressure
  870.  
  871.                                  ---------->
  872.                               Overall Direction
  873.                                of Acceleration
  874.                                (All Molecules)
  875.  
  876.  
  877.                        Figure 1 -- The Wedge-Out Effect
  878.  
  879.  
  880. For elastic objects such as atoms, the scenario described in Figure 1 is 
  881. capable of transferring the kinetic energy of a number of (slower) molecules 
  882. into a lesser number of faster molecules that can then "escape" into the 
  883. interior of the void while carrying off most of the kinetic energy of that 
  884. originally belonged to the slower molecules.  The effect can be described 
  885. formally in terms of conversion of energy using two low-friction wedges to 
  886. rapidly accelerate an object between the wedges, but can perhaps be more 
  887. easily understood by the informal analogy of launching a slippery seed at 
  888. high speed by squeezing it tightly between two fingers.  Even though the 
  889. fingers never move at a high speed, they are capable of producing a rapid, 
  890. intensive acceleration of the seed and a commensurately large increase its 
  891. final momentum and energy.
  892.  
  893. Wedge-out is relevant in void collapse only because the extreme inward 
  894. compression of the void surface and lateral compression due to shrinking void 
  895. surface area create a very difficult "competition" among void surface 
  896. molecules.  Essentially all "escape routes" except inward ones are blocked 
  897. for nearly all of the surface molecules, and even those paths are severely 
  898. limited by rapid shrinking of the void surface.  By "wedging out" any 
  899. molecule that has moved slightly farther into the interior due either to 
  900. chance or a higher average velocity, the slower molecules are able to expend 
  901. some of their inward kinetic energy while simultaneously reducing the total 
  902. number of molecules in the surface.  Slightly faster molecules or ions thus 
  903. will be preferred for this "launching" into the void interior, since they 
  904. will be the ones that are more likely to protrude slightly towards the 
  905. interior.
  906.  
  907. Wedge-out thus can be thought of a "directed" temperature rise, in which the 
  908. kinetic energy of the molecules increases as in a normal temperature rise, 
  909. but the direction in which the rise in kinetic energy occurs will be strongly 
  910. biased towards the interior of the void.
  911.  
  912. Two key requirements for an effective wedge-out effect are that:
  913.  
  914.    1)   the interior of the void be as empty of gases as possible, and
  915.  
  916.    2)   the surface of the void remain as sharply defined as possible.
  917.  
  918. The first of these requirements simply reflects the need for a clear, well-
  919. defined "exit path" to keep the wedge-out effect directional.  Gases in the 
  920. interior of the void will make alternative energy release paths (primarily 
  921. random-motion heating of the void surface) more attractive and rapidly reduce 
  922. the acceleration affect provided by wedge-out.
  923.  
  924. The second requirement for a well defined void surface reflects the need to 
  925. keep a very high pressure profile as close to the void surface as possible.  
  926. If the point of maximum pressure falls too far behind the collapsing void 
  927. surface, the result will again be to make alternative random-heat energy 
  928. release paths more attractive than wedge-out.
  929.  
  930. In short, the wedge-out effect will be most effective when the sharpest 
  931. possible contrast between void surface pressure and interior void pressure 
  932. can be maintained.  A very sharp, very well-defined transition from extremely 
  933. high pressure to a hard vacuum should allow the wedge-out effect to produce
  934. quite phenomenal accelerations of some subset of the void surface molecules.
  935.  
  936. It is worth noting that wedge-out is primarily a gaseous effect, and that for 
  937. single-molecular fluids it is unlikely to become a significant factor until 
  938. after the vaporization event.  The reason is that surface tension will tend 
  939. to resist allowing any of the fluid molecules to "get ahead" enough to permit 
  940. wedge-out to dominate until after vaporization of the surface.
  941.  
  942. However, for multi-molecular fluid wedge-out may become a significant effect 
  943. even in the pre-vaporization early acceleration phase, since the dominant 
  944. fluid may permit other components to "leak out" into the leading edge of the 
  945. void surface.
  946.  
  947. 3.7.2  Wedge-Out Cascades
  948.  
  949. Wedge-out becomes even more interesting when it is note that it can (at least 
  950. in principle) be cascaded.  That is, the highly accelerated molecules 
  951. resulting from the first major wedge-out event may, if sufficiently even in 
  952. both radial and temporal distribution, come together to cause a second wedge-
  953. out event in which another component is "launched" at even higher velocity.  
  954. Just as a multi-stage rocket permit small payloads to reach phenomenally high 
  955. velocities, such wedge-out cascades could in principle result in phenomenally
  956. high final velocities of a (generally very small) "payload" of lightweight, 
  957. fast particles that have been "distilled" out of the liquid by repeated 
  958. applications of the wedge-out effect.
  959.  
  960. Due to the self-focusing effects of surface tension, it appears quite likely 
  961. that first-order wedge-out effects can almost certainly be obtained by high-
  962. quality cavitation experiments.  An interesting experimental question is then 
  963. whether second and higher-order wedge-out cascades can be constructed to 
  964. provided even higher final accelerations and energies.  One clear requirement 
  965. for obtaining higher-order wedge-out events will be a very high level of 
  966. initial symmetry, since otherwise the growth of turbulence will rapidly make 
  967. the formation of a sharp pressure/vacuum interface impossible.
  968.  
  969. Speculations concerning the limits of compression in sonoluminescence would 
  970. tend to support the idea that some sort of unusual acceleration phenomenon 
  971. exists in highly symmetrical cavitation phenomena [7].  Wedge-out and wedge-
  972. out cascades could well provide just such a mechanism.
  973.  
  974. 3.7.3  Wedge-Out Shells
  975.  
  976. Because the wedge-out process will favor lighter, faster molecules and ions, 
  977. there should be a natural tendency for components of the fluid to separate 
  978. and form shells of distinct chemical composition during the last stages of 
  979. the collapse.  These wedge-out shells are of interest because formation of 
  980. "clean" shells of a uniform composition may encourage the development of 
  981. wedge-out cascades (and thus much higher final temperatures and pressures).
  982.  
  983. The formation of wedge-out shells could also result in new (very short-lived) 
  984. liquid surfaces, since the newly separated components may behave differently 
  985. under the extreme pressures of the void implosion.  Whether these new liquid 
  986. surfaces would have time to influence (in particular, to re-focus) the inward 
  987. motion of the void surface is difficult to say without explicit simulation or 
  988. experimental modeling.
  989.  
  990. 3.7.4  Ionization of Wedge-Out Shells
  991.  
  992. It should be noted that because the wedge-out process is primarily mechanical 
  993. in nature, it should be capable of accelerating not just whole molecules, but 
  994. also charged (ionic) fluid components.  Thus is should be possible for highly 
  995. charged wedge-out shells for form during the collapse process, owing to the 
  996. preferential separation of any charged ions whose average velocity in the 
  997. fluid is greater than that of the majority fluid molecules.  The formation of 
  998. such charged shells will of course be an energy-consuming event, and would in 
  999. general reduce the final intensity of the collapse.
  1000.  
  1001. However, the formation of charged wedge-out shells would be extremely 
  1002. interesting from both a theoretical viewpoint and an exploratory, 
  1003. experimental viewpoint.  Recombination of the charges after rebound would 
  1004. lead to various forms of electromagnetic radiation, whose overall features 
  1005. would tend to be complex due to the details of the recombination currents in 
  1006. the type of highly dynamic environment that should exist during the final 
  1007. stages of the void collapse.
  1008.  
  1009. It is entirely possible that sono-luminescence [8], an effect that has 
  1010. already been observed in cavitation research, is an example of one of the 
  1011. electromagnetic radiation effects stemming from wedge-out shell ionization of 
  1012. the inner layers of a void collapse.  Further examination of such 
  1013. luminescence effects as possible evidence for the formation of wedge-out 
  1014. shells would be most interesting, since it would tend to confirm that 
  1015. cavitation possesses an acceleration mechanism (wedge-out) by which 
  1016. exceptionally high energies could be obtained by void collapse phenomena.
  1017.  
  1018. One of the most important "side-effects" of the formation of ionized wedge-
  1019. out shells would be its potential as an effective tool for exploring the 
  1020. details of the final void collapse.  Radiation released by recombination 
  1021. should be rich in information about both the formation of such shells and 
  1022. their subsequent development.  It should also provide important information 
  1023. on how various experimental parameters may result in higher or lower final 
  1024. pressures.  Appropriate ions could also be "seeded" at low levels to act as 
  1025. tracers for higher intensity void implosions, since in general the energy-
  1026. draining formation of high levels of charge in the shells will need to be 
  1027. avoided to reach the highest possible final pressures and temperatures.
  1028.  
  1029. 3.7.5  Plasma Event
  1030.  
  1031. For highly symmetrical, highly energetic void collapses, the mechanisms of 
  1032. wedge-out and (possibly) wedge-out cascades should be capable of producing  
  1033. late implosion energies that are easily capable of ionizing the imploding 
  1034. gas.  (This tends to be confirmed also by the presence of ultraviolet light 
  1035. in sono-luminescence [9], which implies a significant level of ionization.)  
  1036. This ionization process may be assisted or quickened by the formation of 
  1037. charged shells when the liquid contains ionic components, but should also be 
  1038. capable of occurring as a result of inward acceleration effects alone.
  1039.  
  1040. The mid implosion phase is arbitrarily defined as ending when the void 
  1041. surface becomes primarily a plasma in composition (the Plasma Event, or PE).  
  1042. It should be noted that the plasma formed at the time of this event should 
  1043. for a very symmetrical collapse consist of very high velocity ionized 
  1044. particles whose velocity vectors are still directed inward toward the void 
  1045. center.  As long as this inward velocity of the plasma remains largely 
  1046. intact, the maximum implosion temperature and pressure will not yet have been 
  1047. reached.
  1048.  
  1049.  
  1050. 3.8  LATE IMPLOSION
  1051.  
  1052. 3.8.1  Initial Conditions for Late Implosion
  1053.  
  1054. The late implosion phase extends from the plasma event until termination of 
  1055. the implosion by one or more rebound effects, which are discussed in the next 
  1056. section.
  1057.  
  1058. Ideally, late implosion should begin as a set of inwardly directed plasma 
  1059. ions that are still focused on a shared central point.  Wedge-out effects are 
  1060. still conceivable during the late implosion if the radial and temporal 
  1061. symmetry of these inwardly directed plasma components remain high enough.
  1062.  
  1063. 3.8.2  Micro Ion Fusion (MIF) Analogy
  1064.  
  1065. One way of viewing the potential intensity of the late implosion is to note 
  1066. its similarity to a microscopic version of what is known as "ion fusion," in 
  1067. which very fast ions are directed inwards to a single target point in order 
  1068. to induce light-element fusion.  Although constructed in a very different 
  1069. fashion, the "machinery" of early and mid implosion of a well-formed void may 
  1070. very well be capable of producing a final scenario that is essentially the 
  1071. same as that of ion fusion -- that is, a set of roughly synchronized ions 
  1072. moving radially inwards at a very high velocity towards a common target.
  1073.  
  1074. This "Micro Ion Fusion" (MIF) analogy also helps emphasize the need for more 
  1075. experimentation to determine what, exactly, is the final densities and 
  1076. temperatures possible through cavitation collapse.  Because of the extreme 
  1077. simplicity of "building" liquid void "mechanisms" in comparison to large-
  1078. scale ion fusion machinery, an experimental verification that inwardly 
  1079. directed plasma streams actually do exist in some forms of cavitation would 
  1080. be of considerable interest theoretically and experimentally.
  1081.  
  1082.  
  1083. 3.9  IMPLOSION TERMINATION
  1084.  
  1085. In this section the various mechanisms that lead to termination of inward 
  1086. motion of the void surface are discussed.
  1087.  
  1088. 3.9.1  Implosion Termination Due to Pressure of Void Gas
  1089.  
  1090. The single most detrimental to achieving high-intensity void implosions is 
  1091. the presence of a low-quality vacuum in the void -- that is, the presence of 
  1092. significant levels of void gases.
  1093.  
  1094. The negative impact of void gases can be imagined in part by recognizing that 
  1095. in the extreme case they result in a stable, non-collapsing gas-filled bubble 
  1096. instead of an unstable void.  In less extreme cases the void gases will 
  1097. result in a very rapidly increasing pressure profile as the void shrinks in 
  1098. size, so that at some point the outward pressure of the void gases will cause 
  1099. the collapse process to stall.  Such a scenario will result in moderately 
  1100. high pressures and temperatures through simple compression, but is unlikely 
  1101. to result in exceptional pressure or temperatures for three reasons:
  1102.  
  1103.    1)  the collapse energy will be spread out over too many gas molecules,
  1104.  
  1105.    2)  wedge-out acceleration mechanisms will be "shut down" prematurely, and
  1106.  
  1107.    3)  gas impinging on the void surface may damage its symmetry and cohesion.
  1108.  
  1109. The first effect of excessive spreading of energy is unavoidable because the 
  1110. central gases retain their "information" on their relative position and thus 
  1111. behave in a simple spring-like compressive fashion.  As mentioned earlier in 
  1112. the discussion of void formation and entropy, achieving very high pressures 
  1113. and temperatures depends critically on getting as much of the system as 
  1114. possible to "forget" the original comparatively orderly arrangement of 
  1115. molecules, and instead have them "compete" for a single position in space and 
  1116. time.  Void gases fail to meet this criterion, and thus act as a serious 
  1117. "drag" to increasing the final collapse intensity.
  1118.  
  1119. The second effect of premature shut down of the wedge-out acceleration 
  1120. mechanism is a consequence of the fact that wedge-out requires a very sharp 
  1121. pressure/vacuum transition at the void surface, a condition that is not 
  1122. possible if the gas pressure within the void rises rapidly.
  1123.  
  1124. Finally, the presence of gases will also negatively impact the void surface 
  1125. by encouraging small-scale turbulent behavior and lessening surface tension 
  1126. through the impact of the gas molecules.  These are comparatively minor 
  1127. effects, but still may need to be taken into account in some cases.
  1128.  
  1129. Termination of implosion due to void gases is significant not only because of 
  1130. its negative effects on final intensity, but also because it is very easy for 
  1131. voids to acquire such gases.  Voids naturally tend to "scoop up" gases as 
  1132. they form, so that initially the voids that form in a fluid are unlikely to 
  1133. be capable of significant implosion intensities.  On the other hand, the void 
  1134. mechanism itself can be used to help rid the fluid of dissolved gases, so 
  1135. that a similar experimental arrangement can be used both to "clean" the fluid 
  1136. and subsequently produce more intense collapses.
  1137.  
  1138. Another key factor is fluid vaporization, since some level of fluid molecules 
  1139. will almost certainly end up in the void.  The use of cooled fluids and fluid 
  1140. mixtures with very low vapor pressures can help greatly in this area.  (An 
  1141. added benefit is that these same characteristics will also tend to help in 
  1142. the formation and preservation of surface tension during the early stages of 
  1143. the void collapse.)
  1144.  
  1145. 3.9.2  Implosion Termination Due to Void Surface Turbulence
  1146.  
  1147. Prior to the vaporization event, a fluid with strong surface tension is 
  1148. likely to be highly effective at minimizing turbulence in the void surface.  
  1149. This again emphasizes the importance of maintaining a liquid surface for as
  1150. long as possible during the void collapse, since even a small delay in the 
  1151. onset of turbulence can provide a significant improvement in the orderliness 
  1152. of the final collapse.
  1153.  
  1154. However, after the vaporization event the radial and temporal self-focusing 
  1155. effects of surface tension will be lost and turbulence will begin to grow 
  1156. much more rapidly.  Compression will lead to a limited form of radial self-
  1157. focusing after the VE, since each void surface molecule will be constrained 
  1158. into a largely radial path by the pressure of the molecules around it.
  1159.  
  1160. However, this limited form of compression-induced radial alignment is 
  1161. unstable with respect to temporal alignment.  That is, the pressure effects 
  1162. will also increasingly encourage some parts of the surface either to fall 
  1163. behind or race ahead of the average void surface.  (Wedge-out acceleration is 
  1164. in fact a "favorable" form of this temporal instability effect, provided that 
  1165. the inward wedge-out of fluid occurs in a sufficiently symmetrical fashion.)  
  1166. After a time, the instability of the surface with respect to time will cause 
  1167. a general loss of order and cause the "directed heat" of the imploding 
  1168. molecules to become ordinary (non-directed) heat.
  1169.  
  1170. Again, the presence of a very hard vacuum in the void interior can help delay 
  1171. the onset of temporal instabilities by providing a clear "direction" in which 
  1172. some fraction of the faster molecules can head.  This "race effect" can in 
  1173. effect "filter out" initial levels of turbulence by allowing a subset of the 
  1174. molecules to enter an energetically favorable region of (empty) space.
  1175.  
  1176. Another factor that can help delay turbulence is a high particle momentum.  A 
  1177. heavy-mass molecule should tend to be affected by turbulence at a somewhat 
  1178. lower rate than a light, easily disturbed molecule.
  1179.  
  1180. 3.9.3  Implosion Termination Due to Loss of Confinement Layers
  1181.  
  1182. Another mechanism by which implosion maybe terminated is loss of one or more 
  1183. of the outer "confinement layers" surrounding the collapsing void.  These are 
  1184. layers of fluid that should (ideally) display a pressure profile that during 
  1185. the final stages of collapse increases monotonically in towards the central 
  1186. collapse.
  1187.  
  1188. Stated in a somewhat different form, it is important that all the layers of 
  1189. fluid around the collapse retain either a slight inward velocity or no 
  1190. velocity at all during the period of the final collapse.  If any of these 
  1191. outer layers "rebounds" and loses its pressure prematurely, the net effect 
  1192. will be a "peeling back" of layers until the central void collapse is 
  1193. reached.  As the decompression reaches the central void it will rapidly 
  1194. become turbulent and then rebound back into the surrounding fluid.
  1195.  
  1196. A qualification to this is that if the lost confinement layer is far enough 
  1197. out from the central collapse, it may not influence that collapse until after 
  1198. the central void has reached its maximum intensity.
  1199.  
  1200. To avoid termination due to the loss of confinement layers, the overall 
  1201. pressure profile around the central void should at least be taken into 
  1202. account in modeling the final collapse.  Modification of the decompression 
  1203. and compression cycles for the void should then be able to limit or avoid 
  1204. premature rebound of such confinement layers.
  1205.  
  1206. 3.9.4  Implosion Termination Due to Charge Build-Up
  1207.  
  1208. As mentioned earlier, the wedge-out effect should be capable of producing 
  1209. some separation of ionized fluid components, leading to the build-up of 
  1210. layers of charge around the collapsing void.  The formation of significantly 
  1211. charged shells would be a significant drain on the energy available to the 
  1212. collapse process, and in some cases may be sufficient to halt the implosion.
  1213.  
  1214.  
  1215. 3.10  REGION OF MAXIMUM ENERGY (ROME)
  1216.  
  1217. The late implosion phase ends with termination of directed inward motion, and 
  1218. results in a (generally turbulent and roughly isotropic) region of maximum 
  1219. energy density.  Due to turbulence, this Region Of Maximum Energy (ROME) will 
  1220. in most cases be a ragged-edged region in space-time, and will contain a 
  1221. (generally very small) quantity of very high temperature gases.
  1222.  
  1223. The duration of the ROME will depend largely on how smoothly the confinement 
  1224. pressure profile around the ROME falls back to zero.  If the profile falls in 
  1225. an orderly, uniform fashion the ROME may persist considerably longer than for 
  1226. the case of an irregular breakup of the pressure confinement profile (which 
  1227. will in turn lead to earlier loss of one or more confinement layers).  As in 
  1228. ion fusion devices, the use of high-mass particles for the fluid may also 
  1229. help extend the duration of the ROME through simple inertial effects in both 
  1230. the ROME itself and in the surrounding confinement pressure profile.
  1231.  
  1232. As described earlier, experimental evidence for ROMEs that contain high-
  1233. temperature plasmas already exists for some cooled water-based cavitation 
  1234. systems [3] [9].  Thus it appears likely that even more intense ROMEs can be 
  1235. created in future generations of cavitation systems.  Given reports of 
  1236. effective temperatures in the tens of thousands of degrees for existing 
  1237. cavitation systems and the existence of many currently poorly controlled 
  1238. parameters in such systems, it appears likely that ROMEs with temperatures in 
  1239. the million degree range are at least plausible.  The combination of possible 
  1240. accelerating mechanisms such the wedge-out effect and existing reports of 
  1241. very high temperatures would certainly appear to make the effort to at least 
  1242. try for such high temperatures plausible.
  1243.  
  1244. Obviously, on of the most interesting experiments to try if high-intensity 
  1245. ROMEs can be created and verified would be fusion of light hydrogen isotopes 
  1246. such as tritium and deuterium, possibly in combination with lithium.  Indeed, 
  1247. in some cases such materials might even act as important experimental probes 
  1248. for testing and gaining a better understanding of ROME properties.
  1249.  
  1250.  
  1251. 3.11  POST-IMPLOSION REBOUND
  1252.  
  1253. Post-implosion rebound is most notable here in that it may help generate a 
  1254. second-generation (explosively formed) void.  Such effects will be increased 
  1255. if the implosion produces a net release of energy.  Cyclic void formation 
  1256. processes, such as those provided by sonic standing waves, will need to take 
  1257. rebound into account to accurately model and "tune" the cyclic void formation 
  1258. process.
  1259.  
  1260.  
  1261. 4.  EXPERIMENTAL
  1262.  
  1263. 4.1  MATERIALS
  1264.  
  1265. 4.1.1  General Materials Characteristics
  1266.  
  1267. The following is a list of general characteristics that should be favorable 
  1268. towards the production of intense cavitation events:
  1269.  
  1270.    1)  Resistance to void formation
  1271.  
  1272.    2)  Low vapor pressure
  1273.  
  1274.    3)  Simple, highly stable molecular composition
  1275.  
  1276.    4)  Small molecule size (atomic being ideal)
  1277.  
  1278.    5)  High molecular weight
  1279.  
  1280. In general, the harder a liquid is to cavitate, the more likely it will be to 
  1281. produce highly intense void collapses.  Resistance to cavitation tends to 
  1282. indicate both very strong intra-fluid bonding and a low vapor pressure, both 
  1283. of which should be highly advantageous to void formation and collapse.
  1284.  
  1285. The need for a low vapor pressure is a direct consequence of the need to keep 
  1286. a very hard vacuum in the void interior.
  1287.  
  1288. Simple, highly stable molecules are needed to prevent non-collapse mechanisms 
  1289. paths from draining energy from the void collapse.  Molecules that are easily 
  1290. broken apart may both absorb energy and complicate surface mechanics during 
  1291. the early collapse.
  1292.  
  1293. Molecules that are too large will be hard to accelerate during and rearrange 
  1294. during the final stages of collapse, and in extreme cases could lead to an 
  1295. "arch effect" in which the void surface briefly locks up into a highly 
  1296. resistant, semi-solid structure.  Additionally, large "floppy" molecules are 
  1297. more likely to convert the energy of rearrangement into wasted (premature) 
  1298. heat.  From this perspective the ideal molecule for cavitation are those 
  1299. whose molecules consist of single atoms, which are both highly mobile and 
  1300. highly elastic under collision.
  1301.  
  1302. Finally, a high molecular weight is helpful (but not critical), since it can 
  1303. extend the duration of the ROME and possibly make the ROME significantly more 
  1304. intense.  The analogy here is a simple one:  Hitting two sledge hammers 
  1305. together tends to be a more energetic event than hitting two ordinary hammers 
  1306. together.
  1307.  
  1308. Where mixtures of fluids meet some of these criteria better than individual 
  1309. fluids (e.g., by reducing vapor pressure), those mixtures may also provide 
  1310. good cavitation candidates.
  1311.  
  1312. 4.1.2  Specific Possibilities for Materials
  1313.  
  1314. When combined, these recommended characteristics point to two particularly 
  1315. interesting classes of fluids for cavitation experiments:
  1316.  
  1317.    1)  Water, small-molecule water-like, and mixtures of these
  1318.  
  1319.    2)  Mercury, liquid metals, and mixtures of these
  1320.  
  1321. Mercury in particular is an exceedingly interesting candidate because of its 
  1322. very high surface tension, low vapor pressure, single-atom composition, and 
  1323. high molecular (atomic) weight.  However, it has the disadvantage of being 
  1324. impermeable to nearly all forms of electromagnetic radiation, making it 
  1325. difficult to verify the consequences of cavitation.  Indeed, in the case of 
  1326. mercury it may be necessary to use an isotope such as tritium simply to 
  1327. permit "fusion tracing" of the radiation results of cavitation events that 
  1328. are (presumably) intense enough to fuse such materials.
  1329.  
  1330. There are many other metals (e.g, gallium, lead, tin, and the alkaline metal 
  1331. of Li, Na, P, and Cs) that melt at low temperatures and are also relatively 
  1332. easy to work with (and in the case of tin, far less toxic) than mercury.  For 
  1333. such metals the term "cold" can be used relatively, since the key issues are 
  1334. low vapor pressure and enduring surface tension, rather than low temperatures 
  1335. per se.  Metals and other substances that maintain these characteristics at 
  1336. high temperature should be quite usable, even if the absolute temperatures at 
  1337. which they become fluids are well above room temperature.
  1338.  
  1339. Metal mixtures and mercury amalgams are also interesting candidates for 
  1340. cascaded wedge-out effects, since it may be possible for distinct wedge-out
  1341. shells of different atomic masses to form more readily from such a medium.
  1342.  
  1343. Water and mixtures of low-mass, water-like molecules (e.g., the (CHOH)nH2 
  1344. family that includes methanol, glycol, and glycerin) are also interesting 
  1345. candidates due to their small sizes and strong, easily rearranged hydrogen 
  1346. bonding.  Moreover, these media are much easier to work with experimentally 
  1347. because of their transparency to most forms of electromagnetic radiation.  
  1348. Finally, water and related hydrogen-bonded liquids are capable of dissolving 
  1349. a wide variety of ionic substances that could prove useful in both modifying 
  1350. and experimentally tracing cavitation properties in such fluids.
  1351.  
  1352. Mixing such hydrogen-bonded fluids can drastically lower freezing point of 
  1353. the fluids, so that very cold initial fluids can be used both to greatly 
  1354. reduce vapor pressure during void expansion, and to increase the period of 
  1355. time for which surface tension will provides self-focusing and acceleration 
  1356. of the void surface.
  1357.  
  1358. 4.1.3  Purity of Materials
  1359.  
  1360. As noted before, "ready to use" materials should have extremely low levels of 
  1361. dissolved gases to prevent premature implosion termination.  Salts and other 
  1362. soluble materials are less likely to interfere, but the possibility that they 
  1363. could enhance the formation of charged layers and thus reduce the energy of 
  1364. the final collapse should at least be taken into account.
  1365.  
  1366. A more complex issue is that of particulate impurities.  In general some 
  1367. degree of particular impurities are likely to be needed to provide seeds for 
  1368. nanovoid formation, but too many particles (especially too many large 
  1369. particles) is likely to degrade the ability to form high-quality voids.
  1370.  
  1371. Ideally, particles in the fluid should be as small as possible while still 
  1372. permitting formation of nanovoids at reasonable decompression intensities, 
  1373. and common enough to be readily available at the void formation site.
  1374.  
  1375. 4.1.4  Gas and Particulate Doping
  1376.  
  1377. Both gases and particulate material may be intentionally introduced into a 
  1378. fluid for the explicit purpose of providing "targets" for the final implosion 
  1379. of cavitation voids.
  1380.  
  1381. In the case of gases the idea would be to add a very low lever of dissolved
  1382. "target" gas, such that a very small quantity of the gas will be swept up by 
  1383. the void during expansion.  A disadvantage of such an approach is that even a 
  1384. very small increase in the total gas in the void may greatly reduce the final 
  1385. intensity of the collapse.
  1386.  
  1387. A potentially superior approach is to intentionally introduce very small, 
  1388. solid particles that will act both as seeds for initial void formation and as 
  1389. "targets" during the final collapse.  The solid state of the target keeps it 
  1390. from interfering with the collapse process, and potentially could allow a 
  1391. sharp pressure/vacuum transition to exist in the void surface until the very 
  1392. last instant of the collapse.
  1393.  
  1394. While a solid target in a vacuum void will fall somewhat due to gravity, the 
  1395. generally very short time between expansion and collapse (e.g., half of an 
  1396. ultrasound cycle) should keep the target particle near the needed location.  
  1397. The intentional introduction of a slight vertical asymmetry into the initial 
  1398. expansion of the void might also provide a mechanism by which the target 
  1399. could be "tossed upwards" and subsequently fall back to the position where 
  1400. the implosion will reach its maximum.  Finally, the high pressure of the 
  1401. implosion surface should provide a strong sweeping effect on a solid 
  1402. particle, moving it towards the center (but at the cost of some of the 
  1403. spherical symmetry of the final collapse).
  1404.  
  1405. In general, seed/target particles should have surfaces that are not easily 
  1406. wet (adhered to) by the fluid selected.  Thus a seed/target in liquid metal 
  1407. should not mix with the metal, and a seed/target in water and water-like 
  1408. fluids should have a hydrophobic (oil-like) surface.  The importance of this 
  1409. is that it provides a natural base for the formation of a nanovoid.
  1410.  
  1411. One interesting long-term class of seed/targets for water like-fluids and 
  1412. possibly liquid metal fluids) would be graphite-jacketed "fullerene" spheres
  1413. of large size.
  1414.  
  1415.  
  1416. 4.2  INITIAL TEMPERATURE
  1417.  
  1418. In general, the absolute temperature of a cavitation fluid should be less 
  1419. significant than how temperature effects vapor pressure and the duration of 
  1420. surface tension during collapse.  Thus a relatively high temperature for a 
  1421. liquid metal such as lead might prove to be just as effective as a much lower 
  1422. temperature for a mix of hydrogen-bonded, water-like liquids.
  1423.  
  1424. Thus temperatures should be selected primarily on the basis of how they 
  1425. affect the particular fluid selected.  In general, the lower range of 
  1426. temperatures at which the fluid remains free-flowing should give better 
  1427. results than the higher temperature ranges for that same fluid.
  1428.  
  1429.  
  1430. 4.3  INITIAL PRESSURE
  1431.  
  1432. In general a high initial pressure should help contribute to both the initial 
  1433. implosion impulse and subsequent confinement of the implosion layers around 
  1434. the collapsing void.  However, it should be noted that the decompression 
  1435. method used will always have to "fight against" this initial pressure, so 
  1436. that substantially more energetic decompression mechanisms may be required.  
  1437. This added energy then contributes to the void collapse once it is formed, 
  1438. and so falls under the general rule of "the harder to cavitate, the better."
  1439.  
  1440.  
  1441. 4.4  PHYSICAL SET-UP AND TECHNIQUES
  1442.  
  1443. 4.4.1  Single-Node Sonic Decompression Methods
  1444.  
  1445. The most powerful and symmetrical decompression generators are spherical-
  1446. symmetry, single-void ultrasonic generators, such as those described by 
  1447. Steven Jones for ongoing work at BYU [4].  It is likely that if interesting 
  1448. collapse phenomena can be found that these types of generators will be the 
  1449. best for initial identification and exploration of such effects.
  1450.  
  1451. A somewhat less exact form of single-node decompression would be to use 
  1452. either a long parabolic reflector and a plane wave generator, or two "end to 
  1453. end" parabolic reflectors with a small, point-like sonic generator at the 
  1454. focus of one of the generators [10].
  1455.  
  1456. 4.4.2  Multi-Node Sonic Decompression Methods
  1457.  
  1458. Another class of sonic based generators are "lattice" generators that create 
  1459. a three-dimensional field of alternating compression and decompression 
  1460. regions, each of which has a reasonably high (e.g., cubic) initial level of 
  1461. symmetry.  The simplest way to construct an example of such a cavitation 
  1462. lattice is to direct a plane sound wave into a corner-cube reflector.  
  1463. Reflections within the corner-cube will then result in the formation of a 
  1464. field of compression/decompression regions with roughly cubic symmetry.
  1465.  
  1466. Since lattice methods provide only modest radial symmetry during expansion, 
  1467. it is likely that a high surface-tension liquid and careful timing of the 
  1468. decompression/compression cycle would be needed to allow surface tension to 
  1469. thoroughly restructure the void surface at peak void displacement.  In 
  1470. particular, a pressure cycle that would tend to extend the period of peak 
  1471. displacement would provide more time for reshaping of the void surface.
  1472.  
  1473.  
  1474. 4.4.3  Impulse Decompression Methods
  1475.  
  1476. Impulse generators could be constructed in the lab by techniques as simple as 
  1477. tapping a piston that has been arranged to decompress a fluid within a 
  1478. cylinder.  Such simple methods would have difficulty competing with 
  1479. ultrasonic generation, but impulse decompression has the advantage of being 
  1480. able to generate unusually severe decompressions.
  1481.  
  1482. For example, the same cylinder just described could be severely decompressed 
  1483. by firing a high-speed projectile at the piston, instead of simply tapping it 
  1484. with a hammer.  For very pure, very low-gas fluids such explosively rapid 
  1485. decompressions could make intense cavitation possible in fluids that might 
  1486. not respond to ultrasound or other milder techniques.
  1487.  
  1488.  
  1489. 4.5  SONIC FREQUENCY AND INTENSITY
  1490.  
  1491. A final point about experimental setups is simply to note the importance of 
  1492. scanning a broad range of both frequency and intensity for sonic (and 
  1493. impulse) generation methods.  Because the number of variables that could 
  1494. potentially affect final cavitation intensity, it may, for example, not 
  1495. always be the case that "more intense is better."  Subtler effects such as 
  1496. loss of confinement layers around a void may in some cases mean that lower 
  1497. intensities or frequencies will work better.
  1498.  
  1499. Eventually, detailed shaping of sonic pressure cycles to match the particular 
  1500. characteristics of a fluid would probably provide the best results.
  1501.  
  1502.  
  1503. 5.  Ultra Cavitation in Nature
  1504.  
  1505. Perhaps one of the most interesting aspect of the idea of ultra cavitation is 
  1506. that if it exists at all, it may quite possibly also exist as a natural 
  1507. effect.  This is particularly interesting in light of earlier proposals by
  1508. Jones et al [11] that the heat output of large planets may in part be due to 
  1509. some form of very-low-level natural fusion.  Natural ultra cavitation could 
  1510. quite possibly provide both a plausible mechanism by which such very-low-
  1511. level fusion might occur.  Perhaps more importantly, the specificity of the 
  1512. conditions needed for ultra cavitation to occur should make such hypotheses 
  1513. empirically testable through simulations of relevant natural conditions.
  1514.  
  1515. 5.1  CANDIDATE FLUIDS FOR NATURAL ULTRA CAVITATION
  1516.  
  1517. The major natural fluids in which some form of cavitation could (at least in 
  1518. principle) occur include:
  1519.  
  1520.    1)  Surface and free-flowing water
  1521.  
  1522.    2)  Ocean bed and thermal vent water
  1523.  
  1524.    3)  Hydro fluids associated with deep faults
  1525.  
  1526.    4)  Hydro fluids associated with subduction
  1527.  
  1528.    5)  Volcanic magmas
  1529.  
  1530.    6)  Liquid iron alloys at the mantle/outer-core interface
  1531.  
  1532.    7)  Liquid iron alloys at the inner-core/outer-core interface
  1533.  
  1534. 5.2  EARTHQUAKES, SUBDUCTION, AND IMPULSE DECOMPRESSION
  1535.  
  1536. With possible exception of free-flowing surface water, the best candidate 
  1537. mechanism for void formation in all of these fluids would be some form of 
  1538. impulse decompression.  The likelihood of successful void formation by this 
  1539. method will fall drastically for very deep, very high-pressure fluids such as 
  1540. the liquid iron alloys of earth's outer core, but cannot be excluded even 
  1541. here for sufficiently energetic impulse decompressions.  If cavitation does 
  1542. occur at such depths, it would inherently be very high in available energy.  
  1543. The question would be more one of whether the very rapid collapse of a void
  1544. at such a depth would permit the development of a high degree of symmetry in 
  1545. the void.
  1546.  
  1547. The simplest model for natural impulse decompression is the "snapping" of a 
  1548. rock that already contains a fluid-filled crack.  Such a scenario places 
  1549. sever stress of the fluid near the center of the crack, and should be capable 
  1550. of forming significant voids even deep within the earth.
  1551.  
  1552. The "snapping" idea is particularly interesting in conjunction with hydro 
  1553. fluids that are associated with both deep faults and subduction zones, where
  1554. often extremely vigorous fracturing of rock is a commonplace occurrence.  It 
  1555. seems likely that in such regions the basic requirements for cavitation of 
  1556. some sort are not only available, but highly likely.
  1557.  
  1558. The question then becomes one of whether the fluids involved are capable of 
  1559. meeting the criteria for ultra cavitation -- that is, cavitation in which the 
  1560. void contains a vacuum of exceptionally high quality, and the spherical 
  1561. symmetry of the void is high.  Both hydro fluids and (perhaps) highly fluid 
  1562. magmas could be worth considering in this regard.
  1563.  
  1564. A question of this type cannot easily be answered without detailed estimates 
  1565. of the nature of such fluids, their gas contents, how they will evolve over 
  1566. time (e.g., will they tend to degass?), and other features relevant to the 
  1567. formation of high-quality voids.  A positive feature of such questions is 
  1568. that they should be amenable to experimental testing and simulation.
  1569.  
  1570. As a research issue, perhaps the best approach to resolving whether a natural 
  1571. form of ultra cavitation could lead to very-low-level fusion within the earth 
  1572. would be to first verify whether or not significant levels of fusion can be 
  1573. achieved with cavitation in a controlled laboratory environment.  If the 
  1574. answer to that question should turn out to be "yes," then it would seem 
  1575. highly appropriate for the question of natural ultra cavitation fusion to be 
  1576. pursued with great vigor through a combination of theory, speculation, 
  1577. numerical simulation, and direct testing of simulated deep-earth environment.
  1578.  
  1579.  
  1580. 6.  NUMERICAL SIMULATION OF ULTRA CAVITATION
  1581.  
  1582. Ultra cavitation is a problem that fairly well begs for detailed numerical 
  1583. simulation, since many of the details of how and whether certain intensities 
  1584. can be reached will be dependent on behaviors that cannot be accurately 
  1585. estimated by manual methods.
  1586.  
  1587. One interesting possibility for speeding the development of ultra-cavitation 
  1588. simulation programs could be to "borrow" features from simulations of other 
  1589. larger collapse phenomena, such as ion and laser confinement fusion, or 
  1590. possibly even supernova collapse simulations.  However, highly tailored 
  1591. software would clearly be needed to accurately model this special class of 
  1592. collapses in which the final stages may involve a small number of atoms.
  1593.  
  1594. Numeric simulation would also help wade through the potentially vast number 
  1595. of chemical and mechanical parameters that could be modified for ultra 
  1596. cavitation experiments, particularly in combination with experiments to 
  1597. identify interesting or unexpected regions of behavior.
  1598.  
  1599.  
  1600. 7.  SUMMARY
  1601.  
  1602. In summary, it seems likely that the full range of temperatures and pressures 
  1603. available through the simple, well-known phenomenon of cavitation has yet to 
  1604. be fully explored.  This paper has presented the premise that when cavitation 
  1605. is combined with a very hard void vacuum and a very high level of spherical 
  1606. symmetry, a significantly enhanced process that is referred to in this paper 
  1607. simply as "ultra cavitation" may extend obtainable pressures and temperatures 
  1608. into ranges normally reserved for intense plasma phenomena.
  1609.  
  1610. Experimental verification of this very-high-end range of cavitation effects 
  1611. would be of great interest scientifically and perhaps practically, since it 
  1612. would mean that such very high pressures and temperatures could be obtained 
  1613. far more easily, and with far less complex equipment, than was previously 
  1614. thought possible.
  1615.  
  1616. Finally, the possibility of naturally occurring ultra cavitation provides an 
  1617. intriguing possibility for experimental examination of the Jones et al 
  1618. hypothesis that planetary heating is in part the result of very-low-level 
  1619. fusion deep within the earth.
  1620.  
  1621.  
  1622. 8.  REFERENCES
  1623.  
  1624.     [1] Terry B. Bollinger (terry@asl.dl.nec.com), "In defense of Steven
  1625.         Jones."  Newsgroups: sci.physics.fusion, Message-ID:
  1626.         <1992Dec15.233802.16896@asl.dl.nec.com>, Date:  Tue, 15 Dec 1992
  1627.         23:38:02 GMT.
  1628.  
  1629.     [1] Terry B. Bollinger (terry@asl.dl.nec.com), "HICCUP Fusion."
  1630.         Newsgroups: sci.physics.fusion, Message-ID:
  1631.         <1992Dec16.201708.26730@asl.dl.nec.com>, Date: Wed, 16 Dec 1992
  1632.         20:17:08 GMT.
  1633.  
  1634.     [3] Steven E. Jones (jonesse@physc1.byu.edu), "Sonofusion at BYU."
  1635.         Newsgroups: sci.physics.fusion, Message-ID:
  1636.         <1992Dec16.113342.285@physc1.byu.edu>, Date: 16 Dec 92 11:33:42 -0700.
  1637.  
  1638.     [4] Steven E. Jones (jonesse@physc1.byu.edu), "Sonoluminescence
  1639.         References."  Newsgroups: sci.physics.fusion, Message-ID:
  1640.         <1992Dec18.111410.294@physc1.byu.edu>, Date: 18 Dec 92 11:14:10 -0700
  1641.  
  1642.     [5] Private conversations with Jay Yow regarding his research work at UMR.
  1643.  
  1644.     [6] Private email from Tom Droege regarding ultrasound equipment.
  1645.  
  1646.     [7] B.P. Barber, S.J. Putterman, "Observation of synchronous picosecond
  1647.         SL," Nature, 352:318, 25 July 1991.  [Reference provided by S. Jones.]
  1648.  
  1649.     [8] D.F. Gaitan, L.A. Crum, C.C. Church, R.A. Roy, "Sonoluminescence and
  1650.         bubble dynamics for a single, stable, cavitation bubble," J. Acoust.
  1651.         Soc. Am. 91(6): 3166 (June 1992).  [Reference provided by S. Jones.]
  1652.  
  1653.     [9] R. Hiller, S.J. Putterman, B.P. Barber, "Spectrum of Synchronous
  1654.         Picosecond SL", Physical Rev. Letters, 69:1182 (24 Aug. 1992).
  1655.         [Reference provided by S. Jones.]
  1656.  
  1657.    [10] Tom Droege (DROEGE@FNALD.FNAL.GOV), "Misc." Newsgroups:
  1658.         sci.physics.fusion, Message-ID:<921221133431.20c01220@FNALD.FNAL.GOV>,
  1659.         Date: Mon, 21 Dec 1992 21:02:37 GMT
  1660.  
  1661.    [11] Steven E. Jones (jonesse@physc1.byu.ed), "Natural Fusion in Earth
  1662.         Hypothesis." Newsgroups: sci.physics.fusion, Message-ID:
  1663.         <1992Dec28.121139.306@physc1.byu.edu>, Date: 28 Dec 92 12:11:39 -0700. 
  1664.  
  1665.  
  1666. ---------- Copyrighted document ends with (and includes) this line ----------- 
  1667.