より効率的なプラズマを実現する強力なマイクロ波磁場

プラズマと呼ばれる金属イオンと電子で構成される高温ガスは、多くの製造プロセス、化学合成、鉱石からの金属抽出や溶接などで広く使用されています。 東北大学と豊橋技術科学大学の共同研究グループは、マイクロ波共振器内の強磁場下で固体金属から金属プラズマを生成する新しい効率的な方法を発明した。 彼らはジャーナル AIP Advances でその革新性を報告しています。

プラズマを生成する最も従来の方法では、強い電場が気体または液体に適用されます。 これには膨大な量のエネルギーが必要となる場合があります。 最近では、マイクロ波放射は、原子を望ましい化学プロセスなどをより効果的に推進できる形に変換するため、プラズマの生成にも利用されています。 マイクロ波によって生成されたプラズマは現在、半導体製造、ダイヤモンドの堆積、鉱石からの金属の放出などの商業プロセスで使用されています。

しかし、これまでは、無秩序なマイクロ波分布を生成するマルチモード マイクロ波発生器が必要でした。 研究チームが達成した重要な進歩の 1 つは、シングルモード マイクロ波発生器を適用して金属プラズマを生成したことです。 これにより、より制御された、高度に集中されたマイクロ波が生成されます。

「私たちのプロセスは、多くの用途でプラズマ技術の効率を大幅に向上させ、商業分野での収益性を高めることができると期待しています」と、電子技術者の藤井聡氏とともにこの技術を開発した化学者の福島潤氏は語る。

研究者たちが直面した重要な課題の 1 つは、初期の血漿を 10 分以上安定させることができないことでした。 そこで彼らは装置を再設計し、最終的にははるかに長い安定性を実現しました。 最終的な、より革新的なシステムには二重石英管が含まれており、プラズマに変換される固体物質が内側の管内にあります。

研究者らは、自社の技術が鉱石から純粋な希土類金属を抽出するのに特に役立つと期待している。 セリウム、ランタン、ネオジムなどのこれらの金属は、電気自動車用の充電式バッテリーの製造などの大規模用途で広く使用されるようになってきています。 東北大学と豊橋技術科学大学のチームは、カルシウムとマグネシウムのプラズマを使用して、酸化鉱石からスカンジウムとバナジウム原子を放出することをすでに実証しました。

「これは、プラズマを利用するための新しくて型破りな方法であり、将来の材料科学応用におけるエネルギー要件を削減するために重要であると考えています」と福島氏は述べています。

タイトル: マイクロ波共振器における強磁場下での金属イオンプラズマの生成

Authors: Satoshi Fujii and Jun Fukushima

ジャーナル: AIP の進歩

DOI: 10.1063/5.0134071