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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023112725
(43)【公開日】2023-08-15
(54)【発明の名称】反応装置及び酸化物試料の還元物の製造方法
(51)【国際特許分類】
H05H 1/46 20060101AFI20230807BHJP
B01J 19/08 20060101ALI20230807BHJP
C22B 5/02 20060101ALI20230807BHJP
【ＦＩ】
H05H1/46 B
B01J19/08 E
C22B5/02
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022014599
(22)【出願日】2022-02-02
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和３年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業「マイクロ波還元プロセスによる高付加価値金属の製造」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】304027349
【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学
(71)【出願人】
【識別番号】504157024
【氏名又は名称】国立大学法人東北大学
(71)【出願人】
【識別番号】000136561
【氏名又は名称】株式会社フルヤ金属
(74)【代理人】
【識別番号】100115794
【弁理士】
【氏名又は名称】今下 勝博
(74)【代理人】
【識別番号】100119677
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 賢治
(72)【発明者】
【氏名】藤井 知
(72)【発明者】
【氏名】福島 潤
(72)【発明者】
【氏名】滝澤 博胤
(72)【発明者】
【氏名】大川 裕也
(72)【発明者】
【氏名】宮澤 智明
【テーマコード（参考）】
2G084
4G075
4K001
【Ｆターム（参考）】
2G084AA26
2G084BB11
2G084BB21
2G084BB30
2G084BB37
2G084CC04
2G084CC06
2G084CC14
2G084CC31
2G084CC33
2G084DD11
2G084DD25
2G084DD35
2G084DD56
2G084FF04
2G084FF31
2G084FF33
2G084FF39
2G084HH09
2G084HH20
2G084HH45
4G075AA22
4G075AA62
4G075BA06
4G075CA02
4G075CA26
4G075CA47
4G075DA02
4G075DA18
4G075EB27
4G075EB41
4G075EC25
4G075FB02
4G075FB06
4K001AA02
4K001AA27
4K001AA28
4K001AA39
4K001BA05
4K001DA14
4K001GA19
4K001HA12
(57)【要約】
【課題】本開示は、還元物の精製量を増やすことができ、サンプル温度のコントロールが容易であり、量産化を行いやすい反応装置を提供することを課題とする。また、この反応装置を用いて、効率よく酸化物試料の還元物を得ることができる方法を提供することを課題とする。
【解決手段】本開示に係る反応装置１００は、金属等のプラズマ源１３と、プラズマ源とは別体である還元処理対象の酸化物試料１４と、を収容するための反応室１５と、反応室の内部ガスを排気する排気ポンプ１２と、１つ又は２つ以上の空洞共振器と、酸化物試料を加熱するための加熱機構と、を少なくとも有し、空洞共振器のうち少なくとも一つが空洞共振器の中心に磁場強度分布を形成する形式を有し、空洞共振器としてプラズマ源の全部又は一部にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させるための第１空洞共振器８を有する。
【選択図】図１
【解決手段】本開示に係る反応装置１００は、金属等のプラズマ源１３と、プラズマ源とは別体である還元処理対象の酸化物試料１４と、を収容するための反応室１５と、反応室の内部ガスを排気する排気ポンプ１２と、１つ又は２つ以上の空洞共振器と、酸化物試料を加熱するための加熱機構と、を少なくとも有し、空洞共振器のうち少なくとも一つが空洞共振器の中心に磁場強度分布を形成する形式を有し、空洞共振器としてプラズマ源の全部又は一部にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させるための第１空洞共振器８を有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属、合金、金属間化合物、金属とセラミックスとの混合体、合金とセラミックスとの混合体、金属間化合物とセラミックスとの混合体及び炭素からなる群より選ばれる少なくとも１種のプラズマ源と、前記プラズマ源とは別体である還元処理対象の酸化物試料と、を収容するための反応室と、
該反応室の内部ガスを排気する排気ポンプと、
１つ又は２つ以上の空洞共振器と、
前記酸化物試料を加熱するための加熱機構と、を少なくとも有し、
前記空洞共振器のうち少なくとも一つが空洞共振器の中心に磁場強度分布を形成する形式を有し、
前記１つ又は２つ以上の空洞共振器として前記プラズマ源の全部又は一部にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させるための第１空洞共振器を有することを特徴とする反応装置。
該反応室の内部ガスを排気する排気ポンプと、
１つ又は２つ以上の空洞共振器と、
前記酸化物試料を加熱するための加熱機構と、を少なくとも有し、
前記空洞共振器のうち少なくとも一つが空洞共振器の中心に磁場強度分布を形成する形式を有し、
前記１つ又は２つ以上の空洞共振器として前記プラズマ源の全部又は一部にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させるための第１空洞共振器を有することを特徴とする反応装置。
【請求項2】
前記加熱機構が、前記酸化物試料にマイクロ波を照射して該酸化物試料を加熱するための第２空洞共振器であることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項3】
前記第１空洞共振器が空洞共振器の中心に電場強度分布が形成される空洞共振器であり、
前記第２空洞共振器が空洞共振器の中心に磁場強度分布が形成される空洞共振器であり、
前記第１空洞共振器が前記プラズマ源の一部にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させるための空洞共振器であり、かつ、
前記第２空洞共振器が前記プラズマ源の残部及び前記酸化物試料にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源及び前記酸化物試料を加熱するための空洞共振器であることを特徴とする請求項２に記載の反応装置。
前記第２空洞共振器が空洞共振器の中心に磁場強度分布が形成される空洞共振器であり、
前記第１空洞共振器が前記プラズマ源の一部にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させるための空洞共振器であり、かつ、
前記第２空洞共振器が前記プラズマ源の残部及び前記酸化物試料にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源及び前記酸化物試料を加熱するための空洞共振器であることを特徴とする請求項２に記載の反応装置。
【請求項4】
前記第１空洞共振器が空洞共振器の中心に磁場強度分布が形成される空洞共振器であり、
前記第２空洞共振器が空洞共振器の中心に磁場強度分布が形成される空洞共振器であり、
前記第１空洞共振器が前記プラズマ源にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させるための空洞共振器であり、かつ、
前記第２空洞共振器が前記酸化物試料にマイクロ波を照射し、前記酸化物試料を加熱するための空洞共振器であることを特徴とする請求項２に記載の反応装置。
前記第２空洞共振器が空洞共振器の中心に磁場強度分布が形成される空洞共振器であり、
前記第１空洞共振器が前記プラズマ源にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させるための空洞共振器であり、かつ、
前記第２空洞共振器が前記酸化物試料にマイクロ波を照射し、前記酸化物試料を加熱するための空洞共振器であることを特徴とする請求項２に記載の反応装置。
【請求項5】
前記第１空洞共振器が空洞共振器の中心に磁場強度分布が形成される空洞共振器でありかつ前記加熱機構を兼ねており、前記第１空洞共振器が前記酸化物試料にマイクロ波を照射して該酸化物試料を加熱することを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項6】
前記第１空洞共振器がシングルモード型であることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の反応装置。
【請求項7】
前記第２空洞共振器がシングルモード型であることを特徴とする請求項２～４のいずれか一つに記載の反応装置。
【請求項8】
前記加熱機構が、ヒータによる加熱、誘導加熱、又は抵抗加熱によって前記酸化物試料を加熱することを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項9】
前記プラズマ源は、導電率が３０００Ｓ／ｍ以上であることを特徴とする請求項１～８のいずれか一つに記載の反応装置。
【請求項10】
前記プラズマ源となる金属は、カルシウム、マグネシウムまたはアルミニウムのいずれかであり、
前記プラズマ源となる合金は、カルシウム合金、マグネシウム合金またはアルミニウム合金のいずれかであり、
前記プラズマ源となる金属間化合物は、カルシウム含有金属間化合物、マグネシウム含有金属間化合物またはアルミニウム金属間化合物のいずれかであり、
前記混合体中の前記セラミックスは、ジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１～９のいずれか一つに記載の反応装置。
前記プラズマ源となる合金は、カルシウム合金、マグネシウム合金またはアルミニウム合金のいずれかであり、
前記プラズマ源となる金属間化合物は、カルシウム含有金属間化合物、マグネシウム含有金属間化合物またはアルミニウム金属間化合物のいずれかであり、
前記混合体中の前記セラミックスは、ジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１～９のいずれか一つに記載の反応装置。
【請求項11】
反応室内に、金属、合金、金属間化合物、金属とセラミックスとの混合体、合金とセラミックスとの混合体、金属間化合物とセラミックスとの混合体及び炭素からなる群より選ばれる少なくとも１種のプラズマ源と還元処理対象の酸化物試料とを別体で配置する第１工程と、
前記反応室の内部ガスを排気する第２工程と、
前記プラズマ源の全部又は一部にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させ、かつ、前記酸化物試料を加熱して、前記酸化物試料の還元物を得る第３工程と、を有し、
該第３工程において、前記プラズマ源及び前記酸化物試料のうち少なくともいずれか一方に磁場モードのマイクロ波を照射することを特徴とする酸化物試料の還元物の製造方法。
前記反応室の内部ガスを排気する第２工程と、
前記プラズマ源の全部又は一部にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させ、かつ、前記酸化物試料を加熱して、前記酸化物試料の還元物を得る第３工程と、を有し、
該第３工程において、前記プラズマ源及び前記酸化物試料のうち少なくともいずれか一方に磁場モードのマイクロ波を照射することを特徴とする酸化物試料の還元物の製造方法。
【請求項12】
前記第３工程において、
前記プラズマ源の全部又は一部に照射するマイクロ波は、磁場モードのマイクロ波であることを特徴とする請求項１１に記載の酸化物試料の還元物の製造方法。
前記プラズマ源の全部又は一部に照射するマイクロ波は、磁場モードのマイクロ波であることを特徴とする請求項１１に記載の酸化物試料の還元物の製造方法。
【請求項13】
前記第３工程において、
前記プラズマ源の一部に電場モードのマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させ、
前記プラズマ源の残部及び前記酸化物試料に磁場モードのマイクロ波を照射し、前記プラズマ源及び前記酸化物試料を加熱することを特徴とする請求項１１に記載の酸化物試料の還元物の製造方法。
前記プラズマ源の一部に電場モードのマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させ、
前記プラズマ源の残部及び前記酸化物試料に磁場モードのマイクロ波を照射し、前記プラズマ源及び前記酸化物試料を加熱することを特徴とする請求項１１に記載の酸化物試料の還元物の製造方法。
【請求項14】
前記第３工程において、
前記プラズマ源に磁場モードのマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させ、
前記酸化物試料に磁場モードのマイクロ波を照射し、前記酸化物試料を加熱することを特徴とする請求項１１に記載の酸化物試料の還元物の製造方法。
前記プラズマ源に磁場モードのマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させ、
前記酸化物試料に磁場モードのマイクロ波を照射し、前記酸化物試料を加熱することを特徴とする請求項１１に記載の酸化物試料の還元物の製造方法。
【請求項15】
前記第３工程において、
ヒータによる加熱、誘導加熱、又は抵抗加熱によって前記酸化物試料を加熱することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の酸化物試料の還元物の製造方法。
ヒータによる加熱、誘導加熱、又は抵抗加熱によって前記酸化物試料を加熱することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の酸化物試料の還元物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、固体元素のプラズマの発生に関する装置構成とその発生したプラズマを利用する還元反応についての技術に関し、さらに、固体元素のプラズマの発生と還元反応とを生じさせる反応装置及び酸化物試料の還元物の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
気体からプラズマを発生させる場合、高電場により絶縁破壊を起こさせ、外部から高周波電力を与え、その放電を持続させることで、プラズマを持続させる。そして、プラズマにより活性となったイオン種を使って表面改質などに利用されている。
【0003】
また、固体を使い、その固体を構成する元素を主とするプラズマを発生させる方法の開示がある（例えば特許文献１を参照。）。特許文献１に開示された金属蒸気の発生方法は、金属材料とセラミックス体との混合体に、マイクロ波を照射して加熱し、前記金属材料を蒸発させることによって、金属蒸気を発生させることが記載されている。
【0004】
さらに、そのプラズマにより活性になったイオンを還元反応に利用する技術がある（例えば特許文献２又は特許文献３を参照。）。特許文献２に開示されたアルミニウム－スカンジウム合金の製造方法は、金属材料とセラミックス体との混合体に、マイクロ波を照射して加熱し、前記金属材料を蒸発させることによって、金属蒸気を発生させ、 酸化スカンジウムとアルミニウムに、前記金属蒸気を反応させることが記載されている。特許文献３に開示された酸化チタンの還元方法は、金属材料とセラミックス体との混合体に、マイクロ波を照射して加熱し、前記金属材料を蒸発させることによって、金属蒸気を発生させ、前記金属蒸気を酸化チタンに反応させることが記載されている。
【0005】
非特許文献１では、困難であった酸化スカンジウム還元について、還元材としてＭｇを用いたＡｌ‐Ｓｃ合金を製造するための新しいマイクロ波照射プロセスを用いた実験的な事実が記載されている。本手法により、金属間化合物Ａｌ３Ｓｃは、マイクロ波照射下での低温（６６０℃）還元反応により高収率（６９．８％）で得られている。
【0006】
非特許文献２では、マグネシウム蒸気とマイクロ波照射を使用することで、Ｖ２Ｏ５をバナジウム金属に還元する手法について述べたものであり、還元反応前にＶ２Ｏ５／ＭｇＯペレットのか焼で形成し、ＭｇＶ２Ｏ４の複合酸化物を前駆体として形成することが重要であることを記載されており、本前駆体をマグネシウム蒸気とマイクロ波照射を行うことで、従来の還元方法に比べ、１０００℃の加熱温度で１時間の短時間で還元ができることを実験的に示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０１８‐１４１１９０号公報
【特許文献2】特開２０１８‐１７８１８０号公報
【特許文献3】特開２０１８‐１７８２３４号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】S. Fujii, E. Suzuki, N. Inazu, S. Tsubaki, J. Fukushima, H. Takizawa, and Y. Wada, “Micro-wave Irradiation Process for Al Sc Alloy Production,” Scientific Reports, Vol. 10, pp. 2689, February 14, 2020
【非特許文献2】N. Inazu et-al,"A facile formation of vanadium(0) by the reduction of vanadium pentoxide pelletized with magnesium oxide enabled by microwave irradiation, " Chemistry Select, Vol. 5, pp. 2949-2953, Mar. 2020
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
特許文献１ではマイクロ波照射下における金属蒸気発生の条件（セラミックボールと金属の混合、その大きさなど）について述べている。特許文献２では、特許文献１の条件を用いたＡｌ‐Ｓｃ合金の製造方法について述べている。特許文献２の実施例や非特許文献１ではこれらの条件を満たすための具体的な装置構成の開示があり、それは４０ｃｍ辺の立方体マルチモード型アプリケータであり、その中に還元材となる金属蒸気発生源と原料とが設置されている。特許文献２の実施例で精製されるＡｌ‐Ｓｃ合金の量は数十ｇ程度以下と少量であるという課題があった。
【0010】
電磁波の一種であるマイクロ波には、電場モード、磁場モードと呼ばれるモード種があり、それぞれ及ぼす物理的現象が異なる。マルチモード型とは、マイクロ波を照射する形態の一種である。金属の箱の中に、電場や磁場の定在波が立ち、この定在波の腹や節が２つ以上のものをマルチモード型と呼ぶ。通常、これら節や腹の影響を均一化するためにマルチモード型アプリケータにはスタラファンやターンテーブルがある。
【0011】
特許文献２の技術では、さらに次の問題点がある。
（１）マイクロ波源一つで「金属蒸気の発生」「プラズマの発生」「還元対象物であるサンプルの加熱」を行うため、プラズマを維持させながら、サンプル温度を均一に保つことが難しく、プロセスウィンドウが極めて狭かった。
（２）反応系全体を大型のＳＵＳボックス（キャビティ）で覆う構成のため、マイクロ波の影響を受ける機器類を反応系の傍に設置することができなかった。結果、測温は非接触の放射温度計を用いても、緻密な温度管理が難しく、上記のサンプル温度コントロールをさらに難しくしていた。
（３）上記内容からサンプルのみ別熱源で加熱する、といったことを行うことも困難となっていた。
（４）キャビティが大型のボックスになっているため、マイクロ波のエネルギー分布が悪く、数ｍｍの設置誤差にて還元が失敗することがあった。
（５）特許文献２の技術で、量産に向けた装置大型化、または連続反応炉を設計する場合、大型化によるマイクロ波分布の悪化、熱ムラの発生は免れないことは明らかである。また、連続反応炉を設計する場合、キャビティ内に機器類、センサー類を設置できないことを鑑みると、構成の不自由さは明らかである。
（１）マイクロ波源一つで「金属蒸気の発生」「プラズマの発生」「還元対象物であるサンプルの加熱」を行うため、プラズマを維持させながら、サンプル温度を均一に保つことが難しく、プロセスウィンドウが極めて狭かった。
（２）反応系全体を大型のＳＵＳボックス（キャビティ）で覆う構成のため、マイクロ波の影響を受ける機器類を反応系の傍に設置することができなかった。結果、測温は非接触の放射温度計を用いても、緻密な温度管理が難しく、上記のサンプル温度コントロールをさらに難しくしていた。
（３）上記内容からサンプルのみ別熱源で加熱する、といったことを行うことも困難となっていた。
（４）キャビティが大型のボックスになっているため、マイクロ波のエネルギー分布が悪く、数ｍｍの設置誤差にて還元が失敗することがあった。
（５）特許文献２の技術で、量産に向けた装置大型化、または連続反応炉を設計する場合、大型化によるマイクロ波分布の悪化、熱ムラの発生は免れないことは明らかである。また、連続反応炉を設計する場合、キャビティ内に機器類、センサー類を設置できないことを鑑みると、構成の不自由さは明らかである。
【0012】
特許文献３の技術においても特許文献２と同様のマルチモード型の装置が用いられており、特許文献２の技術と同様の問題を有していた。すなわち、金属の箱の中の定在波の位置や数が決まってしまい、限られた領域しか使えず、マグネシウム蒸気発生や還元反応場所が限られてしまい、バッチ方式だと数ｇ程度しか精錬量が見込めないという問題点と上記（１）～（５）の問題点を有していた。
【0013】
本開示は、還元物の精製量を増やすことができ、サンプル温度のコントロールが容易であり、量産化を行いやすい反応装置を提供することを課題とする。また、この反応装置を用いて、効率よく酸化物試料の還元物を得ることができる方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、マイクロ波をプラズマ源に照射するにあたり、空洞共振器を用い、円筒の内部空間が、プラズマ源全体にマイクロ波が照射される配置・空間であるか又はプラズマ源の一部にマイクロ波が照射される配置であり、残部は円筒の内部空間外に配置される空間であることを満たし、かつ、空洞共振器の少なくとも一つが空洞共振器の中心に磁場強度分布を形成する形式とすることで、プラズマ源からプラズマの発生を安定して生じさせることができ、また、還元処理対象の酸化物試料を加熱しやすくできることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明に係る反応装置は、金属、合金、金属間化合物、金属とセラミックスとの混合体、合金とセラミックスとの混合体、金属間化合物とセラミックスとの混合体及び炭素からなる群より選ばれる少なくとも１種のプラズマ源と、前記プラズマ源とは別体である還元処理対象の酸化物試料と、を収容するための反応室と、該反応室の内部ガスを排気する排気ポンプと、１つ又は２つ以上の空洞共振器と、前記酸化物試料を加熱するための加熱機構と、を少なくとも有し、前記空洞共振器のうち少なくとも一つが空洞共振器の中心に磁場強度分布を形成する形式を有し、前記１つ又は２つ以上の空洞共振器として前記プラズマ源の全部又は一部にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させるための第１空洞共振器を有することを特徴とする。
【0015】
本発明に係る反応装置では、前記加熱機構が、前記酸化物試料にマイクロ波を照射して該酸化物試料を加熱するための第２空洞共振器であることが好ましい。従来、マルチモードアプリケータでプラズマ発生部と加熱部を分けることができなかったものが、分けることができるようになった。具体的には、酸化物試料をプラズマ源とは独立してマイクロ波を照射することができ、温度コントロールをより高精度とすることができる。また、従来マルチモードアプリケータでは、アプリケータ内全体にマイクロ波が分布するため、導入できる機器・装置の制約があったが、本発明では、シングルモードアプリケータの円筒中心以外にはマイクロ波が分布しないため、精錬装置の制約がなくなり、大型化や連続炉としての装置構成を採ることもでき、温度条件の緻密なコントロールにより、Ａｌ‐Ｓｃなどの精錬される合金量を飛躍的に向上させることが可能となる。
【0016】
ここで本発明に係る反応装置では、前記第１空洞共振器が空洞共振器の中心に電場強度分布が形成される空洞共振器であり、前記第２空洞共振器が空洞共振器の中心に磁場強度分布が形成される空洞共振器であり、前記第１空洞共振器が前記プラズマ源の一部にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させるための空洞共振器であり、かつ、前記第２空洞共振器が前記プラズマ源の残部及び前記酸化物試料にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源及び前記酸化物試料を加熱するための空洞共振器であることが好ましい。電場モードはプラズマの発生のきっかけとなるが、プラズマ源から発生する金属蒸気が系内への析出により、析出した金属表面で電場由来のマイクロ波が反射されるようになるため、プラズマの持続が難しい場合がある。しかし、磁場モードの併用によって、プラズマ源の金属蒸気の発生、系内への金属析出があってもプラズマを持続させやすくなる。
【0017】
また、本発明に係る反応装置では、前記第１空洞共振器が空洞共振器の中心に磁場強度分布が形成される空洞共振器であり、前記第２空洞共振器が空洞共振器の中心に磁場強度分布が形成される空洞共振器であり、前記第１空洞共振器が前記プラズマ源にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させるための空洞共振器であり、かつ、前記第２空洞共振器が前記酸化物試料にマイクロ波を照射し、前記酸化物試料を加熱するための空洞共振器であることが好ましい。磁場モードのマイクロ波を用いてプラズマ源から安定してプラズマを発生させることができ、また、磁場モードのマイクロ波を用いて酸化物試料を安定して加熱することができる。
【0018】
本発明に係る反応装置では、前記第１空洞共振器が空洞共振器の中心に磁場強度分布が形成される空洞共振器でありかつ前記加熱機構を兼ねており、前記第１空洞共振器が前記酸化物試料にマイクロ波を照射して該酸化物試料を加熱してもよい。空洞共振器が一つである場合の形態であり、反応装置を簡素とすることができる。
【0019】
本発明に係る反応装置では、前記第１空洞共振器がシングルモード型であることが好ましい。ここでシングルモード型とは、反応エリアに対し、発生する電場モード、磁場モードの定在波の腹部分が一つしかない型をいう。マイクロ波照射をシングルモード型とすることで、プラズマ源を容易にプラズマ化し、さらに、プラズマトーチとすることができる。
【0020】
本発明に係る反応装置では、前記第２空洞共振器がシングルモード型であることが好ましい。マイクロ波照射をシングルモード型とすることで、酸化物試料を容易に加熱することができ、かつ省エネルギーで加熱することができる。
【0021】
本発明に係る反応装置では、前記加熱機構が、ヒータによる加熱、誘導加熱、又は抵抗加熱によって前記酸化物試料を加熱することとしてもよい。これらの加熱機構によっても、第１空洞共振器によるプラズマ源のプラズマ化とは独立して、酸化物試料の加熱を制御することが容易である。
【0022】
本発明に係る反応装置では、前記プラズマ源は、導電率が３０００Ｓ／ｍ以上であることが好ましい。第１空洞共振器によって、安定的にプラズマを発生させることができる。
【0023】
本発明に係る反応装置では、前記プラズマ源となる金属は、カルシウム、マグネシウムまたはアルミニウムのいずれかであり、前記プラズマ源となる合金は、カルシウム合金、マグネシウム合金またはアルミニウム合金のいずれかであり、前記プラズマ源となる金属間化合物は、カルシウム含有金属間化合物、マグネシウム含有金属間化合物またはアルミニウム含有金属間化合物のいずれかであり、前記混合体中の前記セラミックスは、ジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。これらのプラズマ源はプラズマを発生しやすく、かつ、還元力が高いため、酸化物試料を効率よく還元することができる。
【0024】
本発明に係る酸化物試料の還元物の製造方法は、反応室内に、金属、合金、金属間化合物、金属とセラミックスとの混合体、合金とセラミックスとの混合体、金属間化合物とセラミックスとの混合体及び炭素からなる群より選ばれる少なくとも１種のプラズマ源と還元処理対象の酸化物試料とを別体で配置する第１工程と、前記反応室の内部ガスを排気する第２工程と、前記プラズマ源の全部又は一部にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させ、かつ、前記酸化物試料を加熱して、前記酸化物試料の還元物を得る第３工程と、を有し、該第３工程において、前記プラズマ源及び前記酸化物試料のうち少なくともいずれか一方に磁場モードのマイクロ波を照射することを特徴とする。
【0025】
本発明に係る酸化物試料の還元物の製造方法では、前記第３工程において、前記プラズマ源の全部又は一部に照射するマイクロ波は、磁場モードのマイクロ波であることが好ましい。少なくとも磁場モードのマイクロ波を用いて還元材となる金属のプラズマを発生させるとともに、還元対象物である酸素と強固に結合している酸化物試料を加熱し、還元材のプラズマによって脱酸することによって酸化物試料を還元するとともに、酸素と分離した金属を別の金属と結合させて合金などを形成することができる。
【0026】
本発明に係る酸化物試料の還元物の製造方法では、前記第３工程において、前記プラズマ源の一部に電場モードのマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させ、前記プラズマ源の残部及び前記酸化物試料に磁場モードのマイクロ波を照射し、前記プラズマ源及び前記酸化物試料を加熱することが好ましい。電場モードはプラズマの発生のきっかけとなるが、プラズマ源から発生する金属蒸気が系内への析出により、析出した金属表面で電場由来のマイクロ波が反射されるようになるため、プラズマの持続が難しい場合がある。しかし、磁場モードの併用によって、プラズマ源の金属蒸気の発生、系内への金属の析出があってもプラズマを持続させやすくなる。
【0027】
本発明に係る酸化物試料の還元物の製造方法では、前記第３工程において、前記プラズマ源に磁場モードのマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させ、前記酸化物試料に磁場モードのマイクロ波を照射し、前記酸化物試料を加熱することが好ましい。磁場モードのマイクロ波を用いてプラズマ源から安定してプラズマを発生させることができ、また、磁場モードのマイクロ波を用いて酸化物試料を安定して加熱することができる。
【0028】
本発明に係る酸化物試料の還元物の製造方法では、前記第３工程において、ヒータによる加熱、誘導加熱、又は抵抗加熱によって前記酸化物試料を加熱することとしてもよい。これらの加熱機構によっても、第１空洞共振器によるプラズマ源のプラズマ化とは独立して、酸化物試料の加熱を制御することができる。
【発明の効果】
【0029】
本開示によれば、還元物の精製量を増やすことができ、サンプル温度のコントロールが容易であり、量産化を行いやすい反応装置を提供することができる。また、この反応装置を用いて、効率よく酸化物試料の還元物を得ることができる方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】本実施形態に係る反応装置の第１例の概略図である。
【図2】Ａ－Ａ断面図である。
【図3】本実施形態に係る反応装置の第２例の概略図である。
【図4】本実施形態に係る反応装置の第３例の概略図である。
【図5】本実施形態に係る反応装置の第４例の概略図である。
【図6】実施例１で得られた粉体ペレットのＸＲＤ回折のチャートである。
【図7】実施例２で得られた粉体ペレットのＸＲＤ回折のチャートである。
【図8】実施例４で得られた粉体ペレットのＸＲＤ回折のチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0031】
次に本発明について実施形態を示して詳細に説明するが本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。本発明の効果を奏する限り、実施形態は種々の変形をしてもよい。
【0032】
本実施形態に係る反応装置は、金属、合金、金属間化合物、金属とセラミックスとの混合体、合金とセラミックスとの混合体、金属間化合物とセラミックスとの混合体及び炭素からなる群より選ばれる少なくとも１種のプラズマ源と、前記プラズマ源とは別体である還元処理対象の酸化物試料と、を収容するための反応室と、該反応室の内部ガスを排気する排気ポンプと、１つ又は２つ以上の空洞共振器と、前記酸化物試料を加熱するための加熱機構と、を少なくとも有し、前記空洞共振器のうち少なくとも一つが空洞共振器の中心に磁場強度分布を形成する形式を有し、前記１つ又は２つ以上の空洞共振器として前記プラズマ源の全部又は一部にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させるための第１空洞共振器を有する。本実施形態に係る反応装置は、例えば、第１例から第４例の４形態がある。以下、順に説明する。
【0033】
（反応装置の第１例）
図１に本実施形態に係る反応装置１００の概略図を示す。反応室１５は、例えば第１の石英管９の内部室であり、第１の石英管９の一端では蓋１０がされており、他端には排気ポンプ１２が接続されている。蓋１０には不図示の開放弁が設置されており、排気ポンプ１２の作動によって減圧空間となった反応室１５、すなわち第１の石英管９の内部空間は、開放弁を開とすることで、大気圧となる。なお、開放弁は、第１の石英管９と排気ポンプ１２とを結ぶ排気ラインの途中に設けてもよい。
図１に本実施形態に係る反応装置１００の概略図を示す。反応室１５は、例えば第１の石英管９の内部室であり、第１の石英管９の一端では蓋１０がされており、他端には排気ポンプ１２が接続されている。蓋１０には不図示の開放弁が設置されており、排気ポンプ１２の作動によって減圧空間となった反応室１５、すなわち第１の石英管９の内部空間は、開放弁を開とすることで、大気圧となる。なお、開放弁は、第１の石英管９と排気ポンプ１２とを結ぶ排気ラインの途中に設けてもよい。
【0034】
第１の石英管９の内部には、更に第２の石英管１１が配置されている。第２の石英管１１の内壁に蒸着物の析出が生じた場合、第２の石英管１１を交換する。第２の石英管１１を配置しない場合、第１の石英管９の内壁に蒸着物の析出が生じてしまうため、第２の石英管１１は、第１の石英管９の交換頻度を低減することができる。
【0035】
第１空洞共振器８は、図１及び図２に示すように、空洞を第１の石英管９が貫通するように配置される。第１空洞共振器８には、第１のチューナ７が接続され、第１のチューナ７には第１のパワーメータ６が接続され、第１のパワーメータ６には第１のマイクロ波電源５が接続されている。第１空洞共振器８は、例えば、２．４５ＧＨｚにて電場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータである。第１のマイクロ波電源５の出力及び周波数を制御することで、第１のパワーメータ６及び第１のチューナ７を介して、第１空洞共振器８に高周波電力がかかり、第１空洞共振器８は、反応室１５となる第１の石英管９の内部空間に配置されたプラズマ源１３の一部に、シングルモード型の電場の定在波を作用させることができる。これにより、プラズマ源１３からプラズマを発生させる。第１空洞共振器８の周波数は例えば９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚとすることが好ましく、高周波出力は５０～２０００Ｗとすることが好ましい。
【0036】
第２空洞共振器４は、空洞を第１の石英管９が貫通するように配置される。外観は図２に示した第１空洞共振器８の形態と同様である。第２空洞共振器４には、第２のチューナ３が接続され、第２のチューナ３には第２のパワーメータ２が接続され、第２のパワーメータ２には第２のマイクロ波電源１が接続されている。第２空洞共振器４は、例えば、２．４５ＧＨｚにて磁場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータである。第２のマイクロ波電源１の出力及び周波数を制御することで、第２のパワーメータ２及び第２のチューナ３を介して、第２空洞共振器４に高周波電力がかかり、第２空洞共振器４は、反応室１５となる第１の石英管９の内部空間に配置された酸化物試料１４及びプラズマ源１３の残部に、シングルモード型の磁場の定在波を作用させることができる。これにより、プラズマ源１３から発生したプラズマを持続させる。また、第２空洞共振器４がプラズマ源１３の残部及び酸化物試料１４にマイクロ波を照射し、プラズマ源１３及び酸化物試料１４を加熱する。第２空洞共振器４の周波数は例えば９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚとすることが好ましく、高周波出力は５０～２０００Ｗとすることが好ましい。電場モードはプラズマの発生のきっかけとなるが、プラズマ源から発生する金属蒸気が系内への析出により、析出した金属表面で電場由来のマイクロ波が反射されるようになるため、プラズマの持続が難しい場合がある。しかし、磁場モードの併用によって、プラズマ源の金属蒸気の発生、系内への金属の析出があってもプラズマを持続させやすくなる。
【0037】
第２空洞共振器４は、酸化物試料１４にマイクロ波を照射して酸化物試料１４を加熱するための加熱機構を兼ねている。すなわち、酸化物試料１４はシングルモード型の磁場の定在波によって加熱される。金属蒸気発生部と加熱部を分けることができるようになった。酸化物試料１４をプラズマ源１３とは独立してマイクロ波を照射することができ、温度コントロールをより高精度とすることができる。また、従来マルチモードアプリケータでは、アプリケータ内全体にマイクロ波が分布するため、導入できる機器・装置の制約があったが、本発明では、シングルモードアプリケータの円筒中心以外にはマイクロ波が分布しないため、精錬装置の制約がなくなり、大型化や連続炉としての装置構成を採ることもでき、出力源を分けたことによる、温度条件の緻密なコントロールにより、Ａｌ‐Ｓｃなどの精錬される合金量を飛躍的に向上させることが可能となる。
【0038】
プラズマ源１３は、その一部がシングルモード型の電場の定在波によって加熱され、プラズマを発生させる。また残部は、シングルモード型の磁場の定在波によって加熱される。すなわちプラズマ源１３は場所によってシングルモード型の電場の定在波又はシングルモード型の磁場の定在波によって加熱される。このように、プラズマ源１３が２種類の定在波によって加熱されることによって、仮に第２の石英管１１の内壁に金属の析出が生じ、析出した金属表面によって電場の定在波が反射されたとしても、磁場の定在波によってプラズマにマイクロ波は供給され、また析出物は再加熱されて金属蒸気、プラズマとなるので、安定してプラズマを発生させることができる。
【0039】
プラズマ源１３は、金属、合金、金属間化合物、金属とセラミックスとの混合体、合金とセラミックスとの混合体、金属間化合物とセラミックスとの混合体及び炭素からなる群より選ばれる少なくとも１種である。プラズマ源１３は、常温・常圧にて導電率が３０００Ｓ／ｍ以上であることが好ましい。プラズマが発生しやすい。プラズマ源１３となる金属は、カルシウム、マグネシウムまたはアルミニウムのいずれかであることが好ましい。プラズマ源１３となる合金は、カルシウム合金、マグネシウム合金またはアルミニウム合金のいずれかであることが好ましい。カルシウム合金としては例えばＣａ－Ａｌ合金である。マグネシウム合金としては例えばＭｇ－Ａｌ合金である。アルミニウム合金としては例えばＡｌ－Ｓｃ合金である。プラズマ源１３となる金属間化合物は、カルシウム含有金属間化合物、マグネシウム含有金属間化合物またはアルミニウム含有金属間化合物のいずれかであることが好ましい。カルシウム含有金属間化合物としては例えばＣａＭｇ２である。マグネシウム含有金属間化合物としては例えばＭｇ２Ｎｉである。アルミニウム含有金属間化合物としては例えばＡｌ３Ｓｃである。混合体中のセラミックスは、ジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。セラミックスを金属、合金及び金属間化合物のうち少なくとも１種に混合すると、プラズマ源１３がより加熱されやすくなり、金属の蒸気化を促進させることができる。炭素はグラファイトであることが好ましい。これらのプラズマ源はプラズマが発生しやすく、かつ、還元力が高いため、酸化物試料を効率よく還元することができる。プラズマ源１３はハンドリングの向上のためにアルミナボードに入れて第２の石英管１１の中に配置することが好ましい。プラズマ源１３は粉末、粒状、板状、箔状であることが好ましい。
【0040】
酸化物試料１４はプラズマ源１３とは別体として配置される。酸化物試料１４は、酸化スカンジウム、酸化チタン、酸化バナジウムなどの金属酸化物である。酸化物試料１４はプラズマによって還元させられて金属になる。また、酸化物試料１４は金属酸化物を構成する金属とは異なる他金属と混ぜられていてもよい。他金属としては、例えば、アルミニウムである。この場合、金属酸化物が還元されて金属化し、さらにこの金属は他金属とで合金化する。酸化物試料１４及び他金属は、粉末であることが好ましい。酸化物試料１４の粉末と他金属の粉末とを混合粉末とし、混合粉末をペレット化して酸化物試料１４とすることが好ましい。
【0041】
（反応装置の第２例）
次に図３を参照して、反応装置の第２例について、反応装置の第１例と相違する点を中心に説明する。図３に本実施形態に係る反応装置２００の概略図を示す。反応室１５は、反応装置１００と同様である。
次に図３を参照して、反応装置の第２例について、反応装置の第１例と相違する点を中心に説明する。図３に本実施形態に係る反応装置２００の概略図を示す。反応室１５は、反応装置１００と同様である。
【0042】
第１空洞共振器２４は、空洞を第１の石英管９が貫通するように配置される。外観は図２に示した第１空洞共振器８の形態と同様である。第１空洞共振器２４には、第１のチューナ２３が接続され、第１のチューナ２３には第１のパワーメータ２２が接続され、第１のパワーメータ２２には第１のマイクロ波電源２１が接続されている。第１空洞共振器２４は、例えば、２．４５ＧＨｚにて磁場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータである。第１のマイクロ波電源２１の出力及び周波数を制御することで、第１のパワーメータ２２及び第１のチューナ２３を介して、第１空洞共振器２４に高周波電力がかかり、第１空洞共振器２４は、反応室１５となる第１の石英管９の内部空間に配置されたプラズマ源１３の全体に、シングルモード型の磁場の定在波を作用させることができる。これにより、プラズマ源１３からプラズマを発生させる。第１空洞共振器２４の周波数は例えば９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚとすることが好ましく、高周波出力は５０～２０００Ｗとすることが好ましい。
【0043】
第２空洞共振器３４は、反応装置１００の第２空洞共振器４と同様である。すなわち、第２のマイクロ波電源３１の出力及び周波数を制御することで、第２のパワーメータ３２及び第２のチューナ３３を介して、第２空洞共振器３４に高周波電力がかかり、第２空洞共振器３４は、反応室１５となる第１の石英管９の内部空間に配置された酸化物試料１４に、シングルモード型の磁場の定在波を作用させることができる。
【0044】
第２空洞共振器３４は、反応装置１００の第２空洞共振器４と同様に、酸化物試料１４にマイクロ波を照射して酸化物試料１４を加熱するための加熱機構を兼ねている。
【0045】
プラズマ源１３は、全体がシングルモード型の磁場の定在波によって加熱され、プラズマを発生させる。また、磁場モードのマイクロ波を用いて酸化物試料１４を安定して加熱することができる。
【0046】
プラズマ源１３及び酸化物試料１４は反応装置１００と同様である。
【0047】
（反応装置の第３例）
次に図４を参照して、反応装置の第３例について、反応装置の第１例と相違する点を中心に説明する。図４に本実施形態に係る反応装置３００の概略図を示す。反応室１５は、反応装置１００と同様である。
次に図４を参照して、反応装置の第３例について、反応装置の第１例と相違する点を中心に説明する。図４に本実施形態に係る反応装置３００の概略図を示す。反応室１５は、反応装置１００と同様である。
【0048】
第１空洞共振器４４は、空洞を第１の石英管９が貫通するように配置される。外観は図２に示した第１空洞共振器８の形態と同様である。第１空洞共振器４４には、第１のチューナ４３が接続され、第１のチューナ４３には第１のパワーメータ４２が接続され、第１のパワーメータ４２には第１のマイクロ波電源４１が接続されている。第１空洞共振器４４は、例えば、２．４５ＧＨｚにて磁場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータである。第１のマイクロ波電源４１の出力及び周波数を制御することで、第１のパワーメータ４２及び第１のチューナ４３を介して、第１空洞共振器４４に高周波電力がかかり、第１空洞共振器４４は、反応室１５となる第１の石英管９の内部空間に配置されたプラズマ源１３の全体に、シングルモード型の磁場の定在波を作用させることができる。これにより、プラズマ源１３からプラズマを発生させる。第１空洞共振器４４の周波数は例えば９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚとすることが好ましく、高周波出力は５０～２０００Ｗとすることが好ましい。
【0049】
反応装置３００では、第２空洞共振器は設置されていない。第１の石英管９の内部に配置された第２の石英管１１の内部空間であって、第１空洞共振器４４の空洞内にプラズマ源１３と酸化物試料１４が別体で配置される。第１空洞共振器４４によって、プラズマ源１３の全体と酸化物試料１４の全体にシングルモード型の磁場の定在波を作用させることができる。
【0050】
第１空洞共振器４４は、反応装置１００の第２空洞共振器４と同様に、酸化物試料１４にマイクロ波を照射して酸化物試料１４を加熱するための加熱機構を兼ねている。
【0051】
プラズマ源１３は、第１空洞共振器４４が生じさせるシングルモード型の磁場の定在波によって全体が加熱され、プラズマを発生させる。第２の石英管１１の内壁に金属蒸気の発生による金属析出物が生じても、磁場モードのマイクロ波を用いているためプラズマ源から安定してプラズマを発生させることができ、また、酸化物試料１４を安定して加熱することができる。
【0052】
プラズマ源１３及び酸化物試料１４は、配置を除き、反応装置１００と同様である。
【0053】
（反応装置の第４例）
次に図５を参照して、反応装置の第４例について、反応装置の第３例と相違する点を中心に説明する。図５に本実施形態に係る反応装置４００の概略図を示す。反応室１５は、反応装置３００と同様、すなわち反応装置１００と同様である。
次に図５を参照して、反応装置の第４例について、反応装置の第３例と相違する点を中心に説明する。図５に本実施形態に係る反応装置４００の概略図を示す。反応室１５は、反応装置３００と同様、すなわち反応装置１００と同様である。
【0054】
第１空洞共振器５４は、反応装置３００の第１空洞共振器４４と同様である。第１空洞共振器５４には、第１のチューナ５３が接続され、第１のチューナ５３には第１のパワーメータ５２が接続され、第１のパワーメータ５２には第１のマイクロ波電源５１が接続されている。第１空洞共振器５４は、例えば、２．４５ＧＨｚにて磁場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータである。第１のマイクロ波電源５１の出力及び周波数を制御することで、第１のパワーメータ５２及び第１のチューナ５３を介して、第１空洞共振器５４に高周波電力がかかり、第１空洞共振器５４は、反応室１５となる第１の石英管９の内部空間に配置されたプラズマ源１３の全体に、シングルモード型の磁場の定在波を作用させることができる。これにより、プラズマ源１３からプラズマを発生させる。第１空洞共振器５４の周波数は例えば９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚとすることが好ましく、高周波出力は５０～２０００Ｗとすることが好ましい。
【0055】
反応装置４００では、第２空洞共振器は設置されていない。第１の石英管９の内部に配置された第２の石英管１１の内部空間であって、第１空洞共振器５４の空洞内にプラズマ源１３が配置される。第１空洞共振器５４によって、プラズマ源１３の全体にシングルモード型の磁場の定在波を作用させることができる。
【0056】
第１空洞共振器５４は、反応装置３００の形態とは異なり、第１の石英管９の内部に配置された第２の石英管１１の内部空間であって、第１空洞共振器５４の空洞内に酸化物試料１４は配置されていない。代わりに、酸化物試料１４は第１空洞共振器５４の空洞の外であって第２の石英管１１の内部空間内にプラズマ源１３とは別体で配置されている。そして酸化物試料１４を加熱する加熱機構３０が設けられている。加熱機構３０は、ヒータによる加熱、誘導加熱、又は抵抗加熱によって前記酸化物試料１４を加熱する。
【0057】
プラズマ源１３は、第１空洞共振器５４が生じさせるシングルモード型の磁場の定在波によって全体が加熱され、プラズマを発生させる。第２の石英管１１の内壁に金属蒸気発生による、金属析出物が生じても、磁場モードのマイクロ波を用いているのでプラズマ源から安定してプラズマを発生させることができる。そして、酸化物試料１４は例えばランプヒータなどの加熱機構３０によって加熱される。
【0058】
プラズマ源１３及び酸化物試料１４は、配置を除き、反応装置３００、すなわち反応装置１００と同様である。
【0059】
温度計の設置位置及び温度の測定方法は、例えば、第１空洞共振器８，２４，４４，５４や第２空洞共振器４，３４の上部分にΦ５ｍｍ程度の穴を設け、２色放射温度計などの温度計１６を設置してプラズマ源１３及び酸化物試料１４の温度を測定する。ランプヒータで加熱された酸化物試料１４の温度を測定する場合には、２色放射温度計などの温度計１６を酸化物試料１４に向けて測定する。反応系全体を大型のＳＵＳボックス（キャビティ）で覆う構成ではないため、測温は非接触の放射温度計を用いても、十分な温度測定を行うことができ、緻密な温度管理を行うことができ、サンプル温度のコントロールがし易い。なお、より緻密な温度コントロールを要する場合、プラズマ源１３及び酸化物試料１４付近にプラズマ源１３や酸化物試料１４と反応しない接触式の熱電対を取り付けてプラズマ源１３及び酸化物試料１４の温度を測定することもできる。反応系全体を大型のＳＵＳボックス（キャビティ）で覆う構成ではないため、測温は接触式の熱電対を用いても、温度測定を行うことができ、より緻密な温度管理を行うことができ、サンプル温度のコントロールがよりし易い。
【0060】
（酸化物試料の還元物の製造方法）
次に本実施形態に係る酸化物試料の還元物の製造方法について説明する。本実施形態に係る酸化物試料の還元物の製造方法は、反応室内に、金属、合金、金属間化合物、金属とセラミックスとの混合体、合金とセラミックスとの混合体、金属間化合物とセラミックスとの混合体及び炭素からなる群より選ばれる少なくとも１種のプラズマ源と還元処理対象の酸化物試料とを別体で配置する第１工程と、前記反応室の内部ガスを排気する第２工程と、前記プラズマ源の全部又は一部にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させ、かつ、前記酸化物試料を加熱して、前記酸化物試料の還元物を得る第３工程と、を有する。
次に本実施形態に係る酸化物試料の還元物の製造方法について説明する。本実施形態に係る酸化物試料の還元物の製造方法は、反応室内に、金属、合金、金属間化合物、金属とセラミックスとの混合体、合金とセラミックスとの混合体、金属間化合物とセラミックスとの混合体及び炭素からなる群より選ばれる少なくとも１種のプラズマ源と還元処理対象の酸化物試料とを別体で配置する第１工程と、前記反応室の内部ガスを排気する第２工程と、前記プラズマ源の全部又は一部にマイクロ波を照射し、前記プラズマ源からプラズマを発生させ、かつ、前記酸化物試料を加熱して、前記酸化物試料の還元物を得る第３工程と、を有する。
【0061】
（第１工程）
反応室内の第２の石英管１１の内部空間内に、アルミナボードに入れられたプラズマ源１３と、ペレット状に固められた酸化物試料１４を別体で配置する。このとき、反応装置１００において、第１空洞共振器８の空洞内にプラズマ源１３の一部を配置し、第２空洞共振器４の空洞内にプラズマ源１３の残部及び酸化物試料１４の全体を配置する。反応装置２００において、第１空洞共振器２４の空洞内にプラズマ源１３の全体を配置し、第２空洞共振器３４の空洞内に酸化物試料１４の全体を配置する。反応装置３００において、第１空洞共振器４４の空洞内にプラズマ源１３の全体及び酸化物試料１４の全体を配置する。反応装置４００において、第１空洞共振器５４の空洞内にプラズマ源１３の全体を配置し、第１空洞共振器５４の空洞外に酸化物試料１４の全体を配置する。
反応室内の第２の石英管１１の内部空間内に、アルミナボードに入れられたプラズマ源１３と、ペレット状に固められた酸化物試料１４を別体で配置する。このとき、反応装置１００において、第１空洞共振器８の空洞内にプラズマ源１３の一部を配置し、第２空洞共振器４の空洞内にプラズマ源１３の残部及び酸化物試料１４の全体を配置する。反応装置２００において、第１空洞共振器２４の空洞内にプラズマ源１３の全体を配置し、第２空洞共振器３４の空洞内に酸化物試料１４の全体を配置する。反応装置３００において、第１空洞共振器４４の空洞内にプラズマ源１３の全体及び酸化物試料１４の全体を配置する。反応装置４００において、第１空洞共振器５４の空洞内にプラズマ源１３の全体を配置し、第１空洞共振器５４の空洞外に酸化物試料１４の全体を配置する。
【0062】
（第２工程）
排気ポンプ１２を作動させ、反応室１５の内部ガスを排気する。反応室１５の圧力は、例えば５Ｐａ以下、好ましくは１０－１Ｐａ以下とする。
排気ポンプ１２を作動させ、反応室１５の内部ガスを排気する。反応室１５の圧力は、例えば５Ｐａ以下、好ましくは１０－１Ｐａ以下とする。
【0063】
（第３工程）
第１空洞共振器、第２空洞共振器、加熱機構などの機器を作動させ、プラズマ源１３の全部又は一部にマイクロ波を照射し、プラズマ源１３からプラズマを発生させ、かつ、酸化物試料１４を加熱して、酸化物試料の還元物を得る。より具体的には、反応装置１００において、第１空洞共振器８及び第２空洞共振器４を作動させ、プラズマ源１３の一部にマイクロ波、好ましくはシングルモード型の電場の定在波を作用させ、プラズマ源１３からプラズマを発生させ、かつ、プラズマ源１３の残部及び酸化物試料１４にマイクロ波、好ましくはシングルモード型の磁場の定在波を作用させることでそれらを加熱して、酸化物試料の還元物を得る。電場モードはプラズマの発生のきっかけとなるが、プラズマ源から発生する金属蒸気が系内への析出により、析出した金属表面で電場由来のマイクロ波が反射されるようになるため、プラズマの持続が難しい場合がある。しかし、磁場モードの併用によって、プラズマ源の金属蒸気の発生、系内への金属の析出があってもプラズマを持続させやすくなる。
第１空洞共振器、第２空洞共振器、加熱機構などの機器を作動させ、プラズマ源１３の全部又は一部にマイクロ波を照射し、プラズマ源１３からプラズマを発生させ、かつ、酸化物試料１４を加熱して、酸化物試料の還元物を得る。より具体的には、反応装置１００において、第１空洞共振器８及び第２空洞共振器４を作動させ、プラズマ源１３の一部にマイクロ波、好ましくはシングルモード型の電場の定在波を作用させ、プラズマ源１３からプラズマを発生させ、かつ、プラズマ源１３の残部及び酸化物試料１４にマイクロ波、好ましくはシングルモード型の磁場の定在波を作用させることでそれらを加熱して、酸化物試料の還元物を得る。電場モードはプラズマの発生のきっかけとなるが、プラズマ源から発生する金属蒸気が系内への析出により、析出した金属表面で電場由来のマイクロ波が反射されるようになるため、プラズマの持続が難しい場合がある。しかし、磁場モードの併用によって、プラズマ源の金属蒸気の発生、系内への金属の析出があってもプラズマを持続させやすくなる。
【0064】
また、反応装置２００において、第１空洞共振器２４及び第２空洞共振器３４を作動させ、プラズマ源１３の全体にマイクロ波、好ましくはシングルモード型の磁場の定在波を作用させ、プラズマ源１３からプラズマを発生させ、かつ、酸化物試料１４の全体にマイクロ波、好ましくはシングルモード型の磁場の定在波を作用させることでそれらを加熱して、酸化物試料の還元物を得る。磁場モードのマイクロ波を用いてプラズマ源から安定してプラズマを発生させることができ、また、磁場モードのマイクロ波を用いて酸化物試料１４を安定して加熱することができる。
【0065】
また、反応装置３００において、第１空洞共振器４４を作動させ、プラズマ源１３の全体にマイクロ波、好ましくはシングルモード型の磁場の定在波を作用させ、プラズマ源１３のプラズマを発生させ、かつ、酸化物試料１４の全体にマイクロ波、好ましくはシングルモード型の磁場の定在波を作用させて加熱して、酸化物試料の還元物を得る。磁場モードのマイクロ波を用いてプラズマ源１３から安定してプラズマを発生させることができ、また、磁場モードのマイクロ波を用いて酸化物試料１４を安定して加熱することができる。
【0066】
また、反応装置４００において、第１空洞共振器５４を作動させ、プラズマ源１３の全体にマイクロ波、好ましくはシングルモード型の磁場の定在波を作用させ、プラズマ源１３からプラズマを発生させ、かつ、酸化物試料１４の全体にランプヒータ等の加熱機構３０によって加熱して、酸化物試料の還元物を得る。第３工程において、プラズマ源１３の全部又は一部に照射するマイクロ波は、磁場モードのマイクロ波であることが好ましい。少なくとも磁場モードのマイクロ波を用いて還元材となる金属のプラズマを発生させるとともに、還元対象物である酸素と強固に結合している酸化物試料１４を加熱し、還元材のプラズマによって脱酸することによって酸化物試料１４を還元するとともに、酸素と分離した金属を別の金属と結合させて合金などを形成することができる。これらの加熱機構３０によっても、第１空洞共振器５４によるプラズマ源１３のプラズマ化とは独立して、酸化物試料１４の加熱を制御することが容易である。
【実施例0067】
次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0068】
（実施例１）
図１に示す反応装置１００を用いる。２．４５ＧＨｚにて電場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータ（第１空洞共振器８）と２．４５ＧＨｚにて磁場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータ（第２空洞共振器４）を並べ、第１空洞共振器８及び第２空洞共振器４の中心に第１の石英管９を設置した。次に、プラズマ源１３となるマグネシウム金属粉（１．０ｇ）とジルコニアボール（１．０ｇ）を混合して得られた混合体（２．０ｇ）をアルミナボートに設置した。マグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体をアルミナボートに設置した箇所以外の箇所にＡｌ粉末（０．６ｇ）と酸化スカンジウム粉末（０．３ｇ）との粉体ペレット（Ａｌ‐Ｓｃ２Ｏ３ペレット）（０．９ｇ）を酸化物試料１４としてアルミナボートに設置した。次に、アルミナボートをそれぞれ第２の石英管１１内に設置し、第２の石英管１１を第１の石英管９内に設置し、マグネシウム金属粉とジルコニアボールの混合体が第１空洞共振器８内および第２空洞共振器４内に収まるようにし、Ａｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレットが第２空洞共振器４内に収まるようにした。次に、第１の石英管９は排気ポンプ１２（ロータリーポンプ）によって真空排気を行い、約０．５～１Ｐａに真空を維持させた状態で第１空洞共振器８及び第２空洞共振器４にそれぞれ９０Ｗ程度の高周波電力を与えた。約１分後にはマグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体の全体が約３００℃以上に到達し、その後、安定なマグネシウムのプラズマの発生が約１０～１５分程度観測された。プラズマの発生が観測されている間、第２空洞共振器４内のＡｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレットにマイクロ波を照射し、５００℃以上に加熱した。その後、冷却して装置から取り出したＡｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレット（約１ｇ程度）のＸＲＤ回折を行った結果、図６に示すようにＡｌ３Ｓｃ形成が確認され、還元反応が確認された。第１空洞共振器８内ではジルコニアボールとマグネシウム粉末の間に高電界が発生しマグネシウムが蒸発し、容易にプラズマ化した。第２空洞共振器４では磁場によるエネルギーが供給されるためマグネシウム薄膜が石英管に付着しても磁場は浸透するため粉末ペレットにマイクロ波エネルギーが供給される。
図１に示す反応装置１００を用いる。２．４５ＧＨｚにて電場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータ（第１空洞共振器８）と２．４５ＧＨｚにて磁場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータ（第２空洞共振器４）を並べ、第１空洞共振器８及び第２空洞共振器４の中心に第１の石英管９を設置した。次に、プラズマ源１３となるマグネシウム金属粉（１．０ｇ）とジルコニアボール（１．０ｇ）を混合して得られた混合体（２．０ｇ）をアルミナボートに設置した。マグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体をアルミナボートに設置した箇所以外の箇所にＡｌ粉末（０．６ｇ）と酸化スカンジウム粉末（０．３ｇ）との粉体ペレット（Ａｌ‐Ｓｃ２Ｏ３ペレット）（０．９ｇ）を酸化物試料１４としてアルミナボートに設置した。次に、アルミナボートをそれぞれ第２の石英管１１内に設置し、第２の石英管１１を第１の石英管９内に設置し、マグネシウム金属粉とジルコニアボールの混合体が第１空洞共振器８内および第２空洞共振器４内に収まるようにし、Ａｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレットが第２空洞共振器４内に収まるようにした。次に、第１の石英管９は排気ポンプ１２（ロータリーポンプ）によって真空排気を行い、約０．５～１Ｐａに真空を維持させた状態で第１空洞共振器８及び第２空洞共振器４にそれぞれ９０Ｗ程度の高周波電力を与えた。約１分後にはマグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体の全体が約３００℃以上に到達し、その後、安定なマグネシウムのプラズマの発生が約１０～１５分程度観測された。プラズマの発生が観測されている間、第２空洞共振器４内のＡｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレットにマイクロ波を照射し、５００℃以上に加熱した。その後、冷却して装置から取り出したＡｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレット（約１ｇ程度）のＸＲＤ回折を行った結果、図６に示すようにＡｌ３Ｓｃ形成が確認され、還元反応が確認された。第１空洞共振器８内ではジルコニアボールとマグネシウム粉末の間に高電界が発生しマグネシウムが蒸発し、容易にプラズマ化した。第２空洞共振器４では磁場によるエネルギーが供給されるためマグネシウム薄膜が石英管に付着しても磁場は浸透するため粉末ペレットにマイクロ波エネルギーが供給される。
【0069】
（実施例２）
図３に示す反応装置２００を用いる。２．４５ＧＨｚにて磁場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータとして第１空洞共振器２４及び第２空洞共振器３４の２台を用い、一方の第１空洞共振器２４及び他方の第２空洞共振器３４の中心に第１の石英管９を設置した。次に、プラズマ源１３となるマグネシウム金属粉（１．０ｇ）とジルコニアボール（１．０ｇ）を混合して得られた混合体（２．０ｇ）をアルミナボートに設置した。マグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体をアルミナボートに設置した箇所以外の箇所にＡｌ粉末（１．０ｇ）と酸化スカンジウム粉末（０．５ｇ）との粉体ペレット（Ａｌ‐Ｓｃ２Ｏ３ペレット）（１．５ｇ）を酸化物試料１４としてアルミナボートに設置した。次に、アルミナボートをそれぞれ第２の石英管１１内に設置し、第２の石英管１１を第１の石英管９内に設置し、マグネシウム金属粉とジルコニアボールの混合体の全体が第１空洞共振器２４内に収まるようにし、Ａｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレットの全体が第２空洞共振器３４内に収まるようにした。次に、第１の石英管９は排気ポンプ１２（ロータリーポンプ）で真空排気を行い、約０．５～１Ｐａに真空を維持させた状態で第１空洞共振器２４に９０Ｗ程度の高周波電力を与えたところ、約１～２分後にはマグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体の全体が約３００℃以上に到達し、その後、安定なマグネシウムのプラズマの発生が約１０～１５分程度観測された。プラズマの発生が観測されている間、第２空洞共振器３４内のＡｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレットにマイクロ波を照射し、５００℃以上に加熱した。その後、冷却して装置から取り出したＡｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレット（約１ｇ）のＸＲＤ回折を行った結果、図７に示すようにＡｌ３Ｓｃの形成が確認され、還元反応が確認された。第１空洞共振器２４内ではマグネシウム粉末の間に磁場による誘導電流が発生し、マグネシウムの温度が上昇し蒸発する。この際、マグネシウムイオンと同時に熱電子が放出されるため、熱電子により容易にプラズマ化する。また、第１空洞共振器２４では磁場によるエネルギーが供給されるためマグネシウム薄膜が石英管に付着しても磁場は金属を浸透するため粉末ペレットにマイクロ波のエネルギーが供給され、還元反応も継続される。
図３に示す反応装置２００を用いる。２．４５ＧＨｚにて磁場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータとして第１空洞共振器２４及び第２空洞共振器３４の２台を用い、一方の第１空洞共振器２４及び他方の第２空洞共振器３４の中心に第１の石英管９を設置した。次に、プラズマ源１３となるマグネシウム金属粉（１．０ｇ）とジルコニアボール（１．０ｇ）を混合して得られた混合体（２．０ｇ）をアルミナボートに設置した。マグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体をアルミナボートに設置した箇所以外の箇所にＡｌ粉末（１．０ｇ）と酸化スカンジウム粉末（０．５ｇ）との粉体ペレット（Ａｌ‐Ｓｃ２Ｏ３ペレット）（１．５ｇ）を酸化物試料１４としてアルミナボートに設置した。次に、アルミナボートをそれぞれ第２の石英管１１内に設置し、第２の石英管１１を第１の石英管９内に設置し、マグネシウム金属粉とジルコニアボールの混合体の全体が第１空洞共振器２４内に収まるようにし、Ａｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレットの全体が第２空洞共振器３４内に収まるようにした。次に、第１の石英管９は排気ポンプ１２（ロータリーポンプ）で真空排気を行い、約０．５～１Ｐａに真空を維持させた状態で第１空洞共振器２４に９０Ｗ程度の高周波電力を与えたところ、約１～２分後にはマグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体の全体が約３００℃以上に到達し、その後、安定なマグネシウムのプラズマの発生が約１０～１５分程度観測された。プラズマの発生が観測されている間、第２空洞共振器３４内のＡｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレットにマイクロ波を照射し、５００℃以上に加熱した。その後、冷却して装置から取り出したＡｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレット（約１ｇ）のＸＲＤ回折を行った結果、図７に示すようにＡｌ３Ｓｃの形成が確認され、還元反応が確認された。第１空洞共振器２４内ではマグネシウム粉末の間に磁場による誘導電流が発生し、マグネシウムの温度が上昇し蒸発する。この際、マグネシウムイオンと同時に熱電子が放出されるため、熱電子により容易にプラズマ化する。また、第１空洞共振器２４では磁場によるエネルギーが供給されるためマグネシウム薄膜が石英管に付着しても磁場は金属を浸透するため粉末ペレットにマイクロ波のエネルギーが供給され、還元反応も継続される。
【0070】
（実施例３）
図４に示す反応装置３００を用いる。２．４５ＧＨｚにて磁場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータ（第１空洞共振器４４）に第１の石英管９を設置した。次に、プラズマ源１３となるマグネシウム金属粉（１．０ｇ）とジルコニアボール（１．０ｇ）を混合して得られた混合体（２．０ｇ）をアルミナボートに設置した。マグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体をアルミナボートに設置した箇所以外の箇所にＡｌ粉末（１．０ｇ）と酸化スカンジウム粉末（０．５ｇ）との粉体ペレット（Ａｌ‐Ｓｃ２Ｏ３ペレット）（１．５ｇ）を酸化物試料１４としてアルミナボートに設置した。次に、アルミナボートを第２の石英管１１内に設置し、第２の石英管１１を第１の石英管９内に設置し、マグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体及びＡｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレットが第１空洞共振器４４内に収まるようにした。次に、第１の石英管９は排気ポンプ１２（ロータリーポンプ）によって真空排気を行い、約０．５～１Ｐａに真空を維持させた状態で、第１空洞共振器４４に９０Ｗ程度の高周波電力を与えたところ、約１～２分後にはマグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体の全体が約３００℃以上に到達し、その後、安定なマグネシウムのプラズマの発生が約１０～１５分程度観測された。第１空洞共振器４４のみでも十分にプラズマ源からプラズマを発生できることを確認した。
図４に示す反応装置３００を用いる。２．４５ＧＨｚにて磁場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータ（第１空洞共振器４４）に第１の石英管９を設置した。次に、プラズマ源１３となるマグネシウム金属粉（１．０ｇ）とジルコニアボール（１．０ｇ）を混合して得られた混合体（２．０ｇ）をアルミナボートに設置した。マグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体をアルミナボートに設置した箇所以外の箇所にＡｌ粉末（１．０ｇ）と酸化スカンジウム粉末（０．５ｇ）との粉体ペレット（Ａｌ‐Ｓｃ２Ｏ３ペレット）（１．５ｇ）を酸化物試料１４としてアルミナボートに設置した。次に、アルミナボートを第２の石英管１１内に設置し、第２の石英管１１を第１の石英管９内に設置し、マグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体及びＡｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレットが第１空洞共振器４４内に収まるようにした。次に、第１の石英管９は排気ポンプ１２（ロータリーポンプ）によって真空排気を行い、約０．５～１Ｐａに真空を維持させた状態で、第１空洞共振器４４に９０Ｗ程度の高周波電力を与えたところ、約１～２分後にはマグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体の全体が約３００℃以上に到達し、その後、安定なマグネシウムのプラズマの発生が約１０～１５分程度観測された。第１空洞共振器４４のみでも十分にプラズマ源からプラズマを発生できることを確認した。
【0071】
（実施例４）
図５に示す反応装置４００を用いる。２．４５ＧＨｚにて磁場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータ（第１空洞共振器５４）に第１の石英管９を設置した。次に、プラズマ源１３となるマグネシウム金属粉（１．０ｇ）とジルコニアボール（１．０ｇ）を混合して得られた混合体（２．０ｇ）をアルミナボートに設置した。次に、マグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体をアルミナボートに設置した箇所以外の箇所にＡｌ粉末（１．０ｇ）と酸化スカンジウム粉末（０．５ｇ）との粉体ペレット（Ａｌ‐Ｓｃ２Ｏ３ペレット）（１．５ｇ）を酸化物試料１４アルミナボートに設置した。次に、アルミナボートを第２の石英管１１内に設置し、第２の石英管１１を第１の石英管９内に設置し、マグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体が第１空洞共振器５４内に収まるようにし、Ａｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレットが加熱機構３０である試料加熱用のランプヒータの設置箇所に収まるようにした。次に、第１の石英管９は排気ポンプ１２（ロータリーポンプ）によって真空排気を行い、約０．５～１Ｐａに真空を維持させた状態で、第１空洞共振器５４に９０Ｗ程度の高周波電力を与えたところ、約１～２分後にはマグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体の全体が約３００℃以上に到達し、その後、安定なマグネシウムのプラズマの発生が約１０～１５分程度観測された。プラズマの発生が観測されている間、加熱機構３０である試料加熱用のランプヒータを用いてＡｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレットを５００℃以上に加熱をした。その後、冷却して装置から取り出した粉体ペレット（約１ｇ）のＸＲＤ回折を行った結果、図８に示すようにＡｌ３Ｓｃ形成が確認され、還元反応が確認されたとともに、ランプヒータのみでも十分に加熱源となることを確認した。
図５に示す反応装置４００を用いる。２．４５ＧＨｚにて磁場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータ（第１空洞共振器５４）に第１の石英管９を設置した。次に、プラズマ源１３となるマグネシウム金属粉（１．０ｇ）とジルコニアボール（１．０ｇ）を混合して得られた混合体（２．０ｇ）をアルミナボートに設置した。次に、マグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体をアルミナボートに設置した箇所以外の箇所にＡｌ粉末（１．０ｇ）と酸化スカンジウム粉末（０．５ｇ）との粉体ペレット（Ａｌ‐Ｓｃ２Ｏ３ペレット）（１．５ｇ）を酸化物試料１４アルミナボートに設置した。次に、アルミナボートを第２の石英管１１内に設置し、第２の石英管１１を第１の石英管９内に設置し、マグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体が第１空洞共振器５４内に収まるようにし、Ａｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレットが加熱機構３０である試料加熱用のランプヒータの設置箇所に収まるようにした。次に、第１の石英管９は排気ポンプ１２（ロータリーポンプ）によって真空排気を行い、約０．５～１Ｐａに真空を維持させた状態で、第１空洞共振器５４に９０Ｗ程度の高周波電力を与えたところ、約１～２分後にはマグネシウム金属粉とジルコニアボールとの混合体の全体が約３００℃以上に到達し、その後、安定なマグネシウムのプラズマの発生が約１０～１５分程度観測された。プラズマの発生が観測されている間、加熱機構３０である試料加熱用のランプヒータを用いてＡｌ粉末と酸化スカンジウム粉末との粉体ペレットを５００℃以上に加熱をした。その後、冷却して装置から取り出した粉体ペレット（約１ｇ）のＸＲＤ回折を行った結果、図８に示すようにＡｌ３Ｓｃ形成が確認され、還元反応が確認されたとともに、ランプヒータのみでも十分に加熱源となることを確認した。
【0072】
（比較例１）
図４の装置において、第１空洞共振器４４を２．４５ＧＨｚにて電場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータである第１空洞共振器に変更した以外は実施例３と同様に行った。第１の石英管９は排気ポンプ１２（ロータリーポンプ）によって真空排気を行い、約０．５～１Ｐａに真空を維持させた状態で第１空洞共振器に９０Ｗ程度の高周波電力を与えたところ、約１～２分後にマグネシウム金属粉とジルコニアボール混合体の全体が約３００℃以上に到達し、その後、マグネシウムのプラズマの発生が観測されたが、わずか１４秒程度でプラズマが消失した。その原因は第２の石英管１１にマグネシウム金属が付着し、電場由来のマイクロ波が第２の石英管１１内に付着した金属表面で反射されてしまい、プラズマにエネルギーが供給されなかったためである。
図４の装置において、第１空洞共振器４４を２．４５ＧＨｚにて電場強度分布が円筒の中心に形成される円筒形状のシングルモードアプリケータである第１空洞共振器に変更した以外は実施例３と同様に行った。第１の石英管９は排気ポンプ１２（ロータリーポンプ）によって真空排気を行い、約０．５～１Ｐａに真空を維持させた状態で第１空洞共振器に９０Ｗ程度の高周波電力を与えたところ、約１～２分後にマグネシウム金属粉とジルコニアボール混合体の全体が約３００℃以上に到達し、その後、マグネシウムのプラズマの発生が観測されたが、わずか１４秒程度でプラズマが消失した。その原因は第２の石英管１１にマグネシウム金属が付着し、電場由来のマイクロ波が第２の石英管１１内に付着した金属表面で反射されてしまい、プラズマにエネルギーが供給されなかったためである。
【0073】
本実施例によれば、少なくとも磁場モードのマイクロ波を用いて還元材となるプラズマ源１３からプラズマを発生させるとともに、還元対象物である酸素と強固に結合している酸化物試料１４を加熱し、還元材のプラズマによって脱酸することによって酸化物試料１４を還元するとともに、酸素と分離した金属を別の金属と結合させて合金を形成することができる。また、プラズマ化するにあたり、電場モードはプラズマの発生のきっかけとなるものの、磁場モードのみでもプラズマの発生と持続が可能となった。従来、マルチモードアプリケータで金属蒸気発生箇所と加熱箇所とを分けることができなかったものが、分けることができるようになった。そのため、精錬装置の制約がなくなり、大型化や連続炉としての装置構成ができ、Ａｌ‐Ｓｃなど精錬される合金量を飛躍的に向上させることが可能となる。
【符号の説明】
【0074】
１，３１ 第２のマイクロ波電源
２，３２ 第２のパワーメータ
３，３３ 第２のチューナ
４，３４ 第２空洞共振器
５，２１，４１，５１ 第１のマイクロ波電源
６，２２，４２，５２ 第１のパワーメータ
７，２３，４３，５３ 第１のチューナ
８，２４，４４，５４ 第１空洞共振器
９ 第１の石英管
１０ 蓋
１１ 第２の石英管
１２ 排気ポンプ
１３ プラズマ源
１４ 酸化物試料
１５ 反応室
１６ 温度計
１００，２００，３００，４００ 反応装置
２，３２ 第２のパワーメータ
３，３３ 第２のチューナ
４，３４ 第２空洞共振器
５，２１，４１，５１ 第１のマイクロ波電源
６，２２，４２，５２ 第１のパワーメータ
７，２３，４３，５３ 第１のチューナ
８，２４，４４，５４ 第１空洞共振器
９ 第１の石英管
１０ 蓋
１１ 第２の石英管
１２ 排気ポンプ
１３ プラズマ源
１４ 酸化物試料
１５ 反応室
１６ 温度計
１００，２００，３００，４００ 反応装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
