JP6100098B2 - 還元装置及び還元方法 - Google Patents

Description

本発明は、還元装置及び還元方法に関する。

従来の還元装置としては、例えば非特許文献１に記載されているように、ＬＳＰ（Ｌａｓｅｒ Ｓｕｓｔａｉｎｅｄ Ｐｌａｓｍａ：レーザ維持プラズマ）を利用して、酸化アルミニウムを還元するものが知られている。当該酸化アルミニウムの還元装置では、炭酸ガスレーザがレンズによって超音速ノズルの上流部に集光され、アルゴンガスに酸化アルミニウムの粉末を混合した作動ガスが加熱・電離され、焦点付近にＬＳＰが生成されている。そしてＬＳＰからの強い輻射を受けた酸化アルミニウムが、熱解離により酸素とアルミニウムとに分離されている。

荒川 義博、外５名，"アルミニウムを用いたエネルギー循環システムの技術開発"，Ｊｏｕｒｎａｌ оｆ ＩＡＰＳ，（日本），プラズマ応用科学学会，Ｊｕｎｅ ２０１２，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１，ｐ．３

しかしながら、上記従来の酸化アルミニウムの還元装置では、酸素とアルミニウムとの分離性に改善の余地があった。すなわち、酸化アルミニウムからアルミニウムを効率よく回収するなどのように、材料から対象の物質を更に効率よく回収することが求められていた。

そこで本発明は、材料を還元し、材料中の物質を効率よく回収することができる還元装置及び還元方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る還元装置は、所定の物質を含む材料を還元する還元装置であって、材料を配置可能な材料配置部と、材料配置部に配置される材料にプラズマを照射する圧力勾配型のプラズマ供給部と、材料にプラズマが照射されることにより生成される中性粒子及び所定の物質のイオンを分離する分離部と、を備え、材料配置部とプラズマ供給部とは、材料の表面上にプラズマ領域を保持可能に配置されていることを特徴とする。

本発明の還元装置では、圧力勾配型のプラズマ供給部が、材料配置部に配置される所定の物質を含む材料にプラズマを照射することによって、中性粒子及び所定の物質のイオンを生成することができる。また、分離部が、中性粒子及び所定の物質のイオンを分離することによって、材料中の物質を回収することが可能となる。ここで、プラズマ供給部として圧力勾配型のプラズマ供給部を用いているため、材料には高密度なプラズマを照射することができる。また、材料配置部とプラズマ供給部とは、材料の表面上にプラズマ領域を保持可能に配置されているため、材料の表面から飛び出した所定の物質の蒸発粒子は直ちにプラズマ領域を通過する。これによって、所定の物質のイオン化の確実性を向上することができる。以上より、材料中の物質を効率よく回収することができる。

また、材料は、少なくとも金属酸化物を含むことが好ましい。圧力勾配型のプラズマ供給部を用いた場合、金属と酸素とはイオン化のし易さに差があるため、金属と酸素との分離性を高めることができる。よって、本還元装置の材料として金属酸化物を適用した場合、好適に還元を行うことができる。

また、金属酸化物は、少なくとも酸化アルミニウムを含むことが好ましい。圧力勾配型のプラズマ供給部の電子温度領域では、アルミニウムはイオン化し易く、酸素はイオン化し難い。従って、圧力勾配型のプラズマ供給部を用いることで、アルミニウムと酸素との分離性を高めることができる。以上のように、圧力勾配型のプラズマ供給部を備える還元装置を用いることにより、酸化アルミニウムを還元してアルミニウムを効率よく回収することができる。

また、金属酸化物は、少なくとも酸化マグネシウムを含むことが好ましい。圧力勾配型のプラズマ供給部の電子温度領域では、マグネシウムはイオン化し易く、酸素はイオン化し難い。従って、圧力勾配型のプラズマ供給部を用いることで、マグネシウムと酸素との分離性を高めることができる。以上のように、圧力勾配型のプラズマ供給部を備える還元装置を用いることにより、酸化マグネシウムを還元してマグネシウムを効率よく回収することができる。

本発明に係る還元方法は、所定の物質を含む材料を還元する還元方法であって、材料を配置する材料配置工程と、材料配置工程において配置される材料に圧力勾配型のプラズマ供給部によってプラズマを照射するプラズマ供給工程と、材料にプラズマを照射することにより生成される中性粒子及び所定の物質のイオンを分離させる分離工程と、を含み、少なくともプラズマ供給工程において、材料の表面上にプラズマ領域が保持されることを特徴とする。

本発明に係る還元方法では、プラズマ供給工程において、圧力勾配型のプラズマ供給部が、材料配置工程で配置される所定の物質を含む材料にプラズマを照射することによって、中性粒子及び所定の物質のイオンを生成することができる。また、分離工程において、中性粒子及び所定の物質のイオンを分離することによって、材料中の物質を回収することが可能となる。ここで、プラズマ供給工程において圧力勾配型のプラズマ供給部を用いているため、材料には高密度なプラズマを照射することができる。また、少なくともプラズマ供給工程において、材料の表面上にプラズマ領域が保持されるため、材料の表面から飛び出した所定の物質の蒸発粒子は直ちにプラズマ領域を通過する。これによって、所定の物質のイオン化の確実性を向上することができる。以上より、材料中の物質を効率よく回収することができる。

本発明によれば、材料を還元し、材料中の物質を効率よく回収することができる還元装置及び還元方法を提供するができる。

第１実施形態に係る還元装置の構成を示す概略断面図である。 アルミニウム、マグネシウム、及び酸素のイオン化率の違いを説明するグラフである。 図１に示す分離部の詳細な構成を示す概要図である。 図１に示す還元装置を用いた還元方法の動作の一例を示すフローチャートである。 図１に示す還元装置における中性粒子及び金属イオンが生成される様子を説明する図である。 第２実施形態に係る還元装置の構成を示す概略図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る還元装置及び還元方法について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る還元装置の構成を示す概略断面図である。図１に示すように、本実施形態の還元装置１は、所定の物質を含む材料Ｍａを還元する還元装置１であって、材料配置部２、圧力勾配型のプラズマガン３、分離部４、及び真空チャンバー５を備えている。なお、説明の便宜上、図１には、ＸＹＺ座標系を示す。Ｙ軸方向は、プラズマガン３がプラズマビームを出射する方向である。Ｚ軸方向は、材料配置部２と分離部４とが対向する方向である。Ｘ軸方向は、Ｙ軸方向とＺ軸方向とに直交する方向である。なお、還元装置１の向きは特に限定されず、Ｚ軸方向が鉛直方向であってもよく、水平方向であってもよい。

真空チャンバー５は、材料Ｍａを還元するための還元室５ａと、プラズマガン３から照射されるプラズマビームＰｂを真空チャンバー５に受け入れるプラズマ口５ｂとを有している。還元室５ａ、及びプラズマ口５ｂは互いに連通している。また、真空チャンバー５は、導電性の材料からなり接地電位に接続されている。

材料配置部２は、真空チャンバー５の還元室５ａ内に設けられ、Ｚ軸方向の負方向に配置されており、還元の対象となる材料Ｍａを配置可能に構成されている。

本実施形態では、材料配置部２は、プラズマガン３から出射されたプラズマビームＰｂを材料Ｍａに導く主陽極又はプラズマガン３から出射されたプラズマビームＰｂが導かれる主陽極である主ハースによって構成されている。材料配置部２は、材料Ｍａが充填されたＺ軸方向の正方向に延びた筒状の充填部２ａと、充填部２ａから突出したフランジ部２ｂとを有している。材料配置部２は、真空チャンバー５が有する接地電位に対して正電位に保たれているため、プラズマガン３から出射されたプラズマビームＰｂを吸引する。このプラズマビームＰｂが入射する充填部２ａには、材料Ｍａを充填するための貫通孔２ｃが形成されている。そして、材料Ｍａの先端部分が、この貫通孔２ｃの一端において還元室５ａに露出している。

材料Ｍａは、例えば所定長さの円柱形状に形成された固形物である。材料配置部２の充填部２ａには一度に複数の材料Ｍａが充填されている。材料Ｍａは、その消費に応じて、フランジ部２ｂ側から充填部２ａ側へ向かって、充填部２ａから順次押し出される。材料Ｍａとしては、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物、金属硫化物等が例示される。また、金属酸化物として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化マンガン等が例示される。また、材料Ｍａとしては酸化金属以外のもの（例えば酸化ケイ素）を用いることもできる。材料Ｍａが絶縁性物質からなる場合、主ハースである材料配置部２にプラズマビームＰｂが照射されると、プラズマビームＰｂからの電流によって材料配置部２が加熱され、材料Ｍａの先端部分が蒸発し、蒸発粒子Ｍｂが還元室５ａ内で広がりつつ分離部４側へ進行する。また、材料Ｍａが導電性物質からなる場合、主ハースである材料配置部２にプラズマビームＰｂが照射されると、プラズマビームＰｂが材料Ｍａに直接入射し、材料Ｍａの先端部分が加熱されて蒸発し、蒸発粒子Ｍｂが還元室５ａ内で広がりつつ分離部４側へ進行する。なお、蒸発粒子Ｍｂとは、材料Ｍａから蒸発した粒子全般を指し、中性粒子もイオン化した粒子も含むものとして、以下の説明を行う。

なお、真空チャンバー５には不図示の圧力調整装置が接続されていてもよく、これにより真空チャンバー５内の圧力を調整することができる。圧力調整装置は、例えばターボ分子ポンプやクライオポンプ等の減圧部と、真空チャンバー５内の圧力を測定する圧力測定部とを有している。

また、真空チャンバー５の還元室５ａ内に、輪ハース７を備えてもよい。輪ハース７は、プラズマビームＰｂを誘導するための電磁石を有する補助陽極である。輪ハース７は、材料Ｍａを配置する材料配置部２の充填部２ａの周囲に配置されている。輪ハース７は、環状のコイル８と環状の永久磁石９と環状の容器１０とを有し、コイル８及び永久磁石９は容器１０に収容されている。輪ハース７は、コイル８に流れる電流の大きさに応じて、材料Ｍａに入射するプラズマビームＰｂの幅・太さを制御する。

圧力勾配型のプラズマガン３は、材料配置部２に配置される材料Ｍａに高密度のプラズマビームＰｂを供給する圧力勾配型のプラズマ供給部であり、真空チャンバー５におけるプラズマ口５ｂに固定されている。プラズマガン３は、真空チャンバー５のＹ軸方向の負方向における壁部に設けられる。

圧力勾配型のプラズマガン３は、第１中間電極１５及び第２中間電極１６からなる中間電極１７と、陰極管１８が固定されたカソードフランジ１９とを備え、中間電極１７とカソードフランジ１９との間には、陰極管１８を包囲するガラス管２０が配置されている。

第２中間電極１６は環状であり、真空チャンバー５のプラズマ口５ｂにシールカラーを介して固定されている。第２中間電極１６の後側には、シールカラーを介して環状の第１中間電極１５が同心状に重ねて固定されている。第２中間電極１６には、空芯コイル１６ａが内蔵されており、第１中間電極１５には、磁極軸が陰極管１８の中心線に平行になるように永久磁石１５ａが内蔵されている。空芯コイル１６ａや永久磁石１５ａは、プラズマビームＰｂを収束させる。なお、真空チャンバー５のプラズマ口５ｂの周囲には、発生したプラズマビームＰｂを真空チャンバー５内に導くステアリングコイル２１が設けられている。

ステアリングコイル２１により真空チャンバー５内に導かれたプラズマビームＰｂは、上述のように、材料配置部２により吸引され、材料Ｍａに導かれる。以上のような構成により、材料Ｍａの表面上にはプラズマ領域Ｐが形成されている。すなわち、材料配置部２と圧力勾配型のプラズマガン３とは、材料Ｍａの表面上にプラズマ領域Ｐを保持可能な位置関係となるように配置されている。なお、「プラズマ領域Ｐを保持可能な位置関係」とは、輪ハース７やステアリングコイル２１を用いることによって、材料Ｍａの表面上にプラズマ領域Ｐを保持可能な位置関係も含まれる。よって、材料Ｍａの蒸発粒子Ｍｂが当該プラズマ領域Ｐにおけるプラズマと反応することにより、中性粒子ＰＴ１及び所定の物質のイオンＰＴ２が生成される。これらの中性粒子ＰＴ１及び所定の物質のイオンＰＴ２は、還元室５ａ内で広がりつつ分離部４側へ進行する。

圧力勾配型のプラズマガン３は、電子温度領域１〜１０ｅＶにおいて動作が可能であり、ガン駆動装置２３によってその動作が制御されている。ガン駆動装置２３により、陰極管１８への給電をオン・オフしたり、陰極管１８への印加電圧を調整したりでき、さらに第１中間電極１５、第２中間電極１６、空芯コイル１６ａまたはステアリングコイル２１への給電を調整することができる。ガン駆動装置２３によって、真空チャンバー５内に供給されるプラズマビームＰｂの強度や分布状態が制御されている。

分離部４は、真空チャンバー５の還元室５ａと接続され、還元室５ａ内で広がりつつ分離部４側へ進行した中性粒子ＰＴ１及び所定の物質のイオンＰＴ２を分離する。例えば、材料Ｍａが金属酸化物である場合には、分離部４により、酸素などの中性粒子ＰＴ１と金属イオンＰＴ２とが分離される。なお、中性粒子ＰＴ１には、イオン化しなかった金属の中性粒子も含まれるものとする。このようにして分離された金属イオンＰＴ２を、例えば電場（または磁場）を利用して析出させることにより金属を回収する。なお、分離部４の詳細な構成は後述する。

ここで、材料Ｍａとして金属酸化物（酸化アルミニウム及び酸化マグネシウム）を採用した場合を例にして、金属のイオン化の様子について、図２及び図５を参照して説明する。

図２は、アルミニウム、マグネシウム、及び酸素のイオン化率の違いを説明するグラフである。図２のグラフの横軸は電子エネルギー［ｅＶ］、縦軸は電離断面積［ｃｍ^２］を示す。曲線ａ〜ｃは、それぞれアルミニウム、マグネシウム、及び酸素に関し、電子エネルギーに対する電離断面積の値を示している。ここで、電離断面積とは、イオン化率を面積の次元で表わしたものである。

図２に示すように、アルミニウム及びマグネシウムのイオン化が進み始める電子エネルギー（５ｅＶ以上）と、酸素のイオン化が進み始める電子エネルギー（１３ｅＶ以上）とには差がある。なお、イオン化が進み始める電子エネルギーとは、グラフが立ち上がっている箇所における電子エネルギーである。よって、圧力勾配型のプラズマガン３が動作可能な電子温度領域１〜１０ｅＶにおいて、電子エネルギーが５〜１３ｅＶ領域であり、アルミニウム及びマグネシウムはイオン化し易く、酸素はイオン化し難い。このため、金属酸化物の蒸発粒子Ｍｂがプラズマ領域Ｐにおけるプラズマと反応すると、金属のイオン化が進む一方で酸素のイオン化は進まない結果、酸素などの中性粒子ＰＴ１及び金属イオンＰＴ２が生成される。

図５は、図１に示す還元装置における中性粒子及び金属イオンが生成される様子を説明する図である。ただし、図５は理解を容易にするために模式的に示したものである。また、図５中、黒塗りの丸は酸素を示し、白抜きの丸はアルミニウムを示す。まず、プラズマビームＰｂからの電流によって加熱されて材料Ｍａの表面から飛び出した蒸発粒子Ｍｂ（図では、アルミニウムの中性粒子と酸素の中性粒子とが飛び出したものとしている）は、直ちにプラズマ領域Ｐに曝される（図５の（ａ）参照）。当該プラズマ領域Ｐを通過しながら、蒸発粒子Ｍｂがプラズマと反応することにより、蒸発粒子Ｍｂの一部がイオン化される（図５の（ｂ）参照）。このとき、上述のように金属のイオン化率と酸素とのイオン化率には差があるため、金属の一部はイオン化が進む一方で、酸素は中性粒子の状態が維持される。そして、プラズマ領域Ｐを通過した金属イオンＰＴ２及び酸素などの中性粒子ＰＴ１が還元室５ａ内で広がりつつ分離部４側へ進行する（図５の（ｃ）参照）。

次に、図３を参照して、分離部４の構成について詳細に説明する。図３は、図１に示す分離部４の詳細な構成を示す概要図である。図３に示すように、分離部４は、所定の物質のイオンＰＴ２を取り出すための取出部４ａと、中性粒子ＰＴ１を排出するための排出部４ｂと、を有している。

取出部４ａは、互いに対向する電極１１及び電極１２と、電極１１及び電極１２の間に電位差を生じさせる電位発生部１３を含む。電極１１及び電極１２は平板型で互いに平行である。電位発生部１３により電極１１及び電極１２の間に電位差を生じさせることにより、電極１１を陰極、電極１２を陽極として機能させることができる。還元室５ａ内で広がりつつ分離部４側へ進行した中性粒子ＰＴ１及び所定の物質のイオンＰＴ２は、電極１１及び電極１２の間を通過する。還元室５ａ内で広がりつつ分離部４側へ進行した所定の物質のイオンＰＴ２が正イオンである場合には、所定の物質のイオンＰＴ２は、電極１１及び電極１２の間に生じる電場によりその軌道を曲げられて、陰極である電極１１に付着する。一方、中性粒子ＰＴ１は、軌道を曲げられることなく電極１１及び電極１２の間をそのまま通過する。なお、還元室５ａ内で広がりつつ分離部４側へ進行した所定の物質のイオンＰＴ２が負イオンである場合には、所定の物質のイオンＰＴ２は、電極１１及び電極１２の間に生じる電場によりその軌道を曲げられて、陽極である電極１２に付着する。このようにして、所定の物質のイオンＰＴ２を取り出すことができる。

なお、電極（または、電極に対して電気的に接続した回収用の部材）に所定の物質が一定量付着したら、新たな電極（または、回収用の部材）に交換してよい。または、電極１１及び電極１２の間に、所定の物質のイオンＰＴ２を受け止めるための部材（電極と電気的に接続されている）を、コンベア等で連続的に供給及び搬送させることにより、所定の物質のイオンＰＴ２を取出してもよい。これによって、部材交換のために分離部４内の真空が破られることなく、また運転を中断することなく、連続的に所定の物質を回収することができる。

排出部４ｂは、取出部４ａに連通され、ポンプの機能を有している。排出部４ｂは、取出部４ａにより所定の物質のイオンＰＴ２が取り出された後、残る中性粒子ＰＴ１をポンプの機能により吸入して排出する。

次に、還元装置１による還元方法の動作について、図４を参照して説明する。図４は、図１に示す還元装置を用いた還元方法の動作の一例を示すフローチャートである。図４に示すように、まず、材料配置部２に所定の物質を含む材料Ｍａが配置される（Ｓ１：材料配置工程）。次に、圧力勾配型のプラズマガン３を用いて、材料Ｍａに高密度のプラズマビームＰｂが照射される（Ｓ２：プラズマ供給工程）。このとき、材料Ｍａの表面上にプラズマ領域Ｐが保持されるため、当該プラズマ領域Ｐにおいて材料Ｍａの蒸発粒子が反応することにより、中性粒子ＰＴ１及び所定の物質のイオンＰＴ２が生成される（Ｓ３）。そして、生成された中性粒子ＰＴ１及び所定の物質のイオンＰＴ２が分離部４により分離される（Ｓ４：分離工程）。

次に、本実施形態に係る還元装置１の作用・効果について説明する。

まず、比較例としてＬＳＰ（Ｌａｓｅｒ Ｓｕｓｔａｉｎｅｄ Ｐｌａｓｍａ：レーザ維持プラズマ）を利用して、酸化アルミニウムを還元するものを挙げる（前述の非特許文献１に示す還元装置）。当該酸化アルミニウムの還元装置では、炭酸ガスレーザがレンズによって超音速ノズルの上流部に集光され、アルゴンガスに酸化アルミニウムの粉末を混合した作動ガスが加熱・電離され、焦点付近にＬＳＰが生成されている。そしてＬＳＰからの強い輻射を受けた酸化アルミニウムが、熱解離により酸素とアルミニウムとに分離されている。比較例に係る還元装置では、ＬＳＰの生成に伴う衝撃により、新たに供給される酸化アルミニウムの粉末が飛ばされてプラズマ領域を通過することなく回避してしまう場合がある。従って、酸化アルミニウムから効率よくアルミニウムを回収できない場合があった。例えば、酸化アルミニウムからアルミニウムを回収する場合、酸化アルミニウム中に含有されるアルミニウムのうち、数％の量のアルミニウムを回収することが可能となる。

一方、本実施形態に係る還元装置１によれば、圧力勾配型のプラズマガン３が、材料配置部２に配置される所定の物質を含む材料ＭａにプラズマビームＰｂを照射することによって、中性粒子ＰＴ１及び所定の物質のイオンＰＴ２を生成することができる。また、分離部４が、中性粒子ＰＴ１及び所定の物質のイオンＰＴ２を分離することによって、材料Ｍａ中の物質を回収することが可能となる。ここで、プラズマ供給部として圧力勾配型のプラズマガン３を用いているため、材料Ｍａには高密度なプラズマビームＰｂを照射することができる。また、材料配置部２とプラズマガン３とは、材料Ｍａの表面上にプラズマ領域Ｐを保持可能に配置されているため、材料Ｍａの表面から飛び出した所定の物質の蒸発粒子Ｍｂは直ちにプラズマ領域Ｐを通過する。すなわち、比較例に係る還元装置とは異なり、材料Ｍａには好適にプラズマビームＰｂが照射され、飛び出した蒸発粒子Ｍｂも好適にプラズマ領域Ｐを通過する。これによって、所定の物質のイオン化の確実性を向上することができる。以上より、材料Ｍａ中の物質を効率よく回収することができる。例えば、酸化アルミニウムからアルミニウムを回収する場合、酸化アルミニウム中に含有されるアルミニウムのうち、３０％以上の量のアルミニウムを回収することが可能となる。

また、材料Ｍａが金属酸化物を含む場合には、金属のイオン化のし易さと酸素のイオン化のし易さとは差があるため、金属と酸素との分離性を高めることができる。よって、本還元装置１の材料として金属酸化物を適用した場合、好適に還元を行うことができる。

また、金属酸化物が酸化アルミニウムを含む場合には、圧力勾配型のプラズマガン３の電子エネルギー領域では、アルミニウムはイオン化し易く、酸素はイオン化し難い。従って、圧力勾配型のプラズマガン３を用いることで、アルミニウムと酸素との分離性を高めることができる。以上のように、圧力勾配型のプラズマガン３を備える還元装置１を用いることにより、酸化アルミニウムを還元してアルミニウムを効率よく回収することができる。

また、金属酸化物が酸化マグネシウムを含む場合には、圧力勾配型のプラズマガン３の電子エネルギー領域では、マグネシウムはイオン化し易く、酸素はイオン化し難い。従って、圧力勾配型のプラズマガン３を用いることで、マグネシウムと酸素との分離性を高めることができる。以上のように、圧力勾配型のプラズマガン３を備える還元装置１を用いることにより、酸化マグネシウムを還元してマグネシウムを効率よく回収することができる。

また、圧力勾配型のプラズマガン３を用いて還元を行うことにより、次のような効果を得ることができる。例えば、レーザを用いた還元装置にあっては、装置内で複雑な光学系を構築する必要があり、当該光学系を有することによって制御も複雑になる場合がある。それに対し、本実施形態に係る還元装置１は、光学系の構築が不要であるため、レーザを用いて同程度のエネルギー投入を得ようとした場合の還元装置に比して、構造及び制御を容易にすることができる。また、圧力勾配型のプラズマガン３は、同程度の消費電力である電子ビーム放電装置（〜２Ａ）に比して、大電流（１０〜２５０Ａ）をとることができるため、反応に寄与できる電子数が多く高イオン化率という効果が得られる。また、圧力勾配型のプラズマガン３は、イオンを磁場によってフィラメントから遠ざけ、酸化に寄与する酸素を圧力勾配によってフィラメント室から追いやることによって寿命を長くすることができる。そして、圧力勾配型のプラズマガン３は、同じ量の物質を回収するものとした場合、ホロカソードガンに比して長い運転が可能である。

また、本実施形態に係る還元方法によれば、プラズマ供給工程Ｓ２において、圧力勾配型のプラズマガン３が、材料配置工程Ｓ１で配置される所定の物質を含む材料ＭａにプラズマビームＰｂを照射することによって、中性粒子ＰＴ１及び所定の物質のイオンＰＴ２を生成することができる。また、分離工程Ｓ４において、中性粒子ＰＴ１及び所定の物質のイオンＰＴ２を分離することによって、材料Ｍａ中の物質を回収することが可能となる。ここで、プラズマ供給工程Ｓ２において圧力勾配型のプラズマガン３を用いているため、材料Ｍａには高密度なプラズマビームＰｂを照射することができる。また、少なくともプラズマ供給工程Ｓ２において、材料Ｍａの表面上にプラズマ領域Ｐが保持されるため、材料Ｍａの表面から飛び出した所定の物質の蒸発粒子Ｍｂは直ちにプラズマ領域Ｐを通過する。これによって、所定の物質のイオン化の確実性を向上することができる。以上より、材料Ｍａ中の物質を効率よく回収することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の説明では、上記第１実施形態と異なる点について主に説明する。

図６は、第２実施形態に係る還元装置１００の構成を示す概略図である。図６に示すように、本実施形態の還元装置１００が上記還元装置１と異なる点は、ステアリングコイル２１を備えておらず、圧力勾配のプラズマガン３の配置が異なる点である。

還元装置１００における圧力勾配型のプラズマガン３は、プラズマビームＰｂが出射される方向が、ステアリングコイル２１により制御されていなくても、材料Ｍａに向けられるように配置されている。すなわち、材料配置部２と圧力勾配型のプラズマガン３の位置関係が、プラズマ領域Ｐが材料Ｍａの表面上に形成されるように、配置されている。

よって、本実施形態の還元装置１００においても、還元装置１と同様の効果を奏することができる。

以上、本実施形態の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、材料Ｍａから回収する物質は、生成される所定の物質のイオンから回収される物質に限られず、生成される中性粒子から回収される物質であってもよい。また、イオン化する物質と中性粒子に係る物質を両方回収することとしてもよい。

上述の実施形態では、分離部として、電極間に中性粒子ＰＴ１及びイオンＰＴ２を通過させ、イオンＰＴ２を電極に引き寄せて析出させる方式を採用していた。これに代えて、磁場によりイオンＰＴ２の軌道を曲げることで中性粒子ＰＴ１とイオンＰＴ２とを分離するような方式を採用してもよい。

また、上述の実施形態では、プラズマガン３と主ハース（材料配置部）の組がチャンバー内に一組だけ設けられていたが、複数組設けてもよい。また、一の材料に対して複数のプラズマガン３からプラズマを供給してもよい。また、材料配置部２として主ハースが適用され、筒状の充填部２ａに材料Ｍａを配置する構成が適用されていたが、プラズマを材料Ｍａの表面に導くことができる態様であれば特に限定されず、大きな材料に複数のプラズマガン３からプラズマを照射するような構成を採用してもよい。この場合、成膜材料の下に陽極を配置すれば、プラズマが陽極上の成膜材料に照射される。例えば、一定範囲に広がる材料Ｍａを配置し、当該材料Ｍａの表面の各領域に対して複数のプラズマガン３からそれぞれプラズマビームＰｂを照射してよい。この際、材料Ｍａの周りに複数のプラズマガン３を所定間隔で設け、材料Ｍａに所定間隔毎にプラズマビームＰｂを照射してもよい。また、上述の第１実施形態及び第２実施形態では、輪ハース７が設けられていたが、プラズマガン３の向きと材料配置部２による材料の位置や向きを工夫することで、輪ハース７を省略してもよい。

１，１００…還元装置、２…材料配置部、３…圧力勾配型のプラズマガン（圧力勾配型のプラズマ供給部）、４…分離部、Ｐｂ…プラズマビーム（プラズマ）、ＰＴ１…中性粒子、ＰＴ２…所定の物質のイオン、Ｍａ…材料、Ｐ…プラズマ領域、Ｓ１…材料配置工程、Ｓ２…プラズマ供給工程、Ｓ４…分離工程。

Claims (5)

1. 所定の物質を含む材料を還元する還元装置であって、
   固形物である前記材料を配置可能な材料配置部と、
   前記材料配置部に配置される前記材料にプラズマを照射する圧力勾配型のプラズマ供給部と、
   前記材料に前記プラズマが照射されることにより生成される中性粒子及び前記所定の物質のイオンを分離する分離部と、を備え、
   前記材料配置部と前記プラズマ供給部とは、前記材料の表面上にプラズマ領域を保持可能に配置され、
   前記プラズマ供給部は、
   前記所定の物質のイオン化が進む電子エネルギーであって、且つ、酸素のイオン化が進まない電子エネルギーの前記プラズマを生成し、
   前記材料配置部と前記分離部との間に前記プラズマを生成していることを特徴とする還元装置。
2. 前記材料は、少なくとも金属酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の還元装置。
3. 前記金属酸化物は、少なくとも酸化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項２に記載の還元装置。
4. 前記金属酸化物は、少なくとも酸化マグネシウムを含むことを特徴とする請求項２に記載の還元装置。
5. 所定の物質を含む材料を還元する還元方法であって、
   固形物である前記材料を配置する材料配置工程と、
   前記材料配置工程において配置される前記材料に圧力勾配型のプラズマ供給部によってプラズマを照射するプラズマ供給工程と、
   前記材料に前記プラズマを照射することにより生成される中性粒子及び前記所定の物質のイオンを分離させる分離工程と、を含み、
   少なくとも前記プラズマ供給工程において、前記材料の表面上にプラズマ領域が保持され、
   前記プラズマ供給工程では、
   前記所定の物質のイオン化が進む電子エネルギーであって、且つ、酸素のイオン化が進まない電子エネルギーの前記プラズマが生成され、
   前記材料配置工程で前記材料が配置された位置と前記分離工程で分離が行われる位置との間に前記プラズマが生成されることを特徴とする還元方法。