Сильные микроволновые магнитные поля для более эффективной плазмы

Горячие газы, состоящие из ионов и электронов металлов, называемые плазмой, широко используются во многих производственных процессах, химическом синтезе, извлечении металлов из руд и сварке. Совместная исследовательская группа из Университета Тохоку и Технологического университета Тоёхаси изобрела новый и эффективный метод создания металлической плазмы из твердых металлов под действием сильного магнитного поля в микроволновом резонаторе. Они сообщают о своей инновации в журнале AIP Advances.

В наиболее традиционных методах создания плазмы к газам или жидкостям прикладывается сильное электрическое поле. Это может потребовать огромного количества энергии. Совсем недавно микроволновое излучение также стало использоваться для генерации плазмы, поскольку оно преобразует атомы в форму, которая, помимо других преимуществ, может более эффективно управлять желаемыми химическими процессами. Плазма, генерируемая микроволнами, в настоящее время используется в коммерческих процессах, включая производство полупроводников, осаждение алмазов и выделение металлов из руд.

Однако до сих пор речь шла о многорежимных микроволновых генераторах, которые генерируют хаотическое распределение микроволн. Одним из ключевых достижений команды является применение одномодового микроволнового генератора для производства металлической плазмы. Это создает более контролируемые и сфокусированные микроволны.

«Мы ожидаем, что наш процесс может значительно повысить эффективность плазменных технологий во многих приложениях и повысить прибыльность в коммерческой сфере», — говорит химик Джун Фукусима, который разработал этот метод вместе с инженером-электронщиком Сатоши Фуджи.

Одной из серьезных проблем, с которыми столкнулись исследователи, было то, что их первоначальную плазму нельзя было стабилизировать более десяти минут. Поэтому они перепроектировали оборудование, в конечном итоге добившись гораздо большей стабильности. Последняя и более инновационная система содержит двойную кварцевую трубку, внутри которой находится твердый материал, преобразуемый в плазму.

Исследователи ожидают, что их технология будет особенно полезна для извлечения чистых редкоземельных металлов из руд. Эти металлы, такие как церий, лантан и неодим, находят широкое применение в крупномасштабных приложениях, включая производство аккумуляторных батарей для электромобилей. Команда Университета Тохоку и Технологического университета Тоёхаси уже продемонстрировала использование плазмы кальция и магния для высвобождения атомов скандия и ванадия из оксидных руд.

«Это новый и нетрадиционный метод использования плазмы, который мы считаем решающим для снижения энергопотребления для будущих приложений в области материаловедения», — говорит Фукусима.

Название: Генерация плазмы ионов металлов в сильном магнитном поле в СВЧ-резонаторе

Авторы: Сатоши Фуджи и Дзюн Фукусима

Журнал: Достижения AIP

DOI: 10.1063/5.0134071