真空チャンバー内で使用してはならない材料は何ですか？アウトガスと汚染を避ける

基本的に、低圧下でガスや蒸気を放出する可能性のある材料は、真空チャンバー内で使用すべきではありません。最も一般的な原因は、木材や紙などの多孔質材料、PVCやアクリルなどの多くの標準的なプラスチック、油、グリース、ほとんどの接着剤などの揮発性物質です。これらの材料は、アウトガスと呼ばれるプロセスを通じて、真空度を損ない、チャンバー環境を汚染します。

真空における材料選択において最も重要な単一の要因は、そのアウトガス率です。目標は、閉じ込められたガスや揮発性化合物の放出量が最小限の材料を選択し、クリーンで深い真空を達成し維持できるようにすることです。

主な問題：アウトガス

真空チャンバー内の主な課題は、何を入れるかではなく、そこから何が出てくるかです。アウトガスとして知られるこの現象は、あらゆる真空システムの敵です。

アウトガスとは？

アウトガスとは、材料に溶解、閉じ込め、または吸収されていたガスがゆっくりと放出されることです。材料の外部の圧力が低下すると、これらの閉じ込められたガスや揮発性分子は所定の位置に保持されなくなり、真空チャンバー内に逃げ出します。水蒸気は、これまでで最も一般的なアウトガス分子です。

アウトガスが重要な理由

制御されていないアウトガスには、2つの重大な結果があります。第一に、ポンプが放出される分子を除去するために絶えず作業しなければならないため、真空ポンプが達成できる究極の圧力が制限されます。第二に、放出された分子は、光学素子、センサー、または作業対象のサンプルなど、チャンバー内の敏感な表面を汚染する可能性があります。

蒸気圧の役割

すべての材料には蒸気圧があり、これは材料が蒸発または昇華（固体から直接気体に変化）し始める圧力です。真空状態では、周囲の圧力が材料の蒸気圧を容易に下回り、材料が積極的に劣化してガスに変化し、真空を破壊し、チャンバー内のすべてをコーティングする原因となります。

問題のある材料の内訳

リストは長いですが、問題のある材料は通常、いくつかの主要なカテゴリに分類されます。

プラスチックとポリマー

多くの一般的なプラスチックは真空には適していません。これらはしばしば揮発性の可塑剤を含み、大気中から水を容易に吸収します。

• 避けるべきもの： PVC、アクリル（プレキシガラス）、ナイロン、ビニール。
• 問題点： 水蒸気やその他の揮発性有機化合物をアウトガスします。ナイロンは特に吸湿性（水を吸収する）があります。
• 許容される代替品： PEEK、Vespel（ポリイミド）、PTFE（テフロン）などの特殊ポリマーは、アウトガス率が非常に低いです。

多孔質材料と有機材料

これらの材料はスポンジのように機能し、その構造内に大量の空気と水蒸気を閉じ込めます。

• 避けるべきもの： 木材、紙、段ボール、綿（手袋からのものを含む）、未処理のセラミック。
• 問題点： 閉じ込められたガスをすべて除去することは事実上不可能であり、極端に長い排気時間と低い究極真空につながります。

接着剤、テープ、グリース

市販されているほとんどの接着剤、テープ、潤滑剤は真空用に設計されておらず、著しくアウトガスします。

• 避けるべきもの： ゴムセメント、瞬間接着剤、電気テープ、炭化水素系グリース（ワセリンなど）。
• 問題点： これらの製品に含まれる溶剤や揮発性成分は急速に蒸発し、システム全体を汚染します。
• 許容される代替品： Torr Sealなどの特定の真空定格のエポキシ、カプトンテープ、ApiezonやKrytoxなどの特殊な真空グリースを使用します。

揮発性金属

特に温度が関与する高真空（HV）または超高真空（UHV）システムでは、一部の金属でさえ問題となる可能性があります。

• 避けるべきもの： 亜鉛とカドミウム。真鍮（銅と亜鉛の合金）も問題となる可能性があります。
• 問題点： これらの金属は比較的高い蒸気圧を持ち、昇華してチャンバー内の表面をコーティングする可能性があります。このため、ファスナーには亜鉛メッキではなく、ステンレス鋼や銀メッキが使用されることがよくあります。

トレードオフの理解

真空適合性のある材料を選択することは、多くの場合、性能、コスト、実用性の間のバランスを取ることになります。

清浄度が最優先事項

材料の履歴が重要です。それ以外は許容できるステンレス鋼であっても、切削油や指紋で汚染されていると、激しくアウトガスします。すべての部品は、チャンバーに設置する前に、適切な溶剤で徹底的に洗浄する必要があります。

「十分である」という原則

達成すべき真空のレベルによって、材料の選択が決まります。粗真空用途の場合、柔軟性がはるかに高く、ある程度のアウトガスは許容される可能性があります。超高真空（UHV）システムの場合、材料の選択は譲れず、UHV適合材料に厳密に従う必要があります。

適合性のコスト

PEEK、OFHC（無酸素高伝導性）銅、機械加工されたアルミニウムやステンレス鋼など、低アウトガス用に設計された材料は、一般的な代替品よりも大幅に高価です。このコストは、純度と性能に対するものです。

目的別に適切な材料を選択する

あなたの選択は、達成する必要のある真空のレベルとプロセスの感度に完全に依存します。

• 高真空（HV）または超高真空（UHV）が主な焦点である場合： ステンレス鋼、アルミニウム、セラミック、PEEK、Vespel、カプトンなど、この環境用に特別に定格された材料を使用する必要があります。
• 粗真空または中真空が主な焦点である場合： より柔軟性がありますが、合理的な排気時間を確保するために、木材や紙などの多孔質の高い材料は避けるべきです。
• 問題のある材料を絶対に使用しなければならない場合： 「真空ベークアウト」を検討してください。これは、コンポーネントを別のチャンバーで真空下で加熱し、使用前に揮発性化合物のほとんどを強制的に放出させる方法です。

最初から低アウトガス材料を優先することで、真空環境を制御し、プロセスの完全性と成功を確保できます。

要約表：

材料カテゴリ	避けるべき例	主な問題	許容される代替品
プラスチックとポリマー	PVC、アクリル、ナイロン	水蒸気とVOCの高いアウトガス	PEEK、PTFE（テフロン）、Vespel
多孔質・有機材料	木材、紙、段ボール、綿	大量の空気と湿気を閉じ込める	密閉セラミック、金属
接着剤、テープ、グリース	ゴムセメント、瞬間接着剤、電気テープ	溶剤と揮発性物質が蒸発する	真空定格エポキシ、カプトンテープ、アピエゾングリース
揮発性金属	亜鉛、カドミウム、真鍮	高い蒸気圧、昇華する可能性がある	ステンレス鋼、銀メッキ部品

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