世界初の 3D プリント超高真空チャンバー、1E-10mbar で安定動作、70% 軽量化!

この投稿はLittle Soft Bearによって2021-10-14 11:47に最後に編集されました。

出典: iVacuum

積層造形が多くの分野の研究や工業生産に大きな影響を与えてきたことは知られていますが、これまでのところ、積層造形法を使用して超高真空システムを製造することは困難であることが判明しており、一般的に不可能だと考えられています。 2021年4月、学術誌「Additive Manufacturing」に掲載された論文では、積層造形法を用いた世界初の超高真空チャンバーの開発に成功したことが報告されました。このチャンバーは10-10mbar未満の圧力で動作可能で、積層造形された材料の総ガス放出量は3.6×10-13mbar l/(s mm2)を超えません。真空チャンバーは、レーザー粉末床融合技術を使用して AlSi10Mg 材料から製造されています。詳細な表面分析により、付加製造された材料上に酸化されたマグネシウムを豊富に含む表面層が形成され、これが超高真空の実現に重要な役割を果たしていることが明らかになりました。

研究チームは、積層造形（AM）が超高真空（UHV）機器の製造に適していることを実証し、高真空および超高真空分野全体にわたって迅速なプロトタイピング、軽量化、機能強化の機会を切り開きました。

超高真空システムは、光電センサー、カメラ、極低温デュワー、電子顕微鏡、X 線光電子分光計などの確立された技術から、冷却原子に基づくポータブル量子センサーなどの重要な新興研究分野まで、幅広い用途があります。 AM は、関連する UHV 機器のサイズと重量を大幅に削減し、開発サイクルを短縮できるため、上記のすべての分野における基礎研究と技術開発を促進することができます。例えば、本論文で開発された UHV チャンバーは、レーザー粉末床溶融結合 (POBF) 技術により AlSi10Mg 材料を使用して製造されており、重量はわずか 245 グラムで、同じ規格の標準的な真空チャンバーよりも 70% 軽量です。このレベルの軽量化は、宇宙搭載型量子センサーを使用した基礎物理学の実験的調査など、UHV の宇宙での応用を促進するために重要です。

しかし、金属の AM 処理における最近の進歩にもかかわらず、AM 技術を使用して完全な UHV チャンバーを製造した人は誰もいません。 UHV チャンバーで高性能を実現する際の課題は、表面粗さ、多孔性、および硬度の限界です。表面が粗いとガス放出が増加し、多孔度が高いと「デッドスペース」の存在により漏れや仮想漏れが発生する可能性があり、また、最終硬度が不十分だと真空接続部のナイフエッジシールの効果が低下します。

図 1. (a) 積層造形法を使用して構築された超高真空チャンバーの実際の写真。(b) 磁気光トラップによって捕捉された 85RB 冷原子雲の蛍光画像。原子雲の直径は約10ミリメートルです。
AM 金属のこれらの特性により、研究者は AM 金属が UHV 部品の製造に適しているかどうか疑問視しています。 AlSi10Mg 合金は、チタン合金ステンレス鋼などの金属と比較して熱伝導率が高く、3D プリント中の一貫性を向上させ、構築欠陥を減らすのに役立つ可能性があります。本論文では、研究者らは、光学顕微鏡、電子顕微鏡、質量分析、X線光電子分光法を用いて、積層造形されたAlSi10Mgの表面の詳細な分析を行った。分析の結果、この AM 材料の表面にある、高度に酸化されたマグネシウムを豊富に含む表面層が、材料からのガス放出を効果的に抑制していることが示されました。したがって、このような真空チャンバーは 10-10 mbar 未満の圧力を容易に維持できます。

上の図 1(b) に示すように、この真空性能は、磁気光学トラップ (MOT) が 85RB の冷たい原子雲を捕捉するのに十分です。 MOT は、正確な時間管理のための原子時計、地質学、航海、土木工学の用途のための高精度重力計、航海や医療用画像処理のための冷原子磁力計など、冷原子に基づくほぼすべての実験や装置の基礎となっています。この重要な新興分野は、AM 方式を UHV デバイスに適用することで大きな恩恵を受けるでしょう。

明るい見通し<br /> AM 法を使用して、10-10 mbar 未満の圧力で動作可能な超高真空チャンバーを製造しましたが、数か月の動作後もチャンバーの性能低下は見られませんでした。

著者らは、AM 方式を UHV デバイスの分野に導入することで、既存のシステムのサイズと材料消費量を削減し、重量を軽減し、より機能性の高い新しいポータブルシステムを実現できる大きな可能性を秘めていると考えています。さらに、AM は、チタン昇華ポンプなどの関連する真空ポンプ装置の効率を向上させるために、比表面積の高い要素を製造するためにも使用できます。さらに、表面層におけるマグネシウム濃縮のメカニズムを研究することも興味深いかもしれません。この研究は、AM 方式を使用した超高真空システムの製造の選択肢をさらに増やすのにも役立つ可能性があります。

詳細については、原著論文をご覧ください：https://www.sciencedirect.com/sc ... 21000634?via%3Dihub

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