LCGT への適用を考えた DLC コーティングの研究

齋藤芳男 1 、高橋竜太郎 2 、佐藤吉博 1 、久保富夫 1 、都丸隆行 1 、徳成正雄 3 、角谷透 4

1 高エネルギー加速器研究機構、 2 国立天文台、 3 東大宇宙線研究所、 4 ナノテック Diamond-Like Carbon (DLC) とは散乱光雑音金属表面の黒化処理 1 無電解ニッケルめっき金属表面の黒化処理 2 DLC 薄膜ガス放出特性光学特性まとめ遮光用バッフルへの適用

R. Takahashi et al : Vacuum 73 (2004) 145-148

Diamond-Like Carbon (DLC) とはDLC 膜ダイヤモンドに似た性質を示すアモルファスカーボン膜ダイヤモンド構造 (sp3 結合 ) 、グラファイト構造 (sp2 結合 ) 、

及び水素 (H) の存在比によってその性質がややことなる

特徴機械特性：平滑、高硬度 (1,000~5,000Hv) 、低摩擦

(=0.08~0.20) その他：絶縁 (1~1016 ・ cm) 、耐食、ガスバリア、近赤外透

過適用例

切削工具、金型、機械部品、磁気ディスク、反射防止膜等成膜法

プラズマ CVD 、イオンプレーティング、スパッタリング等

散乱光雑音干渉計型重力波検出器では腕共振器のミラー表面で散乱した

光が真空ダクト表面で反射した後、メインビームと干渉して位相雑音を引き起こす。

したがってダクト表面は光をよく吸収する「黒い」面が望ましいが、一方で超高真空を実現するためガス放出速度が十分に小さい必要がある。

Diamond-Like Carbon (DLC) は反射防止膜として実用化されているが、その平滑性からガス放出に対しても良好な特性を持つ可能性がある。

金属表面の黒色化処理 1 無電解ニッケルめっきフォスブラック II ( 旭金属工業 )

無電解ニッケルめっき + ベーキング ( 大気中 190℃ 、２時間 )

膜厚 : 16~18mサンプル : SUS304 ダクト (150mm x 1m)ガス放出測定法 : コンダクタンス変調法

ニッケルーリン合金超黒色被膜 UB-NIP ( アンリツ )無電解ニッケルめっき + 硝酸水溶液によるエッチング ( 深

さ 10 m)➞ ミクロな多孔質構造 ( モヘア布のような表面 )

膜厚 : ~80m全反射率 : <1% (~1m)サンプル : 銅プレート 10枚 (50mm x 1mm)ガス放出測定法 : スループット法 (10mm オオオオオ )

250mm x 290mm の試験用真空槽を使用

金属表面の黒色化処理 2 DLC 薄膜Diamond-Like Carbon 薄膜 ( ナノテック )

DC プラズマ CVD: 500V 、 120mA膜厚 : ~1mサンプル : SUS304 ダクト (150mm x 1m)

+ 電解研磨 (EP) or 電解複合研磨 (ECB)+EP のみにベーキング (215℃ 、 23 時間 )

ガス放出測定法 : コンダクタンス変調法

EPECB

gas/C xHy

1m

plasm a

HV= 500V

DC glow discharge

0.2m 0.2m

金属表面の黒色化処理 2 DLC 薄膜成膜結果 ( テストピース )

膜厚 : マスキング部との段差を蝕針式表面粗さ計で測定硬度 : ナノインデンテンション法により測定表面粗さ : 蝕針式表面粗さ計で測定

試料番号

1 2 3 4 5 6 7 8

膜厚[m]

0.75 1.15 1.3 1.35 1.35 1.25 1.15 0.7

硬度[MPa]

19960 24625 23760 24139 22685

Ra[m]

0.0233

0.0199

0.0247

0.0246

0.0241

0.0224

0.0209

0.0222

位置 [cm] -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

ガス放出特性 1

DLC でコーティングされた試験ダクトのガス放出速度は50 時間で 4x10-9Pa m3 s-1 m-2以下。

この値はベーキングした同一形状の SUS316 ダクト (EP処理 ) より小さく、 TiN コーティングされた SUS316 ダクトと同等。

無電解ニッケルめっき (NiP被膜 ) の場合これら DLCコーティングと比べて 100倍以上大きい。

ガス放出特性 2

水素 (H2) が支配的。

光学特性サンプル

SUS304 プレート (50mm x 100mm)+ 電解複合研磨 (ECB)+DLC コーティング ( イオンプレーティング )

光源 : Nd:YAG レーザー (=1064nm)測定反射率

DLC をコーティングした場合全入射角にわたって反射率は低下 (90゜を除く )p 偏光、 40゜入射で 5%

DLC 薄膜の決定パラメータ複素屈折率 : 2.4 - 0.04i膜厚 : 1049nm(s偏光 ) 、 1016nm(p偏光 )

ECB

ECB+DLC

×: s偏光、□ : p偏光

まとめ

DLC 薄膜は超高真空用コーティングとしてきわめて優れた特性を持っている。

DLC 薄膜が赤外域において反射防止膜として有用であることが再確認された。膜厚を制御できればより効果的な設計が可能である。

散乱光が斜入射 ( 入射角 90゜ ) の場合コーティングの有無にかかわらず反射率は 1 となってしまうので、むしろ遮光用バッフルのコーティングに適している。現在バッフルとしての効果を調べる実験を準備中である。

遮光用バッフルへの適用可動式遮光バッフル

・直線導入端子・ DLC コーティング ( イオンプレーティング )・ p 偏光の光に対して 45°

実験計画真空ダクト表面を加振し、励起された散乱光雑音の振る舞いとバッフルによる遮光量との依存性を見る