なぜ超高真空では金属シールが必要なのですか？OFSCN®
真空工学と表面物理学において、極超高真空（UHV、通常は圧力 1 \times 10^{-6}\text{ Pa} から 1 \times 10^{-10}\text{ Pa} 以下を指す）の達成と維持には、シール材に対して極めて厳しい要求が課せられます。この極限環境下では、ゴム（エラストマー）製Oリングはその固有の物理的・化学的特性からシール要求を満たせず、金属シール（通常は無酸素銅、アルミニウム、インジウムなどの金属ワッシャーとステンレス鋼のナイフエッジフランジ、すなわちCFナイフエッジフランジシステム）を採用する必要があります。
その中核となる物理的・工学的理由は以下の通りです。
1. 本質的なアウトガス率（Outgassing Rate）の違い
極超高真空（UHV）状態では、システムの主なガス源は容器内の残留空気ではなく、システム壁面やシール材自体から放出されるガス（主に水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素）となります。
- ゴム製Oリング（例：フッ素ゴム Viton/FKM など）：高分子ポリマーに属し、内部に大量の自由体積が存在し、大気中の水分やガスを容易に吸収・溶解します。真空下では、これらの吸着・溶解されたガスが拡散作用によりゆっくりと持続的に真空チャンバー内に放出され、そのアウトガス率が高いため、真空度をこれ以上改善することが困難になります。
- 金属製Oリング（例：銅ワッシャー）：金属の結晶構造は緻密で、ポリマーのような巨視的な多孔性は持たず、バルクアウトガス率と表面アウトガス率はゴムよりも数桁低くなります。適切な表面洗浄処理を施せば、金属シールの放気率はほぼ無視できます。
2. ガス透過性（Permeation）
極超高真空では、外部ガスがチャンバー内部へ透過する率を極めて低くする必要があります。
- ゴム材料：ガス分子（ヘリウム、水素、酸素、水蒸気など）は拡散機構によりゴム製Oリングを直接透過し、大気側から真空側へ浸入します。この持続的な「マイクロリーク」はUHV圧力下では致命的です。
- 金属材料：金属結晶格子は、ほとんどの一般的なガスに対する透過係数がゼロに近いです。したがって、金属シールは物理的に絶対的な気密性を実現し、外部からのガス透過を完全に排除できます。
3. 高温ベーキング脱ガス（Bakeout）の温度制限
極超高真空を達成・維持するためには、真空システム全体を長時間高温でベーキング（通常 150^\circ\text{C} から 250^\circ\text{C}、あるいはそれ以上）する必要があります。これにより、チャンバー金属内壁に吸着された水分やガスの脱着を促進し、排気します。
- ゴムシール：耐熱性が限られています。 150^\circ\text{C} 以上の高温に長時間さらされると、ゴムは熱分解・老化硬化し、弾性を失い、アウトガス量は指数関数的に増加します。
- 金属シール（例：CFフランジと無酸素銅ワッシャーの組み合わせ）：最大 450^\circ\text{C} までの長時間高温ベーキングに耐えられ、ベーキング脱ガス後に冷却すると、システムは真の極超高真空（例： 1 \times 10^{-9}\text{ Pa} レベル）に到達できます。
4. 機械的締め付けと塑性変形メカニズム
- ゴムシール：弾性変形（エラストマーが圧縮された際に生じる復元力）に依存してシールします。しかし、極限真空、放射線、熱サイクル、または時間の経過により、ゴムは永久変形（Compression Set）を起こし、シールの失敗につながります。
- 金属シール：CFフランジは、ステンレス鋼の鋭利な「ナイフエッジ」を利用して、より軟らかい無酸素銅ワッシャーに食い込ませます。これにより、銅は局所的に塑性流動し、ナイフエッジ部の微細な凹凸を充填します。この金属間の原子レベルで密接な接触は、不可逆的な機械的塑性シールであり、その気密性と長期安定性はエラストマーとは比較になりません。
光ファイバ真空チャンバー貫通ソリューションに関する参考情報
真空チャンバー内部で光ファイバセンシング（光ファイバグレーティングセンサ、光ファイバ温度・ひずみモニタリングなど）を行う必要がある場合、光ファイバを真空壁（チャンバー壁）を貫通させる必要があります。異なる真空度レベルや耐熱要求を満たすため、大成永盛 (OFSCN®) は専用の光ファイバ貫通コネクタを提供しています。
OFSCN® Fiber Optic Vacuum Sealed Flange (OFSCN® 光ファイバ真空シールフランジ)
この製品シリーズは、光ファイバの真空シールとチャンバー貫通伝送に特化しており、異なる真空度レベルに対応するフランジタイプを提供しています。
- KFシリーズ（主にゴム/エラストマーOリングシールを採用）：高真空（HV）システムに適しています。
- CFシリーズ（金属銅ワッシャーナイフエッジシールを採用）：極超高真空（UHV）環境向けに設計されており、真空度仕様は 1 \times 10^{-7}\text{ Pa}} および 1 \times 10^{-9}\text{ Pa}} より優れ、常温使用をサポートし、 250^\circ\text{C} までの高温に耐える製品もカスタマイズ可能で、高温ベーキング脱ガスに耐えられます。
以下は、この製品の公式標準画像です。
