The goal of this work was to investigate coated first mirrors under very harsh erosion conditions. Mock-up mirrors were exposed to high-flux hydrogen/argon plasma in the linear plasma facility Magnum-PSI. Rhodium (Rh) and molybdenum (Mo) coated mirrors of different coating thicknesses, with or without water cooling, exhibited different responses to this exposure. Failures of Rh films were demonstrated for 5 micron thick film, 1 micron film revealed 10% decrease in the specular reflectivity only in the exposed area. In comparison, water cooled Mo mock-ups showed a significant diffuse reflectivity on the entire surface leading to more than 50% specular reflectivity losses in the visible range. The losses for non-cooled Mo samples did not exceed 7% in the whole studied wavelength range of 250–2500 nm. Three phenomena were proposed to explain these results. First the mechanical properties of the films as characterized by scratch and hardness measurements as well as residual stress analysis measured by x-ray diffraction. Rh films showed a high compressive stress value of 2.5 ± 0.4 GPa leading to poor adhesion of the thick films deposited on stainless steel substrate due to the high amount of available energy per area stored in the unbuckled film i.e. J m−2. It was confirmed by ANSYS simulation that the von Mises stress for the Rh coating was twice as high as that for the Mo coating due to different mechanical properties. Moreover, the maximum stress for thick Rh film (261 MPa) was higher than the critical buckling stress calculated with a buckle clamped Euler column model demonstrating the failure mode of the film. The second phenomenon was roughening of the mirror surface which was flux and temperature dependent, i.e. at low temperatures the surface would roughen randomly without any oriented surface morphology and at higher temperatures the surface diffusion constants would dominate the process and smoothen the surface. The last phenomenon was the significant oxidation and carbidization of the Mo surface even on the non-exposed area, as detected by x-ray photoelectron spectroscopy, leading also to a decrease in the reflectivity in the entire measured range, which was not observed for Rh film.
本稿の目的は、極めて過酷なエロージョン条件下におけるコーティングミラーの調査であった。模擬ミラーは、リニアプラズマ装置Magnum-PSIにおいて、高フラックス水素/アルゴンプラズマに曝露された。異なるコーティング厚のロジウム（Rh）およびモリブデン（Mo）コーティングミラーは、水冷の有無により、この曝露に対して異なる応答を示した。厚さ5μmのRh膜では破損が実証された一方、厚さ1μmの膜では、曝露領域のみにおいて正反射率が10%低下した。比較すると、水冷されたMoコーティングミラーは、表面全体にわたって顕著な拡散反射を示し、可視光域において正反射率の損失は50%を超えた。一方、非冷却のMoコーティングミラーでは、測定波長範囲250～2500nm全体において、正反射率の損失は7%を超えなかった。これらの結果を説明するために、三つの現象が提案された。第一に、X線回折による残留応力分析、硬度測定、スクラッチ試験によって特徴づけられるコーティングの機械的特性である。Rhコーティングは、2.5±0.4GPaという高い圧縮応力を示し、これはステンレス鋼基板上の厚いコーティングの密着性不良につながった。これは、非座屈膜に蓄積された単位面積あたりの高いエネルギー（すなわち、J m⁻²）に起因する。ANSYSシミュレーションにより、Rhコーティングのフォン・ミーゼス応力は、機械的特性の違いにより、Moコーティングの約2倍であることが確認された。さらに、厚いRh膜（261MPa）の最大応力は、オイラーの座屈モデル（固定端柱モデル）を用いて計算された臨界座屈応力を上回り、膜の破損モードを実証した。第二に、ミラー表面の粗面化であり、これはフラックスと温度に依存した。すなわち、低温では表面はランダムに粗面化し、特定の表面モルフォロジーを示さなかったが、高温では表面拡散係数が支配的となり、表面は平滑化した。第三に、X線光電子分光法により検出された、曝露領域外を含むMo表面の顕著な酸化と炭化である。これもまた、測定範囲全体における反射率の低下に寄与したが、この現象はRh膜では観察されなかった。