用于强激光辐照实验的微加工靶材自动化输送

摘要

本文介绍了一种利用高强度激光脉冲自动辐照薄金箔的实验方案。该方案包含微加工靶材制备过程的逐步说明，以及如何以0.2 Hz的频率将靶材送至激光焦点的详细操作指南。

摘要

本文描述了一种可实现对微加工靶材进行高功率激光辐照的实验方法。通过在靶材操控装置与测距传感器之间运行的闭环反馈系统，将靶材送至激光焦点位置。文中详细阐述了靶材的制备过程，并给出了以0.2 Hz的频率辐照600 nm厚金箔后产生兆电子伏（MeV）级质子束的典型实验结果。该方法与其他可更换靶材系统进行了比较，并探讨了将打靶频率提升至10 Hz以上的前景。

引言

高强度激光辐照固体靶会产生多种形式的辐射，其中之一便是能量达到兆电子伏特（MeV）量级的高能离子发射¹。MeV离子的紧凑型辐射源在多个领域具有应用潜力，例如质子快点火²、质子照相³、离子放射治疗⁴以及中子产生⁵。

实现激光离子加速实用化的一个主要挑战在于，如何以高重复频率将微米尺度的靶材精确地定位在激光焦点内。目前仅有少数靶材输送技术被开发出来以应对这一挑战。其中最常见的是基于微米级厚度胶带的靶系统。这类靶材易于补充，且可方便地定位在激光焦点内。已用于制作胶带靶的材料包括VHS⁶、铜⁷、Mylar和Kapton⁸胶带。胶带驱动系统通常由两个电动卷轴组成，用于收卷和放卷，两个垂直定位销则置于其间以固定胶带位置⁹。胶带表面的定位精度通常小于聚焦光束的瑞利长度。另一种可补充的激光靶是液态薄片¹⁰。这类靶材可快速输送到相互作用区域，并产生极少的残余物。该系统由一个高压注射泵构成，液体从储液器持续供给。最近，新型低温氢喷流¹¹已被确立为一种可输送超薄、低残余物、可补充靶材的有效手段。

所有这些可补充靶系统的主要缺点是靶材料和几何形状的选择有限，这受限于强度、黏度和熔点等机械性能要求。

本文描述了一种能够以 0.2 Hz 的频率将微加工靶材送至高强度激光焦点的系统。微加工技术可在多种几何结构中提供广泛的靶材选择¹²。靶材定位由商用位移传感器与电动操纵器之间的闭环反馈控制完成。

采用高对比度、20太瓦（TW）的激光系统测试了靶材输送系统，该系统可向靶材输送持续时间为25飞秒（fs）、能量为500毫焦（mJ）的激光脉冲。Porat等人¹³综述了该激光系统的结构，Gershuni等人¹⁴则提供了靶材系统的技术描述。本文详细介绍此类系统的制备与使用方法，并展示了利用超薄金箔靶材进行激光离子加速的代表性实验结果。

如图1所示，采用汤姆逊抛物线离子谱仪（TPIS）^15,16记录所发射离子的能量谱。在TPIS中，被加速的离子穿过平行的电场和磁场，从而在焦平面上形成抛物线轨迹。抛物线的曲率取决于离子的质荷比，而沿轨迹的位置则由离子的能量决定。

位于TPIS焦平面处的BAS-TR成像板（IP）¹⁷用于记录入射离子。该成像板连接至机械馈通装置，可在每次打靶前移动至新的区域。

方案

1. 靶材制备

注意：图2 和 图3 展示了自支撑金箔的制备过程。

1. 背面
   1. 使用厚度为 250 μm、直径为 100 mm、晶体取向为 <100> 的高应力硅片，双面涂覆氮化硅。
   2. 依次使用丙酮 和异丙醇清洗硅片，并用氮气吹干。 随后旋涂一层 HMDS 以形成粘附层，具体步骤见表 1。
   3. 按照 表 2中所述步骤，在硅片上旋涂 AZ1518 光刻胶层。
   4. 在 100 °C 下烘烤 1 分钟，然后冷却。
   5. 在真空条件下进行光刻，曝光形成 1,000 μm × 1,000 μm 的方形开口，使用 400 nm 紫外灯曝光 1 个循环，时间为 4 至 7 秒 。硅片接受的总辐照量为 40 J/cm²。使用 AZ726K 显影液显影以暴露氮化硅，再用去水浴终止显影过程。
   6. 使用反应离子刻蚀机（RIE）去除方形区域内的氮化硅。
   7. 将硅片浸入 N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶液中 20 分钟，以去除残留的光刻胶和抗蚀剂，在氮化硅层上形成掩模的复制品。用去离子水冲洗硅片，并用氮气吹干。
   8. 将硅片浸入 30%、90 °C 的氢氧化钾溶液中，通过方形开口刻蚀硅。每需刻蚀 50 μm 厚的硅，浸入时间应为 40 分钟。由于 <100> 晶面的刻蚀速率远高于其他晶面，氢氧化钾在对氮化硅掩模进行显著刻蚀之前，已通过硅体到达底部的氮化硅层。
2. 正面
   1. 对于正面，重复步骤 1.1.1–1.1.6，使用呈三个同心环形状的掩模。
   2. 使用反应离子刻蚀（RIE）去除环形区域的氮化硅，随后用 NMP 浴去除残留的抗蚀剂和光刻胶。
   3. 最后，为使硅环表面粗糙化，将硅片依次浸入硝酸以及含有 0.02 M 硝酸银和 4 M 氢氟酸的溶液中。
   4. 在硅片的刻蚀面，使用物理气相沉积设备（PVD）¹⁸ 溅射一层数百纳米厚的金，金层下方为约 10 nm 厚的粘附层，材料可为钛、镍或铬。溅射后的金层将作为自支撑膜靶材。

2. 序列比对

注意：图4 显示了目标辐照装置。

1. 在100倍显微镜下将一个任意选择的靶点调至视野中。
2. 将三角测距传感器（例如 MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20）¹⁹对准最靠近该靶点的粗糙环，并记录其位移读数。
   注意：所使用的测距传感器型号不适用于高真空环境。同一厂商的其他型号（如 MTI-2100）则适用于低放气应用。
3. 保持显微镜位置不变，将晶圆移动一段已知距离，以清空光路。
4. 利用两个折叠镜和离轴抛物面镜（OAP），在低功率下将光束对准显微镜的视场。
5. 调节这三个反射镜，以校正光束中的像散。最终应获得一个接近衍射极限的聚焦光斑。
6. 遮挡激光束，并将靶点重新移回显微镜的焦点位置。使用显微镜和测距传感器的读数验证其位置。
7. 将显微镜移至一个可避免激光照射和碎片损伤的安全位置。

3. 照射序列与自动靶点定位

1. 使用软件在目标的焦轴调节器与位移传感器读数之间建立闭环反馈。采用第2.2步协议中记录的数值作为设定值。基于LabView编制的主要PID²⁰控制流程如图5所示。
2. 当闭环定位达到设定值附近所需的公差范围时，用单个高功率激光脉冲照射目标。
3. 通过机械馈通装置移动IP至新位置。
4. 软件将下一个目标调至焦点后，重复进行照射流程。

结果

该靶向输运系统被用于从600 nm厚的金箔背面加速离子。当以归一化激光强度a₀ = 5.6照射时，这些离子通过靶法向鞘层加速（TNSA）机制被加速²¹。在TNSA机制中，主激光脉冲前的低强度光使靶箔前表面发生电离。主激光脉冲产生的纵场力推动热电子穿过体材料。这些电子在背面引起的电荷分离²²，形成了极强的静电梯度，从而沿靶法向方向加速了靶材中的离子污染物。

沿焦轴方向的目标位移时间序列如图所示 图6。数值相对于焦平面位置设定点。绿色圆点表示目标位移在容差范围内的时刻 1 μm 从设定点；此时会进行一次激光照射。

图7展示了对600 nm厚金箔靶材连续辐照14次所获得的TPIS信号迹线。由这些迹线导出的质子能量谱如图8所示。最大质子能量的...

讨论

尽管存在一些变化，本方案中描述的目标制备工艺是常见的（例如 Zaffino 等人²³）。其中，一个对自动定位操作至关重要的独特步骤是在晶圆背面的环形区域引入纳米尺度的粗糙化处理（步骤 1.2.3）。该步骤的目的是增强入射光在这些区域的漫散射。测距传感器将一束低功率激光照射到晶圆上，收集散射光，并通过三角测量法确定其位移。

上述数据的采集速率为每5秒一次采样，限制因素是IP的平移时间。此处展示的是一种简单、低成本的在线读出方法的初步结果，该方法将提高采样占空比。传统的在线读出通常使用微通道板²⁴或塑料闪烁体^25,26实现。在后一种情况下，需要使用昂贵的、带像增强器的门控CCD相机来记录相对微弱的闪烁光信号。当前系统采用了一种基于不同闪烁体材料CsI(Tl)的更简单的读出系统，其发光强度足以使用低成本、低动态范围的CCD相机进行记录。这种闪烁体材料的选择此前已由Pappala...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
76.2 x 127 mm EFL 90° 保护型金膜 100Å 离轴抛物面反射镜	Edmund optics	35-535
MicroTrak 3 LTS 120-20	MTI Instruments
800 nm 超快高功率介质反射镜	Thorlabs