Für die automatisierte Bestrahlung dünner Goldfolien mit hochintensiven Laserpulsen wird ein Protokoll vorgelegt. Das Protokoll enthält eine Schritt-für-Schritt-Beschreibung des Mikrobearbeitungszielfertigungsprozesses und eine detaillierte Anleitung, wie Ziele mit einer Geschwindigkeit von 0,2 Hz in den Fokus des Lasers gebracht werden.
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Methodenartikel
Automatisierte Lieferung von mikrofabrizierten Targets für intensive Laserbestrahlungsexperimente
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Zusammenfassung
Zusammenfassung
Beschrieben ist ein experimentelles Verfahren, das eine Hochleistungslaserbestrahlung von mikrofabrizierten Targets ermöglicht. Die Ziele werden durch eine geschlossene Rückkopplungsschleife, die zwischen dem Zielmanipulator und einem Sensor arbeitet, in den Laserfokus gebracht. Der Zielfertigungsprozess wird ausführlich erläutert. Repräsentative Ergebnisse von Protonenstrahlen auf MeV-Ebene, die durch Bestrahlung von 600 nm dicken Goldfolien mit einer Rate von 0,2 Hz erzeugt werden. Die Methode wird mit anderen nachfüllbaren Zielsystemen verglichen und die Aussichten, die Schussraten auf über 10 Hz zu erhöhen, werden diskutiert.
Einleitung
Die hochintensive Laserbestrahlung von festen Targets erzeugt mehrere Strahlungsformen. Eine davon ist die Emission energetischer Ionen mit Energien auf der Mega-Elektronen-Volt-Stufe1. Eine kompakte Quelle von MeV-Ionen hat Potenzial für viele Anwendungen, wie Protonen-Schnellzündung2, Protonen-Radiographie3, Ionen-Strahlentherapie4und Neutronen-Generation5.
Eine große Herausforderung bei der praktischen Laser-Ionenbeschleunigung ist die Fähigkeit, Mikrometer-Ziele mit hoher Geschwindigkeit präzise innerhalb des Fokus des Lasers zu positionieren. Es wurden nur wenige Zielbereitstellungstechnologien entwickelt, um diese Herausforderung zu bewältigen. Am häufigsten sind Zielsysteme, die auf dicken Bändern im Mikrometermaßstab basieren. Diese Ziele sind einfach aufzufüllen und können leicht im Fokus des Lasers positioniert werden. Bandziel wurde mit VHS6, Kupfer7, Mylar und Kapton8 Bänder gemacht. Das Bandlaufwerk besteht in der Regel aus zwei motorisierten Spulen zum Aufwickeln und Abwickeln und zwei vertikalen Stiften, die zwischen ihnen platziert werden, um das Band in Position9zu halten. Die Genauigkeit bei der Positionierung der Bandoberfläche ist in der Regel geringer als der Rayleigh-Bereich des Fokussiebestrahls. Eine andere Art von nachfüllbarem Laserziel sind flüssige Bleche10. Diese Ziele werden schnell in den Interaktionsbereich geliefert und führen zu einer sehr geringen Menge an Schutt. Dieses System besteht aus einer Hochdruckspritzenpumpe, die kontinuierlich mit Flüssigkeit aus einem Reservoir versorgt wird. Kürzlich wurden neuartige kryogene Wasserstoffdüsen11 als Mittel zur Lieferung ultradünner, schmutzarmer, nachfüllbarer Ziele etabliert.
Der Hauptnachteil all dieser nachfüllbaren Zielsysteme ist die begrenzte Auswahl an Zielmaterialien und Geometrien, die durch mechanische Anforderungen wie Festigkeit, Viskosität und Schmelztemperatur diktiert werden.
Hier wird ein System beschrieben, das mikromaschinengebundene Targets mit einer Geschwindigkeit von 0,2 Hz in den Fokus eines Hochintensitätslasers bringen kann. Die Mikrobearbeitung bietet eine große Auswahl an Zielmaterialien in vielseitigen Geometrien12. Die Zielpositionierung erfolgt durch eine geschlossene Rückkopplung zwischen einem kommerziellen Verdrängungssensor und einem motorisierten Manipulator.
Das Zielabgabesystem wurde mit einem kontrastreichen 20 TW-Lasersystem getestet, das 25 fs-lange Laserpulse mit 500 mJ am Ziel liefert. Eine Übersicht über die Architektur des Lasersystems ist in Porat et al.13gegeben, und eine technische Beschreibung des Zielsystems ist in Gershuni et al.14gegeben. Dieses Papier stellt eine detaillierte Methode zur Herstellung und Verwendung dieser Art von System vor und zeigt repräsentative Ergebnisse der Laser-Ionen-Beschleunigung von ultradünnen Goldfolienzielen.
Das Thomson Parabola Ionenspektrometer (TPIS)15,16 in Abbildung 1 wurde verwendet, um die Energiespektren der emittierten Ionen aufzuzeichnen. In einem TPIS durchlaufen beschleunigte Ionen parallele elektrische und magnetische Felder, die sie auf parabolische Bahnen in der Brennebene setzen. Die parabolische Krümmung hängt vom Ladungs-Massen-Verhältnis des Ions ab, und die Position entlang der Flugbahn wird durch die Energie des Ions festgelegt.
Eine BAS-TR-Bildplatte (IP)17, die an der Brennebene des TPIS positioniert ist, zeichnet die einschneidenden Ionen auf. Die IP wird an einen mechanischen Durchlauf angehängt, um die Übersetzung in einen neuen Bereich vor jedem Schuss zu ermöglichen.
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Protokoll
1. Zielfertigung
ANMERKUNG: Abbildung 2 und Abbildung 3 veranschaulichen den Herstellungsprozess freistehender Goldfolien.
- Rückseite
- Verwenden Sie einen 250 mm dicken, 100 mm großen, hochbeanspruchten Siliziumwafer in einer <100> Kristallbildung, der beidseitig mit Siliziumnitrid beschichtet ist.
- Reinigen Sie den Wafer mit Aceton gefolgt von Isopropanol und trocknen Sie ihn mit Stickstoff. Dann drehen Sie eine Schicht von HMDS, um eine Klebeschicht nach den Schritten in Tabelle 1beschrieben zu bilden.
- Verschichten Sie den Wafer mit einer AZ1518-Photoresist-Schicht nach den in Tabelle 2beschriebenen Schritten.
- Den Wafer bei 100 °C 1 min backen, dann abkühlen lassen.
- Photolithograph1.000 x 1.000 m quadratische Öffnungen unter Vakuum, die den Wafer in 1 Zyklus von 4 bis 7 Sekunden einer 400 nm UV-Lampe aussetzen. Der Wafer ist einem Gesamteinfluss von 40 J/cm2ausgesetzt. Verwenden Sie einen AZ726K-Entwickler, um das Siliziumnitrid und ein Bad mit dehydriertem Wasser freizulegen, um den Prozess zu stoppen.
- Verwenden Sie Reactive Ion Etcher (RIE), um das Siliziumnitrid an der Position der Quadrate zu entfernen.
- Verwenden Sie ein N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) Bad für 20 min, um den Restwiderstand und Photoresist zu entfernen, wodurch eine Replik der Maske auf der Siliziumnitridschicht entsteht. Waschen Sie den Wafer unter frischem Wasser und trocknen Sie ihn mit Stickstoff.
- Den Wafer in einer 30%, 90 °C, Kaliumhydroxidlösung absenken, um das Silizium durch die quadratischen Öffnungen zu ätzen. Senken Sie den Wafer für 40 min für jede 50 'm Silizium, die geätzt werden muss. Da die Ätzrate in der <100>-Ebene viel höher ist als in anderen, erreicht das Kaliumhydroxid die untere Siliziumnitridschicht durch die Siliziummasse, bevor es eine signifikante Tiefe in der Siliziumnitridmaske ätzt.
- Vorderseite
- Wiederholen Sie für die Vorderseite die Schritte 1.1.1–1.1.6 mit einer Maske, die als drei konzentrische Ringe geformt ist.
- Verwenden Sie RIE, um das Siliziumnitrid zu entfernen, in dem sich die Ringe befinden, gefolgt von einem NMP-Bad, um Widerstands- und Photoresist-Reste zu entfernen.
- Schließlich, um die Siliziumringe zu authemmen, senken Sie den Wafer in Salpetersäure und in einer Lösung von 0,02 M Silbernitrat und 4 M Fluorwasserstoff.
- Verwenden Sie auf der geätzten Seite des Wafers eine physikalische Dampfabscheidungsmaschine (PVD)18, um eine Schicht von ein paar hundert Nanometern Gold auf einem 10 nm dünnen Film aus Klebstoff Titan, Nickel oder Chrom zu spulen. Die gesputterte Goldschicht wird zum freistehenden Membranziel.
2. Ausrichtung
ANMERKUNG: Abbildung 4 zeigt die Einrichtung der Zielbestrahlung.
- Bringen Sie ein erstes willkürlich ausgewähltes Ziel unter einem 100-fachen Vergrößerungsmikroskop ins Blickfeld.
- Zeigen Sie einen Triangulations-Ranging-Sensor (z. B. MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)19 auf den aufgerauten Ring, der dem Ziel am nächsten liegt, und notieren Sie seine Verschiebungsmessung.
HINWEIS: Das verwendete Sensormodell ist nicht für Hochvakuumanwendungen vorgesehen. Verschiedene Modelle, wie der MTI-2100 vom gleichen Hersteller, sind mit Low-Outgasing-Anwendungen kompatibel. - Wenn Sie das Mikroskop an Ort und Stelle lassen, bewegen Sie den Wafer einen bekannten Abstand, um den Strahlweg zu räumen.
- Mit zwei Klappspiegeln und dem Off-Achsen-Parabolspiegel (OAP) richten Sie den Strahl mit geringer Leistung in das Sichtfeld des Mikroskops aus.
- Passen Sie diese drei Spiegel an, um Astigmatismen im Strahl zu korrigieren. Das Ergebnis sollte ein nahezu beugungsbegrenzter Brennpunkt sein.
- Blockieren Sie den Laserstrahl und bringen Sie das Ziel wieder in den Fokus des Mikroskops. Überprüfen Sie seine Position mit dem Mikroskop und dem Messwert des Sensors.
- Bewegen Sie das Mikroskop in eine Position, in der es vor Laserlicht und Schmutz geschützt wird.
3. Bestrahlungssequenz und automatisierte Zielpositionierung
- Implementieren Sie eine Closed-Loop-Rückmeldung zwischen dem Fokusachsenmanipulator des Ziels und dem Verdrängungssensor-Messwert mittels Software. Verwenden Sie den aufgezeichneten Wert aus Protokollschritt 2.2 als Sollwert. Die Hauptsteuerungssequenz PID20, die mit LabView erstellt wurde, ist in Abbildung 5dargestellt.
- Sobald die Closed-Loop-Positionierung einen gewünschten Toleranzabstand vom Sollwert erreicht hat, bestrahlen Sie das Ziel mit einem einzigen Hochleistungslaserpuls.
- Übersetzen Sie die IP mit dem mechanischen Durchlauf in eine neue Position.
- Wiederholen Sie die Bestrahlungssequenz mit dem nächsten Ziel, das von der Software in den Fokus gerückt wird.
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Ergebnisse
Dieses Zielliefersystem wurde eingesetzt, um Ionen von der Rückseite von 600 nm dicken Goldfolien zu beschleunigen. Bei Bestrahlung mit einer normalisierten Laserintensität von0 = 5,6 wurden diese Ionen durch den Ziel-Normalmantelbeschleunigungsmechanismus (TNSA)21beschleunigt. In TNSA ionisierte das Licht mit geringerer Intensität, das dem Hauptlaserpuls vorausging, die Vorderseite der Zielfolie. Die vom Hauptlaserpuls ausgeübte Gedankenkraft trieb heiße Elektronen durch die Schüttgut....
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Diskussion
Bei einigen Variationen ist der in diesem Protokoll beschriebene Zielfertigungsprozess üblich (z. B. Zaffino et al.23). Ein einzigartiger Schritt für den Betrieb der automatischen Positionierung ist hier die Zugabe von Nanometer-Schruppen in ringförmigen Bereichen auf der Rückseite des Wafers (Schritt 1.2.3). Der Zweck dieses Schritts ist es, die diffuse Streuung des Lichteinfalls auf dem Wafer in diesen Bereichen zu erhöhen. Der Bereichsensor strahlt einen Low-Power-Laserstrahl auf den Wafer, sam...
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Offenlegungen
Die Autoren haben keine konkurrierenden finanziellen Interessen.
Danksagungen
Diese Arbeit wurde von der Israel Science Foundation, Stipendium Nr. 1135/15, und vom Zuckerman STEM Leadership Program, Israel, unterstützt, die dankbar anerkannt werden. Wir würdigen auch die Unterstützung der Pazy Foundation, des Israel-Stipendiums #27707241 und des NSF-BSF-Zuschusses Nr. 01025495. Die Autoren möchten das Tel Aviv University Center for Nanoscience and Nanotechnolog
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 76,2 x 127 mm EFL 90° Geschütztes Gold 100Å Off-Axis-Parabolspiegel | Edmund optics | 35-535 | |
| MicroTrak 3 LTS 120-20 | MTI Instruments | ||
| Ultraschnelle dielektrische Hochleistungsspiegel für 800 nm | Thorlabs |
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Nachdrucke und Genehmigungen
Erratum
Formal Correction: Erratum: Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments
Posted by JoVE Editors on 4/16/2021. Citeable Link.
An erratum was issued for: Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments. The author list was updated.
The author list was updated from:
Yonatan Gershuni1,2, Michal Elkind1,2, Itamar Cohen1,2, Aviad Tsabary1,2, Deep Sarkar1,2, Ishay Pomerantz1,2
1The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University,
2Tel Aviv University Center for Light-Matter Interaction
to:
Yonatan Gershuni1,2, Michal Elkind1,2, Dolev Roitman1,2, Itamar Cohen1,2, Aviad Tsabary1,2, Deep Sarkar1,2, Ishay Pomerantz1,2
1The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University,
2Tel Aviv University Center for Light-Matter Interaction
