הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

אספקה אוטומטית של מטרות מיקרו-פבריקט לניסויים אינטנסיביים בהקרן לייזר

4K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/61056

⸱

28 בינואר 2021

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University, 2Tel Aviv University Center for Light-Matter Interaction

במאמר זה

הודעת תיקון

Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice

סיכום

פרוטוקול מוצג עבור הקרן אוטומטית של רדידות זהב דקות עם פולסים לייזר בעוצמה גבוהה. הפרוטוקול כולל תיאור שלב אחר שלב של תהליך ייצור היעד micromachining ומדריך מפורט לאופן שבו מטרות מובאות למוקד הלייזר בקצב של 0.2 הרץ.

תקציר

מתואר הוא הליך ניסיוני המאפשר הקרן לייזר בהקבר של מטרות microfabricated. המטרות מובאות למוקד הלייזר על ידי לולאת משוב סגורה הפועלת בין מניפולטור היעד לבין חיישן טווח. תהליך ייצור היעד מוסבר בפירוט. תוצאות מייצגות של קורות פרוטון ברמת MeV שנוצרו על ידי הקרן של רדידות זהב בעובי 600 נה"מ בקצב של 0.2 הרץ ניתנות. השיטה מושווה עם מערכות יעד אחרות מתחדשות ואת הסיכויים להגדיל את שיעורי הזריקה מעל 10 הרץ נדונים.

מבוא

הקרנות לייזר בעוצמה גבוהה של מטרות מוצקות יוצרות צורות מרובות של קרינה. אחד מהם הוא פליטת יונים אנרגטיים עם אנרגיות במגה אלקטרון וולט (MeV) רמה1. מקור קומפקטי של יונים MeV יש פוטנציאל עבור יישומים רבים, כגון פרוטון מהירהצתה 2, רדיוגרפיהפרוטון 3, הקרנותיון 4, ו ניוטרוניםדור 5.

אתגר מרכזי בביצוע האצת לייזר-יון מעשית היא היכולת למקם מטרות בקנה מידה מיקרומטר במדויק בתוך המוקד של הלייזר בקצב גבוה. מעט טכנולוגיות לאספקת יעד פותחו כדי לענות על האתגר הזה. הנפוצות ביותר הן מערכות יעד המבוססות על קלטות עבות בקנה מידה מיקרומטר. מטרות אלה הן פשוט לחדש, ניתן למקם בקלות בתוך המוקד של הלייזר. יעד קלטת נעשה באמצעות VHS6,נחושת 7,מיילר, ו Kapton8 קלטות. מערכת כונן הקלטת מורכבת בדרך כלל משני סלילים ממונעים עבור מתפתל ושחרר ושני סיכות אנכיות להציב ביניהם כדי לשמור על הקלטתבעמדה 9. הדיוק במיקום משטח הקלטת הוא בדרך כלל קטן מטווח ריילי של הקרן המיקודה. סוג אחר של יעד לייזר מתחדש הוא גיליונות נוזליים10. מטרות אלה מועברות במהירות לאזור האינטראקציה ומציגות כמות נמוכה מאוד של פסולת. מערכת זו כוללת משאבת מזרק בלחץ גבוה המסופקת ללא הרף עם נוזל ממאגר מים. לאחרונה, מטוסי מימן קריוגניםחדשניים 11 הוקמו כאמצעי לספק מטרות אולטרה-דקות, דלות פסולת, הניתנות לתוססות.

החסרונות העיקריים של כל מערכות היעד המתחדשות הללו היא הבחירה המוגבלת של חומרי מטרה וגיאומטריות, המוכתבים על ידי דרישות מכניות כגון כוח, צמיגות וטמפרטורת התכה.

כאן, מערכת מסוגלת להביא מטרות מיקרו-מכונות למוקד של לייזר בעוצמה גבוהה בקצב של 0.2 הרץ מתואר. מיקרו-תחוחזר מציעה מבחר רחב של חומרי יעד בגיאומטריות רב-תכליתיות12. מיקום היעד מתבצע על ידי משוב בלולאה סגורה בין חיישן עקירה מסחרי ומניפולטור ממונע.

מערכת אספקת היעד נבדקה באמצעות מערכת לייזר בעלת ניגודיות גבוהה, 20 TW המספקת פולסים בלייזר באורך 25 fs עם 500 mJ על היעד. סקירה של הארכיטקטורה של מערכת הלייזר ניתנת ב-Porat ואח'13, ותיאורטכני של מערכת היעד ניתן בגרשוני ואח'14. נייר זה מציג שיטה מפורטת עבור ביצוע ושימוש בסוג זה של מערכת ומראה תוצאות מייצגות של האצת לייזר-יון מייעדי רדיד זהב אולטרה דק.

ספקטרומטר היונים תומסון Parabola (TPIS)15,16 המוצג באיור 1 שימש כדי להקליט את ספקטרת האנרגיה של היונים הנפלטים. ב-TPIS, יונים מואצים עוברים דרך שדות חשמליים ומגנטיים מקבילים, מה שממקם אותם על מסלולים פרבוליים במטוס המוקד. העקמומיות הפרבולית תלויה ביחס הגובה-מסה של היון, והמיקום לאורך המסלול נקבע על ידי אנרגיית היונים.

לוח הדמיה BAS-TR (IP)17 הממוקם על המוקד של TPIS מתעד את היונים המנוגדות. ה-IP מחובר להזנה מכנית כדי לאפשר תרגום לאזור חדש לפני כל צילום.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. ייצור מטרה

הערה: איור 2 ואיור 3 ממחישים את תהליך הייצור של רדידות זהב עצמאיות.

  1. צד אחורי
    1. השתמש וופל סיליקון בעובי 250 μm, 100 מ"מ, וופל סיליקון בלחץ גבוה במבנה גביש <100> , מצופה משני הצדדים עם ניטרוד סיליקון.
    2. לנקות את הוופל באמצעות אצטון ואחריו isopropanol ויבש עם חנקן.  לאחר מכן סובב שכבה של HMDS כדי ליצור שכבת דבק לאחר השלבים המתוארים בטבלה 1.
    3. ספין-מעיל הוופל עם שכבת פוטורסיסט AZ1518 בעקבות השלבים המתוארים בטבלה 2.
    4. אופים את הוופל ב-100 מעלות צלזיוס במשך דקה, ואז נותנים לו להתקרר.
    5. Photolithograph 1,000 μm x 1,000 μm ריבוע פתחים תחת ואקום, חשיפת הוופל 1 מחזור של 4 עד 7 שניות למנורת UV 400 ננומטר. הוופל נחשף לשפעת כוללת של 40 J/cm2. השתמש במפתח AZ726K כדי לחשוף את הסיליקון nitride, ואמבטיה של מים מיובשים כדי לעצור את התהליך.
    6. השתמש ב- Reactive Ion Etcher (RIE) כדי להסיר את הסיליקון nitride במיקום של הריבועים.
    7. השתמש באמבט N-מתיל-2-pyrrolidone (NMP) למשך 20 דקות כדי להסיר את ההתנגדות השירית והפוטו-ריסט, ויצר העתק של המסכה בשכבת הסיליקון ניצ'יד. שוטפים את הוופל מתחת למים מתוקים ומתייבשים בחנקן.
    8. להטביע את הוופל ב 30%, 90 ° C, תמיסת אשלגן הידרוקסיד כדי תחריט את הסיליקון דרך פתחים מרובעים. להטביע את הוופל במשך 40 דקות עבור כל 50 μm של סיליקון שצריך להיות חרוט. מכיוון שקצב ה-etch במטוס <100> גבוה בהרבה מאחרים, אשלגן הידרוקסיד מגיע לשכבת הסיליקון התחתונה דרך בתפזורת הסיליקון לפני שהוא תחריט עומק משמעותי במסכת הסיליקון ניצ'יד.
  2. צד קדמי
    1. עבור הצד הקדמי, חזור על שלבים 1.1.1-1.1.6 עם מסכה בצורת שלוש טבעות קונצנטריות.
    2. השתמש ב- RIE כדי להסיר את ניצת הסיליקון שבה ממוקמות הטבעות, ואחריו אמבט NMP להסרת שאריות התנגדות ופוטו-ריסט.
    3. לבסוף, כדי לחוסן את טבעות הסיליקון, להטביע את הוופל בחומצה חנקתית בתמיסה של 0.02 M כסף חנקתי ו 4 M מימן פלואוריד.
    4. בצד החריט של הוופל, השתמש במכונת תצהיר אדים פיזית (PVD)18 כדי לפלוט שכבה של כמה מאות ננומטר של זהב על גבי סרט דק ~ 10 ננומטר של טיטניום דביק, ניקל, או כרום. שכבת הזהב המבעבעת תהפוך למטרה העצמאית של הממברנה.

2. יישור

הערה: איור 4 מציג את כיוונון ההקרן של היעד.

  1. להביא יעד נבחר שרירותי הראשון לתצוגה תחת מיקרוסקופ הגדלה 100x.
  2. הצבע על חיישן טווח טריאנגולציה (לדוגמה, MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)19 אל הטבעת המחוספסת הקרובה ביותר למטרה, והקלט את קריאת העקירה שלו.
    הערה: מודל החיישן הנע המשמש אינו מיועד ליישומים בעלי ואקום גבוה. דגמים שונים, כמו MTI-2100 מאותו ספק, תואמים ליישומים בעלי סיכון נמוך.
  3. תוך השארת המיקרוסקופ במקומו, הזיזו את הוופל במרחק ידוע כדי לפנות את נתיב הקרן.
  4. באמצעות שתי מראות מתקפלות והמראה הפרבולית מחוץ לציר (OAP), ליישר את הקרן בהקפת כוח נמוך לתוך שדה התצוגה של המיקרוסקופ.
  5. התאם את שלוש המראות האלה כדי לתקן אסטיגמציה בקרן. התוצאה צריכה להיות מוקד כמעט מוגבל לפליטה.
  6. לחסום את קרן הלייזר ולהביא את המטרה בחזרה למוקד של המיקרוסקופ. אמת את מיקומו באמצעות המיקרוסקופ והקריאה של החיישן הנע.
  7. להעביר את המיקרוסקופ לעמדה שבה הוא יהיה בטוח מפני אור לייזר ופסולת.

3. רצף ההקרן ומיקום יעד אוטומטי

  1. הטמע משוב בלולאה סגורה בין מניפולטור ציר המוקד של היעד לבין קריאת חיישן העקירה באמצעות תוכנה. השתמש בערך המוקלט מפרוטוקול שלב 2.2 כפוע ההגדרה. רצף הבקרה הראשי של PID20, שהוכן באמצעות LabView, מוצג באות 5.
  2. לאחר שמיקום הלולאה הסגורה הגיע למרחק סובלנות רצוי מנקודת הציון, הקרן את המטרה עם פעימת לייזר אחת בהגברה גבוהה.
  3. תרגם את ה-IP באמצעות ההזנה המכנית למיקום חדש.
  4. חזור על רצף ההתרנות עם היעד הבא שהובא להתמקד על ידי התוכנה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

מערכת אספקת יעד זו הועסקה כדי להאיץ יונים מהצד האחורי של רדידות זהב עבות 600 נה"מ. כאשר מוקרן עם עוצמת לייזר מנורמל של0 = 5.6, יונים אלה היו מואצים על ידי מנגנון האצת נדן נורמלי היעד (TNSA)21. ב-TNSA, האור בעוצמה נמוכה יותר שקדם לפעימת הלייזר הראשית מיינו את פני השטח הקדמיים של רדיד המטרה. כוח הרבר-לחץ שהופעל על ידי פעימה הלייזר העיקרית דחף אלקטרונים חמים דרך החומר בתפזורת. הפרדת הסתערות על המשטח האחורי,המושרה על ידי אלקטרונים אלה 22, יצרה הדרגתיות אלקטרוסטטית קי...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

עם כמה וריאציות, תהליך ייצור היעד המתואר בפרוטוקול זה הוא נפוץ (למשל, Zaffino ואח'23). כאן, צעד ייחודי אחד כי הוא קריטי לפעולה של מיקום אוטומטי הוא תוספת של הקשה בקנה מידה ננומטר באזורים בצורת טבעת בחלק האחורי של הוופל (שלב 1.2.3). מטרת צעד זה היא להגביר את הפיזור המפוזר של אירוע קל על הוופל באזורים אלה. החיישן הנוהר מאיר קרן לייזר בהנעה נמוכה על הוופל, אוסף את האור המפוזר וקובע את עקירתו על ידי טריאנגולציה.

הנתונים המוצגים לעיל נלקחו בקצב של ירייה אחת לכל 5 שניות, כאשר...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

לסופרים אין אינטרסים כלכליים מתחרים.

תודות

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן למדע ישראל, להעניק מס' 1135/15 ולתכנית מנהיגות STEM צוקרמן, ישראל, אשר זוכה להכרה בהכרת תודה. כמו כן, אנו מכירים בתמיכת קרן פאזי, מענק #27707241 ומענק מס' 1025495. המחברים רוצים להכיר בחביבות במרכז האוניברסיטאי תל אביב לננו-מדע וננוטכנולוגיה

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
76.2 x 127 מ"מ EFL 90° זהב מוגן 100Å מראה פרבולית מחוץ לציראופטיקה אדמונד35-535
MicroTrak 3 LTS 120-20MTI מכשירים
מראות דיאלקטריות מהירות במיוחד בעוצמה גבוהה עבור 800 ננומטרThorlabs

מקורות

  1. Snavely, R. A., et al. Intense High-Energy Proton Beams from Petawatt-Laser Irradiation of Solids. Physical Review Letters. 85, 4945(2000).
  2. Tosaki, S., et al. Evaluation of laser-driven ion energies for fusion fast-ignition research. Progress of Theoretical and Experimental Physics. 2017 (10), 103(2017).
  3. Borghesi, M., et al. Proton imaging: a diagnostic for inertial confinement fusion/fast ignitor studies Related content Inertial confinement fusion and fast ignitor studies. Plasma Physics and Controlled Fusion. 43, 12(2001).
  4. Malka, V., et al. Practicability of proton therapy using compact laser systems. Medical Physics. 31 (6), 1587-1592 (2004).
  5. Roth, M., et al. Laser-Driven Neutron Source Based on the Relativistic Transparency of Solids. Physical Review Letters. 110, 044802(2013).
  6. Noaman-Ul-Haq, M., et al. Statistical analysis of laser driven protons using a high-repetition-rate tape drive target system. Physical Review Accelerators and Beams. 20 (4), 41301(2017).
  7. Li, Z., et al. Protons and electrons generated from a 5-μm thick copper tape target irradiated by s-, circularly-, and p-polarized 55-fs laser pulses. Physics Letters, Section A: General, Atomic and Solid State Physics. 369 (5-6), 483-487 (2007).
  8. Shaw, B. H., et al. High-peak-power surface high-harmonic generation at extreme ultra-violet wavelengths from a tape. Journal of Applied Physics. 114 (4), 43106(2013).
  9. Fill, E., Bayerl, J., Tommasini, R. A novel tape target for use with repetitively pulsed lasers. Review of Scientific Instruments. 73 (5), 2190-2192 (2002).
  10. Morrison, J. T., et al. MeV proton acceleration at kHz repetition rate from ultra-intense laser liquid interaction. New Journal of Physics. 20 (2), 22001(2018).
  11. Margarone, D., et al. Proton Acceleration Driven by a Nanosecond Laser from a Cryogenic Thin Solid-Hydrogen Ribbon. Physical Review X. 6, 041030(2016).
  12. Prencipe, I., et al. Targets for high repetition rate laser facilities: needs, challenges and perspectives. High Power Laser Science and Engineering. 5, 17(2017).
  13. Porat, E., et al. Towards direct-laser-production of relativistic surface harmonics. Proceedings Volume 11036, Relativistic Plasma Waves and Particle Beams as Coherent and Incoherent Radiation Sources III. , 110360(2019).
  14. Gershuni, Y., et al. A gatling-gun target delivery system for high-intensity laser irradiation experiments. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 934, 58-62 (2019).
  15. Jung, D., et al. Development of a high resolution and high dispersion Thomson parabola. Review of Scientific Instruments. 82 (1), 13306(2011).
  16. Cobble, J. A., et al. High-resolution Thomson parabola for ion analysis. Review of Scientific Instruments. 82 (11), 113504(2011).
  17. Mančić, A., Fuchs, J., Antici, P., Gaillard, S. A., Audebert, P. Absolute calibration of photostimulable image plate detectors used as high-energy proton detectors. Review of Scientific Instruments. 79, 73301(2008).
  18. Mattox, D. M. Processing. Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing. , Elsevier Inc. (2007).
  19. MTI Instruments. , Available from: http://www.mtiinstruments.com/products/lasertriangulation.aspx (2020).
  20. Astrom, K. J., Murray, R. M. Feedback Systems: An Introduction for Scientists and Engineers. , Princeton University Press. Ch. 10 (2006).
  21. Passoni, M., Bertagna, L., Zani, A. Target normal sheath acceleration: Theory, comparison with experiments and future perspectives. New Journal of Physics. 12, 045012(2010).
  22. Roth, M., Schollmeier, M. Ion Acceleration: TNSA. Laser-Plasma Interactions and Applications. , 303-350 (2013).
  23. Zaffino, R., et al. Efficient proton acceleration from a 3 TW table-top laser interacting with submicrometric mass-produced solid targets. Journal of Physics Communications. 2 (4), 41001(2018).
  24. Harres, K., et al. Development and calibration of a Thomson parabola with microchannel plate for the detection of laser-accelerated MeV ions. Review of Scientific Instruments. 79 (9), 93306(2008).
  25. Robinson, A. P. L., et al. Spectral modification of laser-accelerated proton beams by self-generated magnetic fields Related content New Journal of Physics Spectral modification of laser-accelerated proton beams by self-generated magnetic fields. New Journal of Physics. 11 (15), 83018(2009).
  26. Treffert, F., et al. Design and implementation of a Thomson parabola for fluence dependent energy-loss measurements at the Neutralized Drift Compression experiment. Review of Scientific Instruments. 89 (10), 103302(2018).
  27. Pappalardo, A., Cosentino, L., Finocchiaro, P. An imaging technique for detection and absolute calibration of scintillation light. Review of Scientific Instruments. 81 (3), 33308(2010).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תיקון


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

תגיות

אספקה אוטומטית של מטרות מיקרו-פבריקט לניסויים אינטנסיביים בהקרן לייזר
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.