Een protocol wordt gepresenteerd voor geautomatiseerde bestraling van dunne goudfolie met hoge intensiteit laserpulsen. Het protocol bevat een stapsgewijze beschrijving van het micromachining doelfabricageproces en een gedetailleerde handleiding voor hoe doelen in de focus van de laser worden gebracht met een snelheid van 0,2 Hz.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Geautomatiseerde levering van microfabriceerde doelen voor intense laser bestraling experimenten
In dit artikel
Erratum-melding
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Samenvatting
Samenvatting
Beschreven is een experimentele procedure die high-power laser bestraling van microfabricage doelen mogelijk maakt. Doelen worden gebracht om de laser focus door een gesloten feedback lus die werkt tussen het doel manipulator en een variërend sensor. Het doelfabricageproces wordt in detail uitgelegd. Representatieve resultaten van protonstralen op MeV-niveau gegenereerd door bestraling van 600 nm dikke goudfolies met een snelheid van 0,2 Hz worden gegeven. De methode wordt vergeleken met andere aanvulbare doelsystemen en de vooruitzichten om de schotsnelheden te verhogen tot boven de 10 Hz worden besproken.
Inleiding
Hoge intensiteit laser bestraling van vaste doelen genereert meerdere vormen van straling. Een daarvan is de emissie van energetische ionen met energieën op het Mega elektronen-volt (MeV) niveau1. Een compacte bron van MeV-ionen heeft potentieel voor vele toepassingen, zoals proton fast-ignition2, proton radiografie3, ionenradiotherapie4en neutronengeneratie5.
Een grote uitdaging bij het praktisch maken van laser-ion versnelling is de mogelijkheid om micrometer-schaal doelen nauwkeurig te positioneren binnen de focus van de laser met een hoog tempo. Er zijn weinig doelleveringstechnologieën ontwikkeld om deze uitdaging het gelosd te hebben. Meest voorkomende zijn doelsystemen op basis van micrometer-schaal dikke tapes. Deze doelen zijn eenvoudig aan te vullen en kunnen gemakkelijk worden geplaatst binnen de focus van de laser. Tape doel is gemaakt met behulp van VHS6,koper7,Mylar, en Kapton8 tapes. De tape drive systeem bestaat meestal uit twee gemotoriseerde spoelen voor wikkelen en afwikkelen en twee verticale pinnen geplaatst tussen hen om de tape in positie9te houden. De nauwkeurigheid bij het positioneren van het tapeoppervlak is meestal minder dan het Rayleigh-bereik van de scherpstelstraal. Een ander type van aanvulbare laser doel is vloeibare vellen10. Deze doelen worden snel geleverd aan het interactiegebied en introduceren een zeer lage hoeveelheid puin. Dit systeem bestaat uit een hogedrukspuitpomp die continu wordt geleverd met vloeistof uit een reservoir. Onlangs, nieuwe cryogene waterstof jets11 werden opgericht als middel om ultradunne, low-puin, aanvulbare doelen te leveren.
Het belangrijkste nadeel van al deze aanvulbare doelsystemen is de beperkte keuze van doelmaterialen en geometrieën, die worden bepaald door mechanische vereisten zoals sterkte, viscositeit en smelttemperatuur.
Hier wordt een systeem beschreven dat micromachined-doelen in de focus van een laser met een hoge intensiteit met een snelheid van 0,2 Hz kan brengen. Micromachining biedt een ruime keuze aan doelmaterialen in veelzijdige geometrieën12. De doelpositionering wordt uitgevoerd door een closed-loop feedback tussen een commerciële verplaatsingssensor en een gemotoriseerde manipulator.
Het doel levering systeem werd getest met behulp van een hoog contrast, 20 TW lasersysteem dat 25 fs-lange laserpulsen levert met 500 mJ op doel. Een herziening van de architectuur van het lasersysteem wordt gegeven in Porat et al.13, en een technische beschrijving van het doelsysteem wordt gegeven in Gershuni et al.14. Dit document presenteert een gedetailleerde methode voor het maken en gebruiken van dit type systeem en toont representatieve resultaten van laser-ion versnelling van ultradunne goudfolie doelen.
De Thomson Parabola ionenspectrometer (TPIS)15,16 in figuur 1 werd gebruikt om de energiespectra van de uitgestoten ionen vast te leggen. In een TPIS passeren versnelde ionen parallelle elektrische en magnetische velden, waardoor ze op parabolische banen in het brandpuntsvlak liggen. De parabolische kromming is afhankelijk van de laad-massaverhouding van de ionen en de locatie langs het traject wordt bepaald door de energie van de ion.
Een BAS-TR imaging plaat (IP)17 geplaatst op het brandpuntsvlak van de TPIS registreert de imping ionen. Het IP is gekoppeld aan een mechanische feedthrough om vertaling naar een nieuw gebied voor elk schot mogelijk te maken.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Doelfabricage
LET OP: Figuur 2 en figuur 3 illustreren het fabricageproces van vrijstaande goudfolie.
- Achterkant
- Gebruik een 250 μm dikke, 100 mm diameter, high-stress silicium wafer in een <100> kristalvorming, aan beide zijden bekleed met siliciumnitride.
- Reinig de wafer met aceton gevolgd door isopropanol en droog met stikstof. Draai vervolgens een laag HMDS om een kleeflaag te vormen volgens de stappen die in tabel 1 zijnbeschreven.
- Spin-coat de wafer met een AZ1518 fotoresistische laag volgens de stappen beschreven in tabel 2.
- Bak de wafer 1 min op 100 °C en laat hem afkoelen.
- Fotolithograaf 1.000 μm x 1.000 μm vierkante openingen onder vacuüm, waardoor de wafer in 1 cyclus van 4 tot 7 seconden wordt blootgesteld aan een 400 nm UV-lamp. De wafer wordt blootgesteld aan een totale fluence van 40 J/cm2. Gebruik een AZ726K-ontwikkelaar om de siliciumnitride en een bad met uitgedroogd water bloot te leggen om het proces te stoppen.
- Gebruik Reactive Ion Etcher (RIE) om de siliciumnitride op de plaats van de vierkanten te verwijderen.
- Gebruik een N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) bad gedurende 20 minuten om de resterende weerstand en fotoresist te verwijderen, waardoor een replica van het masker op de siliciumnitride laag. Was de wafer onder zoet water en droog met stikstof.
- Zink de wafer in een 30%, 90 °C, kaliumhydroxide oplossing om het silicium te etneren door de vierkante openingen. Laat de wafer 40 minuten zakken voor elke 50 μm silicium die moet worden geëtst. Omdat de etssnelheid in het <100> vlak veel hoger is dan in andere, bereikt de kaliumhydroxide de onderste siliciumnitridelaag door de siliciumbult voordat het een significante diepte in het siliciumnitridemasker etst.
- Voorzijde
- Herhaal voor de voorzijde de stappen 1.1.1–1.1.6 met een masker in de vorm van drie concentrische ringen.
- Gebruik RIE om de siliciumnitride te verwijderen waar de ringen zich bevinden, gevolgd door een NMP-bad om resist en fotoresistische restjes te verwijderen.
- Tot slot, om de silicium ringen ruw, zinken de wafer in salpeterzuur en in een oplossing van 0,02 M zilvernitraat en 4 M waterstoffluoride.
- Gebruik aan de geëtste kant van de wafer een fysieke dampdepositiemachine (PVD)18 om een laag van een paar honderd nanometer goud op een ~10 nm dunne film van lijm titanium, nikkel of chroom te sputteren. De gesputterde gouden laag wordt het vrijstaande membraandoel.
2. Uitlijning
OPMERKING: Figuur 4 toont de instelling van de doelbestraling.
- Breng een eerste willekeurig gekozen doel in beeld onder een 100x vergrotingsmicroscoop.
- Richt een triangulatie variërend sensor (bijvoorbeeld, MTI / MicroTrak 3 LTS 120-20)19 aan de ruwgemaakte ring het dichtst bij het doel, en het opnemen van de verplaatsing lezing.
OPMERKING: Het gebruikte sensormodel is niet bedoeld voor toepassingen met een hoog vacuüm. Verschillende modellen, zoals de MTI-2100 van dezelfde leverancier, zijn compatibel met toepassingen met een lage uitloop. - Terwijl u de microscoop op zijn plaats laat, verplaatst u de wafer een bekende afstand om het balkpad vrij te maken.
- Met behulp van twee vouwspiegels en de off-axis parabolische spiegel (OAP) lijnt u de straal in laag vermogen uit in het gezichtsveld van de microscoop.
- Pas deze drie spiegels aan om astigmatismen in de balk te corrigeren. Het resultaat moet een bijna diffractie-beperkte brandpuntsplek.
- Blokkeer de laserstraal en breng het doel terug naar de focus van de microscoop. Valideer de positie met behulp van de microscoop en de lezing van de sensor.
- Verplaats de microscoop naar een positie waarin het zal worden beschermd tegen laserlicht en puin.
3. Doorstralingsvolgorde en geautomatiseerde doelpositionering
- Implementeer een closed-loop feedback tussen de brandpuntsas manipulator van het doel en de verplaatsing sensor lezen met behulp van software. Gebruik de geregistreerde waarde van protocolstap 2.2 als setpoint. De belangrijkste PID 20-besturingsreeks, bereid met LabView, wordt weergegeven in figuur 5.
- Zodra de closed-loop positionering een gewenste tolerantieafstand van het setpoint heeft bereikt, bestraalt u het doel met een enkele laserpuls met een hoog vermogen.
- Vertaal het IP met behulp van de mechanische feedthrough naar een nieuwe positie.
- Herhaal de bestraling sequentie met het volgende doel gebracht om zich te concentreren door de software.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Dit doel leveringssysteem werd gebruikt om ionen te versnellen vanaf de achterkant van 600 nm dikke goudfolie. Wanneer bestraald met een genormaliseerde laserintensiteit van een0 = 5.6, werden deze ionen versneld door het doel normale schedeversnelling (TNSA) mechanisme21. In TNSA ioniseerde het licht met een lagere intensiteit dat voorafging aan de belangrijkste laserpuls het vooroppervlak van de doelfolie. De nadenkende kracht uitgeoefend door de belangrijkste laserpuls dreef hete ele...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Bij sommige variaties is het in dit protocol beschreven doelfabricageproces gebruikelijk (bijvoorbeeld Zaffino et al.23). Hier, een unieke stap die van cruciaal belang is voor de werking van automatische positionering is de toevoeging van nanometer-schaal ruwing in ringvormige gebieden op de achterkant van de wafer (stap 1.2.3). Het doel van deze stap is het verhogen van de diffuus verstrooiing van licht incident op de wafer in die gebieden. De variërend sensor schijnt een low-power laserstraal op...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen.
Dankbetuigingen
Dit werk is ondersteund door de Israel Science Foundation, subsidie nr. We erkennen ook de steun van de Pazy Foundation, Israël grant #27707241, en NSF-BSF subsidie nr. De auteurs willen graag erkennen Tel Aviv University Center for Nanoscience en Nanotechnolog
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 76.2 x 127mm EFL 90° Protected Gold 100Å Off-Axis Parabolic Mirror | Edmund optics | 35-535 | |
| MicroTrak 3 LTS 120-20 | MTI Instruments | ||
| Ultrafast hoge vermogen diëlektrische spiegels voor 800 nm | Thorlabs |
Referenties
- Snavely, R. A., et al. Intense High-Energy Proton Beams from Petawatt-Laser Irradiation of Solids. Physical Review Letters. 85, 4945(2000).
- 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).
- 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).
- Malka, V., et al. Practicability of proton therapy using compact laser systems. Medical Physics. 31 (6), 1587-1592 (2004).
- Roth, M., et al. Laser-Driven Neutron Source Based on the Relativistic Transparency of Solids. Physical Review Letters. 110, 044802(2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Margarone, D., et al. Proton Acceleration Driven by a Nanosecond Laser from a Cryogenic Thin Solid-Hydrogen Ribbon. Physical Review X. 6, 041030(2016).
- Prencipe, I., et al. Targets for high repetition rate laser facilities: needs, challenges and perspectives. High Power Laser Science and Engineering. 5, 17(2017).
- 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).
- 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).
- Jung, D., et al. Development of a high resolution and high dispersion Thomson parabola. Review of Scientific Instruments. 82 (1), 13306(2011).
- Cobble, J. A., et al. High-resolution Thomson parabola for ion analysis. Review of Scientific Instruments. 82 (11), 113504(2011).
- 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).
- Mattox, D. M. Processing. Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing. , Elsevier Inc. (2007).
- MTI Instruments. , Available from: http://www.mtiinstruments.com/products/lasertriangulation.aspx (2020).
- Astrom, K. J., Murray, R. M. Feedback Systems: An Introduction for Scientists and Engineers. , Princeton University Press. Ch. 10 (2006).
- Passoni, M., Bertagna, L., Zani, A. Target normal sheath acceleration: Theory, comparison with experiments and future perspectives. New Journal of Physics. 12, 045012(2010).
- Roth, M., Schollmeier, M. Ion Acceleration: TNSA. Laser-Plasma Interactions and Applications. , 303-350 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
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
