Name: Entrega automatizada de alvos microfabricados para experimentos intensos de irradiação a laser (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-01-28T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 40 s
Description: Aprenda a automatizar a entrega de alvos de ouro para experimentos de irradiação a laser de alta intensidade. Este protocolo utiliza uma oblea de silício revestida com nitreto de silício para alinhamento preciso a 0,2 Hz.

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Este trabalho foi apoiado pela Israel Science Foundation, pelo Grant Nº 1135/15 e pelo Zuckerman STEM Leadership Program, Israel, que são reconhecidos com gratidão. Também reconhecemos o apoio da Fundação Pazy, da concessão de Israel #27707241 e da bolsa NSF-BSF ns1025495. Os autores gostariam gentilmente de reconhecer o Centro Universitário de Nanociência e Nanotecnolog da Universidade de Tel Aviv

1. Fabricação de alvo
NOTA: As figuras 2 e a figura 3 ilustram o processo de fabricação de folhas de ouro autônomas.
<ol><li>Lado de trás<ol>
<li>Use um wafer de silício de 250 μm de espessura, 100 mm de diâmetro e alto estresse em uma formação de cristal <100> revestida em ambos os lados com nitreto de silício.</li>
		<li>Limpe o wafer usando acetona seguido de isopropanol e seque com nitrogênio.  Em seguida, gire uma camada de HMDS para formar uma camada adesiva seguindo os passos descritos na Tabela 1.</li>
		<li>Gire o wafer com uma camada fotoresista AZ1518 seguindo os passos descritos na Tabela 2.</li>
		<li>Asse o wafer a 100 °C por 1 min, depois deixe esfriar.</li>
		<li>Fotolitógrafo 1.000 μm x 1.000 μm aberturas quadradas sob vácuo, expondo o wafer em 1 ciclo de 4 a 7 segundos para uma lâmpada UV de 400 nm. O wafer é exposto a uma fluência global de 40 J/cm2. Use um desenvolvedor AZ726K para expor o nitreto de silício e um banho de água desidratada para interromper o processo.</li>
		<li>Use Ion Etcher (RIE) reativa para remover o nitreto de silício na localização dos quadrados.</li>
		<li>Use um banho N-metil-2-pyrrolidone (NMP) por 20 minutos para remover a resistência residual e fotoresist, produzindo uma réplica da máscara na camada de nitreto de silício. Lave o wafer sob água doce e seque com nitrogênio.</li>
		<li>Afunde o wafer em uma solução de hidróxido de potássio de 30%, 90 °C, para gravar o silício através das aberturas quadradas. Afunde o wafer por 40 minutos para cada 50 μm de silício que precisa ser gravado. Como a taxa de etch no plano <100> é muito maior do que em outros, o hidróxido de potássio atinge a camada inferior de nitreto de silício através do volume de silício antes de gravar qualquer profundidade significativa na máscara de nitreto de silício.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Lado frontal<ol>
<li>Para o lado frontal, repita as etapas 1.1.1-1.1.6 com uma máscara moldada como três anéis concêntricos.</li>
		<li>Use o RIE para remover o nitreto de silício onde os anéis estão localizados, seguido de um banho NMP para remover as sobras de resistência e fotoresist.</li>
		<li>Finalmente, para endurecer os anéis de silício, afunde o wafer em ácido nítrico e em uma solução de 0,02 M de nitrato de prata e flúor de hidrogênio de 4 M.</li>
		<li>No lado gravado do wafer, use uma máquina de deposição de vapor físico (PVD)18 para sputter uma camada de algumas centenas de nanômetros de ouro em cima de uma película fina de ~10 nm de titânio adesivo, níquel ou cromo. A camada de ouro sputtered se tornará o alvo de membrana independente.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Alinhamento
NOTA: A Figura 4 mostra a configuração de irradiação de destino.
<ol><li>Traga um primeiro alvo arbitrariamente escolhido em vista sob um microscópio de ampliação de 100x.</li>
	<li>Aponte um sensor de triangulação (por exemplo, MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)19 para o anel acidentado mais próximo do alvo, e regissu sua leitura de deslocamento. NOTA: O modelo de sensor de alcance utilizado não se destina a aplicações de alto vácuo. Modelos diferentes, como o MTI-2100 do mesmo fornecedor, são compatíveis com aplicativos de baixagasagem.</li>
	<li>Ao deixar o microscópio no lugar, mova o wafer para longe a uma distância conhecida para limpar o caminho do feixe.</li>
	<li>Usando dois espelhos dobráveis e o espelho parabólico fora do eixo (OAP), alinhe o feixe em baixa potência no campo de visão do microscópio.</li>
	<li>Ajuste esses três espelhos para corrigir astigmatismos na viga. O resultado deve ser um ponto focal quase difracionável.</li>
	<li>Bloqueie o raio laser e traga o alvo de volta ao foco do microscópio. Valide sua posição usando o microscópio e a leitura do sensor de alcance.</li>
	<li>Mova o microscópio para uma posição na qual ele será mantido seguro contra luz laser e detritos.</li>
</ol>3. Sequência de irradiação e posicionamento de alvo automatizado
<ol><li>Implemente um feedback em loop fechado entre o manipulador do eixo focal do alvo e a leitura do sensor de deslocamento usando software. Use o valor registrado da etapa 2.2 do protocolo como ponto de setpoint. A sequência de controle principal do PID20, preparada com o LabView, é mostrada na Figura 5.</li>
	<li>Uma vez que o posicionamento em loop fechado tenha atingido uma distância de tolerância desejada do setpoint, irradie o alvo com um único pulso laser de alta potência.</li>
	<li>Traduza o IP usando o feed mecânico através de uma nova posição.</li>
	<li>Repita a sequência de irradiação com o próximo alvo trazido para o foco pelo software.</li>
</ol>

<ol><li>Snavely, R. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intense+High-Energy+Proton+Beams+from+Petawatt-Laser+Irradiation+of+Solids%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Intense High-Energy Proton Beams from Petawatt-Laser Irradiation of Solids.</a> Physical Review Letters. 85, 4945(2000).</li>
<li>Tosaki, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+laser-driven+ion+energies+for+fusion+fast-ignition+research%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+of+Theoretical+and+Experimental+Physics%22%5BJournal%5D)">Evaluation of laser-driven ion energies for fusion fast-ignition research.</a> Progress of Theoretical and Experimental Physics. 2017 (10), 103(2017).</li>
<li>Borghesi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Proton+imaging%3A+a+diagnostic+for+inertial+confinement+fusion%2Ffast+ignitor+studies+Related+content+Inertial+confinement+fusion+and+fast+ignitor+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Plasma+Physics+and+Controlled+Fusion%22%5BJournal%5D)">Proton imaging: a diagnostic for inertial confinement fusion/fast ignitor studies Related content Inertial confinement fusion and fast ignitor studies.</a> Plasma Physics and Controlled Fusion. 43, 12(2001).</li>
<li>Malka, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Practicability+of+proton+therapy+using+compact+laser+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Physics%22%5BJournal%5D)">Practicability of proton therapy using compact laser systems.</a> Medical Physics. 31 (6), 1587-1592 (2004).</li>
<li>Roth, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser-Driven+Neutron+Source+Based+on+the+Relativistic+Transparency+of+Solids%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Laser-Driven Neutron Source Based on the Relativistic Transparency of Solids.</a> Physical Review Letters. 110, 044802(2013).</li>
<li>Noaman-Ul-Haq, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Statistical+analysis+of+laser+driven+protons+using+a+high-repetition-rate+tape+drive+target+system%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Accelerators+and+Beams%22%5BJournal%5D)">Statistical analysis of laser driven protons using a high-repetition-rate tape drive target system.</a> Physical Review Accelerators and Beams. 20 (4), 41301(2017).</li>
<li>Li, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protons+and+electrons+generated+from+a+5-%CE%BCm+thick+copper+tape+target+irradiated+by+s-%2C+circularly-%2C+and+p-polarized+55-fs+laser+pulses%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+Letters%2C+Section+A%3A+General%2C+Atomic+and+Solid+State+Physics%22%5BJournal%5D)">Protons and electrons generated from a 5-μm thick copper tape target irradiated by s-, circularly-, and p-polarized 55-fs laser pulses.</a> Physics Letters, Section A: General, Atomic and Solid State Physics. 369 (5-6), 483-487 (2007).</li>
<li>Shaw, B. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-peak-power+surface+high-harmonic+generation+at+extreme+ultra-violet+wavelengths+from+a+tape%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">High-peak-power surface high-harmonic generation at extreme ultra-violet wavelengths from a tape.</a> Journal of Applied Physics. 114 (4), 43106(2013).</li>
<li>Fill, E., Bayerl, J., Tommasini, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+tape+target+for+use+with+repetitively+pulsed+lasers%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">A novel tape target for use with repetitively pulsed lasers.</a> Review of Scientific Instruments. 73 (5), 2190-2192 (2002).</li>
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<li>Harres, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+and+calibration+of+a+Thomson+parabola+with+microchannel+plate+for+the+detection+of+laser-accelerated+MeV+ions%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Development and calibration of a Thomson parabola with microchannel plate for the detection of laser-accelerated MeV ions.</a> Review of Scientific Instruments. 79 (9), 93306(2008).</li>
<li>Robinson, A. P. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((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%5BTitle%5D)+AND+%22New+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">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.</a> New Journal of Physics. 11 (15), 83018(2009).</li>
<li>Treffert, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+implementation+of+a+Thomson+parabola+for+fluence+dependent+energy-loss+measurements+at+the+Neutralized+Drift+Compression+experiment%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Design and implementation of a Thomson parabola for fluence dependent energy-loss measurements at the Neutralized Drift Compression experiment.</a> Review of Scientific Instruments. 89 (10), 103302(2018).</li>
<li>Pappalardo, A., Cosentino, L., Finocchiaro, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+imaging+technique+for+detection+and+absolute+calibration+of+scintillation+light%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">An imaging technique for detection and absolute calibration of scintillation light.</a> Review of Scientific Instruments. 81 (3), 33308(2010).</li>
</ol>

Os autores não têm interesses financeiros concorrentes.

Com algumas variações, o processo de fabricação de destino descrito neste protocolo é comum (por exemplo, Zaffino et al.23). Aqui, um passo único que é fundamental para o funcionamento do posicionamento automático é a adição de rugosidade em escala de nanômetros em áreas em forma de anel na parte de trás do wafer (passo 1.2.3). O objetivo desta etapa é aumentar a dispersão difusa de incidentes leves no wafer nessas áreas. O sensor de alcance brilha um raio laser de baixa potência no wafer, coleta ...

An erratum was issued for:&#160;<a href="https://www.jove.com/t/61056">Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments</a>. 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

An erratum was issued for:&#160;<a href="https://www.jove.com/t/61056">Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments</a>. The author list was updated.

Erratum: Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments

Irradiação a laser de alta intensidade de alvos sólidos gera múltiplas formas de radiação. Uma delas é a emissão de íons energéticos com energias no Mega electron-volt (MeV) nível1. Uma fonte compacta de íons MeV tem potencial para muitas aplicações, como proton fast-ignition2,radiografia deprótons 3,radioterapia de íon4e geração de nêutrons5.
Um grande desafio em tornar a aceleração de íons a laser prática é a capacidade de posicionar alvos de escala de micrômetros com precisão dentro do foco do laser a uma taxa alta. Poucas tecnologias de entrega de alvos foram desenvolvidas para responder a esse desafio. Os mais comuns são sistemas de destino baseados em fitas grossas em escala de micrômetros. Estes alvos são simples de repor e podem ser facilmente posicionados dentro do foco do laser. O alvo da fita foi feito usando fitas VHS6, cobre7,Mylar e Kapton8. O sistema de acionamento de fita normalmente consiste em dois carretéis motorizados para enrolar e desenrolar e dois pinos verticais colocados entre eles para manter a fita na posição9. A precisão no posicionamento da superfície da fita é tipicamente menor do que a gama Rayleigh do feixe de foco. Outro tipo de alvo laser reabastecido são as folhas líquidas10. Esses alvos são entregues rapidamente à região de interação e introduzem uma quantidade muito baixa de detritos. Este sistema compreende uma bomba de seringa de alta pressão continuamente fornecida com líquido de um reservatório. Recentemente, novos jatos de hidrogênio criogênicos11 foram estabelecidos como meios para entregar ultrathin, baixos detritos, alvos reabastecidos.
A principal desvantagem de todos esses sistemas de destino reabastecidos é a escolha limitada de materiais-alvo e geometrias, que são ditadas por requisitos mecânicos como força, viscosidade e temperatura de fusão.
Aqui, é descrito um sistema capaz de trazer alvos micromaquinados ao foco de um laser de alta intensidade a uma taxa de 0,2 Hz. A micromaquinção oferece uma ampla variedade de materiais-alvo em geometrias versáteis12. O posicionamento de destino é realizado por um feedback em loop fechado entre um sensor de deslocamento comercial e um manipulador motorizado.
O sistema de entrega de alvos foi testado usando um sistema laser de alto contraste, de 20 TW, que fornece pulsos laser de 25 fs-longos com 500 mJ no alvo. Uma revisão da arquitetura do sistema laser é dada em Porat et al.13, e uma descrição técnica do sistema de destino é dada em Gershuni et al.14. Este artigo apresenta um método detalhado para fazer e usar este tipo de sistema e mostra resultados representativos de aceleração de íons a laser a partir de alvos de folha de ouro ultrathin.
O espectrômetro de íons Thomson Parabola (TPIS)15,16 mostrado na Figura 1 foi usado para registrar os espectros de energia dos íons emitidos. Em um TPIS, íons acelerados passam por campos elétricos e magnéticos paralelos, o que os coloca em trajetórias parabólicas no plano focal. A curvatura parabólica depende da relação carga-massa do íon, e a localização ao longo da trajetória é definida pela energia do íon.
Uma placa de imagem BAS-TR (IP)17 posicionada no plano focal do TPIS registra os íons impingidos. O IP é anexado a um feed-alimentação mecânico para permitir a tradução para uma área nova antes de cada tiro.

<table><tbody><tr><td>76,2 x 127mm EFL 90&deg; Ouro Protegido 100&Aring; Espelho Parabólico Fora do Eixo</td><td>Óptica Edmund</td><td>35-535</td><td></td></tr><tr><td>MicroTrak 3 LTS 120-20</td><td>MTI Instruments</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Espelhos dielétricos de alta potência ultrarrápidos para</td><td>Thorlabs</td><td></td><td></td> de 800 nm</tr></tbody></table>

entrega automatizada de alvos microfabricados para experimentos intensos de irradiação a laser

Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments

Descrito é um procedimento experimental que permite irradiação a laser de alta potência de alvos microfabricados. Os alvos são trazidos para o foco do laser por um loop de feedback fechado que opera entre o manipulador de alvos e um sensor de alcance. O processo de fabricação alvo é explicado detalhadamente. Resultados representativos de feixes de prótons de nível MeV gerados pela irradiação de folhas de ouro de 600 nm de espessura a uma taxa de 0,2 Hz são dadas. O método é comparado com outros sistemas de destino reabastecidos e são discutidas as perspectivas de aumentar as taxas de tiro para acima de 10 Hz.

Este sistema de entrega de alvos foi empregado para acelerar íons do lado de trás de 600 nm de folhas de ouro de espessura. Quando irradiados com uma intensidade laser normalizada de0 = 5,6, esses íons foram acelerados pelo mecanismo de aceleração da baia normal alvo (TNSA)21. No TNSA, a luz de menor intensidade que precedeu o pulso laser principal ionizou a superfície frontal da folha de alvo. A força ponderomotiva exercida pelo pulso laser principal levou elétrons quentes através da m...

Um protocolo é apresentado para irradiação automatizada de folhas de ouro finas com pulsos laser de alta intensidade. O protocolo inclui uma descrição passo a passo do processo de fabricação de alvos de micromaquinamento e um guia detalhado de como os alvos são trazidos para o foco do laser a uma taxa de 0,2 Hz.

Entrega automatizada de alvos microfabricados para experimentos intensos de irradiação a laser

Described is an experimental procedure that enables high-power laser irradiation of microfabricated targets. Targets are brought to the laser focus by a ...

Experimentos intensos de radiação laser de alvos de escala de submicrômetro são atualmente realizados a taxas de tiro lento. Nosso protocolo resolveu esse desafio colocando esses alvos rapidamente no foco do laser de forma automatizada. Nosso sistema de destino permite a coleta de dados incorporando um grande número de tiros a laser com parâmetros de destino alterados em pequenos incrementos, bem como aplicações que se beneficiam de uma alta dose global de radiação.A demonstração visual deste protocolo mostrará as sutilezas do processo de fabricação de wafers e alinhamento de alvos. Demonstrando o processo de fabricação-alvo estão o engenheiro de processo Nirit Porecki Shamay e Nofar Livni. Para fabricar a parte traseira, use um wafer de silício de 100 milímetros de espessura de 250 milímetros de altura em uma formação de cristal de um zero a zero revestida em ambos os lados com nitreto de silício.Limpe o wafer com acetona e com isopropanol. Em seguida, gire o wafer com HMDS resiste a formar uma camada adesiva. Gire o wafer com um fotoresist positivo AZ 1518.Asse o wafer a 100 graus Celsius por um minuto. Fotolitógrafo 1.000 por 1.000 micrometros de aberturas quadradas sob vácuo, expondo o wafer em um ciclo de quatro a sete segundos a uma lâmpada UV de 400 nanômetros para que o wafer seja exposto a uma fluência global de 40 joules por centímetro quadrado. Em seguida, use um desenvolvedor AZ 726 para expor o nitreto de silício e um banho de água desidratada para parar o processo.Use um íon reativo etcher para remover o nitreto de silício na localização dos quadrados. Coloque o wafer em um banho de NMP por 20 minutos para remover a resistência residual e fotoresist, produzindo uma réplica da máscara na camada de nitreto de silício. Em seguida, lave-o sob água doce e deixe secar.Afunde o wafer em uma solução de hidróxido de potássio de 30%90 graus Celsius para gravar o silício através das aberturas quadradas. Para fabricar o lado frontal, repita o procedimento descrito anteriormente com uma máscara em forma de três anéis concêntricos. Use o íon reativo etcher para remover o nitreto de silício onde os anéis estão localizados, seguido de um banho NMP para remover as sobras de resistência e fotoresist.Endureça os anéis de silício afundando o wafer em ácido nítrico e em uma solução de 0,02 nitrato de prata molar e quatro flúor de hidrogênio molar. No lado gravado do wafer, use uma máquina de deposição de vapor físico para sputter uma camada de algumas centenas de nanômetros de ouro em cima de um filme de 10 nanômetros de titânio adesivo, níquel ou cromo. Bloqueie o feixe e traga o primeiro alvo à vista sob um microscópio de alta ampliação.Aponte um sensor de triangulação para o anel áspero mais próximo do alvo e regissuça sua leitura de deslocamento. Deixando o microscópio no lugar, mova o wafer para longe para limpar o caminho do feixe. Use os dois espelhos dobráveis e o espelho parabólico fora do eixo para alinhar o feixe em baixa potência no campo de visão do microscópio.Ajuste esses três espelhos para corrigir astigmatismos na viga. O resultado deve ser um ponto focal quase difração limitado. Bloqueie o raio laser e traga o alvo de volta ao foco do microscópio.Em seguida, valide sua posição usando o microscópio e a leitura dos sensores variados. Use o software para implementar um feedback em loop fechado entre o manipulador do eixo focal do alvo e a leitura do sensor de deslocamento usando o valor de deslocamento previamente registrado como ponto de setpoint. Uma vez que o posicionamento de loop fechado tenha atingido uma distância de tolerância desejada do setpoint, irradie o alvo com um único pulso laser de alta potência.Registo dados de diagnósticos de partículas e repita o processo com o próximo alvo colocado em foco pelo software. Este sistema de entrega de alvos foi empregado para acelerar íons a partir da parte traseira de 600 nanômetros de folhas de ouro de espessura. Uma série temporal do deslocamento do alvo ao longo do eixo focal é mostrada aqui.Os valores são relativos ao setpoint de posição focal. Os pontos verdes indicam quando o deslocamento do alvo estava dentro de um valor de tolerância de um micrômetro do ponto de setpoint, que é quando um tiro a laser foi tomado. Os traços do espectrômetro de íons thomson parabola foram obtidos a partir de 14 irradiações consecutivas de 600 nanômetros de espessura de alvos de folha de ouro.Os espectros energéticos foram derivados desses traços. A estabilidade de pico ao pico da energia máxima de prótons ficou em 10%Após este procedimento, as investigações de aceleração de íons e elétrons a partir da geração de neurônios de folhas sólidas podem ser realizadas de forma sistemática.

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JoVE Journal

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Engenharia

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