用于密集激光辐照实验的微制造目标的自动交付

Summary

提出了一种用高强度激光脉冲对薄金箔进行自动照射的协议。该协议包括微加工目标制造过程的分步描述，以及如何以 0.2 Hz 速率将目标带到激光聚焦的详细指南。

Abstract

所述是一种实验程序，能够对微润滑目标进行大功率激光照射。目标通过在目标操纵器和测距传感器之间运行的闭合反馈回路带到激光聚焦。详细介绍了目标制造过程。以0.2 Hz的速度照射600纳米厚金箔产生的M等级质子束具有代表性的结果。该方法与其他可补充目标系统进行比较，讨论了将拍摄速率提高至10赫兹以上的前景。

Introduction

固体目标的高强度激光照射会产生多种形式的辐射。其中之一是能量在巨型电子伏特（MeV）1级的电能^{离子的发射}。MeV离子的紧凑源具有许多应用的潜力，如质子快速点火^2、质子放射^成像3、离子放射治疗^4和中子^第5代。

使激光离子加速度实用是能够以高速率将微米尺度目标精确定位在激光聚焦范围内。几乎没有开发目标交付技术来应对这一挑战。最常见的是基于微米厚磁带的目标系统。这些目标易于补充，并且可以很容易地放置在激光的焦点内。磁带目标已使用VHS^6，铜^7，Mylar和Kapton8磁带。磁带驱动系统通常由两个用于缠绕和展开的电动线轴和两个垂直销组成，用于将磁带置于^{位置 9}。定位磁带表面的精度通常低于对焦光束的雷利范围。另一种类型的可补充激光靶是液体片^10。这些目标迅速交付给相互作用区域，并引入的碎片量非常低。该系统包括一个高压注射器泵，连续提供来自储液罐的液体。最近，新型低温氢喷流¹¹被建立，作为提供超薄、低碎片、可补充目标的手段。

所有这些可补充目标系统的主要缺点是目标材料和几何形状的选择有限，这些材料和几何形状由强度、粘度和熔化温度等机械要求决定。

这里介绍了一个能够以0.2 Hz速率将微机械目标聚焦到高强度激光聚焦的系统。微加工在多功能几何12中提供了多种^{目标材料。}目标定位由商用排量传感器和电动操纵器之间的闭环反馈执行。

目标交付系统测试使用高对比度的20TW激光系统，该系统提供25个长激光脉冲，目标为500mJ。在波拉特等人13中对激光系统的体系结构进行综述，^{在Gershuni等人第14}条中对目标系统进行^技术描述。本文提出了一种制作和使用这种系统的详细方法，并展示了超薄金箔靶点激光离子加速度的代表性结果。

图1所示的汤姆森帕拉博拉离子光谱仪（TPIS）15、16用于记录发射离子的能量光谱。在 TPIS 中，加速离子通过平行电场和磁场，从而将它们放在焦点平面的抛物线轨迹上。抛物线曲率取决于离子的电荷质量比，轨迹沿线的位置由离子的能量设置。

位于 TPIS 焦平面的 BAS-TR 成像板 （IP）¹⁷ 记录冲击离子。IP 连接到机械馈通，以便每次拍摄前可转换到新区域。

Protocol

1. 目标制造

注：图2和图3说明了独立金箔的制造过程。

1. 背面
   1. 在 <100> 晶体形成中使用 250 μm 厚、100 mm 直径、高应力硅晶圆，两侧涂有氮化硅。
   2. 使用丙酮清洁晶圆，然后用异丙醇清洁晶圆，然后用氮气干燥。 然后按照表1中概述的步骤旋转涂层一层HMDS，形成 粘合层。
   3. 按照表2中概述的步骤，用AZ1518光圈层旋转晶圆。
   4. 在100°C下烘烤晶圆1分钟，然后冷却。
   5. 光刻仪 1，000 μm x 1，000 μm 方形开口在真空下，在 1 个周期的 4 到 7 秒内将晶圆暴露在 400 nm 紫外线灯上。晶圆暴露在40 J/cm^2的整体荧光下。使用 AZ726K 开发人员公开氮化硅，并浴一池脱水水来停止这个过程。
   6. 使用反应离子蚀刻 （RIE） 去除正方形位置的氮化硅。
   7. 使用 N-甲基-2-丙酮 （NMP） 浴 20 分钟去除残余电阻和光耐，在氮化硅层上生成掩膜的复制品。在淡水下清洗晶圆，用氮气干燥。
   8. 将晶圆在30%、90°C、氢氧化钾溶液中，通过方形开口蚀刻硅。每蚀刻50μm的硅，将晶圆沉40分钟。由于 <100> 平面中的蚀刻速率远远高于其他平面，因此氢氧化钾在氮化硅掩膜中蚀刻任何显著深度之前，通过硅散装到达底部氮化硅层。
2. 正面
   1. 对于正面，重复步骤 1.1.1=1.1.6，带一个形状为三个同心环的蒙版。
   2. 使用 RIE 去除环位于的氮化硅，然后使用 NMP 浴池去除电阻和光抗性残留。
   3. 最后，对硅环进行粗加工，将晶圆沉入硝酸中，并溶液中为0.02M硝酸银和4M氟化氢。
   4. 在晶圆蚀刻的一侧，使用物理气相沉积机 （PVD）¹⁸在 10 纳米胶粘剂钛、镍或铬薄膜之上溅出几百纳米的金层。溅射的金层将成为独立的膜目标。

2. 对齐

注 ：图 4 显示了目标辐照设置。

1. 在 100 倍放大显微镜下将第一个任意选择的目标置于视野中。
2. 将三角测量测距传感器（例如 MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20）^{指向最接近} 目标的粗糙环，并记录其位移读数。
   注：使用的测距传感器型号不适用于高真空应用。不同的型号（如同一供应商的 MTI-2100）与低排气应用兼容。
3. 将显微镜留在位，将晶圆移离已知距离以清除光束路径。
4. 使用两个折叠镜和离轴抛物面镜 （OAP），将低功率光束与显微镜视野对齐。
5. 调整这三个反射镜以纠正光束中的散光。结果应该是一个几乎衍射限制的焦点点。
6. 阻挡激光束，将目标带回显微镜的焦点。使用显微镜和测距传感器的读数验证其位置。
7. 将显微镜移动到一个位置，以保证其免受激光和碎屑的伤害。

3. 辐照序列和自动目标定位

1. 使用软件在目标的焦轴操纵器和位移传感器读数之间实现闭环反馈。使用协议步骤 2.2 中记录的值作为设定点。使用 LabView^{准备的主 PID 20} 控制序列如图 5 所示。
2. 一旦闭环定位达到与设定点的所需容差距离，即可使用单个大功率激光脉冲照射目标。
3. 使用机械馈通将 IP 转换为新位置。
4. 重复辐照序列与软件带来的下一个目标聚焦。

Representative Results

此目标输送系统用于加速离子从 600 nm 厚金箔的背面。当用 0 =_5.6 的规范化激光强度照射时，这些离子被目标正常护套加速度 （TNSA） 机制^{21 加速}。在 TNSA 中，主激光脉冲之前的低强度光使目标箔的前表面电离。主激光脉冲施加的思考力驱动热电子穿过大体积物质。这些电子22诱导的背表面电荷分离^，产生了一个极端的静电梯度，加速了离子污染物在目标正常方向。

图 6 显示了沿焦轴的目标位移 的时间序列。这些值是相对于焦点位置设定点的。绿点指示目标位移在距离设定点 1 μm 的容差值内时;这是当激光拍摄。

图 7 显示了 TPIS 从 600 nm 厚金箔目标连续 14 次辐照中的痕迹。从这些轨迹中派生的能量谱如图 8所示。最大质子能量的峰峰值稳定性在10%以内。

图1：汤姆森抛物线离子光谱仪的技术布局。请单击此处查看此图的较大版本。

图2：目标晶圆的示意图草图。
正面，显示三个同心环（左）中订购的 300 个金箔目标。背面，显示定位在目标箔位置之间的粗糙基准环（右）。 请单击此处查看此图的较大版本。

图3：晶圆制造过程的图示。请单击此处查看此图的较大版本。

图4：交互室的示意图布局（左）和照片（右）。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 5：目标定位 PID LabView 代码 （VI）。请单击此处查看此图的较大版本。

图 6：20 个目标的拍摄序列中的目标位移。请单击此处查看此图的较大版本。

图 7：TPIS 连续 14 次拍摄跟踪。说明了通过 TPIS 的离子和 X 射线的轨迹。请单击此处查看此图的较大版本。

图8：离子能量光谱从图7所示的14个轨迹中得出。请单击此处查看此图的较大版本。

图 9：使用 CsI （TI） 闪烁器的低动态范围 CCD 成像记录 TPIS 轨迹。请单击此处查看此图的较大版本。

步	[rps]	斜坡 [rps2]	持续时间 [s]
1	500	500	10
2	4000	1000	45
3	0	1000	0

表 1：电阻旋转涂层步骤。

步	[rps]	斜坡 [rps2]	持续时间 [s]
1	500	500	10
2	4000	1000	45
3	0	1000	0

表2：光印旋转涂层步骤。

Discussion

由于存在一些变化，本协议中描述的目标制造过程很常见（例如，Zaffino^等人.在这里，对自动定位操作至关重要的一个独特步骤是，在晶圆背面的环形区域添加纳米刻度粗加工（步骤 1.2.3）。此步骤的目的是增加这些区域晶圆上的光射点漫散散射。测距传感器在晶圆上照射低功率激光束，收集散射光，通过三角测量确定其位移。

上述数据以每 5 s 一次的速率拍摄，速率限制因素是 IP 的转换时间。此处显示的是一种简单、廉价、在线读出方法的初步结果，该方法将增加拍摄占空比。网上读出传统上是使用微通道板²⁴或塑料闪烁器25，26。在后一种情况下，需要昂贵的图像强化门控CCD来记录相对较低的闪烁光量。当前系统使用基于不同闪烁材料 Csl（Tl）的更简单的读出系统，其明亮到足以记录廉价的低动态范围 CCD。帕帕拉多等人²⁷日曾提出并讨论过这种选择。

图 9 显示了使用 Csl（Tl） 闪烁屏幕的低动态范围 CCD 图像拍摄的 TPIS 跟踪的示例图像。这些痕迹的光圈相对较大，产生大量的闪烁光。需要进一步研究，以确定信号噪声比和能量分辨率方面的最佳设置。

图 8 中显示的图像 是使用 160 万像素摄像头拍摄的。在 10 Hz 速率和 8 位像素深度下，数据流将相当于大约 130 Mbps。USB3 或 GigE 通信接口支持此数据速率。

任何可补充激光目标输送系统的机械稳定性都可能会因更高的输送速率或高能量激光脉冲引起的较高冲击而受到影响。 表3 比较了这项工作与各种其他目标交付技术。该系统在更高的拍摄速率和更高的能量脉冲下的性能将在近期内得到研究。

参考	目标类型	材料	厚度	重复率	激光能量
[6]	磁带	Mylar	15 μm	0.2 Hz	5 J
[10]	液体表	埃瑟琳·利戈醇	0.4 μm	1 kHz	0.011 J
[11]	氢气喷射	H2	20 μm	1 赫兹	600 J
这项工作	微加工 Au 箔	金	0.6 μm	0.2 Hz	0.5 J

表3：不同目标类型的比较。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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 high power dielectric mirrors for 800 nm	Thorlabs