Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Automatiseret levering af mikrofabrikerede mål for intense laserbestrålingsforsøg

Published: January 28, 2021 doi: 10.3791/61056
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2
1The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University, 2Tel Aviv University Center for Light-Matter Interaction

ERRATUM NOTICE

Summary

En protokol præsenteres for automatiseret bestråling af tynde guldfolie med høj intensitet laserimpulser. Protokollen indeholder en trinvis beskrivelse af mikromaskiner mål fabrikation proces og en detaljeret vejledning for, hvordan mål er bragt til laser fokus med en hastighed på 0,2 Hz.

Abstract

Beskrevet er en eksperimentel procedure, der muliggør højeffekt laserbestråling af mikrofabrikerede mål. Mål bringes til laserfokus af en lukket feedback loop, der opererer mellem målet manipulator og en ligelig sensor. Målfabrikationsprocessen forklares i detaljer. Repræsentative resultater af protonstråler på MeV-niveau, der dannes ved bestråling af 600 nm tykke guldfolier med en hastighed på 0,2 Hz. Metoden sammenlignes med andre målsystemer, der kan genoplades, og udsigterne til at øge skudraterne til over 10 Hz diskuteres.

Introduction

Højintensiv laserbestråling af faste mål genererer flere former for stråling. En af disse er emissionen af energiske ioner med energier på Mega elektron-volt (MeV) niveau1. En kompakt kilde til MeV ioner har potentiale for mange applikationer, såsom proton hurtig tænding2, proton radiografi3, ionstrålebehandling 4, og neutron generation5.

En stor udfordring i at gøre laser-ion acceleration praktisk er evnen til at placere mikrometer-skala mål præcist inden for fokus på laseren på et højt tempo. Der blev kun udviklet få målleveringsteknologier til at løse denne udfordring. Mest almindelige er målsystemer baseret på mikrometer-skala tykke bånd. Disse mål er enkle at genopbygge og kan let placeres i fokus for laseren. Tape mål er blevet foretaget ved hjælp af VHS6,kobber 7,Mylar, og Kapton8 bånd. Bånddrevsystemet består typisk af to motoriserede spoler til snoede og afviklede og to lodrette stifter placeret mellem dem for at holde båndet i position9. Nøjagtigheden ved placering af båndoverfladen er typisk mindre end Rayleigh-strålens rækkevidde. En anden type af genopfyldningslaser mål er flydende plader10. Disse mål leveres hurtigt til interaktionsregionen og indfører en meget lav mængde affald. Dette system består af en højtrykssprøjtepumpe, der kontinuerligt leveres med væske fra et reservoir. For nylig blev nye kryogenebrintstråler 11 etableret som et middel til at levere ultratynde, lav-vragrester, genopfyldelige mål.

Den største ulempe ved alle disse genopfyldelige målsystemer er det begrænsede udvalg af målmaterialer og geometrier, som er dikteret af mekaniske krav såsom styrke, viskositet og smeltetemperatur.

Her er et system i stand til at bringe mikromaskiner mål i fokus for en høj intensitet laser med en hastighed på 0,2 Hz er beskrevet. Micromachining tilbyder et bredt udvalg af målmaterialer i alsidige geometrier12. Målpositioneringen udføres ved hjælp af en tilbagemelding med lukket kredsløb mellem en kommerciel forskydningssensor og en motoriseret manipulator.

Målet leveringssystem blev testet ved hjælp af en høj kontrast, 20 TW laser system, der leverer 25 fs lange laser impulser med 500 mJ på mål. En gennemgang af lasersystemets arkitektur findes i Porat et al.13, og der gives en teknisk beskrivelse af målsystemet i Gershuni et al.14. Dette papir præsenterer en detaljeret metode til fremstilling og brug af denne type system og viser repræsentative resultater af laser-ion acceleration fra ultratynde guldfolie mål.

Thomson Parabola ionspektrometeret (TPIS)15,16 visti figur 1 blev brugt til at registrere energispektrene for de udsendte ioner. I en TPIS, accelererede ioner passerer gennem parallelle elektriske og magnetiske felter, som placerer dem på parabolske baner i brændplanet. Den parabolske krumning afhænger af ionens ladning-til-masse-forhold, og placeringen langs bane er indstillet af ionens energi.

En BAS-TR-billedplade (IP)17 placeret på TPIS'ens brændpunkt registrerer impinging-ionerne. IP'en er knyttet til en mekanisk feedthrough at tillade oversættelse til et nyt område før hvert skud.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Målfabrikation

BEMÆRK: Figur 2 og Figur 3 illustrerer fremstillingsprocessen af fritstående guldfolier.

  1. Bagsiden
    1. Brug en 250 μm tyk, 100 mm diameter, høj-stress silicium wafer i en <100> krystal dannelse, belagt på begge sider med silicium nitride.
    2. Waferen rengøres med acetone efterfulgt af isopropanol og tørres af med nitrogen.  Drej derefter et lag HMDS til et klæbende lag efter trinene i tabel 1.
    3. Spin-coat waferen med et AZ1518 fotoresistentelag efter trinene i tabel 2.
    4. Waferen bages ved 100 °C i 1 min. og lad den køle af.
    5. Fotolitografi 1.000 μm x 1.000 μm firkantede åbninger under vakuum, udsætter wafer i 1 cyklus på 4 til 7 sekunder til en 400 nm UV-lampe. Waferen udsættes for en samlet fluence på 40 J/cm2. Brug en AZ726K udvikler til at eksponere siliciumnitrid, og et bad af dehydreret vand for at stoppe processen.
    6. Brug Reaktiv Ion Etcher (RIE) til at fjerne siliciumnitrid i placeringen af kvadraterne.
    7. Brug en N-methyl-2-pyrrolidon (NMP) bad i 20 min til at fjerne rest resist og fotoresist, producerer en kopi af masken på silicium nitride lag. Vask waferen under ferskvand og tør med nitrogen.
    8. Vask waferen i en 30%, 90 °C, kaliumhydroxidopløsning for at ætse siliciummet gennem de firkantede åbninger. Vask waferen i 40 minutter for hver 50 μm silicium, der skal ætses. Fordi ætsningshastigheden i <100> flyet er meget højere end i andre, når kaliumhydroxiden det nederste siliciumnitridlag gennem siliciummassen, før der ætses nogen signifikant dybde i siliciumnitridmasken.
  2. Forsiden
    1. For forsiden gentages trin 1.1.1-1.1.6 med en maske formet som tre koncentriske ringe.
    2. Brug RIE til at fjerne siliciumnitrid, hvor ringene er placeret, efterfulgt af et NMP-bad for at fjerne modstand og fotoresistiske rester.
    3. Endelig, at ru silicium ringe, synke wafer i salpetersyre og i en opløsning af 0,02 M sølvnitrat og 4 M hydrogenfluorid.
    4. På den ætsede side af wafer, bruge en fysisk damp aflejring maskine (PVD)18 til sputter et lag af et par hundrede nanometer af guld på toppen af en ~ 10 nm tynd film af klæbende titanium, nikkel eller krom. Det sputtered guldlag bliver det fritstående membranmål.

2. Tilpasning

BEMÆRK: Figur 4 viser målbestrålingsopsætningen.

  1. Bring et første vilkårligt valgt mål i betragtning under et 100x forstørrelsemikroskop.
  2. Ret en trianguleringssensor (f.eks. MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)19 til den ru ring, der er tættest på målet, og optag dens forskydningsaflæsning.
    BEMÆRK: Den anvendte ligesensormodel er ikke beregnet til højvakuumapplikationer. Forskellige modeller, som MTI-2100 fra samme leverandør, er kompatible med lav-outgassing applikationer.
  3. Mens du lader mikroskopet være på plads, skal du flytte waferen væk en kendt afstand for at rydde strålestien.
  4. Ved hjælp af to foldespejle og det off-axis parabolske spejl (OAP) justeres strålen med lavt effekt i mikroskopets synsfelt.
  5. Juster disse tre spejle for at korrigere bygningsfejl i strålen. Resultatet bør være en næsten diffraction-begrænset brændpunkt.
  6. Bloker laserstrålen og bringe målet tilbage til fokus for mikroskopet. Valider dens position ved hjælp af mikroskopet og den ligesensors aflæsning.
  7. Flyt mikroskopet til en position, hvor det vil blive holdt sikkert fra laserlys og snavs.

3. Bestrålingssekvens og automatiseret målpositionering

  1. Implementer en closed-loop feedback mellem målets omdrejningspunktsmanipulator og forskydningssensoraflæsningen ved hjælp af software. Brug den registrerede værdi fra protokoltrin 2.2 som setpunkt. Den vigtigste PID20 kontrol sekvens, udarbejdet med LabView, er vist i figur 5.
  2. Når placeringen af den lukkede sløjfe har nået den ønskede toleranceafstand fra setpunktet, skal du bestråle målet med en enkelt højeffektlaserpuls.
  3. Oversæt IP'en ved hjælp af den mekaniske fremføring til en ny position.
  4. Gentag bestrålingssekvensen med det næste mål bragt i fokus af softwaren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Dette mål leveringssystem blev anvendt til at fremskynde ioner fra bagsiden af 600 nm tykke guld folier. Når bestrålet med en normaliseret laserintensitet på0 = 5,6, blev disse ioner accelereret af mål normal kappeaccelerationsmekanisme (TNSA)21. I TNSA, den lavere intensitet lys, der gik forud for de vigtigste laser puls ioniseret den forreste overflade af målet folie. Den ponderomotive kraft udøves af de vigtigste laser puls kørte varme elektroner gennem bulk sagen. En ladning adskillelse på bagsiden, induceret af disse elektroner22, skabt en ekstrem elektrostatisk gradient, der accelererede ion forurenende stoffer i mål-normal retning.

En tidsserie af målforskydningen langs fokalaksen er vist i figur 6. Værdierne er relative i forhold til omdrejningspunktets setpoint. De grønne prikker angiver, hvornår målforskydningen lå inden for en toleranceværdi på 1 μm fra setpunktet. dette er, når en laser skud blev taget.

Figur 7 viser TPIS-spor fra 14 på hinanden følgende bestrålinger af 600 nm tykke guldfoliemål. Det energispektrum, der udledes af disse spor, er vist i figur 8. Den maksimale stabilitet af den maksimale protonenergi er inden for 10 %.

Figure 1
Figur 1: Et teknisk layout af Thomson-ionsspektrometeret. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: En skemaskitse af målvaferen.
Forsiden, der viser 300 guldfolie mål bestilt i tre koncentriske ringe (venstre). Bagsiden, der viser ruhducial ringe placeret mellem målet folie steder (højre). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: En illustration af waferfabrikationsprocessen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: Et skematisk layout (til venstre) og foto (til højre) af interaktionskammeret. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: Målplacering AF PID LabView-kode (VI). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: Målforskydning under en skudsekvens på 20 mål. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: TPIS spor fra 14 på hinanden følgende skud. Ioners og røntgenstråler, der passerer gennem TPIS, er illustreret. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8: Ionenergispektre afledt af de 14 spor, der er vist i figur 7. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 9
Figur 9: En TPIS-sporing, der er registreret ved hjælp af en CCD-billeddannelse med lavt dynamisk område af en CsI(TI)-scintillator. Klik her for at se en større version af dette tal.

Trin ν [rps] rampe [rps2] Varighed [s]
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Tabel 1: Modstå spin frakke trin.

Trin ν [rps] rampe [rps2] Varighed [s]
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Tabel 2: Photoresist spin coat trin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Med nogle variationer er den målfabrikationsproces, der er beskrevet i denne protokol, almindelig (f.eks. Her er et unikt skridt, der er afgørende for driften af automatisk positionering, tilføjelsen af nanometerskala skrub i ringformede områder på bagsiden af waferen (trin 1.2.3). Formålet med dette trin er at øge den spredte spredning af lys hændelse på wafer i disse områder. Den lige sensor skinner en energibesparende laserstråle på waferen, indsamler det spredte lys og bestemmer dets forskydning ved triangulering.

De ovenfor viste data blev taget med en hastighed på et skud pr. 5 s, og den hastighedsbegrænsende faktor var oversættelsestiden for undersøgelsesperioden. Vist her er et foreløbigt resultat af en enkel, billig, online udlæsning metode, der vil øge skud duty cyklus. Online udlæsninger er traditionelt blevet foretaget ved hjælp af enten mikrokanalplader24 eller plast scintillators25,26. I sidstnævnte tilfælde var en dyr, image-intensiveret gated CCD forpligtet til at registrere den relativt lave mængde af scintillation lys. Det nuværende system bruger en enklere udlæsning system baseret på en anden scintillator materiale, Csl (Tl), som er lyse nok til at blive registreret med en billig, lav dynamikområde CCD. Dette valg af scintillator er blevet foreslået og drøftet af Pappalardo et al.27.

Figur 9 viser et eksempelbillede af en TPIS-sporing, der er taget med et CCD-billede med lavt dynamisk område på en csl(Tl) funklende skærm. Disse spor blev taget med en relativt stor blænde, at producere en stor mængde af scintillation lys. Der er behov for yderligere undersøgelser for at identificere de optimale indstillinger med hensyn til signal-støj-forhold og energiopløsning.

Billedet vist i figur 8 blev erhvervet ved hjælp af et 1,6 megapixel kamera. Med en hastighed på 10 Hz og 8-bit pixeldyst vil datastrømmen udgøre ca. 130 Mbps. Denne datahastighed understøttes af enten en USB3- eller GigE-kommunikationsgrænseflade.

Den mekaniske stabilitet af enhver genopfyldningsseende laser mål leveringssystem kan blive kompromitteret af en højere leveringshastighed eller af den højere indvirkning induceret af højere energi laser impulser. Tabel 3 viser en sammenligning mellem dette arbejde og forskellige andre målleveringsteknologier. Udførelsen af dette system ved højere skudhastigheder og højere energiimpulser vil blive undersøgt i den nærmeste fremtid.

Reference Måltype Materialer Tykkelse Gentagelseshastighed Laser energi
[6] Tape Mylar 15 μm 0,2 Hz 5.
[10] Flydende ark Ethelyne Glycol 0,4 μm 1 kHz 0.011 J
[11] Brint Jet H 2 20 μm 1 Hz 600 J.
Dette arbejde Mikrobekodt Au-folie Au 0,6 μm 0,2 Hz 0,5 J.

Tabel 3: Sammenligning af forskellige måltyper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen konkurrerende finansielle interesser.

Acknowledgments

Dette arbejde er blevet støttet af Israel Science Foundation, bevilling nr. Vi anerkender også støtte fra Pazy Foundation, Israel #27707241, og NSF-BSF tilskud Nr. 01025495. Forfatterne vil gerne venligst anerkende Tel Aviv University Center for Nanoscience og Nanotechnolog

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Engineering høj intensitet laser tynd folie bestråling ion acceleration MeV protoner laser mål fabrikation mål positionering

Erratum

Formal Correction: Erratum: Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments
Posted by JoVE Editors on 04/16/2021. 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

Automatiseret levering af mikrofabrikerede mål for intense laserbestrålingsforsøg
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Gershuni, Y., Elkind, M., Roitman,… More

Gershuni, Y., Elkind, M., Roitman, D., Cohen, I., Tsabary, A., Sarkar, D., Pomerantz, I. Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments. J. Vis. Exp. (167), e61056, doi:10.3791/61056 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter