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Engineering

Livraison automatisée de cibles microfabriquées pour des expériences intenses d’irradiation laser

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

Un protocole est présenté pour l’irradiation automatisée des feuilles d’or minces avec des impulsions laser de haute intensité. Le protocole comprend une description étape par étape du processus de fabrication de la cible de micromachining et un guide détaillé pour la façon dont les cibles sont portées au point du laser à un taux de 0,2 Hz.

Abstract

Décrit est une procédure expérimentale qui permet l’irradiation laser de haute puissance des cibles microfabriquées. Les cibles sont portées au point laser par une boucle de rétroaction fermée qui fonctionne entre le manipulateur cible et un capteur de portée. Le processus de fabrication cible est expliqué en détail. Des résultats représentatifs des faisceaux de protons de niveau MeV générés par l’irradiation de feuilles d’or de 600 nm d’épaisseur à un taux de 0,2 Hz sont donnés. La méthode est comparée à d’autres systèmes cibles réapprovisionnement et les perspectives d’augmenter les taux de tir à plus de 10 Hz sont discutées.

Introduction

L’irradiation laser de haute intensité des cibles solides génère de multiples formes de rayonnement. L’un d’eux est l’émission d’ions énergétiques avec des énergies au niveau Mega electron-volt (MeV)1. Une source compacte d’ions MeV a un potentiel pour de nombreuses applications, telles que l’allumage rapide desprotons 2,la radiographie desprotons 3,la radiothérapie irionale4et la génération neutronique5.

Un défi majeur pour rendre l’accélération laser-ion pratique est la capacité de positionner les cibles à l’échelle du micromètre avec précision dans le foyer du laser à un taux élevé. Peu de technologies de livraison cibles ont été mises au point pour relever ce défi. Les plus courants sont les systèmes cibles basés sur des bandes épaisses à l’échelle du micromètre. Ces cibles sont simples à reconstituer et peuvent être facilement positionnées dans le foyer du laser. La cible de bande a été faite utilisant VHS6,cuivre7,Mylar, et Kapton8 bandes. Le système d’entraînement sur bande se compose généralement de deux bobines motorisées pour l’enrouement et le déroulement et de deux broches verticales placées entre elles pour maintenir le ruban en position9. La précision dans le positionnement de la surface du ruban est généralement inférieure à la portée Rayleigh du faisceau de focalisation. Un autre type de cible laser réapprovisionnable est les feuilles liquides10. Ces cibles sont livrées rapidement à la région d’interaction et introduisent une très faible quantité de débris. Ce système comprend une pompe à seringues haute pression fournie en permanence avec du liquide provenant d’un réservoir. Récemment, de nouveaux jets d’hydrogène cryogéniques11 ont été établis comme moyen de livrer des cibles ultrathin, à faible débris et réapprovisionnables.

Le principal inconvénient de tous ces systèmes cibles réapprovisionnables est le choix limité des matériaux cibles et des géométries, qui sont dictés par des exigences mécaniques telles que la force, la viscosité et la température de fusion.

Ici, un système capable d’amener des cibles micromachinées au centre d’un laser de haute intensité à un taux de 0,2 Hz est décrit. Micromachining offre un large choix de matériaux cibles dans des géométries polyvalentes12. Le positionnement de la cible est effectué par une rétroaction en boucle fermée entre un capteur de déplacement commercial et un manipulateur motorisé.

Le système de livraison cible a été testé à l’aide d’un système laser à contraste élevé de 20 TW qui fournit des impulsions laser de 25 fs de long avec 500 mJ sur la cible. Un examen de l’architecture du système laser est donné dans Porat et coll.13, et une description technique du système cible est donnée dans Gershuni et coll.14. Cet article présente une méthode détaillée pour la fabrication et l’utilisation de ce type de système et montre des résultats représentatifs de l’accélération laser-ion des cibles ultrathin feuille d’or.

Le spectromètre iion Thomson Parabola (TPIS)15,16 indiqué à la figure 1 a été utilisé pour enregistrer les spectres énergétiques des ions émis. Dans un TPIS, les ions accélérés passent par des champs électriques et magnétiques parallèles, ce qui les place sur des trajectoires paraboliques dans le plan focal. La courbure parabolique dépend du rapport charge-masse de l’ion, et l’emplacement le long de la trajectoire est défini par l’énergie de l’ion.

Une plaque d’imagerie BAS-TR (IP)17 placée au plan focal du TPIS enregistre les ions d’empiage. L’IP est attaché à une procédure d’alimentation mécanique pour permettre la traduction vers une zone fraîche avant chaque prise de vue.

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Protocol

1. Fabrication cible

REMARQUE : La figure 2 et la figure 3 illustrent le processus de fabrication des feuilles d’or autoportantes.

  1. Côté arrière
    1. Utilisez une gaufrette de silicium de 250 μm d’épaisseur, de 100 mm de diamètre et à stress élevé dans une formation de cristal de 100 μm, recouverte des deux côtés de nitride de silicium.
    2. Nettoyer la gaufrette à l’aide d’acétone suivie d’isopropanol et sécher avec de l’azote.  Ensuite, faites tourner une couche de SMHM pour former une couche adhésive en suivant les étapes décrites dans le tableau 1.
    3. Enduire la gaufrette d’une couche photorésiste AZ1518 en suivant les étapes décrites dans le tableau 2.
    4. Cuire la gaufrette à 100 °C pendant 1 min, puis laisser refroidir.
    5. Photolithographie 1000 μm x 1000 ouvertures carrées de μm sous vide, exposant la gaufrette en 1 cycle de 4 à 7 secondes à une lampe UV de 400 nm. La gaufrette est exposée à une fluence globale de 40 J/cm2. Utilisez un développeur AZ726K pour exposer le nitride de silicium, et un bain d’eau déshydratée pour arrêter le processus.
    6. Utilisez Reactive Ion Etcher (RIE) pour enlever le nitride de silicium à l’emplacement des carrés.
    7. Utilisez un bain N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) pendant 20 min pour enlever la résistance résiduelle et photorésistante, produisant une réplique du masque sur la couche de nitride de silicium. Laver la gaufrette sous l’eau douce et sécher avec de l’azote.
    8. Enfoncez la gaufrette dans une solution hydroxyde de potassium à 30%, 90 °C, pour graver le silicium à travers les ouvertures carrées. Couler la gaufrette pendant 40 min pour chaque 50 μm de silicium qui doit être gravé. Parce que le taux d’échoir dans le <100> plan est beaucoup plus élevé que dans d’autres, l’hydroxyde de potassium atteint la couche inférieure de nitride de silicium à travers le silicium en vrac avant de graver toute profondeur significative dans le masque de nitride de silicium.
  2. Côté avant
    1. Pour le côté avant, répétez les étapes 1.1.1-1.1.6 avec un masque en forme de trois anneaux concentriques.
    2. Utilisez RIE pour enlever le nitride de silicium où se trouvent les anneaux, suivi d’un bain NMP pour enlever les restes résistants et photorésistants.
    3. Enfin, pour rugueuser les anneaux de silicium, couler la gaufrette dans de l’acide nitrique et dans une solution de nitrate d’argent de 0,02 M et de fluorure d’hydrogène de 4 M.
    4. Sur le côté gravé de la gaufrette, utilisez une machine de dépôt de vapeur physique (PVD)18 pour pulvériser une couche de quelques centaines de nanomètres d’or au-dessus d’un film mince d’environ 10 nm de titane adhésif, nickel ou chrome. La couche d’or pulvérisée deviendra la cible de membrane autonome.

2. Alignement

REMARQUE : La figure 4 montre la configuration de l’irradiation cible.

  1. Mettre en vue une première cible choisie arbitrairement sous un microscope grossissant 100x.
  2. Pointer un capteur de triangulation (p. ex., MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)19 à l’anneau rugueux le plus proche de la cible, et enregistrer sa lecture de déplacement.
    REMARQUE : Le modèle de capteur de portée utilisé n’est pas destiné aux applications à vide élevé. Différents modèles, comme le MTI-2100 du même fournisseur, sont compatibles avec des applications à faible dégazage.
  3. Tout en laissant le microscope en place, déplacez la plaquette loin d’une distance connue pour dégager le chemin de faisceau.
  4. À l’aide de deux miroirs pliants et du miroir parabolique hors axe (OAP), alignez le faisceau à faible puissance dans le champ de vision du microscope.
  5. Ajustez ces trois miroirs pour corriger les astigmatismes dans le faisceau. Le résultat devrait être une tache focale presque diffraction-limitée.
  6. Bloquez le faisceau laser et ramenez la cible au centre du microscope. Validez sa position à l’aide du microscope et de la lecture du capteur de portée.
  7. Déplacez le microscope vers une position dans laquelle il sera gardé à l’abri de la lumière laser et des débris.

3. Séquence d’irradiation et positionnement automatisé des cibles

  1. Implémenter une rétroaction en boucle fermée entre le manipulateur de l’axe focal de la cible et la lecture du capteur de déplacement à l’aide d’un logiciel. Utilisez la valeur enregistrée de l’étape 2.2 du protocole comme point de défini. La séquence de commandeprincipale de PID 20, préparée avec LabView, est indiquée dans la figure 5.
  2. Une fois que le positionnement en boucle fermée a atteint la distance de tolérance souhaitée par rapport au point défini, irradier la cible avec une seule impulsion laser de haute puissance.
  3. Traduire l’IP à l’aide de la procédure d’alimentation mécanique à une nouvelle position.
  4. Répétez la séquence d’irradiation avec la cible suivante mise au point par le logiciel.

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Representative Results

Ce système de livraison cible a été utilisé pour accélérer les ions de l’arrière des feuilles d’or de 600 nm d’épaisseur. Lorsqu’ils sont irradiés avec une intensité laser normaliséed’un 0 = 5,6, ces ions ont été accélérés par le mécanisme normal cible d’accélération de gaine (TNSA)21. Dans TNSA, la lumière de faible intensité qui a précédé l’impulsion laser principale a ionisé la surface avant de la feuille cible. La force ponderomotive exercée par l’impulsion laser principale a conduit les électrons chauds à travers la matière en vrac. Une séparation de charge sur la surface arrière, induite par ces électrons22, a créé un gradient électrostatique extrême qui a accéléré les contaminants iion dans la direction cible-normale.

Une série de temps du déplacement cible le long de l’axe focal est indiquée dans la figure 6. Les valeurs sont relatives au point de position focale. Les points verts indiquent quand le déplacement de la cible se trouvait dans une valeur de tolérance de 1 μm par rapport au point défini; c’est alors qu’un tir au laser a été prise.

La figure 7 montre des traces de TPIS provenant de 14 irradiations consécutives de cibles de feuilles d’or de 600 nm d’épaisseur. Le spectre énergétique dérivé de ces traces est indiqué à la figure 8. La stabilité maximale de l’énergie maximale des protons se trouve à moins de 10 %.

Figure 1
Figure 1 : Disposition technique du spectromètre iion Thomson parabola. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Esquisse schématique de la gaufrette cible.
La face avant, montrant 300 cibles en fleuret d’or commandées en trois anneaux concentriques (à gauche). Le dos, montrant des anneaux fiducials rugueux placés entre les emplacements de feuille cible (à droite). S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Illustration du processus de fabrication des gaufrettes. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Mise en page schématique (gauche) et photo (droite) de la chambre d’interaction. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : Cible positionnant le code PID LabView (VI). S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure 6 : Ciblez le déplacement au cours d’une séquence de tir de 20 cibles. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 7
Figure 7 : Traces TPIS de 14 tirs consécutifs. Les trajectoires des ions et des rayons X qui traversent le TPIS sont illustrées. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 8
Figure 8 : Spectres énergétiques iioniens dérivés des 14 traces indiquées à la figure 7. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 9
Figure 9 : Trace TPIS enregistrée à l’aide d’une imagerie CCD à faible plage dynamique d’un scintilleur CsI(TI). S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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

Tableau 1 : Résistez aux pas du manteau de spin.

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

Tableau 2 : Étapes photorésistes de spin coat.

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Discussion

Avec quelques variations, le processus de fabrication cible décrit dans ce protocole est commun (p. ex., Zaffino et coll.23). Ici, une étape unique qui est essentielle au fonctionnement du positionnement automatique est l’ajout d’un roughening à l’échelle nanométrique dans les zones en forme d’anneau à l’arrière de la plaquette (étape 1.2.3). Le but de cette étape est d’augmenter la diffusion diffuse de l’incident de lumière sur la plaquette dans ces zones. Le capteur de portée fait briller un faisceau laser de faible puissance sur la gaufrette, recueille la lumière éparse et détermine son déplacement par triangulation.

Les données ci-dessus ont été prises à un taux d’un coup par 5 s, le facteur limitant les taux étant le temps de traduction de la propriété intellectuelle. Montré ici est un résultat préliminaire d’un simple, peu coûteux, méthode de lecture en ligne qui va augmenter le cycle de service de tir. Les lectures en ligne ont été traditionnellement faites à l’aide de plaques de microcanal24 ou de scintillateursen plastique 25,26. Dans ce dernier cas, un CCD fermé coûteux et accentué par l’image a été nécessaire pour enregistrer la quantité relativement faible de lumière de scintillation. Le système actuel utilise un système de lecture plus simple basé sur un matériau scintillator différent, Csl(Tl), qui est assez lumineux pour être enregistré avec un CCD peu coûteux et à faible plage dynamique. Ce choix de scintillator a été suggéré et discuté par Pappalardo et coll.27.

La figure 9 montre une image d’échantillon d’une trace TPIS prise avec une image CCD à faible plage dynamique d’un écran scintillant Csl(Tl). Ces traces ont été prises avec une ouverture relativement grande, pour produire une grande quantité de lumière scintillation. Une étude plus approfondie est nécessaire pour identifier les paramètres optimaux en termes de rapport signal-bruit et de résolution d’énergie.

L’image présentée à la figure 8 a été acquise à l’aide d’un appareil photo de 1,6 mégapixels. À un taux de 10 Hz et une profondeur de pixels de 8 bits, le flux de données s’élèverait à environ 130 Mbps. Ce taux de données est pris en charge soit par une interface de communication USB3 ou GigE.

La stabilité mécanique de tout système de livraison de cibles laser réapprovisionnement peut être compromise par un taux de livraison plus élevé ou par l’impact plus élevé induit par des impulsions laser à énergie plus élevée. Le tableau 3 présente une comparaison entre ce travail et diverses autres technologies de prestation cibles. Les performances de ce système à des taux de tir plus élevés et des impulsions d’énergie plus élevées seront étudiées dans un proche avenir.

Référence Type cible Matériaux Épaisseur Taux de répétition Énergie laser
[6] Bande Mylar 15 μm (15 μm) 0,2 Hz 4 k
[10] Feuille liquide Ethelyne Glycol 0,4 μm 1 kHz 0,011 J
[11] Jet d’hydrogène H2 20 μm (20 μm) 1 Hz 600 J
Ce travail Micro-usinage Au foil Au 0,6 μm 0,2 Hz 0,5 J

Tableau 3 : Comparaison des différents types cibles.

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Disclosures

Les auteurs n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu par la Fondation scientifique d’Israël, la subvention n ° 1135/15 et par le Zuckerman STEM Leadership Program, Israël, qui sont reconnaissants. Nous reconnaissons également le soutien de la Fondation Pazy, de l'#27707241 et de la subvention n° 01025495 du FNS-BSF. Les auteurs aimeraient bien reconnaître le Centre universitaire de nanosciences et de nanotechnologies de Tel Aviv

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

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References

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Tags

Ingénierie Numéro 167 laser de haute intensité irradiation mince de papier d’aluminium accélération iion protons MeV fabrication de cibles laser positionnement cible

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,
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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).

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