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Engineering

Consegna automatizzata di bersagli microfabbricati per intensi esperimenti di irradiazione 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

Viene presentato un protocollo per l'irradiazione automatizzata di fogli d'oro sottili con impulsi laser ad alta intensità. Il protocollo include una descrizione dettagliata del processo di fabbricazione del bersaglio di microlavorazione e una guida dettagliata su come gli obiettivi vengono portati al fuoco del laser a una velocità di 0,2 Hz.

Abstract

Descritta è una procedura sperimentale che consente l'irradiazione laser ad alta potenza di bersagli microfabbricati. I bersagli vengono portati a fuoco al laser da un circuito di feedback chiuso che opera tra il manipolatore di destinazione e un sensore di gamma. Il processo di fabbricazione del bersaglio è spiegato in dettaglio. Vengono forniti risultati rappresentativi dei fasci di protoni a livello MeV generati dall'irradiazione di fogli d'oro spessi 600 nm ad una velocità di 0,2 Hz. Il metodo viene confrontato con altri sistemi bersaglio ricostituibili e vengono discusse le prospettive di aumentare le velocità di tiro a oltre 10 Hz.

Introduction

L'irradiazione laser ad alta intensità di bersagli solidi genera molteplici forme di radiazione. Uno di questi è l'emissione di ioni energetici con energie al livello mega elettronvolt (MeV)1. Una sorgente compatta di ioni MeV ha un potenziale per molte applicazioni, come l'accensione rapida dei protoni2,la radiografiaprotonica 3,la radioterapiaionica 4e la generazione di neutroni5.

Una sfida importante nel rendere pratica l'accelerazione degli ioni laser è la capacità di posizionare con precisione i bersagli su scala micrometrica all'interno della messa a fuoco del laser ad alta velocità. Per rispondere a questa sfida sono state sviluppate poche tecnologie di consegna target. I più comuni sono i sistemi di destinazione basati su nastri spessi su scala micrometrica. Questi bersagli sono semplici da reintegrare e possono essere facilmente posizionati all'interno del fuoco del laser. Il bersaglio a nastro è stato realizzato utilizzando nastri VHS6,copper7,Mylar e Kapton8. Il sistema di unità nastro è in genere costituito da due bobine motorizzate per l'avvolgimento e lo srotolamento e due perni verticali posizionati tra di loro per mantenere il nastro inposizione 9. La precisione nel posizionamento della superficie del nastro è in genere inferiore alla gamma Rayleigh del fascio di messa a fuoco. Un altro tipo di bersaglio laser ricostituibile sono i fogliliquidi 10. Questi obiettivi vengono consegnati rapidamente nella regione di interazione e introducono una quantità molto bassa di detriti. Questo sistema comprende una pompa per siringhe ad alta pressione fornita continuamente con liquido da un serbatoio. Recentemente, nuovi getti criogenici di idrogeno11 sono stati stabiliti come mezzi per fornire bersagli ultrathin, a bassa debris e ricostituibili.

Lo svantaggio principale di tutti questi sistemi target rimintegrabili è la scelta limitata di materiali e geometrie target, che sono dettati da requisiti meccanici come resistenza, viscosità e temperatura di fusione.

Qui viene descritto un sistema in grado di portare bersagli micromacchinato al centro di un laser ad alta intensità ad una velocità di 0,2 Hz. La micromacchinizzazione offre un'ampia scelta di materiali target in geometrie versatili12. Il posizionamento del bersaglio viene eseguito da un feedback a circuito chiuso tra un sensore di spostamento commerciale e un manipolatore motorizzato.

Il sistema di erogazione del bersaglio è stato testato utilizzando un sistema laser a contrasto elevato da 20 TW che fornisce impulsi laser lunghi 25 fs con 500 mJ sul bersaglio. Una revisione dell'architettura del sistema laser è fornita in Porat etal. Questo documento presenta un metodo dettagliato per la realizzazione e l'utilizzo di questo tipo di sistema e mostra i risultati rappresentativi dell'accelerazione degli ioni laser da bersagli in lamina d'oro ultrathin.

Lo spettrometro ionico Thomson Parabola (TPIS)15,16 mostrato nella figura 1 è stato utilizzato per registrare gli spettri energetici degli ioni emessi. In un TPIS, gli ioni accelerati passano attraverso campi elettrici e magnetici paralleli, il che li posiziona su traiettorie paraboliche nel piano focale. La curvatura parabolica dipende dal rapporto carica-massa dello ione, e la posizione lungo la traiettoria è impostata dall'energia dello ione.

Una piastra di imaging BAS-TR (IP)17 posizionata sul piano focale del TPIS registra gli ioni imping. L'IP è collegato a un feedthrough meccanico per consentire la traduzione in una nuova area prima di ogni scatto.

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Protocol

1. Fabbricazione target

NOTA: La figura 2 e la figura 3 illustrano il processo di fabbricazione di fogli d'oro indipendenti.

  1. Lato posteriore
    1. Utilizzare un wafer di silicio ad alta sollecitazione dello spessore di 250 μm, di 100 mm di diametro, in una formazione cristallina <100>, rivestita su entrambi i lati con nitruro di silicio.
    2. Pulire il wafer con acetone seguito da isopropanolo e asciugare con azoto.  Quindi ruotare uno strato di HMDS per formare uno strato adesivo seguendo i passaggi descritti nella tabella 1.
    3. Spin-coat il wafer con uno strato fotoresist AZ1518 seguendo i passaggi descritti nella tabella 2.
    4. Cuocere il wafer a 100 °C per 1 minuto, quindi lasciarlo raffreddare.
    5. Fotolitografo 1.000 μm x 1.000 μm aperture quadrate sotto vuoto, esponendo il wafer in 1 ciclo da 4 a 7 secondi a una lampada UV da 400 nm. Il wafer è esposto ad una fluenza complessiva di 40 J/cm2. Usa uno sviluppatore AZ726K per esporre il nitruro di silicio e un bagno di acqua disidratata per fermare il processo.
    6. Utilizzare Ion Etcher reattivo (RIE) per rimuovere il nitruro di silicio nella posizione dei quadrati.
    7. Utilizzare un bagno N-metil-2-pirrolidone (NMP) per 20 minuti per rimuovere la resistenza residua e il fotoresist, producendo una replica della maschera sullo strato di nitruro di silicio. Lavare il wafer sotto acqua dolce e asciugare con azoto.
    8. Affondare il wafer in una soluzione di idrossido di potassio del 30%, 90 °C, per incidere il silicio attraverso le aperture quadrate. Affondare il wafer per 40 minuti per ogni 50 μm di silicio che deve essere inciso. Poiché la velocità di incisione nel piano <100> è molto più alta che in altri, l'idrossido di potassio raggiunge lo strato inferiore di nitruro di silicio attraverso la massa di silicio prima di incidere qualsiasi profondità significativa nella maschera di nitruro di silicio.
  2. Lato anteriore
    1. Per il lato anteriore, ripetere i passaggi da 1.1.1 a 1.1.6 con una maschera a forma di tre anelli concentrici.
    2. Utilizzare RIE per rimuovere il nitruro di silicio in cui si trovano gli anelli, seguito da un bagno NMP per rimuovere gli avanzi di resistenza e fotoresist.
    3. Infine, per irrourare gli anelli di silicio, affondare il wafer in acido nitrico e in una soluzione di nitrato d'argento da 0,02 M e fluoruro di idrogeno da 4 M.
    4. Sul lato inciso del wafer, utilizzare una macchina fisica per la deposizione di vapore (PVD)18 per sputter uno strato di poche centinaia di nanometri d'oro sopra un film sottile di ~ 10 nm di titanio adesivo, nichel o cromo. Lo strato d'oro sputtered diventerà il bersaglio della membrana indipendente.

2. Allineamento

NOTA: la figura 4 mostra l'impostazione dell'irradiazione bersaglio.

  1. Porta in vista un primo bersaglio scelto arbitrariamente al microscopio da ingrandimento 100x.
  2. Puntare un sensore di triangolazione (ad esempio, MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)19 all'anello ruvido più vicino al bersaglio e registrare la sua lettura di spostamento.
    NOTA: Il modello di sensore di gamma utilizzato non è destinato ad applicazioni ad alto vuoto. Diversi modelli, come l'MTI-2100 dello stesso fornitore, sono compatibili con applicazioni a basso degassamento.
  3. Mentre si lascia il microscopio in posizione, spostare il wafer lontano a una distanza nota per liberare il percorso del fascio.
  4. Utilizzando due specchi pieghevoli e lo specchio parabolico off-axis (OAP), allineare il fascio a bassa potenza nel campo visivo del microscopio.
  5. Regola questi tre specchi per correggere gli astigmatismo nella trave. Il risultato dovrebbe essere un punto focale quasi limitato dalla diffrazione.
  6. Blocca il raggio laser e riporta il bersaglio al centro del microscopio. Convalidare la sua posizione utilizzando il microscopio e la lettura del sensore di gamma.
  7. Spostare il microscopio in una posizione in cui sarà tenuto al sicuro dalla luce laser e dai detriti.

3. Sequenza di irradiazione e posizionamento automatico del bersaglio

  1. Implementare un feedback a circuito chiuso tra il manipolatore dell'asse focale del bersaglio e la lettura del sensore di spostamento utilizzando il software. Utilizzare il valore registrato del passaggio 2.2 del protocollo come setpoint. La sequenza di controlliPID 20 principale, preparata con LabView, è illustrata nella figura 5.
  2. Una volta che il posizionamento a circuito chiuso ha raggiunto la distanza di tolleranza desiderata dal setpoint, irradiare il bersaglio con un singolo impulso laser ad alta potenza.
  3. Traduci l'IP usando l'avanzamento meccanico in una nuova posizione.
  4. Ripetere la sequenza di irradiazione con il bersaglio successivo messo a fuoco dal software.

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Representative Results

Questo sistema di consegna target è stato utilizzato per accelerare gli ioni dal lato posteriore di fogli d'oro spessi 600 nm. Quando irradiati con un'intensità laser normalizzatadi 0 = 5,6, questi ioni sono stati accelerati dal meccanismo di accelerazione della toere normale bersaglio (TNSA)21. In TNSA, la luce a bassa intensità che precedeva l'impulso laser principale ionizzava la superficie anteriore del foglio bersaglio. La forza ponderomotiva esercitata dall'impulso laser principale spinse elettroni caldi attraverso la materia sfusa. Una separazione di carica sulla superficie posteriore, indotta da questielettroni 22, ha creato un gradiente elettrostatico estremo che ha accelerato i contaminanti ionici nella direzione target-normale.

Una serie temporale dello spostamento di destinazione lungo l'asse focale è illustrata nella figura 6. I valori sono relativi al setpoint della posizione focale. I punti verdi indicano quando lo spostamento della destinazione era all'interno di un valore di tolleranza di 1 μm dal setpoint; questo è quando è stato scattato un colpo laser.

La figura 7 mostra tracce di TPIS da 14 irradiazioni consecutive di bersagli di fogli d'oro spessi 600 nm. Lo spettro energetico derivato da queste tracce è mostrato nella figura 8. La stabilità dal picco al picco dell'energia massima dei protoni è entro il 10%.

Figure 1
Figura 1: Una disposizione tecnica dello spettrometro ionica Thomson parabola. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Uno schizzo schematico del wafer di destinazione.
Il lato anteriore, che mostra 300 bersagli in lamina d'oro ordinati in tre anelli concentrici (a sinistra). La parte posteriore, che mostra anelli fiduciari ruvidi posizionati tra le posizioni del foglio bersaglio (a destra). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Illustrazione del processo di fabbricazione dei wafer. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Layout schematico (a sinistra) e foto (a destra) della camera di interazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Codice PID LabView di posizionamento di destinazione (VI). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Spostamento del bersaglio durante una sequenza di tiro di 20 bersagli. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7: Tracce TPIS da 14 scatti consecutivi. Vengono illustrate le traiettorie degli ioni e dei raggi X che passano attraverso il TPIS. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 8
Figura 8: Spettri di energia ionia derivati dalle 14 tracce mostrate nella figura 7. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 9
Figura 9: Traccia TPIS registrata utilizzando un'immagine CCD a basso intervallo dinamico di uno scintillatore CsI(TI). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Passo ν [rps] rampa [rps2] Durata [s]
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Tabella 1: Resisti ai gradini dello spin coat.

Passo ν [rps] rampa [rps2] Durata [s]
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Tabella 2: Passi di spin coat fotoresist.

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Discussion

Con alcune variazioni, il processo di fabbricazione target descritto in questo protocollo è comune (ad esempio, Zaffino et al.23). Qui, un passo unico che è fondamentale per il funzionamento del posizionamento automatico è l'aggiunta di sgrossatura su scala nanometrica in aree a forma di anello sul retro del wafer (passo 1.2.3). Lo scopo di questo passaggio è quello di aumentare la dispersione diffusa dell'incidente luminoso sul wafer in quelle aree. Il sensore di gamma brilla un raggio laser a bassa potenza sul wafer, raccoglie la luce diffusa e ne determina lo spostamento mediante triangolazione.

I dati sopra mostrati sono stati presi ad una velocità di un colpo per 5 s, con il fattore limitante della velocità che è il tempo di traduzione dell'IP. Mostrato qui è un risultato preliminare di un metodo di lettura online semplice, economico che aumenterà il ciclo di servizio dello scatto. Le letture online sono state tradizionalmente effettuate utilizzando piastre amicrocanale 24 o scintillatori diplastica 25,26. In quest'ultimo caso, era necessario un costoso CCD gated intensificato dall'immagine per registrare la quantità relativamente bassa di luce di scintillazione. Il sistema attuale utilizza un sistema di lettura più semplice basato su un diverso materiale scintillatore, Csl(Tl), che è abbastanza luminoso da essere registrato con un CCD economico e a bassa gamma dinamica. Questa scelta di scintillatore è stata suggerita e discussa da Pappalardo etal.

La figura 9 mostra un'immagine di esempio di una traccia TPIS scattata con un'immagine CCD a basso intervallo dinamico di uno schermo scintillante Csl(Tl). Queste tracce sono state prese con un'apertura relativamente grande, per produrre un'alta quantità di luce scintillante. Sono necessari ulteriori studi per identificare le impostazioni ottimali in termini di rapporto segnale-rumore e risoluzione dell'energia.

L'immagine mostrata nella figura 8 è stata acquisita utilizzando una fotocamera da 1,6 megapixel. Con una velocità di 10 Hz e una profondità di pixel a 8 bit, il flusso di dati equivarrebbe a circa 130 Mbps. Questa velocità dati è supportata da un'interfaccia di comunicazione USB3 o GigE.

La stabilità meccanica di qualsiasi sistema di erogazione del bersaglio laser rimintegrabile può essere compromessa da un tasso di consegna più elevato o dal maggiore impatto indotto da impulsi laser ad alta energia. La tabella 3 presenta un confronto tra questo lavoro e varie altre tecnologie di consegna degli obiettivi. Le prestazioni di questo sistema a velocità di scatto più elevate e impulsi energetici più elevati saranno studiate nel prossimo futuro.

Riferimento Tipo di destinazione Materiali Spessore Tasso di ripetizione Energia laser
[6] Nastro Mylar 15 μm 0,2 Hz 5 J
[10] Foglio liquido Glicole etelyne 0,4 μm 1 kHz 0,011 J
[11] Getto d'idrogeno H2 20 μm 1 Hz 600 J
Questo lavoro Foglio Au micro-lavorato Au 0,6 μm 0,2 Hz 0,5 J

Tabella 3: Confronto dei diversi tipi di destinazione.

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Disclosures

Gli autori non hanno interessi finanziari concorrenti.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato supportato dalla Israel Science Foundation, dalla sovvenzione n. 1135/15 e dallo Zuckerman STEM Leadership Program, Israele, che sono grati. Riconosciamo anche il sostegno della Fondazione Pazy, della sovvenzione israeliana #27707241 e della sovvenzione NSF-BSF n. 01025495. Gli autori vorrebbero gentilmente riconoscere il Tel Aviv University Center for Nanoscience and 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

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Tags

Ingegneria Numero 167 laser ad alta intensità irradiazione di fogli sottili accelerazione ionica protoni MeV fabbricazione di obiettivi laser posizionamento del bersaglio

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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