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Summary
高強度レーザーパルスを用いた薄い金箔の自動照射プロトコルを提示します。このプロトコルには、マイクロマシニングターゲット製造プロセスのステップバイステップの説明と、ターゲットが0.2Hzの速度でレーザーの焦点に持ち込まれる方法についての詳細なガイドが含まれています。
Abstract
上述は、微細加工対象物の高出力レーザー照射を可能にする実験手順である。ターゲットは、ターゲットマニピュレータと測距センサーの間で動作する閉じたフィードバックループによってレーザーフォーカスに持ち込まれます。ターゲット製造プロセスについて詳しく説明します。0.2Hzの速度で600 nm厚い金箔を照射して生成したMeVレベルの陽子線の代表的な結果が与えられる。この方法は他の補充可能なターゲットシステムと比較され、ショットレートを10Hz以上に引き上げる見通しについて議論される。
Introduction
固体標的の高強度レーザー照射は、複数の形態の放射線を発生させる。その一つがメガ電子ボルト(MeV)レベル1でエネルギーを持つエネルギーを持つイオンの放出である。MeVイオンのコンパクトな供給源は、プロトン高速点火2、陽子線X線撮影3、イオン放射線療法4、中性子発生5など多くの用途に可能性を秘めています。
レーザーイオン加速を実用化する上での大きな課題は、マイクロメータスケールのターゲットをレーザーの焦点内で正確に高いレートで配置できることです。この課題に対応するために開発されたターゲット配信技術はほとんどありませんでした。最も一般的なのは、マイクロメータースケールの厚いテープに基づくターゲットシステムです。これらのターゲットは補充が簡単で、レーザーの焦点内に容易に配置することができます。テープターゲットは、VHS6、銅7、マイラー、カプトン8 テープを使用して作られています。テープドライブシステムは、通常、巻き取りと巻き戻し用の2つの電動スプールと、テープを9位置に保つためにそれらの間に配置された2つの垂直ピンで構成されています。テープ表面の位置決め精度は、通常、焦点を合わせるビームのレイリー範囲よりも小さい。補充可能なレーザーターゲットの別のタイプは、液体シート10である。これらのターゲットは、相互作用領域に迅速に配信され、非常に少量の破片を導入します。このシステムは、リザーバからの液体を連続的に供給する高圧シリンジポンプを備えています。近年、超薄型、低残骸、補充可能な目標を送達する手段として新規極低温水素ジェット11 が確立された。
これらの補充可能なターゲットシステムの主な欠点は、強度、粘度、溶融温度などの機械的要件によって決定されるターゲット材料と幾何学の限られた選択肢です。
ここでは、0.2Hzの速度で高強度レーザーの焦点にマイクロマシン化されたターゲットを持ち込むことができるシステムについて説明する。マイクロマシニングは、汎用性の高いジオメトリ12で幅広いターゲット材料を提供しています。ターゲット位置決めは、商用変位センサと電動マニピュレータの間の閉ループフィードバックによって行われます。
ターゲット配信システムは、ターゲット上に500 mJで25 fs-longレーザーパルスを提供する高コントラスト、20 TWレーザーシステムを使用してテストされました。レーザーシステムのアーキテクチャのレビューはPorat et al.13で行われ、標的系の技術的な説明はGershuniら14で与えられている。本論文では、この種のシステムを作り、使用するための詳細な方法を提示し、超薄型金箔ターゲットからのレーザーイオン加速の代表的な結果を示す。
トムソン・パラボライオン分光計(TPIS)15,図1に示す16を、放出されたイオンのエネルギースペクトルを記録するために使用した。TPISでは、加速イオンは平行な電界と磁場を通過し、焦点面の放物線軌道に乗せられます。放物線曲率はイオンの電荷質量比に依存し、軌道に沿った位置はイオンのエネルギーによって設定されます。
TPISの焦点面に位置するBAS-TR撮像板(IP)17 は、衝突イオンを記録する。IPは、各ショットの前に新鮮な領域に翻訳できるように、機械的なフィードスルーに接続されています。
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Protocol
1. ターゲット製造
注: 図 2 と図 3 は、独立した金箔の製造プロセスを示しています。
- 裏側
- 厚さ250μm、直径100mm、高ストレスシリコンウエハーを<100>結晶形成に使用し、両面に窒化ケイ素でコーティングします。
- アセトンに続いてイソプロパノールを使用してウエハーを洗浄し、窒素で乾燥させます。 次に、HMDSの層をスピンコートし、 表1に概説したステップに従って接着層を形成する。
- 表2に概説したステップに従って、AZ1518フォトレジスト層でウエハーをスピンコートする。
- ウエハースを100°Cで1分間焼き、冷まします。
- フォトリトグラフ 1,000 μm x 1,000 μm の正方形の開口部を真空下で、ウエハーを4~7秒の1サイクルで露出させ、400 nmのUVランプにします。ウエハーは、40 J/cm2の全体的なフルーションにさらされています。AZ726K開発者を使用して窒化ケイ素を露出させ、脱水水浴を使用してプロセスを停止します。
- 反応性イオンエッチャー(RIE)を使用して、四角の位置にある窒化ケイ素を除去します。
- N-メチル-2-ピロリドン(NMP)浴を20分間使用して残留レジストとフォトレジストを除去し、窒化ケイ素層にマスクのレプリカを生成します。新鮮な水でウエハースを洗い、窒素で乾燥させます。
- ウエハースを30%、90°C、水酸化カリウム溶液に沈め、正方形の開口部を通してシリコンをエッチングする。エッチングが必要なシリコンの50μmごとに、ウエハを40分間沈めます。<100>面のエッチングレートは他のものよりもはるかに高いため、水酸化カリウムはシリコンバルクを通して底の窒化ケイ素層に到達し、シリコン窒化物マスクに有意な深さをエッチングします。
- フロントサイド
- 正面側では、3 つの同心円状のリングとして形成されたマスクを使用して、ステップ 1.1.1 ~ 1.1.6 を繰り返します。
- RIEを使用してリングが置かれている窒化ケイ素を除去し、続いてNMPバスを使用してレジストとフォトレジストの残り物を取り除きます。
- 最後に、シリコンリングを粗くするために、硝酸にウエハーを沈め、0.02 M硝酸銀と4Mフッ化水素の溶液に沈めます。
- ウエハのエッチングされた側に、物理的な蒸着機(PVD)18を使用して、接着剤チタン、ニッケル、またはクロムの〜10nm薄膜の上に数百ナノメートルの金の層をスパッタする。スパッタリングされた金層は、独立した膜ターゲットになります。
2. アライメント
注: 図 4 は、ターゲット照射の設定を示しています。
- 100x倍率顕微鏡の下で、最初に任意に選ばれたターゲットを視野に入れます。
- 三角測量測距センサー(MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)19を目標に最も近い粗いリングに向け、その変位の読み取りを記録します。
注: 使用される測距センサーモデルは、高真空アプリケーション向けではありません。同じベンダーのMTI-2100のような異なるモデルは、低アウトガスアプリケーションと互換性があります。 - 顕微鏡を所定の位置に残したまま、ウエハーを既知の距離に移動してビームパスをクリアします。
- 2つの折りたたみミラーとオフ軸放物鏡(OAP)を使用して、ビームを低電力で顕微鏡の視野に合わせます。
- ビームの乱視を補正するために、これらの3つのミラーを調整します。結果は、ほぼ回折制限された焦点点である必要があります。
- レーザービームをブロックし、ターゲットを顕微鏡の焦点に戻します。顕微鏡と測距センサーの読み取り値を使用して、その位置を検証します。
- レーザー光やデブリから安全に保たれる位置に顕微鏡を移動します。
3. 照射シーケンスと自動ターゲット位置決め
- ソフトウェアを使用して、ターゲットの焦点軸マニピュレータと変位センサーの読み取りとの間に閉ループフィードバックを実装します。プロトコルステップ 2.2 の記録された値をセットポイントとして使用します。LabViewで用意されたメインPID20 制御シーケンスを 図5に示します。
- クローズドループ位置決めが設定点から所望の許容距離に達したら、ターゲットに1つの高出力レーザーパルスを照射します。
- メカニカルフィードスルーを使用してIPを新しい位置に変換します。
- ソフトウェアによってフォーカスする次のターゲットで照射シーケンスを繰り返します。
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Representative Results
このターゲット送達システムは、600nm厚金箔の裏側からイオンを加速するために採用された。0=5.6の正規化されたレーザー強度を照射した場合、これらのイオンは、ターゲットの正常シース加速(TNSA)機構21によって加速された。TNSAでは、主レーザーパルスに先行する低強度光が標的箔の前面をイオン化した。主なレーザーパルスによって発揮されるポンデボ感力は、バルク物質を通して熱い電子を駆動しました。これらの電子22によって誘導される裏面の電荷分離は、標的-常方向のイオン汚染物質を加速する極端な静電勾配を作り出した。
焦点軸に沿った目標変位の時系列を 図6に示します。値は、焦点位置の設定点に対して相対的です。緑色の点は、目標変位が設定点から 1 μm の許容値内にあった時点を示します。これはレーザーショットが撮影されたときです。
図7 は、600nm厚金箔ターゲットの14回連続照射からのTPISトレースを示す。これらのトレースから得られるエネルギースペクトルを 図 8に示します。最大プロトンエネルギーのピーク~ピーク安定性は10%以内である。
図1:トムソン放物線イオン分光計の技術的なレイアウト。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:ターゲットウエハの模式図。
フロント側は、3つの同心円状のリングで注文された300の金箔ターゲットを示す(左)。背面には、ターゲットフォイル位置の間に位置する粗い受託者リング(右)を示す。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:ウエハ製作プロセスの図。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:インタラクションチャンバの概略レイアウト(左)と写真(右)この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:ターゲット位置決めPID LabViewコード(VI)この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図6:20ターゲットのショットシーケンス中のターゲット変位。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 7: TPIS トレースは 14 連続したショットから。TPISを通過するイオンとX線の軌跡を示す。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図8:図7に示す14のトレースから得られたイオンエネルギースペクトル。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図9:CsI(TI)シンチレータの低ダイナミックレンジCCDイメージングを使用して記録されたTPISトレース。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
| ステップ | ν [rps] | ランプ [rps2] | 持続時間 [s] |
| 1 | 500 | 500 | 10 |
| 2 | 4000 | 1000 | 45 |
| 3 | 0 | 1000 | 0 |
表1:レジストスピンコートのステップ。
| ステップ | ν [rps] | ランプ [rps2] | 持続時間 [s] |
| 1 | 500 | 500 | 10 |
| 2 | 4000 | 1000 | 45 |
| 3 | 0 | 1000 | 0 |
表2:フォトレジストスピンコートのステップ。
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Discussion
いくつかのバリエーションでは、このプロトコルで説明されているターゲット製造プロセスが一般的である(例えば、Zaffinoら23)。ここで、自動測位の動作に重要な一つのユニークなステップは、ウエハの背面にリング状の領域にナノメートルスケールの粗化を加える(ステップ1.2.3)。この工程の目的は、それらの領域におけるウエハ上の光の拡散散乱を増加させることである。測距センサーは、ウエハーに低出力のレーザー光を照射し、散乱光を収集し、三角測量によって変位を決定します。
上記のデータは、5秒あたり1ショットのレートで取得され、レート制限要因はIPの翻訳時間です。ここに示されているのは、ショットデューティサイクルを増加させる簡単で安価なオンライン読み出し方法の予備的な結果です。オンライン読み出しは、伝統的にマイクロチャネルプレート24またはプラスチックシンチレータ25、26のいずれかを使用して行われてきました。後者の場合、比較的低量のシンチレーション光を記録するために高価な、画像増強されたゲート付きCCDが必要であった。現在のシステムは、安価で低ダイナミックレンジCCDで記録されるほど明るい、異なるシンチレータ材料、Csl(Tl)に基づいて、より単純な読み出しシステムを使用しています。シンチレータのこの選択は、Pappalardoららによって提案され、議論されています。
図 9 は、Csl(Tl) シンチレーション画面の低ダイナミック レンジ CCD イメージで撮影された TPIS トレースのサンプル イメージを示しています。これらの痕跡は比較的大きな開口で採取し、大量のシンチレーション光を生成した。信号対雑音比とエネルギー分解能の観点から最適な設定を特定するには、さらに検討が必要です。
図8に示す画像は、1.6メガピクセルのカメラを使用して取得しました。10 Hz のレートと 8 ビットのピクセル深さで、データ ストリームは約 130 Mbps に相当します。このデータレートは、USB3またはGigE通信インターフェイスでサポートされています。
任意の補充可能なレーザーターゲット配信システムの機械的安定性は、より高い送達速度または高エネルギーレーザーパルスによって誘導されるより高い衝撃によって損なわれる可能性があります。 表 3 は、この作業と他のさまざまなターゲット配信テクノロジの比較を示しています。このシステムの性能は、より高いショットレートと高いエネルギーパルスで、近い将来に調査される予定です。
| 参照 | ターゲットの種類 | 材料 | 厚さ | 繰り返し率 | レーザーエネルギー |
| [6] | テープ | マイラー | 15 μm | 0.2 Hz | 5 J |
| [10] | 液体シート | エセリングリコール | 0.4 μm | 1 kHz | 0.011 J |
| [11] | 水素ジェット | H2 | 20 μm | 1 Hz | 600 J |
| この作品 | マイクロマシン化されたAuホイル | Au | 0.6 μm | 0.2 Hz | 0.5 J |
表 3: 異なるターゲット・タイプの比較
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Disclosures
著者は競合する財政的利益を持っていません。
Acknowledgments
この研究は、イスラエル科学財団、助成金1135/15、そしてイスラエルのザッカーマンSTEMリーダーシッププログラムによって支援されています。我々はまた、パジー財団、イスラエル交付金#27707241、およびNSF-BSF助成金No.01025495の支援を認める。著者らは、テルアビブ大学ナノサイエンス・ナノテクノログセンターを親切に認めたいと思います。
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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Tags
工学、問題167、高強度レーザー、薄箔照射、イオン加速度、MeV陽子、レーザーターゲット製作、ターゲットポジショニングErratum
Formal Correction: Erratum: Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments
Posted by JoVE Editors on 04/16/2021.
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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
