Automatisert levering av mikrofabrikkerte mål for intense laserbereddingseksperimenter
Summary
En protokoll presenteres for automatisert bestråling av tynne gullfolie med høy intensitet laserpulser. Protokollen inneholder en trinnvis beskrivelse av mikromaskineringsmålfabrikasjonsprosessen og en detaljert veiledning for hvordan mål bringes til laserens fokus med en hastighet på 0,2 Hz.
Abstract
Beskrevet er en eksperimentell prosedyre som muliggjør høyeffekts laserbestråling av mikrofabrikkerte mål. Målene bringes til laserfokuset av en lukket tilbakemeldingssløyfe som opererer mellom målmanipulatoren og en sensor. Målfabrikasjonsprosessen er forklart i detalj. Representative resultater av MeV-nivå protonbjelker generert ved bestråling av 600 nm tykke gullfolie med en hastighet på 0,2 Hz er gitt. Metoden sammenlignes med andre etterfyllbare målsystemer, og utsiktene til å øke skuddfrekvensene til over 10 Hz diskuteres.
Introduction
Høy intensitet laserbestråling av faste mål genererer flere former for stråling. En av disse er utslipp av energiske ioner med energier på Mega electron-volt (MeV) nivå1. En kompakt kilde til MeV-ioner har potensial for mange bruksområder, for eksempel proton hurtigtenning2,protonradiografi3,ionraditerapi4og nøytron generasjon5.
En stor utfordring i å gjøre laser-ion akselerasjon praktisk er evnen til å plassere mikrometer-skala mål nøyaktig innenfor fokus av laseren i høy hastighet. Få målleveringsteknologier ble utviklet for å svare på denne utfordringen. De vanligste er målsystemer basert på mikrometer-skala tykke bånd. Disse målene er enkle å fylle og kan lett plasseres i fokus av laseren. Tape mål har blitt gjort ved hjelp av VHS6,kobber 7,Mylar, og Kapton8 bånd. Tapedrivsystemet består vanligvis av to motoriserte spoler for svingete og avslappende og to vertikale pinner plassert mellom dem for å holde båndet i posisjon9. Nøyaktigheten i posisjonering av tapeoverflaten er vanligvis mindre enn Rayleigh-serien til fokusstrålen. En annen type etterfyllelig lasermål er flytende ark10. Disse målene leveres raskt til samhandlingsområdet og introduserer en svært lav mengde rusk. Dette systemet består av en høytrykkssprøytepumpe som kontinuerlig leveres med væske fra et reservoar. Nylig ble nye kryogene hydrogenstråler11 etablert som et middel for å levere ultratynne, lavtrester, etterfyllbare mål.
Den største ulempen med alle disse etterfyllbare målsystemene er det begrensede valget av målmaterialer og geometrier, som dikteres av mekaniske krav som styrke, viskositet og smeltetemperatur.
Her er et system som kan bringe mikromaskinerte mål til fokus for en høyintensitetslaser med en hastighet på 0,2 Hz beskrevet. Mikromaskinering tilbyr et bredt utvalg av målmaterialer i allsidige geometrier12. Målposisjoneringen utføres av en lukket sløyfetilbakemelding mellom en kommersiell forskyvningssensor og en motorisert manipulator.
Målet levering systemet ble testet ved hjelp av en høy kontrast, 20 TW lasersystem som leverer 25 fs-lange laserpulser med 500 mJ på målet. En gjennomgang av lasersystemets arkitektur er gitt i Porat et al.13, og en teknisk beskrivelse av målsystemet er gitt i Gershuni et al.14. Dette papiret presenterer en detaljert metode for å lage og bruke denne typen system og viser representative resultater av laser-ion akselerasjon fra ultratynne gull folie mål.
Thomson Parabola ion spektrometer (TPIS)15,16 vist i figur 1 ble brukt til å registrere energispektra av de smittede ionene. I en TPIS passerer akselererte ioner gjennom parallelle elektriske og magnetiske felt, noe som plasserer dem på parabolske baner i fokalplanet. Den parabolske krumningen avhenger av iionens lade-til-masse-forhold, og plasseringen langs banen er satt av iionens energi.
En BAS-TR bildeplate (IP)17 plassert ved fokalplanet til TPIS registrerer impinging ioner. IP er festet til en mekanisk gjennomstrømning for å tillate oversettelse til et nytt område før hvert skudd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Med noen variasjoner er målfabrikasjonsprosessen som er beskrevet i denne protokollen vanlig (f.eks. Zaffino et al.23). Her er et unikt trinn som er avgjørende for driften av automatisk posisjonering, tillegg av nanometer-skala roughening i ringformede områder på baksiden av wafer (trinn 1.2.3). Formålet med dette trinnet er å øke den diffuse spredningen av lyshendelse på wafer i disse områdene. Den sprede sensoren skinner en laveffekts laserstråle på wafer, samler det spredte lyset, og…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet har blitt støttet av Israel Science Foundation, tilskudd nr. Vi anerkjenner også støtte fra Pazy Foundation, Israel #27707241, og NSF-BSF stipend nr. Forfatterne ønsker å vennligst anerkjenne Tel Aviv University Center for Nanoscience og Nanotechnolog
Materials
| 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 |
References
- Snavely, R. A., et al. Intense High-Energy Proton Beams from Petawatt-Laser Irradiation of Solids. Physical Review Letters. 85, 4945 (2000).
- 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).
- 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).
- Malka, V., et al. Practicability of proton therapy using compact laser systems. Medical Physics. 31 (6), 1587-1592 (2004).
- Roth, M., et al. Laser-Driven Neutron Source Based on the Relativistic Transparency of Solids. Physical Review Letters. 110, 044802 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Margarone, D., et al. Proton Acceleration Driven by a Nanosecond Laser from a Cryogenic Thin Solid-Hydrogen Ribbon. Physical Review X. 6, 041030 (2016).
- Prencipe, I., et al. Targets for high repetition rate laser facilities: needs, challenges and perspectives. High Power Laser Science and Engineering. 5, 17 (2017).
- 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).
- 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).
- Jung, D., et al. Development of a high resolution and high dispersion Thomson parabola. Review of Scientific Instruments. 82 (1), 13306 (2011).
- Cobble, J. A., et al. High-resolution Thomson parabola for ion analysis. Review of Scientific Instruments. 82 (11), 113504 (2011).
- 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).
- Mattox, D. M. . Processing. Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing. , (2007).
- Astrom, K. J., Murray, R. M. . Feedback Systems: An Introduction for Scientists and Engineers. , (2006).
- Passoni, M., Bertagna, L., Zani, A. Target normal sheath acceleration: Theory, comparison with experiments and future perspectives. New Journal of Physics. 12, 045012 (2010).
- Roth, M., Schollmeier, M. Ion Acceleration: TNSA. Laser-Plasma Interactions and Applications. , 303-350 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
