Waiting
Login processing...

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

Engineering

Автоматизированная доставка микрофабрикатов для интенсивных экспериментов лазерного облучения

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

Представлен протокол для автоматического облучения тонкой золотой фольги с высокоинтенсивными лазерными импульсами. Протокол включает в себя пошаговое описание процесса изготовления микромачины цели и подробное руководство о том, как цели доведены до фокуса лазера со скоростью 0,2 Гц.

Abstract

Описана экспериментальная процедура, которая позволяет использовать высокопрог мощности лазерного облучения микрофабрикатов. Цели довекаются до лазерного фокуса с помощью замкнутой петли обратной связи, которая работает между манипулятором цели и датчиком диапазона. Процесс изготовления цели подробно описан. Даны репрезентативные результаты протонных лучей уровня MeV, генерируемых облучением золотой фольги толщиной 600 нм со скоростью 0,2 Гц. Метод сравнивается с другими пополняемыми целевыми системами и обсуждаются перспективы увеличения частоты выстрела выше 10 Гц.

Introduction

Высокоинтенсивное лазерное облучение твердых целей генерирует несколько форм излучения. Одним из них является излучение энергетических ионов с энергиями на уровне Мега электрон-вольт (MeV)1. Компактный источник ионов MeV имеет потенциал для многих применений, таких как протонное быстроезажигание 2,протоннаярадиография 3,ионнаялучевая терапия 4и нейтроннаягенерация 5.

Основной проблемой в том, чтобы лазерно-ионные ускорения практичным является способность позиционировать микрометровые цели точно в центре внимания лазера с высокой скоростью. Для ответа на эту задачу было разработано несколько целевых технологий доставки. Наиболее распространенными являются целевые системы, основанные на микрометровых толстых лентах. Эти цели просты в пополнении и могут быть легко расположены в центре внимания лазера. Лента цель была сделана с помощью VHS6,медь 7, Mylar, и Kapton8 ленты. Система ленточных приводов обычно состоит из двух моторизованных катушек для обмотки и раскручивания и двух вертикальных штырей, расположенных между ними, чтобы держать ленту вположении 9. Точность позиционирования поверхности ленты, как правило, меньше, чем диапазон Рейли фокусировки луча. Другим типом пополняемой лазерной мишени являются жидкиелисты 10. Эти цели быстро доставляются в регион взаимодействия и вводят очень небольшое количество мусора. Эта система включает в себя шприц-насос высокого давления, постоянно снабжаемый жидкостью из резервуара. Недавно были созданы новые криогенныеводородные струи 11 в качестве средства доставки сверхтонких, низкоохумных, пополняемых целей.

Основным недостатком всех этих пополняемых целевых систем является ограниченный выбор целевых материалов и геометрий, которые продиктованы механическими требованиями, такими как прочность, вязкость и температура плавления.

Здесь описана система, способная довести микромашинные цели до фокуса высокоинтенсивного лазера со скоростью 0,2 Гц. Micromachining предлагает широкий выбор целевых материалов в универсальной геометрии12. Целевое позиционирование выполняется замкнутой обратной связью между коммерческим датчиком смещения и моторизованным манипулятором.

Система доставки цели была протестирована с использованием высокой контрастности, 20 TW лазерной системы, которая обеспечивает 25 fs-длинных лазерных импульсов с 500 мДж на цель. Обзор архитектуры лазерной системы дается в Порати др. 13, и техническое описание целевой системы дается в Гершуни и др.14. В настоящем документе представлен подробный метод изготовления и использования этого типа системы и показаны репрезентативные результаты лазерно-ионных ускорений от сверхтонких целей золотой фольги.

Ионный спектрометр Thomson Parabola (TPIS)15,16, показанный на рисунке 1, был использован для записи энергетических спектров испускаемых ионов. В TPIS ускоренные ионы проходят через параллельные электрические и магнитные поля, которые поставить их на параболические траектории в фокусной плоскости. Параболическая кривизна зависит от соотношения заряда иона к массе, а расположение по траектории устанавливается энергией иона.

Пластина изображения BAS-TR (IP)17, расположенная на фокусной плоскости TPIS, записывает посягающие ионы. IP прилагается к механической подачи, чтобы позволить перевод на новую область перед каждым выстрелом.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Целевое изготовление

ПРИМЕЧАНИЕ: Рисунок 2 и рисунок 3 иллюстрируют процесс изготовления автономных золотых фольг.

  1. Задняя сторона
    1. Используйте кремниевую пластину толщиной 250 мкм, диаметром 100 мм, кремниевую пластину высокого напряжения в кристаллическом образовании, покрытом с обеих сторон кремниевым нитридом.
    2. Очистите с помощью ацетона с последующим изопропанолом и высушите азотом.  Затем закрутить слой HMDS, чтобы сформировать клей слой после шагов, изложенных в таблице 1.
    3. Спин-пальто с ак1518 фоторезистский слой следующие шаги, изложенные в таблице 2.
    4. Выпекать при температуре 100 градусов по Цельсию в течение 1 мин, а затем дайте ему остыть.
    5. Фотолитограф 1000 мкм х 1000 мкм квадратных отверстий под вакуумом, подвергая в 1 цикл от 4 до 7 секунд до 400 нм УФ-лампы. Вафля подвергается общей флюенс 40 J/cm2. Используйте разработчика A-726K, чтобы разоблачить нитрид кремния и ванну с обезвоженной водой, чтобы остановить этот процесс.
    6. Используйте реактивный ион Etcher (RIE), чтобы удалить нитрид кремния в расположении квадратов.
    7. Используйте N-метил-2-пирролидон (NMP) ванна в течение 20 минут, чтобы удалить остаточный сопротивление и фоторезистас, производя копию маски на кремниевом слое нитрида. Вымойте под пресной водой и высушите азотом.
    8. Погрузи вафельку в 30%, 90 градусов по Цельсию, раствор гидроксида калия, чтобы вытравить кремний через квадратные отверстия. Раковина пластины в течение 40 минут на каждые 50 мкм кремния, который должен быть травления. Потому что etch скорость в lt;100'gt; плоскость гораздо выше, чем в других, гидроксид калия достигает нижнего слоя нитрида кремния через кремниевую массу перед травлением какой-либо значительной глубины в маске нитрида кремния.
  2. Передняя сторона
    1. Для передней стороны повторите шаги 1.1.1-1.1.6 с маской в форме трех концентрических колец.
    2. Используйте RIE, чтобы удалить нитрид кремния, где расположены кольца, а затем NMP ванну, чтобы удалить сопротивление и фоторезистервные остатки.
    3. Наконец, чтобы roughen кремниевых колец, раковина в азотной кислоты и в растворе 0,02 М нитрата серебра и 4 М фтора водорода.
    4. На травленной стороне пластины, используйте физический пар осаждения машины (PVD)18 распылять слой из нескольких сотен нанометров золота на вершине 10 нм тонкая пленка клея титана, никеля или хрома. Распыленный золотой слой станет свободно стоящей мембранной мишенью.

2. Выравнивание

ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 4 показана установка целевого облучения.

  1. Принесите первую произвольно выбранную цель в поле зрения под 100-х микроскопом увеличения.
  2. Наймите датчик триангуляции (например, MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)19 к грубому кольцу, близкому к цели, и замитмите его показания смещения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Используемая модель датчиков не предназначена для высоко вакуумных приложений. Различные модели, такие как MTI-2100 от одного и того же поставщика, совместимы с приложениями с низким уровнем вынефтегаза.
  3. Оставляя микроскоп на месте, перемести пластину на известное расстояние, чтобы расчищать путь луча.
  4. Используя два складных зеркала и внеосевое параболическое зеркало (OAP), выравнивайте луч с низкой мощностью в поле зрения микроскопа.
  5. Отрегулируйте эти три зеркала, чтобы исправить астигматизмы в луче. Результатом должно быть почти ограниченное дифракция координационного центра.
  6. Заблокив лазерный луч и вернуть цель в фокус микроскопа. Проверить свое положение с помощью микроскопа и показания датчика диапазона.
  7. Переместите микроскоп в положение, в котором он будет храниться в безопасности от лазерного света и мусора.

3. Последовательность облучения и автоматическое целевое позиционирование

  1. Внедрение обратной связи замкнутого цикла между манипулятором фокусной оси цели и считывом датчиком смещения с помощью программного обеспечения. Используйте записанное значение из шага протокола 2.2 в качестве точки набора. Основная последовательность управления PID20, подготовленная с Помощью LabView, показана на рисунке 5.
  2. После того, как позиционирование замкнутого цикла достигло желаемого расстояния толерантности от установленной точки, облучить цель одним высокой мощности лазерного импульса.
  3. Перевейте IP с помощью механического канала в новое положение.
  4. Повторите последовательность облучения со следующей целью, доведенной до фокуса программным обеспечением.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Эта целевая система доставки была использована для ускорения ионов с задней стороны 600 нм толщиной золотой фольги. При облуче с нормализованной лазернойинтенсивностью 0 и 5,6, эти ионы были ускорены целевой нормальной оболочки ускорения (TNSA)механизм 21. В TNSA свет низкой интенсивности, предшествовавший основному лазерному импульсу, ионизировал переднюю поверхность фольги цели. Тяжеловесная сила, оказываемая основным лазерным импульсом, прогнала горячие электроны через основную материю. Разделение заряда на задней поверхности, индуцированное этимиэлектронами 22,создало экстремальный электростатический градиент, который ускорял ионные загрязняющие вещества в целевом нормальном направлении.

На рисунке 6 показана серия времени смещения цели вдоль фокусной оси. Значения по отношению к точке фокусного положения. Зеленые точки указывают, когда целевое смещение было в пределах значения допуска в 1 мкм от установленной точки; это когда лазерный выстрел был сделан.

На рисунке 7 показаны следы TPIS от 14 последовательных облучений 600 нм толщиной золотой фольги целей. Энергетический спектр, полученный из этих следов, показан на рисунке 8. Пиковая стабильность максимальной протонной энергии находится в пределах 10%.

Figure 1
Рисунок 1: Техническая компоновка ионового спектрометра Thomson parabola. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 2
Рисунок 2: Схема эскиза целевой пластины.
Передняя сторона, показывающая 300 целей золотой фольги, заказанных в трех концентрических кольцах (слева). Задняя, показывающая грубые фидуциальные кольца, расположенные между местами фольги цели (справа). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 3
Рисунок 3: Иллюстрация процесса изготовления пластин. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 4
Рисунок 4: Схематическая компоновка (слева) и фото (справа) камеры взаимодействия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 5
Рисунок 5: Целевое позиционирование кода PID LabView (VI). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 6
Рисунок 6: Перемещение цели во время последовательности выстрелов из 20 целей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 7
Рисунок 7: TPIS следы от 14 последовательных выстрелов. Иллюстрируются траектории ионов и рентгеновских лучей, проходящих через ТПИС. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 8
Рисунок 8: Ионные энергетические спектры, полученные из 14 следов, показанных на рисунке 7. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 9
Рисунок 9: След TPIS, записанный с использованием низкодинамикого диапазона CCD-изображения сцинтиллятора CsI (TI). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Шаг (РП) пандус «rps2» Длительность (ы)
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Таблица 1: Сопротивляйтесь спина пальто шаги.

Шаг (РП) пандус «rps2» Длительность (ы)
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Таблица 2: Фоторезистер спина пальто шаги.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

С некоторыми вариациями, целевой процесс изготовления, описанный в этом протоколе, является общим (например, Заффино идр. 23). Здесь одним из уникальных шагов, который имеет решающее значение для работы автоматического позиционирования является добавление нанометрового масштаба roughening в кольцеобразных областях на задней части пластины (шаг 1.2.3). Цель этого шага состоит в том, чтобы увеличить рассеянное рассеяние светового инцидента на пластине в этих районах. Датчик светит малой мощности лазерного луча на пластине, собирает рассеянный свет, и определяет его перемещение триангуляции.

Данные, показанные выше, были сделаны со скоростью одного выстрела на 5 с, при этом ограничивающим скорость фактором является время перевода ИС. Здесь показан предварительный результат простого, недорогого метода онлайн-считывания, который увеличит цикл выстрела. Онлайн считывания традиционно сделаны с использованием либо микроканальныепластины 24 или пластиковыесцинтилаторы 25,26. В последнем случае для записи относительно низкого количества сцинтилляционного света требовалось дорогостоящее, усиленное изображением закрытое КХД. Нынешняя система использует более простую систему считывания, основанную на другом материале сцинтиллятора, Csl (Tl), который достаточно яркий, чтобы быть записаны с недорогим, низким динамическим диапазоном CCD. Этот выбор scintillator был предложен и обсужден Паппалардо и др.27.

На рисунке 9 показан образец изображения следа TPIS, сделанный с низким динамическим диапазоном CCD-изображения мерцания экрана Csl (Tl). Эти следы были взяты с относительно большой диафрагмой, чтобы произвести большое количество света сцинтилляции. Необходимы дальнейшие исследования для определения оптимальных параметров соотношения сигнала к шуму и разрешения энергии.

Изображение, показанное на рисунке 8, было получено с помощью 1,6-мегапиксельной камеры. При частоте 10 Гц и глубине 8-битных пикселей поток данных составит около 130 Мбит/с. Эта скорость передачи данных поддерживается либо интерфейсом связи USB3 или GigE.

Механическая стабильность любой пополняемой лазерной целевой системы доставки может быть скомпрометирована более высокой скоростью доставки или более высоким воздействием, вызванным более высокими энергетическими лазерными импульсами. В таблице 3 представлено сравнение между этой работой и различными другими технологиями целевой доставки. Производительность этой системы с более высокой скоростью выстрела и более высокие импульсы энергии будут исследованы в ближайшем будущем.

Ссылки Целевой тип Материалы Толщина Коэффициент повторения Лазерная энергия
[6] Ленты Майларовый 15 мкм 0,2 Гц 5 J
[10] Лист жидкости Этелин Гликоль 0,4 мкм 1 кГц 0,011 дж
[11] Водородный реактивный H2 20 мкм 1 Гц 600 J
Эта работа Микро-обухаемая фольга Au Au 0,6 мкм 0,2 Гц 0,5 дж

Таблица 3: Сравнение различных целевых типов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

У авторов нет конкурирующих финансовых интересов.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана Израильский научный фонд, грант No 1135/15 и Цукерман STEM Лидерство программы, Израиль, которые с благодарностью признали. Мы также признаем поддержку Фонда Пази, израильского гранта #27707241 гранта NSF-BSF No 01025495. Авторы хотели бы любезно отметить Тель-Авивский университетский центр нанонауки и нанотехнологий

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

Инженерия Выпуск 167 лазер высокой интенсивности тонкое облучение фольги ионные ускорения протоны MeV изготовление лазерной мишени позиционирование цели

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

Автоматизированная доставка микрофабрикатов для интенсивных экспериментов лазерного облучения
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