Waiting
Login processing...

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

Engineering

Automatiserad leverans av mikrotillverkade mål för intensiv Laser Bestrålning Experiment

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

Ett protokoll presenteras för automatiserad bestrålning av tunna guldfolier med högintensiva laserpulser. Protokollet innehåller en steg-för-steg-beskrivning av micromachining mål tillverkningsprocessen och en detaljerad guide för hur mål förs till laserns fokus med en hastighet av 0,2 Hz.

Abstract

Beskrivs är ett experimentellt förfarande som möjliggör hög effekt laser bestrålning av mikrotillverkade mål. Mål förs till lasern fokus genom en sluten feedback loop som fungerar mellan målet manipulator och en räckvidd sensor. Mål fabriceringsprocessen förklaras i detalj. Representativa resultat av MeV-nivå protonstrålar som genereras genom bestrålning av 600 nm tjock guldfolier med en hastighet av 0,2 Hz ges. Metoden jämförs med andra påfyllningsbara målsystem och utsikterna att öka skottfrekvensen till över 10 Hz diskuteras.

Introduction

Högintensiv laserbestrålning av fasta mål genererar flera former av strålning. En av dessa är utsläpp av energiska joner med energier på Mega elektron-volt (MeV) nivå1. En kompakt källa av MeV-joner har potential för många tillämpningar, såsom proton snabb-tändning2, proton radiografi3, jon strålbehandling4, och neutron generation5.

En stor utmaning i att göra laser-jon acceleration praktisk är förmågan att placera mikrometer-skala mål exakt i fokus för lasern i hög takt. Få målleveranstekniker har utvecklats för att möta denna utmaning. Vanligaste är målsystem baserade på mikrometerskala tjocka band. Dessa mål är enkla att fylla på och kan lätt placeras i fokus för lasern. Tejp mål har gjorts med hjälp av VHS6, koppar7, Mylar, och Kapton8 band. Bandenhetssystemet består normalt av två motordrivna spolar för lindning och varva ner och två vertikala stift placerade mellan dem för att hålla bandet i läge9. Noggrannheten i placeringen av bandytan är vanligtvis mindre än Strålestrålens räckvidd på fokuseringsstrålen. En annan typ av påfyllningsbart lasermål är flytandeark 10. Dessa mål levereras snabbt till interaktionsregionen och inför en mycket låg mängd skräp. Detta system består av en högtrycksspruta pump kontinuerligt levereras med vätska från en reservoar. Nyligen var nya kryogenavätestrålar 11 etablerade som ett sätt att leverera ultratunna, låg skräp, påfyllningsbara mål.

Den största nackdelen med alla dessa påfyllningsbara målsystem är det begränsade valet av målmaterial och geometrier, som dikteras av mekaniska krav som styrka, viskositet och smälttemperatur.

Här beskrivs ett system som kan föra micromachined mål till fokus för en hög intensitet laser med en hastighet av 0,2 Hz. Micromachining erbjuder ett brett urval av målmaterial i mångsidiga geometrier12. Målpositionering utförs av en sluten rundgång mellan en kommersiell förskjutningssensor och en motoriserad manipulator.

Målleveranssystemet testades med hjälp av ett högkontrast, 20 TW lasersystem som levererar 25 fs långa laserpulser med 500 mJ på mål. En genomgång av lasersystemets arkitektur ges i Porat et al.13, och en teknisk beskrivning av målsystemet ges i Gershuni et al.14. Detta dokument presenterar en detaljerad metod för att göra och använda denna typ av system och visar representativa resultat av laser-jon acceleration från ultratunna guldfolie mål.

Thomson Parabola jonspektrometer (TPIS)15,16 som visas i figur 1 användes för att registrera energispektra hos de avgivna jonerna. I en TPIS passerar accelererade joner genom parallella elektriska och magnetiska fält, vilket placerar dem på paraboliska banor i fokalplanet. Den paraboliska krökningen beror på jonens laddnings-till-massa-förhållande, och platsen längs banan sätts av jonens energi.

En BAS-TR imaging plate (IP)17 placerad vid fokalplanet i TPIS registrerar de imping jonerna. IP är fäst vid en mekanisk feedthrough att tillåta översättning till ett nytt område före varje skott.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Mål tillverkning

OBS: Figur 2 och figur 3 illustrerar tillverkningsprocessen av fristående guldfolier.

  1. Baksida
    1. Använd en 250 μm tjock, 100 mm diameter, kiselplattor med hög påfrestning i en <100> kristallbildning, belagt på båda sidor med kiselnitrid.
    2. Rengör wafer med hjälp av aceton följt av isopropanol och torka med kväve.  Sedan snurra coat ett lager av HMDS att bilda ett självhäftande skikt som följer de steg som beskrivs i tabell 1.
    3. Spin-coat rånet med en AZ1518 fotoresist lager efter de steg som beskrivs i tabell 2.
    4. Grädda rånet vid 100 °C i 1 min, låt det svalna.
    5. Fotolitografi 1 000 μm x 1 000 μm fyrkantiga öppningar under vakuum, och utsätter wafer i 1 cykel på 4 till 7 sekunder till en 400 nm UV-lampa. Rånet utsätts för en total fluence på 40 J/cm2. Använd en AZ726K-utvecklare för att exponera kiselnitriden, och ett bad av uttorkat vatten för att stoppa processen.
    6. Använd Reaktiv Ion Etcher (RIE) för att avlägsna kiselnitriden på kvadratens placering.
    7. Använd ett N-metyl-2-pyrrolidon (NMP) bad i 20 min för att avlägsna restresiten och fotoresisten, och producera en replik av masken på kiselnitridskiktet. Tvätta rånet under sötvatten och torka med kväve.
    8. Sänk wafer i en 30%, 90 °C, kaliumhydroxidlösning för att etsa kisel genom de fyrkantiga öppningarna. Sänk wafer i 40 min för varje 50 μm kisel som måste etsas. Eftersom etch-hastigheten i <100> planet är mycket högre än i andra, når kaliumhydroxid botten kiselnitridskiktet genom kisel bulk innan etsning någon betydande djup i kiselnitridmasken.
  2. Främre sidan
    1. För den främre sidan, upprepa steg 1.1.1–1.1.6 med en mask formad som tre koncentriska ringar.
    2. Använd RIE för att ta bort kiselnitriden där ringarna är placerade, följt av ett NMP-bad för att avlägsna resist och fotoresistrester.
    3. Slutligen, för att rugga kiselringarna, sänk rånen i salpetersyra och i en lösning på 0,02 M silvernitrat och 4 M vätefluorid.
    4. På den etsade sidan av wafer, använd en fysisk ånga nedfall maskin (PVD)18 att sputter ett lager av några hundra nanometer av guld ovanpå en ~ 10 nm tunn film av självhäftande titan, nickel, eller krom. Det sputterade guldlagret kommer att bli det fristående membranmålet.

2. Anpassning

OBS: I bild 4 visas uppställningen för bestrålning av mål.

  1. Ta ett första godtyckligt valt mål i sikte under en 100x förstoring mikroskop.
  2. Peka en triangulering som sträcker sensor (t.ex. MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)19 till den ruggade ringen närmast målet, och registrera dess förskjutningsavläsning.
    OBS: Den olika sensormodellen som används är inte avsedd för högvakuumapplikationer. Olika modeller, som MTI-2100 från samma leverantör, är kompatibla med program med låg utgasning.
  3. Medan du lämnar mikroskopet på plats, flytta wafer bort ett känt avstånd för att rensa strålvägen.
  4. Med hjälp av två vikningsspeglar och den off-axis paraboliska spegeln (OAP), rikta strålen i låg effekt i synfältet i mikroskopet.
  5. Justera dessa tre speglar för att korrigera astigmatismer i balken. Resultatet bör vara en nästan diffraktionsbegränsad brännpunkt.
  6. Blockera laserstrålen och föra målet tillbaka till mikroskopets fokus. Validera dess position med hjälp av mikroskopet och den spänna givarens avläsning.
  7. Flytta mikroskopet till en position där det kommer att hållas säkert från laserljus och skräp.

3. Bestrålningssekvens och automatiserad målpositionering

  1. Genomföra en sluten-loop feedback mellan fokalaxeln manipulator av målet och förskjutning sensorn behandlingen med hjälp av programvara. Använd det registrerade värdet från protokoll steg 2.2 som börvärde. Huvudstyrningssekvensen för PID20, förberedd med LabView, visas i figur 5.
  2. När den slutna slingan positionering har nått en önskad toleransavstånd från börsen, bestråla målet med en enda högeffektslaserpuls.
  3. Översätt IP med hjälp av den mekaniska mataren genom till en ny position.
  4. Upprepa bestrålning sekvens med nästa mål bringas att fokusera av programvaran.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Detta mål leveranssystem var anställd för att påskynda joner från baksidan av 600 nm tjock guld folier. När bestrålas med en normaliserad laserintensitet påen 0 = 5,6, accelererades dessa joner av mål normal slyn acceleration (TNSA) mekanism21. I TNSA joniserade det lägre intensitetsljuset som föregick huvudlaserpulsen målfoliens främre yta. Den ponderomotive kraft som utövas av de viktigaste laserpulsen körde heta elektroner genom bulk frågan. En laddningsseparation på baksidans yta, framkallad av dessa elektroner22, skapade en extrem elektrostatisk gradient som accelererade jonföroreningar i mål-normalriktningen.

En tidsserie för målförskjutningen längs fokalaxeln visas i figur 6. Värdena är i förhållande till det fokala positionsetpointet. De gröna prickarna anger när målförskjutningen var inom ett toleransvärde på 1 μm från börvärdet; detta är när en laser skott togs.

Figur 7 visar TPIS spår från 14 på varandra följande bestrålning av 600 nm tjock guldfolie mål. Det energispektrum som härstammar från dessa spår visas i figur 8. Topp-till-topp-stabiliteten för den maximala protonenergin ligger inom 10 %.

Figure 1
Figur 1: En teknisk layout av Thomsons seabolionspektrometer. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 2
Bild 2: En scheman skiss av målet wafer.
Den främre sidan, som visar 300 mål guldfolie beställt i tre koncentriska ringar (vänster). Ryggen, som visar ruggade fiducial ringar placerade mellan målfolien platser (höger). Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 3
Bild 3: En illustration av wafer fabrication processen. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 4
Bild 4: En schematisk layout (vänster) och foto (höger) av interaktionskammaren. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 5
Bild 5: Målpositionering PID LabView-kod (VI). Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 6
Bild 6: Målförskjutning under en skottsekvens på 20 mål. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 7
Bild 7: TPIS-spår från 14 skott i följd. Banorna för joner och röntgenstrålar som passerar genom TPIS illustreras. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 8
Figur 8: Jonenergispektra som härletts från de 14 spår som visas i figur 7. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 9
Bild 9: En TPIS-spårning som registrerats med hjälp av en CCD-avbildning med lågt dynamiskt omfång av en CsI(TI)-scintillator. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Steg ν [rps] ramp [rps2] Varaktighet [s]
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Tabell 1: Motstå spin coat steg.

Steg ν [rps] ramp [rps2] Varaktighet [s]
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Tabell 2: Fotoresist spin coat steg.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Med vissa variationer är mål fabriceringsprocessen som beskrivs i detta protokoll vanligt (t.ex. Zaffino et al.23). Här är ett unikt steg som är avgörande för driften av automatisk positionering tillsatsen av nanometerskalaruppror i ringformade områden på baksidan av rånet (steg 1.2.3). Syftet med detta steg är att öka den diffusa spridning av ljus incident på rån i dessa områden. Den spänna sensorn lyser en låg effekt laserstråle på wafer, samlar det spridda ljuset, och bestämmer dess förskjutning genom triangulering.

De data som visas ovan togs med en hastighet av ett skott per 5 s, med den hastighetsbegränsande faktorn är översättningstiden för undersökningsperioden. Visas här är ett preliminärt resultat av en enkel, billig, online avläsning metod som kommer att öka skott tull cykel. Online avläsningar har traditionellt gjorts med antingen mikrokanal plattor24 eller plast scintillators25,26. I det senare fallet krävdes en dyr, bild-intensifierad gated CCD att registrera den relativt låga mängden scintillation ljus. Det nuvarande systemet använder ett enklare avläsningssystem baserat på ett annat scintillatormaterial, Csl(Tl), som är tillräckligt ljusstark för att kunna spelas in med ett billigt, lågt dynamiskt omfång CCD. Detta val av scintillator har föreslagits och diskuteras av Pappalardo et al.27.

Bild 9 visar en provbild av en TPIS-spårning som tagits med en ccd-bild med lågt dynamiskt omfång av en Csl(Tl)-scintillating-skärm. Dessa spår togs med en relativt stor bländare, för att producera en hög mängd scintillation ljus. Ytterligare studier krävs för att identifiera de optimala inställningarna i form av signal-brus-förhållande och energiupplösning.

Bilden som visas i figur 8 förvärvades med hjälp av en 1,6 megapixelkamera. Vid en 10 Hz hastighet och 8-bitars pixel djup, dataströmmen skulle uppgå till cirka 130 Mbps. Denna datahastighet stöds av antingen ett USB3- eller GigE-kommunikationsgränssnitt.

Den mekaniska stabiliteten i alla påfyllningsbara laser mål leveranssystem kan äventyras av en högre leveransgrad eller av den högre påverkan framkallas av högre energi laserpulser. I tabell 3 presenteras en jämförelse mellan detta arbete och diverse andra målleveranstekniker. Prestandan hos detta system vid högre skotthastigheter och högre energipulser kommer att undersökas inom en snar framtid.

Referens Måltyp Material Tjocklek Repetitionsfrekvens Laser Energi
[6] Band Mylar 15 μm 0,2 Hz 5 J
[10] Flytande blad Ethelyne glykol 0,4 μm 1 kHz 0,011 J
[11] Vätejet H2 20 μm 1 Hz 600 J
Detta arbete Mikrobearbetad Au-folie Au 0,6 μm 0,2 Hz 0,5 J

Tabell 3: Jämförelse mellan olika måltyper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inga konkurrerande ekonomiska intressen.

Acknowledgments

Detta arbete har fått stöd av Israel Science Foundation, bevilja nr 1135/15 och av Zuckerman STEM Leadership Program, Israel, som är tacksamt erkända. Vi erkänner också stödet från Pazy Foundation, Israel grant #27707241, och NSF-BSF beviljar nr 01025495. Författarna vill vänligen erkänna Tel Aviv University Center for Nanoscience och 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

  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

Engineering hög intensitet laser tunn folie bestrålning jonacceleration MeV protoner laser mål fabricering mål positionering

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

Automatiserad leverans av mikrotillverkade mål för intensiv Laser Bestrålning Experiment
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