Waiting
Login processing...

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

Engineering

Geautomatiseerde levering van microfabriceerde doelen voor intense laser bestraling experimenten

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

Een protocol wordt gepresenteerd voor geautomatiseerde bestraling van dunne goudfolie met hoge intensiteit laserpulsen. Het protocol bevat een stapsgewijze beschrijving van het micromachining doelfabricageproces en een gedetailleerde handleiding voor hoe doelen in de focus van de laser worden gebracht met een snelheid van 0,2 Hz.

Abstract

Beschreven is een experimentele procedure die high-power laser bestraling van microfabricage doelen mogelijk maakt. Doelen worden gebracht om de laser focus door een gesloten feedback lus die werkt tussen het doel manipulator en een variërend sensor. Het doelfabricageproces wordt in detail uitgelegd. Representatieve resultaten van protonstralen op MeV-niveau gegenereerd door bestraling van 600 nm dikke goudfolies met een snelheid van 0,2 Hz worden gegeven. De methode wordt vergeleken met andere aanvulbare doelsystemen en de vooruitzichten om de schotsnelheden te verhogen tot boven de 10 Hz worden besproken.

Introduction

Hoge intensiteit laser bestraling van vaste doelen genereert meerdere vormen van straling. Een daarvan is de emissie van energetische ionen met energieën op het Mega elektronen-volt (MeV) niveau1. Een compacte bron van MeV-ionen heeft potentieel voor vele toepassingen, zoals proton fast-ignition2, proton radiografie3, ionenradiotherapie4en neutronengeneratie5.

Een grote uitdaging bij het praktisch maken van laser-ion versnelling is de mogelijkheid om micrometer-schaal doelen nauwkeurig te positioneren binnen de focus van de laser met een hoog tempo. Er zijn weinig doelleveringstechnologieën ontwikkeld om deze uitdaging het gelosd te hebben. Meest voorkomende zijn doelsystemen op basis van micrometer-schaal dikke tapes. Deze doelen zijn eenvoudig aan te vullen en kunnen gemakkelijk worden geplaatst binnen de focus van de laser. Tape doel is gemaakt met behulp van VHS6,koper7,Mylar, en Kapton8 tapes. De tape drive systeem bestaat meestal uit twee gemotoriseerde spoelen voor wikkelen en afwikkelen en twee verticale pinnen geplaatst tussen hen om de tape in positie9te houden. De nauwkeurigheid bij het positioneren van het tapeoppervlak is meestal minder dan het Rayleigh-bereik van de scherpstelstraal. Een ander type van aanvulbare laser doel is vloeibare vellen10. Deze doelen worden snel geleverd aan het interactiegebied en introduceren een zeer lage hoeveelheid puin. Dit systeem bestaat uit een hogedrukspuitpomp die continu wordt geleverd met vloeistof uit een reservoir. Onlangs, nieuwe cryogene waterstof jets11 werden opgericht als middel om ultradunne, low-puin, aanvulbare doelen te leveren.

Het belangrijkste nadeel van al deze aanvulbare doelsystemen is de beperkte keuze van doelmaterialen en geometrieën, die worden bepaald door mechanische vereisten zoals sterkte, viscositeit en smelttemperatuur.

Hier wordt een systeem beschreven dat micromachined-doelen in de focus van een laser met een hoge intensiteit met een snelheid van 0,2 Hz kan brengen. Micromachining biedt een ruime keuze aan doelmaterialen in veelzijdige geometrieën12. De doelpositionering wordt uitgevoerd door een closed-loop feedback tussen een commerciële verplaatsingssensor en een gemotoriseerde manipulator.

Het doel levering systeem werd getest met behulp van een hoog contrast, 20 TW lasersysteem dat 25 fs-lange laserpulsen levert met 500 mJ op doel. Een herziening van de architectuur van het lasersysteem wordt gegeven in Porat et al.13, en een technische beschrijving van het doelsysteem wordt gegeven in Gershuni et al.14. Dit document presenteert een gedetailleerde methode voor het maken en gebruiken van dit type systeem en toont representatieve resultaten van laser-ion versnelling van ultradunne goudfolie doelen.

De Thomson Parabola ionenspectrometer (TPIS)15,16 in figuur 1 werd gebruikt om de energiespectra van de uitgestoten ionen vast te leggen. In een TPIS passeren versnelde ionen parallelle elektrische en magnetische velden, waardoor ze op parabolische banen in het brandpuntsvlak liggen. De parabolische kromming is afhankelijk van de laad-massaverhouding van de ionen en de locatie langs het traject wordt bepaald door de energie van de ion.

Een BAS-TR imaging plaat (IP)17 geplaatst op het brandpuntsvlak van de TPIS registreert de imping ionen. Het IP is gekoppeld aan een mechanische feedthrough om vertaling naar een nieuw gebied voor elk schot mogelijk te maken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Doelfabricage

LET OP: Figuur 2 en figuur 3 illustreren het fabricageproces van vrijstaande goudfolie.

  1. Achterkant
    1. Gebruik een 250 μm dikke, 100 mm diameter, high-stress silicium wafer in een <100> kristalvorming, aan beide zijden bekleed met siliciumnitride.
    2. Reinig de wafer met aceton gevolgd door isopropanol en droog met stikstof.  Draai vervolgens een laag HMDS om een kleeflaag te vormen volgens de stappen die in tabel 1 zijnbeschreven.
    3. Spin-coat de wafer met een AZ1518 fotoresistische laag volgens de stappen beschreven in tabel 2.
    4. Bak de wafer 1 min op 100 °C en laat hem afkoelen.
    5. Fotolithograaf 1.000 μm x 1.000 μm vierkante openingen onder vacuüm, waardoor de wafer in 1 cyclus van 4 tot 7 seconden wordt blootgesteld aan een 400 nm UV-lamp. De wafer wordt blootgesteld aan een totale fluence van 40 J/cm2. Gebruik een AZ726K-ontwikkelaar om de siliciumnitride en een bad met uitgedroogd water bloot te leggen om het proces te stoppen.
    6. Gebruik Reactive Ion Etcher (RIE) om de siliciumnitride op de plaats van de vierkanten te verwijderen.
    7. Gebruik een N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) bad gedurende 20 minuten om de resterende weerstand en fotoresist te verwijderen, waardoor een replica van het masker op de siliciumnitride laag. Was de wafer onder zoet water en droog met stikstof.
    8. Zink de wafer in een 30%, 90 °C, kaliumhydroxide oplossing om het silicium te etneren door de vierkante openingen. Laat de wafer 40 minuten zakken voor elke 50 μm silicium die moet worden geëtst. Omdat de etssnelheid in het <100> vlak veel hoger is dan in andere, bereikt de kaliumhydroxide de onderste siliciumnitridelaag door de siliciumbult voordat het een significante diepte in het siliciumnitridemasker etst.
  2. Voorzijde
    1. Herhaal voor de voorzijde de stappen 1.1.1–1.1.6 met een masker in de vorm van drie concentrische ringen.
    2. Gebruik RIE om de siliciumnitride te verwijderen waar de ringen zich bevinden, gevolgd door een NMP-bad om resist en fotoresistische restjes te verwijderen.
    3. Tot slot, om de silicium ringen ruw, zinken de wafer in salpeterzuur en in een oplossing van 0,02 M zilvernitraat en 4 M waterstoffluoride.
    4. Gebruik aan de geëtste kant van de wafer een fysieke dampdepositiemachine (PVD)18 om een laag van een paar honderd nanometer goud op een ~10 nm dunne film van lijm titanium, nikkel of chroom te sputteren. De gesputterde gouden laag wordt het vrijstaande membraandoel.

2. Uitlijning

OPMERKING: Figuur 4 toont de instelling van de doelbestraling.

  1. Breng een eerste willekeurig gekozen doel in beeld onder een 100x vergrotingsmicroscoop.
  2. Richt een triangulatie variërend sensor (bijvoorbeeld, MTI / MicroTrak 3 LTS 120-20)19 aan de ruwgemaakte ring het dichtst bij het doel, en het opnemen van de verplaatsing lezing.
    OPMERKING: Het gebruikte sensormodel is niet bedoeld voor toepassingen met een hoog vacuüm. Verschillende modellen, zoals de MTI-2100 van dezelfde leverancier, zijn compatibel met toepassingen met een lage uitloop.
  3. Terwijl u de microscoop op zijn plaats laat, verplaatst u de wafer een bekende afstand om het balkpad vrij te maken.
  4. Met behulp van twee vouwspiegels en de off-axis parabolische spiegel (OAP) lijnt u de straal in laag vermogen uit in het gezichtsveld van de microscoop.
  5. Pas deze drie spiegels aan om astigmatismen in de balk te corrigeren. Het resultaat moet een bijna diffractie-beperkte brandpuntsplek.
  6. Blokkeer de laserstraal en breng het doel terug naar de focus van de microscoop. Valideer de positie met behulp van de microscoop en de lezing van de sensor.
  7. Verplaats de microscoop naar een positie waarin het zal worden beschermd tegen laserlicht en puin.

3. Doorstralingsvolgorde en geautomatiseerde doelpositionering

  1. Implementeer een closed-loop feedback tussen de brandpuntsas manipulator van het doel en de verplaatsing sensor lezen met behulp van software. Gebruik de geregistreerde waarde van protocolstap 2.2 als setpoint. De belangrijkste PID 20-besturingsreeks, bereid met LabView, wordt weergegeven in figuur 5.
  2. Zodra de closed-loop positionering een gewenste tolerantieafstand van het setpoint heeft bereikt, bestraalt u het doel met een enkele laserpuls met een hoog vermogen.
  3. Vertaal het IP met behulp van de mechanische feedthrough naar een nieuwe positie.
  4. Herhaal de bestraling sequentie met het volgende doel gebracht om zich te concentreren door de software.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Dit doel leveringssysteem werd gebruikt om ionen te versnellen vanaf de achterkant van 600 nm dikke goudfolie. Wanneer bestraald met een genormaliseerde laserintensiteit van een0 = 5.6, werden deze ionen versneld door het doel normale schedeversnelling (TNSA) mechanisme21. In TNSA ioniseerde het licht met een lagere intensiteit dat voorafging aan de belangrijkste laserpuls het vooroppervlak van de doelfolie. De nadenkende kracht uitgeoefend door de belangrijkste laserpuls dreef hete elektronen door de bulk materie. Een ladingsscheiding op het achteroppervlak, veroorzaakt door deze elektronen22, creëerde een extreem elektrostatisch verloop dat ionenverontreinigingen in de doel-normale richting versnelde.

Een tijdreeks van de doelverplaatsing langs de brandpuntsas wordt weergegeven in figuur 6. De waarden zijn ten opzichte van het ingestelde punt van de brandpuntspositie. De groene stippen geven aan wanneer de doelverplaatsing zich binnen een tolerantiewaarde van 1 μm van het ingestelde punt bevond; dit is wanneer een laser schot werd genomen.

Figuur 7 toont TPIS-sporen van 14 opeenvolgende bestralingen van 600 nm dikke goudfoliedoelen. Het energiespectrum dat uit deze sporen is afgeleid, is te zien in figuur 8. De piek-tot-piek stabiliteit van de maximale proton energie is binnen 10%.

Figure 1
Figuur 1: Een technische lay-out van de Thomson paraboolionspectrometer. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Een schematische schets van de doelwafel.
De voorzijde, met 300 goudfolie doelen besteld in drie concentrische ringen (links). De achterkant, met ruwgeharde fiduciale ringen geplaatst tussen de doelfolie locaties (rechts). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Een illustratie van het waferfabricageproces. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Een schematische lay-out (links) en foto (rechts) van de interactiekamer. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Target positioning PID LabView code (VI). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: Doelverplaatsing tijdens een shotvolgorde van 20 doelen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 7
Figuur 7: TPIS-sporen van 14 opeenvolgende schoten. De trajecten van ionen en röntgenfoto's die door de TPIS gaan, worden geïllustreerd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 8
Figuur 8: Ionenenergiespectra afgeleid van de 14 sporen in figuur 7. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 9
Figuur 9: Een TPIS-spoor dat is geregistreerd met behulp van een CCD-beeldvorming met een CsI(TI) scintillator. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Stap ν [rps] helling [rps2] Duur [s]
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Tabel 1: Weersta spin coat stappen.

Stap ν [rps] helling [rps2] Duur [s]
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Tabel 2: Photoresist spin coat stappen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bij sommige variaties is het in dit protocol beschreven doelfabricageproces gebruikelijk (bijvoorbeeld Zaffino et al.23). Hier, een unieke stap die van cruciaal belang is voor de werking van automatische positionering is de toevoeging van nanometer-schaal ruwing in ringvormige gebieden op de achterkant van de wafer (stap 1.2.3). Het doel van deze stap is het verhogen van de diffuus verstrooiing van licht incident op de wafer in die gebieden. De variërend sensor schijnt een low-power laserstraal op de wafer, verzamelt het verspreide licht, en bepaalt de verplaatsing door triangulatie.

De hierboven vermelde gegevens werden genomen met een snelheid van één schot per 5 s, waarbij de tariefbeperkende factor de vertaaltijd van het OT is. Hier getoond is een voorlopig resultaat van een eenvoudige, goedkope, online uitlezing methode die de shot duty cyclus zal verhogen. Online uitlezingen zijn traditioneel gemaakt met behulp van microkanaalplaten24 of plastic scintillators25,26. In het laatste geval was een dure, met afbeeldingen geïntensiveerde gated CCD nodig om de relatief lage hoeveelheid scintillatielicht vast te leggen. Het huidige systeem maakt gebruik van een eenvoudiger uitlezing systeem op basis van een ander scintillator materiaal, Csl (Tl), die helder genoeg is om te worden opgenomen met een goedkope, lage dynamische bereik CCD. Deze keuze van scintillator is voorgesteld en besproken door Pappalardo et al.27.

Figuur 9 toont een voorbeeldafbeelding van een TPIS-spoor dat is genomen met een CCD-afbeelding met een laag dynamisch bereik van een Csl(Tl)-sprankelend scherm. Deze sporen werden genomen met een relatief groot diafragma, om een grote hoeveelheid scintillatie licht te produceren. Verder onderzoek is nodig om de optimale instellingen te identificeren in termen van signaal-ruisverhouding en energieresolutie.

De afbeelding in figuur 8 is verkregen met behulp van een 1,6 megapixel camera. Met een snelheid van 10 Hz en een pixeldiepte van 8 bits zou de gegevensstroom ongeveer 130 Mbps bedragen. Deze gegevenssnelheid wordt ondersteund door een USB3- of GigE-communicatie-interface.

De mechanische stabiliteit van een aanvulbaar laserdoelleveringssysteem kan worden aangetast door een hogere leveringssnelheid of door de hogere impact die wordt veroorzaakt door hogere laserpulsen. Tabel 3 bevat een vergelijking tussen dit werk en diverse andere technologieën voor doelbezorging. De prestaties van dit systeem met hogere schotsnelheden en hogere energiepulsen zullen in de nabije toekomst worden onderzocht.

Verwijzing Doeltype Materialen Dikte Herhalingspercentage Laser energie
[6] Tape Mylar 15 μm 0,2 Hz 5 J
[10] Vloeistofblad Ethelyne Glycol 0,4 μm 1 kHz 0,011 J
[11] Waterstofjet H2. 20 μm 1 Hz 600 J
Dit werk Micro-bewerkte Au folie Au 0,6 μm 0,2 Hz 0,5 J

Tabel 3: Vergelijking van verschillende doeltypen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen.

Acknowledgments

Dit werk is ondersteund door de Israel Science Foundation, subsidie nr. We erkennen ook de steun van de Pazy Foundation, Israël grant #27707241, en NSF-BSF subsidie nr. De auteurs willen graag erkennen Tel Aviv University Center for Nanoscience en 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 laser met hoge intensiteit dunne folie bestraling ionenversnelling MeV protonen laserdoelfabricage doelpositionering

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

Geautomatiseerde levering van microfabriceerde doelen voor intense laser bestraling experimenten
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