Waiting
Login processing...

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

Engineering

Automatisert levering av mikrofabrikkerte mål for intense laserbereddingseksperimenter

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

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Målfabrikasjon

MERK: Figur 2 og figur 3 illustrerer fabrikasjonsprosessen med frittstående gullfolie.

  1. Baksiden
    1. Bruk en 250 μm tykk, 100 mm diameter, høystresset silisiumwafer i en <100> krystallformasjon, belagt på begge sider med silisiumnitr.
    2. Rengjør wafer ved hjelp av aceton etterfulgt av isopropanol og tørk med nitrogen.  Spinn deretter et lag med HMDS for å danne et klebende lag etter trinnene som er beskrevet i tabell 1.
    3. Spin-coat wafer med et AZ1518 fotoresist lag ved å følge trinnene som er skissert i tabell 2.
    4. Stek wafer ved 100 °C i 1 min, og la den avkjøles.
    5. Fotolitografi 1000 μm x 1000 μm firkantede åpninger under vakuum, og eksponerer waferen i 1 syklus på 4 til 7 sekunder til en 400 nm UV-lampe. Wafer er utsatt for en generell flyt på 40 J/cm2. Bruk en AZ726K-utvikler til å eksponere silisiumnitridet, og et bad med dehydrert vann for å stoppe prosessen.
    6. Bruk Reaktiv Ion Etcher (RIE) til å fjerne silisiumnitrinet på plasseringen av rutene.
    7. Bruk et N-metyl-2-pyrrolidon (NMP) bad i 20 min for å fjerne rester motstå og fotoresist, produsere en kopi av masken på silisium nitrid laget. Vask waferen under ferskvann og tørk med nitrogen.
    8. Senk waferen i en 30%, 90 °C, kaliumhydroksidløsning for å etse silisiumet gjennom de firkantede åpningene. Senk waferen i 40 min for hver 50 μm silisium som må etset. Fordi etshastigheten i <100> flyet er mye høyere enn i andre, når kaliumhydroksid det nederste silisiumnitridlaget gjennom silisiumbulkdelen før etsing av noen betydelig dybde i silisiumnitridmasken.
  2. Forsiden
    1. Gjenta trinn 1.1.1-1.1.1.6 for forsiden med en maske formet som tre konsentriske ringer.
    2. Bruk RIE til å fjerne silisiumnitrinen der ringene er plassert, etterfulgt av et NMP-bad for å fjerne resist og fotoresistreturer.
    3. Til slutt, for å grove silisiumringene, senk waferen i salpetersyre og i en løsning på 0,02 M sølvnitrat og 4 M hydrogenfluorid.
    4. På etset side av wafer, bruk en fysisk damp deponering maskin (PVD)18 å sputter et lag på noen hundre nanometer gull på toppen av en ~ 10 nm tynn film av lim titan, nikkel, eller krom. Det sputtered gulllaget vil bli det frittstående membranmålet.

2. Justering

MERK: Figur 4 viser oppsettet for målstråling.

  1. Ta med et første vilkårlig valgt mål til syne under et 100x forstørrelsesmikroskop.
  2. Pek en trianguleringssensor (f.eks. MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)19 til den rude ringen nærmest målet, og registrer forskyvningsavlesningen.
    MERK: Den brukte sensormodellen som brukes, er ikke beregnet for høyvakuumapplikasjoner. Ulike modeller, som MTI-2100 fra samme leverandør, er kompatible med lav-outgassing applikasjoner.
  3. Mens du forlater mikroskopet på plass, flytt wafer bort en kjent avstand for å fjerne strålebanen.
  4. Bruk to sammenleggbare speil og det parabolske speilet (OAP) (off-axis) til å justere strålen i lav effekt inn i mikroskopets synsfelt.
  5. Juster disse tre speilene for å korrigere astigmatisms i strålen. Resultatet skal være et nesten vanskelig begrenset fokuspunkt.
  6. Blokker laserstrålen og bring målet tilbake til mikroskopets fokus. Valider posisjonen ved hjelp av mikroskopet og den altgående sensorens avlesning.
  7. Flytt mikroskopet til en posisjon der det vil bli holdt trygt mot laserlys og rusk.

3. Bestrålingssekvens og automatisert målposisjonering

  1. Implementer en lukket sløyfetilbakemelding mellom fokalaksemanipulatoren til målet og forskyvningssensoravlesningen ved hjelp av programvare. Bruk den registrerte verdien fra protokolltrinn 2.2 som settpunkt. Den viktigste PID20-kontrollsekvensen, utarbeidet med LabView, vises i figur 5.
  2. Når lukket sløyfe posisjonering har nådd en ønsket toleranse avstand fra settpunktet, bestråle målet med en enkelt høy effekt laserpuls.
  3. Oversett IP ved hjelp av mekanisk gjennommating til en ny posisjon.
  4. Gjenta bestrålingssekvensen med neste mål brakt til fokus av programvaren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Dette målet leveringssystemet ble brukt til å akselerere ioner fra baksiden av 600 nm tykke gull folier. Når bestrålt med en normalisert laserintensitet påen 0 = 5,6, disse ionene ble akselerert av målet normal skjede akselerasjon (TNSA)mekanisme 21. I TNSA, lavere intensitet lys som gikk forut for den viktigste laserpuls ionized den fremre overflaten av målet folie. Den ponderomotive kraften utøves av hovedlaserpulsen kjørte varme elektroner gjennom bulkmaterialet. En ladeseparasjon på baksiden, indusert av disseelektronene 22,skapte en ekstrem elektrostatisk gradient som akselererte iminensforurensninger i mål normal retning.

En tidsserie av målforskyvningen langs fokalaksen er vist i figur 6. Verdiene er i forhold til fokusposisjonssettpunktet. De grønne prikkene indikerer når målforskyvningen var innenfor en toleranseverdi på 1 μm fra settpunktet; Dette er når et laserskudd ble tatt.

Figur 7 viser TPIS-spor fra 14 påfølgende bestrålinger på 600 nm tykke gullfoliemål. Energispekteret avledet fra disse sporene er vist i figur 8. Topp-til-topp stabiliteten av maksimal proton energi er innen 10%.

Figure 1
Figur 1: En teknisk layout av Thomson parabola ion spektrometer. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: En skjemaskisse av målet wafer.
Forsiden, som viser 300 gullfolie mål bestilt i tre konsentriske ringer (venstre). Baksiden, viser rude fiducial ringer plassert mellom målet folie steder (høyre). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: En illustrasjon av wafer fabrikasjonsprosessen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Et skjematisk oppsett (venstre) og bilde (høyre) av interaksjonskammeret. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Målposisjonering av PID LabView-kode (VI). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Målforskyvning under en skuddsekvens på 20 mål. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: TPIS spor fra 14 påfølgende skudd. Banene til ioner og røntgenstråler som passerer gjennom TPIS er illustrert. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 8
Figur 8: Ion energispektra avledet fra de 14 sporene som er vist i figur 7. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 9
Figur 9: En TPIS-sporing registrert ved hjelp av et ccd-bilde av lavt dynamisk område av en CsI(TI)-scintillator. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Trinn ν [rps] rampe [rps2] Varighet [s]
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Tabell 1: Motstå trinn i spin coat.

Trinn ν [rps] rampe [rps2] Varighet [s]
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Tabell 2: Fotoresist spin coat trinn.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 bestemmer dens forskyvning ved triangulering.

Dataene som vises ovenfor ble tatt med en hastighet på ett skudd per 5 s, med den hastighetsbegrensende faktoren som oversettelsestiden for IP. Vist her er et foreløpig resultat av en enkel, billig, online avlesningsmetode som vil øke skuddavgiftssyklusen. Online avlesninger har blitt tradisjonelt laget ved hjelp av enten mikrokanalplater24 eller plast scintillators25,26. I sistnevnte tilfelle var det nødvendig med en dyr, bilde intensivert inngjerdet CCD for å registrere den relativt lave mengden scintillasjonslys. Det nåværende systemet bruker et enklere avlesningssystem basert på et annet scintillatormateriale, Csl (Tl), som er lys nok til å bli registrert med et billig, lavt dynamisk område CCD. Dette valget av scintillator har blitt foreslått og diskutert av Pappalardo et al.27.

Figur 9 viser et eksempelbilde av et TPIS-spor tatt med et CCD-bilde med lavt dynamisk område av en Csl(Tl) scintillating-skjerm. Disse sporene ble tatt med en relativt stor blenderåpning, for å produsere en høy mengde scintillasjonslys. Videre studier er nødvendig for å identifisere de optimale innstillingene når det gjelder signal-til-støy-forhold og energioppløsning.

Bildet som vises i Figur 8 ble kjøpt opp ved hjelp av et kamera på 1,6 megapiksler. Med en hastighet på 10 Hz og 8-biters pikseldybde vil datastrømmen utgjøre omtrent 130 Mbps. Denne datahastigheten støttes av enten et USB3- eller GigE-kommunikasjonsgrensesnitt.

Den mekaniske stabiliteten til et etterfyllbart lasermålleveringssystem kan bli kompromittert av en høyere leveringshastighet eller av høyere innvirkning forårsaket av høyere energi laserpulser. Tabell 3 presenterer en sammenligning mellom dette arbeidet og ulike andre målleveringsteknologier. Ytelsen til dette systemet med høyere skuddhastigheter og høyere energipulser vil bli undersøkt i nær fremtid.

Referanse Måltype Materialer Tykkelse Repetisjon sats Laser energi
[6] Tape Mylar 15 μm 0,2 Hz 5.5 Andre
[10] Flytende ark Ethelyne Glycol 0,4 μm 1 kHz 0.011 J
[11] Hydrogen Jet H2 (andre) 20 μm 1 Hz 600 J
Dette arbeidet Mikro-maskinert Au folie Au 0,6 μm 0,2 Hz 0.5 J

Tabell 3: Sammenligning av ulike måltyper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen konkurrerende økonomiske interesser.

Acknowledgments

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

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 høy intensitet laser tynn folie bestråling ion akselerasjon MeV protoner laser mål fabrikasjon mål posisjonering

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

Automatisert levering av mikrofabrikkerte mål for intense laserbereddingseksperimenter
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