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Engineering

Entrega automatizada de alvos microfabricados para experimentos intensos de irradiação a laser

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

Um protocolo é apresentado para irradiação automatizada de folhas de ouro finas com pulsos laser de alta intensidade. O protocolo inclui uma descrição passo a passo do processo de fabricação de alvos de micromaquinamento e um guia detalhado de como os alvos são trazidos para o foco do laser a uma taxa de 0,2 Hz.

Abstract

Descrito é um procedimento experimental que permite irradiação a laser de alta potência de alvos microfabricados. Os alvos são trazidos para o foco do laser por um loop de feedback fechado que opera entre o manipulador de alvos e um sensor de alcance. O processo de fabricação alvo é explicado detalhadamente. Resultados representativos de feixes de prótons de nível MeV gerados pela irradiação de folhas de ouro de 600 nm de espessura a uma taxa de 0,2 Hz são dadas. O método é comparado com outros sistemas de destino reabastecidos e são discutidas as perspectivas de aumentar as taxas de tiro para acima de 10 Hz.

Introduction

Irradiação a laser de alta intensidade de alvos sólidos gera múltiplas formas de radiação. Uma delas é a emissão de íons energéticos com energias no Mega electron-volt (MeV) nível1. Uma fonte compacta de íons MeV tem potencial para muitas aplicações, como proton fast-ignition2,radiografia deprótons 3,radioterapia de íon4e geração de nêutrons5.

Um grande desafio em tornar a aceleração de íons a laser prática é a capacidade de posicionar alvos de escala de micrômetros com precisão dentro do foco do laser a uma taxa alta. Poucas tecnologias de entrega de alvos foram desenvolvidas para responder a esse desafio. Os mais comuns são sistemas de destino baseados em fitas grossas em escala de micrômetros. Estes alvos são simples de repor e podem ser facilmente posicionados dentro do foco do laser. O alvo da fita foi feito usando fitas VHS6, cobre7,Mylar e Kapton8. O sistema de acionamento de fita normalmente consiste em dois carretéis motorizados para enrolar e desenrolar e dois pinos verticais colocados entre eles para manter a fita na posição9. A precisão no posicionamento da superfície da fita é tipicamente menor do que a gama Rayleigh do feixe de foco. Outro tipo de alvo laser reabastecido são as folhas líquidas10. Esses alvos são entregues rapidamente à região de interação e introduzem uma quantidade muito baixa de detritos. Este sistema compreende uma bomba de seringa de alta pressão continuamente fornecida com líquido de um reservatório. Recentemente, novos jatos de hidrogênio criogênicos11 foram estabelecidos como meios para entregar ultrathin, baixos detritos, alvos reabastecidos.

A principal desvantagem de todos esses sistemas de destino reabastecidos é a escolha limitada de materiais-alvo e geometrias, que são ditadas por requisitos mecânicos como força, viscosidade e temperatura de fusão.

Aqui, é descrito um sistema capaz de trazer alvos micromaquinados ao foco de um laser de alta intensidade a uma taxa de 0,2 Hz. A micromaquinção oferece uma ampla variedade de materiais-alvo em geometrias versáteis12. O posicionamento de destino é realizado por um feedback em loop fechado entre um sensor de deslocamento comercial e um manipulador motorizado.

O sistema de entrega de alvos foi testado usando um sistema laser de alto contraste, de 20 TW, que fornece pulsos laser de 25 fs-longos com 500 mJ no alvo. Uma revisão da arquitetura do sistema laser é dada em Porat et al.13, e uma descrição técnica do sistema de destino é dada em Gershuni et al.14. Este artigo apresenta um método detalhado para fazer e usar este tipo de sistema e mostra resultados representativos de aceleração de íons a laser a partir de alvos de folha de ouro ultrathin.

O espectrômetro de íons Thomson Parabola (TPIS)15,16 mostrado na Figura 1 foi usado para registrar os espectros de energia dos íons emitidos. Em um TPIS, íons acelerados passam por campos elétricos e magnéticos paralelos, o que os coloca em trajetórias parabólicas no plano focal. A curvatura parabólica depende da relação carga-massa do íon, e a localização ao longo da trajetória é definida pela energia do íon.

Uma placa de imagem BAS-TR (IP)17 posicionada no plano focal do TPIS registra os íons impingidos. O IP é anexado a um feed-alimentação mecânico para permitir a tradução para uma área nova antes de cada tiro.

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Protocol

1. Fabricação de alvo

NOTA: As figuras 2 e a figura 3 ilustram o processo de fabricação de folhas de ouro autônomas.

  1. Lado de trás
    1. Use um wafer de silício de 250 μm de espessura, 100 mm de diâmetro e alto estresse em uma formação de cristal <100> revestida em ambos os lados com nitreto de silício.
    2. Limpe o wafer usando acetona seguido de isopropanol e seque com nitrogênio.  Em seguida, gire uma camada de HMDS para formar uma camada adesiva seguindo os passos descritos na Tabela 1.
    3. Gire o wafer com uma camada fotoresista AZ1518 seguindo os passos descritos na Tabela 2.
    4. Asse o wafer a 100 °C por 1 min, depois deixe esfriar.
    5. Fotolitógrafo 1.000 μm x 1.000 μm aberturas quadradas sob vácuo, expondo o wafer em 1 ciclo de 4 a 7 segundos para uma lâmpada UV de 400 nm. O wafer é exposto a uma fluência global de 40 J/cm2. Use um desenvolvedor AZ726K para expor o nitreto de silício e um banho de água desidratada para interromper o processo.
    6. Use Ion Etcher (RIE) reativa para remover o nitreto de silício na localização dos quadrados.
    7. Use um banho N-metil-2-pyrrolidone (NMP) por 20 minutos para remover a resistência residual e fotoresist, produzindo uma réplica da máscara na camada de nitreto de silício. Lave o wafer sob água doce e seque com nitrogênio.
    8. Afunde o wafer em uma solução de hidróxido de potássio de 30%, 90 °C, para gravar o silício através das aberturas quadradas. Afunde o wafer por 40 minutos para cada 50 μm de silício que precisa ser gravado. Como a taxa de etch no plano <100> é muito maior do que em outros, o hidróxido de potássio atinge a camada inferior de nitreto de silício através do volume de silício antes de gravar qualquer profundidade significativa na máscara de nitreto de silício.
  2. Lado frontal
    1. Para o lado frontal, repita as etapas 1.1.1-1.1.6 com uma máscara moldada como três anéis concêntricos.
    2. Use o RIE para remover o nitreto de silício onde os anéis estão localizados, seguido de um banho NMP para remover as sobras de resistência e fotoresist.
    3. Finalmente, para endurecer os anéis de silício, afunde o wafer em ácido nítrico e em uma solução de 0,02 M de nitrato de prata e flúor de hidrogênio de 4 M.
    4. No lado gravado do wafer, use uma máquina de deposição de vapor físico (PVD)18 para sputter uma camada de algumas centenas de nanômetros de ouro em cima de uma película fina de ~10 nm de titânio adesivo, níquel ou cromo. A camada de ouro sputtered se tornará o alvo de membrana independente.

2. Alinhamento

NOTA: A Figura 4 mostra a configuração de irradiação de destino.

  1. Traga um primeiro alvo arbitrariamente escolhido em vista sob um microscópio de ampliação de 100x.
  2. Aponte um sensor de triangulação (por exemplo, MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)19 para o anel acidentado mais próximo do alvo, e regissu sua leitura de deslocamento.
    NOTA: O modelo de sensor de alcance utilizado não se destina a aplicações de alto vácuo. Modelos diferentes, como o MTI-2100 do mesmo fornecedor, são compatíveis com aplicativos de baixagasagem.
  3. Ao deixar o microscópio no lugar, mova o wafer para longe a uma distância conhecida para limpar o caminho do feixe.
  4. Usando dois espelhos dobráveis e o espelho parabólico fora do eixo (OAP), alinhe o feixe em baixa potência no campo de visão do microscópio.
  5. Ajuste esses três espelhos para corrigir astigmatismos na viga. O resultado deve ser um ponto focal quase difracionável.
  6. Bloqueie o raio laser e traga o alvo de volta ao foco do microscópio. Valide sua posição usando o microscópio e a leitura do sensor de alcance.
  7. Mova o microscópio para uma posição na qual ele será mantido seguro contra luz laser e detritos.

3. Sequência de irradiação e posicionamento de alvo automatizado

  1. Implemente um feedback em loop fechado entre o manipulador do eixo focal do alvo e a leitura do sensor de deslocamento usando software. Use o valor registrado da etapa 2.2 do protocolo como ponto de setpoint. A sequência de controle principal do PID20, preparada com o LabView, é mostrada na Figura 5.
  2. Uma vez que o posicionamento em loop fechado tenha atingido uma distância de tolerância desejada do setpoint, irradie o alvo com um único pulso laser de alta potência.
  3. Traduza o IP usando o feed mecânico através de uma nova posição.
  4. Repita a sequência de irradiação com o próximo alvo trazido para o foco pelo software.

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Representative Results

Este sistema de entrega de alvos foi empregado para acelerar íons do lado de trás de 600 nm de folhas de ouro de espessura. Quando irradiados com uma intensidade laser normalizada de0 = 5,6, esses íons foram acelerados pelo mecanismo de aceleração da baia normal alvo (TNSA)21. No TNSA, a luz de menor intensidade que precedeu o pulso laser principal ionizou a superfície frontal da folha de alvo. A força ponderomotiva exercida pelo pulso laser principal levou elétrons quentes através da matéria a granel. Uma separação de carga na superfície traseira, induzida por esses elétrons22,criou um gradiente eletrostático extremo que acelerou os contaminantes de íons na direção normal do alvo.

Uma série temporal do deslocamento do alvo ao longo do eixo focal é mostrada na Figura 6. Os valores são relativos ao setpoint de posição focal. Os pontos verdes indicam quando o deslocamento do alvo estava dentro de um valor de tolerância de 1 μm do ponto de configuração; foi quando um tiro a laser foi disparado.

A Figura 7 mostra traços TPIS de 14 irradiações consecutivas de alvos de folha de ouro de 600 nm de espessura. O espectro energético derivado desses traços é mostrado na Figura 8. A estabilidade máxima da energia máxima de prótons está dentro de 10%.

Figure 1
Figura 1: Um layout técnico do espectrômetro de íons thomson parabola. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Um esboço de esquemas do wafer alvo.
O lado frontal, mostrando 300 alvos de folha de ouro ordenados em três anéis concêntricos (esquerda). A parte de trás, mostrando anéis fiduciais ásperos posicionados entre os locais de folha de alvo (à direita). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Uma ilustração do processo de fabricação de wafer. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Um layout esquemático (esquerda) e foto (direita) da câmara de interação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: Posicionamento de destino código PID LabView (VI). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: Deslocamento do alvo durante uma sequência de tiro de 20 alvos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: TPIS rastreia 14 tiros consecutivos. As trajetórias de íons e raios-X que passam pelo TPIS são ilustradas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 8
Figura 8: Espectro de energia íon derivado dos 14 traços mostrados na Figura 7. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 9
Figura 9: Um traço de TPIS registrado usando uma imagem CCD de baixa gama dinâmica de um cintilante CsI (TI). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Passo ν [rps] rampa [rps2] Duração [s]
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Tabela 1: Resista aos degraus do revestimento de giro.

Passo ν [rps] rampa [rps2] Duração [s]
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Tabela 2: Passos de spin coat fotoresist.

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Discussion

Com algumas variações, o processo de fabricação de destino descrito neste protocolo é comum (por exemplo, Zaffino et al.23). Aqui, um passo único que é fundamental para o funcionamento do posicionamento automático é a adição de rugosidade em escala de nanômetros em áreas em forma de anel na parte de trás do wafer (passo 1.2.3). O objetivo desta etapa é aumentar a dispersão difusa de incidentes leves no wafer nessas áreas. O sensor de alcance brilha um raio laser de baixa potência no wafer, coleta a luz dispersa e determina seu deslocamento por triangulação.

Os dados acima apresentados foram tomados a uma taxa de um tiro por 5 s, com o fator limitante da taxa sendo o tempo de tradução do IP. Mostrado aqui é um resultado preliminar de um método de leitura on-line simples, barato e on-line que aumentará o ciclo de serviço de tiro. Leituras online têm sido tradicionalmente feitas usando placas microcanais24 ou cintiladores plásticos25,26. Neste último caso, um CCD fechado caro e intensificado por imagem foi necessário para registrar a quantidade relativamente baixa de luz de cintilação. O sistema atual usa um sistema de leitura mais simples baseado em um material cintilante diferente, Csl(Tl), que é brilhante o suficiente para ser gravado com um CCD de baixo alcance dinâmico e barato. Esta escolha do cintilador foi sugerida e discutida por Pappalardo et al.27.

A Figura 9 mostra uma imagem amostral de um traço TPIS tirada com uma imagem CCD de baixo alcance dinâmico de uma tela cintilante Csl (Tl). Estes traços foram tomados com uma abertura relativamente grande, para produzir uma alta quantidade de luz de cintilação. É necessário um estudo mais aprofundado para identificar as configurações ideais em termos de relação sinal-ruído e resolução de energia.

A imagem mostrada na Figura 8 foi adquirida usando uma câmera de 1,6 megapixels. A uma taxa de 10 Hz e profundidade de pixel de 8 bits, o fluxo de dados equivaleria a cerca de 130 Mbps. Essa taxa de dados é suportada por uma interface de comunicação USB3 ou GigE.

A estabilidade mecânica de qualquer sistema de entrega de alvos a laser reabastecido pode ser comprometida por uma taxa de entrega mais alta ou pelo maior impacto induzido por pulsos de laser de maior energia. A Tabela 3 apresenta uma comparação entre este trabalho e várias outras tecnologias de entrega de alvos. O desempenho deste sistema em taxas de tiro mais altas e pulsos de energia mais altos serão investigados em um futuro próximo.

Referência Tipo de destino Materiais Espessura Taxa de Repetição Energia laser
[6] Fita Mylar 15 μm 0,2 Hz 5 J
[10] Folha líquida Ethelyne Glycol 0,4 μm 1 kHz 0.011 J
[11] Jato de hidrogênio H2 20 μm 1 Hz 600 J
Este trabalho Folha de Au micro-usinada Au 0,6 μm 0,2 Hz 0.5 J

Tabela 3: Comparação de diferentes tipos de destino.

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Disclosures

Os autores não têm interesses financeiros concorrentes.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado pela Israel Science Foundation, pelo Grant Nº 1135/15 e pelo Zuckerman STEM Leadership Program, Israel, que são reconhecidos com gratidão. Também reconhecemos o apoio da Fundação Pazy, da concessão de Israel #27707241 e da bolsa NSF-BSF ns1025495. Os autores gostariam gentilmente de reconhecer o Centro Universitário de Nanociência e Nanotecnolog da Universidade de Tel Aviv

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

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References

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Engenharia Edição 167 laser de alta intensidade irradiação de papel alumínio fina aceleração de íons prótons de MeV fabricação de alvo a laser posicionamento de alvo

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

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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).

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