Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Yoğun Lazer Işınlama Deneyleri için Mikrofabrikasi Hedeflerin Otomatik Teslimi

4K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/61056

⸱

28 Ocak 2021

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University, 2Tel Aviv University Center for Light-Matter Interaction

Bu makalede

Düzeltme bildirimi

Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice

Özet

Yüksek yoğunluklu lazer darbeleri ile ince altın folyo otomatik ışınlama için bir protokol sunulmaktadır. Protokol, mikroişleme hedef üretim sürecinin adım adım tanımını ve hedeflerin lazerin odak noktasının 0,2 Hz hızında nasıl sunulduğuna yönelik ayrıntılı bir kılavuz içerir.

Özet

Açıklanan mikrofabrikasyon hedeflerin yüksek güçlü lazer ışınlama sağlayan deneysel bir prosedürdür. Hedefler, hedef manipülatör ve değişen bir sensör arasında çalışan kapalı bir geri besleme döngüsü ile lazer odağına getirilir. Hedef üretim süreci ayrıntılı olarak açıklanmıştır. 0,2 Hz oranında 600 nm kalınlığında altın folyoışınla üretilen MeV seviyesindeki proton ışınlarının temsili sonuçları verilir. Yöntem diğer doldurulabilir hedef sistemleri ile karşılaştırıldığında ve 10 Hz üzerinde çekim oranları artan umutları tartışılmaktadır.

Giriş

Katı hedeflerin yüksek yoğunluklu lazer ışınlaması birden fazla radyasyon formu oluşturur. Bunlardan biri mega elektron-volt (MeV) düzeyinde enerjileri ile enerjili iyonların emisyon1. MeV iyonlarının kompakt bir kaynağı proton hızlı ateşleme2, proton radyografi3, iyon radyoterapi4, ve nötron üretimi5gibi birçok uygulama için potansiyele sahiptir.

Lazer-iyon ivmesini pratik hale getirmede en önemli zorluk, mikrometre ölçeğindeki hedefleri lazerin odağında yüksek oranda doğru bir şekilde konumlandırma yeteneğidir. Bu zorluğu cevaplamak için çok az hedef dağıtım teknolojisi geliştirilmiştir. En yaygın mikrometre ölçekli kalın bantlar dayalı hedef sistemleridir. Bu hedeflerin doldurulması kolaydır ve lazerin odağına kolayca yerlesin. Teyp hedef VHS6kullanılarak yapılmıştır, bakır7, Mylar, ve Kapton8 bantlar. Teyp tahrik sistemi genellikle sarma ve gevşeme için iki motorlu makaralar ve iki dikey pimleri9pozisyonunda bant tutmak için aralarında yerleştirilen oluşur. Bant yüzeyinin konumlandırılmasındaki doğruluk genellikle odaklama ışınının Rayleigh aralığından daha azdır. Yenilenebilir lazer hedef başka bir türü sıvı levhalar10olduğunu. Bu hedefler etkileşim bölgesine hızla iletilir ve çok düşük miktarda enkaz ortaya çıkarmak. Bu sistem sürekli bir rezervuar sıvı ile birlikte yüksek basınçlı şırınga pompası oluşur. Son zamanlarda, yeni kriyojenik hidrojen jetleri11 ultraince, düşük enkaz, doldurulabilir hedefler sunmak için araç olarak kurulmuştur.

Tüm bu doldurulabilir hedef sistemlerin in ana dezavantajı, mukavemet, viskozite ve erime sıcaklığı gibi mekanik gereksinimler tarafından dikte hedef malzeme ve geometriler, sınırlı seçimdir.

Burada mikroişlenmiş hedefleri 0.2 Hz oranında yüksek yoğunluklu bir lazerin odağına getirebilen bir sistem tanımlanmaktadır. Micromachining çok yönlü geometriler12hedef malzemelerin geniş bir seçenek sunuyor. Hedef konumlandırma, ticari bir yer değiştirme sensörü ile motorlu manipülatör arasında kapalı döngü geri beslemesi ile gerçekleştirilir.

Hedef dağıtım sistemi, hedefte 500 mJ ile 25 fs uzunluğunda lazer darbeleri sağlayan yüksek kontrastlı 20 TW lazer sistemi kullanılarak test edilmiştir. Lazer sisteminin mimarisinin gözden geçirilmesi Porat ve ark.13'te,ve hedef sistemin teknik bir tanımı Gershuni ve ark.14'teverilmiştir. Bu kağıt, bu tür bir sistemin yapımı ve kullanımı için ayrıntılı bir yöntem sunar ve ultra ince altın folyo hedeflerinden lazer-iyon ivmesinin temsili sonuçlarını gösterir.

Thomson Parabola iyon spektrometresi (TPIS)15,Şekil 1'de gösterilen16 yayılan iyonların enerji spektrumlarını kaydetmek için kullanılmıştır. Bir TPIS'de, hızlandırılmış iyonlar paralel elektrik ve manyetik alanlardan geçer ler ve bu da onları odak düzlemindeki parabolik yörüngelere yerleştirir. Parabolik eğrilik iyonun yük-kütle oranına bağlıdır ve yörünge boyunca yer iyonun enerjisi tarafından ayarlanır.

TPIS'nin odak düzleminde konumlandırılmış bir BAS-TR görüntüleme plakası (IP)17 impinging iyonlarını kaydeder. IP, her çekimden önce yeni bir alana çeviri sağlamak için mekanik bir beslemeye bağlıdır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. Hedef imalat

NOT: Şekil 2 ve Şekil 3, bağımsız altın folyoların üretim sürecini göstermektedir.

  1. Arka Taraf
    1. 250 μm kalınlığında, 100 mm çapında, yüksek gerilimsilikon gofret bir <100> kristal oluşumu, silikon nitrür ile her iki tarafta kaplı kullanın.
    2. Aseton kullanarak gofret ve ardından izopropanol ve azot ile kuru temizleyin.  Daha sonra tablo 1'deözetlenen adımları izleyerek yapışkan bir tabaka oluşturmak için HMDS bir tabaka spin.
    3. Tablo 2'debelirtilen adımları izleyerek AZ1518 fotodirenç tabakası ile gofret spin-coat.
    4. 1 00 °C'de gofret pişirin 1 dakika, sonra soğumaya bırakın.
    5. Fotolitograf 1.000 μm x 1.000 μm kare vakum altında açıklıklar, 400 nm UV lamba için 4 ila 7 saniye 1 döngüsü nde gofret açığa. Gofret 40 J/cm2'likgenel bir fluence maruz kalır. Silikon nitrür ortaya çıkarmak için bir AZ726K geliştirici kullanın, ve süreci durdurmak için susuz su banyosu.
    6. Karelerin konumundaki silikon nitrürleri çıkarmak için Reaktif Ion Etcher (RIE) kullanın.
    7. Silikon nitrür tabakasıüzerinde maskenin bir kopyasını üreten, artık direnç ve fotodirenç kaldırmak için 20 dakika için bir N-metil-2-pyrrolidone (NMP) banyo kullanın. Gofret tatlı su altında yıkayın ve azot ile kuru.
    8. Gofreti %30, 90 °C, potasyum hidroksit çözeltisi şeklinde batırın ve silikonu kare açıklıklardan geçirin. Kazınması gereken her 50 μm silikon için 40 dk gofret batırın. <100> düzlemdeki etch oranı diğerlerinden çok daha yüksek olduğundan, potasyum hidroksit silikon nitrür maskesinde önemli bir derinlik tesbit etmeden önce silikon kütlesi ile alt silikon nitrür tabakasına ulaşır.
  2. Ön Taraf
    1. Ön taraf için, üç eşmerkezli halka şeklinde bir maske ile 1.1.1-1.1.6 adımlarını tekrarlayın.
    2. Halkaların bulunduğu silikon nitrürü çıkarmak için RIE'yi kullanın ve ardından direnç ve fotodirenç artıklarını kaldırmak için nmp banyosu kullanın.
    3. Son olarak, silikon halkaları pürüzlüleştirmek için, nitrik asit ve 0.02 M gümüş nitrat ve 4 M hidrojen florür bir çözelti içinde gofret lavabo.
    4. Gofret kazınt tarafında, yapışkan titanyum, nikel veya krom ~ 10 nm ince film üstüne altın birkaç yüz nanometre bir tabaka püskürtmek için fiziksel bir buhar biriktirme makinesi (PVD)18 kullanın. Püskürtülen altın tabaka bağımsız membran hedef haline gelecektir.

2. Hizalama

NOT: Şekil 4 hedef ışınlama kurulumunu gösterir.

  1. 100x büyütme mikroskobu altında rasgele seçilen ilk hedefi ortaya getirin.
  2. Bir nirengi değişen sensörü (örneğin, MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)19 hedefe en yakın pürüzlü halkaya işaretleyin ve yer değiştirme okumasını kaydedin.
    NOT: Kullanılan değişen sensör modeli yüksek vakum uygulamaları için tasarlanmamıştır. Aynı satıcıdan Gelen MTI-2100 gibi farklı modeller, düşük gaz giderici uygulamalarla uyumludur.
  3. Mikroskobu yerinde bırakırken, ışın yolunu temizlemek için gofretini bilinen bir mesafeyi uzaklaştırın.
  4. İki katlanabilir ayna ve eksen dışı parabolik ayna (OAP) kullanarak, kirişi düşük güçte mikroskobun görüş alanına hizalayarak hizalar.
  5. Işındaki astigmatizmaları düzeltmek için bu üç aynayı ayarlayın. Sonuç neredeyse kırınım sınırlı odak noktası olmalıdır.
  6. Lazer ışınını engelleyin ve hedefi mikroskobun odağına geri getirin. Mikroskop ve değişen sensörün okumasını kullanarak konumunu doğrulayın.
  7. Mikroskobu lazer ışığı ve enkazdan korunacak bir konuma taşıyın.

3. Işınlama sırası ve otomatik hedef konumlandırma

  1. Hedefin odak ekseni manipülatörü ile yazılım kullanarak yer değiştirme sensörü okuması arasında kapalı döngü geri bildirimi uygulayın. Protokol adımı 2.2'den kaydedilen değeri ayar noktası olarak kullanın. LabView ile hazırlanan ana PID20 kontrol dizisi Şekil 5'tegösterilmiştir.
  2. Kapalı devre konumlandırma ayar noktasından istenilen tolerans mesafesine ulaştığında, hedefi tek bir yüksek güçlü lazer darbesi ile ışınlayın.
  3. Mekanik beslemeyi kullanarak IP'yi yeni bir konuma çevirin.
  4. Işınlama sırasını, yazılım tarafından odaklanmak üzere getirilen bir sonraki hedefle tekrarlayın.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Bu hedef dağıtım sistemi 600 nm kalınlığında altın folyo arka tarafında iyonları hızlandırmak için kullanılmıştır. 0 = 5.6 normalleştirilmiş lazer yoğunluğu ile ışınlandığında, bu iyonlar hedef normal kılıf ivmesi (TNSA) mekanizması21ile hızlandırıldı. TNSA'de, ana lazer darbeden önceki düşük yoğunluklu ışık hedef folyonun ön yüzeyini iyonize etti. Ana lazer darbesitarafından uygulanan ponderomotive kuvvet, sıcak elektronları dökme maddeye sürükledi. Bu elektronlar tarafından indüklenen...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Bazı varyasyonlarda, bu protokolde açıklanan hedef üretim süreci yaygındır (örneğin, Zaffino ve ark.23). Burada, otomatik konumlandırma nın çalışması için kritik olan benzersiz bir adım, gofretin arka tarafında ki halka şeklindeki alanlarda nanometre ölçekli pürüzlemenin eklenmesidir (adım 1.2.3). Bu adımın amacı, bu alanlarda gofret üzerinde ışık olayı dağınık saçılma artırmaktır. Değişen sensör gofret üzerinde düşük güçlü bir lazer ışını parlar, dağınık ışık toplar, ve nirengi ile yerinden belir...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların rakip finansal çıkarları yok.

Teşekkürler

Bu çalışma İsrail Bilim Vakfı, hibe No 1135/15 ve Zuckerman STEM Liderlik Programı, İsrail, minnettarlıkla kabul tarafından desteklenmiştir. Ayrıca Pazy Vakfı, İsrail hibe #27707241 ve NSF-BSF hibe No. 01025495 desteğini kabul ediyoruz. Yazarlar lütfen Nanobilim ve Nanotechnolog Için Tel Aviv Üniversitesi Merkezi kabul etmek istiyorum

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
76,2 x 127 mm EFL 90 derece; Korumalı Altın 100Å Eksen Dışı Parabolik AynaEdmund optik35-535
MicroTrak 3 LTS 120-20MTI Instruments
800 nm Thorlabsdielektrik
için ultra hızlı yüksek güçlü aynalar

Kaynaklar

  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Düzeltme


Formal Correction: Erratum: Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments
Posted by JoVE Editors on 4/16/2021. 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

Etiketler

Hedef retimiKapal D ng Geri BeslemeProton Demeti H zland rmaReaktif yon A nd rmaFiziksel Buhar BiriktirmeTriyang lasyon Mesafe l m Sens rThomson Parabola SpektrometresiY ksek G l Lazer
Yoğun Lazer Işınlama Deneyleri için Mikrofabrikasi Hedeflerin Otomatik Teslimi
Bize ulaşın
Kütüphaneye tavsiye et

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Telif hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.