Automatiseret levering af mikrofabrikerede mål for intense laserbestrålingsforsøg
Summary
En protokol præsenteres for automatiseret bestråling af tynde guldfolie med høj intensitet laserimpulser. Protokollen indeholder en trinvis beskrivelse af mikromaskiner mål fabrikation proces og en detaljeret vejledning for, hvordan mål er bragt til laser fokus med en hastighed på 0,2 Hz.
Abstract
Beskrevet er en eksperimentel procedure, der muliggør højeffekt laserbestråling af mikrofabrikerede mål. Mål bringes til laserfokus af en lukket feedback loop, der opererer mellem målet manipulator og en ligelig sensor. Målfabrikationsprocessen forklares i detaljer. Repræsentative resultater af protonstråler på MeV-niveau, der dannes ved bestråling af 600 nm tykke guldfolier med en hastighed på 0,2 Hz. Metoden sammenlignes med andre målsystemer, der kan genoplades, og udsigterne til at øge skudraterne til over 10 Hz diskuteres.
Introduction
Højintensiv laserbestråling af faste mål genererer flere former for stråling. En af disse er emissionen af energiske ioner med energier på Mega elektron-volt (MeV) niveau1. En kompakt kilde til MeV ioner har potentiale for mange applikationer, såsom proton hurtig tænding2, proton radiografi3, ionstrålebehandling 4, og neutron generation5.
En stor udfordring i at gøre laser-ion acceleration praktisk er evnen til at placere mikrometer-skala mål præcist inden for fokus på laseren på et højt tempo. Der blev kun udviklet få målleveringsteknologier til at løse denne udfordring. Mest almindelige er målsystemer baseret på mikrometer-skala tykke bånd. Disse mål er enkle at genopbygge og kan let placeres i fokus for laseren. Tape mål er blevet foretaget ved hjælp af VHS6,kobber 7,Mylar, og Kapton8 bånd. Bånddrevsystemet består typisk af to motoriserede spoler til snoede og afviklede og to lodrette stifter placeret mellem dem for at holde båndet i position9. Nøjagtigheden ved placering af båndoverfladen er typisk mindre end Rayleigh-strålens rækkevidde. En anden type af genopfyldningslaser mål er flydende plader10. Disse mål leveres hurtigt til interaktionsregionen og indfører en meget lav mængde affald. Dette system består af en højtrykssprøjtepumpe, der kontinuerligt leveres med væske fra et reservoir. For nylig blev nye kryogenebrintstråler 11 etableret som et middel til at levere ultratynde, lav-vragrester, genopfyldelige mål.
Den største ulempe ved alle disse genopfyldelige målsystemer er det begrænsede udvalg af målmaterialer og geometrier, som er dikteret af mekaniske krav såsom styrke, viskositet og smeltetemperatur.
Her er et system i stand til at bringe mikromaskiner mål i fokus for en høj intensitet laser med en hastighed på 0,2 Hz er beskrevet. Micromachining tilbyder et bredt udvalg af målmaterialer i alsidige geometrier12. Målpositioneringen udføres ved hjælp af en tilbagemelding med lukket kredsløb mellem en kommerciel forskydningssensor og en motoriseret manipulator.
Målet leveringssystem blev testet ved hjælp af en høj kontrast, 20 TW laser system, der leverer 25 fs lange laser impulser med 500 mJ på mål. En gennemgang af lasersystemets arkitektur findes i Porat et al.13, og der gives en teknisk beskrivelse af målsystemet i Gershuni et al.14. Dette papir præsenterer en detaljeret metode til fremstilling og brug af denne type system og viser repræsentative resultater af laser-ion acceleration fra ultratynde guldfolie mål.
Thomson Parabola ionspektrometeret (TPIS)15,16 visti figur 1 blev brugt til at registrere energispektrene for de udsendte ioner. I en TPIS, accelererede ioner passerer gennem parallelle elektriske og magnetiske felter, som placerer dem på parabolske baner i brændplanet. Den parabolske krumning afhænger af ionens ladning-til-masse-forhold, og placeringen langs bane er indstillet af ionens energi.
En BAS-TR-billedplade (IP)17 placeret på TPIS’ens brændpunkt registrerer impinging-ionerne. IP’en er knyttet til en mekanisk feedthrough at tillade oversættelse til et nyt område før hvert skud.
Protocol
Representative Results
Discussion
Med nogle variationer er den målfabrikationsproces, der er beskrevet i denne protokol, almindelig (f.eks. Her er et unikt skridt, der er afgørende for driften af automatisk positionering, tilføjelsen af nanometerskala skrub i ringformede områder på bagsiden af waferen (trin 1.2.3). Formålet med dette trin er at øge den spredte spredning af lys hændelse på wafer i disse områder. Den lige sensor skinner en energibesparende laserstråle på waferen, indsamler det spredte lys og bestemmer de…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde er blevet støttet af Israel Science Foundation, bevilling nr. Vi anerkender også støtte fra Pazy Foundation, Israel #27707241, og NSF-BSF tilskud Nr. 01025495. Forfatterne vil gerne venligst anerkende Tel Aviv University Center for Nanoscience og Nanotechnolog
Materials
| 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 |
References
- Snavely, R. A., et al. Intense High-Energy Proton Beams from Petawatt-Laser Irradiation of Solids. Physical Review Letters. 85, 4945 (2000).
- 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).
- 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).
- Malka, V., et al. Practicability of proton therapy using compact laser systems. Medical Physics. 31 (6), 1587-1592 (2004).
- Roth, M., et al. Laser-Driven Neutron Source Based on the Relativistic Transparency of Solids. Physical Review Letters. 110, 044802 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Margarone, D., et al. Proton Acceleration Driven by a Nanosecond Laser from a Cryogenic Thin Solid-Hydrogen Ribbon. Physical Review X. 6, 041030 (2016).
- Prencipe, I., et al. Targets for high repetition rate laser facilities: needs, challenges and perspectives. High Power Laser Science and Engineering. 5, 17 (2017).
- 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).
- 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).
- Jung, D., et al. Development of a high resolution and high dispersion Thomson parabola. Review of Scientific Instruments. 82 (1), 13306 (2011).
- Cobble, J. A., et al. High-resolution Thomson parabola for ion analysis. Review of Scientific Instruments. 82 (11), 113504 (2011).
- 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).
- Mattox, D. M. . Processing. Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing. , (2007).
- Astrom, K. J., Murray, R. M. . Feedback Systems: An Introduction for Scientists and Engineers. , (2006).
- Passoni, M., Bertagna, L., Zani, A. Target normal sheath acceleration: Theory, comparison with experiments and future perspectives. New Journal of Physics. 12, 045012 (2010).
- Roth, M., Schollmeier, M. Ion Acceleration: TNSA. Laser-Plasma Interactions and Applications. , 303-350 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
