激しいレーザー照射実験のためのマイクロ加工対象の自動送達
Summary
高強度レーザーパルスを用いた薄い金箔の自動照射プロトコルを提示します。このプロトコルには、マイクロマシニングターゲット製造プロセスのステップバイステップの説明と、ターゲットが0.2Hzの速度でレーザーの焦点に持ち込まれる方法についての詳細なガイドが含まれています。
Abstract
上述は、微細加工対象物の高出力レーザー照射を可能にする実験手順である。ターゲットは、ターゲットマニピュレータと測距センサーの間で動作する閉じたフィードバックループによってレーザーフォーカスに持ち込まれます。ターゲット製造プロセスについて詳しく説明します。0.2Hzの速度で600 nm厚い金箔を照射して生成したMeVレベルの陽子線の代表的な結果が与えられる。この方法は他の補充可能なターゲットシステムと比較され、ショットレートを10Hz以上に引き上げる見通しについて議論される。
Introduction
固体標的の高強度レーザー照射は、複数の形態の放射線を発生させる。その一つがメガ電子ボルト(MeV)レベル1でエネルギーを持つエネルギーを持つイオンの放出である。MeVイオンのコンパクトな供給源は、プロトン高速点火2、陽子線X線撮影3、イオン放射線療法4、中性子発生5など多くの用途に可能性を秘めています。
レーザーイオン加速を実用化する上での大きな課題は、マイクロメータスケールのターゲットをレーザーの焦点内で正確に高いレートで配置できることです。この課題に対応するために開発されたターゲット配信技術はほとんどありませんでした。最も一般的なのは、マイクロメータースケールの厚いテープに基づくターゲットシステムです。これらのターゲットは補充が簡単で、レーザーの焦点内に容易に配置することができます。テープターゲットは、VHS6、銅7、マイラー、カプトン8 テープを使用して作られています。テープドライブシステムは、通常、巻き取りと巻き戻し用の2つの電動スプールと、テープを9位置に保つためにそれらの間に配置された2つの垂直ピンで構成されています。テープ表面の位置決め精度は、通常、焦点を合わせるビームのレイリー範囲よりも小さい。補充可能なレーザーターゲットの別のタイプは、液体シート10である。これらのターゲットは、相互作用領域に迅速に配信され、非常に少量の破片を導入します。このシステムは、リザーバからの液体を連続的に供給する高圧シリンジポンプを備えています。近年、超薄型、低残骸、補充可能な目標を送達する手段として新規極低温水素ジェット11 が確立された。
これらの補充可能なターゲットシステムの主な欠点は、強度、粘度、溶融温度などの機械的要件によって決定されるターゲット材料と幾何学の限られた選択肢です。
ここでは、0.2Hzの速度で高強度レーザーの焦点にマイクロマシン化されたターゲットを持ち込むことができるシステムについて説明する。マイクロマシニングは、汎用性の高いジオメトリ12で幅広いターゲット材料を提供しています。ターゲット位置決めは、商用変位センサと電動マニピュレータの間の閉ループフィードバックによって行われます。
ターゲット配信システムは、ターゲット上に500 mJで25 fs-longレーザーパルスを提供する高コントラスト、20 TWレーザーシステムを使用してテストされました。レーザーシステムのアーキテクチャのレビューはPorat et al.13で行われ、標的系の技術的な説明はGershuniら14で与えられている。本論文では、この種のシステムを作り、使用するための詳細な方法を提示し、超薄型金箔ターゲットからのレーザーイオン加速の代表的な結果を示す。
トムソン・パラボライオン分光計(TPIS)15,図1に示す16を、放出されたイオンのエネルギースペクトルを記録するために使用した。TPISでは、加速イオンは平行な電界と磁場を通過し、焦点面の放物線軌道に乗せられます。放物線曲率はイオンの電荷質量比に依存し、軌道に沿った位置はイオンのエネルギーによって設定されます。
TPISの焦点面に位置するBAS-TR撮像板(IP)17 は、衝突イオンを記録する。IPは、各ショットの前に新鮮な領域に翻訳できるように、機械的なフィードスルーに接続されています。
Protocol
Representative Results
Discussion
いくつかのバリエーションでは、このプロトコルで説明されているターゲット製造プロセスが一般的である(例えば、Zaffinoら23)。ここで、自動測位の動作に重要な一つのユニークなステップは、ウエハの背面にリング状の領域にナノメートルスケールの粗化を加える(ステップ1.2.3)。この工程の目的は、それらの領域におけるウエハ上の光の拡散散乱を増加させることである?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、イスラエル科学財団、助成金1135/15、そしてイスラエルのザッカーマンSTEMリーダーシッププログラムによって支援されています。我々はまた、パジー財団、イスラエル交付金#27707241、およびNSF-BSF助成金No.01025495の支援を認める。著者らは、テルアビブ大学ナノサイエンス・ナノテクノログセンターを親切に認めたいと思います。
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).
