JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Erratum Notice
  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Erratum
  • Reprints and Permissions

Erratum Notice

Important: There has been an erratum issued for this article. Read More ...

Summary

يتم تقديم بروتوكول للإشعاع الآلي من رقائق الذهب رقيقة مع نبضات الليزر عالية الكثافة. ويتضمن البروتوكول وصفاً تفصيلياً لعملية تصنيع الأهداف الدقيقة ودليلاً مفصلاً لكيفية تحقيق الأهداف في تركيز الليزر بمعدل 0.2 هرتز.

Abstract

وصف هو إجراء تجريبي الذي يتيح عالية الطاقة الليزر تشعيع الأهداف microfabricated. يتم إحضار الأهداف إلى التركيز الليزر من قبل حلقة ردود الفعل المغلقة التي تعمل بين المتلاعب الهدف وجهاز استشعار المدى. يتم شرح عملية تصنيع الهدف بالتفصيل. وتعطى النتائج التمثيلية لشعاعات البروتون على مستوى MeV التي تولدها التشعيع من رقائق الذهب السميكة 600 نانومتر بمعدل 0.2 هرتز. ويقارن الأسلوب مع النظم المستهدفة الأخرى القابلة للتجدد، وتناقش احتمالات زيادة معدلات اللقطة إلى ما فوق 10 هرتز.

Introduction

ويولد التشعيع بالليزر عالي الكثافة للأهداف الصلبة أشكالاً متعددة من الإشعاع. واحدة من هذه هي الانبعاث من الأيونات حيوية مع الطاقات في ميجا إلكترون فولت (MeV) مستوى1. مصدر مدمج من أيونات MeV لديه إمكانية للعديد من التطبيقات، مثل البروتون السريع الاشتعال2،التصوير الشعاعي للبروتون3،العلاج الإشعاعي الأيون4،وتوليد النيوترونات5.

ومن التحديات الرئيسية في جعل تسارع الليزر الأيونات عملية هو القدرة على وضع أهداف بمقياس ميكرومتر بدقة في إطار تركيز الليزر بمعدل مرتفع. ولم يُستحدث سوى عدد قليل من تكنولوجيات الإنجاز المستهدف لمواجهة هذا التحدي. وأكثرها شيوعا هي النظم المستهدفة القائمة على أشرطة سميكة بمقياس ميكرومتر. هذه الأهداف بسيطة لتجديد ويمكن وضعها بسهولة داخل التركيز من الليزر. وقد تم الشريط الهدف باستخدام VHS6، والنحاس7، Mylar ، وكابتون8 الأشرطة. يتكون نظام محرك الشريط عادة من اثنين من المصاتر الآلية للتصفية وفك ودبابيس عمودية اثنين وضعت بينهما للحفاظ على الشريط في موقف9. الدقة في وضع سطح الشريط عادة أقل من نطاق رايلي من شعاع التركيز. نوع آخر من هدف الليزر قابلة للتجدد هو أوراق السائل10. وهذه الأهداف تُسلَّم بسرعة إلى منطقة التفاعل وتُدخل كمية منخفضة جداً من الحطام. هذا النظام يضم مضخة حقنة الضغط العالي تزويد مستمر مع السائل من خزان. في الآونة الأخيرة ، تم إنشاء طائرات الهيدروجين المبردة الجديدة11 كوسيلة لتقديم أهداف فائقة الدقة ، منخفضة الحطام ، قابلة للتجدد.

والعيب الرئيسي في كل هذه النظم المستهدفة القابلة للتجدد هو الاختيار المحدود للمواد والهندسة المستهدفة، التي تمليها المتطلبات الميكانيكية مثل القوة واللزوجة ودرجة الحرارة الذائبة.

هنا، يوصف نظام قادر على تحقيق الأهداف micromachined إلى التركيز ليزر عالية الكثافة بمعدل 0.2 هرتز. Micromachining يقدم مجموعة واسعة من المواد المستهدفة في الهندسة تنوعا12. يتم تنفيذ تحديد المواقع الهدف من خلال تغذية مرتدة مغلقة بين جهاز استشعار النزوح التجاري والمتلاعب بمحرك.

تم اختبار نظام التسليم المستهدف باستخدام نظام ليزر عالي التباين يبلغ 20 TW يوفر 25 نبضة ليزر طويلة من طراز FS مع 500 mJ على الهدف. ويُعطى استعراض لهندسة نظام الليزر في بورات وآخرون13،ويقدم وصف تقني للنظام المستهدف في غيرشوني وآخرون14. هذه الورقة يعرض طريقة مفصلة لصنع واستخدام هذا النوع من النظام ويظهر نتائج تمثيلية للتسارع الليزر أيون من أهداف رقائق الذهب ultrathin.

وقد استخدم مطياف أيونات تومسون بارابولا (TPIS)15،16 المبين في الشكل 1 لتسجيل أطياف الطاقة للأيونات المنبعثة. في TPIS، تمر الأيونات المسرعة عبر حقول كهربائية ومغناطيسية متوازية، مما يضعها على مسارات مكافئة في المستوى البؤري. يعتمد الانحناء المكافئ على نسبة الشحن إلى الكتلة في أيون، ويتم تعيين الموقع على طول المسار بواسطة طاقة الأيون.

لوحة تصوير BAS-TR (IP)17 المتمركزة في الطائرة المحورية لـ TPIS تسجل الأيونات المُستَرَكة. يتم إرفاق IP إلى الأعلاف الميكانيكية من خلال السماح بالترجمة إلى منطقة جديدة قبل كل لقطة.

Protocol

1 - تصنيع الأهداف

ملاحظة: الشكل 2 والشكل 3 يوضحان عملية تصنيع رقائق الذهب القائمة بذاتها.

  1. الجانب الخلفي
    1. استخدام 250 ميكرومتر سميكة، قطرها 100 ملم، ويفر السيليكون عالية الإجهاد في < 100> تشكيل الكريستال، المغلفة على كلا الجانبين مع نيتريد السيليكون.
    2. تنظيف رقاقة باستخدام الأسيتون تليها ايزوبربانول وجافة مع النيتروجين.  ثم تدور معطف طبقة من HMDS لتشكيل طبقة لاصقة بعد الخطوات المبينة في الجدول 1.
    3. تدور معطف الرقاقة مع طبقة AZ1518 photoresist التالية الخطوات المبينة في الجدول 2.
    4. خبز رقاقة في 100 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة، ثم ندعه يبرد.
    5. الضوئية 1،000 μm × 1000 μm فتحات مربعة تحت فراغ، مما يعرض رقاقة في 1 دورة من 4 إلى 7 ثوان لمصباح الأشعة فوق البنفسجية 400 نانومتر. ويفر يتعرض ل fluence العام من 40 J / سم2. استخدام AZ726K المطور لفضح نيتريد السيليكون، وحمام من المياه المجففة لوقف هذه العملية.
    6. استخدام التفاعلي ايون Etcher (RIE) لإزالة نيتريد السيليكون في موقع الساحات.
    7. استخدام حمام N-ميثيل-2-pyrrolidone (NMP) لمدة 20 دقيقة لإزالة مقاومة المتبقية وphotoresist، وإنتاج نسخة طبق الأصل من القناع على طبقة نيتريد السيليكون. اغسل الرقاقة تحت الماء العذب واجففها بالنيتروجين.
    8. بالوعة رقاقة في 30٪، 90 درجة مئوية، محلول هيدروكسيد البوتاسيوم لحفر السيليكون من خلال فتحات مربع. بالوعة رقاقة لمدة 40 دقيقة لكل 50 ميكرومتر من السيليكون التي تحتاج إلى أن تكون محفورة. لأن معدل الحفر في < 100> الطائرة أعلى بكثير مما كانت عليه في غيرها، هيدروكسيد البوتاسيوم يصل إلى طبقة نيتريد السيليكون السفلي من خلال الجزء الأكبر من السيليكون قبل حفر أي عمق كبير في قناع نيتريد السيليكون.
  2. الجانب الأمامي
    1. بالنسبة للجانب الأمامي، كرر الخطوات 1.1.1-1.1.6 مع قناع على شكل ثلاث حلقات متحدة المركز.
    2. استخدام RIE لإزالة نتريد السيليكون حيث تقع الحلقات، تليها حمام NMP لإزالة بقايا مقاومة وphotoresist.
    3. وأخيرا، لتخشين حلقات السيليكون، بالوعة رقاقة في حمض النيتريك وفي محلول من 0.02 M نترات الفضة و 4 م فلوريد الهيدروجين.
    4. على الجانب المحفور من رقاقة، واستخدام جهاز ترسب بخار المادية (PVD)18 لsputter طبقة من بضع مئات من نانومتر من الذهب على رأس ~ 10 نانومتر رقيقة من التيتانيوم اللاصق، والنيكل، أو الكروم. طبقة الذهب sputtered سوف تصبح هدف الغشاء قائما بذاته.

2. محاذاة

ملاحظة: يظهر الشكل 4 إعداد الإشعاع الهدف.

  1. تقديم أول هدف تم اختياره بشكل تعسفي في طريقة العرض تحت مجهر تكبير 100x.
  2. نقطة جهاز استشعار المدى التثليث (على سبيل المثال، MTI/ MicroTrak 3 LTS 120-20)19 إلى الحلقة خشنة الأقرب إلى الهدف، وتسجيل القراءة التشرد.
    ملاحظة: لا يُقصد من نموذج الاستشعار المُستخدم في الاستخدام للتطبيقات ذات الالتفريغ العالي. نماذج مختلفة، مثل MTI-2100 من نفس البائع، متوافقة مع التطبيقات منخفضة outgassing.
  3. أثناء ترك المجهر في مكانه، حرك الرقاقة بعيدًا عن مسافة معروفة لمسح مسار الحزم.
  4. باستخدام اثنين من مرايا قابلة للطي ومرآة مكافئة خارج المحور (OAP)، محاذاة شعاع في انخفاض الطاقة في مجال الرؤية من المجهر.
  5. ضبط هذه المرايا الثلاثة لتصحيح الاستجماتيزمات في الشعاع. وينبغي أن تكون النتيجة نقطة محورية محدودة تقريباً للانعراج.
  6. منع شعاع الليزر وجلب الهدف مرة أخرى إلى التركيز من المجهر. التحقق من موقفها باستخدام المجهر وقراءة جهاز استشعار المدى.
  7. نقل المجهر إلى موقف الذي سيتم الحفاظ عليه في مأمن من ضوء الليزر والحطام.

3 - تسلسل التشعيع وتحديد المواقع المستهدفة آليا

  1. تنفيذ تغذية مرتدة مغلقة بين المتلاعب محور التنسيق من الهدف ولاستشعار التشرد القراءة باستخدام البرمجيات. استخدام القيمة المسجلة من الخطوة بروتوكول 2.2 كنقطة set. يتم عرض تسلسل التحكم الرئيسي PID20 ، الذي تم إعداده باستخدام LabView ، في الشكل 5.
  2. بمجرد أن يصل موضع الحلقة المغلقة إلى مسافة التسامح المطلوبة من نقطة setpoint ، يشع الهدف بنبض ليزر واحد عالي الطاقة.
  3. ترجمة IP باستخدام المغذيات الميكانيكية من خلال إلى موضع جديد.
  4. كرر تسلسل التشعيع مع الهدف التالي الذي يتم التركيز عليه من قبل البرنامج.

النتائج

تم استخدام هذا النظام تسليم الهدف لتسريع الأيونات من الجانب الخلفي من رقائق الذهب سميكة 600 نانومتر. عندما تشع مع كثافة ليزر تطبيع من0 = 5.6، تسارعت هذه الأيونات من قبل التسارع العالديها العادية المستهدفة (TNSA) آلية21. في TNSA، يأين الضوء الأقل كثافة الذي سبق نبضة الليزر الرئيسي...

Discussion

مع بعض الاختلافات، عملية تصنيع الهدف الموصوفة في هذا البروتوكول أمر شائع (على سبيل المثال، زافينو وآخرون23). هنا، خطوة فريدة واحدة التي تعتبر حاسمة لتشغيل تحديد المواقع التلقائي هو إضافة الخشونة على مقياس نانومتر في المناطق على شكل حلقة على الجزء الخلفي من رقاقة (الخطوة 1.2.3). و?...

Disclosures

ولا يملك أصحاب البلاغ مصالح مالية متنافسة.

Acknowledgements

وقد تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الإسرائيلية، منحة رقم 1135/15 وبرنامج القيادة في مجال العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات في زوكرمان، إسرائيل، التي تم الاعتراف بها بامتنان. كما نعرب عن تقديرنا للدعم الذي تقدمه مؤسسة بازي، ومنحة إسرائيل #27707241، ومنحة NSF-BSF رقم 01025495. ويود المؤلفان التكرم بالاعتراف بمركز جامعة تل أبيب لعلوم النانو وتكنولوجيا النانو

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
76.2 x 127mm EFL 90° Protected Gold 100Å Off-Axis Parabolic MirrorEdmund optics35-535
MicroTrak 3 LTS 120-20MTI Instruments
Ultrafast high power dielectric mirrors for 800 nmThorlabs

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. , (2007).
  19. Astrom, K. J., Murray, R. M. . Feedback Systems: An Introduction for Scientists and Engineers. , (2006).
  20. Passoni, M., Bertagna, L., Zani, A. Target normal sheath acceleration: Theory, comparison with experiments and future perspectives. New Journal of Physics. 12, 045012 (2010).
  21. Roth, M., Schollmeier, M. Ion Acceleration: TNSA. Laser-Plasma Interactions and Applications. , 303-350 (2013).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).

Erratum


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

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

167 MeV

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved