אספקה אוטומטית של מטרות מיקרו-פבריקט לניסויים אינטנסיביים בהקרן לייזר
Summary
פרוטוקול מוצג עבור הקרן אוטומטית של רדידות זהב דקות עם פולסים לייזר בעוצמה גבוהה. הפרוטוקול כולל תיאור שלב אחר שלב של תהליך ייצור היעד micromachining ומדריך מפורט לאופן שבו מטרות מובאות למוקד הלייזר בקצב של 0.2 הרץ.
Abstract
מתואר הוא הליך ניסיוני המאפשר הקרן לייזר בהקבר של מטרות microfabricated. המטרות מובאות למוקד הלייזר על ידי לולאת משוב סגורה הפועלת בין מניפולטור היעד לבין חיישן טווח. תהליך ייצור היעד מוסבר בפירוט. תוצאות מייצגות של קורות פרוטון ברמת MeV שנוצרו על ידי הקרן של רדידות זהב בעובי 600 נה”מ בקצב של 0.2 הרץ ניתנות. השיטה מושווה עם מערכות יעד אחרות מתחדשות ואת הסיכויים להגדיל את שיעורי הזריקה מעל 10 הרץ נדונים.
Introduction
הקרנות לייזר בעוצמה גבוהה של מטרות מוצקות יוצרות צורות מרובות של קרינה. אחד מהם הוא פליטת יונים אנרגטיים עם אנרגיות במגה אלקטרון וולט (MeV) רמה1. מקור קומפקטי של יונים MeV יש פוטנציאל עבור יישומים רבים, כגון פרוטון מהירהצתה 2, רדיוגרפיהפרוטון 3, הקרנותיון 4, ו ניוטרוניםדור 5.
אתגר מרכזי בביצוע האצת לייזר-יון מעשית היא היכולת למקם מטרות בקנה מידה מיקרומטר במדויק בתוך המוקד של הלייזר בקצב גבוה. מעט טכנולוגיות לאספקת יעד פותחו כדי לענות על האתגר הזה. הנפוצות ביותר הן מערכות יעד המבוססות על קלטות עבות בקנה מידה מיקרומטר. מטרות אלה הן פשוט לחדש, ניתן למקם בקלות בתוך המוקד של הלייזר. יעד קלטת נעשה באמצעות VHS6,נחושת 7,מיילר, ו Kapton8 קלטות. מערכת כונן הקלטת מורכבת בדרך כלל משני סלילים ממונעים עבור מתפתל ושחרר ושני סיכות אנכיות להציב ביניהם כדי לשמור על הקלטתבעמדה 9. הדיוק במיקום משטח הקלטת הוא בדרך כלל קטן מטווח ריילי של הקרן המיקודה. סוג אחר של יעד לייזר מתחדש הוא גיליונות נוזליים10. מטרות אלה מועברות במהירות לאזור האינטראקציה ומציגות כמות נמוכה מאוד של פסולת. מערכת זו כוללת משאבת מזרק בלחץ גבוה המסופקת ללא הרף עם נוזל ממאגר מים. לאחרונה, מטוסי מימן קריוגניםחדשניים 11 הוקמו כאמצעי לספק מטרות אולטרה-דקות, דלות פסולת, הניתנות לתוססות.
החסרונות העיקריים של כל מערכות היעד המתחדשות הללו היא הבחירה המוגבלת של חומרי מטרה וגיאומטריות, המוכתבים על ידי דרישות מכניות כגון כוח, צמיגות וטמפרטורת התכה.
כאן, מערכת מסוגלת להביא מטרות מיקרו-מכונות למוקד של לייזר בעוצמה גבוהה בקצב של 0.2 הרץ מתואר. מיקרו-תחוחזר מציעה מבחר רחב של חומרי יעד בגיאומטריות רב-תכליתיות12. מיקום היעד מתבצע על ידי משוב בלולאה סגורה בין חיישן עקירה מסחרי ומניפולטור ממונע.
מערכת אספקת היעד נבדקה באמצעות מערכת לייזר בעלת ניגודיות גבוהה, 20 TW המספקת פולסים בלייזר באורך 25 fs עם 500 mJ על היעד. סקירה של הארכיטקטורה של מערכת הלייזר ניתנת ב-Porat ואח’13, ותיאורטכני של מערכת היעד ניתן בגרשוני ואח’14. נייר זה מציג שיטה מפורטת עבור ביצוע ושימוש בסוג זה של מערכת ומראה תוצאות מייצגות של האצת לייזר-יון מייעדי רדיד זהב אולטרה דק.
ספקטרומטר היונים תומסון Parabola (TPIS)15,16 המוצג באיור 1 שימש כדי להקליט את ספקטרת האנרגיה של היונים הנפלטים. ב-TPIS, יונים מואצים עוברים דרך שדות חשמליים ומגנטיים מקבילים, מה שממקם אותם על מסלולים פרבוליים במטוס המוקד. העקמומיות הפרבולית תלויה ביחס הגובה-מסה של היון, והמיקום לאורך המסלול נקבע על ידי אנרגיית היונים.
לוח הדמיה BAS-TR (IP)17 הממוקם על המוקד של TPIS מתעד את היונים המנוגדות. ה-IP מחובר להזנה מכנית כדי לאפשר תרגום לאזור חדש לפני כל צילום.
Protocol
Representative Results
Discussion
עם כמה וריאציות, תהליך ייצור היעד המתואר בפרוטוקול זה הוא נפוץ (למשל, Zaffino ואח’23). כאן, צעד ייחודי אחד כי הוא קריטי לפעולה של מיקום אוטומטי הוא תוספת של הקשה בקנה מידה ננומטר באזורים בצורת טבעת בחלק האחורי של הוופל (שלב 1.2.3). מטרת צעד זה היא להגביר את הפיזור המפוזר של אירוע קל על הו?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן למדע ישראל, להעניק מס’ 1135/15 ולתכנית מנהיגות STEM צוקרמן, ישראל, אשר זוכה להכרה בהכרת תודה. כמו כן, אנו מכירים בתמיכת קרן פאזי, מענק #27707241 ומענק מס’ 1025495. המחברים רוצים להכיר בחביבות במרכז האוניברסיטאי תל אביב לננו-מדע וננוטכנולוגיה
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).
