التسليم الآلي لأهداف Microfabricated لتجارب مكثفة بالليزر
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
Representative Results
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
The authors have nothing to disclose.
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
| 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).
