Livraison automatisée de cibles microfabriquées pour des expériences intenses d’irradiation laser
Summary
Un protocole est présenté pour l’irradiation automatisée des feuilles d’or minces avec des impulsions laser de haute intensité. Le protocole comprend une description étape par étape du processus de fabrication de la cible de micromachining et un guide détaillé pour la façon dont les cibles sont portées au point du laser à un taux de 0,2 Hz.
Abstract
Décrit est une procédure expérimentale qui permet l’irradiation laser de haute puissance des cibles microfabriquées. Les cibles sont portées au point laser par une boucle de rétroaction fermée qui fonctionne entre le manipulateur cible et un capteur de portée. Le processus de fabrication cible est expliqué en détail. Des résultats représentatifs des faisceaux de protons de niveau MeV générés par l’irradiation de feuilles d’or de 600 nm d’épaisseur à un taux de 0,2 Hz sont donnés. La méthode est comparée à d’autres systèmes cibles réapprovisionnement et les perspectives d’augmenter les taux de tir à plus de 10 Hz sont discutées.
Introduction
L’irradiation laser de haute intensité des cibles solides génère de multiples formes de rayonnement. L’un d’eux est l’émission d’ions énergétiques avec des énergies au niveau Mega electron-volt (MeV)1. Une source compacte d’ions MeV a un potentiel pour de nombreuses applications, telles que l’allumage rapide desprotons 2,la radiographie desprotons 3,la radiothérapie irionale4et la génération neutronique5.
Un défi majeur pour rendre l’accélération laser-ion pratique est la capacité de positionner les cibles à l’échelle du micromètre avec précision dans le foyer du laser à un taux élevé. Peu de technologies de livraison cibles ont été mises au point pour relever ce défi. Les plus courants sont les systèmes cibles basés sur des bandes épaisses à l’échelle du micromètre. Ces cibles sont simples à reconstituer et peuvent être facilement positionnées dans le foyer du laser. La cible de bande a été faite utilisant VHS6,cuivre7,Mylar, et Kapton8 bandes. Le système d’entraînement sur bande se compose généralement de deux bobines motorisées pour l’enrouement et le déroulement et de deux broches verticales placées entre elles pour maintenir le ruban en position9. La précision dans le positionnement de la surface du ruban est généralement inférieure à la portée Rayleigh du faisceau de focalisation. Un autre type de cible laser réapprovisionnable est les feuilles liquides10. Ces cibles sont livrées rapidement à la région d’interaction et introduisent une très faible quantité de débris. Ce système comprend une pompe à seringues haute pression fournie en permanence avec du liquide provenant d’un réservoir. Récemment, de nouveaux jets d’hydrogène cryogéniques11 ont été établis comme moyen de livrer des cibles ultrathin, à faible débris et réapprovisionnables.
Le principal inconvénient de tous ces systèmes cibles réapprovisionnables est le choix limité des matériaux cibles et des géométries, qui sont dictés par des exigences mécaniques telles que la force, la viscosité et la température de fusion.
Ici, un système capable d’amener des cibles micromachinées au centre d’un laser de haute intensité à un taux de 0,2 Hz est décrit. Micromachining offre un large choix de matériaux cibles dans des géométries polyvalentes12. Le positionnement de la cible est effectué par une rétroaction en boucle fermée entre un capteur de déplacement commercial et un manipulateur motorisé.
Le système de livraison cible a été testé à l’aide d’un système laser à contraste élevé de 20 TW qui fournit des impulsions laser de 25 fs de long avec 500 mJ sur la cible. Un examen de l’architecture du système laser est donné dans Porat et coll.13, et une description technique du système cible est donnée dans Gershuni et coll.14. Cet article présente une méthode détaillée pour la fabrication et l’utilisation de ce type de système et montre des résultats représentatifs de l’accélération laser-ion des cibles ultrathin feuille d’or.
Le spectromètre iion Thomson Parabola (TPIS)15,16 indiqué à la figure 1 a été utilisé pour enregistrer les spectres énergétiques des ions émis. Dans un TPIS, les ions accélérés passent par des champs électriques et magnétiques parallèles, ce qui les place sur des trajectoires paraboliques dans le plan focal. La courbure parabolique dépend du rapport charge-masse de l’ion, et l’emplacement le long de la trajectoire est défini par l’énergie de l’ion.
Une plaque d’imagerie BAS-TR (IP)17 placée au plan focal du TPIS enregistre les ions d’empiage. L’IP est attaché à une procédure d’alimentation mécanique pour permettre la traduction vers une zone fraîche avant chaque prise de vue.
Protocol
Representative Results
Discussion
Avec quelques variations, le processus de fabrication cible décrit dans ce protocole est commun (p. ex., Zaffino et coll.23). Ici, une étape unique qui est essentielle au fonctionnement du positionnement automatique est l’ajout d’un roughening à l’échelle nanométrique dans les zones en forme d’anneau à l’arrière de la plaquette (étape 1.2.3). Le but de cette étape est d’augmenter la diffusion diffuse de l’incident de lumière sur la plaquette dans ces zones. Le capteur de po…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la Fondation scientifique d’Israël, la subvention n ° 1135/15 et par le Zuckerman STEM Leadership Program, Israël, qui sont reconnaissants. Nous reconnaissons également le soutien de la Fondation Pazy, de l’#27707241 et de la subvention n° 01025495 du FNS-BSF. Les auteurs aimeraient bien reconnaître le Centre universitaire de nanosciences et de nanotechnologies de Tel Aviv
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).
