Automatisierte Lieferung von mikrofabrizierten Targets für intensive Laserbestrahlungsexperimente
Summary
Für die automatisierte Bestrahlung dünner Goldfolien mit hochintensiven Laserpulsen wird ein Protokoll vorgelegt. Das Protokoll enthält eine Schritt-für-Schritt-Beschreibung des Mikrobearbeitungszielfertigungsprozesses und eine detaillierte Anleitung, wie Ziele mit einer Geschwindigkeit von 0,2 Hz in den Fokus des Lasers gebracht werden.
Abstract
Beschrieben ist ein experimentelles Verfahren, das eine Hochleistungslaserbestrahlung von mikrofabrizierten Targets ermöglicht. Die Ziele werden durch eine geschlossene Rückkopplungsschleife, die zwischen dem Zielmanipulator und einem Sensor arbeitet, in den Laserfokus gebracht. Der Zielfertigungsprozess wird ausführlich erläutert. Repräsentative Ergebnisse von Protonenstrahlen auf MeV-Ebene, die durch Bestrahlung von 600 nm dicken Goldfolien mit einer Rate von 0,2 Hz erzeugt werden. Die Methode wird mit anderen nachfüllbaren Zielsystemen verglichen und die Aussichten, die Schussraten auf über 10 Hz zu erhöhen, werden diskutiert.
Introduction
Die hochintensive Laserbestrahlung von festen Targets erzeugt mehrere Strahlungsformen. Eine davon ist die Emission energetischer Ionen mit Energien auf der Mega-Elektronen-Volt-Stufe1. Eine kompakte Quelle von MeV-Ionen hat Potenzial für viele Anwendungen, wie Protonen-Schnellzündung2, Protonen-Radiographie3, Ionen-Strahlentherapie4und Neutronen-Generation5.
Eine große Herausforderung bei der praktischen Laser-Ionenbeschleunigung ist die Fähigkeit, Mikrometer-Ziele mit hoher Geschwindigkeit präzise innerhalb des Fokus des Lasers zu positionieren. Es wurden nur wenige Zielbereitstellungstechnologien entwickelt, um diese Herausforderung zu bewältigen. Am häufigsten sind Zielsysteme, die auf dicken Bändern im Mikrometermaßstab basieren. Diese Ziele sind einfach aufzufüllen und können leicht im Fokus des Lasers positioniert werden. Bandziel wurde mit VHS6, Kupfer7, Mylar und Kapton8 Bänder gemacht. Das Bandlaufwerk besteht in der Regel aus zwei motorisierten Spulen zum Aufwickeln und Abwickeln und zwei vertikalen Stiften, die zwischen ihnen platziert werden, um das Band in Position9zu halten. Die Genauigkeit bei der Positionierung der Bandoberfläche ist in der Regel geringer als der Rayleigh-Bereich des Fokussiebestrahls. Eine andere Art von nachfüllbarem Laserziel sind flüssige Bleche10. Diese Ziele werden schnell in den Interaktionsbereich geliefert und führen zu einer sehr geringen Menge an Schutt. Dieses System besteht aus einer Hochdruckspritzenpumpe, die kontinuierlich mit Flüssigkeit aus einem Reservoir versorgt wird. Kürzlich wurden neuartige kryogene Wasserstoffdüsen11 als Mittel zur Lieferung ultradünner, schmutzarmer, nachfüllbarer Ziele etabliert.
Der Hauptnachteil all dieser nachfüllbaren Zielsysteme ist die begrenzte Auswahl an Zielmaterialien und Geometrien, die durch mechanische Anforderungen wie Festigkeit, Viskosität und Schmelztemperatur diktiert werden.
Hier wird ein System beschrieben, das mikromaschinengebundene Targets mit einer Geschwindigkeit von 0,2 Hz in den Fokus eines Hochintensitätslasers bringen kann. Die Mikrobearbeitung bietet eine große Auswahl an Zielmaterialien in vielseitigen Geometrien12. Die Zielpositionierung erfolgt durch eine geschlossene Rückkopplung zwischen einem kommerziellen Verdrängungssensor und einem motorisierten Manipulator.
Das Zielabgabesystem wurde mit einem kontrastreichen 20 TW-Lasersystem getestet, das 25 fs-lange Laserpulse mit 500 mJ am Ziel liefert. Eine Übersicht über die Architektur des Lasersystems ist in Porat et al.13gegeben, und eine technische Beschreibung des Zielsystems ist in Gershuni et al.14gegeben. Dieses Papier stellt eine detaillierte Methode zur Herstellung und Verwendung dieser Art von System vor und zeigt repräsentative Ergebnisse der Laser-Ionen-Beschleunigung von ultradünnen Goldfolienzielen.
Das Thomson Parabola Ionenspektrometer (TPIS)15,16 in Abbildung 1 wurde verwendet, um die Energiespektren der emittierten Ionen aufzuzeichnen. In einem TPIS durchlaufen beschleunigte Ionen parallele elektrische und magnetische Felder, die sie auf parabolische Bahnen in der Brennebene setzen. Die parabolische Krümmung hängt vom Ladungs-Massen-Verhältnis des Ions ab, und die Position entlang der Flugbahn wird durch die Energie des Ions festgelegt.
Eine BAS-TR-Bildplatte (IP)17, die an der Brennebene des TPIS positioniert ist, zeichnet die einschneidenden Ionen auf. Die IP wird an einen mechanischen Durchlauf angehängt, um die Übersetzung in einen neuen Bereich vor jedem Schuss zu ermöglichen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bei einigen Variationen ist der in diesem Protokoll beschriebene Zielfertigungsprozess üblich (z. B. Zaffino et al.23). Ein einzigartiger Schritt für den Betrieb der automatischen Positionierung ist hier die Zugabe von Nanometer-Schruppen in ringförmigen Bereichen auf der Rückseite des Wafers (Schritt 1.2.3). Der Zweck dieses Schritts ist es, die diffuse Streuung des Lichteinfalls auf dem Wafer in diesen Bereichen zu erhöhen. Der Bereichsensor strahlt einen Low-Power-Laserstrahl auf den Wafer…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Israel Science Foundation, Stipendium Nr. 1135/15, und vom Zuckerman STEM Leadership Program, Israel, unterstützt, die dankbar anerkannt werden. Wir würdigen auch die Unterstützung der Pazy Foundation, des Israel-Stipendiums #27707241 und des NSF-BSF-Zuschusses Nr. 01025495. Die Autoren möchten das Tel Aviv University Center for Nanoscience and Nanotechnolog
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 |
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