강렬한 레이저 조사 실험을 위한 미세 가공 대상의 자동 전달
Summary
고강도 레이저 펄스가 있는 얇은 금호일의 자동 조사를 위한 프로토콜이 제시됩니다. 이 프로토콜에는 마이크로머시닝 대상 제조 공정에 대한 단계별 설명과 대상이 0.2Hz의 속도로 레이저 초점에 어떻게 유입되는지에 대한 자세한 가이드가 포함되어 있습니다.
Abstract
설명은 미세 가공 대상의 고출력 레이저 조사를 가능하게 하는 실험 절차입니다. 대상은 대상 조작기와 레인징 센서 간에 작동하는 닫힌 피드백 루프에 의해 레이저 초점으로 가져온다. 대상 제조 공정은 자세히 설명되어 있습니다. 0.2Hz의 속도로 600nm 두께의 금호호를 조사하여 생성된 MeV 수준의 양성자 빔의 대표적인 결과가 주어진다. 이 방법은 다른 보충 대상 시스템과 비교되며 샷 속도를 10Hz 이상으로 높일 것이라는 전망이 논의됩니다.
Introduction
고체 표적의 고강도 레이저 조사는 여러 형태의 방사선을 생성합니다. 이들 중 하나는 메가 전자 볼트 (MeV) 레벨1에서에너지를 가진 에너지 이온의 방출이다. MeV 이온의 소형 공급원은 양성자고속점화2,양성자 방사선촬영3,이온 방사선요법4,중성자 세대5와 같은 많은 응용 분야에 대한 잠재력을 가지고 있다.
레이저 이온 가속을 실용화하는 데 있어 가장 큰 과제는 레이저의 초점 내에서 마이크로미터 스케일 표적을 높은 속도로 정확하게 배치하는 기능입니다. 이 과제에 답하기 위해 개발된 표적 전달 기술은 거의 없습니다. 가장 일반적인 것은 마이크로미터 규모의 두꺼운 테이프를 기반으로 하는 대상 시스템입니다. 이러한 표적은 보충하기 쉽고 레이저 초점 내에서 쉽게 배치 될 수 있습니다. 테이프 대상은 VHS6,구리7,마일라 및 Kapton8 테이프를 사용하여 만들어졌습니다. 테이프 드라이브 시스템은 일반적으로 구불구불한 긴장을 풀기 위한 두 개의 전동 스풀과 테이프를 위치9에유지하기 위해 두 개의 수직 핀으로 구성됩니다. 테이프 표면 을 배치하는 정확도는 일반적으로 초점 빔의 레일리 범위보다 적습니다. 보충 가능한 레이저 표적의 또 다른 유형은 액체 시트10입니다. 이러한 대상은 상호 작용 영역으로 신속하게 전달되며 매우 적은 양의 파편을 도입합니다. 이 시스템은 지속적으로 저수지에서 액체와 함께 공급 되는 고압 주사기 펌프를 포함한다. 최근에는 초박형, 저파편, 보충 대상을 제공하는 수단으로 새로운 극저온수소제트(11)가 설립되었습니다.
이러한 모든 보충 대상 시스템의 주요 단점은 강도, 점도 및 용융 온도와 같은 기계적 요구 사항에 의해 결정되는 대상 재료 및 기하학의 제한된 선택입니다.
여기서, 0.2Hz의 속도로 고강도 레이저의 초점에 마이크로 머신된 표적을 가져올 수 있는 시스템이 설명된다. 마이크로머시닝은 다재다능한지오메트리(12)에서다양한 대상 재료를 제공한다. 대상 포지셔닝은 상용 변위 센서와 전동 식 조작기 간의 폐쇄 루프 피드백에 의해 수행됩니다.
대상 전달 시스템은 고대비 20TW 레이저 시스템을 사용하여 테스트되었으며, 25fs 길이의 레이저 펄스를 500mJ로 전달합니다. 레이저 시스템의 아키텍처에 대한 검토는 Porat 외13에서주어지며, 대상 시스템에 대한 기술적 설명은 Gershuni 외14에서주어진다. 이 백서는 이러한 유형의 시스템을 만들고 사용하기 위한 상세한 방법을 제시하며 초박형 금호포 표적에서 레이저 이온 가속의 대표적인 결과를 보여줍니다.
도 1에 나타난 톰슨 파라볼라 이온 분광계(TPIS)15,16은 방출된 이온의 에너지 스펙트럼을 기록하는 데 사용되었다. TPIS에서 가속 된 이온은 평행 전기 및 자기장을 통과하여 초점 평면의 포물선 궤적을 배치합니다. 포물선 곡률은 이온의 전하 대 질량 비율에 따라 달라지며, 궤도를 따라 위치는 이온의 에너지에 의해 설정됩니다.
TPIS의 초점 평면에 위치한 BAS-TR 이미징 플레이트(IP)(IP) 17은 임핑 이온을 기록한다. IP는 각 촬영 전에 신선한 영역으로 변환할 수 있도록 기계 피드스루에 부착됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
일부 변형을 통해, 이 프로토콜에 기재된 표적 제조 공정은 일반적이다(예를 들어, 자피노 외23). 여기서, 자동 포지셔닝의 작동에 중요한 하나의 독특한 단계는 웨이퍼 의 뒷면에 링 모양 영역에 나노미터 규모의 거칠기의 추가이다 (단계 1.2.3). 이 단계의 목적은 해당 영역의 웨이퍼에 있는 빛 인시던트의 분산 분산을 증가시키는 것입니다. 레인지 센서는 웨이퍼에 저전력 레이저…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 이스라엘 과학 재단에 의해 지원되었습니다, 제 1135/15 를 부여하고 주커만 STEM 리더십 프로그램에 의해, 이스라엘, 감사하게 인정된다. 우리는 또한 파지 재단, 이스라엘 보조금 #27707241, NSF-BSF 보조금 번호 01025495의 지원을 인정합니다. 저자는 친절하게 나노 과학 및 나노 테크놀로그를위한 텔 아비브 대학 센터를 인정하고 싶습니다
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).
