Автоматизированная доставка микрофабрикатов для интенсивных экспериментов лазерного облучения
Summary
Представлен протокол для автоматического облучения тонкой золотой фольги с высокоинтенсивными лазерными импульсами. Протокол включает в себя пошаговое описание процесса изготовления микромачины цели и подробное руководство о том, как цели доведены до фокуса лазера со скоростью 0,2 Гц.
Abstract
Описана экспериментальная процедура, которая позволяет использовать высокопрог мощности лазерного облучения микрофабрикатов. Цели довекаются до лазерного фокуса с помощью замкнутой петли обратной связи, которая работает между манипулятором цели и датчиком диапазона. Процесс изготовления цели подробно описан. Даны репрезентативные результаты протонных лучей уровня MeV, генерируемых облучением золотой фольги толщиной 600 нм со скоростью 0,2 Гц. Метод сравнивается с другими пополняемыми целевыми системами и обсуждаются перспективы увеличения частоты выстрела выше 10 Гц.
Introduction
Высокоинтенсивное лазерное облучение твердых целей генерирует несколько форм излучения. Одним из них является излучение энергетических ионов с энергиями на уровне Мега электрон-вольт (MeV)1. Компактный источник ионов MeV имеет потенциал для многих применений, таких как протонное быстроезажигание 2,протоннаярадиография 3,ионнаялучевая терапия 4и нейтроннаягенерация 5.
Основной проблемой в том, чтобы лазерно-ионные ускорения практичным является способность позиционировать микрометровые цели точно в центре внимания лазера с высокой скоростью. Для ответа на эту задачу было разработано несколько целевых технологий доставки. Наиболее распространенными являются целевые системы, основанные на микрометровых толстых лентах. Эти цели просты в пополнении и могут быть легко расположены в центре внимания лазера. Лента цель была сделана с помощью VHS6,медь 7, Mylar, и Kapton8 ленты. Система ленточных приводов обычно состоит из двух моторизованных катушек для обмотки и раскручивания и двух вертикальных штырей, расположенных между ними, чтобы держать ленту вположении 9. Точность позиционирования поверхности ленты, как правило, меньше, чем диапазон Рейли фокусировки луча. Другим типом пополняемой лазерной мишени являются жидкиелисты 10. Эти цели быстро доставляются в регион взаимодействия и вводят очень небольшое количество мусора. Эта система включает в себя шприц-насос высокого давления, постоянно снабжаемый жидкостью из резервуара. Недавно были созданы новые криогенныеводородные струи 11 в качестве средства доставки сверхтонких, низкоохумных, пополняемых целей.
Основным недостатком всех этих пополняемых целевых систем является ограниченный выбор целевых материалов и геометрий, которые продиктованы механическими требованиями, такими как прочность, вязкость и температура плавления.
Здесь описана система, способная довести микромашинные цели до фокуса высокоинтенсивного лазера со скоростью 0,2 Гц. Micromachining предлагает широкий выбор целевых материалов в универсальной геометрии12. Целевое позиционирование выполняется замкнутой обратной связью между коммерческим датчиком смещения и моторизованным манипулятором.
Система доставки цели была протестирована с использованием высокой контрастности, 20 TW лазерной системы, которая обеспечивает 25 fs-длинных лазерных импульсов с 500 мДж на цель. Обзор архитектуры лазерной системы дается в Порати др. 13, и техническое описание целевой системы дается в Гершуни и др.14. В настоящем документе представлен подробный метод изготовления и использования этого типа системы и показаны репрезентативные результаты лазерно-ионных ускорений от сверхтонких целей золотой фольги.
Ионный спектрометр Thomson Parabola (TPIS)15,16, показанный на рисунке 1, был использован для записи энергетических спектров испускаемых ионов. В TPIS ускоренные ионы проходят через параллельные электрические и магнитные поля, которые поставить их на параболические траектории в фокусной плоскости. Параболическая кривизна зависит от соотношения заряда иона к массе, а расположение по траектории устанавливается энергией иона.
Пластина изображения BAS-TR (IP)17, расположенная на фокусной плоскости TPIS, записывает посягающие ионы. IP прилагается к механической подачи, чтобы позволить перевод на новую область перед каждым выстрелом.
Protocol
Representative Results
Discussion
С некоторыми вариациями, целевой процесс изготовления, описанный в этом протоколе, является общим (например, Заффино идр. 23). Здесь одним из уникальных шагов, который имеет решающее значение для работы автоматического позиционирования является добавление нанометрового ма?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Израильский научный фонд, грант No 1135/15 и Цукерман STEM Лидерство программы, Израиль, которые с благодарностью признали. Мы также признаем поддержку Фонда Пази, израильского гранта #27707241 гранта NSF-BSF No 01025495. Авторы хотели бы любезно отметить Тель-Авивский университетский центр нанонауки и нанотехнологий
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).
