Yoğun Lazer Işınlama Deneyleri için Mikrofabrikasi Hedeflerin Otomatik Teslimi
Summary
Yüksek yoğunluklu lazer darbeleri ile ince altın folyo otomatik ışınlama için bir protokol sunulmaktadır. Protokol, mikroişleme hedef üretim sürecinin adım adım tanımını ve hedeflerin lazerin odak noktasının 0,2 Hz hızında nasıl sunulduğuna yönelik ayrıntılı bir kılavuz içerir.
Abstract
Açıklanan mikrofabrikasyon hedeflerin yüksek güçlü lazer ışınlama sağlayan deneysel bir prosedürdür. Hedefler, hedef manipülatör ve değişen bir sensör arasında çalışan kapalı bir geri besleme döngüsü ile lazer odağına getirilir. Hedef üretim süreci ayrıntılı olarak açıklanmıştır. 0,2 Hz oranında 600 nm kalınlığında altın folyoışınla üretilen MeV seviyesindeki proton ışınlarının temsili sonuçları verilir. Yöntem diğer doldurulabilir hedef sistemleri ile karşılaştırıldığında ve 10 Hz üzerinde çekim oranları artan umutları tartışılmaktadır.
Introduction
Katı hedeflerin yüksek yoğunluklu lazer ışınlaması birden fazla radyasyon formu oluşturur. Bunlardan biri mega elektron-volt (MeV) düzeyinde enerjileri ile enerjili iyonların emisyon1. MeV iyonlarının kompakt bir kaynağı proton hızlı ateşleme2, proton radyografi3, iyon radyoterapi4, ve nötron üretimi5gibi birçok uygulama için potansiyele sahiptir.
Lazer-iyon ivmesini pratik hale getirmede en önemli zorluk, mikrometre ölçeğindeki hedefleri lazerin odağında yüksek oranda doğru bir şekilde konumlandırma yeteneğidir. Bu zorluğu cevaplamak için çok az hedef dağıtım teknolojisi geliştirilmiştir. En yaygın mikrometre ölçekli kalın bantlar dayalı hedef sistemleridir. Bu hedeflerin doldurulması kolaydır ve lazerin odağına kolayca yerlesin. Teyp hedef VHS6kullanılarak yapılmıştır, bakır7, Mylar, ve Kapton8 bantlar. Teyp tahrik sistemi genellikle sarma ve gevşeme için iki motorlu makaralar ve iki dikey pimleri9pozisyonunda bant tutmak için aralarında yerleştirilen oluşur. Bant yüzeyinin konumlandırılmasındaki doğruluk genellikle odaklama ışınının Rayleigh aralığından daha azdır. Yenilenebilir lazer hedef başka bir türü sıvı levhalar10olduğunu. Bu hedefler etkileşim bölgesine hızla iletilir ve çok düşük miktarda enkaz ortaya çıkarmak. Bu sistem sürekli bir rezervuar sıvı ile birlikte yüksek basınçlı şırınga pompası oluşur. Son zamanlarda, yeni kriyojenik hidrojen jetleri11 ultraince, düşük enkaz, doldurulabilir hedefler sunmak için araç olarak kurulmuştur.
Tüm bu doldurulabilir hedef sistemlerin in ana dezavantajı, mukavemet, viskozite ve erime sıcaklığı gibi mekanik gereksinimler tarafından dikte hedef malzeme ve geometriler, sınırlı seçimdir.
Burada mikroişlenmiş hedefleri 0.2 Hz oranında yüksek yoğunluklu bir lazerin odağına getirebilen bir sistem tanımlanmaktadır. Micromachining çok yönlü geometriler12hedef malzemelerin geniş bir seçenek sunuyor. Hedef konumlandırma, ticari bir yer değiştirme sensörü ile motorlu manipülatör arasında kapalı döngü geri beslemesi ile gerçekleştirilir.
Hedef dağıtım sistemi, hedefte 500 mJ ile 25 fs uzunluğunda lazer darbeleri sağlayan yüksek kontrastlı 20 TW lazer sistemi kullanılarak test edilmiştir. Lazer sisteminin mimarisinin gözden geçirilmesi Porat ve ark.13’te,ve hedef sistemin teknik bir tanımı Gershuni ve ark.14’teverilmiştir. Bu kağıt, bu tür bir sistemin yapımı ve kullanımı için ayrıntılı bir yöntem sunar ve ultra ince altın folyo hedeflerinden lazer-iyon ivmesinin temsili sonuçlarını gösterir.
Thomson Parabola iyon spektrometresi (TPIS)15,Şekil 1’de gösterilen16 yayılan iyonların enerji spektrumlarını kaydetmek için kullanılmıştır. Bir TPIS’de, hızlandırılmış iyonlar paralel elektrik ve manyetik alanlardan geçer ler ve bu da onları odak düzlemindeki parabolik yörüngelere yerleştirir. Parabolik eğrilik iyonun yük-kütle oranına bağlıdır ve yörünge boyunca yer iyonun enerjisi tarafından ayarlanır.
TPIS’nin odak düzleminde konumlandırılmış bir BAS-TR görüntüleme plakası (IP)17 impinging iyonlarını kaydeder. IP, her çekimden önce yeni bir alana çeviri sağlamak için mekanik bir beslemeye bağlıdır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bazı varyasyonlarda, bu protokolde açıklanan hedef üretim süreci yaygındır (örneğin, Zaffino ve ark.23). Burada, otomatik konumlandırma nın çalışması için kritik olan benzersiz bir adım, gofretin arka tarafında ki halka şeklindeki alanlarda nanometre ölçekli pürüzlemenin eklenmesidir (adım 1.2.3). Bu adımın amacı, bu alanlarda gofret üzerinde ışık olayı dağınık saçılma artırmaktır. Değişen sensör gofret üzerinde düşük güçlü bir lazer ışını parla…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma İsrail Bilim Vakfı, hibe No 1135/15 ve Zuckerman STEM Liderlik Programı, İsrail, minnettarlıkla kabul tarafından desteklenmiştir. Ayrıca Pazy Vakfı, İsrail hibe #27707241 ve NSF-BSF hibe No. 01025495 desteğini kabul ediyoruz. Yazarlar lütfen Nanobilim ve Nanotechnolog Için Tel Aviv Üniversitesi Merkezi kabul etmek istiyorum
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).
