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Sorgente di raggi-X da laser-plasma

Referente: Dr. Francesco Flora
francesco.flora@enea.it
Tel. +39-06-94005745

Fig. 1. La sorgente LPP (Laser Produced Plasma): il fascio laser eccimero focalizzato da una lente a tripletto (a destra nella foto) crea un plasma su un nastro di rame (in centro) che espandendosi ionizza e rende luminosa l'aria residua della cella da vuoto (p=0.5 mbar).



La sorgente

Il sistema "Sorgente di raggi-X da laser-plasma", chiamato "EGERIA", consiste in una sorgente puntiforme di radiazione incoerente avente spettro variabile dai raggi X molli all'Estremo Ultravioletto (EUV), quindi con una lunghezza d'onda da 1 nm a 100 nm. Il plasma è ottenuto focalizzando su un nastro metallico (di varia natura) il fascio di un laser ad eccimeri impulsato di elevata potenza che riscalda il metallo a temperature prossime ad un milione di gradi centigradi. L'emissione nell'intero spettro menzionato è raggiunta utilizzando il laser ad eccimeri Hercules (vedi scheda "Sorgente-Laser-Hercules"), che alimenta il plasma con impulsi di energia di 5 J, durata di 120 ns (FWHM) e frequenza di ripetizione fino ad alcuni Hz. L'efficienza di conversione di energia dal laser ai raggi-X molli emessi in 2 sr nei diversi intervalli dello spettro, come ad esempio nell'EUV (50 eV < h? < 72 eV) o nella Water-Window (quindi in 284 eV < h? < 532 eV) o nei raggi-X molli (800 eV < h? < 1600 eV), può essere variata cambiando il materiale del bersaglio oppure cambiando il livello di focalizzazione dell'impulso laser (quindi la temperatura del plasma). Ad esempio, per bersaglio di rame e con laser a fuoco (quindi ad una intensità laser massima di 5.1012 W/cm2), l'energia della radiazione emessa da EGERIA nei tre intervalli sopra menzionati è rispettivamente di 45 mJ, 4 mJ e 0.7 mJ. Queste energie, relative ad un bersaglio a nastro di rame (vedi grafico qui sotto) possono variare significativamente scegliendo altri metalli; la scelta è dunque legata all'intervallo spettrale di maggior interesse per ogni specifica applicazione della sorgente.
Per la sola emissione nell'EUV è possibile, in alternativa, utilizzare un laser ad eccimeri commerciale di minore energia per impulso, ma in grado di poter far funzionare la sorgente fino a circa 20 Hz. In tal caso l'emissione di radiazione EUV dura 30 ns e l'energia nell'intervallo 50 eV < h? < 72 eV è ridotta a circa 6 mJ per bersaglio di rame o di tantalio (pari ad una densità di energia per unità di angolo solido di circa 2 mJ/sr nella direzione normale al target).

Fig 2. Evoluzione temporale degli impulsi emessi da EGERIA con bersaglio di rame in vari intervalli spettrali: EUV, Water-Window e raggi-X. I segnali, visti da fotodiodi PIN con opportuni filtri, sono in unità arbitrarie.


Le applicazioni

Progettato e realizzato dall'ENEA nel 1994 in collaborazione con il Dipartimento di Fisica dell'Università di L'Aquila, il sistema EGERIA è impiegato prevalentemente in: microlitografia a contatto e in proiezione per scopi di ricerca e sviluppo in microelettronica (vedi scheda "MET-EGERIA"); microscopia a raggi-X in vivo di batteri e singole cellule; misure di DNA repair; generazione di ioni pesanti; microradiografia di insetti o di altre microstrutture biologiche; generazione di centri di colore in film o in cristalli; spettroscopia atomica.

Attività del tipo sopra citato sono state svolte, ad esempio, nell'ambito del progetto nazionale FIRB "Prototipo per microlitografia EUV" (vedi scheda MET-EGERIA), e del progetto integrato "Exploring new limits to Moore's law (MORE MOORE)" nell'ambito del VI Programma Quadro Comunitario (2004-2006).

Fig 3. Micro-radiografia di una zanzara (le ali sono state rimosse) con tecnica "a contatto" su film radiografico. La radiazione emessa dal plasma intorno ad 1 keV è stata resa monocromatica tramite riflessione su un cristallo sferico di mica (riconoscibili sullo sfondo le righe spettrali di emissione del target di rame, risolte spettralmente dal cristallo).


Fig. 4. Micro-radiografia dell'ala di una zanzara ottenuta su film di fluoruro di litio (posto a contatto con l'ala a circa 10 cm dalla sorgente LPP) utilizzando la radiazione emessa senza selezione spettrale. L'esposizione è ottenuta con circa 104 impulsi della sorgente LPP. La bassa sensibilità di questo rivelatore (1000 volte inferiore a quella di un film radiografico) ha consentito una elevatissima risoluzione spaziale (< 1um). La radiografia su questo tipo di rivelatore appare in positivo anziché in negativo.


Fig. 5. Immagine di una catena di cellule di Leptolyngbya (cianobatterio), ottenuta per microscopia-X a contatto. Si è sfruttato l'intervallo spettrale della Water-Window nel quale il contrasto in assorbimento tra acqua e composti del carbonio è naturale e molto elevato. La cellula è in vivo ed è priva di qualunque mezzo di contrasto, pressata tra il rivelatore di immagine (un film di PMMA) ed una sottile finestra di nitruro di silicio (che separa l'acqua dal vuoto della camera), il tutto posto a circa 5 mm dalla sorgente. L'esposizione è ottenuta con un singolo impulso della LPP.


Fig. 6. Pattern luminescenti su cristallo di fluoruro di litio (a) ottenuti con tecnica di microlitografia a contatto. La maschera (b) è costituita da una membrana di nitruro di silicio (posta a contatto del LiF durante l'esposizione alla LPP) su cui sono state realizzate delle linee di oro spesse 100 nm con periodo di 2 um, 6 um e 20 um.


In precedenza sono state svolte attività nell'ambito di Accordi di Programma ENEA-MURST e nell'ambito di accordi di co-operazione INTAS per la generazione di ioni pesanti.
Durante il progetto "More Moore" sopra citato, la sorgente è stata dotata di un sistema di abbattimento dei detriti emessi dal plasma (brevetto ENEA) in grado di ridurne la quantità di circa tre ordini di grandezza.

Fig. 7. Corrente ionica del plasma ad 1 m dalla sorgente EGERIA configurata con bersaglio a nastro di tantalio, rivelata tramite una coppa di Faraday (a) o tramite uno spettrometro di massa (b). Nel secondo grafico sono anche riportati, per i diversi stati di carica ionica "Z", i segnali rivelati per target di alluminio e di rame.


I rapporti con l'esterno

La sorgente di raggi-X da laser-plasma consente di offrire, a utenti quali Università, Enti di ricerca pubblici e privati, ad industrie e PMI, servizi di irraggiamento per ricerca in biologia, microelettronica e microdispositivi, e per test e taratura di rivelatori, spettroscopi e ottiche nell'estremo ultravioletto e nella regione dei raggi-X molli. Si privilegia la collaborazione sotto forma di partnership per ricerca congiunta.


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