Realizzazione del sistema supersonico di getto di gas in camera.

Innanzitutto come già ampiamente descritto nei paragrafi precedenti il sistema laser plasma è ottimizzato per lavorare con target solidi. Per inserire un getto di gas in un sistema da vuoto è necessario disporre di una valvola impulsata che inietti il gas, ad alto flusso e densità, in modo da generare una piuma con un efficiente numero di cluster, il cui getto deve coincidere spazialmente con la radiazione laser focalizzata. Emergono immediatamente una serie di problemi:

• la valvola deve sopportare una variazione di pressione elevata (da qualche bar al decimo di mbar a monte e a valle);

• la valvola deve essere comandata elettronicamente;

• il laser, costruito per la sola gestione manuale, deve essere gestito automaticamente;

• la radiazione laser deve essere sincronizzata con il getto di gas;

Il primo ed il secondo problema sono stati risolti scegliendo una valvola impulsata e comandata da un elettromagnete mediante una tensione dell’ordine di 12V, in grado di chiudere un canale di gas ad alta pressione e nello stesso tempo

automatizzata mediante l’uso di una serie di impulsi TTL, che temporizzano il sistema laser e la valvola impulsata, sincronizzando l’evento laser con il getto di gas in camera da vuoto. Nei prossimi paragrafi vedremo, in dettaglio, i circuiti e i programmi realizzati per la temporizzazione della sorgete laser e della valvola impulsata. Prima di questo vediamo quali sono stati i problemi relativi alla realizzazione meccanica del sistema di sbuffo.

Il primo sistema progettato e realizzato era costituito da un tubo in acciaio rigido orizzontale alla cui estremità era stata posizionata la valvola impulsata avente le caratteristiche mostrate in Figura 18.

Figura 18. Schema della valvola impulsata adoperata nel sistema a getto di gas e caratteristiche principali.

Nelle immagini di Figura 19 si può osservare la prima realizzazione del sistema di sbuffo di gas.

a) b)

Figura 19. Nelle immagini a) e b) è mostrato il primo set up della valvola impulsata. La valvola è fissata in posizione orizzontale. Questo provoca, durante la sua apertura, oscillazioni, che si propagano su di essa, spostando la direzione di uscita del gas in camera da vuoto.

Pressione di esercizio: 0 ÷ 86bar Tensione: 12V

Corrente: 1A Impedenza: 12Ω

Le vibrazioni prodotte dalla valvola, in fase di apertura, erano tali da rendere randomica l’interazione tra sbuffo e radiazione focalizzata. Il contraccolpo, infatti, relativo all’elettrovalvola innescava una serie di vibrazioni tali da spostare la direzione di uscita del getto gas e rendere poco probabile l’interazione tra fascio laser focalizzato e getto di gas. Solo in alcuni spari si poteva osservare la produzione di plasma (minore di 1 su 20). Sempre in questa prima fase si era pensato di utilizzare un specchio parabolico fuori asse per focalizzare la radiazione laser sullo sbuffo di gas, in modo tale da poter, in modo più accurato, allineare sbuffo e punto di fuoco. A causa della precarietà del montaggio e la bassa soglia di danneggiamento della superficie riflettente hanno indotto a cambiare il layout sviluppando un nuovo sistema, il cui progetto e possibile osservare nel disegno di Figura 20. In Figura 21 è mostrato la foto del sistema realizzato e montato in camera da vuoto.

Figura 21. Foto dell’interno della camera da vuoto attrezzata per target a getto di gas supersonici. Sono visibili: a)il Pin diode in alto a sinistra, b) il serbatoio con la valvola impulsata; c) il tripletto di focalizzazione della radiazione laser.

Il sistema è ancorato al fondo della camera da vuoto che, grazie alla grande inerzia, riduce se non annulla completamente le vibrazioni che nella prima versione rendevano impossibile le misure. Inoltre aver inserito un serbatoio di gas facilità ed assicura che la pressione, immediatamente all’uscita dell’ugello, sia quella della linea di gas, facendo in modo di avere un impulso omogeneo di cluster in uscita da esso. L’ugello, inserito in testa alla valvola impulsata, è stato anche da noi realizzato. E’ costituito da un cilindro in ottone di lunghezza 10mm al cui interno e stato praticato un foro cilindrico da 0.5 mm. Successivamente è stato alesato con una punta conica per produrre un ugello la cui forma è quella classica di un sistema supersonico convergente-divergente. Il cilindro è filettato in modo tale da poter essere sostituito, in modo semplice, con un altro di forma e caratteristiche diverse.

Il serbatoio di gas non è ancorato direttamente sul fondo della camera ma attraverso un sistema di movimentazione fine X Y Z in modo tale da poter allineare con la massima precisione il punto di fuoco del tripletto con la direzione del getto e la distanza di uscita del gas dall’ugello.

Figura 22. Foto dell’ugello realizzato. E’ di forma cilindrica ed è filettato per poter essere semplicemente montato al di sopra dell’uscita della valvola impulsata. Il diametro del foro di uscita è circa 0.6mm. Il diametro del cilindro è 6mm. L’altezza è 10mm.

La quota Z, che nel nostro sistema di riferimento definisce la distanza del getto di gas dalla superficie di uscita dell’ugello, è un parametro estremamente sensibile, legato direttamente alla densità locale dei cluster e, come vedremo, all’intensità della radiazione EUV emessa nell’interazione. Fiedorowicz36 _{produce un efficiente getto di}

gas utilizzando un sistema a due canali uno centrale, dove fa passare un gas ad alto numero atomico (Xe, Ar, Kr), e un canale esterno che produce un secondo getto che avvolge il primo, dove passa un gas a basso numero atomico (H, He). Questa innovativa forma di ugelli produce un efficiente densità e numero di cluster.