“Разработка аппаратуры и методов для исследования
короткоживущих интермедиатов и быстрых процессов
с их участием”
Авторы: О.А.Анисимов, С.В.Анищик, В.А.Багрянский, В.И.Боровков, Ю.А.Гришин, В.И.Иванников, Е.В.Кальнеус, Ю.Н.Молин, Д.В.Стась, Ю.Д.Черноусов, И.В.Шеболаев.
- Актуальность исследования.
Огромную роль в науке играет развитие методов исследования. При этом особое значение имеет создание новой измерительной аппаратуры, в основу которой заложены оригинальные идеи. Значительную часть достижений нашего Института за все годы его существования составляют работы, направленные именно на создание и применение новых методов физико-химических исследований. На созданные у нас методы опирается и основное научное направление лаборатории БПП – исследование свойств короткоживущих ион-радикалов в жидких растворах.
На конкурс выносится серия работ, каждая из которых нацелена на развитие методов исследования быстропротекающих процессов, сопровождаемых люминесценцией. Представлены следующие разработки.
Все эти разработки либо уже используются, либо будут использованы для существенного расширения возможностей имеющейся аппаратуры, используемой в исследованиях короткоживущих ион-радикалов в растворах, а также для создания новых установок.
Создание спектрометра оптически детектируемого электронного парамагнитного резонанса (ОД ЭПР) в нулевом поле с радиочастотной накачкой для исследования ион-радикальных пар.
- Оснащение спектрометра ОД ЭПР 3-см диапазона усилителем СВЧ-мощности на основе лампы бегущей волны (ЛБВ).
- Изготовление устройства быстрого выключения магнитного поля для рентгеновского наносекундного флуориметра.
- Создание магнитной системы для МАРИ-спектрометра.
- Разработка устройства формирования коротких СВЧ-импульсов в высокодобротном резонаторе.
- Создание стрик-камеры, позволяющей регистрировать кинетику люминесценции с субпикосекундным разрешением во времени в широком временном интервале.
Актуальность таких работ подтверждается, в частности, тем, что все преуспевающие сегодня в области спиновой химии и магнитного резонанса группы уделяют методической работе большое внимание (см., например, [1-4]).
2. Новизна используемого подхода.
- Спектрометр ОД ЭПР в нулевом поле с радиочастотной накачкой не имеет аналогов.
- Установка ОД ЭПР в настоящее время не имеет аналогов, поэтому и моменты ее модернизации уникальны.
- Использование быстрого переключения магнитного поля в различных спиновохимических экспериментах дает новые возможности [3-4]. Нами впервые этот методический прием реализован в экспериментах по наблюдению рекомбинационной флуоресценции радикальных пар.
- Метод МАРИ-спектроскопии под рентгеновским излучением предложен и реализован в нашей лаборатории. Впервые создана магнитная система, сочетающая отсутствие остаточной намагниченности в слабых полях с высокой однородностью поля.
- В наших прошлых работах [5-8] показано, что влияние СВЧ-поля на времяразрешенную рекомбинационную флуоресценцию дает новые возможности в изучении ион-радикалов. Созданное сейчас устройство формирования коротких СВЧ-импульсов в высокодобротном резонаторе позволяет создать радиолюминесцентный метод, аналогичный методу спинового эха.
- В разрабатываемой с участием сотрудников лаб. БПП стрик-камере использован новый принцип – спиральной развертки луча, позволяющий достигать пикосекундного временного разрешения в наносекундном временном интервале.
3. Полученные результаты и их значимость.
- Спектрометр ОД ЭПР с накачкой в диапазоне частот 1-80 МГц успешно эксплуатируется в университете Оксфорда для исследования свойств ион-радикальных пар в слабых магнитных полях.
- Для существенного повышения чувствительности установки ОД ЭПР модернизирован СВЧ тракт спектрометра. Разработан усилитель на ЛБВ, повышающий уровень подаваемой в резонатор СВЧ-мощности до 12 Вт. Схема включения усилителя позволила сохранить схему работы АПЧ серийного прибора. В настоящее время уже опубликованы исследования ряда объектов (катион-радикала гексаметилэтана, ион-радикалов циклических нитронов и пр.), которые не удалось бы регистрировать без повышенного уровня СВЧ мощности.
- Созданное в лаб. БПП устройство быстрого (4 мТл за 20 нс) переключения магнитного поля для наносекундного рентгеновского флуориметра позволяет получать дополнительную информацию о спиновой динамике радикальных пар, имеющую особую ценность для изучения реакций и релаксации ион-радикалов.
- В лаборатории создается МАРИ-спектрометр на современной элементной базе и с использованием современных технических решений. На данном этапе создана магнитная система без железного сердечника, свободная от остаточной намагниченности с однородностью поля <10-4 и соблюдением ряда специфических для метода МАРИ требований.
- Устройство формирования коротких СВЧ импульсов основано на эффекте быстрой перекачки энергии между резонаторами. Оно позволяет получать импульсные СВЧ поля с амплитудой, определяемой высокой добротностью резонатора (~10000) и длителностью 30-50 нс, значительно меньшей времени установления колебаний в резонаторе (~1 мкс).
- Спиральная развертка электронного пучка в стрик-камере позволяет иметь предельное (пикосекундное) временное разрешение в течение времени, на порядок превышающего таковое в обычных стрик-камерах с круговой СВЧ разверткой. В настоящее время получена круговая развертка, измерены временные параметры ускоренных электронных сгустков на ускорителе 300 МэВ (ИЯФ) с использованием импульсов черенковского излучения.
4. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.
Создание спектрометра ОД ЭПР в нулевом поле проводилось в рамках проекта INTAS 99-01766.На создание МАРИ-спектрометра получен грант РФФИ 05-08-33550а по направлению фундаментальных основ инженерных наук в (2005-2006 г., рук. Е.В.Кальнеус).
Материалы, составившие содержание представленных работ, доложены на следующих международных конференциях:
6 Sendai Symposium on Advanced EPR. Aoba Kinen-Kaikan Tohoku University, Japan, November 9-10, 2000 (стендовый доклад).
XVII Международный семинар по ускорителям заряженных частиц, Алушта, Харьков, 17-23 сентября 2001 г. (устный доклад).
VI Voevodsky Conference “Physics and Chemistry of Elementary Processes”, July 21-25, 2002, Novosibirsk (2 стендовых доклада).
23rd Miller Conference on Radiation Chemistry, September 6-12, 2003, Bialowieza, Poland (стендовый доклад).
Международная конференция “Modern Development of Magnetic Resonance”, г. Казань, 15-20 августа 2004 г. (стендовый доклад).
Magnetic Measurements 2004 Conference, 30 Jun - 2 Jul 2004, Прага, Чехия (устный доклад).
9th International Symposium on Spin and Magnetic Field Effects in Chemistry and Related Phenomena, St John’s College and Physical and Theoretical Chemistry Laboratory, University of Oxford, UK, 11-17 September 2005 (стендовый доклад).
12th International Symposium on Interdisciplinary Electromagnetic, Mechanic &Biomedical Problems ISEM 2005, Bad Gastein, Austria, 12-14 September 2005 (стендовый доклад).
9th European Particle Accelerator Conference, EPAC- 2004, Lucerne, Switzerland (устный доклад).
Цитированная литература
Опубликованные по теме заявки работы.
- G.Jeschke. Electron paramagnetic resonance: recent developments and trends //Current Opinion in Solid State and Materials Science. 7 (2003) 181–188
- Yu.A.Grishin, M.R.Fuchs, A.Schnegg, A.A.Dubinskii, B.S.Dumesh, F.S.Rusin, V.L.Bratman, K.M?bius. Pulsed Orotron - a new microwave source for submillimeter pulse high-field electron paramagnetic resonance spectroscopy // Review of Scientific Instruments 75 (2004) 2926-2936
- T.Suzuki, T.Miura, K.Maeda, T.Arai Spin dynamics of the radical pair in a low magnetic field studied by the transient time absorption detected magnetic field effect on the reaction yield and switched external magnetic field //J. Phys. Chem. A. 109 (2005) 9911-9918
- Bagryanskaya E.G., Gorelik V.R., Sagdeev R.Z. Switched external magnetic field (SEMF) CIDNP – a new technique for investigation of spin dynamics and kinetics of short-lived reaction intermediates in weak magnetiv fields. // Chem. Phys. Letters. 265 (1997) 655-661
- S.V.Anishchik, V.I. Borovkov, V.I. Ivannikov, I.V. Shebolaev, Yu.D. Chernousov, N.N. Lukzen, O.A. Anisimov, Yu.N. Molin, - Microwave field effects on the time dependence of fluorescence from non-polar solutions. // Chem. Phys. 1999, V. 242, pp. 319-330.
- О.А. Анисимов, С.В. Анищик, В.И. Боровков, В.И. Иванников, Ю.Н. Молин, Ю.Д. Черноусов, И.В. Шеболаев, - Сверхвысокочастотная система для импульсного рентгеновского флуориметра. // ПТЭ, 1999, No 2, с. 92-94.
- V.A. Morozov, E.V. Gorelik, N.N Lukzen, R.Z. Sagdeev, S.V. Anishchik, - Manifistation of ion-molecular charge transfer in kinetics of microwave field effect on recombination fluorescence. // Chem. Phys. Letters. 2000, V. 325, pp. 106-114.
- С.В. Анищик, Ю.Н. Молин, – Особенности спиновой динамики радикальных пар при включении сильного СВЧ-поля. // ДАН, 2002, Т.387, № 5, с. 647-650.
- Timmel C.R., Woodward J.R., Hore P.J., McLauchlan K.A., Stass D.V. A zero-field electron spin resonance spectrometer for the study of transient radical ion pairs // Measurement Science and Technology. 12 (2001) 635-643.
- Шеболаев И. В., Иванников В. И., Черноусов Ю. Д., Велижанин К.А., Багрянский В.А., Молин Ю.Н. Спектрометр оптически детектируемого электронного парамагнитного резонанса с повышенным уровнем высокочастотной мощности // Приборы и техника эксперимента. №5 (2001) 89-90.
- Боровков В.И., Елецких И.В. Устройство для быстрого выключения магнитного поля в экспериментах по наблюдению динамики спинового состояния радикальных пар в слабых магнитных полях // Приборы и техника эксперимента. №1 (2005) 90-93.
- Kalneus E.V., Stass D.V., Grishin Yu.A. Yoke-free magnetic system for low field studies in magnetically affected reaction yield spectroscopy // Rev. Sci. Instrum. 76 (2005) Article 084102
- Kalneus E.V., Stass D.V., Grishin Yu.A. Magnetic system of MARY spectrometer // Journal of Electrical Engineering 55 (2004) 77-80.
- Анисимов О.А., Анищик С.В., Боровков В.И., Иванников В.И., Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В. Устройство формирования коротких сверхвысокочастотных импульсов в высокодобротном резонаторе // ПТЭ №3 (2004) 102-105.
- P.A. Bak, R.Calabrese, Yu.D. Chernousov, V.Guidi, L.Guidi, S.M.Gurov, G.Lamanna, P.V.Logachov, E.E Pyta., L.Tecchio, A.S. Tsugunov. Status of a radio-frequency-based streak camera with subpicosecond time resolution // Laser and Particle beams, 19 (2001) 105-109.