1. 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.

• 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.

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.

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).

23^rd 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).

9^th 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).

12^th International Symposium on Interdisciplinary Electromagnetic, Mechanic &Biomedical Problems ISEM 2005, Bad Gastein, Austria, 12-14 September 2005 (стендовый доклад).

9^th European Particle Accelerator Conference, EPAC- 2004, Lucerne, Switzerland (устный доклад).

Цитированная литература

1. G.Jeschke. Electron paramagnetic resonance: recent developments and trends //Current Opinion in Solid State and Materials Science. 7 (2003) 181–188
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. С.В. Анищик, Ю.Н. Молин, – Особенности спиновой динамики радикальных пар при включении сильного СВЧ-поля. // ДАН, 2002, Т.387, № 5, с. 647-650.

Опубликованные по теме заявки работы.

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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
5. Kalneus E.V., Stass D.V., Grishin Yu.A. Magnetic system of MARY spectrometer // Journal of Electrical Engineering 55 (2004) 77-80.
6. 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.
7. 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.