Лаборатория корпускулярной оптики

Руководитель направления:

Матышев Александр Александрович, д.ф.-м.н. Аудитория: 422

Сотрудники: Краснова Надежда Константиновна Матышев Александр Александрович Соловьев Константин Вячеславович

Основными направлениями исследований являются: Создание новых методов синтеза спектроаналитических приборов для физической электроники, электронной спектроскопии и масс-спектрометрии на базе обратных задач корпускулярной оптики».
По своему характеру это - теоретическое направление, но с широким выходом в практическое научное приборостроение. Центральной проблемой является исследование динамики электронов и ионов в вакууме под воздействием электромагнитных полей самой разнообразной конфигурации и сложности и разработка соответствующего математического аппарата в сочетании с новейшими компьютерными стратегиями. Именно симбиоз аналитических и вычислительных методик позволил разработать необычные подходы к синтезу приборов с очень высоким уровнем спектроаналитических характеристик, отличающихся оригинальностью и патентной чистотой. Особое внимание в работах сектора уделяется обратным задачах механики потоков частиц в полях, когда само поле является объектом синтеза, реализуемого на основе целевых функций, формируемых на таких выходных функциях потока как линейная дисперсия по энергии либо по массам, уровень геометрических аберраций, временная фокусировка и дисперсия, максимальный транспортируемый фазовый объем и т.п. При этом используются электростатические поля (энергоанализ) и динамические переменные электрические поля (масс-анализ), иногда в сочетании с магнитостатическими полями.

Сотрудниками сектора разработаны ряд новых направлений динамической масс-спектрометрии и фокусирующей оптики, в том числе:

• Дипольная оптика, позволяющая транспортировать и фокусировать по заданным законам потоки нейтральных частиц с собственным либо индуцированным дипольным моментом при помощи локальных полей с особенностями, которые по отношению к обычной электронной оптике являются источником искажений и ошибок (проф. Ю.К. Голиков, проф. А.А. Матышев).


• Изотраекторная оптика с полями, спадающими во времени по закону 1/t²(проф. А.А. Матышев). В рамках данного направления решен ряд интересных и ценных для практического применения задач динамики частиц, приводящих к синтезу необычных и перспективных корпускулярно-оптических приборов различного назначения, как спектроаналитических, так и изображающих.


• Оптика систем с электрическим ударом (проф. Ю.К. Голиков, к.ф.-м.н. А.Д. Любчич). Это новое направление основано на применении очень узких по времени и больших по амплитуде импульсов электрического поля (электрический удар) в качестве инструмента обработки корпускулярных потоков, заряженных и нейтральных частиц.


• Квадрупольная масс-спектрометрия в сочетании с магнитными полями различной конфигурации (проф. Ю.К. Голиков, доц. Н.К. Краснова, ст. преп. К.В. Соловьев). Найдены оптимальные варианты воздействия на квадруполь В. Пауля магнитных полей с целью повышения его чувствительности и разрешения. В частности, построена новая теория зон устойчивости для комбинации квадрупольных электрических полей и однородных магнитных полей и на этой базе предложены новые схемы спектрометров. Построена новая теория трансляции фазовых объемов в линейных системах, на два порядка повысившая продуктивность компьютерных расчетов.


• Синтез энергоанализаторов с высоким уровнем пропускания и разрешения (проф. Ю.К. Голиков, доц. Н.К. Краснова, доц. Д.В. Григорьев, ст. преп. К.В. Соловьев). На базе обратных задач в сочетании с разработкой новых базисных рядов для электростатических полей предложен и рассчитан ряд модификаций осесимметричных энергоанализаторов, на порядки превосходящих известное цилиндрическое зеркало. Этот класс квазиконических систем уже занял прочное место в практике аналитического приборостроения в нашей стране и за рубежом.


• Теория новых ионных ловушек, статических и высокочастотных с времяпролетным и динамическим принципом разделения ионов (проф. Ю.К. Голиков, к.ф.-м.н. Е.Ю. Флегонтова, асп. Д.В. Никитина).


• Теория согласующих электрических зеркал (проф. Ю.К. Голиков, доц. Н.К. Краснова, ст. преп. К.В. Соловьев). Данная теория, целиком базирующаяся на обратных задачах, позволила рассчитать схемы электронных спектрометров с коррекцией аберраций в рекордно больших диапазонах углов разлета электронов на источнике. Кроме того, она позволила предложить принципиально новую концепцию электронных спектрометров, представляющих собой «тандемы» из высокодисперсионного слабо фокусирующего и или вовсе не фокусирующего элемента и бездисперсионного фокусирующего зеркала;


• Общая теория спектроаналитических приборов, использующих нелинейную зависимость подвижности ионов в газе под воздействием специального асимметричного периодического электрического питания (проф. Ю.К. Голиков, доц. Н.К. Краснова, ст. преп. К.В. Соловьев). Рассмотрен ряд новых электрических и газодинамических элементов.


• Математическая физика для инструментальной корпускулярной оптики (проф. Ю.К. Голиков, доц. Д.В. Григорьев, ст. преп. К.В. Соловьев). Определяются классы динамических систем, интегрируемых в аналитическом виде, развиваются методы решения обратных задач механики, разрабатывается обобщенная теория функций комплексного переменного и связанные с ней методы синтеза новых классов гармонических функций с элементарным представлением, для расчета новых спектроаналитических приборов

---

В течение последних лет выполнены следующие проекты:

• “Создание суперсветосильного высокоразрешающего электронного спектрометра - масс-анализатора" (СПбГПУ, ИАнП РАН – Швеция, Уппсальский университет, лаборатория лауреата Нобелевской премии К.Зигбана). Сектору корпускулярной оптики принадлежит общая идея и теория квазиконического энергоанализатора, а также схема с согласующими промежуточными зеркалами, в которой используются два каскада идентичных «квазиконов». Согласующее квазиэллиптическое зеркало, помещенное между каскадами, решает одновременно две задачи: компенсацию сферической аберрации в 20-градусном угле разлета электронов на образце и выравнивание времен пролета ионов на верхних и нижних траекториях, что позволяет использовать данный оптический тракт в качестве времяпролетного масс-спектрометра с фокусировкой по углу. На базе совместной публикации участников проекта в Японии создан однокаскадный квазиконический энергоанализатор с высоким уровнем параметров. Получены международные патенты.


• “Квадрупольный масс-спектрометр в магнитном поле" (совместно с ОАО "Научные приборы") Сектору корпускулярной оптики принадлежит общая теория этого прибора, а ОАО «Научные приборы» - экспериментальные исследования. В рамках этой темы предложены новые эффективные способы воздействия на квадруполь магнитными полями разнообразной геометрии. При этом удалось на порядок поднять уровень разрешения при сохранении габаритов прибора. Открыты новые возможности увеличения пропускания и чувствительности прибора. Ряд предсказанных явлений подтвержден экспериментально.

---

В рамках работ направления выполнены и защищены ряд диссертаций
Публикации лаборатории:

Голиков Ю., Галль Л.Н., Чепарухин В., Уткин К., Теория кругового термического ионизатора (1973, 1977 гг.) Научное приборостроение 24 1 (2014)

Галль Л.Н., Голиков Ю., Ахроматические электростатические транспортирующие элементы с плоскостью симметрии (1987 г.) Научное приборостроение 24 1 (2014)

Голиков Ю., Аверин И.А., Новые трехмерные гармонические потенциалы в корпускулярной оптике Научное приборостроение 24 1 (2014)

Галль Л.Н., Печалина Е., Голиков Ю., Об одном классе электростатических полей с пространственно-временнóй фокусировкой (1989 г.) Научное приборостроение 24 1 (2014)

Matyshev A., Fohtung E., On the computation and applications of bessel functions with pure imaginary indices (orders) in physics and specifically in corpuscular optics Научное приборостроение 24 1 (2014)

Матышев А.А., Сафаралеев А., О краевых полях сверхпроводящих магнитных систем, в сечении представляющих собой произвольный многоугольник Научное приборостроение 24 1 (2014)

Голиков Ю., Краснова Н.К., Аналитические структуры электрических обобщенно-однородных спектрографических сред Научное приборостроение 24 1 (2014)

Голиков Ю., Краснова Н.К., Соловьёв К., Елохин В., Николаев В., Влияние магнитных линз на работу электрического квадрупольного масс-спектрометра Научное приборостроение 24 1 (2014)

Голиков Ю., Соловьев К.В., Осесимметричная ионная ловушка Научное приборостроение 24 1 (2014)

Краснова Н.К., Голиков Ю.К., Елохин В.А., Николаев В.И., Новый динамический масс-спектрометр с электрическим ударом Научное приборостроение 23 1 (2013)

Соловьев К., О сохранении идеальной фокусировки пучка в меняющемся во времени квадратичном по координате электрическом поле Письма в журнал технической физики 39 14 (2013)

Голиков Ю.К., Краснова Н.К., Николаев В.И., Соловьев К.В., Разделение ионов в комбинации стационарных полей — электрического квадрупольного и магнитного однородного Научное приборостроение 23 1 (2013)