Отдел лазерно-спектрального приборостроения

Экспериментальное оборудование

Основное оборудование отдела – стандартные оптико- и радиоизмерительные приборы (монохроматоры, генераторы сигналов, осциллографы), источники питания, компьютерная техника и разнообразные модели разрабатываемых систем – портативные дихрометры (СКД), скоростные высокоточные системы сканирования, многоканальные системы регистрации (на базе линейных ПЗС и фотоэлектронных кассет), эмиссионные спектрометры и их аналоги - эмиссионные спектрографы типа ПГС-2, МФС-8 , ИСП-51, а также источники излучения разных типов (лазерные, светодиодные, лампы газоразрядные и с полым катодом).

Разработки отдела

Первые разработки отдела ЛСП связаны с созданием совместно с лабораторией лазерной спектроскопии (группа к.ф.-м.н. В.И.Мишина) двух автоматизированных лазерных спектрометров для экспериментов по лазерной фотоионизационной спектроскопии атомов со стабильными (ИСАН) и короткоживущими ядрами (ЛИЯФАН), для чего были разработаны импульсные перестраиваемые лазеры на красителях с узкой линией излучения, устройства для измерения их длины волны и выходной мощности, фоторегистрирующая система, различные оптико-механические узлы (оптический конструктор). Следующим крупным шагом в развитии и становлении отдела стала разработка совместно с лабораторией молекулярной спектроскопии высокого разрешения и аналитической спектроскопии (группа д.ф.-м.н. М.А.Большова) экспериментального образца автоматизированного лазерного атомно-флуоресцентного аналитического спектрометра, переданного в рамках хозяйственного договора в ГИРЕДМЕТ в 1984 г.

В дальнейшем разработка лазерных исследовательских и аналитических спектрометров стала одним из главных направлений работы отдела. Для поддержания этих работ в 1985 г. при Институте был организован конструкторский отдел ЦКБ уникального приборостроения, который возглавил к.т.н. Е.Л.Михайлов. Отдел просуществовал до 1990 г.. В результате совместной работы отдела ЛСП ИСАН и конструкторов ЦКБ УП при научном руководстве со стороны М.А.Большова и Г.И.Бекова были созданы опытные образцы автоматизированных лазерных аналитических спектрометров (атомно-флуоресцентный - 1987 г. и атомно-фотоионизационный - 1989 г.) для ультрачувствительного определения следовых содержаний и микропримесей элементов в различных объектах с пределами обнаружения элементов (более 60) на уровне 10-10 и ниже весовых процентов. Всего отделом ЛСП и Опытным производством ИСАН было изготовлено 10 таких аналитических спектрометров, используемых в ИСАН и других организациях, в том числе за рубежом, для научных исследований, контроля технологии получения высокочистых веществ, определения следов эле-ментов в природных образцах, контроля загрязнений окружающей среды.

Серьезной разработкой отдела в период 2000-2003 гг. стало создание отделом автоматизированного комплекса селективного лазерного ионного источника RILIS на основе импульсных перестраиваемых лазеров на красителях с накачкой лазерами на парах меди, предназначенного для селективной фотоионизации и высокочувствительного детектирования редких изотопов с короткоживущими ядрами в режиме “on-line” на выходе ускорителя и масс-сепаратора частиц (научный руководитель – к.ф.-м.н. В.И.Мишин). Первый подобный комплекс успешно работает в течение многих лет в составе масс-сепараторного комплекса ISOLDE на протонном бустерном ускорителе в ЦЕРН (Швейцария), с его помощью получены ионные пучки 20 элементов периодической системы для решения многих задач ядерной физики, астрофизики, физики твердого тела, медицинских приложений. Благодаря своим уникальным свойствам RILIS стал наиболее востребуемым типом ионного источника комплекса ISOLDE, а также привлек внимание специалистов по ядерной физике и материаловедению из других стран, сделавших заказы на изготовление такого же лазерного ионного источника.

В последние годы усилия коллектива отдела все больше смещаются в направлении создания широкого класса малогабаритных аналитических спектральных приборов, использующих различные принципы и отличающихся объектами исследования, спектральным диапазоном, чувствитель-ностью, степенью сложности, масштабом использования. Ниже коротко перечислены основные результаты разработок лаборатории лазерно-спектрального приборостроения (рук-ль д.ф.-м.н. О.Н.Компанец) и сектора многоканальных систем регистрации (рук-ль к.т.н. Э.Г.Силькис) отдела ЛСП, выполненные за последние пятнадцать лет:

• Создана серия перестраиваемых импульсных лазеров на красителях с автоматическим (в т.ч. микропроцессорным) управлением длиной волны с накачкой излучением азотного, медного, эксимерного и твердотельных лазеров с узкой (в т.ч. перестраиваемой по ширине) линией излучения (25-3 пм). Изготовлено около 50 таких лазеров, более половины которых использовались за пределами Института, в том числе в экспериментах в ЦЕРН (Швейцария), НИСТ (США), КИИАЭ (Ю.Корея), СЗИЯТ (КНР) и др. научных центрах. В настоящее время работы по этому направлению не ведутся.
  Авторы разработок: к.ф.-м.н. В.М.Апатин, В.М.Гусев, к.ф.-м.н. В.И.Мишин, М.А.Павлов, В.С.Шишковский.
  

  Узкополосный перестраиваемый лазер на красителях (1) с накачкой лазером на парах меди и микропроцессорный блок (2) управления длиной волны лазера

• Разработана гамма оригинальных элект¬ромеханических устройств (гальванометрических сканаторов-позиционеров) для быстрого (10-1000 мс) прецизионного (0,2-10") углового (до 360) перемещения оптических элементов (зеркал, дифракционных решеток и пр.), используе¬мых для точной и скоростной автоматической перестройки длины волны лазеров и монохроматоров, поворота нелинейных кристаллов, управле¬ния лазерным лучом в задачах передачи оптиче¬ской информации, медицины, маркировки, резки, микрообработки материалов, в следя¬щих системах и т.д.. За последние годы накоплен большой опыт по разработке различных алгоритмов управления электромеханическими системами сканирования оптических приборов, а также моментных двигателей различного типа, измерительных преобразователей, их компоновки и оптимизации всех узлов систем сканирования. Данный опыт позволяет создавать системы сканирования (перемещения), оптимально согласованные с конкретным типом оптического прибора с целью получения предельно достижимых параметров.
  Авторы разработок: Иг.Н.Нестерук (руководитель работ), Ир.Н.Нестерук, В.В.Колосов, В.А.Пакутнев, А.С.Станкевич. Изготовле¬но более 50 сканирующих устройств для лазеров, монохроматоров, для управления положением светового луча в устройствах маркировки и другого назначения.
  
  

  Быстродействующий сканатор поворота дифракционной решетки с гальванометром магнитоэлектрического типа (справа)

  

  Быстродействующий сканатор поворота дифракционной решетки с гальванометром магнитоэлектрического типа (справа)

• Разработаны простые малогабаритные калибраторы длины волны лазерного излучения, которые в сочетании со сканатором-позиционером и с помощью простейших программных средств управления позволяют устанавливать длину волны перестра¬иваемого лазера с точностью 5 пм (В.М.Гусев, Иг.Н.Нестерук, М.А.Павлов, В.С.Шишковский). Созданы прецизион¬ная и компактная версии автомати¬ческого измерителя длины волны лазерного излучения в области 400-1100 нм на основе интерферометра Физо и фотодиодной линейки с разрешением 2х10-7 и 10-5 соответственно и порогом измерения 0,3 мкДж в импульсе (к.ф.-м.н. А.А.Качанов, И.В.Колпаков, А.М.Александров, к.т.н. Э.Г.Силькис). Было изготовлено более 25 калибраторов и более 10 измерителей длины волны. В настоящее время работы по этому направлению не ведутся.
• Разработана целая гамма малогабаритных монохроматоров, полихроматоров и спектрографов различной сложности на основе универсальных дифракционных решеток с широким диапазоном изменения обратной линейной дисперсии (40-0,04 нм/мм) и разрешающей способности (к.т.н. .Д.А.Журавлев, к.т.н. В.П.Журавлева).
• Созданы высокочувствительные системы регистрации на основе фото¬электронных и вторичных электронных умножителей (Б.В.Архангельский, Б.Н.Борисов, И.В.Колпаков) и большой типоряд многоканальных оптических регистраторов спектра МОРС (к.т.н. Э.Г.Силькис, А.В.Пелезнев, В.Д.Титов, А.С.Станкевич, совместно с фирмой «МОРС»), использующих в каче¬стве многоканальных фотоприемников различные типы линейных приборов с зарядовой связью (ЛПЗС) или их волоконно-оптические сочленения с электронно-оптическими преобразователями с уп¬равлением от персональных компьютеров. Всего изготовлено более 650 систем МОРС, ис¬пользуемых в научных исследованиях, в астрономии, геологии, геохимии, криминалисти-ке и др.областях.
  Под руководством к.т.н. Э.Г.Силькиса разработаны также специализированные образцы фотоэлектронных регистрирующих кассет (ФЭК), содержащие несколько ЛПЗС, для оснащения ими эмиссионных спектрометров взамен регистрации спектра на фотопластинку. ФЭК разработаны для всех типов российских спектрографов - ДФС-8, ДФС-13, ДФС-458, ДФС-452, МФС-6, МФС-8, ИСП-28, ИСП-30 и ИСП-51 и др. (введены в Реестр средств измерений под названием МОРС-1, МОРС-6, МОРС-9, МОРС-12), для спектрографа ПГС-2 фирмы Карл-Цейсс (Йена) и управляются от персональных компьютеров со специализированным программным обеспечением для эмиссионной аналитики, работающим под любыми операционными системами (в настоящее время - под WIN XP и WIN7). Благодаря такой замене пользователь получает современный аналитический прибор, достоинства которого - многократное сокращение времени анализа, существенно более высокая точность (особенно при определении малых концентраций аналитов), объективность (исключаются ошибки оператора при ручной денситометрии и построении графика), простота и меньшая стоимость обработки результатов. Указанные эмиссионые спектрометры применяются в металлургии, геологии, криминалистике, искусствоведении, для исследования сред в атомной промышленности.
  Основные типы разработанных систем: для регистрации спектров с высоким пространственным разрешением в диапазоне 200-1000 нм, в ближнем вакуумном УФ (170-195 нм), рентгеновском (0,2-1 нм) и ИК (0,9-1,7 мкм) диапазонах на основе различных типов ПЗС фирм Sony, Toshiba, Hamаmatsu; высокочувствительные системы на базе усилителя яркости и ПЗС (в частности, для регистрации спектров КРС); системы на охлаждаемых ПЗС для длительного накопления спектров (используются, например, в астрономии).
  Системы регистрации эмиссионных спектрографов для области 196-900 нм могут содержать 3-24 ПЗС и обеспечивают спектральное разрешение 2-7 А/мм и временное разрешение от 10 мс. Они работают в спектрометрах, использующих различные источники возбуждения спектра - лазерно-искровой, дуговой с просыпкой, дуговой двухструйный плазмотрон (ДДП), СВЧ-плазмотрон и др.. При наличии в ФЭК скоростной временной развертки (запоминание последовательности в несколько тысяч кадров длительностью 20-100 мс) стала возможной реализация метода сцинтилляционной спектроскопии, обеспечивающего высокую чувствительность определения элементов (лучше 10-6 масс.долей %).
  За последние пять лет с использованием систем МОРС совместно с Лабораторией молекулярной спектроскопии высокого разрешения и аналитической спектроскопии (В.Н.Крашеннников) создана серия мини-спектрометров (ве¬сом до 3 кг) под широкий класс спектроскопических задач (разработчики - Э.Г.Силькис, А.С.Станкевич), в том числе со специализированной системой регистрации двойных спектров для определения качества молока; разработан современный эмиссионный спектрометр с генератором конденсированной искры для анализа водорода в титановых сплавах (совместно с РКК «Энергия», г. Королев); создан рабочий образец эмиссионного спектрометра с дуговым двухструйным плазмотроном (с участием одного из основных разработчиков ДДП к.т.н. А.П.Тагильцева) и проведено исследование его аналитических возможностей на типовых геологических обьектах, в частности, определение предельных концентраций платиноидов (уровень 10-4 и менее масс.долей %) и оценка предельных концентраций Mo и W в почвах; созданы специализированные сцинтилляционные эмиссионные спектрометры (работают в Бронницкой геологической экспедиции, в ГЕОХИ РАН); разработано несколько систем регистрации для ряда медицинских приборов. Совместно с НПО «Тайфун» (д.ф.-м.н. А.М.Скрипкин, г.Обнинск) разработан широкодиапазонный лазерно-искровой спектрометр ЛИЭС-М для применений в геологии, порошковой металлургии, криминалистике и др. областях, особенностью которого стала одновременная регистрация спектра в диапазоне 196-980 нм, для чего использована ФЭК на 24 линейных ПЗС. Современными системами регистрации совместной разработки ИСАН и ООО «МОРС» оснащены лаборатории МГУ, ЛГУ, МФТИ, МИФИ, МАТИ, МИРЭА, федеральных университетов Красноярска, Томска, Ростова, Краснодара, Технического университета Екатеринбурга и других вузов. В 2011 г. указанные разработки отмечены на конкурсе научных работ ИСАН второй премией.
  

  

  Многоканальный регистратор спектров на линейных ПЗС

  

  Запись с помощью ЛПЗС участка эмиссионного спектра H в Ti

  

  Мини-спектрометр с рабочим диапазоном 0,9 - 1,7 мкм

  

  Мини-спектрометр МС-300

  

  Фотоэлектронная кассета МОРС-8, установленная в системе регистрации спектрографа ИСП-30

  

  Лазерно-искровой спектрометр ЛИЭС-2М с ФЭК-24

• Созданы новые конструкции атомизаторов и вакуумных камер, источников питания, большое число элект¬ронных узлов и новые программные средства автоматизированных спект¬рометров (Б.Н.Борисов, В.А.Веселов, В.В.Годнев, В.М.Гусев, И.В.Колпаков, Г.Ю.Лопатовский, М.А.Павлов, В.С.Шишковский); при участии специалистов отдела ЛСП создавались также прототип автоматизированного передвижного экспресс-анали¬затора металлов и сплавов «Папуас» (группа к.т.н. А.М.Лившица, лаборатория МСВРАС), низкотемпературный люминесцентный спектрометр для определения содер¬жаний 3,4-бензпирена в природных объектах (группа д.ф.-м.н. Б.М.Харламова, лаборатория электронных спектров молекул ОМС).
• Созданы образцы портативных полифункциональных спектрометров кругового дихроизма (дихрометров) с использованием биодатчиков разработки ИМБ РАН для высокочувствительного (10-7 М и ниже) определения биологически активных и токсичных соединений (БАС) в физиологических жидкостях (к.т.н.Е.Л.Михайлов, С.Ф.Кольяков, М.А.Павлов, В.В.Годнев, В.М.Гусев, Д.А.Александров, В.В.Колосов, Д.П.Чулков). В 2004 г. ЭЗНП РАН (Черноголовка Московской обл.) по документации и при авторском сопровождении ИСАН изготовил опытную партию из 10 приборов первой модификации дихрометра СКД-2, которые в настоящее время успешно используются в научных лабораториях биомедицинского и биохимического профиля для разработки новых типов биодатчиков и методик определения БАС с целью расширения области применений указанной биотехнологии. Дихрометр зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под №26900-04. В 2005 г. отдел разработал модифицированный вариант дихрометра СКД-2М с улучшенными характеристиками и изготовил несколько таких приборов для других институтов. Достоинства биосенсорного метода и прибора - низкая стоимость анализа, определение большого числа различных соединений с помощью однотипных биодатчиков, отсутствие необходимости в воде и газообразном азоте, возможность работы персонала, не имеющего высокой квалификации.

К настоящему времени отделом совместно с ИМБ РАН разработано и изготовлено более 20 портативных биосенсорных аналитических систем различных моделей. Приборы последних 3 моделей (СКД-3, СКД-2МУФ и СКД-4) разработаны и изготовлены в ОП ИСАН в 2007 -2010 гг. В электронных узлах и функциональных модулях всех трех версий дихрометров использована современная элементная база. В 2010 г. указанные разработки отмечены на конкурсе научных работ ИСАН первой премией.

СКД-3 со схемой вертикального формирования оптического луча приспособлен для использования с биодатчиками стабилизированных форм на основе наноконструкций ДНК, иммобилизованных в гидрогелях. В отличие от предшествующих моделей СКД-2(М) в нем реализован оптимальный температурный режим осветителя практически без образования озона; использован надежный и технологичный шаговый привод поворота дифракционной решетки (1800 штр/мм); использована конструкция призмы-поляризатора и модулятора круговой поляризации, объединяющая их в один узел; реализована стабилизация рабочего тока модулятора поляризации, обеспечившая более высокую стабильность характеристик модулятора; предусмотрено автоматическое устройство двухкоординатного перемещения многолуночной микроплаты с образцами; разработана конструкция узла ФЭУ, вертикально размещаемого на кронштейне (с возможностью его поворота), и применен управляемый блок питания ФЭУ; для расширения рабочего диапазона в УФ область (до 200 нм) предусмотрена герметизация оптического блока и наполнение его газообразным азотом.

СКД-4 – компактный специализированный прибор, использующий для детекции БАС в жидкости изменение сигнала кругового дихроизма наноконструкций ДНК при разрушении под действием БАС их наномостиков. В отличие от полифункциональных дихрометров, с их габаритными широкодиапазонным ламповым источником излучения, монохроматором с устройством перестройки длины волны, фотоэлектронным умножителем и внешним управляющим компьютером, дихрометр СКД-4 использует вместо них миниатюрный диодный излучатель, работающий в максимуме полосы аномального КД биодатчика в видимом диапазоне спектра (~530 нм), фотодиод в качестве детектора оптического излучения и встроенный микрокомпьютер с сенсорным экраном. Габариты прибора - 320х250х210 мм, масса - 9 кг.

СКД-2МУФ – модифицированная версия СКД-2М с расширением рабочего диапазона длин волн до 200 нм за счет герметичности оптического блока и возможности его наполнения газообразным азотом. В этом приборе обеспечена более высокая устойчивость к внешним воздействиям модулятора круговой поляризации, снижена величина остаточного сигнала КД из-за напряжений в окнах кюветы, повышена точность установки температуры пробы в кювете и тем самым обеспечена детектирующая способность (ΔА/А) не хуже 10-6.

Созданные биоаналитические системы (оптические биосенсоры) не имеют аналогов по принципу действия. Новизна совместной разработки двух институтов РАН (при участии Института биохимии Университета г.Мюнстер, ФРГ) подтверждена патентами РФ, США, ЕС, Германии, золотыми медалями международной выставки инноваций «Эврика-Брюссель-2001» и Президиума РАН (2002 г.), Гран-при II конкурса русских инноваций (2003 г.), дипломами Торгово-промышленной палаты РФ (2006 г.) и международных выставок «SIMEXPO-Научное приборостроение» 2008-2011 гг.

Ежегодно отдел ЛСП заключает хозяйственные договора на разработку и изготовление оптико-спектральных приборов для сторонних организаций, включая зарубежные. Партнерские отношения сложились с многими научными институтами страны, а также с рядом зарубежных научным центров. Отдел активно участвует в реализации академических, федеральных и международных научных проектов совместно с другими отделами и лабораториями Института, а также с малыми инновационными предприятиями. Отдел ЛСП всегда являлся основным участником от Института многих международных выставок, проводимых в Москве и за рубежом. Основная цель этих мероприятий - изучение тенденций развития приборостроения, поиск новых направлений использования и потребителей разрабатываемых приборов и методик, а также привлечение партнеров для совместной коммерциализации перспективных разработок.