Лаборатория Электронной Спектроскопии организована в ноябре 1971 года. Начиная с этого времени выполнен широкий круг научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

В период с 1977 по 1986 годы разработаны опытные образцы и организован серийный выпуск изделий и комплексов различного назначения, таких как:

1. Электронные спектрометры ЭС2401, ЭС2402 для изучения твердых тел и физико-химических свойств поверхности с возбуждением рентгеновским излучением и электронным ударом.

2. Фотоэлектронные спектрометры ЭС3201 для изучения твердых тел, легко- и труднолетучих паров твердых тел и жидкостей с возбуждением вакуумным ультрафиолетовым излучением.

3. Оже-электронные спектрометры ЭС2301, ЭТ5101, ЭТ5102 для изучения твердых тел и состояний поверхностных слоев с возбуждением электронным ударом.

4. Уникальный электронный спектрометр ЭТ7101 на основе высокоразрешающих призменного и аксиально-симметричного энергоанализаторов с рентгеновским источником и электронной пушкой для изучения состава и химического состояния атомов твердых тел.

5. Спектрометр ЭТ4101 энергетических и угловых распределений заряженных частиц.

6. Дифрактометры быстрых и медленных электронов.

7. В лаборатории создана многоцелевая установка молекулярно-пучковой эпитаксии ЭП1201 для научных и технологических целей.

В течение более десяти последних лет лаборатория находилась в тесном сотрудничестве с ESCA-LASER Lab профессора Кая Зигбана (Швеция) – лауреата Нобелевской премии, основоположника метода электронной микроскопии для химического анализа (ЭСХА). Известно, что этот метод стал одним из наиболее эффективных "неразрушающих" и "нерасходующих" методов исследований состава и химической структуры веществ по энергетическому состоянию электронов. Возможность изучения не только внутренних, но и самых верхних атомно тонких слоев твердых тел является уникальной особенностью метода, исключительно важной на современном этапе перехода к нанотехнологии.

Решение проблемы эффективности анализа стало общей задачей Российской и Шведской лабораторий. Основным направлением деятельности Лаборатории Электронной Спектроскопии и сотрудничества с ESCA-LASER Lab Уппсальского Университета (Швеции) стало:

1. Теоретический и экспериментальный поиск светосильных высокоразрешающих электронно-оптических систем и использование их в ЭСХА.

2. Разработка метода и создание аппаратуры Электронной Микроскопии для Химического Анализа (ЭМХА).

3. Разработка электростатических электронных пушек для ЭМХА.

С этой целью:

1. Теоретически и экспериментально изучены электростатические аксиально-симметричные энергоанализаторы с заданным изменением продольно-поперечного градиента потенциала.

2. На их основе разработаны принципы построения каскадных анализаторов.

Это позволило достичь высокого разрешения (Е/Е лучше 0.05% на полувысоте спектральных линий) при светосиле не менее 30% от полусферы. (Патент № 512265 SE от 05.09.1997. Авторы: Н.Холин, К.Зигбан, Ю.Голиков, Р.Марипуу); (Патент № 2294579 RU от 27.02.07. Авторы: Н.Холин, К.Зигбан, В.Симуткин). Однако сложность анализаторов заставила искать новые решения.

3. В итоге разработана высоко эффективная полевая структура анализатора, объединяющая электроннооптические возможности полусферического дефлектора и цилиндрического зеркала и трансформирующаяся в любой из этих известных типов анализатора в зависимости от выбора исходных математических соотношений.

Электроннооптическая схема такого анализатора, названного сфероидальным, представлена на рис.1

Рис.1. Электроннооптическая схема сфероидального энергоанализатора.

1 – входной фокус, 2 – внешний электрод, 3 – внутренний электрод, 4 – траектории заряженных частиц, 5 – выходной фокус.

Угол расходимости входного пучка: 44÷60°(в телесный угол 360°), расстояние анализатор ÷ образец: 7.6 мм .

Угол расходимости выходного пучка: 38 ÷ 45°(в телесный угол 360°), кроссовер пучка в выходном фокальном пятне: 0.020 мм .

Анализатор имеет аксиальную симметрию, эквипотенциальные концентрические поверхности внутреннего и внешнего электродов которого образованы путем вращения двух неконцентрических дуг, имеющих различные радиусы R₁ и R₂ , вокруг общей секущей прямой, превращающейся, в конечном итоге, в ось (осевую линию) анализатора.

При этом R₁ = K₁R₀₁; R₂ = K₂R₀₂; полевой зазор между электродами анализатора в поперечной плоскости симметрии

Сфероидальный энергоанализатор обобщает и объединяет классические энергоанализаторы типа полусферический дефлектор и цилиндрическое зеркало. При K₁ = K₂ = 1 c фероидальный анализатор превращается в сферический, а при K₁ и K₂ стремящихся к бесконечности анализатор переходит в цилиндрическое зеркало. Естественно, с приближением к полусферическому новый анализатор приобретает электроннооптические свойства известного классического анализатора; в его второй крайности он имеет параметры цилиндрического зеркала. Промежуточная область – это область сфероидального анализатора с его новыми особенностями. Простота конструкции, впечатляющие возможности полевой структуры, характеризующиеся, прежде всего, высоким разрешением и светосилой одновременно, делают ее привлекательной альтернативой известным системам. Достаточно взглянуть, например, на три энергетических пучка Е₀ = 2350 эВ; Е₁ = 2348.8 эВ и Е₂ = 2351.2 эВ (Рис.2), записанных при разрешении лучше 0.05% по основанию при угле расходимости входного пучка 44 ÷ 60^o, то-есть, светосиле более 20% от полусферы, чтобы оценить преимущества новой оптики (по существу, недостижимые с использованием известных анализаторов).

Рис.2. Характерная картина поведения трех энергетически различных пучков на выходе анализатора.

При этом кроссовер в выходном фокальном пятне анализатора меньше 0.020 мм , а протяженность сфокусированной разделенной области пучков на порядки превышает их поперечное сечение и остается на оси в широком диапазоне изменения энергий. Все это гарантирует сохранение высокого качества записи спектральных линий.

И, наконец, один каскад нового анализатора превосходит по своим возможностям (разрешению, прежде всего) ранее запатентованные двух -трех каскадные системы.

Следует отметить, что другие схемы сфероидального анализатора могут обеспечивать разрешение ΔE/E не хуже 0.0025% по основанию спектральных линий при светосиле 7.5%.

Эти результаты стали возможными благодаря ранее выполненным исследованиям аксиально-симметричных полевых структур в Лаборатории Электронной Спектроскопии ИАП РАН самостоятельно Российскими учеными при активной поддержке Лауреата Нобелевской премии академика Ж.И.Алферова и совместно с ESCA - LASER Lab Лауреата Нобелевской премии профессора Кая Зигбана. Главными задачами этого этапа были высшие научные достижения в решении проблемных задач светосильной высокоразрешающей оптики.

Основными задачами сегодняшнего периода являются переход к реализации последних достижений в серийные изделия. Проблемы этого этапа преодолеваются теперь совместно российскими, английскими и японскими специалистами. Анализатор запатентован. Патент № 072090.8 GB от 01.07.07, Авторы: N. Kholine (RU), D. Cubric (GB), I. Konishi (Japan) , и первый его экспериментальный образец изготовлен с участием Shimadzu Research Laboratory (прецизионное изготовление электродов анализатора) и Лаборатории Электронной Спектроскопии (изготовление электронной пушки, детектора и других элементов).

На рис.3 приведено фото общего вида энергоанализатора, на рис.4 фото общего вида его внутреннего электрода, на рис.5 фото коаксиальной электронной пушки.

Рис.3. Фото сфероидального энергоанализатора

Рис.4. Фото внутреннего электрода сфероидального энергоанализатора

Рис.5. Фото коаксиальной электростатической электронной пушки сфероидального энергоанализатора

Испытания анализатора подтвердили близкое соответствие полученных результатов расчетным данным. На рис.6 - рис.9 представлены некоторые экспериментальные данные, полученные на одинаковых сфероидальных анализаторах независимо в Лаборатории Электронной спектроскопии и в Shumadzu Research Laboratory (Japan). Здесь предпочтение отдано данным, записанным в SRL .

Рис.6. Разрешение анализатора в диапазоне высоких энергий.

Рис.7. Разрешение энергоанализатора в среднем диапазоне энергий.

Рис.8. Спектр характеристических потерь и упруго отраженных электронов.

Рис.9. Пример Оже-спектров от различных материалов в широком диапазоне энергий.