Изобретательская мысль в Советском Союзе практически не работала на повседневную жизнь граждан и сферу быта. Основные ресурсы государство направляло на инновации в космической, военной и научной отраслях. Все, что касалось повседневной жизни, серьезно отставало от зарубежных аналогов. В книге Тима Скоренко «Изобретено в СССР: История изобретательской мысли с 1917 по 1991 год» (Альпина нон-фикшн) подробно рассказывается о достижениях советских ученых и развеиваются мифы, связанные с историей изобретательства. N + 1 предлагает читателям ознакомиться с отрывком, рассказывающим историю советских ультразвуковых и акустических микроскопов.
Смотреть вглубь
Слово «микроскоп» у большинства людей ассоциируется с линзами и оптическим увеличением. В биологии, физике и промышленности широко применяются также электронные микроскопы, использующие вместо светового потока пучок электронов. А вот об акустических или ультразвуковых микроскопах обычные люди знают мало — это относительно редкое направление микроскопии. Но «редкое» не значит «не важное».
На самом деле для микроскопии годится практически любое излучение. Оптические микроскопы используют электромагнитные волны видимого спектра (свет), электронные формируют изображение с помощью высокоэнергетического пучка электронов, рентгеновские применяются для исследования объектов, размеры которых сопоставимы с длиной волны рентгеновского излучения. Существуют сканирующие зондовые микроскопы, к слову относительно новые, изобретённые только в 1980-х годах, которые изучают поверхность с помощью физического зонда (кантилевера) — он напоминает щуп, только его игла имеет диаметр от 1 до 100 нанометров. И это далеко не всё: микроскопия применяется в сотнях различных отраслей, и везде — своя специфика, свои требования к точности измерений.
Акустический микроскоп использует в качестве инструмента волны ультравысоких частот — обычно от 5 до 400 мегагерц. Для сравнения: человеческое ухо слышит звуки частотой до 20 килогерц. Идея состоит в том, что звук в материалах ведёт себя подобно свету: акустические волны могут преломляться, поглощаться или отражаться от поверхности и внутренних структур вещества. Полученную в результате взаимодействия с образцом акустическую картину визуализируют — так же, как визуализируются изображения внутренних органов в процессе УЗИ. Собственно, ультразвуковые исследования в медицине — это ближайший родственник акустической микроскопии.
В поисках дефектов
Начало всему направлению акустической микроскопии положил советский физик Сергей Яковлевич Соколов.
Он родился 8 октября 1897 года в селе Кряжим Саратовской губернии в бедной крестьянской семье. Всего в семье было 17 детей, а выжило только четверо, и, как бы страшно это ни звучало, такую картину можно назвать типичной для тех лет. Сергей не просто выжил — он не последовал желаниям отца, который видел в сыне наследника крестьянского хозяйства, а по настоянию бабушки пошёл учиться в церковно-приходскую школу, потом — в сельское училище и, наконец, сдал вступительные экзамены в среднетехническое училище в Саратове.
Он был единственным из семьи Соколовых, кто попытался выбиться в люди, и у него это получилось.
Училище Соколов окончил уже при советской власти, отслужил в рядах РККА и поступил в Петроградский электротехнический институт имени В. И. Ульянова (Ленина), то есть в ЛЭТИ. С ЛЭТИ оказалась связана вся дальнейшая жизнь Соколова: отучившись, он стал ассистентом кафедры специальной радиотехники и работал первое время под руководством светила электротехнической науки Леонида Мандельштама, впоследствии — номинанта на Нобелевскую премию за открытие комбинационного рассеяния света. Но Мандельштам в ЛЭТИ не задержался, проработав там меньше года, а вот Соколов остался в альма-матер навсегда, посвятив ей 32 года — с 1925-го по 1957-й. Помимо ЛЭТИ, Соколов активно сотрудничал с Центральной радиолабораторией (ЦРЛ).
Практически сразу Соколов выбрал направление деятельности — он заинтересовался темой преобразования электрических сигналов в акустические волны, стал конструировать кварцевые вибраторы, а в 1929 году возглавил акустический отдел ЦРЛ. Вообще говоря, именно с подачи Соколова электроакустику выделили в отдельное исследовательское направление, которое позже переродилось в кафедру акустики ЛЭТИ и электроакустическую лабораторию. Стоит заметить, что в те годы ситуация в ЛЭТИ не была уникальной — изучение акустики во всём мире находилось примерно на одном, не очень высоком уровне; выделялся ряд серьёзных исследователей вопроса, но ситуация, в которой на этой теме фокусировались целые кафедры, была скорее исключением, чем правилом.
В 1927 году Соколов открыл явление, которое подтолкнуло всю его дальнейшую работу и карьеру. Он обнаружил, что ультразвуковые волны определённых частот (0,5–25 мегагерц) могут распространяться внутри металлов почти без поглощения. Это сразу навело его на мысль об ультра звуковой дефектоскопии, и уже в 1928 году Соколов спроектировал и построил в лаборатории первый акустический дефектоскоп — устройство для «прослушивания» материалов и обнаружения в них различных дефектов — каверн, включений и расслоений. Точность ультразвукового дефектоскопа была значительно выше точности любых других методов: он позволял обнаруживать микроскопические трещины и раковины в металлических изделиях.
Общий принцип работы акустического дефектоскопа таков. Звуковые волны не преломляются внутри однородного материала, но изменяют траекторию движения на границах раздела сред. Поэтому, если внутри металла имеются включения других материалов или пустоты, то есть области с другими упругими свойствами и плотностью, волны будут отражаться или преломляться. Чем меньше длина волны (то есть чем выше частота), тем более мелкие дефекты можно обнаружить. Сегодня широко применяются акустические дефектоскопы самых разных систем и конструкций; многие из них разработал на основе базовой модели сам Соколов. На своё изобретение он получил авторское свидетельство, а в 1942 году удостоился Государственной премии СССР.
Но дефектоскопия была лишь первым шагом.
Опережая время
Тот факт, что дефектоскоп способен обнаруживать очень малые погрешности, навёл Соколова на следующую мысль: а нельзя ли с помощью ультразвука «видеть» детали, слишком мелкие для того, чтобы быть заметными невооружённым глазом и при этом скрытые от оптических устройств? Иначе говоря, построить акустический микроскоп, который позволит «видеть» малые предметы и неоднородности, расположенные внутри непрозрачных сред — в дереве, металле, глине и т. д.
Основной проблемой тут было преобразование акустических сигналов в видимую картинку. Дефектоскоп просто выдавал сигнал, микроскоп же должен был иметь на выходе изображение. Первый метод, предложенный Соколовым в 1935 году, назывался методом поверхностного рельефа. Исследуемый объект погружался в жидкость (потому что жидкость — это лучшая, чем воздух, среда для распространения акустических волн), и снизу на него воздействовали ультразвуком. В зоне выхода отражённых или преломлённых акустических сигналов из жидкости на поверхности создаётся давление звукового излучения, пропорциональное интенсивности звука. На ту же поверхность направляется опорная волна аналогичной частоты — происходит интерференция волн и образуется стоячая волна. Если осветить эту зону пучком когерентных световых волн, его отражение на экране сформирует изображение объекта, через который прошли ультразвуковые волны, — такой метод называется акустической голографией. По теме поверхностного рельефа в 1935 году Соколов защитил докторскую диссертацию — она называлась «Ультраакустические колебания и их применение». Другой, более поздний метод визуализации, предложенный Соколовым в 1941 году, имел в своей основе электронно-лучевую трубку. Именно прибор с электроакустической трубкой Соколов сам называл акустическим микроскопом.
Правда, из-за войны Соколову пришлось приостановить исследования — он сосредоточился на дефектоскопии и, в частности, предложил применять свои приборы для проверки склейки самолётных крыльев и фюзеляжей (за эту работу он в 1945 году получил орден Красного Знамени). В середине сороковых он вернулся к теме ультразвукового микроскопа и довёл систему с ЭЛТ до рабочего состояния, получив в 1948 году авторское свидетельство, а в 1951-м — Госпремию.
Соколову повезло ещё и с тем, что его дефектоскопы и микроскопы не остались засекреченной разработкой. После советского авторского свидетельства на дефектоскоп (1936) Соколов получил также патент Великобритании №477139 (1937) и патент США №2164125 (1939). Публикации учёного переводились на другие языки, а после войны он побывал в нескольких европейских командировках и выступал с докладами по теме «звуковидения», как это называлось в те годы. Американский патент Соколова, к слову, впоследствии многократно цитировался и использовался в патентах других изобретателей, в последний раз — в 1997 (!) году.
Но если дефектоскоп практически сразу после изобретения стал широко используемым прибором, то с ультразвуковым микроскопом Соколов серьёзно опередил своё время.
Прошлое и настоящее
Общий принцип ультразвукового микроскопа, представленного Соколовым в 1948 году, заключался в следующем. Пьезоэлектрическая кварцевая пластинка генерирует пучок ультразвуковых волн, которые отражаются от исследуемого предмета и через акустическую линзу попадают на вторую, приёмную пьезоэлектрическую пластинку. Последняя представляет собой дно катодно-лучевой трубки. Под действием ультразвука пластинка деформируется, и на внутренней её стороне возникают электрические заряды, а их распределение повторяет «звуковое изображение». Это изображение сканируется электронным катодным лучом, а упомянутые заряды влияют на испускание вторичных электронов. Выбитые катодными лучами электроны улавливаются анодом, ток с которого усиливается и передаётся на модуляционное устройство второй катодной трубки, работающей своего рода кинескопом и выводящей изображение на экран. Коэффициент увеличения акустического микроскопа Соколова напрямую зависел от отношения линейных размеров катодных трубок, а разрешающая способность изображения, как уже говорилось ранее, — от длины волны: чем она меньше, тем более качественное изображение можно получить.
Тут крылась проблема. Ни в 1930-е, ни в 1940-е годы не было технологий, позволявших генерировать акустические волны частот настолько высоких, чтобы акустический микроскоп имел смысл. Частот, генерируемых пьезоэлектрической пластинкой, было достаточно для обнаружения внутренних дефектов в стали, но катастрофически не хватало для микроскопии. Построенные Соколовым модели имели увеличение в 10–15 раз — и это был предел. С проблемой генерации высокочастотного ультразвука Соколов бился вплоть до самой своей смерти, последовавшей в 1957 году. Он опубликовал множество других исследований, в частности по дифракции света, в 1952 году основал электрофизический факультет ЛЭТИ, стал членом-корреспондентом АН СССР, но своё главное изобретение так и не довёл до практического применения.
Тем не менее результаты исследований и публикации Сергея Соколова были доступны множеству учёных по всему миру, и потому его знамя подхватили другие. Вскоре после смерти Соколова, в том же 1957 году, вышла работа Константина Баранского «Возбуждение в кварце колебаний гиперзвуковых частот», давшая начало новым технологиям получения высокочастотного ультразвука. Баранский стал пионером в области генерации и приёма гиперзвука (частоты до 1 гигагерца), и кстати, на момент написания этой главы он ещё здравствует, хотя ему исполнилось уже 97 (!) лет. До 2016 года Баранский работал профессором кафедры полимеров и кристаллов физфака МГУ. Аналогичные работы вели также немецкие и американские учёные.
В 1959 году Американцы Флойд Данн и Уильям Фрай опубликовали в «Журнале Американского акустического общества» статью «Ультразвуковой абсорбционный микроскоп» (Ultrasonic Absorption Microscope), в которой описали опыты, проведённые ими с использованием акустического микроскопа: именно их модель считается первой в мире функциональной системой этого типа, хотя по общему принципу они недалеко ушли от опытных конструкций Соколова. Разработкой акустических микроскопов занималось множество научных групп вплоть до середины 1970-х, а в 1975 году на рынке научных приборов появилась первая серийная модель — сканирующий лазерный фотоакустический микроскоп (SLAM) компании Sonoscan, Inc.
Сегодня производится три основных типа акустических микроскопов: сканирующие (SAM — это, собственно, наследник соколовской схемы), конфокальные сканирующие (CSAM) и микроскопы типа C-SAM, отличающиеся схемой акустических линз. Самое распространённое их применение — это качественные исследования различных электронных компонентов, композитов, пластиков, металлокерамических изделий, а также медицина, в частности исследование костей. За всем этим стоит блестящий советский физик Сергей Соколов и его безграничная любовь к такой, казалось бы, узкой и специфической сфере — электроакустике.
Подробнее читайте:
Скоренко, Т. Изобретено в СССР: История изобретательской мысли с 1917 по 1991 год / Тим Скоренко. — М.: Альпина нон-фикшн, 2019. — 515 с.
