На страницах «Знака вопроса» мы рассказали лишь о таких областях применения ультразвука, которые понятны и интересны читателю-неспециалисту. Очень многие «профессии» ультразвука настолько уникальны, что рассказать о них в научно-популярном издании невозможно.
УЛЬТРАЗВУК
В НОВОЙ РОЛИ
Ультразвук имеет уже много «профессий» и продолжает успешно «обучаться» новым. Почти каждый день приносит сообщения о технических ультразвуковых новинках, предназначенных для использования либо в научной лаборатории, либо в специализированной клинике, либо в той или иной отрасли производства. Можно сказать, что родилась новая технология, основанная на широком применении ультразвукового поля. Сейчас ультразвук внедряют даже в таких областях науки и техники, которые на первый взгляд не имеют к нему никакого отношения.
Несколько десятилетий назад начала развиваться как самостоятельный раздел физики твердого тела акустоэлектроника. На первый взгляд это сочетание несовместимо: с одной стороны, распространение звуковых упругих колебаний среды, с другой — электроника, т. е. полупроводники, транзисторы, усилители электрических сигналов. И, тем не менее, между ними есть общее. Термин «акустоэлектроника» точно характеризует область физики твердого тела, где изучается влияние звука (ультразвука) на электрические характеристики твердых тел и обратные явления — влияние свободных электронов на акустические свойства этих тел. Эффектов, где проявляется связь «акустика — электроника», довольно много. Безусловно, самым существенным из них является электронное усиление звука в некоторых полупроводниках при подведении к ним электрического поля.
В нашей стране создан прибор, работающий на основе взаимодействия электронов с ультразвуковой волной. Если пропустить через пьезоэлектрический кристалл в одном направлении ультразвуковые волны и электрический! ток, начнется движение электронов. А как только они преодолеют звуковой барьер, т. е. когда их скорость станет больше скорости звука, произойдет усиление звука током, которое может быть очень большим. Один сантиметр длины пьезокристалла позволяет получить усиление в сотни миллионов раз.
Это явление можно использовать также для усиления высокочастотных радиосигналов. Для этого радиосигнал нужно сначала преобразовать в ультразвуковой, а затем вновь — в радиосигнал. Несмотря на потери мощности при преобразованиях, усиление этим методом превышает возможности усилительных вакуумных ламп.
Ультразвук, как и электромагнитные волны, теперь можно обрабатывать радиотехническими способами — генерировать, усиливать, модулировать, фильтровать и т. д. А это открывает перед ультразвуком большие перспективы в области средств связи. В среде, где не распространяются радиоволны, например под водой, на помощь приходят усилители ультразвука.
В комитете по делам изобретений и открытий было зарегистрировано фундаментальное открытие на стыке двух наук — электроники и акустики: так называемые акустоэлектронные эффекты в проводящей среде. Многие важнейшие свойства вещества обусловлены наличием в нем свободных электронов, способных переносить заряд. Это такие свойства вещества, как электропроводность, магнитные и оптические свойства, теплопроводность и другие свойства, которые лежат в основе действия всех электронных приборов. При этом оказывается, что характеристики таких приборов зависят от того, какие там «работают» электроны, т. е. какими они обладают энергиями, скоростями, как они связаны с окружающими атомами.
Возникает вопрос, как же рассортировать электроны по энергиям. Авторы открытия установили. что «сортировку» электронов можно производить при помощи ультразвука, поскольку ультразвуковое излучение высокой частоты (свыше 10 мГц), проходя через проводящую среду (например, через магнитное поле), увлекает за собой электроны в одних энергетических состояниях гораздо сильнее, чем в других. Стало быть, варьируя частотой ультразвука, можно выделять нужную группу электронов и анализировать ее свойства. По сути дела, открыт совершенно новый класс явлений, где движущей и разделяющей силой для электронов является ультразвук, а не электрическое поле или перепад температур, считавшиеся «двигателем» электронов. Так, например, при наложении магнитного поля в направлении, перпендикулярном направлению распространения звука, в кристалле возникает электродвижущая сила, значение и направление которой дают информацию об электронах в кристалле, а следовательно, и о свойствах кристалла. Авторы назвали этот эффект акустомагнитоэлектрическим.
При проведении экспериментов было получено множество других (побочных) эффектов, предоставляющих возможность для практического применения результатов открытия. В нашей стране и за рубежом акустомагнитоэлектрический эффект уже используется на практике для анализа свойств кристаллов. Применение усиленного ультразвука при исследовании взаимодействия электронов с упругими волнами помогает раскрыть новые, ранее неизвестные свойства веществ. Так, при исследовании сульфида кадмия было обнаружено необычное явление — волнообразный перенос тепла в твердом теле. Его можно представить как волнообразное изменение температуры, распространяющееся вдоль кристалла в направлении движения ультразвуковых волн. Если осветить кристалл сульфида кадмия и одновременно пропустить через него ультразвуковые колебания, то возникающее электрическое поле создает электродвижущую силу вдоль направления распространения волны. Во время эксперимента получен ток напряжением 100 В.
Отсюда появилось еще одно направление. Когда ультразвук проходит через границу двух веществ, одни электроны сменяются другими, например, более энергичные — менее энергичными. При этом на границе выделяется тепло, а сама граница охлаждается. На подобном явлении основан принцип работы холодильных установок. Но в отличие от него охлаждение в данном случае может продолжаться до очень низких температур, близких к абсолютному нулю. Не исключено, что взаимодействие ультразвука с электронами в будущем станет распространенным рабочим эффектом для получения сверхнизких температур и послужит основой для разработки оригинальных методов исследования проводящих средств и создания новых электронных приборов и устройств.
Одним из центров акустоэлектроники стал Институт физики полупроводников Сибирского отделения Академии наук. Его ученым удалось обнаружить новые, не известные ранее эффекты. Например, возникновение сопутствующих поверхностных колебаний, эффект прохождения упругой волны через вакуумный зазор между двумя пьезоэлектриками и ряд других интересных явлений. Стало возможным создание разнообразных приборов обработки информации линии задержки, полосовые фильтры со сложной и даже электрически перестраиваемой характеристикой, фильтры для фазоманипулированных сигналов, стабилизаторы частоты и многие другие устройства. Все они отличаются очень малыми габаритными размерами и простотой технологии. Исследования института послужили базой для практического использования акустоэлектроники в промышленности и народном хозяйстве страны.
Ультразвук — хранитель времени. Появились часы третьего тысячелетия. Этому способствовало тоже содружество радиоэлектроники и ультразвука. Горный хрусталь когда-то служил часовым стеклышком, прикрывавшим дорогие золотые стрелки, а теперь он выполняет роль маятника — сердца часового механизма. Его можно сравнить с камертоном или задающим генератором, поддерживающим определенную частоту, в данном случае почти два миллиона импульсов в минуту. Чтобы точно отмерить минуту, нужно их безошибочно пересчитать. А как? Сейчас уже созданы быстродействующие электронные счетчики, умещающиеся в крошечном
