Тим Скоренко - Изобретено в СССР

В 1960-х годах другой советский физик, Андрей Коломенский, усовершенствовал идею Векслера, предложив концепцию разрезного микротрона. По сути, он представляет собой тот же микротрон, который разрезан пополам, а полукруглые его половинки раздвинуты. При этом ускоряющий резонатор, придающий частицам разгонный импульс, остаётся между половинками. Таким образом получается гибрид циклического и линейного ускорителей – частицы разгоняются на линейном участке, разворачиваются по полукруглой траектории в одной из половинок, снова разгоняются. Это позволяет достигнуть равномерного и постоянного разгона – внутри разрезного микротрона всегда присутствуют частицы, находящиеся на той или иной стадии ускорения. Это и есть преимущество микротрона перед другими ускорителями: они обычно работают в импульсном режиме, разгоняя частицы в течение коротких периодов времени, микротрон же позволяет получать частицы высокой энергии практически непрерывно.

Несмотря на то что теоретические выкладки по микротрону были сделаны в СССР, первый экспериментальный микротрон «в металле» построили в 1948 году в Оттаве, а первую практически использовавшуюся для экспериментов машину сделали ещё позже – в 1961 году в Университете Западного Онтарио (Лондон, Канада). Разрезные микротроны ввиду непрерывности потока частиц с 1970-х используются не только в лабораторных исследованиях, но и на практике – для радиотерапии.

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.

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 ультразвуковой 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.