Тим Скоренко - Изобретено в СССР

Но дефектоскопия была лишь первым шагом.

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.

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.