О неслышимых звуках

Глава 7. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСКОП

Для того чтобы понять действие ультразвукового микроскопа, вспомним те свойства световых лучей, которые используются в обычном оптическом микроскопе.

Если на пути солнечных лучей поставить двояковыпуклое стекло, произойдет преломление лучей и они соберутся в одной точке, в фокусе. Линзы дают возможность управлять движением лучей света и получать изображения предметов, увеличенные во много раз. В различных веществах световые лучи распространяются с различной скоростью. Именно эта разница в скоростях распространения и является причиной преломления лучей.

Распространение ультразвуковых волн подчиняется тем же самым законам, что и распространение световых волн. Ультразвуковая волна может отражаться и преломляться так же, как отражаются и преломляются световые волны. С помощью специальных ультразвуковых линз и собирающих зеркал физики научились управлять движением ультразвуковых волн.

Скорость ультразвука в жидкости, называемой четыреххлористым углеродом, значительно меньше, чем в воде, Приготовив из тонкой алюминиевой фольги кожух в форме двояковыпуклой чечевицы и наполнив его четыреххлористым углеродом, мы получим ультразвуковую линзу. Такая линза будет собирать идущие в воде ультразвуковые лучи в одну точку. Однако в воздухе эта линза будет рассеивать ультразвук, делать волну расходящейся, так как скорость звука в четыреххлористом углероде значительно больше, чем в воздухе.

Обычно ультразвуковые линзы делают из твердых веществ. При этом необходимо помнить, что скорость звука в твердых телах значительно больше, чем в жидкостях или газах. Этим объясняется то, что собирающие ультразвуковые линзы в этом случае имеют форму вогнутых, а не выпуклых чечевиц. Рассеивающие же линзы должны быть выпуклыми. На рис. 62 изображена ультразвуковая линза из пластической массы, известной под названием плексигласа. Для лучшей передачи колебаний кварцевая пластинка 1 плотно прижимается к плоской поверхности собирающей линзы 3. Передняя полость 2 наполняется водой и заклеивается тонкой металлической фольгой. Такое устройство предохраняет плексиглас от действия тех жидкостей, в которые погружена линза.

Собираемые линзой ультразвуковые колебания можно значительно усилить, если расположить излучающую кварцевую пластинку на наполненном воздухом барабанчике, а барабанчик затянуть тонкой металлической фольгой. Тогда ультразвуковые колебания будут отражаться от поверхности, граничащей с воздухом, и направляться почти целиком в сторону линзы.

Для изучения преломления ультразвуковых лучей удобно воспользоваться вызываемой ими оптической неоднородностью жидкости, в которой они распространяются. Применяя вместо прерывистого освещения источник света постоянной яркости, мы получим изображение ультразвуковой волны в виде светлого луча. Именно так сфотографирован ультразвуковой луч, создаваемый в жидкости колеблющейся кварцевой пластинкой (рис. 63).

Расположив на пути этого луча выпуклую линзу из плексигласа, можно сделать его расходящимся (рис. 64). Наоборот, вогнутая линза соберет его в одну точку (рис. 65).

Собирая в одну точку распространяющиеся в масле сравнительно слабые ультразвуковые колебания, линза настолько увеличивает их интенсивность, что на поверхности масла возникает высокий фонтан, вытянутый вверх в виде узкой струйки.

По мере уменьшения длины волны ультразвука сходство в поведении ультразвуковых и световых лучей возрастает. Современная ультраакустическая техника дает возможность получать ультразвуковые волны, близкие по длине к волнам видимого света.

С помощью таких ультразвуков удалось осуществить акустическое «изображение» различных предметов. Полученное изображение можно при желании увеличить. Эти-то свойства ультразвука и были использованы при устройстве ультразвукового микроскопа.

На рис. 66 рассматриваемый предмет — изогнутая проволочка 2 — помещен в ванну, наполненную жидкостью. На него падает пучок коротких ультразвуковых волн, посылаемых кварцевой пластинкой 1. Отраженные ультразвуковые колебания фокусируются акустической линзой 3, и на приемной кварцевой пластинке 4 получается изображение предмета. При акустическом изображении светлым участкам оптического изображения будут соответствовать участки, на которые падают наиболее интенсивные ультразвуковые колебания, оказывающие на пластинку большее давление, сильнее воздействующие на нее.

Теперь задача заключается в том, чтобы превратить скрытое акустическое изображение в видимое. Это удается осуществить, воспользовавшись зависимостью электрических свойств кварцевой пластинки от давления. В результате давления на приемной пластинке возникают электрические заряды. Чем больше интенсивность падающих на пластинку ультразвуковых колебаний, тем больше воздействие их на нее, а следовательно, тем сильнее возникающий электрический заряд. Распределение электрических зарядов на пластинке будет соответствовать тому самому изображению рассматриваемого предмета, которое и надо сделать видимым.

Приемная пластинка 4 служит дном катодной трубки 5. Узкий пучок катодных лучей падает на внутреннюю поверхность приемной пластинки и выбивает из нее так называемые вторичные электроны. Выбитые электроны собираются на специальном электроде 6. Число выбитых электронов из какой-либо точки приемной пластинки зависит от ее заряда в этой точке. Если катодный луч будет двигаться по поверхности пластинки, он будет попадать на участки, различающиеся зарядом, и, следовательно, выбивать разное количество вторичных электронов. Выбитые электроны, двигаясь внутри трубки, создают электрический ток переменной силы. Сила тока изменяется в зависимости от положения катодного луча на приемной пластинке и распределения зарядов на ней, то есть от того, какое получено на ней ультразвуковое изображение.

Катодный луч заставляют прочертить полосу за полосой всю поверхность пластинки.

Начав движение в точке А (рис. 67), катодный луч бежит вдоль строки и, добежав до ее конца, очень быстро перескакивает в начальную точку следующей строки, расположенной чуть ниже, чем первая, и движется с прежней скоростью до края пластинки. Путешествуя так, луч прочерчивает за 1 секунду 20–30 строк. Когда луч прочертит весь квадрат, изображенный на рисунке, он перескакивает вновь в точку А, и движение его повторяется.

При этом движении сила тока, текущего через трубку 6 (рис. 66), изменяется в зависимости от полученного на приемной пластинке изображения. Специальный прибор 7 усиливает эти изменения, и они подаются на сетку 8 электронной трубки 9. Изменение силы тока вызывает соответствующие изменения интенсивности луча в электронной трубке осциллографа. Если синхронизировать, как это делается в телевидении, движение лучей в приемной трубке и в трубке осциллографа, то на экране мы получим видимое изображение предмета, рассматриваемого в ультразвуковой микроскоп. Увеличение ультразвукового микроскопа зависит от особенностей приемной трубки 5 и трубки катодного осциллографа 9.

Согласно расчетам, в ультразвуковом микроскопе возможны увеличения в несколько десятков тысяч раз.

Для «освещения» рассматриваемого в ультразвуковой микроскоп предмета пригодны как непрерывные ультразвуковые волны, так и отдельные ультразвуковые импульсы.

Ультразвуковому микроскопу можно придать иные конструкции, сохранив принцип его действия. В одной из них ультразвуковое изображение получают на внешней поверхности пьезоэлектрической пластинки 1 (рис. 68), внутренняя поверхность которой освещается равномерно ультрафиолетовыми лучами 3. Под действием ультрафиолетовых лучей с внутренней поверхности пластинки, являющейся дном вакуумной трубки 2, вылетают электроны, которые ускоряются электрическим полем и, пройдя через специальные магнитные и электрические линзы, падают на флуоресцирующий экран 5. На экране будет видно изображение источника электронов — пьезоэлектрической пластинки 1. Выбивание электронов ультрафиолетовыми лучами зависит от величины зарядов, возникших на пластинке под действием падающих на нее ультразвуковых колебаний. Распределение интенсивности последних в свою очередь определяется тем акустическим изображением, которое получается на приемной пластинке. Поэтому на экране 5 мы увидим увеличенным рассматриваемый предмет.

Не переставая совершенствовать свое изобретение, С. Я. Соколов значительно упростил конструкцию ультразвукового микроскопа.

Как и раньше, рассматриваемый предмет 2 помещается в жидкость 4 и «освещается» однородным ультразвуковым пучком, посылаемым кварцевой пластинкой 1 (рис. 69). Отразившись от предмета, ультразвуковые лучи попадают на зеркало 3, которое отбрасывает изображение рассматриваемого предмета на поверхность жидкости. Когда ультразвуковые лучи достигают поверхности жидкости, они вызывают появление на ней характерной ряби. Если пользоваться ультразвуковым лучом с малой длиной волны, рябь получается очень равномерной. Осветив поверхность жидкости косо падающим пучком света, можно отбросить на экран 6 изображение поверхности, на котором четко будут видны все неровности, создаваемые ультразвуковым изображением. В ультразвуковом микроскопе новой конструкции, как это показано на рис. 70, можно получать изображение рассматриваемого предмета также и с помощью линзы. И в этом случае на фоне ряби, создаваемой ультразвуком, четко вырисовывается изображение рассматриваемого предмета.

Качество оптических приборов зависит от их разрешающей способности, определяемой наименьшим расстоянием между двумя точками, которое можно различить с помощью данного прибора. Если точки находятся на расстоянии, меньшем, чем разрешающая способность прибора, они будут казаться нам слившимися в одну.

Чем короче длина волны, тем больше возможная разрешающая способность. Ультразвук с частотою в миллиард колебаний имеет длину волны, близкую к длинам волн видимого света. Однако разрешающая способность ультразвукового микроскопа в сильной степени зависит и от свойства кварцевой пластинки, создающей ультразвуковой луч. Что же касается длин волн, то полученные в настоящее время короткие ультразвуковые волны не предел, и можно надеяться достигнуть в ультразвуковом микроскопе большей разрешающей способности, чем в микроскопе оптическом. На рис. 71 изображен ультразвуковой микроскоп.

Область возможных применений ультразвукового микроскопа очень широка, так как он позволяет рассматривать то, что нельзя увидеть ни простым глазом, ни в оптический микроскоп. На рис. 72 изображена полученная с помощью ультразвукового микроскопа (при десятикратном увеличении) фотография проволочки, погруженной в непрозрачную жидкость.

При рассматривании изображений в ультразвуковом микроскопе следует помнить, что светлые и темные участки их не совпадают со светлыми и темными участками изображений в оптическом микроскопе. Небольшие пустоты в твердом теле, которые мы ожидаем видеть как более светлые участки, в действительности оказываются более темными в силу отражения или поглощения ультразвука. На рис. 73 воспроизведено ультразвуковое изображение стеклянной палочки (слева) и стеклянной трубочки (справа). Стекло пропускает ультразвуковые колебания, и поэтому на изображении палочки имеются светлые участки. Через трубочку, наполненную воздухом, ультразвук не проходит, и поэтому она дает ровную тень.

Ультразвуковой микроскоп позволяет обнаружить дефекты металлических покрытий, нанесенных на кварцевую пластинку. На рис. 74 ясно видны светлые пятна, напоминающие звездочки, — это области, где серебряное покрытие неплотно пристало к пластинке и потому отслоилось. Другим способом обнаружить такие изъяны очень трудно.

Ультразвук весьма чувствителен к изменению плотности вещества. Поэтому струйки нагретой жидкости (рис. IV, в) будут точно регистрироваться ультразвуковым микроскопом. Инженеры и ученые могут следить за тепловыми потоками, возникающими в жидкостях. Если жидкость прозрачна, пользуются оптическим методом. Для непрозрачных же веществ ультразвуковой микроскоп незаменим. Именно он дает возможность узнать, как надо конструировать различные нагреватели, какую придавать им форму, чтобы тепловые потоки жидкости возможно быстрее переносили тепло и вся жидкость нагревалась равномерно.

Прозрачность воды примерно такая же, как и прозрачность керосина, поэтому оптическими методами трудно получить изображение капелек воды в керосине. Взгляните на рис. IV, б. Ультразвуковой микроскоп обнаружил капельки воды в керосине, и каждая капелька как бы обведена четкой белой рамкой.

Особенно велико значение ультразвукового микроскопа при отыскании дефектов в металле. Даже скрытый глубоко под поверхностью металла изъян не ускользнет от его зоркого глаза. На рис. IV, а показаны ультразвуковые изображения дефектов, обнаруженных на глубине 600 и 110 миллиметров.

Если ультразвуковое изображение наблюдают на поверхности жидкости, оно оказывается выпуклым, как бы объемным. Именно так было получено изображение слова «Москва» (рис. 75), буквы которого были сделаны из тонкой проволоки.

Замечательные свойства ультразвукового микроскопа, о которых мы рассказали, и в первую очередь возможность с его помощью рассматривать в увеличенном виде предметы, скрытые от человеческого взора толстым слоем непрозрачного вещества, обеспечивают широкое применение этого прибора в самых разнообразных областях науки и техники.

То, что рассказано в этой книге, не исчерпывает всех применений ультразвука. Мало рассказали мы об использовании ультразвуков в научных исследованиях. Так, например, изучая распространение ультразвука в газах, можно исследовать процессы, происходящие при соударении газовых молекул. Физики знают, что при этом молекулы переходят в особое «возбужденное» состояние. Исследовать подробности процесса, выяснить время жизни возбужденной молекулы, влияние различных добавок к газу и целый ряд других интересных вопросов позволяют ультразвуки.

Ультразвуки помогают следить за ходом химических реакций, узнавать состав различных смесей.

Изучение неслышимых звуков развивается настолько быстро, что почти каждый номер различных физических журналов приносит известия о новых достижениях в деле изучения свойств ультразвуков и их использования на помощь человеку.

Ультразвуки все шире применяются в различных областях человеческой деятельности. Уже сейчас их с успехом используют в своей работе не только физики, но и химики, биологи, инженеры, врачи…

В многочисленных лабораториях институтов ученые открывают все новые и новые способы использования ультразвуков для блага человечества.