Техника - молодёжи 1966-12, страница 10

БУТЕРБРОД ИЗ КРИСТАЛЛОВ

Ыормальной работе усилителей ультразвука мешал еще "один недостаток. Электроны в сульфиде кадмия сравнительно малоподвижны. Чтобы разогнать их до скорости, превышающей скорость ультразвука, приходится прилагать очень большое напряжение. От этого кристалл сильно нагревается и может выйти из строя.

Было бы неплохо применить материал, в котором электроны двигались бы проворнее, чем в сульфиде кадмия. В природе немало полупроводников с таким свойством. Например, электроны в онтимониде индия InSb почти в 300 роз подвижнее, чем в CdS. Но антимонид индия не пьезоэлектрик. Нельзя ли возложить на него обязанности полупроводника, а для выполнения свойств пьезоэлектрика оставить ло-преж-нему сульфид кадмия? Тогда без всякого ущерба можно будет применять ток значительно меньшей мощности.

Эта идея была положена в основу усилителя ультразвука с чередующимися тонкими слоями CdS и InSb.

В слоях антимонида индия электроны под действием напряжения легко разгоняются до нужной скорости. Они взаимодействуют с электрическим полем ультразвука, распространяющимся в слоях сульфида кадмия, и усиливают колебания.

Так была решена одна из проблем. Но много еще не выясненных вопросов ждут своаго часа, и конструкция усилителей ультразвука непрерывно улучшается. Уже сейчас иа кристалле сульфида кадмия получено усиление в 50 тыс. раз! Размер такого прибора не больше кукурузного зерна.

МАСТЕР НА ВСЕ РУКИ

Около полувека люди с успехом применяют ультразвук в своей практической деятельности: при обработке деталей, в дефектоскопии, для коагуляции дыма, облаков или, наоборот, длА эмульгирования каких-либо веществ, в гидролокации, радиоэлектронике, для массажа и диагностики больных, для стирки белья, для искусственного старения вин.

Использование усилителей для ультраз!укового «просвечивания» позволило контролировать детали такой толщины и выявлять в них такие мелкие дефекты, которые раньше невозможно было обнаружить никакими средствами. А в гидролокации значительно повысилась дальность обнаружения предметов под водой и улучшилась четкость их изображения.

Усилители ультразвука широко используются в радиоэлектронике. Когда необходимо задержать сигнал, применяют так называемые ультразвуковые линии задержки. В них электрический сигнал преобразуется в ультразвуковой, который пропускается через образец из звукопроводящего материала и опять превращается в электрический. Поскольку скорость ультразвука в образце меньше, чем скорость электрического сигнала в проводах, это устройство как бы задерживает сигнал на какие-то доли секунды.

Такое кратковременное «запоминание» сигнала нужно в блоках памяти вычислительных машин и радиолокационных устройствах. Возможность одновременно задерживать сигнал и усиливать его раскрывает перед линиями задержки блистательное будущее.

Любопытно, что ультразвук (подобно электромагнитным волнам) можно обрабатывать всеми известными из радиотехники способами: генерировать, усиливать, модулировать, выпрямлять, фильтровать и т. д. Какие перспективы в области связи1 Представьте среду, где невозможно пользоваться радиоволнами — например, подводный мир. Вот тут-то и придут на помощь усилители ультразвука. Так на стыке двух наук: ультреакустики и радиоэлектроники — появилось новое направление — ультразвуковая радиотехника.

Сейчас много средств тратится на освоение коротковолновых участков злектромагнитного спектра, в частности инфракрасного и видимого диапазонов. Электромагнитные волны высокой частоты распространяются узкими, остронаправленными пучками без заметного рассеяния в сторону. Они используются как многоканальные линии связи. Эта связь прекрасно защищена от различных помех, и «подслушать» ее практически невозможно. Кроме того, такими пучками можно передавать в любую точку пространства колоссальное количество энергии!

То же самое наблюдается и ■ коротковолновом участке спектра звуковых воли.

По своим свойствам ультразвук во многом напоминает свет: дает звуковые тени, прямолинейно распространяется е виде узкого пучка, который можно фокусироввть, преломляется, отражается на границе двух сред и т. д.

Интенсивность слышимых звуков с большой длиной "волны очень мала. Мощность в одну миллиардную ватта мы уже

6

воспринимаем как громкий звук. Получить же ультразвук мощностью несколько киловатт нетрудно уже и сейчас. Но если все преимущества применения оптических квантовых генераторов раскрываются в пустоте, космическом пространстве, то усилители ультразвука, наоборот, нужно использовать в какой-либо плотной среде, жидкой или твердой, где ультразвук затухает слабо.

Воздействуя мощными пучками ультразвука иа давно известные процессы в веществах, например электрохимические, электромагнитные, можно получить новые виды взаимодействия — звукоэлектрохимичееки звукоэлектромагнит-ные. К каким еще необычным, удивительным открытиям приведут они ученых?

Применение усиленного ультразвука при исследовании взаимодействия электронов с упругими волнами помогло раскрыть новые, доселе неизвестные свойства материи- Например, при «работа» сульфида кадмия была обнаружено необычное явление — волнообразный перенос тепла в твердом теле. Его можно представить как волнообразное изменение температуры, распространяющееся вдоль кристалла в направлении ультразвука.

Не менее значительно и другое — акустоэлвктричеекий ток. Если освещать кристалл сульфида кадмия и одновременно пропускать через него ультразвук, то возникающее электрическое поле создаст электродвижущую силу вдоль направления распространения волны. В одном из таких экспериментов был получен ток напряжением больше 100 в! Но это же новый высокоэффективный способ преобразования механической энергии в электрическую! С его помощью, например, можно будет использовать не только механическую тягу и тепло двигателя, но н паразитный ультразвук, возникающий при его работе.

ОДИН ЗА ВСЕХ

Уже сейчас иа основе применения акустоэлектрического тока сделаны совершенно необычные конструкции.

Как ни странно, чистый однородный полупроводник служил до сих пор только в качестве пассивного элемента: сопротивления, датчика Холла. Для того чтобы он выполнял активную роль генератора или преобразователя, его приходилось искусственно загрязнять и делать «р-n» переход (структурный переход, где свойства полупроводника резко меняются).

Сульфид кадмия впервые позволил создать активное устройство без «р-п» переходов. Если осветить не весь кристалл, а только часть, его (например, поставить на пути света диафрагму), то сопротивление по длине образца будет неодинаково. Теперь приложим к нему электрическое напряжение. На освещенную и неос ещенную части кристалла будут приходиться различные величины напряжения. Когда напряжение в освещенной чости станет достаточно большим, создадутся все условия для усиления случайных акустических колебаний.

Возникает акустоэлектрический ток, направленный навстречу первоначальному току. В кристалле произойдет перераспределение напряжения. Усиление, а значит, и акустоэлектрический ток уменьшатся. Снова происходит перераспределение напряжения, в кристалле восстанавливается исходное положение, а затем процесс повторяется.

Итак, мы подали на кристалл постоянное напряжение, а получили электрические колебения. Сколько электронных ламп или полупроводниковых триодов, сколько сопротивлений, конденсаторов и индуктивностей лотребовалось бы для этого в радиотехнике!

С образца сульфида кадмия длиной всего 1 см был получен ток мощностью 50 вт и частотой 500 гц. И это только при 5% использования возможностей кристалла!

Целый мир ультразвуков окружает нас. Его излучают моря и океаны, леса и джунгли. Стихийные явления природы: молния и гром, песчаные бури, снежные бураны, землетрясения, горные обвалы — сопровождаются ультразвуком. Общий фои этих колебаний, как и естественный радиоактивный фон, каким-то образом воздействует на человека. Усилители ультразвука — окно в этот таинственный мир.

Возможно, со временем человек вторгнется в не менее интересный и до сих пор ещ i недоступный мир тихих звуков. И тогда он сможет не только увидеть молекулы под микроскопом, но и услышать, как оии взаимодействуют! Перед этим меркнет даже мечта самого заядлого фантазера — барона Мюнхгаузена — услышать рост травы.

к