Техника - молодёжи 1966-12, страница 9
Ю. ФИЛАТОВ, инженер РЕФОРМАТОР УЛЬТРААКУСТИКИ Говорят, я Бразилии стнло обычаем носить перстни е драгоценными камнями, которые укязыяяют на профессию их владельца. Например, по рубину можно срязу узнать юриста, по изумруду — врача, по сяпфиру — инженера-строителя. Следуя этому примеру, специалисты в области ультря-акустики с полным правом могут выбрать кристалл сульфида кадмия. СОПЕРНИК ЛАЗЕРОВ Когда американские ученые Хатсон, Макфи и Уайт в 1961 году, пропуская через кристалл сульфида кадмия ультразвук, обнаружили, что в определенном режиме эти ультразвуковые волны усиливались внутри кристалла в сотни реэ, никто из них, видимо, не воскликнул: «Эврика!» Как и многие современные открытия, усиление ультразвука было предсказано теоретически. Среди всех кристаллов сульфид кадмия, пожалуй, самый необычайный по своим свойствам. Во-первых, он, подобно кварцу, пьезоэлектрик. Растягивая или сжимая пластинку кристалла, можно получить на ее поверхности отрицательные или положительные заряды. Во-вторых, он полупроводник. Причем такой полупроводник, электрическое сопротивление которого по желанию легко изменить. Нужно лишь освещать кристалл с разной интенсивностью. Сочетание этих свойств и позволило проделать удивительный эксперимент. Пропустим через сульфид кадмия продольную ультразвуковую волну. Так как движение ее происходит периодическими сжатиями и растяжениями среды, в кристалле возникает электрическое поле, направленное в ту же сторону и изменяющееся по тому же зекону, что и ультразвук. Теперь осветим кристалл, уменьшим его сопротивление и пропустим электрический ток таким образом, чтобы электроны двигались в одном направлении с ультразвуком. Регулируя напряжение, можно заставить их двигаться быстрее или медленнее. В то время, пока скорость электронов не достигла скорости распространения ультразвука, мы не обнаружим ничего нового. Но как только их скорость превысит заветный рубеж, электроны, взаимодействуя с электрическим полем ультразвука, отдадут ему свою энергию. Ультразвук усилится. По подсчетам ученых, такое усиление может достигать 10401 Если бы самый слабый писк комара, который можно услышать человеческим ухом, усилить бы на эту величину, то он звучал бы в тысячу миллиардов раз мощнее рева реактивных двигателей! КРИСТАЛЛ-ХАМЕЛЕОН Сама по себе конструкция усилителя ультразвука довольно проста. Стерженек сульфида кадмия освещается лампой. Через металлические контакты на торцах кристалла пропускается ток. К ним же присоединяются преобразователи. Они состоят из пластинки пьезоэлектрика, например кварца, заключенной между двумя электродами. В зависимости от того, подается на электроды напряжение или ультразвук попадает на пластинку, кварцевые преобразователи могут работать как источником, так и приемником ультразвука. Но первые же эксперименты показали ограничения такой конструкции. Вернее, не всей конструкции, а только кварцевых преобразователей, которые не могли обеспечить достаточно интенсивного пучка ультразвука и передавать ого в кристалл с малыми потерями. И вот почему. Изготовление преобразователей на какую-либо частоту звука сковано рамками очень невыгодного соотношения; толщина кварцевой пластинки преобразователя пропорциональна половине длины звуковой волны. Поэтому для получения ультразвука, например, с частотой сто миллионов герц и, следовательно, очень малой длиной волны кварцевая пластинке должна иметь толщину менее трех сотых миллиметра. Понятно, сделать такую тонкую пластинку практически невозможно. Исследователям не оставалось ничего другого, как работать на более толстых преобразователях, кпд которых был меньше 0,1%. Но получить ультразвук — это еще полдела. Важно передать его без потерь в кристалл. Вот тут мы и сталкиваемся с другой проблемой. У кварца и у сульфида кадмия разные упругие свойства, и при переходе с кварцевого преобразователя в кристалл ультразвук встречается как бы с' барьером и отражается. Чтобы сгладить этот барьер, применяют согласующие вещества с промежуточными упругими свойствами. Но даже при током согласовании часть ультразвука все же отражается от поверхности кристалла и теряется. Эти затруднения удалось преодолеть с помощью одного свойства полупроводников. При диффузии в глубь полупроводника атомов металла его электропроводность резко меняется. Например, если «внутрь» сульфида кадмия ввести атомы индия, то проводимость кристалла сильно увеличится и почти не будет отличаться от проводимости металлов. Если же атомы меди, то, наоборот, кристалл становится диэлектриком. Следовательно, на одном и том же образце сульфида кадмия можно воспроизвести все элементы конструкции усилителя ультразвука. Так и было сделано. На поверхность кристалла напылили пленки индия и меди. Образец нагрели в вакуумной печи. Атомы металлов продиффундировали в глубь кристалла и изменили его свойства. Там, где был индий, образовался слой кристалла, который вполне смог заменить электрод. А там, где была медь, появился слой диэлектрика. Он прекрасно справился с ролью пластинки пьезопреобразователя. Кпд полученных таким способом преобразователей достигает 45%' На них нетрудно возбудить даже ультразвук, длина волны которого будет соизмерима с расстоянием между атомами кристалла. Здесь наступает область квантовых эффектов, когда ультразвук удобнее рассматривать не как волну, а как поток квазичастиц — фоно-нов. Н'а спирали, изображенной на вкладке, вы можете увидеть, кан происходит усиление ультразвуиа. 1. Пьезоэффент и фотоэффект — именно эти два свойства позволили усиливать ультразвуи. При прохождении через иристалл ультразвуковой волны колебание частичек материала, их смещение из положения равновасия сопровождается образованием электрического поля. Оно будет изменяться, как и ультразвук, по синусоидальному закону. Сульфид квдмня — полупроводнин, Но его электрические свойства легко изменить. Если иристалл осветить лампой, то в нем повысится число свободных электронов (электронов проводимости) и его сопротивление уменьшится. 2. Через нристалл распространяется ультразвуковая волна, вызывающая синусоидальное электрическое поле. Это поле, действуя на свободные электроны, появившиеся при освещении, группирует их в своеобразные сгустки. К электродам кристалла приложено напряжение, иоторое разгоняет электроны. Если скорость движения электронов равна скорости распространения ультразвука, то взаимодействия электронов с ультразвуковой волной не происходит, так как при своем движении сгустки электронов все время расположены в местах, где сила,: действующая на них со стороны электрического поля, равна нулю. 3. К кристаллу приложено напряжение, которое меньше, чем в пре дыдущем случае. Электроны распространяются медленнее ультразвука, и сгустки располагаются в местах положительного поля ультразвуковой волны, иоторов старается сместить их в сторону нулевого поля. При этом ультразвуковая волна отдает свою энергию электронам, а сама затухает (ослабляется по величине), проходя через кристалл. 4. К кристаллу приложено напряжение, которое больше по величине, чем во втором случае. Электроны движутся быстрее ультразвука, и сгустии располагаются в области отрицательного поля. Они отдают свою энергию ультразвуковой волне, которая усиливается за счет таиого взаимодействия. б |
