Техника - молодёжи 1980-12, страница 12

С первых дней своей жнзни мы

слышим и произносим звуки. Звук, как известно со школьной скамьи, — это упругие колебания частиц в газах, жидкостях и твердых телах. Акустика, занимающаяся детальным исследованием звуковых явлений, существует уже более двух веков, но только в последнее десятилетие физикам удалось создать звуковой источник принципиально нового типа.

ЗВУКОВАЯ «ЛЕСТНИЦА»

Окружающая природа насыщена звуковыми сигналами с частотой от каких-то долей герца до миллиардов герц. Из этого довольно широкого интервала наши уши воспринимают акустические волны с частотой лишь от 16 до 20 тыс. Гц. Звуки с меньшей частотой мы называем инфразвуками, а с большей — ультразвуками. Верхнюю ступеньку ультразвуковой «лестницы» занимают гиперзвуки, частота которых превышает миллиард герц.

Последнее двадцатилетие развития физики по праву называют эпохой лазеров. Резка металлов, локация, управляемый термоядерный синтез, глазная хирургия — вот нынешние профессии лазеров. Но, к сожалению, лазеры не всесильны, их лучи не могут проникать сквозь толщу непрозрачных твердых тел и жидкостей, аэросуспензий и аэроэмульсий (туманов).

С другой стороны, давно известно, что ультразвуковым волнам такие преграды нипочем. Напротив, для их распространения даже необходимо наличие частиц (молекул) — переносчиков акустического импульса.

Многие важные промышленные процессы протекают с облучением ультразвуком вещества в твердой или жидкой фазе. Примеры — флотация руд, адсорбция газов, пайка, жидкостная экстракция лекарственного сырья. Ультразвук широко используется и в дефектоскопии. Разумеется, для производственников нужны весьма мощные источники ультразвука. Поэтому возникла потребность в создании усилителей ультразвуковых волн. Многие лаборатории мира денно и нощно работали в этом направлении.

ОТ ЛАЗЕРА-К ГИПЕР-ФАЗЕРУ

ВЛАДИМИР СУДЕЙЧЕНКО,

инженер,

Харьков

Еще в 1958 году научные сотрудники Физико-технического института Академии наук УССР А. И. Ахие-зер, В. Г. Барьяхтар, С. В. Пелет-минский опубликовали статью, в которой математически обосновали новое физическое явление — магни-тоакустический резонанс. Но практически оно было открыто неожиданно.

ЭФФЕКТ ХАТСОНА

В начале 1961 года мало кому известный английский физик А. Хатсон занимался изучением акустических свойств полупроводников. Объектом его исследования была небольшая пластинка сульфида кадмия. Хатсон подвергал ее воздействию слабого ультразвука. Чтобы вовлечь в акустический «ветер» большее число электронов, он направлял на нее световой поток. За счет поглощения фотонов они покидали атомы и становились «свободными». Проводимость образца увеличивалась. Однажды Хатсону пришло в голову подать на грани пластинки разность потенциалов.

Повышая напряжение, ученый следил за экраном осциллографа. На нем световая точка вырисовывала кривую изменения интенсивности ультразвука на выходе. И вдруг кривая резко подпрыгнула вверх! Хатсон понял: при некотором на

пряжении ультразвук скачкообразно усиливается! Но почему?

Оказывается, под воздействием разности потенциалов электроны в кристалле приобретают определенную скорость дрейфа. Растет напряжение — растет и скорость направленного движения носителей заряда. При некотором его значении она начинает превышать скорость распространения ультразвука в кристалле, и тут-то происходит чудо. Электроны отдают свою избыточную энергию акустической волне, как бы «подпитывают» ее и в результате усиливают в миллионы раз! (Подробное описание этого явления приведено в статье Ю. Филатова «Реформатор ультраакустики CdS», опубликованной в «ТМ» № 12 за 1966 г. — Примеч. ред.)

Новый тип усилителей ультразвука окрестили фазерами. Этот термин произведен от аббревиатуры «лазер» с заменой первой буквы, так как согласно современным теоретическим представлениям элементарным носителем акустической энергии является квазичастица — фонон.

По расчетам теоретиков выходило: чем выше частота, на которой действует фазер, тем больший объем информации можно передать с его помощью. Неудивительно, что работы экспериментаторов были направлены на создание подобного лазеру когерентного усилителя гиперзвука. Эту возможность обосновал в 1961 году американский профессор К. Киттель в статье под сухим, сугубо научным названием «Усиление гиперзвука, основанное на акустическом парамагнитном резонансе, в инвертированной системе спин-уровней парамагнитных центров». Но осуществить ее впервые удалось советским ученым.

ДЕТИЩЕ ХАРЬКОВСКИХ ФИЗИКОВ

В 1973 году группа сотрудников Института радиофизики и электроники АН УССР под руководством доктора физико-математических наук Е. М. Ганапольского построила первый действующий гиперфазер.

УСТРОЙСТВО ГИПЕРФАЗЕРА. Цифрами обозначены: 1 — рубин; 2 — резонатор; 3 — СВЧ-генератор с антенной; 4 — концентратор; 5 — слой окиси цинка; 6 — подслой алюминия; 7 — рубашка, охлаждаемая жидким гелием; 8 — магнит; 9 — электромагнитная волна; 10 — усиленный гиперзвук.

ю