Павел Ощепков - Жизнь и мечта

«Приподнимая завесу над вопросом о возможности обнаружения самолета с помощью электромагнитных волн, можно с уверенностью сказать, что проблема обнаружения самолетов на больших высотах (до 10 км и выше), на значительных дистанциях (порядка 50 км и больше), в условиях, не зависящих от атмосферного состояния и времени суток, на основе использования электромагнитных волн (ультракоротких и дециметровых) будет решена, и это явится одним из замечательнейших вкладов в науку и технику. Это явится доказательством того, что не пройдет и нескольких лет, как разница между электромагнетизмом и оптикой окончательно исчезнет и появится новое средство — электрооптика. Проблема видения ночью и в тумане очень близка к своему разрешению».

192

Из этого видно, что даже на той ранней стадии развития идеи радиолокации предполагалось, что она разовьется в систему электровидения, в электрооптику.

Теперь мы можем сказать, что такое направление действительно нашло свое отражение в развитии современной техники.

Независимо от конкретных способов решения задачи интроскопии использование различных видов излучений в широком спектральном составе связано с техникой преобразования этих излучений в оптически видимые изображения. Сейчас еще нет полностью отработанных систем преобразования всех видов проникающих излучений, но основы для их создания уже разработаны.

В своих записках я не ставил цели останавливаться на технических деталях осуществления таких систем, это не соответствует характеру книги. Но некоторые вопросы общего подхода к этой проблеме здесь следует затронуть.

При решении любой проблемы, любой задачи ее надо прежде всего всесторонне проанализировать. В главе «Пять принципов» я попытался дать основные принципы подхода к решению новых проблем. И если бы спросили, пользуюсь ли я сам в своей практике этими принципами, то я ответил бы: да, пользуюсь, для меня они всегда служат в практике творчества руководящими. Проблема интроскопии не составляет исключения. Да и не только я, но и многие другие люди при решении научных и технических вопросов руководствуются именно этими пятью Принципами.

Для того чтобы показать возможность решения задачи интроскопии в широком диапазоне энергетического спектра различных видов излучений, остановлюсь на рассмотрении трех основных принципов подхода к этой задаче.

Мы уже видели, что даже существующие электроннооптические преобразователи, имеющие чувствительность в весьма ограниченной области инфракрасного излучения, позволяют построить некоторые простейшие интроскопы для изучения ряда непрозрачных материалов и сред. Но можно ли построить преобразователи для других видов излучений?

На первый взгляд такая задача кажется невероятно трудной и сложной.

193

В 1936 г., например, профессором С. Я. Соколовым была высказана идея создания ультразвукового микроскопа, основой которого был бы электронно-акустический преобразователь, т. е. преобразователь, способный принимать и преобразовывать изображение, сформированное в ультразвуковых волнах, в оптически видимое изображение. В течение многих лет над решением этой задачи работали сам профессор С. Я. Соколов и ряд институтов. Однако до недавнего времени она оставалась нерешенной. И можно утверждать, что если бы не новый подход к задаче, то проблема создания электронно-акустических преобразователей изображений оставалась бы нерешенной и до сих пор.

Дело здесь совсем не в том, что разрабатывающие организации или отдельные изобретатели недостаточно владели техническими знаниями. Конечно, нет. Все они старались привлечь для решения задачи арсенал современных средств электронно-вакуумного приборостроения.

И тем не менее задача не поддавалась решению.

На примере создания электронно-акустических преобразований современного типа можно наглядно проследить практику применения диалектического анализа.

Многие авторы у нас, да и за рубежом, при попытках решить такую задачу исходили из того, что для одновременного приема многих элементов ультразвукового изображения необходимо использовать плоский пьезоэлемент, толщина которого находится в соответствии с резонансной частотой принимаемого излучения. А так как для считывания электрических зарядов, образующихся на обратной стороне такого пьезоэлемента, необходимо использовать электронный луч как средство наиболее быстрого считывания, то, следовательно, такой пьезоэлемент необходимо встраивать непосредственно в электронно-вакуумный прибор.

Любое техническое решение задачи должно было удовлетворять в этом случае двум условиям, а именно: ультразвуковые волны не распространяются в вакууме, следовательно, приемная сторона пьезоэлемента должна обязательно иметь возможность непосредственного контакта с твердой или жидкой средой, в которой распространяются ультразвуковые волны; с другой стороны, электронный луч не может существовать вне вакуума, для его распространения и управления им необходима вакуумная среда. Принципиальное противоречие здесь налицо.

194

Много усилий было потрачено (да и сейчас, еще, наверное, тратится) на то, чтобы решить эту задачу технологическим приемом. Многие авторы, в том числе и я, на ранней стадии разработки этой проблемы, полагали: если бы удалось осуществить вакуумно-плотный спай пьезоэлектрической керамики (или какого-либо другого пьезоэлектрического материала) со стеклом, металлом и т. п., то можно было бы удовлетворить указанным выше двум условиям. А тогда оказалось бы возможным создать такой электронно-вакуумный прибор, в котором пьезоэлемент имел бы непосредственный контакт и с внешней средой, и с вакуумом, значит, его в этом случае можно было бы встроить непосредственно в стенку электронновакуумного прибора, он мог бы служить «входным окном» в прибор.

К сожалению, даже преодоление этих чрезвычайных технологических трудностей не открывает пути к созданию настоящего электронно-акустического преобразователя изображений.

Вакуум-плотное соединение пьезоэлектрических материалов (титанат и цирконат бария, кварц, сульфат аммония и др.) с металлом, керамикой и стеклом, т.е. с теми материалами, которые идут на изготовление электронновакуумных приборов, представляет огромные трудности: отсутствует согласованность по температурному коэффициенту расширения, нет взаимной смачиваемости, нет достаточной вакуумной плотности у самих пьезоэлектрических материалов типа титаната бария. Кроме того, для освобождения от газов любой электронно-вакуумный прибор в процессе своего изготовления подвергается нагреву до 400—500° С, пьезоэлемент же такого нагрева не допускает, так как при этом снимается его поляризация.

Имеется и ряд других технологических трудностей на этом пути.

Но самым главным препятствием надо считать высокое значение атмосферного давления, приходящегося на приемный пьезоэлемент. Судите сами. Толщина приемного пьезоэлемента должна быть согласована, как известно, с принимаемой волной — она должна быть равна половине длины волны. Из этого следует, что чем выше частота принимаемого ультразвукового излучения, тем тоньше должна быть приемная пьезоэлектрическая пластина. Но, будучи встроенной (допустим, что все технологические трудности преодолены) в качестве входного окна в стенку электронно-вакуумного прибора, пластина должна будет выдерживать на себе все атмосферное давление.

195

Схема преобразователя излучений

А если такой прибор предназначен для работы в подводных условиях и на большой глубине или в машинах высокого давления, то еще следует учесть и гидростатическое давление. На пьезоэлемент площадью всего 100 см2 будет приходиться давление в несколько сот килограммов! А так как толщина пьезоэлектрической пластины даже при низких мегагерцевых частотах составляет только доли миллиметра, то ни о какой механической прочности, об устойчивости ее указанному давлению говорить не приходится.

Это уже не техническое, а принципиальное препятствие, и преодолеть его нельзя даже самыми искусными технологическими приемами. Было время, когда создание электронно-акустического преобразователя считалось вообще невозможным.

И все же оказалось, что, несмотря на огромные трудности, решить задачу можно. Методологический анализ в сильной степени помог нам найти новый путь решения и преодолеть все перечисленные препятствия. Мы пришли к выводу, что прибор должен строиться не как акустический преобразователь, а как преобразователь внешнего электрического изображения — электрического рельефа, ибо при падении ультразвуковых волн на поверхность приемной пьезоэлектрической пластины кончается их существование как формы энергии. С обратной стороны пьезоэлектрической пластины мы имеем уже не ультразвук, а электрическое поле, и, следовательно, вся задача может быть сведена к преобразованию в видимое изображение именно этого электрического поля.