Л. Б. ПИРОЖНИКОВ
НЕВИДИМЫЕ
НА СЛУЖБУ
СТРОИТЕЛЬСТВУ
Л. Б ПИРОЖНИКОВ
НЕВИДИМЫЕ
/жга
НА СЛУЖБУ
СТРОИТЕЛЬСТВУ
Москва
Стройиздат
1986
ББК383
П 33
УДК 691:620.179.15/16
Печатается по решению секции литературы по строительным
материалам редакционного совета Стройиздата.
Рецензент: д-р техн, наук, засл, деятель науки и техники, проф.
П.К. Ощепков
Пирожников Л.Б.
П-33 Невидимые лучи — на службу строительству. — М.:
Стройиздат, 19 86— ПО с.,ил.
Знаете ли Вы, что все существующие в природе излучения
(волны) условно разделяются на видимые и невидимые? Види-
мые - это световые волны и их мы воспринимаем глазами. А вот
инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи,
радиоволны и звуковые волны для нас невидимы. Для этих лучей
прозрачны многие тела и среды, в том числе строительные ма-
териалы. Человек давно стремился проникнуть в невидимый мир.
Для этого надо было научиться преобразовывать невидимое излу-
чение в видимое. Так было изобретено ’’волшебное око”. Как оно
устроено? Что такое интроскопия и голография?
На эти и многие другие вопросы автор попытался ответить,
адресовав свою книгу широкому кругу читателей.
..32O3OOOOOO-S58
и---------------91—84
047(01) -'86
6СЗ
© Стройиздат, 1986
ПРЕДИСЛОВИЕ
В новой Программе КПСС, утвержденной на XXVII съезде КПСС,
перед советскими строителями поставлена грандиозная задача по подня-
тию технико-экономического уровня строительства в СССР. Предусмот-
ренный планом 12-й пятилетки, огромный размах строительства связан
с выполнением крупных объемов капитального строительства, рост ко-
торых увеличивается с каждым годом.
Это, в свою очередь, требует расхода значительного количества вы-
сококачественных строительных материалов. Ведь они служат основой
строительства. От них зависит качество и стоимость строительно-мон-
тажных работ. Каждый процент уменьшения стоимости или расхода
строительных материалов дает огромную экономию средств, достигаю-
щих сотен миллионов рублей в год. Важнейшим фактором в производ-
стве строительных работ, является вопрос надежности.
Строить надо быстро, качественно и надежно! Вот задача, которую
поставил перед строителями XXVII съезд КПСС. Значит надо совершен-
ствовать методы контроля качества, используя для них новейшие дости-
жения науки и техники.
XXVII съезд КПСС выдвинул лозунг — ускорение! Но традиционные
методы изучения прочностных свойств конструкций из бетона и железо-
бетона, связанные с разрушением образцов материала и отдельных
элементов конструкций, не способны в полной мере дать ответ на вопрос
о действительном состоянии изделий. Эти методы практически неприме-
нимы для изучения работы эксплуатируемых сооружений, кроме того,
они связаны с изъятием значительной части выпускаемой, продукции.
Разрушающие методы контроля качества не способны обеспечить сплош-
ной контроль качества всех выпускаемых изделий, не дают возможность
организовать четкий, входной, операционный и приемочный контроль.
Поэтому за последние годы, в нашей стране и за рубежом проводится
большая работа по внедрению неразрушающих методов контроля качест-
ва в строительстве, в том числе при изготовлении железобетонных кон-
струкций, а также для диагностики состояния конструкций и сооруже-
ний. Эти методы основаны на достижениях современной науки и тех-
ники.
В.И. Ленин говорил: ’’Раньше весь человеческий ум, весь его гений
творил только для того, чтобы дать одним все блага техники и культу-
ры, а других лишить самого необходимого — просвещения и развития.
Теперь же все чудеса техники, все завоевания культуры станут обще-
народным достоянием, и отныне никогда человеческий ум и гений не
будут обращены в средства насилия, в средства эксплуатации”*. К та-
ким чудесам техники, которые начинают внедряться в народное хо-
зяйство, и относятся невидимые лучи, позволяющие увидеть незримое.
Человечество давно мечтало проникнуть в невидимый мир, загля-
нуть внутрь непрозрачных тел и сред. Эта мечта нашла свое отражение
в сказках и в научной фантастике. Чего только не могло ’’волшебное
око”! Оно помогало смотреть сквозь облака и густой туман, дождь
* В.И. Ленин. Поли. собр. соч., т. 35, с. 289.
3
и снег, стены и перегородки, проникало внутрь вещества, использова-
лось для поисков кладов и полезных ископаемых, для глубинного бу-
рения на суше, в океанах и морях и тд.
Ученых и изобретателей издавна привлекала идея создания такого
волшебного ока. Начиная с конца XVIII в. над проблемой проникнове-
ния в незримое работали многие исследователи. Они изучали проникаю-
щие излучения, выявляли их свойства, разрабатывали возможные спосо-
бы преобразования невидимых лучей в оптически видимые. Однако при
уровне техники тех времен было невозможно решить проблему прямого
оптического видения внутри непрозрачных для обычного света тел и
сред. Тем не менее, исследования в этом направлении не прекращались.
Только в 50-х годах XX в. стала ясна схема проникновения в незри-
мое. Ее основными элементами являлись источник проникающих лучей
и преобразователь невидимых излучений в оптически видимые.
Но лишь в настоящее время, благодаря успехам современной фи-
зики, радиоэлектроники и смежных с ними областей техники, стало
возможно говорить об осуществлении заветной мечты человечества:
было создано ’’волшебное око” - преобразователь ’’невидимых лучей”
в видимые. Проблема внутривидения вошла в число практически решае-
мых задач нашего времени.
Штурм барьера непрозрачности не прекращается и сейчас. Наука
идет вперед и независимо, какие неожиданные сюрпризы нам предложит
в ближайшее время техника внутривидения. Предпосылки к этому есть
и особенно с развитием голографии. Внутривидение начало внедряться
и в строительство. Ведь для невидимых лучей строительные материалы
становятся прозрачными, можно смотреть внутрь железобетонной пане-
ли и видеть, как уложена в ней арматура, можно выявить оплошность
любого строительного материала, определив в нем наличие раковин и
трещин, можно смотреть сквозь кирпич и мрамор, а бетон можно ’’вы-
слушивать”, как больного. Наконец, можно смотреть сквозь стену зда-
ния и видеть по другую ее сторону различные предметы. Фантастика?
Нет, реальность. Эту возможность теперь предоставляют тепловидение и
радиовидение...
Как человек проник в незримое? Что представляет собой ’’волшеб-
ное око”? Какие приборы позволили сделать непрозрачные тела и среды
прозрачными? Какое применение могут найти ’’невидимые лучи” в
строительстве?
Ответы на эти и многие другие вопросы и составляют содержание
' книги.
Учитывая серьезность темы, большой объем самых разнообразных
сведений из самых важных областей современной физики, инфракрас-
ной ультразвуковой и лазерной техники и интроскопии, автор старался
излагать текст в популярной форме, отказавшись от математических
форму и используя минимум специальных терминов. Такая форма
изложения поможет читателю, не имеющему специальной подготовки,
познакомиться с новейшими достижениями науки и техники и воз-
можностями их применения в строительстве.
Книга предназначена для читателей, которые независимо от возраста
и профессии полны живого интереса ко всему новому и прогрессив-
ному.
4
G>

еч
ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ
ю	Июль 198. . года. В воздухе гигантский советский лайнер - аэробус
ИЛ-86, совершающий очередной рейс по маршруту Москва — Влади-
w	восток. Заглянем в его салон и послушаем, о чем так оживленно бесе-
дуют двое рядом сидящих пассажиров — Профессор и Журналист.
сл	Узнав после более тесного знакомства со своим попутчиком, что
тот является специалистом по неразрушающим методам, Журналист
заявил, что знает о них только понаслышке и никогда не сталкивался
с этой областью техники. Однако он где-то читал, что в этих методах
зо	используются невидимые лучи и это, по его мнению, создает вокруг
них этакий ореол таинственности. Поэтому при упоминании о неви-
димых лучах в его воображении невольно возникает зловещая фигура
5	инженера Гарина (помните его гиперболоид?). Затем журналист доба-
вил, что не может представить себе, как можно такие ’’лучи смерти”
использовать для промышленных целей.
Профессор — Но невидимые лучи не обязательно должны быть вредны-
ми лучами. Многие из них широко применяют в промышленности.
„ г	Журналист — Пожалуйста, расскажите о невидимых лучах и их
практическом применении и поподробнее.
Профессор - Хорошо, я выполню Вашу просьбу. Начну с инфракрас-
ных (тепловых) лучей. Они довольно широко применяются в технике
«	.	и медицине. На их базе возникло тепловидение.
Журналист — Представьте, что я немного знаком с тепловидением.
Недавно я видел научно-популярный фильм ’’Борьба с лесными пожа-
рами”. Там как раз показывалось, как тепловизор, установленный на
патрульном самолете, летающем на высоте около четырех километров,
обнаруживал огонь костра, площадь которого не превышала 0,3 м2.
5
Но мне кажется, что возможности тепловизоров в этом кинофильме
несколько преувеличены. Это, по-видимому, техническая пропаганда.
Профессор — Вы неправы. Ваше недоверие объясняется Вашей неосве-
домленностью о тех возможностях, которые дает тепловидение. Кста-
ти, позволю себе заметить, что техническая пропаганда всегда оперирует
достоверными фактами. Ведь ее задача — ознакомить специалистов с
реальными возможностями той или иной области техники.
Журналист — Я прошу извинить меня за скоропалительные выводы.
Профессор — Конечно, я извиняю Вас, мой молодой друг. Чтобы
Вы лучше поняли основы тепловидения, мы начнем с ’’азов”. Так вот,
ответьте на два вопроса: можно ли увидеть тепло и какого ’’цвета”
температура?
Журналист — Поскольку я уже знаю, что тепловидение существует,
то на первый вопрос я отвечу утвердительно. А вот, что касается второ-
го вопроса, то он меня даже обидел. Вы, Профессор, считаете меня пол-
ным невеждой. Я, правда, несколько подзабыл начальный курс физики,
но не настолько. Кто же не знает, что температура не может иметь цвета!
Профессор — Вот как! Ну, что же, проделаем простой, но наглядный
опыт. Дайте-ка мне Вашу руку.
Журналист — Зачем Вам моя рука? Не собираетесь ли Вы гадать по
’’линиям судьбы”?
Профессор — Нет, Ваша рука мне нужна только для эксперимента.
Вот смотрите, я кладу на Вашу ладонь небольшой лист черной пленки.
6
А теперь внимательно смотрите не нее. Видите, в ее глубине возникло
какое-то движение? Смотрите, в нескольких местах появились корич-
невые пятна, а в центре каждого из них — красный блик. Он расширяет-
ся, оттесняя коричневую краску к краю. Но что это? В середине крас-
ного пятна уже всплыли последовательно: оранжевое, желтоватое, зе-
леное, голубое и синее. И каждый цвет, растекаясь по пленке, гонит
перед собой словно камень, брошенный в воду, концентрические волны
предыдущих цветов.
Почему у Вас дрожит рука? Ведь ничего страшного не происходит
и Вашему здоровью ничего не грозит. Все, что мы сейчас с вами наблю-
даем, относится к врачебной диагностике. Так что будьте терпеливым
и ждите окончания эксперимента. Осталось уже недолго. Да вот уже
и все. Смотрите, появились небольшие фиолетовые пятнышки и теперь
уже цветные блики больше не ’’выныривают” из недр пленки. Видите,
комбинация пятен образовала на черном фоне многоцветное изображе-
ние ладони. Вот и получили видимое изображение температуры вашей
руки!
Журналист — Невероятно! Это просто чудеса!
Профессор — Никаких чудес нет. Просто на эту пленку нанесен слой
жидкого кристалла.
Журналист — Это же абсурд, Профессор! Кристалл и жидкий? Это
что-то вроде холодного кипятка или горячего льда!
Профессор - Конечно, термин ’’жидкие кристаллы” звучит непри-
вычно и кажется нелепостью. Но наука подтвердила право на сущест-
вование жидких кристаллов, и они сейчас начинают широко применять-
ся в технике.
Журналист — А что же можно узнать по радужному изображению
моей ладони?
Профессор — Вот это уже интересный вопрос! Он правда относится
к медицине. Итак, слушайте. Там, где пленка нагрета менее всего, у нее
коричневый цвет. Самая высокая температура в местах, окрашенных
фиолетовым цветом. Видите, Ваши пальцы до самых кончиков прори-
совываются синим цветом? Это норма. Если бы они были оранжевыми,
красными или еще хуже коричневыми, то это давало бы основания по-
дозревать, что вы больны холодовым нейроваскулитом. Если бы Вы
были врачом, то знали бы, что это очень неприятная болезнь, одно из
проявлений которой заключается в понижении температуры пальцев
рук и ног.
Журналист — Если я Вас правильно понял, Профессор, можно изго-
товить такую пленку из жидкого кристалла, которая бы реагировала,
например, на температуру в пределах от 36 до 41°С? Такая пленка мог-
ла бы быть серьезным конкурентом медицинского термометра!
Профессор — Браво! Да, пленка — совершенный ’прибор” для изме-
рения температуры. Точность показаний пленки — одна сотая градуса.
Время, необходимое для определения температуры, — одна секунда.
В этом вы убедились сами. Цветная картина температуры сохраняется
две секунды.
Однако, мы с Вами слишком увлеклись медицинскими примене-
ниями жидких кристаллов и несколько отклонились от темы нашего
разговора. Наряду с медициной жидкие кристаллы можно еще исполь-
।
7
зовать и в технике, например в электромашиностроении. Приведу прак-
тический пример. На заводе изготовлен статор электрогенератора. Необ-
ходимо выявить в нем участки некачественной изоляции обмотки. Для
• этого статор нагревают токами Фуко, а затем, ощупывая вручную об-
мотку, ищут горячие участки. И вот, где горячо, там плохая изоляция.
Журналист — Но это же чисто медицинский способ! Ведь опытный
врач, прикоснувшись к больному, легко определяет у него повышен-
ную температуру.
Профессор — Аналогия очень удачная. Но как Вы сами понимаете,
такой способ в технике мало эффективен. Ведь одно дело почувствовать
температуру, а другое — выявить дефектные участки. Вот для этого
жидкие кристаллы незаменимы. Пленка сразу даст полную картину
горячих и холодных участков по всей площади обмотки.
Журналист — Но подготовка такого испытания займет много времени.
Ведь существующие пленки малы и укладка их по всей площади испы-
туемого объекта весьма затруднительна.
Профессор — Сейчас это делается иначе: поверхность испытуемого
объекта вначале покрывают черной краской. Она служит для создания
контраста. Затем на нее наносят слой жидкого кристалла. После прогре-
ва объекта, например статора, вся площадь ее обмотки расцвечивается
всеми цветами радуги, что позволяет выявить дефектные участки об-
мотки.
Журналист — А все же было бы лучше если можно было увидеть теп-
ловое поле нагретых участков непосредственно глазом ...
Профессор — Логично. Что же касается жидких кристаллов, то не-
смотря на ряд преимуществ их применения, эксперименты не вышли
еще за пределы лаборатории. Вот мы и подошли с Вами вплотную к
проблеме тепловидения. Уже существуют тепловизоры, превращающие
тепловые (инфракрасные) излучения в видимые.
Журналист — Как же это происходит?
Профессор — Для этого тепловые излучения превращают в электричес-
кие. Затем их усиливают и эти усиленные сигналы подают в электронно-
лучевую трубку. И вот на экране трубки появляется черно-белая карти-
на тепловых контрастов исследуемого объекта: более теплые места на
экране выглядят светлыми пятнами, холодные — темными.
Журналист — Но такие тепловизоры должны быть очень чувствитель-
ны к температурным перепадам?
Профессор — Тепловизорами можно обнаружить тепловые контрасты
в десятые и даже сотые доли градуса. Это Вы видели в кинофильме о
борьбе с лесными пожарами.
Журналист — Как я догадываюсь, приемником температуры в тепло-
визорах служат уже не жидкие кристаллы?
Профессор — Да, там применяют панели из фотосопротивлений или
пироэлектрических кристаллов.
Журналист - Где же в технике применяют тепловизоры?
Профессор — В настоящее время тепловидение нашло в технике
довольно разнообразное применение (дефектоскопия металлических
деталей, радиосхем, ’’измерение температуры” моторов локомотивов,
насосов, различных генераторов, определение места утечки горячей воды
из трубопровода, нефти из трубопровода и т.п.). В строительстве тепло-
8
визоры применяют для определения теплопотерь в строительных изде-
лиях и конструкциях, для оценки теплоизоляции, а также для обнаруже-
ния утечки тепла в зданиях и сооружениях.
Журналист — То, что Вы рассказываете, просто ошеломляет. А какие
еще виды лучей входят в арсенал невидимых лучей, проникающих через
непрозрачные тела и среды?
Профессор — Очень хорошо, что Вы заговорили о непрозрачных
телах и средах. А знаете ли Вы, что в середине XX в. был йреодолен
барьер непрозрачности. Теперь окружающий мир прозрачен!
Журналист — Извините, но это нонсенс, Профессор! Не хотите ли Вы
сказать, что все предметы вокруг нас прозрачны?
Профессор — Да, понятие прозрачности условно.
Журналист — Как говорится: ’’свежо предание, но верится с трудом”.
Этак Вы договоритесь, что мрамор прозрачен!
Профессор — Не спешите с выводами. Ведь говоря о прозрачности тел
и сред, мы имеем в виду их прозрачность для видимого света. Но стоит
лишь изменить вид излучения . . . Скажите, чистая и светлая вода проз-
рачна?
Журналист — Конечно. Это вам подтвердит каждый.
Профессор — Вы заблуждаетесь. Это справедливо только для свето-
вых волн. А в инфракрасных (тепловых) лучах чистая вода станет такой
же непрозрачной, как мрамор для видимого света. Кстати, для ультра-
звука мрамор прозрачен.
Журналист — Невероятно!
Профессор — И список примеров можно продолжить. Широко извест-
ный хрусталь, прозрачный для видимого света, непрозрачен для рентге-
новских лучей ... Надеюсь, теперь я убедил Вас?
Журналист — Вы меня убедили. А какая наука занимается превраще-
нием непрозрачного в прозрачное?
Профессор — Интроскопия или ’’внутривидение”. К тому же интро-
скопия допускает непосредственное видение через непрозрачные тела и
среды.
Журналист — Какие же невидимые лучи использует эта волшебница?
Профессор — Ультразвуковые, инфракрасные, рентгеновские лучи,
радиоволны, а также гамма-лучи и нейтронные излучения.
Журналист — Как же эти излучения преобразуют в видимые?
Профессор — В интроскопических приборах — интроскопах — имеются
специальные преобразователи невидимых излучений в видимые. Их на-
зывают ’’волшебным оком”.
Журналист — А что же можно увидеть с помощью интроскопов?
Профессор — Независимо от вида излучения на экране интроскопа
видно внутреннее строение изделий и конструкций. Кстати, что Вы ска-
жете о возможности видеть сквозь строительную панель или через стену?
Ведь иногда это бывает просто необходимо, особенно при выявлении
внутренних дефектов в строительных изделиях и конструкциях.
Журналист — Конечно, было бы неплохо иметь такую возможность.
Профессор — Могу Вас обрадовать. Уже разработаны тепловизоры и
радиоинтроскопы, которые испытывались на заводе железобетонных
изделий. Я лично смотрел сквозь железобетонную перегородку. Видно
не только арматуру и некоторые дефекты в бетоне, но и все, что делается
9
за перегородкой. Такие приборы могут применяться строителями для
контроля готовых изделий и конструкций. Большие перспективы откры-
вает для строителей ультразвуковая, радио-, рентгене- и гаммаинтро-
скопия.
Журналист — Вы крайне меня заинтересовали, Профессор, необычайны-
ми возможностями невидимых лучей. И если Вы не устали, то я бы про-
сил продолжить нашу беседу и рассказать более подробно об этих чудес-
ных лучах. Я постараюсь записать все самое существенное из Ваших
объяснений.
Профессор — Извольте. Ваша любознательность мне по душе. Я поста-
раюсь рассказать Вам как возникают невидимые лучи, как проявляются
их свойства, как человек научился использовать их и где ’’работают”
невидимые лучи. Итак, начнем.
РАССКАЗ ПЕРВЫЙ. ВЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ
1.	Технический прогресс требует...
Новым важным этапом в создании материально-техни-
ческой базы коммунизма стала одиннадцатая пятилетка.
Ее план был утвержден ХХУТ съездом КПСС. Согласно
этому плану намечено построить в различных районах
нашей страны ряд крупных инженерных объектов: АЭС,
11
ГЭС, ТЭЦ, магистральные трубопроводы, атомные реакторы, газопрово-
ды, дамбы, плотины, телевизионные башни и т.п.
Все эти объекты являются дорогостоящими и во многих случаях
уникальными. И это вполне закономерно. Ведь современный техничес-
кий прогресс характеризуется огромным сосредоточением материально-
технических средств и инженерной мысли в одном сооружаемом объек-
те. Это — веление времени! Окупятся ли эти средства? Да, окупятся в
расчетный эксплуатационный период, но лишь в том случае, если все
жизненно важные узлы и детали этих объектов будут работать безотказ-
но. Это в равной степени касается строительного сооружения или конст-
рукции, любой новой машины.
Можно с уверенностью сказать, что экономическая эффективность
объекта может быть достигнута лишь при обеспечении абсолютной его
надежности и определенной долговечности. Следовательно, долговеч-
ность уникального технического сооружения может служить критерием
его технико-экономической эффективности. Но долговременность
работы объекта в значительной мере зависит от качества материалов, из
которых он изготовлен. Это подтверждает инженерная практика. Возь-
мем к примеру современные топливные энергоблоки. Там сотни кило-
метров труб в одном агрегате. И самая маленькая трещина в любом сан-
тиметре этих труб может вывести всю эту гигантскую систему из строя.
И таких примеров очень много. В некоторых случаях основными причи-
нами преждевременного выхода объекта из строя являются неожидан-
ные поломки отдельных деталей и конструкций. А ведь с инженерной
точки зрения они были рассчитаны правильно, но имели скрытые техно-
логические дефекты. К ним прежде всего относятся невидимые пороки,
(трещины, поры, каверны), которых в материалах, деталях и конструк-
циях может быть довольно много.
Как же заблаговременно обнаружить эти пороки в любых материалах,
изделиях и конструкциях и, в частности, в строительных? В идеальном
случае надо вести непрерывное изучение и контроль внутренних процес-
сов в них. Это позволит точно характеризовать их физико-химические
свойства, а также степень их надежности к любому моменту времени.
Можно прибегнуть и к выборочному контролю. Для этого необходи-
мо с помощью средств разрушающего контроля разрушить изделие или
конструкцию. Но это не всегда допустимо. Ведь после таких испытаний
они оказываются непригодными к эксплуатации. Поэтому выборочные
испытания применяются не часто.
В 50-х годах нашего столетия были разработаны принципиально
новые методы контроля материалов (в том числе и строительных) изде-
лий и конструкций без их разрушения. Они получили название нераз-
рушающих методов контроля, потому что в результате испытаний таки-
ми методами материал или объект не разрушается. Следовательно, при
их применении уже можно говорить о сплошном контроле всех изделий
и конструкций без исключения! Только такой тщательный, сплошной
контроль, производимый без разрушения, может гарантировать надеж-
ность работы любого объекта. А ведь на сегодня главным критерием
качества служит надежность, т.е. мера того, как долго сможет действо-
вать объект, не выходя из строя. Надежность и качество материала взаи-
12
13

мосвязаны. Качество материала, из которого изготовлены детали, да и
не только детали, но и вся конструкция объекта, влияет на надежность.
 Что же следует понимать под термином ’’качество материалов”? Это
понятие охватывает самые разнообразные характеристики готового
материала. Для бетона, например, это прежде всего прочность, плотность,
однородность и влажность. К менее важным свойствам относятся водо-
непроницаемость, водостойкость, морозостойкость, антикоррозионность
И др.
Отчего зависит качество материала? Прежде всего от качества исход-
ных заготовок и сырья, а затем от технологического процесса его изго-
товления. Но сырье не может обладать строго определенными качества-
ми, поэтому чтобы получить, например, бетон или металл желаемого
качества и с желаемыми параметрами, нужно вмешаться в процесс их
изготовления. И здесь решающую роль играет технология изготовления
материала. Но поскольку не всякий технологический процесс поддается
контролю имеющимися средствами, то обычно ведут контроль по всем
показателям режимов технологического процесса.
Для этого на разных стадиях получения бетона и особенно металла
берут пробы, изготовляют образцы, которые всесторонне исследуют.
Это так называемый пооперационный контроль. Он подчас состоит
из очень трудоемких и дорогостоящих операций. На них иногда уходит
больше материала, чем на изготовление самой детали или изделия.
И все же полной гарантии надежности нет: внутренние параметры
полученного материала, деталей (изделий) технологам неизвестны, а
без этих данных установить, соответствует ли качество материала в де-
талях и изделиях расчетному, невозможно.
Что такое внутренние параметры материала? Для металла, например,
это структура, химический состав (марка стали), качество и глубина тер-
мообработки, распределение внутренних напряжений.
Все эти данные можно получить, лишь распилив образец, иначе гово-
ря, разрушив его. Кстати, это очень трудоемкая и кропотливая ручная
операция.
Но это еще не все. Для гарантии надежности недостаточно того, что все
детали машины или устройства сделаны из заданного материала. Необ-
ходимо еще, чтобы все они были бы равнопрочными.
Равнопрочность определяется сплошностью и однородностью мате-
риала. Нарушение сплошности материала, вызванное наличием раковин
и трещин, приводит к неоднородности, а следовательно, и к ослаблению
прочности детали (изделия) в этих участках. Такую деталь нужно срочно
заменять другой, без дефектов. Вот почему на практике приходится
сталкиваться с капитальным ремонтом, при котором ряд узловых дета-
лей необходимо контролировать или заменять новыми до истечения ус-
тановленного срока службы.
2.	Строить надо надежно!
Человек научился строить с незапамятных времен. Он возводил
великолепные дворцы, храмы, башни, строил пирамиды, жилые дома.
14
До сих пор мы любуемся творениями древности, изучаем их и удив-
ляемся их совершенству. Но в античном мире со строительством зда-
ний и других строительных объектов не все обстояло так уж благо-
получно. Случались и обрушения . . . Классическим примером является
падение пресловутой Вавилонской башни, под обломками которой
погибло множество людей. Человеческими жертвами сопровождалось
и обрушение Силоамской башни в Иерусалиме. Многим дерзким за-
мыслам строителей древности не суждено было осуществиться. Построй-
ки рушились и в процессе строительства и вскоре после его оконча-
ния . . . Так, например, величественная мечеть Биби-Ханым в Самар-
канде разрушилась уже через 30 лет. Как подтверждают археологичес-
кие раскопки и руины самой мечети, причиной оказалась недостаточная
прочность кирпича. По-видимому, обрушения в древности были часты-
ми и это нашло отражение в законах древних. Так, например, вави-
- лонский законодатель Хаммурапи (1700 г. до н. э.) писал: ’’Если строи-
тель построит дом и его творение окажется недостаточно прочным,
и случится так, что построенный дом разрушится, вызвав смерть хозя-
ина, то строителя следует предать казни”. Отголоски этого жестокого
закона чувствовались и в более поздние времена и особенно в.средние
века.
Однако в большинстве случаев катастрофы считались наказанием
свыше, а отнюдь не следствием технического невежества. Ведь обобщен-
ного опыта в те времена не было. Никто никогда не занимался изуче-
нием ошибок, повлекших за собой обрушение. Со временем исчезли
и сами свидетельства этих ошибок.
К тому же античные строители не проектировали свои сооружения в
современном смысле этих слов. Строили по наитию, по сугубо индиви-
дуальным правилам, известным только строителю.
Считалось хорошей традицией строить ”по образцу и подобию”.
Это было данью традициям того времени. Так уж повелось, что строили
что-то похожее на сделанное ранее с обязательным соблюдением обще-
принятых в то время пропорций возводимых сооружений. Это позво-
ляло безопасно воздвигать сооружения любых размеров. И все же
при этом была большая доля риска!
Ведь только из опыта предшественников они могли знать, в каких
случаях подобные конструкции выдерживали эксплуатационный
период, а в каких разрушались. Это порождало некоторую неуверен-
ность в исходе строительства. И особенно остро чувствовалось это,
когда у конструкции не было прототипов. Поэтому вся ответствен-
ность за сооружаемый объект обычно ложилась целиком на архитек-
тора или как его тогда называли маэстро. Его подвергали суровому
наказанию вплоть до смертной казни.
Шли годы. Менялись эпохи. Наступили средние века. В этот период
строили особенно много. Но практика строительства оставалась не-
изменной. Никакого предварительного проектирования. Все строилось
по аналогии с имеющимися типами сооружений, придерживаясь опре-
деленных ’’рецептов” и рекомендаций.
По остроумному замечанию известного английского специалиста
по конструкциям проф. Дж.Гордона ’’Такой метод в своей интелек-
туальной основе был близок к поваренной книге...” Как известно,
15
повара всегда придерживались только определенных кулинарных
рецептов. Почему же строителям средневековья удавалось строить
такие громадные соборы, не боясь того, что они могут разрушиться?
Допустим, что они были незнакомы с вопросами прочности кон-
струкций и просто игнорировали их. Однако многолетний опыт позволил
экспериментально установить, что конструкции, которые подвергаются
растяжениям, подстерегают трудности, осложнения, связанные с их
устойчивостью и возможными разрушениями. Поэтому йревние
мастера старались использовать такие конструкции, в которых дей-
ствуют только сжимающие нагрузки. Этому требованию лучше всего
удовлетворяет каменная кладка. В этом и заключается секрет устой-
чивости этих громадных сооружений! Однако для иного рода конструк-
ций метод слепого копирования совершенно неприемлем и далеко не
безопасен.
Тем не менее попытки строить ’’нестандартные” сооружения не
прекращались,’ а значит участились случаи обрушения. Сказывалось
незнание поведения материалов и конструкций под действием нагрузок.
Периодически разбирались причины обрушения того или иного соо-
ружения и в зависимости от последствий (степени обрушения и чело-
веческих жертв) это грозило архитектору наказанием. Чтобы доказать
надежность сооружения, построенного по его проекту, архитектор очень
часто ставил на карту свою жизнь. Иногда доказательства правоты
архитектора граничили с курьезом. Вот, к примеру, в начале ХУ III в.
16
известный русский зодчий М.Ф. Казаков спроектировал купол здания
Московского университета. Когда строительные работы были закон-
чены, у комиссии, принимавшей здание, возникли сомнения в надеж-
ности купола. Слухи дошли и до строителей, посеяв панику. И теперь
уже никакие доводы, никакие уговоры, никакие посулы архитектора
не действовали на рабочих, которые должны были начать разборку
кружал. Тогда архитектор сказал, что будет стоять под спроектиро-
ванным им куполом в течение всего времени разборки. Только после
этого начались работы. Кстати, купол стоит и поныне цел и невредим!
С годами требования к строительным сооружениям возрастали.
Полуинтуитивные и полуэмпирические способы расчета прочности
оказывались более непригодными, превращались в серьезный тормоз
прогресса. Нужна была наука о прочности.
В настоящее время в ’’ассортимент” строительных объектов
входят телевизионные башни, достигающие в высоту многих сотен
метров, гигантские мосты, соединяющие берега огромных рек,
ТЭЦ, АЭС, ГЭС и множество отвественных сооружений и зданий. Все
это строится ”по науке”, на основе фундаментальной теории, подкреп-
ленной многолетним опытом. Поэтому, в наше время значение науки
о прочности повышается и знать ее необходимо каждому строителю.
Одним из важнейших факторов, определяющих долговечность соору-
жения, является качество используемых в нем строительных материалов.
2—1058
17
3.	Строительные материалы и их свойства
Применение однородных природных камней, таких как известняк,
гранит, базальт, для возведения сооружений диктовалось их большой
прочностью и долговечностью. У природного камня имеется одна очень
характерная особенность: он изотропен, т.е. его физические свойства
одинаковы по всем направлениям.
В современной строительной практике для того, чтобы заставить	. i
материал или изготовленное из него изделие сопротивляться нагрузке в	,
одном направлении, разработали целую систему геометрических про-
филей: швеллеров, двутавров, уголков... Но это не единственное ре-
шение. Ведь в природе существует еще анизотропность. И она встре-
чается гораздо чаще, чем изотропность. И более того, анизотропные	<
материалы можно изготовить искусственным путем. Прежде всего это
композиционные материалы. Они состоят из двух различных мате-
риалов, совместная работа которых дает эффект, равносильный созда-
нию нового материала. Свойства композиционного материала отли-
чаются от свойств каждого из его составляющих.
Прекрасным примером композита является железобетон. Бетон —
смесь песка, цемента, гравия и воды. Он хорошо работает на сжатие,
а металл неплохо работает на растяжение. Если в бетон заложить метал-
лические стержни, то он отлично ’’схватывает” сталь. Железобетон проч-
но вошел в нашу жизнь. Сейчас даже трудно назвать строительный
объект, где бы не применяли железобетон. Да, железобетон стал строи-
тельным материалом № 1! Это о нем сказал известный итальянский
архитектор и строитель П.Л. Нерви: ”Железобетон — живое существо,
способное принимать любые формы, отвечать на любые требования,
приспосаблйваться к любым нагрузкам”. Но железобетон не единствен-
ный композит в строительстве. Л керамика, которая образуется из
глин и силикатных минералов? Она ведь тоже нашла применение в
строительной технике в виде строительной керамики и огнеупоров.
Большую роль в строительстве занимает стекло. Оно создало так
называемую архитектуру света. Стекло всегда ценили за два
прекрасных качества: во-первых, оно прозрачно, а во-вторых, слабо
проводит тепло. Чего стеклу всегда не хватало, так это прочности!
Выражение ’’хрупко, как стекло” издавна вошло в поговорку. Извест-
ный французский ученый Э. Фрейсине говорил: ’’Основной возмож-
ный соперник металла — стекло. Оно не ржавеет. Хрупкость стекла
не является результатом его молекулярной структуры, она вызывается
наличием поверхностных трещин”.
Как упрочнить стекло? Надо изменить состояние его поверхности.
Технология изготовления стекла дала возможность сгибать полоску
стекла толщиной в 1,5 мм в полуокружность... В настоящее время
уже можно создать стекло необычной прочности! Да, да не удивляй-
тесь — стекло большой прочности! Из такого стекла делают трамплины
в плавательных бассейнах, его вставляют в иллюминаторы космических
кораблей. Предполагается производство балок из стекла для много-
этажных зданий. Начато строительство стеклометаллических высот-
ных зданий. Созданы такие композиты, в которых используется
стекловолокно. Появился новый композит — стеклобетон. Применение
18
стекловолокна для армирования бетонных конструкций дало по срав-
нению со сталью выигрыш в массе и долговечности. И еще одно пре-
имущество. Арматура в железобетоне подвергается коррозии, пусть
даже и не быстро, но все же она разрушается... А вот стекловолокно
не подвержено коррозии! Сооружения из стеклобетона легче железо-
бетонных и даже металлических. Масса 12-метровой стеклобетонной
опоры для воздушной линии электропередачи400 кг,а металлической —
600 кг. Стеклобетон эффективно противостоит воздействию морской
воды. Поэтому его используют для свай, молов, плавучих доков,
транспортных судов и т.п. Суда из стеклобетона более просты и де-
шевы в ремонте, не ржавеют и не боятся червоточины.
Наконец, стеклопластик — соединение пластмассы и стекла.
Стеклопластики обладают повышенной прочностью. Из них делают,
например, крыши над платформами. В автомобилестроении из стекло-
пластика делают даже кузова; при этом масса автомобиля снижается
на 30%.
Можно сказать, что с появлением композиционных материалов из
бетона, металлов, стекла и полимеров перед архитектурой и строитель-
ством открылись новые блестящие возможности.
Строительные материалы, используемые в строительстве различ-
ных объектов, обладают различными свойствами. Поскольку в боль-
шинстве своем строительные материалы — твердые тела, то самые глав-
ные их свойства механические. Самые важные из них, как уже указы-
валось, — прочность и плотность. Все зависит от качества материала и
способа его изготовления. Они и определяют степень надежности мате-
риала.
Итак, в настоящее время в строительной практике стали использо-
вать новые строительные материалы, изготовляя из них изделия и кон-
струкции. И как никогда возросла роль надежного контроля качества
как самих материалов, так и готовой продукции.
4.	Для чего нужен контроль качества материалов ?
Надо сказать, что технический контроль существовал с незапамятных
времен. Так, например, каменщик, возводя стену дома, неоднократно
простукивал ее молотком, гончар обстукивал обожженные горшки,
кузнец, выковав топор, немедленно опробовал его в работе и т.п.
По мере развития техники методы контроля совершенствовались.
Современная техника располагает целым рядом специальных средств
контроля качества материалов и готовых изделий. Например, контроль
изготовления бетона начинается с проверки качества исходных мате-
риалов и продолжается вплоть до момента изготовления готового
бетона. Когда же бетон набрал прочность, наступает заключительный
(и наиболее ответственный) этап контроля качества бетона. Его ко-
нечная цель - выявить* прочность затвердевшего бетона и установить,
соответствует ли она проектной.
Визуальный метод применяют для внешнего осмотра деталей и кон-
струкций, а чтобы установить соответствие изделий проектным размерам
2*
19
пользуются методом контроля геометрических размеров. А вот физи-
ческими методами с использованием радиоэлектроники и ультразву-
ковой техники можно определить степень натяжения и глубину залега-
ния арматуры в изделиях и конструкциях, а также — однородность и
прочность бетона в изделиях и конструкциях. С помбщью химических
методов можно установить стойкость бетона к различным агрессив-
ным средам.
5.	Механические (разрушающие)
методы контроля
В строительстве для определения прочности бетона издавна поль-
зуются разрушающими методами. Сущность их заключается в том,
что кубик-образец, изготовленный из бетонной смеси того же состава,
из которого изготовлены все изделия одной партии, устанавливают
на подушки гидравлического пресса. Затем создают определенное
давление, которое постепенно увеличивается, пока кубик не начинает
разрушаться. Нагрузка, отнесенная к площади грани кубика, харак-
теризует прочность бетона. Это так называемая ’’кубиковая прочность”.
Согласно ГОСТу, она определяется как среднее арифметическое
значение результатов испытаний трех стандартных кубиков. И вот
такая усредненная ’’кубиковая прочность” присваивается этой партии
изделий или конструкций. Прочность такого метода ±20%.
Конечно, определенная таким путем прочность является лишь
приближенным значением прочности испытуемого материала, а разру-
шающий контроль дает возможность производить только выбороч-
ный контроль. Практически количество изделий, подлежащих испыта-
нию, не должно превышать 10% общего количества изделий, входящих
в партию. А как быть с остальными? Здесь на помощь контролерам
приходят методы математической статистики или, как их еще называют,
вероятностные методы.
По данным, полученным в результате разрушения испытуемого
изделия, определяют вероятную (приближенную) прочность мате-
риала и затем относят ее ко всей партии. Это значит, что прочность
материала в партии изделий характеризуется условно. Использовать
такой метод можно только лишь для того, чтобы получить приближен-
ную характеристику партии изделий в целом.
Недостатки механических методов очевидны. Во-первых, после испы-
таний кубик-образец или изделие оказываются полностью разрушен-
ными или же частично деформированными, а значит уже не пригод-
ными для повторных испытаний и тем более для употребления. Во-
вторых, разрушающие методы контроля требуют сложного, гро-
моздкого оборудования и значительного времени для проведения испы-
таний. И - в-третьих, разрушающие методы не позволяют производить
испытания непосредственно в сооружении.
20
6.	Неразрушающие методы контроля
Неразрушающие методы позволяют ’’заглянуть” внутрь строительной
или металлической детали, не разрушая ее (а в ряде случаев даже не
касаясь ее), а также установить ее физико-механические свойства.
Неразрушающие методы широко используют всевозможные виды
проникающих излучений с учетом их взаимодействия с материалами.
Это позволяет подвергнуть все без исключения изделия контролю по
всем параметрам, не разрушая и не повреждая их. Наиболее распрост-
раненным методом неразрушающего контроля является дефектоско-
пия. Принцип ее основан на просвечивании непрозрачных для световых
лучей тел и сред. Благодаря этому можно обнаружить скрытые внутрен-
ние дефекты в различных материалах и изделиях, в том числе и строи-
тельных.
В зависимости от вида проникающего излучения дефектоскопия
может быть ультразвуковой, рентгеновской, инфракрасной и т.п.
В практике контроля качества материалов особенно широко приме-
няют ультразвуковую дефектоскопию. С ее помощью ’’прозвучивают”
(просвечивают) испытуемое изделие (конструкцию) и по отраженным
импульсам от материала, которые видны на экране ультразвукового
дефектоскопа, судят о наличии или отсуствии дефекта. Но дефекто-
21
скоп не дает никаких данных о форме, размере и местоположении де-
фекта. Он дает только одноэлементную (однопараметровую) информа-
цию об исследуемом объекте, т.е. информацию, характеризующую толь-
ко один параметр исследуемого объекта.
Возможность многоэлементной информации предоставила интро-
скопия (внутривидение) — один из наиболее эффективных методов
неразрушающего контроля. Она позволила непосредственно увидеть
внутреннюю структуру материала изделия и конструкции, непрозрач-
ных для обычного видимого света.
Неразрушающие методы позволяют косвенно оценивать те или иные
физико-механические свойства материалов. Это значит, что нельзя,
например, непосредственно измерить такие свойства, как прочность
или плотность. Однако их можно оценивать в зависимости от некоторых
физических величин. Так, например, в строительстве при применении
акустических методов контроля качества строительных материалов
прочность бетона можно характеризовать различной скоростью про-
хождения ультразвука через бетон. При проведении многочисленных
измерений получается кривая корреляционной зависимости между
скоростью ультразвука и прочностью бетона определенного состава.
Это подтверждает возможность определения прочности бетона кос-
венным путем.
Наряду с ультразвуковой дефектоскопией в арсенале неразрушаю-
щих методов имеются интроскопические. Интроскопы используют
все виды проникающих невидимых излучений и позволяют видеть
внутреннюю структуру испытуемого объекта. Однако получаемое на
экране интроскопа изображение — плоское. Получить объемное изобра-
жение стало возможным благодаря изобретению голографии. Сочета-
ние голографии с интроскопией позволяет получить объемное изобра-
жение внутренней структуры объекта.
Приборы, применяемые при неразрушающих методах контроля, в
отличие от приборов, используемых при разрушающих методах, пор-
тативные, малогабаритные.
Голографические неразрушающие методы, по мнению крупного
советского ученого, члена-корреспондента АН СССР ЛД. Бахраха,
’’позволили техническими средствами создать принципиально новый
орган восприятия, неэквивалентный никакому из человеческих, ко-
торый дал возможность проникнуть в незримое”.
22
>9
Сь
Л
Л
»
О
5
РАССКАЗ ВТОРОЙ. ТО, ЧТО МЫ, ВОЗМОЖНО, ЗАБЫЛИ
1.	Волны бывают разные
Разнообразие волн огромно. Это волны в океанах и мо-
рях, реках и озерах; волны землетрясения, изучаемые
сейсмологами; волны звука, распространяющиеся в воз-
духе; волны ультразвука (неслышимые звуки), созда-
ваемые электрическими и механическими генераторами;
23
механические волны в натянутой струне или в кристалле кварца, стаби-
лизирующего частоту радиопередатчика; электромагнитные волны (ра-
диоволны, инфракрасные волны, световые волны, ультрафиолетовые
волны, рентгеновские волны и гамма-волны). Волны всех видов харак-
теризуются длиной и частотой. Длина волны измеряется в метрах (волны
очень малых длин в микрометрах и нанометрах). Частоту волн измеряют
в герцах (Гц). 1 Гц равен частоте, при которой за 1 с происходит один
цикл периодического процесса. Другими словами ,1 Гц соответствует
одному колебанию в секунду или одному периоду в секунду 103 Гц =
= 1 килогерцу (кГц); 106 Гц = 1000 кГц = 1 мегагерцу (1 МГц);
109 Гц = 1000 МГц = 1 гигагерцу (ГГц) ; 10’2 Гц= 1000 ГГц = 1 тера-
герцу (ТГц). Из всего многообразия волн мы рассмотрим электро-
магнитные и ультразвуковые волны.
Сегодня человек имеет дело с электромагнитными волнами длиной
от десятков километров до миллиардных долей миллиметра. И часто-
той от тысячных долей Герца до секстилионов Герц. Для удобства из-
ложения мы будет оперировать только длиной волны. Что же касается
частоты, то для наглядности в тексте будут приводится только гранич-
ные частоты, соотвествующие тому или иному диапазону волн. Если
расположить все электромагнитные волны в виде непрерывного ряда
частот и соответствующих им длин волн электромагнитного излучения
от более длинных к более коротким мы получим частотный спектр
электромагнитных колебаний. Открывают этот ряд радиоволны. Их
24
можно определить так. Радиоволны — электромагнитное излучение,
длина волны которого больше 50 микрометров (мкм), а частота боль-
ше 6 ТГц. Они условно разбиваются на диапазоны, которым соответ-
ствуют определенные радиочастоты, т.е. частоты электромагнитных ко-
лебаний, граничащие с одной стороны с частотой инфракрасных лучей,
а с другой — со звуковыми частотами. В соответствии с международ-
ным регламентом радиочастоты делятся на 9 диапазонов, обозначаемых
номерами от 4 до 12:
№	Название радиоволн j	Границы	
		по длине волны	по частоте
л	Сверхдальние или мириаметровые	100-10 км	3-30 кГц
	волны		
С	Километровые	10-1 км	30-300 кГц
6	Длинные и средние (ДВ и СВ)	1 км - 100 м	300 кГц - 3 МГц
	или гектометровые		
7	Короткие (КВ) или декаметро-	100-10 м	3-30 МГц
	вые		
8	Ультракороткие (УКВ) или	10-1 м	30-300 МГц
	метровые		
и	Дециметровые (ДЦВ)	1 м - 10 см	300 МГц - 3 ГГц
•С	Сантиметровые (СВЧ)	10-1 см	3—301 Гц
! ]	Миллиметровые	1 см - 1 мм	30-300 ГГц
.12	Субмиллимстровые или деци-	1 мм - 0,1 мм	300 ГГц 3 ТГц
	миллиметровые		
За радиоволновым диапазоном расположен оптический. Однако ра-
диотехника использует волны все более высоких частот, например, суб-
миллиметровые радиоволны, которые являются промежуточными меж-
ду миллиметровыми и инфракрасными волнами. Это значит, что частоты
колебаний, соответствующие видимому и инфракрасному диапазонам
спектра, переместились из владений оптики во владения радиотехники,
хотя это совершенно разные области науки. Однако их роднит то, что
обе они занимаются изучением явлений одной природы — электромаг-
нитных волн, какими являются световые и радиоволны.
Сейчас трудно четко разграничить сферы влияния оптики и радиотех-
ники. Современные оптические и радиотехнические устройства не имеют
принципиальных отличий. Так, например, техника СВЧ использует линзы
и зеркала, аналогичные оптическим. Совсем недавно появились лазеры,
которые позволили генерировать волны длиной от 100 до 1 мм. Это
уже волны оптического диапазона. Его частотная ’’территория" поистине
безгранична и исчисляется сотнями и тысячими терагерц.
Применение лазера в роли передатчика позволило говорить уже о ла-
зерной связи, т.е. об оптической связи. Таким образом, лазер становит-
ся серьезным конкурентом привычного нам радиопередатчика, а лазер-
ная связь — конкурентом радиосвязи!
А теперь продолжим наше путешествие по электромагнитному спект-
ру. Итак, инфракрасные волны, невидимые для человеческого глаза,
входят в состав оптического диапазона. Область инфракрасного излуче-
ния находится между диапазоном радиоволн и областью видимой крас-
ной части светового спектра. Поэтому изучение и получило название инф-
25
ракрасного”. Это те самые-тепловые волны, от которых мы закрываем
лицо, стоя перед открытой печью. Это так называемые ближние инфра-
красные волны. Но еще существуют дальние инфракрасные волны, по-
лучившие большое практическое применение. Диапазон инфракрасных
волн ограничен волнами длиной от 1 мм до 0,78 мкм с граничными
частотами от 0,3 до 300 ТГц. Это миллионы и десятки миллионов ме-
гагерц! Протяженность участка, занимаемого в спектре каждым видом
излучения, часто измеряют октавами (октава соответствует двукратно-
му изменению длины волны и частоты). Так вот ширина инфракрасного *
диапазона составляет 8 октав против 1 октавы для видимого света. Поэ-
тому рассматривая предмет в инфракрасных лучах можно получить го-
раздо больше информации, чем при исследовании его в видимых лучах.
Вплотную к инфракрасным волнам по электромагнитному спектру
примыкают световые волны. Это еще более короткие волны: их длина -
доли микрометра. Весь диапазон этих волн занимает от 0,78 до 0,39 мкм,
что соответствует граничным частотам этого диапазона 300—750 ТГц. Зна-
’ чит видимый свет едва охватывает одну октаву! Тем не менее с помощью
световых волн мы получаем наибольшее количество информации об
окружающем нас мире!
Мы воспринимаем свет при помощи зрения. Но ведь свет — смесь
цветовых лучей. Если пропустим луч света через призму, он разложит-
ся на составные спектральные цвета: красный, оранжевый, желтый, зе-
леный, голубой, синий, фиолетовый. Их последовательность от более
длинных к более коротким волнам школьники запоминают, заучив шу-	<
точную фразу, в которой заглавная буква каждого слова обозначает
название цвета спектра: Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит
Фазан . . . Каждый цвет в однородной среде соответствует определен-
ной волне, а следовательно, и частоте колебаний. Но если длина волн	с
меньше 0,39 мкм, наши глаза утрачивают способность видеть. Начи-	(
нается область ультрафиолетовых волн. Диапазон этих волн начина-
ется с 0,4 и простирается до 0,01 мкм (и даже несколько дальше).
Граничные частоты этого диапазона от 300 до 30000 ТГц. Эти волны
широко используются в науке и технике. С их помощью обнаружи-
вают трещины в немагнитных материалах, различных минералах, де-
лают точнейшие химические анализы и т.п.
Но частотный спектр электромагнитных колебаний еще не исчер-
пан. Что же сулят нам волны более короткие, чем ультрафиолетовые,
длиной в десяти- и стотысячные доли микрометра?
Обладая необычно высокой проникающей способностью, такие вол-
ны предоставили человеку уникальные возможности. Их назначение сей-
час знакомо всем. Это рентгеновские волны или, как их в быту назы-
вают, рентгеновские лучи. Рентгеновский участок спектра смыкается с
ультрафиолетовым. Частоты рентгеновских излучений лежат в пределах
от 3 '1017 до 3 • 10^0 Герц. Это соответствует длинам волн от 0,01 до
0,0001 мкм.
И наконец, последний из известных в настоящее время науке участ-
ков спектра электромагнитных колебаний — участок гамма-лучей. Эти
волны с еще большей проникающей способностью, чем рентгеновские
лучи, образуются при радиоактивных расгадах ядер атомов, при тормо-
жении электронов, обладающих высокой энергией, при взаимодейст-
26
вии элементарных частиц. Их излучают такие радиоактивные вещества,
как радий, кобальт и т.п. Длина таких волн — десятимиллионные доли
микрометра. Соответствующие частоты колебаний — миллиард миллио-
нов мегагерц. Частота гамма-излучений начинается от 3 ЧО^О Гц, чему
соответствуют волны длиной менее 0,1 нм. Коротковолновая граница
гамма-излучения пока не определена окончательно. Гамма-лучи полу-
чили широкое применение в технике, особенно в дефектоскопии.
Итак, мы рассмотрели весь диапазон электромагнитных волн. Но
нас еще интересуют звуковые и ультразвуковые волны. Они распрост-
раняются в воздухе, газах, жидкостях и твердых телах. Причем ско-
рость их распространения зависит от упругости среды, поэтому такие
волны называют упругими. Звуковые волны находятся в диапазоне
от 16 до 20 000 Гц. Ультразвуковые колебания (ультразвуки) начи-
наются с частоты 20 кГц. В технике наибольшее широко используют
ультразвуковые колебания с частотами от 20 кГц до 15 МГц.
2.	Раздвигая границы познания
окружающего мира
Совершая путешествие по шкале спектра электромагнитных волн,
а также по спектру упругих волн, мы убедились в том, что каждый
из видов волн обладает определенными возможностями. С помощью
световых волн мы познаем окружающий нас мир, с помощью радиоволн
мы можем говорить и видеть на огромных расстояниях. Ультразвуко-
вые волны позволили заглянуть в толщу металла и бетона. Рентгеновс-
кие волны и гамма-волны приносят нам информацию о внутренних де-
фектах, просвечиваемых ими промышленных изделий. Инфракрасные
лучи дают возможность видеть через исследуемые изделия и конст-
рукции.
Но из всех видов электромагнитных волн человеческому зрению
доступны только световые. Волны всех остальных видов для нашего
глаза невидимы. Поэтому условно все электромагнитные волны можно
разделить на видимые и невидимые. К невидимым волнам относятся
также и ультразвуковые волны.
Видимые волны’ Как это мало (всего одна октава на спектре электро-
магнитных колебаний!) и как много — через это узенькое окошко
человек познает окружающий мир во всем его многообразии, слож-
ности, красоте. Ведь познать — чаще всего увидеть. ’’Лучше один раз
увидеть, чем сто раз услышать”, — говорит народная мудрость.
85% информации человек получает с помощью зрения. И эта инфор-
мация поступает в мозг человека через глаза. Глазами человек вос-
принимает форму, цвет, величину предметов и их взаимное располо-
жение.
Человеческий глаз — это довольно сложная и в то же время совершен-
ная оптическая система с переменным фокусным расстоянием'и свето-
чувствительной поверхностью — сетчаткой. Сетчатка состоит из дис-
кретных светочувствительных клеток: палочек и колбочек. Общее
их число 140 миллионов; из них 133 миллиона палочек и 7 миллионов
27
колбочек. Палочки — органы сумеречного зрения, а колбочки — днев-
ного зрения.
Приходится только поражаться, с каким изяществом природа ре-
шила проблему зрения!
В принципе оптическое устройство глаза подобно устройству фото-
аппарата. Функции основной оптической системы глаза — хрустали-
ка аналогичны функциям объектива фотоаппарата. Он проектирует
изображение на сетчатку, которая соответствует фотопленке или мато-
вому стеклу в фотоаппарате. Полученные с их помощью изображения
предмета в глазу так же, как и в фотоаппарате, сильно уменьшены и
перевернуты вверх ногами. Этот недостаток глаза исправляет мозг.
Человеческий глаз обладает рядом замечательных свойств, основ-
ным из которых является способность реагировать на световые излу-
. чения, лежащие в диапазоне видимого (белого) света. Но глаз чело-
века не различает предметов, удаленных на большие расстояния, не
видит очень малых объектов, чувствительность его к волнам лежит
в очень ограниченном участке спектра электромагнитного излучения.
3.	Бороться — и искать
Но . . . ’’что за мастерское создание — человек! Как благороден ра-
зумом! Как бесконечен способностями! . . 3 постижении — как сходен
28
с божеством! Красота вселенной!” Так писал В. Шекспир. И эти слова
можно с полным правом отнести к миллионам тех любознательных
и упорных, которые.стремились преодолеть ’’несправедливость” приро-
ды и расширить отпущенные ею человеку возможности. Дать нашему
глазу возможность увидеть то, что недоступно ему по природным
свойствам, расширить пределы видимости человеческого глаза было
мечтой ученых многих поколений. Они создали науку, позволяющую
видеть в тех случаях, когда невооруженный глаз оказывался совер-
шенно бессильным. Это - оптика, поистине королева физики. Ведь ее
достижения используются во многих, если не во всех физических нау-
ках, да и не только в физических.
Первым в мире оптическим прибором была линза, изобретение ко-
торой относится к 79 г. н.э. Она до сих пор служит важнейшим эле-
ментом многих научных приборов. Можно сказать, что она сыграла
в науке ту же роль, что и колесо в технике. Не было бы линз, не было
бы телескопов, изобретенных в 1609 г., а без телескопов астрономия
была бы на том же уровне, на котором она была в средние века! Имен-
но с помощью телескопа великий Галилей наблюдал горы и крате-
ры Луны, спутники Юпитера. Телескоп вывел человека в безбрежный
океан мироздания.
Не было бы линз, не было бы изобретенного в 1671 г. Левенгуком
микроскопа. Создание микроскопа явилось крупным событием на пу-
ти расширения возможностей человеческого зрения. Микроскопы дали
человеку возможность увидеть микромир, ранее непостижимый для
него. Создание современных электронных микроскопов еще больше
расширило возможности человека. С помощью электронных микро-
скопов сейчас наблюдают даже фильтрующиеся вирусы, т.е. субмикро-
скопические объекты.
Не было бы линз, не было бы ни фотографии, ни кино, ни телевиде-
ния. Без них теперь не может обойтись ни одна область современной
науки.
И, наконец, без линз не было бы хорошо знакомых всем, а многим
просто необходимых очков.
Телескопу и микроскопу суждено существовать очень долго, ско-
рее всего — всегда.
Так, с помощью науки и техники человек исправил два недостатка
в ’’патенте” Природы и тем самым значительно расширил зрительные
возможности глаза.
Однако человеческая мысль никогда не удовлетворяется достиг-
нутым. Она все время стремится вперед и вперед. Человек не мог при-
мириться с теми ограничениями, которые ему поставила Природа в от-
ношении чувствительности человеческого глаза к свету — он хотел ви-
деть за пределами видимого спектра.
29
РАССКАЗ ТРЕТИЙ, ВСТУПАЕМ В НЕВИДИМЫЙ МИР !
1.	Невидимые лучи — какие вы ?
Все волны, находящиеся вправо и влево от участка ви-
димого света, для нашего глаза невидимы Именно поэто-
му они и получили название ’’невидимых лучей!” Так же,
как и видимые лучи, они принадлежат к категории элект-
ромагнитных волн. К ним относятся: инфракрасные,
зи
ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, а также радиоволны.
И отличаются все они друг от друга только тем, что имеют различную
длину волны и частоту. Длина волн это очень существенный фактор и
он влияет на свойства того или иного вида излучений.
Инфракрасные, световые, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-
лучи в соответствии с Международной системой единиц (СИ) измеряют-
ся в микрометрах (мкм) или в нанометрах (нм): 1 микрометр (мкм)
=. 10“6 м; 1 нанометр (нм) ~ 0,001 мкм ==• 16~9 м; 1 ангестрем (А)
= 0,0001 мкмя 0,1 нм= 10“ Юм.
Характерно, что между отдельными участками электромагнитного
спектра нет каких-либо провалов: область радиоволн вплотную примы-
кает к инфракрасной области или, лучше сказать, плавно переходит
в нее. Затем инфракрасная переходит в видимую, видимая — в ультра-
фиолетовую, ультрафиолетовая — в рентгеновскую и, наконец, рент-
геновская — в область гамма-лучей. Поэтому мы не случайно обращали
внимание читателя на то, что граница между радиотехникой и оптикой
стерлась и что самые длинные инфракрасные волны могут быть сегод-
ня получены как радиотехническими, так и оптическими методами,
а самые короткие ультрафиолетовые волны — как оптическими, так
и рентгеновскими средствами.
Ко всей этой обширной семье невидимых лучей следует еще доба-
вить ультразвуковые волны. Правда, они не относятся к электромаг-
нитным волнам, являясь упругими колебаниями высокой частоты.
Тем не менее будучи невидимыми, да к тому же еще неслышимыми,
они обладают необыкновенным возможностями проникновения во
внутреннюю структуру исследуемых материалов и изделий
"Невидимые лучи" имеют самые разнообразные физические свой-
ства. Это объясняется тем, что количественное различие в длинах волн
влечет за собой неизбежную качественную разницу. Характерный
пример — радиоволны: длинные радиоволны огибают весь земной шар,
короткие волны, отражаются от ионосферы, обеспечивая тем самым
дальнюю связь, а ультракороткие волны воспринимаются только в
условиях прямой видимости.
Или инфракрасные и световые волны. Дчинные инфракрасные вол-
ны свободно проходят через дымку или туман, а видимые (световые) —
не проходят. Ультрафиолетовые лучи вызывают фотолюминесценцию,
а инфракрасные лучи нет. И таких примеров можно привести очень
много.
Так же^ как лучи видимого света, невидимые лучи могут отражать-
ся и преломляться, поглощаться и рассеиваться веществом или средой.
Мы привыкли к тому, что листья деревьев, трава, хвойные иглы имеют
зеленый цвет. Это значит, что они сильнее всего отражают желто-зе-
леные лучи. А вот если сфотографировать дерево, покрытое густым
лиственным покровом, в инфракрасных лучах, то на фотографии листья
деревьев будут белыми (точно покрытые снегом). Почему? Потому,
что отражательная способность листьев дерева к инфракрасным лу-
чам значительно сильнее, чем к зеленым. Поэтому листья деревьев и
кажутся белыми. Ведь белые поверхности — это поверхности, которые
сильно отражают падающий на них видимый свет любых длин волн
31
Металлы очень сильно отражают все невидимые лучи и особенно ин-
фракрасные. Поэтому металлическая крыша дома, сфотографирован-
ная, например, в инфракрасных лучах, всегда получится на фотосним-
ке светлой. А вот ультрафиолетовые лучи плохо отражаются, например,
от серебра. И если бы мы обладали способностью видеть в ультрафиоле-
товых лучах, то серебряная пластинка, освещенная этими лучами,
казалась бы нам темной. Так же мы видели бы и белую эмаль, осве-
щенную ультрафиолетовыми лучами, которая очень плохо отражает
ультрафиолетовые лучи. По-разному будут вести себя и другие не-
видимые лучи.
Мы иногда сетуем на то, что природа ’’обидела” человека и не дала
ему возможности видеть, например, в инфракрасных и ультрафиолето-
вых лучах. А если бы это ’’ограничение” было снято? Мы увидели бы со-
вершенно иной мир, и кто знает, восхищались ли бы мы богатством его
цветов и красок?
Различные вещества по разному реагируют на действие невидимых
лучей. Стекло — прозрачно для видимого света и непрозрачно для не-
видимых лучей (инфракрасных и ультрафиолетовых) определенных
длин волн. Гамма-излучение можно ослабить бетонной стенкой оп-
ределенной толщины, которая поглощает гамма-лучи. От рентгеновских
лучей защитой является свинец, который также поглощает рентгеновс-
кие лучи.
Установлено, что вещества, строго однородные по составу и плот-
ности, рассеивают свет. Примером может служить сосуд с чистой водой.
Если его осветить видимым светом, то при наблюдении сбоку свет почти
не обнаруживается. Это значит, что чистая вода не рассеивает свет в сто-
роны. А если мы нарушим оптическую однородность и слегка заму-
тим воду небольшим количеством молока? Рассеяние света сразу ста-
нет очень заметным. В результате рассеяния света вещество может быть
почти или совсем непрозрачным для проходящих лучей. Вот почему
среды с явно выраженной оптической неоднородностью получили в тех-
нике название мутных сред.
Примером мутных сред являются: дым, туман, различные эмульсии
(взвеси). Во всех мутных средах наблюдается сильное рассеяние света.
В этом легко убедиться на многих фактах. В тумане красные огни трам-
ваев и автобусов видны лучше, чем синие. Значит, степень рассеяния
существенно зависит от длины световой волны.
*
2.	Поговорим о прозрачности
Все окружающие нас предметы и среды можно разделить на прозрач-
ные и непрозрачные для человеческого зрения. Для нашего глаза проз-
рачны только те тела и среды, которые хорошо пропускают видимый
свет, и непрозрачны те, через которые видимый свет не проходит, В
природе прозрачных в обычном понимании тел и сред так мало, что
их буквально можно пересчитать по пальцам: чистая вода, воздух,
кварц, каменная соль, флюорит, стекло, некоторые светлые пласт-
массы и светлые жидкости (спирт, бензин, ацетон, уксус и т.п.),
вакуум.
32
Непрозрчных тел и сред большинство. Это металлы, бетон, мрамор,
дерево, а также темные жидкости (мазут, нефть, черная тушь и т.п.) .
По существу непрозрачные тела и среды составляют весь окружающий
нас мир: вся флора и фауна, недра земли, моря и океаны. Мы можем
их наблюдать только с поверхности.
Однако тела и среды, непрозрачные для видимого света, могут быть
прозрачными для невидимых лучей и наоборот.. Вот мы привыкли
считать, что чистая, светлая вода прозрачна. Но оказывается это спра-
ведливо только для световых волн. Стоит только изменить вид излу-
чения и, следовательно, длину волны, увеличив ее, например, до 2—
2,5 ммк, как чистая вода становится такой же непрозрачной, как мра-
мор для видимого света! Кристаллы германия и кремния непрозрачны
для видимого света и прозрачны для инфракрасных лучей. Хрусталь и
стекло прозрачны для видимого света, но хрусталь совершенно непроз-
рачен для рентгеновских лучей, а стекло — для инфракрасных. Металл
и бетон оказываются прозрачными для ультразвуковых лучей, И та-
ких примеров можно привести много.
Известно, что лучи с одинаковой длиной волны проходят через раз-
личные тела неодинаково. От чего это зависит? Во-первых, чем боль-
ше толщина объекта, тем больше лучей поглощается в его толще и
тем меньшая их часть достигает преобразователя (в случае электрон-
ного зрения) , экрана или пленки (в случае рентгеновских или гамма-
лучей). Это правило относится и к лучам видимого света: при прочих
3—1058
33
равных условиях толстое стекло пропускает меньше света, чем тон-
кое.
Во-вторых, на степень прозрачности для проникающих лучей влияет
относительная плотность объекта: мягкие сорта дерева (ель, сосна,
береза) пропускают больше рентгеновских или гамма-лучей, чем сам-
шит или черное дерево.
И, наконец, наибольшее значение для прозрачности имеет химичес-
кий состав тел, вернее их атомная масса: чем она меньше, тем эле-
мент прозрачнее для проникающих лучей. Зато по мере повышения
атомной массы элемента увеличивается количество проникающих лу-
чей, которые он поглощает. Поэтому при исследовании тЬх или иных
материалов невидимыми лучами бывает полезно знание таблицы Мен-
делеева. Она сможет помочь в определении степени проницаемости
материалов для тех или иных видов проникающих излучений.
Возьмем для примера рентгеновские лучи. Согласно таблице Менде-
леева такие газы, как кислород (атомная масса 16), водород (атомная
масса 1,008), азот (атомная масса 14,008) и другие, прозрачны для рент-
геновских лучей. По этим соображениям вода, состоящая из водорода,
и кислорода, также мало задерживает рентгеновские лучи. Зато для
инфракрасных и ультрафиолетовых лучей вода непрозрачна.
Кто из нас не обращал внимания на то, что в воде человеческая кожа
кажется бледнее, чем на воздухе? Это объясняется тем, что вода силь-
нее, чем, например, стекло, поглощает красные лучи дальней зоны. Но
еще сильнее, чем красные, вода поглощает инфракрасные лучи. Именно
поэтому водяные фильтры (стеклянные ванны с водой) используются
во многих проекционных оптических приборах, так называемых эписко-
пах и эпидиаскопах. Вода поглощает мощное инфракрасное излуче-
ние сильных источников света (угольных дуг, ламп накаливания боль-
шой мощности) и тем самым предохраняет проектируемые предметы
от вредного нагрева. Кстати, для ультрафиолетовых лучей с длиной
волны короче 0,18 мкм вода также непрозрачна.
Однако, как уже говорилось, по мере увеличения атомной массы
проницаемость тел снижается. Например, мы располагаем тремя оди-
наковыми по размерам кубиками, изготовленными из трех различ-
ных материалов: хрусталя, обычного стекла и алмаза. Все три кубика
прозрачны для видимого света. А вот для рентгеновских лучей они
оказываются неодинаково проницаемыми! Хрустальный кубик мало
прозрачен для рентгеновских лучей. Почему? Потому, что хрусталь в
своем составе содержит тяжелый свинец (атомная масса 207,21), кото-
рый задерживает рентгеновские лучи. Второй кубик — алмазный. Из-
вестно, что алмаз состоит из чистого углерода (атомная масса 12,01).
Он прозрачен для рентгеновских лучей и не дает тени на экране рент-
геновского аппарата или рентгеновской пленке. Третий кубик — из
стекла, в состав которого входит кремний (атомная масса 28), зани-
мает промежуточное положение между первым и вторым кубиками
и по атомной массе, и по прозрачности. При просвечивании его рентге-
новскими лучами образуется четко видимая, но значительно менее
интенсивная, чем для хрусталя, тень.
Органы человеческого тела, состоящие из элементов различной атом-
ной массы, дают тени неодинаковой интенсивности на экране и на плен-
34
ке. Это объясняется различной оптической плотностью большинства
органов человека. Так, например, на фоне содержащих много воздуха
легких хорошо видны более плотные тени ребер и ключиц, которые,
как и другие кости скелета, содержат много высокоатомного кальция
5 и вследствие этого образуют интенсивные тени, видимые не только на
фоне легких, но и на фоне мощных мышц бедер, голеней и т.п.
Прозрачность любого материала зависит кроме указанных факторов
э . и от кристаллической структуры материала, от процентного содержания
в нем примесей, т.е. степени его чистоты, от механических и электри-
ческих напряжений в материале, от состояния его поверхности и т.п.
Непрозрачность материалов к тем или иным невидимым лучам можно
9 , использовать в технике. Например, прозрачное для видимых лучей обыч-
г ное стекло используют для заполнения оконных проемов жилых домов,
9 автомобилей, автобусов и трамваев. Но оно непрозрачно для ультрафи-
олетовых лучей и инфракрасных лучей дальней зоны. Поэтому для опти-
*	ческих приборов, предназначенных для изучения таких лучей, линзы и
призмы изготовляют из стекол специальных сортов, прозрачных для
этих лучей, из кварца и флюорита. По этой же причине баллоны источ-
ников ультрафиолетового света также делают не из стекла, а из плав-
ленного кварца или увиолевого стекла.
А вот пример непрозрачности, созданной природой на благо человека.
Некоторые газы, обычно прозрачные для лучей видимого света и ин-
фракрасных лучей, поглощают короткие ультрафиолетовые волны.
Так, кислород воздуха уже заметно поглощает ультрафиолетовые лучи
с длиной волны короче 0,18 мкм. Благодаря этому земная атмосфера
служит громадным ’’зонтом”, бережно охраняющим землю от губитель-
ного действия коротких ультрафиолетовых волн солнечного света.
Разная поглощающая способность различных твердых, жидких ве-
ществ позволяет изготовлять разнообразные светофильтры. Они слу-
жат для того, чтобы из общего потока света выделить только некото-
рые, например, инфракрасные или ультрафиолетовые лучи. Так, инфрак-
расные или ультрафиолетовые лучи пропускают эбонит, черный марблит
(стекло, содержащее соединения марганца), некоторые специальные
пластмассы и пленки, бумага, зачерненная сажей и т.д. Светофильтром
для ульрафиолетовых лучей служит черное увиолевое стекло, специаль-
ные сорта стекол, некоторые растворы.
Фильтры используют также в рентгеноскопии как для задержки мяг-
ких и жестких лучей, так и для защиты от очень интенсивных лучей.
Такие фильтры изготовляют из тяжелых и легких металлов: свинец
и медь — тяжелые металлы — хорошо задерживают рентгеновские и гам-
• ма-лучи. Их используют для экранирования жестких и менее жестких
лучей. Алюминий — легкий металл — относительно свободно пропус-
кает мягкие рентгеновские и гамма-лучи.
Таким образом, если правильно выбрать вид и спектральный состав
• излучения, то в природе не окажется непрозрачных тел.
Как будет показано ниже, этот вывод лег в основу интроскопии
(внутривидения).
35
3*
3.	Это начиналось так ...
В 1879 г. английский физик В.Крукс наблюдал неизвестные в то
время невидимые лучи, которые излучались катодом специальной газо-
наполненной трубки. Они возникали при прохождении электрического
тока высокого напряжения через трубку. Эти лучи распространялись
прямолинейно и, ударяясь о поверхность трубки, вызывали флуорес-
ценцию стекла. Установив, что флуоресценция вызывается электронами,
которые освобождаются из катода, В.Крукс назвал эти лучи катодными.
Они проходили через некоторые непрозрачные тела, например тонкие
алюминиевые пластинки.
Катодные лучи были первой ласточкой из невидимого мира! А почти
через 20 лет появились рентгеновские лучи, еще более проникающие,
чем катодные. Рентгеновские лучи были открыты в 1895 г. немецким
физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном. Изучая прохождение катод-
ных лучей, излучаемых трубкой Гейслера, сквозь некоторые твердые
материалы и наблюдая за изображением внутренней структуры этих
материалов на фосфоресцирующем экране, установленном перед труб-
кой, В.Рентген обратил внимание на удивительное явление. Если вакуум-
ную трубку завернуть в плотную черную бумагу и подать на ее электро-
ды ток высокого напряжения, лист картона, покрытый слоем платино-
во-цианистого бария, лежащий рядом с трубкой на столе, начинал све-
титься. При выключении тока свечение прекращалось, а при повторном
включении немедленно возобновлялось. В.Рентген понял, что в трубке
возникают лучи с высокой проникающей способностью: они проходили
сквозь толстый слой бумаги, дерева и даже металлическую фольгу. Толь-
ко свинцовая пластина толщиной даже в 2 мм оказывалась для них не-
проницаемой. Когда же между трубкой и экраном ученый поставил
руку, то к своему величайшему изумлению ясно увидел на экране свет-
лую тень и темный скелет руки! Вокруг одной из костей была видна
черная полоса — это была тень золотого кольца, которое он носил на
пальце. А когда между трубкой и экраном он поместил кошелек, то
увидел силуэты ключа и монет. Продолжая исследования В.Рентген
поднес к трубке магнит. Но никакого действия на пучок лучей не обна-
ружил. Зато фотографическая пластинка оказалась очень чувствитель-
ной к этим лучам. В.Рентген сделал на нее снимок своей прозрачной
руки с кольцом на пальце и ключа. Все это было ново и совершенно не
похоже на катодные лучи, столь хорошо изученные и описанные
В.Круксом.
В.Рентген назвал открытые им лучи ’’лучами икс”, подчеркивая этим
то обстоятельство, что природа новых лучей до конца не ясна. В январе
1896 г. он сделал публичный доклад, где продемонстрировал снимки
различных предметов и тканей человеческого тела. Там же был впервые
’’просвечен” человек... И люди увидели чудо; на экране рентгеновского
аппарата вдруг шевельнулся ’’живой” скелет. Это вызвало бурную
сенсацию*.
* Как быстро человек привыкает к сюрпризам науки и техники! Ведь сейчас
для нас рентгеновский снимок самая обычная вещь.
36
В своем докладе В.Рентген рассказал о свойствах открытых им лучей:
они проникают в большей или меньшей степени через все тела, вызывают
свечение особых составов, именуемых люминофорами (например, пла-
тиново-цианистого бария), вызывают почернение фотопластинок, по-
крытых хлористым серебром и, наконец, их свойства зависят от напря-
жения тока, подаваемого на трубку.
Сообщение об открытии икс-лучей облетело весь мир. Им приписыва-
ли самые необыкновенные свойства. Так, в газете ’’Электрик инджини-
ринг” от 20/1У 1896 г. студент Колумбийского университета в Нью-Йор-
ке сообщил, что он превратил кусок свинца путем облучения его икс-
лучами в слиток золота... Известный американский изобретатель Томас
Эдисон получил от неких любителей оперетты партию театральных би-
ноклей с просьбой нанести на них икс-лучи, чтобы разглядывать опере-
точных актрис ... сквозь одежду. Уже через несколько дней после этого
сообщения одна лондонская торговая фирма рекламировала свое ниж-
нее белье, которое способно задерживать икс-лучи. Другая фирма пред-
лагала специальные шляпы, ’’защищающие от чтения мыслей” при по-
мощи икс-лучей.
Но одновременно с сенсационными новостями об икс-лучах появля-
лись объективные и серьезные сообщения об использовании рентгенов-
ских лучей, в первую очередь в медицине. Оказалось, что рентгенов-
ские лучи способны проходить через человеческое тело, непрозрачное
для видимого света. Так возник широко цзвестный метод рентгенов-
37
ского исследования. Если лучи принять на рентгеновскую пленку, то
это называется рентгенографией.
В 1901 г. В.Рентген первым среди физиков был удостоен нобелевской
премии. Но только в 1920 г. удалось точно установить природу рентге-
новских лучей, когда было доказано, что рентгеновские лучи так же, как
и ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, гамма-лучи и радиоволны,
являются электромагнитными колебаниями и различаются только дли-
ной волны.
Замечательное открытие В.Рситгена вызвало среди ученых своего рода
’’лучевую лихорадку”... Начался поиск других проникающих лучей.
Почему-то предполагалось, что рентгеновские лучи можно получить
иным способом и что они могут излучаться каким-либо веществом даже
самопроизвольно. Например, французский физик Анри Беккерель пола-
гал, что лучи, открытые В.Рентгеном, вызываются ярко-зеленым свече-
нием того участка стекла, который расположен против фотокатода труб-
ки. Он решил, что любое другое вещество, способное флюоресцировать,
также должно излучать икс-лучи, и в 1896 г. проделал такой экспери-
мент с солью урана, способной светиться под действием солнечного све-
та, завернув фотопластинку в толстую черную бумагу. А.Беккерель
положил на нее соль урана и выставил все на солнце. После проявления
на фотопластинке отпечаталось изображение этого кусочка урана.
А.Беккерель был уверен, что открыл рентгеновские лучи, излучаемые
произвольно ураном! Готовый уже опубликовать результаты своего
открытия, он решил повторить эксперимент. Но погода стояла пасмур-
ная, и кусочки соли урана лежали рядом с фотопластинками в ящике
стола. Проявив для контроля перед опытами одну из пластинок, он об-
наружил, что эти кусочки отпечатались на фотопластинке еще лучше,
чем в опыте с солнечными лучами, а ведь соль урана находилась вместе
с фотопластинками, да еще в пасмурные дни и флюоресцировать под
действием света не могла. Следовательно, соль урана излучала какие-то
собственные лучи. Повторив многократно свои опыты, А.Беккерель
окончательно убедился, что открыл какие-то новые лучи.
Эти лучи также стали загадкой, для ученых. Получалось так, что
ученые, не успев еще разобраться в прежних открытиях, были вынужде-
ны ломать голову над новыми, еще более поразительными явлениями!
Вскоре было обнаружено, что новые лучи фактически состоят из трех
различных видов лучей. Одни отклонялись магнитом и оказались такими
же, как лучи Крукса, т.е. потоком электронов (они были названы бета-
лучами). Другие, отклоняющиеся больше, и притом в противоположную
сторону, оказались положительно заряженными ядрами атомов газа
гелия (альфа-лучи). Третьи лучи оказались сходными с лучами рентгена,
но намного мощнее (гамма-лучи).
Излучением лучей, открытых А.Беккерелем, занялись французские
физики — супруги Кюри. Первые же результаты показали, что не только
соли урана, но и соли тория непрерывно испускают излучение, аналогич-
ное наблюдаемому А.Беккерелем. Оно тем интенсивнее, чем богаче
данная соль ураном или торием.
Продолжая опыты, супруги Кюри обнаружили что урановая руда, так
называемая урановая смолка, давала излучение в несколько раз более
интенсивное, чем чистый металл уран, несмотря на то, что в урановой
38
смолке содержалось лишь несколько процентов урана, т.е. в урановой
смолке имелось какое-то вещество, способное к более сильному излу-
чению, чем сам уран. И это неизвестное вещество опять было найдено:
в урановой руде были найдены два новых химических элемента: радий
и полоний, способные испускать лучи, открытые А.Беккерелем.
Само излучение было названо радиоактивным, а способность некото-
рых элементов непрерывно и самопроизвольно, без каких-либо внеш-
них воздействий излучать новые лучи получило название радиоактив-
ности.
Открытия В. Рентгена и А. Беккереля окрылили исследователей
разных стран, работающих над проблемой проникновения в незримое.
Во всем мире начались интенсивные работы в этом направлении.
Штурм барьера непрозрачности начался в конце Х1Х в. и продол-
жался до середины XX века. Изучение свойств и особенностей распро-
странения проникающих излучений в различных материалах и средах
показало со всей очевидностью, что все невидимые лучи могут быть
использованы в качестве ’’агента”, способного нести обширную ин-
формацию о внутреннем строении, составе и свойствах непрозрачных
тел и сред.
Но это теоретически, а практически для того, чтобы эта информация
стала доступной, необходимо было решить массу проблем: что может
служить источниками излучения, какой должна быть их конструкция,
как сформировать оптический поток невидимых лучей, как сделать
невидимые лучи видимыми. Вот главная проблема! Ведь непосред-
ственно увидеть внутреннюю структуру исследуемых непрозрачных
объектов можно только путем создания преобразователя 'невидимых
лучей” в видимые.
Много лет человечество пыталось решить эту проблему. Немало
усилий было затрачено на создание такого "волшебного ока”. Однако
все первые конструкции его оказались неудовлетворительными. Ведь
исследователи располагали очень ограниченными техническими воз-
можностями. И только с появлением электроники стало возможным
говорить о реальном исполнении заветной мечты человека.
4.	Просвечивание ? Нет, внутривидение
Значит, проникновение в незримое зависело от наличия в руках
ученых ’’волшебного ока”! Но, естественно, может возникнуть воп-
рос: а зачем оно, это ’’волшебное око”, ведь рентгеновские лучи уже
приоткрыли занавес в невидимый мир? Они позволили просвечивать
не только непрозрачные тела и среды, но позволили также человеку-
заглянуть в себя! А лучи Л. Беккереля разве не проложили путь в
незримое? Чтобы ответить на эти вопросы, обратим внимание на одно
очень важное обстоятельство, связанное с действием этих лучей.
Рассказывая о действии рентгеновских и гамма-лучей, мы всегда
применяли термин "просвечивание”. Так, на экране рентгеновского
аппарата хорошо видны кости и попавшие в ткани человеческого тела
инородные тела, а мягкие мышечные и жировые ткани почти не вид-
ны. Или другой пример. Просвечивая железобетонную конструкцию
39
мы отчетливо видим арматуру на фоне бетона. В обоих случаях мы
имеем дело с различными поглощающими способностями материа-
лов. Для того, чтобы получить раздельные изображения одного тела
на фоне другого на экране рентгеновского аппарата, необходимо,чтобы
их оптические плотности значительно отличались друг от друга (по
крайней мере, в два раза). Иначе говоря, чтобы разница в количестве
рентгеновских лучей, задерживаемых исследуемым органом и окру-
жающими анатомическими структурами, была бы достаточно боль-
шой. В этом случае тени интересующего нас органа и соседних с ним
тканей имеют различную интенсивность. Это позволяет их дифферен-
цировать, т.е. отличить друг от друга на экране рентгеновского аппа-
рата или на рентгенограмме.
Можно сделать вывод, что в рентгеноскопии, да и в гаммаскопии
мы имеем дело с теневыми изображениями просвечиваемых тел, т.е.
на рентгенограмме или экране рентгеновского аппарата видна только
тень внутреннего дефекта инородного тела или внутреннего органа,
аналогичная тени, какую отбрасывают предметы, освещаемые солнцем.
Следовательно, в обоих случаях мы имеем дело с просвечиванием.
Оно, конечно, относится к категории проникновения в невидимый
мир, но не решает проблему внутривидения. Ведь внутривидение пред-
полагает непосредственное наблюдение внутренней структуры с по-
мощью отраженных или рассеяннных предметом лучей. Наблюдатель
должен видеть объект или дефект в нем с той же стороны, откуда
он смотрит. Обязательным условием для этого является прозрачность
объекта или среды для того вида лучей, которые его освещают.
5.	’Электронное” зрение
Проблема обнаружения невидимых излучений не требовала осо-
бых усилий. На какой-нибудь приемник принималось то или иное из-
лучение и его присутствие фиксировалось обычным, широко извест-
ным тепловым, электротехническим, радиотехническим или измери-
тельным прибором: термометром, термоэлементом,болометром,термо-
парой, радиометром, счетчиком частиц игл. Эти приборы только фик-
сировали присутствие невидимых лучей и в ряде случаев могли опре-
делить количество попавших на определенную площадь ’’невидимых
лучей”. Кстати, в качестве регистрирующего прибора рентгеновских
и гамма-лучей могла применяться и фотопластинка (фотопленка).
Более сложной оказалась разработка ’’электрического глаза” — де-
тектора невидимых излучений. Его функция заключалась в непосред-
ственном восприятии невидимых лучей, преобразовании их в электри-
ческие токи, последующем усилении их и воздействии на исполнитель-
ный механизм (например, реле). Принцип ’’электрического глаза” ос-
нован на фотоэлектрическом действии видимого света, названном фо-
тоэлектрическим эффектом (фотоэффектом). Этот эффект наблю-
дается’ в основном в твердых и жидких телах. Сущность его весьма
проста. При попадании света на какое-нибудь вещество атомы послед-
него начинают испускать электроны.
40
Различают фотоэффект двух видов: внешний и внутренний. При
внешнем фотоэффекте электроны, вырванные из тела светом, выле-
тают наружу. При внутреннем фотоэффекте электроны вещества не
в состоянии преодолеть силы, удерживающие их в теле, и остаются
внутри его. В этом случае электроны из связанных превращаются в
свободные, т.е. такие, которые могут свободно двигаться в пределах
вещества. Аналогичное действие производят и ’’невидимые лучи”, напри-
мер инфракрасные и ультрафиолетовые.
На использовании внешнего фотоэффекта основаны приборы —
' фотоэлементы. С их помощью сигналы видимого или невидимого света
преобразуются в электрические токи и создают на сопротивлении на-
пряжение, которое воздействует на усилитель и исполнительный ме-
ханизм (реле). Фотоэлектрический ток, создаваемый фотоэлементом,
прямо пропорционален силе упавшего на фотокатод света, т.е. чем
интенсивнее свет, тем больше фототок.
Москвичи могут наблюдать работу фотоэлементов в московском
метро им. BJ4. Ленина, где они выполняют функции билетных конт-
ролеров. Для таких ’’невидимых лучей”, какими являются инфра-
красные и ультрафиолетовые лучи, используют фотоэлементы с внут-
ренним эффектом. Их еще называют фотосопротивлениями—фоторе-
зисторами. Принцип их простой — чем сильнее освещается полупро-
водник (селен, закись меди, теллур), из которого сделан фотокатод,
тем больше в нем падает его электрическое сопротивление и, следо-
вательно, возрастает проходящий через полупроводник электричес-
кий ток.
Спектральная характеристика позволяет выбрать фотоэлемент для
того или иного диапазона излучений, а чувствительность — усилитель,
необходимый для усиления полученного напряжения. Следует отме-
тить, что чувствительность фотоэлементов как с внешним, так и внут-
ренним фотоэффектом невелика и поэтому применение их в техничес-
ких схемах требует значительного усиления и больших освещенностей.
Поэтому встал вопрос о значительном повышении чувствительности
фотоэлементов, и следовательно усилении фототоков.
Из многочисленных вариантов схем усиления фототоков наиболее
удачной оказалась схема, основанная на явлении вторично-электрон-
ного преобразования. Принцип его заключается в многократном ис-
пользовании вторично-электронного эффекта с ряда последователь-
ных электродов, расположенных в одной трубке. На этом принципе
инж. ЛА. Кубецким в 1935 г. был создан фотоэлемент на 14 электро-
дах (тип ВЭ-221). Его чувствительность была в 10 раз больше, чем
чувствительность обычного фотоэлемента. Однако конструктивно
этот фотоэлемент был очень громоздким и поэтому мог быть исполь-
зован не во всякой технической схеме.
В 50-х годах, проф. П.К. Ощепковым совместно с сотрудниками был
разработан малогабаритный электронный прибор, основанный на прин-
ципе непрерывного вторично-электронного усиления, названный ими
мультидином. Этот прибор отличали отсутствие раздельных электро-
дов (в отличие от фотоэлектронных умножителей — ФЭУ всех типов)
41
и малые габариты. Коэффициент усиления мультидинов практически
ничем не ограничен.
Фотоэлементы нашли широкое применение в науке и технике.
6.	’’Волшебное око”
Несмотря на целый ряд удачных разработок приборов, позволяю-
щих выполнять функции человеческого глаза,, ни фотоэлементы, ни
фотоэлектронные умножители, которые были использованы в системах
’’электронного глаза", не позволили непосредственно видеть в видимых,
а тем более невидимых излучениях. Это стало возможно только лишь
при помощи "волшебного ока”, которое удалось сконструировать бла-
годаря успехам технической электроники, оптики и овладению тех-
никой вторично-электронного усиления. Это прибор для непосредствен-
ного наблюдения невидимого изображения — электронно-оптический
преобразователь (ЭОП) . Он воспринимает лучистую энергию, предназ-
наченную для преобразования изображений в инфракрасных, ультра-
фиолетовых, ультразвуковых или рентгеновских лучах в оптически
видимые изображения.
Принцип электронно-оптического преобразования, используемый
в телевидении и электронной микроскопии, заключается в следующем.
Изображение в невидимых лучах преобразуется в скрытое электрон-
ное изображение, которое может быть усилено, сделано более ярким,
увеличено и затем преобразовано в оптически видимое.
Впервые возможность создания электронно-оптического преобразо-
вателя была доказана еще в 1934 г. Простейший электронно-оптический
преобразователь представляет собой стеклянный баллон, в котором
создан вакуум. В этот баллон помещены две параллельные стеклянные
пластины. На их поверхности, обращенные друг к другу, нанесены раз-
личные вещества, обладающие особыми свойствами. На первую по
ходу лучей пластину нанесен слой цезия, и она называется фотока-
тодом, на вторую — слой люминифора, и она называется флуоресци-
рующим экраном. Фотокатод чувствителен к инфракрасным лучам с
определенной длиной волны. Флуоресцирующий экран способен све-
титься под ударами электронов.
Под действием инфракрасных волн из фотокатода вылетают элект-
роны. Плотность электронного потока в отдельных участков фотока-
тода всегда пропорциональна интенсивности инфракрасного излуче-
ния, падающего на эти участки. Если теперь между фотокатодом и
флуоресцирующим экраном приложить высокое напряжение, то вы-
летающие с фотокатода электроны, двигаясь в поле высокого напря-
жения, ускоряются и с большой скоростью ударяются о флуоресци-
рующий экран, который начинает светиться.
Яркость свечения экрана в этом случае прямо пропорциональна
приложенному ускоряющему напряжению и плотности электронного
потока. При постоянном ускоряющем напряжении существует пря-
мая зависимость между яркостью свечения каждого участка люмино-
фора и падающим на него электронным потоком.
Так изображение, спроектированное на фотокатод в невидимых
для глаза инфракрасных лучах, т.е. скрытое электронное изображе-
42
ние, становится оптически видимым. На флуоресцирующем экране,
как на экране телевизора, появляется четкое, светящееся изображение
наблюдаемого объекта.
Основной недостаток описанного ЭОП - его низкая разрешающая
способность. Электроны, испускаемые фотокатодом, летят по самым
разнообразным направлениям, под разными углами и с разными на-
чальными скоростями и поэтому частично рассеиваются. Перенос элек-
тронного изображения осуществлялся с помощью однородного электро-
статического поля. А так как в таком электростатическом поле фо-
кусировки изображения в оптическом смысле по существу нет, то
изображение фотокатода передается на экран без изменения масшта-
ба Значит для того, чтобы получить хорошее изображение фотокатода
на экране ЭОП, их нужно сфокусировать в узкие пучки. Такая фоку-
сировка возможна с помощью сильного ускоряющего поля, создавае-
мого электронно-оптическими системами. Так, в конструкции ЭОП
появилась электронная линза.
В настоящее время электронно-оптический преобразователь (ЭОП)
выпускается промышленностью серийно и в зависимости от парамет-
ров используется в той или иной измерительной схеме и в схемах внут-
р ив идеи ия*. Физические основы нового направления в науке и технике,
решающего проблему интроскопии, открыл и сформулировал в 50-х
годах советский ученый, доктор технических наук, профессор
П.К. Ощепков. Приборы, использующие средства интроскопии, назы-
вают интроскопами. Они и служат тем "волшебным оком’’, которое
позволило заглянуть внутрь непрозрачных тел и сред. Причем интро-
скоп дает прямое изображение толщи непрозрачного предмета в от-
раженных лучах.
Интроскопия широко использует самые разные виды излучений.
Ее физической основой служит взаимодействие этих излучений с ве-
ществом или средой, в которых они распространяются. Взаимодей-
ствие может выражаться в изменении коэффициента поглощения по
пути распространения излучения внутри тела или же в изменении ха-
рактеристик вещества, связанным с отражением, рассеянием,дифрак-
цией, поляризацией и т.п.
Обязательным условием интроскопических исследований является
необходимость того, чтобы испытываемое тело или среда обладали
высоким коэффициентом пропускания для применяемого проникаю-
щего излучения.
Что же касается преобразования невидимых для глаза излучений в
оптически видимые изображения, то в настоящее время это уже не проб-
лема. Это относится ко многим видам оптически сформированных или
пространственно распределенных потоков проникающих излучений: от
гамма-квантов высоких энергий до радиоволн миллиметрового и суб-
миллиметрового диапазонов и от упругих колебаний высокой частоты
до корпускулярных излучений.
* Внутривццсние иначе называют интроскопией (от латинского слова "интро —
внутрь и греческого ’’скопсо” - вижу) .
43
сл
I
<7>
РАССКАЗ ЧЕТВЕРТЫЙ^ В ЦАРСТВЕ ’’ЧЕРНОГО СВЕТА”
1.	Знакомьтесь, ’’черный свет”
’’Черный свет?! Какое странное название! А ведь этот
термин относится к невидимым тепловым лучам - инфра-
красным лучам.
Все началось с измерения температуры различных участ-
ков солнечного спектра. Возможность разложения солнеч-
1С
СО
еч
ного света (белого света) с помощью призмы на составные спектраль-
ные цвета известна. Характерно, что при прохождении через призму
сильнее всего отклоняются фиолетовые лучи, а слабее всего — красные.
Это можно объяснить различной степенью преломления лучей, образую-
щих солнечный луч. Если в зону каждой из полос поместить термометр,
то можно получить температуры нагрева полос спектра.
Экспериментируя в этом направлении, т.е. следя за термометрами,
освещенными солнечным спектром, ученые столкнулись с таким паро-
доксом. При перемещении термометра в сторону красных лучей тем-
пература все больше и больше повышалась. И вот термометр пересек
зону ярко-красного цвета. Это была уже граница маленькой радуги.
Справа от ярко-красного цвета нет ничего. Только тень. Но стоило по-
местить в эту тень шарик термометра, ртуть сразу поднималась вверх.
Причем, чем больше энергия пучка света, тем больше нагревалась ртуть.
Это значит, что солнечное тепло передается в основном не теми лучами,
которые доносят его свет, а другими, невидимыми. Значит, невидимые
лучи излучаются солнцем вместе с видимыми. Степень их преломле-
ния в призме оказывается еще меньшей, чем у красных лучей. Поэтому -
то они и располагаются выше красного конца видимого спектра, занимая
в спектральной лестнице самую верхнюю ступень.
Так была открыта инфракрасная область солнечного спектра, неви-
димая человеческому глазу.
2.	Мир инфракрасных лучей
Длины волн инфракрасного излучения больше длин волн видимого
излучения и меньше 1 мм (т.е. длин радиовлн) .По данным Международ-
ной Комиссии по освещению различают три диапазона инфракрасных
лучей (А, В, С): ближний — от 0,78 до 1,4 мкм; средний — от 1,4 до
3 мкм; дальний — от 3 мкм до 1 мм.
Наиболее освоенными диапазонами являются ближний, средний и
очень незначительная часть дальнего (до 3 мкм) .
Источники невидимых инфракрасных лучей находятся вокруг нас.
Ведь любое нагретое тело, даже если оно не светится видимым светом,
а только отражает его, испускает инфракрасные лучи. А в принципе
все тела, обладающие температурой выше абсолютного пуля, излучают
инфракрасные волны.
Все источники инфракрасных лучей можно разделить на два боль-
ших класса: естественные и искусственные. К естественным относят-
ся Солнце, Луна, планеты и звезды Они образуют группу космических
тел. К естественным источникам относятся также флора, фауна, вод-
ные поверхности, инженерные сооружения и люди К искусственным
источникам относятся также вольфрамовые лампы накаливания (обыч-
ные и зеркальные) — термоизлучатели (металлические и керамичес-
кие) , средне- и низкотемпературные (’’темные”) излучатели для на-
гревательных установок, электрические дуги, газоразрядные лампы,
импульсные лампы и лазеры. Из них наиболее эффективными источ-
никами инфракрасных излучений оказались электрические лампы нака-
ливания: 95% излучаемой ими энергии приходится на инфракрасную
45
часть спектра и только 5% на видимые лучи. Можно получить инфра-
красные лучи строго определенного диапазона. Каким образом? Для
этого электрическую лампу накаливания надо закрыть специальным
фильтром, не пропускающим видимых лучей. Но количественное раз-
личие в длинах волн между световыми и инфракрасными волнами вле-
чет за собой неизбежную качественную разницу, т.е. разницу в физичес-
ких свойствах.
Так же, как и лучи видимого света, инфракрасные лу^и подчиняют-
ся законам геометрической оптики, т.е. распространяются прямоли-
нейно, отражаются, преломляются и поглощаются. И тем не менее по
своим свойствам инфракрасные лучи не только отличаются от свето-
вых, но и различаются между собой. Инфракрасные лучи ближнего
диапазона могут быть обнаружены специальными приемниками. Лу-
чи среднего диапазона сильно поглощаются атмосферой, а лучи даль-
него диапазона сильно поглощаются различными химическими соеди-
нениями, и поэтому играют огромную роль в химических и биологи-
ческих исследованиях.
У инфракрасных лучей есть еще одна существенная особенность.
. Коэффициенты их пропускания, отражения и поглощения значительно
отличаются от аналогичных коэффициентов лучей видимого света.
Это позволяет получить дополнительную информацию о многих объек-
тах. С помощью инфракрасных лучей, например }были расшифрованы
древние рукописи. В видимом свете их нельзя было прочитать, так
как кожа, на которой черной краской был написан текст, сама потем-
нела от времени. А для инфракрасных лучей кожа оказалась прозрач-
ной, а краска непрозрачной! Поэтому фотографии, снятые в инфра-
красных лучах, дали ясное изображение текста.
Значит поглощение ’’невидимых лучей” веществами отличается от
поглощения видимых лучей. Если это так, то подтверждается тезис о
том, что прозрачность условна!
Степень поглощения инфракрасных лучей зависит также от состоя-
ния поверхности материала. Так, например, шероховатость, царапины,
волнистость и другие дефекты поверхности увеличивают поглощающую
способность материала. Бетон, кирпич, гипс и многие другие строитель-
ные материалы сильно поглощают инфракрасные лучи.
Отражательная способность инфракрасных лучей зависит от плот-
ности, структуры, степени шероховатости и многих других причин,
в том числе от влажности материала. Коэффициент отражения в зна-
чительной степени зависит от длины волны инфракрасных лучей. На-
пример, при длине волны инфракрасных лучей, равной 0,76 мкм, коэф-
фициент отражения полированного алюминия равен 83%, а при 2,6 мкм
уже 97%. Отражательная способность зависит и от состояния поверх-
ности. Возьмем опять для примера алюминий, но не полированный, а
с окисленной поверхностью. Увеличим длину волны инфракрасного
излучения до 3 мкм и вот коэффициент отражения вместо ожидаемо-
го увеличения резко снизится с 91 до 22%.
Отражательная способность различных красок и стекол играет боль-
шую роль в строительстве. Часто мы наблюдаем, что краски, покры-
вающие здания, строительные механизмы и емкости, выцветают. А
происходит это потому, что в солнечных лучах примерно около 50%
46
энергии излучения составляют инфракрасные лучи. Они-то, нагревая
окрашенные поверхности, вызывают выцветание красок. Отражатель-
ная способность обычных оконных стекол невелика. За последние го-
ды созданы специальные стекла, обладающие высокими коэффициен-
тами отражения и поглощения инфракрасных лучей. Это особой сорт
оконного стекла — фототропное стекло. Такие стекла позволяют
поддерживать в помещении равномерную температуру. Под действием
солнечного света автоматически снижается светопроводность этого
стекла. Через 30 с после начала интенсивного солнечного облучения
оно пропускает половину, а спустя минуту — уже четверть полного
светового потока. Вдруг туча закрыла солнце ... И через минуту
стекло автоматически восстанавливает свою прозрачность! Пред-
ставьте себе окно во всю стену. Припекает солнце. На улице жарко. А
в комнате — прохладно. Температура в ней почти не меняется, слов-
но мы задернули невидимую штору . . . Невероятно!? Наверное это
из области фантастики?! Ничего подобного. Все вполне реально. Речь
идет о новом строительном материале композите — фототропном стек-
ле.
Инфракрасные лучи получили широкое применение в науке, технике
и медицине. Появилась возможность их использования и в строитель-
ной практике. Например, в здании секретариата ООН в Нью-Йорке
5400 окон сделаны из фототропного стекла.
3.	Где работают инфракрасные лучи ?
Первым практическим применением инфракрасных лучей в техни-
ке явилась сушка материалов и изделий. Она оказалась очень эффектив-
ной и поэтому сразу же получила широкое распространение. Метод
сушки теплом огня или горячим воздухом занял прочное место в про-
мышленности, сельском хозяйстве и в быту Сушили покрытую эмалью
автомашину, влажную ткань, сырое дерево, обмотку мотора, влажное
зерно, фураж, муку и, наконец в быту волосы, белье и даже посуду.
Для сушки всех этих предметов обычно служили сушильные печи,
потоки горячего воздуха, фены и прочие устройства.
Но в начале XX в. появились мощные электрические лампы нака-
ливания, в которых большая часть лучистой энергии излучалась в ви-
де инфракрасного света. Они и заменили сушильные печи и потоки
горячего воздуха. Кстати, между сушкой у нагретой печи и современ-
ной сушкой инфракрасными лучами существует принципиальная раз-
ница. В первом случае используется тепловое излучение без учета то-
го, как оно будет поглощаться материалом. А при инфракрасной суш-
ке длину волны выбирают в зависимости от поглощающей способности
материала, поэтому сушка идет с высоким КПД. При таком методе по-
ток энергии излучения равномерно распределен по всей поверхности
изделия на определенную глубину в высушиваемый материал.
Механизм высушивающего действия инфракрасных лучей очень
прост. Инфракрасные лучи "освещают” материал, подлежащий сушке.
Поглощаясь им, они нагревают его и лучистая энергия переходит в
тепловую. И вот здесь сказывается особенность этих лучей: материал
47
прогревается изнутри. Почему? Потому, что здесь играет роль тепло-
проводность- А происходит это так. При ’’освещении” материала ин-
фракрасные лучи поглощаются в самом его верхнем слое. Затем бла-
годаря теплопроводности нагретый участок передает тепло в глубь
материала. Вот тогда он и прогревается изнутри.
По сравнению с другими видами сушки инфракрасная сушка тре-
бует во много раз меньше времени, дает хорошие результаты при мень-
ших температурах, удобна в эксплуатации и значительно дешевле.
Самым распространенным источником инфракрасных лучей, исполь-
зуемым для сушки, является мощная электрическая лампа накали-
вания с внешним рефлектором. Не менее популярны так называе-
мые зеркальные лампы, у которых рефлектор находится внутри лам-
пы. Стеклянный балон параболической формы, посеребренный изнут-
ри, позволяет создать концентрированный поток непрерывного излу-
чения. Рабочая температура такой лампы может превышать 1000°С.
Особенностью электрических ламп накаливания любого типа яв-
ляется то, что в инфракрасном излучении преобразуется около 95%
подводимой электроэнергии. Тепловой КПД равен 0,95. Основная
часть излучаемых электрической лампой инфракрасных лучей ориенти-
ровочно находится в диапазоне от 0.8 до 3,5 мкм.
Электрические лампы накаливания монтируют на особых панелях
внутри сушилок. А вот тип и»размер самой инфракрасной сушилки
зависит от габаритов и формы материала или изделия, которые необ-
ходимо высушивать. Обычно инфракрасные сушилки изготовляют
трех типов: переносные (в виде колпаков), ленточные и туннельные.
Ленточные сушилки — это горизонтальная лента, к которой подвешены
лампы. Она открыта с обеих сторон. Конечно, ее форма, размеры, да
и сама конструкция могут меняться. Ну а туннельные сушилки имеют
вид туннелей. На их внутренней поверхности размещены ряды элек-
трических ламп типа ЗС. Их может быть очень много. Так, например,
в инфракрасной туннельной сушилке для сушки лакорасочных покры-
тий кузовов автомобилей число ламп ЗС достигает 35 тыс.
В строительстве иногда бывает необходимо высушивать стены но-
вых зданий после оштукатуривания. Вот здесь также необходима ин-
фракрасная сушка. Для этого сделана консольная конструкция, на
верху которой под определенным углом расположены панели с лам-
пами, излучающими большой процент инфракрасных лучей. Вся конст-
рукция легко передвигается по площади поля на колесиках. Стены
сушат с расстояния 30-40 см. Очень важно., чтобы лучи падали на стену
пер пен дикуляр но.
В строительной практике приходится иметь дело и с сыпучими ма-
териалами, например с песком. Влажность песка — очень важная харак-
теристика его качества. Обычно при расчете и подборе состава бетона
исходят из того,что как песок, так и заполнители являются сухими.
Но в действительности же они имеют некоторую влажность, которую
и надо учитывать при определении количества воды затворения и песка.
Итак, влажность песка. Классическим методом измерения влаж-
ности песка является метод высушивания. Он заключается в том, что
пробу, или как ее называют, навеску песка предварительно взвеши-
вают на весах, а затем высушивают в сушильном шкафу. Затем навес-
48
ку опять взвешивают. По разности массы навески до и после высуши-
вания определяют влажность песка. Сушка навески песка в сушиль-
ном шкафу продолжается примерно 5—6 ч.
Но часто бывает необходимо срочно уточнить влажность песка. В
этом случае пробу высушивают инфракрасными лучами, источник
которых — зеркальная лампа типа ЗС-З вмонтирована в корпус обычных
торговых весов ВЦ-20. В отличие от обычных весов в них кроме шкалы,
на которой показывается масса взвешенного материала, есть вторая
шкала, отградуированная в % влажности материала. Такой прибор
называется влагомер-весы. Влажность песка с его помощью опре-
деляют следующим образом. На влагомер-весах взвешивают навеску
песка и по шкалам влагомер-весов определяют массу и % влажнос-
ти. Затем навеску оставляют на чашке весов и включают инфракрасную
лампу. В процессе сушки из навески песка испаряется вода. В зави-
симости от этого меняется масса навески и соответствующая ей влаж-
ность песка. Сушка занимает всего 5—10 мин. Поэтому такой метод
получил название экспресс-метода.
Еще одна область применения инфракрасных лучей, связана с ус-
корением твердения бетона в изделиях и конструкциях.
Все началось с того, что в современном заводском и полигонном
производстве сборного железобетона возникла необходимость уско-
рения твердения бетона в свежеотформованных изделиях (на базе
цементных бетонов) . Эта проблема была решена при помощи термо-
влажностной обработки всех без исключения железобетонных изделий,
. изготовленных на заводе или полигоне, т.е. изделия пропаривали в
специальных камерах. Несмотря на то, что этот метод до сих пор приме-
няется повсеместно, строители были всегда неудовлетворены им. При-
чин было много. Прежде всего метод требует сложного и дорогостояще-
го парового хозяйства пропарочных камер, котельных установок и теп-
лоизолированной сети паропроводов. Кроме того, использование пара
в качестве теплоносителя затрудняет автоматизацию процесса. И, нако-
нец, большую роль играет температура, которая в камере пропаривания
не превышает 100°С. Поэтому пропаривание изделия длится доволь-
но долго — обычно 28 ч.
Все эти соображения явились основанием для поисков новых, более
эффективных методов термообработки сборного железобетона. Од-
ним из таких методов и явилась термообработка инфракрасными луча-
ми. Этот метод позволяет получить температуру нагрева 800°С. Соот-
ветственно и мощность теплового потока инфракрасной камеры нагре-
ва в 70 раз больше, чем при конвективном нагреве с помощью пара,
нагретого до 100°С. Так же, как при пропаривании, инфракрасный на-
грев ускоряет твердение бетона (примерно на 6—8 ч) . Очень сущест-
венно и то, что энергия инфракрасных лучей не меняет реакцию гидра-
тации и образования цементного камня.
Метод инфракрасного прогрева более экономичен, чем пропарива-
ние: расход тепла при инфракрасном прогреве составляет 327 2 МДж/м2?
а при пропаривании — 1092 МДж/м^. Благодаря этому стоимость термо-
обработки уменьшается на 15—18%. Если исходить из экономической
эффективности, то. еще одним козырем в пользу инфракрасной термо-
обработки является то, что ее легче и проще организовать, чем обра-
49
4—1058
ботку в паровых камерах. Инфракрасный нагрев можно организовать
на полигонах непосредственно вблизи строящегося объекта. Это бывает
необходимым при изготовлении нестандартных и крупногабаритных
изделий.
Наиболее удобными источниками инфракрасный лучей, используе-
мыми для тепловой обработки бетона, оказались трубчатые, плоские
и стержневые электрические генераторы. Трубчатые генераторы
(тэны) — это трубка небольшого диаметра длиной до 10 м. Внутрен-
няя полость трубки заполнена жароупорной и электрически изолирую-
щей массой. Внутрь металлической трубки вставлена спираль из них-
рома. Мощность их 1 кВт/м. Их включают в сеть с помощью контакт-
ных стержней, имеющихся на торцах трубки.
Плоские и стержневые генераторы изготовляют из керамических
материалов — силита и карборунда. В зависимости от формы и габа-
ритов изделий и конструкций инфракрасными лучами можно облу-
чать как наружные, так и внутренние поверхности. Например, сплошные
изделия — плоскостные и ребристые нагревают наружным облучением,
а многопустотные панели и плиты — наружным и внутренним, облуче-
нием. Термообработка продолжается в течение 6,5— 11 ч в зависимости
от температуры наружного воздуха и наличия ветра. По окончании тер-
мообработки бетон в изделии приобретает прочность не ниже 6С$>
марочной. Очень важным условием качественной термообработки бетона
инфракрасными лучами является уменьшение потери влаги, т.е. во-
50
ды затворения. С этой целью облучаемое изделие закрывается полиа-
мидной пленкой. Особенно это важно при термообработке многопус-
тотных плит с круглыми пустотами.
На одном из подмосковных полигонов этим методом производи-
лись эксперименты по термообработке ферм пролетом 18 м. Испыта-
ния показали, что по прочности, жесткости и ширине раскрытия тре-
щин ферма, изготовленная с применением термообработки инфракрас-
ными лучами, удовлетворяет требованиям действующих норм. Ин-
тересно отметить, что расход энергии на термообработку составил
400 кВт«ч, т е. 160 кВт ч/м3 бетона. КПД же установки был 32%.
В строительной практике имеются случаи, когда особенно целесооб-
разно использовать инфракрасные лучи. В Москве, да и во многих
крупных городах Советского Союза мы сталкиваемся с так называе-
мой ’’тепловой завесой”. Вспомните, зимой в холодную погоду, вой-
дя в двери станции метро или крупных универмагов, мы вдруг попа-
даем в теплую струю. Правда, приятно? С какой благодарностью мы
думаем о строителях, позаботившихся о нас! Это и есть ’’тепловая
завеса”, или ’’зонный” обогрев краевых частей помещения. И делает-
ся это при помощи инфракрасных лучей. Мощность используемых для
этой цели инфракрасных излучателей составляет 300—500 Вт/м^. Та-
кая ’’тепловая завеса” может быть использована для обогрева откры-
тых ресторанов и кафе, террас и веранд и летних кинотеатров. Правда,
в таких случаях прогрева только площади пола уже недостаточно.
Необходима равномерность облучения всей площади помещения свер-
ху и с боков.
’’Зонный” обогрев можно применить также на строительной площад-
ке, где создается небольшая теплая зона. Эта теплая зона может пере-
мещаться со всей бригадой по всему фронту работ.
4.	Инфракрасная слепота
Да, в инфракрасной области спектра человек не видит. Но лишив
человека возможности ’’видеть” в инфракрасных лучах, природа ода-
рила этой способностью многих насекомых и рептилий. Комар, напри-
мер, имеет трехмиллиметровые "антенны”, чувствительные к ’’невиди-
мому свету”, излучаемому кожей человека. Поэтому он безошибочно
выбирает направление атаки и бьет без промаха. Таракан может обна-
руживать температуру удаленных предметов, даже если она отличает-
ся от температуры окружающей среды лишь на сотую долю градуса.
Гремучая змея легко находит затаившуюся мышь. Инфракрасные при-
емники в виде тончайших мембран, расположенных между глазами,
своего рода ’’третье око”, замечают тепло, излучаемое телом жертвы.
Таких примеров можно привести множество. Биологи полагают, что
’’третье око”, которым природа снабдила некоторых пресмыкающих-
ся и земноводных, предназначено не только для целей нападения, а
главным образом для того, чтобы наблюдать за температурой окружаю-
щей среды и помогать вовремя прятаться от чрезмерного жара или
холода.
Информация о температурной картине вокруг нас человеку тоже
весьма необходима. Ведь теплота — это среда обитания человека, это
4е
главное средство производства пищи, вещей и иных жизненных благ.
Поэтому для него очень важно следить за уровнем тепла вокруг себя.
И вот на протяжении многих лет человек изыскивал способы преодо-
ления инфракрасной ’’слепоты” и возможности видеть ’’черный” свет.
Самым простым способом обнаружения тепла явилось осязание.
Другими словами — ориентировка в мире тепла буквально на ощупь.
Этому способствовала особенность нервной системы человеческого
организма. Тепло, так же как и холод, мы воспринимаем особыми
нервными окончаниями, которых на теле человека около 290 тыс.
Из них 260 тыс. ощущают холод и лишь 30 тыс. реагируют на тепло.
Так природа защитила человека живыми термометрами, сигнализи-
рующими о перепаде температуры окружающей среды. Значительное
число этих окончаний сконцентрировано на пальцах рук и ладонях.
Мы уже упоминали о возможности определения степени нагретое -
ти человеческого тела или статора электрического генератора с помощью
осязания. И хотя в ряде случаев тепловое осязание достигает высокой
чувствительности люди издавна ищут средства, с помощью которых
можно безошибочно определять степень нагрет ости предмета.
Поиски методов и разработка приборов для температурных измере-
ний заняли много лет. В настоящее время мы располагаем целым арсе-
налом термометров всех видов и размеров. Но человек никогда не бы-
вает удовлетворен тем, что имеет, чего достиг. Так уж он ’’устроен”.
Проходит первая радость от достигну того, а там опять новая цель и стрем-
ление к ее достижению. И снова, и снова ученые и конструкторы бьются
над созданием новых и новых приборов, отвечающих требованиям сов-
ременной техники — быстродействие, надежность, точность.
5.	Как измерить температуру ... льву ?
Процитируем заметку из одного технического журнала: ”... изме-
рение температуры больного в палате — это процедура, которая обычно
связана с большими затратами времени. Инфракрасный термометр
позволяет измерять температуру больного мгновенное при этом не при-
касаясь к нему. Медсестра становится в одном-двух метрах от боль-
ного и направляет объектив прибора на открытый рот, носовую по-
лость или глазное яблоко больного. . Каждый из этих частей челове-
ческого тела излучает достаточную энергию, чтобы можно осуществить
надежный отсчет температуры. Инфракрасный ’’термометр” — детек-
тор тепла моментально определяет температуру, которую можно про-
честь по шкале прибора. ’’Термометр” проградуирован от 35 до 41 °C.
Его чувствительность составляет 0,11 °C .. .”
В "Правде” от 18/ХП-1979 г. был описан аналогичный способ бес-
контактного измерения температуры, но не у людей, а у . . . львов! Вот
что там было сказано: "Дело было не в институтской лаборатории
(имеется в виду Институт физики АН УССР в Киеве — прим, авт}, а —
прошу не удивляться — в зоопарке. Инженеры приехали туда, чтобы ис-
следовать на практике поведение своей очередной новинки — пиро-
электрического радиометра, который ’’видит” в инфракрасной области.
52
53
Измеряя собственное излучение различных зверей, они заметили, что
у одного из львов повышенная температура . ..
Когда об этом узнал служитель зоопарка, его недоверию не было
предела. ’’Откуда такие сведения?!” Ведь ученые не ставили льву гра-
дусник!? И все-таки сотрудники института измерили температуру ца-
рю зверей. Радиометр, направленный со значительного расстояния на
пасть льва, точно определил, что у него температура на два градуса вы-
ше нормы. А уж как лечить животное — дело ветеринаров. Вскоре
лев был здоров, а сотрудники зоопарка пожелали иметь такой ’’тер-
мометр” ...
Действие описанных ’’термометров” основано на необычном свой-
стве некоторых кристаллов непосредственно преобразовывать тепло-
вую энергию в электрическую. Называется оно пироэлектричеством,
что в переводе с греческого означает: электричество, возникающее от
нагревания. Представьте себе: нет никаких дополнительных приспо-
соблений, нет электрического поля, есть только изменение темпера-
туры кристалла — нагревание или охлаждение, а на поверхности крис-
талла появляются электрические заряды . . . Мистика, да и только!
Это свойство, которым обладают некоторые кристаллы, в частности
турмалин и сегнетоэлектрические кристаллы — сегнетоэлектрики (сход-
ные по электрическим свойствам с сегнетовой солью), было использо-
вано еще в конце 60-х годов нашего века учеными Института физики
АН УССР для создания инфракрасного радиометра. Кстати, пироэлектри-
ческий эффект это далеко не новинка. Он был открыт еще в начале
прошлого века. А вот использовать,его начали совсем недавно, когда
научились выращивать кристаллы, у которых этот эффект проявляется
сильнее, чем у турмалина. Такими кристаллами является титанат бария,
триглицинсульфат, сегнетова соль, ниобат, сульфат лития и другие
синтетические кристаллы. Кристаллы, обладающие пироэлектричес-
ким эффектом, называются пироэлектриками.
. Использовать пироэлектрические кристаллы для получения электри-
ческой энергии, нагревая их, менее эффективно, чем применять тепло-
вые элекгрические генераторы. Ну, а если тепловая энергия достается
даром? В этом случае выгодно получать электрическую энергию от
пироэлектрического кристалла. Пример — солнечные батареи.
Особым свойством пироэлектрика является его высокая чувствитель-
ность. Здесь он не знает соперников, чутко улавливая самые ничтожные
колебания температуры. Поэтому пироэлектрические кристаллы при-
меняют там, где нужно обнаружить и регистрировать очень малые
изменения температуры. Прибор с таким кристаллом может уловить
и измерить температуры вплоть до 10~9 градуса.
Другим важным свойством пироэлектрических приемников тепла
является способность регистрации очень быстро меняющихся тепловых
потоков с частотой до миллионов колебаний в секунду. Это делает
пироэлектрики незаменимыми для приема и регистрации высокочас-
тотных колебаний. Благодаря этим необычным свойствам пироэлект-
риков удалось создать высокоэффективные приборы, позволяющие
определить температуру объектов, расположенных иногда и на очень
больших расстояниях. Эти приборы отличает высокая точность, мгно-
венность и бес контактность (т.е. не соприкасаясь с объектом измере-
54
ния) . Эти приборы уже демонстрировались в Киеве и в Москве на
ВДНХ СССР. Их блестящие возможности позволили применить их в
народном хозяйстве. Ведь с ними пока не могут конкурировать ни-
какие приборы, выполняющие аналогичные функции: обычные при-
боры слишком медлительны, выдавая результат за сотые доли секун-
ды. С помощью пироэлектриков его можно получить всего за одну
миллионную секунды. Может возникнуть вопрос: нужна ли такая
скорость измерения? Да, и очень: за одну тысячемиллионную секунды
лазерный луч может прожечь толстую металлическую пластинку. И
вот представьте себе, что понадобилось вмешаться в ход технологи-
ческого процесса или медицинской операции с применением лазера.
Вот теперь будет понятно, как иногда важно выиграть эти самые ’’нич-
тожные” доли секунды!
Диапазон применения приборов на пироэлектриках огромен. Ведь
с их помощью можно определить температуру льва и мыши, пламени
свечи, даже если она горит на противоположном конце улицы, степень
нагрева лопаток самолетной турбины, короче термическое состоя-
ние любого тела даже на большом расстоянии. Во всех случаях темпе-
ратура будет определена с очень высокой точностью.
Как уже говорилось, особенность этих высокочувствительных пиро-
' электрических термометров — бесконтактный и малоинерционный
способ измерения температуры нагретых тел. Эти качества бывают
крайне необходимы в технике. Например, часто возникает необхо-
димость определить за короткое время нагрев тел, до которых невоз-
можно дотронуться: головки автомобильного поршня, раскаленно-
го рельса или любого другого объекта, даже если он находится от ис-
следователя на расстоянии. И в этих случаях пироэлектрический тер-
мометр не имеет конкурентов. Кроме того, он позволяет определить
температуру тел, нагретых ниже красного каления. Значит становится
возможным автоматически управлять различными производствен-
ными процессами, требующими точного поддержания температуры
нагрева!
Пироэлектрические термометры, разработанные в Институте физи-
ки АН УССР, широко применяются в оптической аппаратуре советских
искусственных спутников Земли ’’Метеор”. Они помогают собирать
сведения, необходимые для составления долгосрочных прогнозов по-
годы.
Многообещающими являются возможности применения этих при-
боров в строительстве. На одном из	предприятий в резуль-
тате содружества с Институтом физики АН УССР создан опытный при-
бор для теплового контроля железобетонных плит. Прибор позволял
обнаруживать в железобетонном изделии внутренние раковины, тре-
щины и другие дефекты, а также определять теплоизоляционные свой-
ства плит •
Инфракрасные термометры очень во многом смогут помочь науке,
технике и медицине. Но все же они создают только одноэлементную
информацию, а техника нуждается в многоэлементной информации.
Поэтому с повестки дня не снимался вопрос о ’’внутривидении” пу-
тем визуализации тепла, т.е. тепловидения.
Существует несколько способов визуализации тепла, испускаемо-
го нагретым телом. Например, можно использовать вещества, изменяю-
55
щие под действием тепла свою окраску (жидкие кристаллы, термо-
чувствительная краска) или интенсивность свечения (люминофоры, ис-
пользуемые в электронно-оптических преобразователях), применять
пироэлектрики, вызывающие возникновение электрических зарядов
на гранях кристаллов при их облучении инфракрасными лучами, и,
наконец, использовать внешний и внутренний фотоэлектрические эф-
фекты. Все эти способы взяло на вооружение тепловидение.
6.	Какого цвета температура ?
Давайте вспомним наши представления о цвете температуры. Ведь
ни тепла, ни тем более цвета температуры мы не видим. Но . . . крас-
ный цвет — цвет солнца, пламени, раскаленного металла воспринимает-
ся нами как теплый. Глядя на бархатистые темно-красные лепестки
георгинов, мы невольно любуемся их ’’теплым” цветом. И наоборот,
голубые, синие и зеленые цвета кажутся нам холодными: это цвета боль-
ших масс воды,неба и льда.
Значит, температура может иметь свой ’’цвет” и по нему можно
судить о степени нагретости тела. И в этом нам помогут жидкие крис-
таллы .
Вспомните, под влиянием теплоты жидкокристаллическая плен-
ка на ладони Журналиста образовала многоцветное изображение его
ладони. Да, под влиянием нагрева жидкие кристаллы создают цвет-
ные картины, напоминающие радугу и не просто радугу, а жидкую
радугу, как бы разлитую по поверхности ...
Что же такое жидкий кристалл? В простейшем случае — это соеди-
нения холестерина. По внешнему виду он похож на вазелин. Сущест-
вует много рецептов приготовления холестерических жидких кристал-
лов. И каждый состав обладает своими свойствами и реагирует на за-
данную температуру.
В 60-х годах нашего столетия благодаря отечественным и зарубеж-
ным исследованиям стало возможным использовать жидкие кристал-
лы в науке и технике. Жидкие кристаллы дают возможность не толь-
ко осязать, но и видеть тепло. Правда, мы видим не сами невидимые
инфракрасные лучи, излучаемые нашим телом, а обычный белый свет,
раздробленный и выборочно отраженный жидкокристаллической плен-
кой. Мы видим очертание ладони вместе с пальцами. Причем синий цвет
характеризует нормальную температуру нашего тела. Оранжевый, ко-
ричневый и красный цвета пальцев сигнализировали бы о понижении
температуры пальцев рук. Интересно, что последовательность цветов,
получаемых с помощью жидких кристаллов, и их смысл противопо-
ложны последовательности и смыслу цветов, создаваемых нашими
представлениями о температуре: например, красный цвет - признак
самой низкой температуры. Там, где пленка нагрета чуть больше у
нее коричневый цвет. Еще чуть выше температура — оранжевый цвет,
на полградуса Цельсия больше — зеленый, еще на 0,1°С — голубой,
еще на 0,3°C — синий. Фиолетовым цветом окрашены места, где тем-
пература пленки самая высокая. По такой ’’цветовой” программе будет
работать только жидкий кристалл, образованный определенной смесью
56
холестерина с холестирполеатом. Эта пленка предназначена для реаги-
рования на изменения температуры в пределах 36—41°С. Всякая другая
смесь будет ’’работать” по своей собственной ’’цветовой” программе и
будет”замечать” только определенную температуру. Жидкокристал-
лические конструкции могут работать в диапазоне температур от
—40°С до +285°С.
Можно ли использовать жидкие кристаллы для дефектоскопии? Ко-
нечно, можно. Для этого достаточно приложить к поверхности детали
термочувствительную пленку, и сразу же возникает многоцветная кар-
тина теплового поля детали. По ней легко обнаружить нарушения в теп-
ловом потоке, вызванные трещинами, пустотами или порами в материа-
ле. А если у объекта сложная конфигурация и приложить термочув-
ствительную пленку нельзя? Тогда на поверхность детали (объекта)
наносят черную краску. Это своего рода экран Во-первых, он придает
контрастность цветам и цветовым переходам. Во-вторых, улавливает,
накапливает тепло, и жидкокристаллическая пленка, прилегающая к не-
му, лучше нагревается. Экран как бы служит усилителем теплового
поля. А это создает благоприятные условия для работы пленки. Очень
важно, чтобы слой черной краски, нанесенный на деталь, обязательно
высох. И только после этого мягкой кистью на деталь наносят расплав-
ленный в водяной бане жидкий кристалл.
Перспективы использования жидких кристаллов в дефектоскопии
очень многообещающие. Уже можно назвать ряд примеров их практи-
57
ческого использования. Применение жидких кристаллов в медицине
сулит очень интересные возможности для диагностики Например, тре-
буется определить распределение температуры в конечностях человека.
Для этого кожу их сначала обезжиривают спиртом, затем покрывают
черной краской (ею может быть и черная гуашь) После того,как крас-
ка высохла, на нее наносят жидкий кристалл в виде бесцветной жид-
кости. Рука или нога немедленно покрывается разноцветными пятнами.
Полученную картину распределения температуры больного называют
термограммой. Если сравнить термограмму больного и здорового
человека, то можно сразу же обнаружить болезненные изменения в ор-
ганизме. Кстати, жидкие кристаллы позволяют фиксировать самую •
ничтожную температуру, вплоть до О,О25°С.
Таким образом жидкие кристаллы и пироэлектрики, позволившие
ощущать и видеть тепло, подарили нам как бы шестое чувство ... Но
человек этим не удовлетворился. Ведь осязание, несмотря ни на что,	<
чувство беднее зрения! А тепловое поле не так просто сделать видимым.
Поэтому решение проблем визуализации тепловых полей потребовало
длительного времени и напряженной творческой работы ученых и	1
инженеров во всем мире. Трудно было сразу подойти к решению про-
блемы . Как научиться ощущать, а тем более видеть неощутимое?	,
Наконец был найден способ превращать тепловые сигналы в электри-
ческие, и тогда возникли два класса приборов, позволяющих визуали-
ровать тепловые изображения. Первые позволяют одновременно транс-	<
формировать все элементы теплового изображения в видимые, вторые	<
трансформируют тепловое изображение в видимое поэлементно. К пер-
вому классу относятся электронно-оптические преобразователи ЭОП
(’’волшебное око”), основанные на явлении фотоэмиссии. Они широ-
ко применяются в инфракрасной интроскопии. Ко второму классу отно-
сятся приборы, использующие развертку (сканирование) электрон-
ным или оптическим лучом. Действие приборов основано в основном
на внешнем и внутреннем фотоэффектах, а также на пироэлектричес-
ком эффекте.
При визуализации объектов надо учитывать как температуру их на-
грева, так и параметры преобразователей невидимого излучения в ви-
димый свет. Вот в зависимости от этого и были разработаны две сис-
темы визуализации тепла: инфракрасная интроскопия и тепловиде-
ние.
7.	Инфракрасная интроскопия
Собственно к моменту разработки схем инфракрасной интроско-
пии и приборов, которые получили название инфракрасных интроско-
пов, ничего додумывать было не нужно'. Схема интроскопа была ясна
и ее элементы отработаны. Поэтому инфракрасный интроскоп состоит
из источника инфракрасных лучей, преобразователя (ЭОП) и объек-
тива наблюдателя.
Инфракрасный интроскоп работает очень просто. Непрозрачный
для человеческого глаза предмет освещают источником инфракрасных
лучей. Если специального источника инфракрасного излучения нет,
58
го можно использовать обычную электролампу, которую следует зак-
рыть светофильтром для отделения инфракрасного излучения от види-
мого света. Инфракрасные лучи отражаются от предмета и пройдя
через объектив фокусируются на фотокатоде электронно-оптического
преобразователя (ЭОП) , который преобразует их в видимые лучи. Это
значит, что изображение внутри непрозрачного предмета, полученное
в инфракрасных лучах, на экране интроскопа становится видимым.
Теперь уже наблюдатель может видеть невооруженным глазом (или
с помощью объектива и окуляра) внутреннее изображение непрозрач-
ного предмета. Например, если взглянуть в окуляр интроскопа на со-
суд с нефтью с погруженными в нее металлическими предметами, то
увидим чудо: в сосуде вместо нефти как бы кристально чистая вода,
а в ней мы видим погруженные металлические предметы. Предметы
ярко сияют, как будто их освещают лучами солнпд. А вот другой при-
мер. Возьмем обычную фотографию и зальем ее толстым слоем туши.
Дадим ей высохнуть и попытаемся разглядеть, что на ней изображено.
Конечно, мы ничего не увидим. Но стоит только поставить эту испор-
ченную фотографию перед объективом интроскопа и на его экране
увидим свежую,будто только что отпечатанную фотографию.
Как показала практика применения инфракрасных интроскопов,
любое тело, обладающее высоким коэффициентом пропускания в том
или ином инфракрасном участке спектра, будет казаться прозрачным.
59
Причем, если это твердое тело, то оно будет напоминать прозрачный
кристалл, если жидкое - воду или какую-нибудь светлую жидкость.
Так была ликвидирована ’’инфракрасная слепота” человека.
Часто необходимо выявить очень малые дефекты или примеси в те-
лах, прозрачных только для инфракрасных лучей. Но они так малы,
что глаз их не видит. И вот тут требуется система со значительным
оптическим увеличением - до 400-500 раз, т.е. микроскоп, и притом
инфракрасный. В нем вместо электролампочки, излучающей световые
волны, применяют источник инфракрасных лучей и электронно-опти-
ческий преобразователь, чувствительный к данному диапазону волн.
Инфракрасные лучи освещают исследуемый предмет. Пройдя сквозь
него, они’попадают в объектив специального микроскопа. После соот-
ветствующего увеличения и фокусировки поток инфракрасных лучей
падает на плоское зеркало, отражается от него и пройдя через электрон-
но-оптический преобразователь, трансформируется в видимое глазом
изображение. Инфракрасный микроскоп можно настраивать по четкос-
ти изображения дефекта на заданную глубину внутри непрозрачного
тела путем изменения фокусного расстояния. А это в свою очередь
позволяет более четко выделять исследуемые неоднородности на тре-
буемой нам глубине. Кроме того, инфракрасный микроскоп обладает
возможностью исследования структурных неоднородностей в твердом
теле,способен выявлять посторонние включения, примеси и т.п.
60
В настоящее время в СССР и за границей уже разработаны промыш-
ленные образцы инфракрасных микроскопов. Так, в СССР серийно вы-
пускается инфракрасный микроскоп типа МИК (микроскоп инфра-
красный). Сейчас уже выпускается МК-8. В Австрии фирма ’’Лейтц”
производит инфракрасную приставку к обычному стандартному микро-
скопу.
Применение инфракрасных микроскопов значительно расширило
наши возможности изучения внутренней структуры вещества. Посколь-
ку как в инфракрасном интроскопе, так и в инфракрасном микроскопе *
самым важным элементом схемы является ЭОП, то хотелось бы от-
метить, что их длинноволновая граница спектральной чувствительнос-
ти не превышает 3 мкм. Если это так, то с их помощью можно визуа-
лизировать тепловые поля предметов и сред как с низкой температурой,
так ис температурой,превышающей 20Q-300°C.
Где же можно применять инфракрасную инстроскопию?
С помощью инфракрасных интроскопов и микроскопов можно
исследовать в твердом теле не только структурные неоднородности
и посторонние включения, но и просто нарушения сплошности или
же обнаруживать в непрозрачной среде присутствие каких-либо пос-
торонних предметов. Так, например, в минералогии ; их помощью
можно изучать твердые и газовые включения в различных минералах,
концентрацию и распределение в них примесей и тд.
Особое значение инфракрасная интроскопия имеет для контроля
качества полупроводниковых материалов в кристаллографии. Ока-
залось, что однородные (без дефектов) кристаллы кремния и герма-
ния, интерметаллические соединения, не прозрачные для видимого све-
та, прозрачны для инфракрасных лучей. Следовательно, любые неодно-
родности внутри полупроводникового материала на экране интроскопа
будут видны в виде черных пятен на общем светлом фоне. Причем
совершенно точно можно определить форму, размер и местоположение
этих неоднородностей.
Инфракрасная интроскопия непрерывно развивается. Постепенно
осваиваются новые диапазоны. Можно с уверенностью сказать, что
наивысший расцвет интроскопии наступит с освоением длинноволно-
вого излучения (от 3 до 15 и даже до 20 мкм).
8.	Тепловидение
Тепловое поле воспроизводит точное распределение температур
по поверхности исследуемого объекта. Оно возникает при функцио-
нировании различных объектов и живых организмов и постоянно при-
суще им, Тепловые поля излучаются сильно нагретыми телами (нить
накала электролампочки, работающий мотор трактора, автомобиля,
горячий утюг и тл.), тела, имеющие довольно низкую температуру
(стены здания, тело человека или животного и т.п ), а также тела с
отрицательной температурой. И, наконец, тепловые поля возникают
и при искусственном приложении тепловой энергии, те. при нагреве
того или иного тела.
61
Интенсивность тепловых полей прямо зависит от температуры тела,
а так как температура является одним из важнейших параметров физи-
ческого состояния тела, то картина теплового поля может дать ценную
информацию о внутреннем состоянии объектов Так, например, изме-
нение температуры отдельных участков на поверхности машин могут
свидетельствовать о неисправности каких-то деталей или узлов, а на
поверхности тела человекао заболеваниях внутренних органов.
Однако все разработанные ранее методы визуализации температур-
ного поля объекта, включая термометры, жидкокристаллические плен-
ки далеко не всегда удобны. По существу, они служили средством
довольно точного и чувствительного теплового ’’осязания”. ИМ. Се-
ченов назвал осязание ’’чувством,параллельным зрению”, но с помощью
даже самого" совершенного осязания невозможно воспроизвести тепло-
вую картину окружающего мира во всем его разнообразии.
Напомним, что на долю инфракрасного (теплового) излучения при-
ходится около 80% энергии, выделяемой вселенной. Поэтому научиться
видеть, именно видеть, а не осязать ’’весь этот огромный мир ’’черного
света”,что и говорить,очень заманчиво.
Но сделать тепловые лучи зримыми для человеческого глаза ока-
залось чрезвычайно сложной проблемой. Причин было много. Здесь
и огромный диапазон инфракрасных волн, и низкая энергия тепло-
вых лучей, создаваемых слабонагретыми телами, и отсутствие ’’ин-
фракрасного глаза”, воспринимающего слабые температуры . . . Одна-
ко с годами эти трудности были преодолены и появилось тепловиде-
ние.
Что же следует понимать под этим термином? Это получение види-
мого изображения объектов с помощью тепловых лучей, обычно ин-
фракрасного диапазона. Оно служит для изучения внутреннего строе-
ния объектов, непрозрачных для волн видимого света, либо объектов,
находящихся в оптически непрозрачной среде. Особенностью метода
тепловидения является то, что тепловое излучение объекта восприни-
мается бесконтактно. А уже затем оно преобразуется в оптически
видимое изображение. Кстати, как подтвердила практика, удален-
ность объекта в тепловидении от приемника инфракрасного излучения
не играет роли.
Первые системы визуализации теплового изображения велись с силь-
но нагретыми телами при температурах нагрева порядка 800°С и выше.
В качестве преобразователей изображений в них использовалось уже из-
вестное нам ’’волшебное око” ЭОП. Однако в природе слабона1ретых
объектов большинство. Поэтому вторым этапом тепловидения явилась
разработка системы визуализации тепловых полей слабонагретых объек-
тов. Это была очень сложная техническая проблема.
Основная трудность заключалась в правильно выбранном принципе
визуализации. Наконец, принцип был найден: "видение” тепла должно
вестись вне объекта. Затем был предложен способ превращения тепло-
вых сигналов в электрические. Была также создана конструкция "ин-
фракрасного глаза”, этакой искусственной сетчатки, которая могла бы,
с одной стороны, воспринимать ничтожные температурные контрасты,
а с другой — не замечать мощных тепловых помех. Принцип тепловиде-
ния оказался несложным Он сводится к превращению тепловых излу-
62
с
с
д
г
t
ч
*
N

чений в электрические сигналы и последующему их многократному
усилению Затем они попадают в электронно-лучевую трубку, такую же,
как у телевизора. На экране появляется двумерное черно-белое, а иног-
да и цветное изображения, похожие на телевизионное. Их можно наблю-
дать на экране. Чтобы сделать тепловые лучи зримыми для человеческого
глаза пришлось использовать принцип передачи изображений, приме-
няемый в фототелеграфии или телевидении. Речь идет о сканировании
изображения — передаче изображения поэлементно, т.е. участок за
участком,строка за строкой.
В телевизоре "инфракрасный глаз" разглядывает тепловую карти-
ну, развертывающуюся перед ним, по участкам, каждый из которых
это практически точка. Пройдя через оптическую систему "черный свет"
от такой точки попадает на крохотную площадку, покрытую светочув-
ствительным слоем (чаще всего селенистым свинцом, сурьмянистым
индием, легированным германием). Это "сетчатка" инфракрасного
глаза.
Если точка горячая, то посланные ею лучи окажут более энергичное
воздействие на светочувствительный слой. Сопротивление току, прохо-
дящему через слой, уменьшается. Благодаря этому электрический сиг-
нал будет большим, и наоборот, — когда точка менее горячая, ток бу-
дет меньше. Сигналы усиливаются и подаются на электрошю-лучевую
трубку, аналогичную телевизинной. Они управляют яркостью электрон-
ного луча. Электронный луч воспроизводит на экране тепловизора
(как на телевизионном экране) точку за точкой всю картину. Изо-
бражение на экране можно сфотографировать или снять на кинопленку
Мы говорили о тепловидении, позволяющем видеть изображение
на экране тепловизора. А если заставить электронный луч рисовать
инфракрасные образцы прямо на электрохимической бумаге? В этом
случае такой способ будет называться термографией (от греческих
слов "термо" — тепло и "графо" — пишу) .
Какой бы конструкции не был тепловизор, он всегда будет состоять
из двух основных блоков: инфракрасной камеры, которая сканирует
объект, и осциллоскопа, который воспринимает тепловую картину на
экране.
В настоящее время в СССР (ГОИ им. А.С. Вавилова, ВЭИ им. В Л. Ле-
нина, НИИинтроскопии и ряд других научных учреждений) разработа-
но много типов тепловизоров. За рубежом тепловизоры разрабаты-
ваются в Швеции (фирма A G А) , Голландии, ФРГ и США.
Тепловидение так же, как термография, незаменимо в промышлен-
ности, медицине,в самых разнообразных областях народного хозяйства.
Инфракрасный "глаз” способен на расстоянии обнаруживать контрас-
ты, различать десятые и даже сотые доли градуса. Это позволяет решать
ряд научных и технических проблем, которые еще вчера казались почти
неразрешимыми. Высокая чувствительность и надежность тепловизо-
ров обеспечивают видение слабо нагретых предметов, очень маленьких
объектов, температура которых различается на тысячные доли градуса,
причем тепловизор может иногда находиться и далеко от этих объектов.
Например, в темной комнате человек лег на деревянный пол в 15 м
от тепловизора. Были сделаны две тепловые фотографии человека: на
спине и на боку. Затем он ушел. Через 10 мин еще раз сделали снимок
63
того места, где лежал человек — был зафиксирован тепловой след,
оставленный лежавшим.
Практика подтвердила, что инфракрасные системы обладают более
высоким разрешением, чем радиолокация. Их можно применять в лю-
бое время суток. К таким приборам относятся инфракрасные дально-
меры, теплопеленгаторы, космические навигационные приборы для
определения положения и ориентации космических кораблей.
Тепловизор станет помощником геологов, вулканологов, строите-
лей, врачей, работников сельского хозяйства и т.п. Тысячи опор мощ-
ных ВЛ шагают по лесам, степям, болотам и даже горам. Представьте
себе, что на одной из них испортили изолятор. Это очень опасно. Но
как найти "провинившийся" изолятор? С помощью тепловизора, ус-
тановленного на вертолете, летающем прямо над проводами. Ведь
согласно закону Джолуя-Ленца, через "прохудившийся" изолятор прой-
дет ток и нагреет его. Он станет теплее и поэтому попадется "на глаза"
тепловизору. За один день можно проверить 300 км линий.
Тепловизор, установленный на вертолете или на каком-либо средстве
наземного транспорта, способен следить за состоянием городских под-
земных коммуникаций, нефтепроводов, дренажных систем и даже . . .
лесов. Помните кинофильм, который видел Журналист? "Осматривая"
землю с самолета, тепловизор отлично видит костры в густом лесу.
Так, например, с самолета ЛИ-2, летевшего на высоте 4000м , был
замечен костер, площадь которого не превышала 03 м~. Причем, что
очень важно, такой небольшой огонь можно заметить как ночью, так
и днем. Можно также установить границы лесного пожара даже тогда,
когда в бинокль его невозможно рассмотреть из-за дыма,
С самолета, на котором установлен тепловизор, разглядывая водное
пространство, можно следить за океанскими течениями, косяками ры-
бы, трещинами во льду.
В промышленности тепловой контроль позволит измерять темпера-
туру моторов, насосов, локомотивов, и т п., т.е. узнать "здоровы"
ли они. Малейшее нарушение электрической цепи — обрыв или замыка-
ние дает о себе знать повышением температуры.
И, наконец, медицина. Тепловизор может успешно исследовать ин-
фракрасный облик человеческого тела. Температура кожного покрова
зависит от жизнедеятельности всего человеческого организма. Наша
кожа, если можно так сказать, греется изнутри . . . Каждый орган от-
брасывает на нее свою тепловую "тень", а каждый квадратный сан-
тиметр человеческой кожи непрерывно испускает около 40 милли-
ватт лучистой энергии. Вся кожа — намного больше. Этой энергии
хватило бы для зажигания маленькой электролампочки. Если в челове-
ческом организме все в порядке, то на экране тепловизора врач увидит
знакомую термографическую картину. Но если пациент болен, то эта
картина изменится в каких-то деталях.
Конечно, не следует сразу делать вывод о том, что тепловизор вы-
теснит многие существующие медицинские приборы, позволяющие об-
следовать больного. Он только в значительной мере дополнит их. При-
меры применения тепловидения в науке, технике, промышленности
можно было бы продолжить, но особо мы остановимся на применении
тепловидения в строительстве.
64
9.	В тепловизор смотрит строитель
Использование тепловизоров особенно эффективно, когда сущест-
вующие методы контроля оказываются неприемлемыми. Возьмем та-
кую важную проблему, как обнаружение утечки тепла в зданиях. Го-
довая стоимость обогрева жилищ, учреждений, фабрик, заводов, школ,
больниц и т.п. как большого, так и малого города крайне велика. Поэ-
тому проверка теплоизоляции зданий — это проблема номер один. Она
касается главным образом больших городов. Подсчитано, что можно
сэкономить около 10% годовой стоимости обогрева, если улучшить
существующие методы изоляции. А обнаружить нарушение теплоизоля-
ции любого строительного объекта поможет тепловидение.
В Швеции, например, термограммы, снятые с помощью цветной плен-
ки типа ’’Поляроид^позволили точно установить распределение темпера-
туры по всему фасаду, окнам и дверям, выявить места утечки тепла.
Тепловизионный метод обследования зданий широко применяется
в практике строительства. Этот же метод используют при разработке
изолирующих материалов и строительных элементов, а также при рабо-
тах по исследованию и разработке в области теплопередачи в строитель-
ных материалах и конструкциях.
А вот другой пример, В жилом доме на потолке было обнаружено
визуально холодное пятно. После съемки термограммы исследуемого
угла комнаты на потолке была выявлена секция неправильно уложен-
ной минеральной ваты. Это и явилось причиной холодного пятна на
потолке.
В ряде больших городов систему дома отпаливают перегретым паром,
вырабатываемым районными ТЭЦ. Пар с температурой порядка 200°С
поступает в систему отопления отдельных домов, где конденсирует-
ся в воду с температурой 60~70°С, которая возвращается на тепло-
централь по возвратному трубопроводу. Время от времени в трубопро-
водах может возникать утечка, вызванная внутренней коррозией и
износом определенных частей сети. Симптомом утечки является повы-
шенная потеря воды в закрытой сети трубопровода. Чтобы определить
место утечки, весь трубопровод разбивают на секции (в этом случае
течь может быть локализована с точностью до 500 м) . На каждом конце
выделенной секции трубопровода роют яму в 1 м- на глубину укладки
труб. С помощью стетоскопа, улавливающего шум, создаваемый утеч-
кой, сначала с одного конца, а потом с другого конца секции можно
определить место утечки (с точностью до 10 м). Затем роют третью
яму. Обшдя стоимость обнаружения места одной течи составляет доволь-
но большую сумму.
В случае использования тепловизора для обнаружения утечки вся
процедура сводится к поездке на автомобиле, на котором установлен
тепловизор, по улицам, под которыми предполагается течь. Вначале
очень быстро определяют приблизительное, а затем по термограммам
точное место течи. По сравнению с обычным способом обнаружения
утечки работы с применением тепловизора оказываются в 6 раз де-
шевле.
Тепловидение найдет особое применение , для контроля качества
готового бетона на заводах железобетонных изделий. В этом направле-
нии уже проводились и проводятся научные работы, начатые в Инсти-
5—1058
65
туте физики АН УССР. ’’Правда” от 18/XI 1979 г. писала: ”... одно-
му из киевских предприятий, выпускающему железобетонные плиты,
длительное время не удавалось добиться максимального выхода вы-
сококачественной продукции. И вот его работники обратились к уче-
ным Института физики и специалистам строительного производства.
Сложным и длительным был совместный поиск исследователей и произ-
водственников. Однако усилия оказались не напрасными: создан опыт-
ный образец инфракрасного прибора теплового контроля, который
помогает быстро находить поврежденные места в строительных конст-
рукциях. Другими словами радиометр* позволил увидеть невидимое —
обнаружить в железобетонном изделии внутренние раковины, трещи-
ны, другие дефекты. Надо ли говорить, сколь эффективным оказывает-
ся такое ’’умение” прибора глядеть сквозь стену?
Специалисты Госстроя УССР подсчитали, что только на предприятиях
республики эта новинка позволит сэкономить за год более 5 млн руб
Работы в этом направлении ведутся уже несколько лет в различных
научно-исследовательских институтах Советского Союза”.
В заключение можно определить следующие направления приме-
нения тепловидения в строительстве:
* йдиометром в этой статье называется тепловизор на пироэлектрических
кристаллах.
66
1)	контроль качества готовых железобетонных изделий и конструк-
ций;	w •
2)	проверка теплоизоляционных характеристик сооружении;
3)	контроль железобетонных изделий и конструкций в процессе
изготовления;
4)	определение точности соединений железобетонных панелей между
собой;
5)	проверка точности установки элементов зданий и промышленных
сооружений и т.п.
Это далеко не полный список возможностей тепловидения.
5*
РАССКАЗ ПЯТЫЙ. ВСЕПРОНИКАЮЩИЕ ЛУЧИ
1.	И снова о просвечивании
Говоря о всепроникающих лучах, мы имеем в виду
рентгеновские и гамма-лучи. Почему всепроникающие?
Потому, что как рентгеновские, так и гамма-лучи обла-
дают необыкновенной способностью проникать сквозь
различные тела и среды, непрзрачные для видимого света.
68
&
о
с
Это и позволило широко использовать их в промышленности и медицине.
Изучение природы лучей обоих видов показало, что и те и другие —
члены одной семьи — электромагнитные колебания. Отличаются же
они друг от друга только длиной волны: рентгеновские лучи — это ко-
ротковолновые излучения (10-7—10-12), гамма-лучи - это те же из-
лучения, но длина их волны намного меньше 0,1 нм. Л уч и-’’родствен-
ники’' проникают практически сквозь все вещества, но при этом оп-
ределенным образом поглощаются ими и ослабляются. Причем степень
ослабления их тем больше, чем выше оптическая плотность материала.
Эту особенность и использует метод просвечивания для получения чет-
кого изображения одного тела на фоне другого. Так, например, при
просвечивании железобетонного изделия можно получить четкий сни-
мок арматуры и закладных частей на фоне бетона. Так же получается
и в медицине: можно получить четкий снимок костей на фоне мягких
тканей.'
Оба метода используются в промышленности, как бы дополняя
друг друга. А поскольку они используются для дефектоскопии, то
эти методы соответственно называются — рентгендефсктоскопия и
гамма-дефектоскопия (или сокращенно — гаммаскопия) . Первый метод
дает возможность просвечивать и малогабаритные и крупногабарит-
ные промышленные изделия. Но в этом случае необходимы мощные,
стационарные рентгеновские установки большой мощности. Это тре-
бует громоздкого оборудования, специальных помещений, подводки
69
тока и охлаждающей зоды. Иногда масса установки достигает 500 кг.
Такую установку сможет поставг п- у себя не всякий завод.
Поэтому выгоднее применять гаммаскопию. Принцип просвечивания
рентгеновскими и гамма-лучами совершенно одинаков.
Для просвечивания изделие ставят против головки рентгеновского
аппарата. С другой стороны изделия на него накладывают кассету с
рентгеновской пленкой. После окончания просвечивания пленку прояв-
ляют и сушат. На рентгеновской пленке видны трещины и пустоты в
бетоне, их расположение и размеры, а также расположение и диаметр
арматуры, закладные части и тл.
Со времени В. Рентгена до наших дней принцип получения ренгенов-
ских лучей остался неизменным. Рентгеновские лучи возникают в ва-
куумной трубке, в которую подают ток высокого напряжения. Из
отрицательного электрода трубки (катода) под влиянием электри-
ческого тока напряжением в десятки и сотни тысяч вольт выбивают-
ся электроны, которые мчатся с огромной скоростью через безвоз-
душное пространство трубки к положительному электроду (аноду).
На поверхности анода электроны тормозятся и благодаря этому элек-
трическая энергия преобразуется в электромагнитные волны — рентге-
новские лучи, которые проходя через тело исследуемого объекта, попа-
дают на поверхность рентгеновского экрана (или на рентгеновскую
пленку). Ударяясь о поверхность рентгеновского экрана, рентгенов-
ские лучи вызывают свечение люминофора, т.е. возникает видимый
свет. Такая трубка, получившая название рентгеновской, является
самым простым и наиболее распространенным источником рентге-
новских лучей.
Рентгеновские трубки — это сердце рентгеновских аппаратов. Они
создают лучи разной энергии от десятков тысяч до нескольких сотен
тысяч электроновольт. Кроме трубки в конструкцию рентегновских
аппаратов входят главыи трансформатор, трансформатор накала (на-
грева) катода рентгеновской трубки, выпрямитель.
В настоящее время в СССР и за рубежом разработано много типов
рентгеновских аппаратов. В зависимости от области применения и по
конструктивному оформлению они подразделяются на стационарные
переносные (портативные, выполненные в виде блок-трансформато-
ров) и передвижные (лабораторные) . В портативных рентгеновских
установках рентгеновская трубка присоединена прямо к выводам
трансформатора и работает под высоким переменным напряжением
(блок-трансформатор). Там же размещают и трансформатор накала.
Весь аппарат переносной рентгеновской установки заполняется маслом
и излучает рентгеновские лучи через окошечко в крышке.
Чем больше напряжение тока, поданного на трубку, тем быстрее
скорость полета'электронов и тем сильнее их торможение на уровне
анода. Так возникают рентгеновские лучи с малой длиной волны. Их
называют жесткими. При уменьшении напряжения электрического
тока и соответственно уменьшении силы торможения возникают рент-
геновские лучи с большой длиной волны или мягкие лучи. Очевидно,
что чем короче длина волны рентгеновских лучей, т.е. чем эти лучи
’’жестче”, тем выше их способность проникать через исследуемое тело.
Регулируя напряжение, подаваемое на трубку, в каждом отдельном
70
случае можно выбрать оптимальную проницаемость рентгеновских
лучей. Так как напряжение тока в сети обычно равно 127 или 220 В, а
на трубку необходимо подавать напряжение порядка десятков и сотен
тысяч вольт, в конструкцию любой рентгеновской установки обязатель-
но входят повышающие трансформаторы.
Так как пучок рентгеновских лучей содержит коротковолновые
и относительно длинноволновые лучи, на его пути часто устанавливают
различные фильтры, частично задерживающие ненужные и мешающие
исследованию компоненты. В качестве фильтров используют металлы,
которые по-разному пропускают рентгеновские лучи разных длин волн:
например, легкие металлы, к которым относится алюминий, свобод-
но пропускают "жесткие” лучи, а тяжелые металлы (медь, свинец)
задерживают их в значительной степени.
Методы просвечивания рентгеновскими лучами непрерывно совер-
шенствуются. Ученые работают над улучшением состава люминофоров,
повышением яркости экранов. Большую роль в развитии рентгеноло-
гии сыграло изобретение электронно-оптических преобразователей,
в десятки и сотни раз увеличивающих яркость свечения экрана благо-
даря чему резко повышается разрешающаяся способность рентгеноско-
пии и вместе с тем значительно снижается вредное воздействие рент-
геновских лучей на обслуживающий персонал.
2.	Поговорим о радиационной интроскопии
Из всего арсенала средств неразрушающего контроля качества го-
товой продукции наиболее эффективен и в то же время наиболее рас-
пространен радиографический метод, основанный на проникающей
способности рентгеновских или гамма-лучей
Радиографический метод обладает высокой чувствительностью и
возможностью выявления характера и формы дефекта, но , . . да, есть
и но: трудоемкость. Вспомните только: длительная экспозиция при
просвечивании деталей и узлов, большая затрата времени на фотооб-
работку ренгеновской пленки и сушку ее. В результате с момента
просвечивания детали до получения снимка проходит немало време-
ни.
Можно, конечно, сократить время контроля, увеличив число рент-
геновских или гамма-аппаратов, штат операторов и, наконец, число
смен Но тогда увеличится себестоимость продукции Что же делать?
Применять еще более эффективные, высокоскоростные методы конт-
роля качества.
И такие методы существуют — это методы радиационной интро-
скопии. Они основаны на просвечивании контролируемых объектов
всепроницающей радиацией и преобразовании радиационного изобра-
жения объекта в светотеневое или электронное изображение Вначале
контролируемые объекты просвечивают всепроникающими лучами
(рентгеновские, гамма-лучи и даже нейтронные излучения). На вто-
ром этапе радиационное изображение объекта преобразуется в свето-
теневое или в электронное изображение. И, наконец, это изображение
передается на расстояние с помощью оптики или телевизионной тех-
71
ники с последующим анализом изображения на экране оптического
или телевизионного приемника.
В чем преимущество метода радиационной интроскопии? Прежде
всего в возможности получения изображения внутреннего состояния
контролируемого объекта непосредственно в момент его просвечива-
ния. Да, но радиографический метод контроля тоже позволяет опре-
делить характер и форму выявляемого дефекта? Правильно. Однако
при радиографическом методе контроля результаты контроля можно
получить только через некоторое время после съемки, проявления,
фотообработки и сушки, тогда как метод радиационной интроскопии
позволяет получать результаты исследований немедленно. Таким обра-
зом сокращается до минимума характерный для радиографии разрыв
во времени между началом контроля и моментом получения изобра-
жения контролируемого объекта.
Метод радиационной интроскопии обеспечивает проведение конт-
роля деталей или узлов изделий и конструкций без их разборки в ус-
ловиях, близких к эксплуатационным (вибрация, колебания темпе-
ратуры и давления и тл.). Этот метод имеет еще одно существенное
преимущество перед радиографическими методами: он позволяет
выявлять пространственно распределенные дефекты в контролируе-
мом объекте с помощью принципов стереоскопии.
Стереоскопию конечно можно применять и в радиографии, но это
усложнит и повысит примерно вдвое трудоемкость самого метода,
потому что для этого потребуется два рентгеновских или гамма-снимков
контролируемого объекта. А это, в свою очередь, потребует два источ-
ника излучения рентгеновского или гамма-излучения. Правда, радиа-
ционная интроскопия также использует два источника рентгеновского
или гамма-излучения, расположенные на определенном базисном рас-
стоянии, однако стереоскопическое изображение контролируемого
объекта получают непосредственно .во время его просвечивания, и
при этом скорость контроля не снижается.
И радиографический метод, и метод радиационной интроскопии
имеют свои преимущества и недостатки. Каждый из методов пригоден
для определенных условий и они не исключают, а скорее дополняют
один другого. А выбор их диктуется характером испытаний и теми це-
лями, которые определяют их использование. Оба метода широко ис-
пользуются в металлургии, машиностроении, электронике, а также
в других отраслях промышленности, в том числе и строительной.
А теперь несколько слов о самих приборах радиационной интро-
скопии- радиационных интроскопах. - Конструктийно это различные
комбинации преобразователей и усилителей яркости изображения в
сочетании с телевизионной техникой. Наиболее распространены радиа-
ционные интроскопы с непосредственным наблюдением и с использо-
ванием телевизионной системы. Первые — самые простые и дешевые.
Как работает такой интроскоп? Очень просто. На пути проникаю-
щего излучения устанавливают контролируемую деталь. Оператор рас-
полагается по другую сторону флюороскопического экрана и наблю-
дает получаемое на экране светотеневое изображение через свинцо-
вое стекло, защищающее от вредного действия проникающих излу-
чений. Такой тип . интроскопа обеспечивает получение большой ин-
72
формации о контролируемом объекте за относительно короткий отре-
зок времени (по сравнению, например, с рентгеновской пленкой).
Недостатком является трудность обеспечения радиационной безопас-
ности оператора.
В СССР для контроля деталей применяют флюороскопические экра-
ны, выпускаемые Московским химико-фармацевтическим заводом
им. Н.А. Семашко. За рубежом разработано большое количество ва-
риантов радиационного интроскопа как стационарных, так и порта-
тивных с флюороскопическим экраном, закрытым со стороны опера-
тора свинцовым стеклом. Радиационные интроскопы с использова-
нием телевизионной установки значительно дороже систем непосред-
ственного наблюдения изображений. Однако применение телевизион-
ной техники имеет ряд преимуществ, основным из которых является
обеспечение безопасности работы оператора при проведении контроля
с использованием рентгеновского и гамма-излучений. В СССР и за
рубежом разработаны рентгено- и гамма-телевизионные интроско-
пы. Наряду с ними разработаны и применяются радиационные стерео-
скопические и стереотелевизионные интроскопы. Их назначение — полу-
чение объемных изображений распределения дефектов в контролируе-
мых объектах. Все радиационные стереоинтроскопы имеют телеви-
зионную приставку. Область применения всех описанных радиационных
интроскопов не ограничивается металлургией, машиностроением и
электроникой. Испытания строительных материалов показали, что де-
фекты (трещины, пустоты, инородные включения), правильность
расположения арматуры и тп. могут быть легко обнаружены методом
радиационной интроскопии.
3.	А теперь гаммаскопия
Большинство ядер атомов природных элементов устойчиво и обла-
дает значительной прочностью. Но кроме стабильных изотопов сущест-
вуют неустойчивые изотопы химических элементов, ядра атомов ко-
торых самопроизвольно распадаются, испуская излучение. Такой распад
называют радиоактивным, а претерпевающие его изотопы — радиоак-
тивными. В настоящее время известно более 250 стабильных и около
1100 радиоактивных изотопов химических элементов. Продолжитель-
ность существования радиоактивного элемента обычно выражают
периодом полураспада — промежутком времени, в течение которого
число атомов уменьшается вдвое. Почти у всех химических элементов
имеются радиоактивные изотопы — ’’близнецы” из мира атома, которые
могут быть применимы для различного рода научных исследований,
а так же для практических целей. Радиоактивные элементы можно созда-
вать искусственным путем.
Все известные на сегодня радиоактивные изотопы (природные и ис-
кусственные) различаются периодом полураспада, видом излучения
и его энергией. Это позволяет в зависимости от конкретных условий
применения подбирать соответствующие изотопы. Существует два
принципиально различных способа применения радиоактивных изото-
пов в науке и промышленности.
73
Первый из них — "меченые атомы'*. Представьте себе корабль, тер-
пящий бедствие; его радиостанция непрерывно посылает в эфир радио-
сигналы, по которым можно установить местопребывание корабля.
Сигнал в виде излучения, который посылает радиоактивные атомы
зарегистрировать с помощью приборов - счетчиков, т.е радиоактив-
ное излучение может служить для атомов меткой,с помощью которой'
можно проследить за движением Значит, достаточно к веществу, за
которым хотят провести наблюдение, подмешать радиоактивный изо-
топ. чтобы в течение всего периода полураспада данного изотопа знать
местопребывание всей массы данного вида атомов Метод "меченых
атомов" широко применяют в различных областях науки и техники.
В строительстве меченые атомы применяют для определения миграции
растворимых солей и воды в бетоне, для контроля процессов смешива-
ния разных жидкостей, для определения мест утечки в трубопроводах,
для исследования кратности обмена воздуха в вентиляционных систе-
мах, для npoBq)KH явлений коррозии и для других аналогичных це-
лей .
Второй метод применения радиоактивных изотопов сводится к ис-
пользованию их излучения, причем химические свойства изотопов в дан-
ном случае не играют никакой роли Искусственные радиоактивные
изотопы играют неоценимую роль при разработке новых и совершен
ствовании старых методов промышленного производства Их широко
применяют для контроля, регулирования и автоматизации производст-
венных процессов в различных отраслях промышленности
В строительстве радиоактивные изотопы впервые были использо-
ваны в качестве источников излучения для гамма-дефектоскопии строи-
тельных изделий и конструкций с целью нахождения дефектов в бетоне
(раковин и трещин), для контроля расположения арматуры в готовых
изделиях, определения диаметра арматуры и толщины защитного слоя,
для обнаружения дефектов в арматуре и сварных швах, участков бе-
тона разной плотности. В Советском Союзе, Чехословакии, ГДР уже
много лет ведутся работы в этом направлении Схема просвечивания
бетона гамма-лучами довольно проста и напоминает схему рентгено-
графирования. Исследуемое изделие устанавливают на стенде про-
тив гамма-установки. С другой стороны изделия прикрепляют кассету
с рентгенов лен кой типа "X” или "XX”, эмульгированной с обеих сто-
рон Изделие просвечивают источником гамма-лучей, находящимся в
рабочем контейнере гамма-установки. Время экспозиции зависит от
толщины просвечиваемого изделия, плотности материала и мощности
источника излучения. После окончания съемки рснгсновскую плен-
ку обрабатывают фотографическим способом и высушивают
Метод гамма-дефектоскопии может служить надежным средством
выборочного контроля качества готовых железобетонных изделий
Его можно рекомендовать для использования на всех заводах желе-
зобетонных изделий и конструкций, где можно установить мощные
(порядка 50 грамм-эквивалент радия) промышленные гамма-установки.
Эта оговорка не случайна. Ведь нс следует забывать, что такие мощные
гамма-установки требуют дистанционного управления и надежной защи-
ты обслуживающего персонала от воздействия гамма-излучения.
74

При рентгеновском просвечивании после окончания съемки рент-
геновский аппарат полностью выключается и в нерабочем состоянии
не опасен для окружающих. Гамма-установка после окончания прос-
вечивания переводит источник гамма-лучей из рабочего контейнера
в контейнер-хранилище. Ивее же, несмотря на, казалось бы, надежную
свинцовую защиту, нельзя гарантировать некоторого, хотя и значитель-
но ослабленного свинцом гамма-излучения. Несмотря на это, гамма-
дефектоскопия имеет преимущества перед рентгенодефектоскопией:
например, просвечивание гамма-лучами железобетонных изделий тол-
щиной 100-300 мм занимает 5-15 мин, аналогичные изделия той же
толщины требуют мощной и громоздкой рентгеновской аппаратуры и
значительно большего времени просвечивания. Объясняется это тем,
что гамма-лучи более жесткие, чем рентгеновские, и энергия их излу-
чения более высокая,чем у рентгеновских лучей.
Мощность установок для гамма-просвечивания может быть не обяза-
тельно высокой. Например, опыт дефектоскопии сварных соединений
показал, что можно применять и маломощные переносные гамма-ус-
тановки. Для просвечивания железобетонной конструкции контейнер
устанавливают на нее, а с другой стороны конструкции помещают фото-
пленку. На пленке видно расположение и диаметр арматуры и располо-
жение трещин в бетоне. Применение переносных гамма-установок дает
значительный экономический эффект.
Однако в настоящее время гамма-просвечивание имеет серьезного
конкурента - тепловидение, которое дает очень хорошие результаты
"внутривидения" без опасности быть облученным проникающими лу-
чами.
Проходя через какой-либо материал гамма-лучи поглощаются им
и тем больше, чем толще материал и выше его плотность. А как уз-
нать, сколько гамма-лучей прошло через материал? Ведь человек не
ощущает проникающих лучей и не может количественно измерить ин-
тенсивность излучения. И на помощь ему приходят счетчики с индика-
тором — регистраторы гамма-лучей. Но надо еще точно знатыолщину
материала. Этому помогает предварительное эталонирование по пли-
там известных размеров, изготовленных из того же замеса, что и кон-
тролируемое изделие. Этот способ намного эффективнее любого спо-
соба котроля геометрических размеров.
Но в строительной практике часто приходится сталкиваться с необ-
ходимостью измерения толщины бетонных плит или дорожного по-
лотна, когда’ доступ возможен к ним только с одной стороны. Есть
прибор, который поможет и в этом. Принцип работы такого прибора
основан на измерении энергии гамма-излучения, рассеянного в обрат-
ном направлении в толще материала. Схема прибора несложна Узкий
пучок гамма-лучей от источника направляют под определенным углом
на плиту или дорожное покрытие. Отраженные (рассеянные) лучи
улавливает счетчик, также расположенный под определенным углом.
Источник гамма-лучей и счетчик излучений ..помещены в свинцовые
контейнеры, между которыми поставлен свинцовый экран, защищаю-
щий счетчик от возможных посторонних излучений. Чтобы повысить
точность измерений подбирают угол наклона, интенсивность и энергию
источника. Точность измерения этим способом очень высока.
76
<м	Описанный принцип положен в основу нескольких вариантов гамма-
плотномеров, разработанных отечественной промышленностью. Напри-
мер, переносной прибор оформлен как Т-образный зонд диаметром
20 мм. В его острие расположен небольшой источник цезия-137 ак-
тивностью 5 мг-экв. радия Острие погружают в слой бетона в процес-
се его укладки в конструкцию Степень ослабления излучений, про-
ходящих через этот слой, фиксируют двумя счетчиками. Показания
счетчиков через усилитель, расположенный в верхней части зонда,
подаются в индикатор, отградуированный прямо в единицах плотнос-
ти.
Очень часто в строительной практике возникает потребность в оп-
ределении влажности строительного материала Электрические методы
пригодны не для всех материалов. Кроме тогол необходимо, чтобы тем-
пература в момент испытания была выше нуля. Существует большое
количество .датчиков влажности. Но все они инерционны, а поэтому
ненадежны в работе. Ддже такие классические методы, как весовые,
требуют нарушения целостности образца^ а главное прекращения тех-
,	. нологического процесса Поэтому они мало пригодны для изучения
• процессов миграции влаги.
Требовались такие методы определения влажности, которые бы
не нарушали тех нол о г ический процесс и не разрушали исследуемого об-
разца. И таким методом оказался гаммаскопический. Этот метод осно-
ван на явлении ослабления гамма-лучей при прохождении их через ве-
77
щество в зависимости от плотности вещества и толщины его слоя.
Все верно, такой принцип использовался при просвечивании материала
известной толщины и плотности. Схема гамма-установки аналогична
схеме установки для определения толщины материала. Заранее оп-
ределяют поглощение в сухом и влажном материале. По результатам
измерения составляют градуировочную кривую, по которой и опре-
деляют влажность; можно также после счетчика гамма-излучений
подключить индикатор или даже самописец и получать данные об из-
менениях содержания влаги в материале, грунте и почве. Такие изме-
рения могут создать картину изменения водного режима под фундамен-
тами крупных сооружений. Существуют переносные приборы для
определения влажности материалов. Они снабжены стрелочными из-
мерительными приборами. С их помощью можно контролировать влаго-
coдqyжaниe в различных строительных материалах (бетон, силикатный
и ячеистый бетон и т.п.) .Точность метода высока: по сравнению с "клас-
сическим” весовым методом погрешность нс превышает 2%.
Радиоактивные изотопы используют и для контроля .уровня в закры-
тых сосудах с сыпучими материалами и жидкостями. Принцип работы
уровцемеров, использующих радиоактивные изотопы, о«ень прост. Он
основан на возрастании поглощения проникающих излучений при про-
хождении через наполненные сосуды. Допустим нужно проверить уро-
вень цемента в цементной банке. Источник гамма-лучей определенной
интенсивности, находящийся по одну сторону банки, излучает парал-
лельный пучок лучей. По другую сторону находится приемник, состоя-
щий из счетчика и усилителя с контрольным прибором, градуированпым
в метрах. Как источник гамма-лучей,так и приемник укреплены настой-
ках, допускающих синхронное вертикальное п^>емещенис. Если гамма-
лучам приходится пробивать толщу слоя цемента, интенсивность про-
хождения лучей ослабляется. При прохождении их через стенки банки,
в месте, где нет цемента, интенсивность лучей повышается. Таким об-
разом прибор следит за уровнем цемента в банке.
При необходимости можно поставить несколько источников излу-
чения и несколько приемников и контролировать уровень в двух-трех
и т.д. точках. В таких случаях говорят о многопозиционной бесконтакт-
ной, дистанционной сигнализации уровня материалов в закрытых ем-
костях .
Преимущество этого способа заключается в том, что, не проникая
внутрь емкости и нс устраивая там каких-либо поплавков или датчи-
ков. можно на расстоянии следить за уровнем заполнения емкости.
Уже разработаны портативные приборы для измерения уровня в ма-
лых емкостях, например, баллонах со сжатыми газами — аммиаком,
пропан-бутаном и т.п. Такой прибор представляет стержень и конст-'
руктивно напоминает латинскую заглавную букву F. В верхней части
помещен источник излучения гамма-лучей, а в перекладине, которая
может перемещаться по стержню в зависимости от диаметра емкости,
вставлен усилитель и счетчик. Кабельная проводка проходит в длинной
части стержня и соединяется с индикатором. В промежуток между из-
лучателем и приемником вставляют испытуемую емкость (например,
огнетушитель). Прибор точно укажет степень заполнения бутылок
огнетушителя углекислотой. Процесс измерения занимает считанные
78

минуты, а обычная проверка, когда бутылки вынимают из огнетуши-
теля, взвешивают и снова устанавливают на место, продолжается до-
вольно долго.
Ну, а если нужно контролировать уровень при высоких температурах
и высоких давлениях среды, заполняющих бак, который герметически
закрыт? Обычные методы измерения уровня в этом случае неприме-
нимы. И снова на выручку приходят радиоактивные изотопьг Источ-
ник гамма-лучей укреплен на поплавке, который держится на поверх-
ности жидкости. Вертикальные стойки, помещенные в бак, обеспечи-
вают вертикальное перемещение источника гамма-лучей при измене-
нии уровня. Над баком, сверху, располагается приемник гамма-лучей,
выходные концы которого выведены наружу и соединены с усили-
телем и индикатором, Изменение высоты расположения поплавка сиг-
нализирует об уровне жидкости в герметическом сосуде.
4. И даже нейтроны ?!
Да, те самые ужасные нейтроны, которые используются в нейтрон-
ной бомбе,, которой весь мир с возмущением говорит : ”Нет”. Но эти
нейтроны служат и мирным целям.
• Советские ученые внесли огромный вклад в открытие атомной энер-
гии, в разработку практических способов ее освобождения,в использо-
вание атомной энергии на благо мира. Лозунг: ’’Пусть атом будет ра-
бочим, а не солдатом!” — лег в основу мирной политики нашего госу-
дарства.
И в нашем случае нейтроны служат вполне мирной цели — для оп-
ределения влажности строительных материалов. Проходя через влажный
материал, они сталкиваются с водородом, содержащимся в молекулах
воды. Благодаря этому они замедляются. В конце концов скорость ней-
тронов становится близкой к скорости движения молекул при воздей-
ствии тепла. Такие нейтроны называют тепловыми или медленными.
Они вступают во взаимодействие с ядрами некоторых элементов. Атом-
ные ядра, захватив тепловой нейтрон, испускают альфа-частицу, ко-
торую можно легко зарегистрировать обычными счетчиками.
Источником нейтронов обычно служит смесь радиоактивных эле-
ментов полония или радия с бериллием. В промышленности сущест-
вует два типа нейтронных влагомеров: для регистрации быстрых нейт-
ронов, прошедших через влажный материал определенной толщины,
и для определения числа тепловых найтронов. Во влагомерах перво-
го типа наибольшая влажность материала соответствует меньшему
числу быстрых нейтронов, прошедших через материал; во влагоме-
рах второго типа — большему числу тепловых нейтронов, образовав-
шихся при взаимодействии с водородом воды.
Приборы измеряют влажность в пределах от 2,5 до 40% с точностью
2%. Нейтронные^ влагомеры просты по конструкции и имеют малую
массу. Нейтронные влагомеры позволяют определить количество во-
ды в материале в любом ее состоянии — жидком, твердом и парообраз-
ном. Поэтому кроме определения влажности песка, влажности запол-
нителей можно установить льдосодержание щебня, песка или грунта.
80
РАССКАЗ ШЕСТОЙ, НЕСЛЫШИМЫЙ ЗВУК
1.	Что такое ультразвук ?
Вспомним световой спектр. Там по краям участка опти-
ческого света расположены две области невидимого свет-
та — инфракрасная и ультрафиолетовая. Точно так же об-
стоит дело со спектром упругих волн. Те частоты упругих
колебаний, которые ниже или выше, чем те, которые могут
6—1058
81
быть восприняты человеческим ухом, по аналогии с оптическим спект-
ром соответственно называются инфразвуками и ультразвуками. Ульт-
развуковые волны во многом сходны со световыми. Они могут отра-
жаться, преломляться и фокусироваться по законам, аналогичным за-
конам геометрической оптики. Что это значит? Это значит, что угол
падения ультразвукового луча равен углу отражения, что при перехо-
де из одной среды в другую ультразвуковой луч преломляется, т.е.
изменяет направление распространения, что ультразвуковые лучи могут
быть получены в виде узких пучков. По аналогии со световыми пучка-
ми ультразвуковые принято называть ультразвуковыми лучами. Ультра-
звуковые волны распространяются направленно, тогда как звуковые —
ненаправленно, распространяясь во все стороны от их источника (вспом-
ните автомобильный гудок — его слышно по всем направлениям от
автомобиля).
Итак, ультразвук. Это неслышимые человеческим ухом упругие
волны, частоты которых превышают 20 кГц. Ультразвук содержится
в шуме ветра, машин, издается и воспринимается некоторыми живот-
ными (летучие мыши, собаки, рыбы, насекомые и т.д.). Применяется
в физических, физико-химических и биологических исследованиях/
в технике — для дефектоскопии твердых непрозрачных тел; навигации;
подводной связи; ускорения некоторых химико-технологических про-
цессов; получения стойких эмульсий; сушки, очистки, сварки и других
процессов; в медицине — для диагностики и лечения; для определе-
ния глубины рек и морей, отыскания затонувших судов, косяков
рыб и т.д.
Чем же можно объяснить такое многообразие "деятельности” ультра-
звука? Оно обусловлено тремя особенностями, вытекающими из основ- ,
ного свойства ультразвука — высокой частоты колебаний Первая осо-
бенность — возможность получения узких пучков и концентрации ульт-
развуковой энергии в небольшом объеме. Мощность таких пучков
достигает десятков и сотен ватт. А вот их интенсивность, т.е. мощность,
приходящаяся на единицу поперечного сечения пучка, — несколько
ватт, а иногда и десятков ватт на 1 см-. Вторая особенность — получе-
ние высоких скоростей и огромных ускорений частиц среды, позволяю-
щих вызывать их значительные механические разрушения. Каким обра-
зом? Известно, что в качестве единицы ускорения обычно выбирают
ускорение силы тяжести, обусловливаемое тяготением земли. Это ус-
корение составляет 9,81 м/с- и обозначается латинской буквой д . В
быту мы ощущаем ускорение при движении транспорта, при остановке
лифта, и тл. Небольшие ускорения в 1,5—2 раза больше-, чем д .лег-
ко переносятся человеческим организмом. Авиация имеет дело со зна-
чительно большими ускорениями 5—6 даже 8—10 д . Под действием
ультразвуковых колебаний ускорение может достигнуть сотен тысяч
и даже миллионов д . Благодаря этому ультразвуком с можно об-
рабатывать такие твердые и хрупкие вещества, как стекло, мрамор,
керамику и тл. и выдалбливать в них отверстия любой формы.
К третьей особенности ультразвука следует отнести явление кавита-
ции в жидкости, заключающееся в создании дополнительного гидроста-
тического давления на ее поверхности. В результате нарушается сплош-
ность среды и образуются пустоты (полости) , так называемые кавита-
82
ционные пузырьки. Явление кавитации используется для образования
стойких эмульсий, которые сохраняются длительное время (до 5—6
мес.). Таким путем, например, удалось сделать применяемую в строи-
тельной практике эмульсию из казеина с известью. Эмульсия, изготов-
ленная обычным путем, расслаивается в течение нескольких суток.
Кавитация широко используется в технике для очистки металлических
поверхностей, коагуляции и дробления твердых частиц.
2.	Как получают неслышимые звуки ?
Для получения или, как говорят, для генерации ультразвука исполь-
зуют два физических эффекта: пьезоэлектрический* и магнитострик-
ционный.
Пьезоэлектрические генераторы создают ультразвуковые колебания
от 150 кГц до 8 МГц. Основаны они на следующем принципе: на вы-
ходе электрического генератора создаются колебания высокой часто-
ты, которые подводятся к пьезоэлектрическим пластинам. Пластины
колеблются в такт с колебаниями электрического генератора и пере-
даются в ту или иную среду.
* От греческого слова ’’пьезо” — давлю, ’’эффект” — действие, т.е. возникно-
вение электричества по действием давления-
83
6
В отличие от пьезоэлектрического генератора, магнитострикцион-
ные генераторы создают ультразвуковые колебания низкой частоты
от 20—150 кГц. Если на пакет тонких пластин, изготовленных из ма-
териала, обладающего магнитострикционными свойствами (например,
никель, кобальт, железо) , наложить изолированную обмотку, через ко-
торую пропущен переменный ток, то пакет этот будет попеременно
намагничиваться и размагничиваться, а размеры его периодически
изменяться. Колебания будут передаваться окружающей среде в виде
чрезвычайно мощных ультразвуковых волн.
Ультразвук можно генерировать и при помощи так называемых
механических генераторов: свистков, сирен с повышенной частотой
излучаемого звука. Этот тип генераторов используют для коагуляции
пыли, дыма и для изготовления строительных эмульсий.
Однако одним из наиболее распространенных способов обнаруже-
ния ультразвука является использование пьезоэлектрических преобра-
зователей. На пути ультразвуковой волны располагают пластинку из
пьезоэлектрика. Падающая на кварцевую пластинку волна вызывает
появление электрических зарядов, которые усиливают при помощи
обычных усилителей и регистрируют. Применяя звукоприемники с
пьезоэлементами, можно не только обнаруживать ультразвуки, но и
измерять их интенсивность.
А вот действие мощных звуков можно проследить визуально.
3.	Чем ультразвук может помочь строителям ?
Ультразвуковая дефектоскопия твердых тел основана на способ-
ности ультразвуковых волн отражаться от границы раздела двух сред,
обладающих разными акустическими свойствами. Эта способность
и используется для обнаружения внутренних дефектов в металле,строи-
тельных материалах и других твердых телах.
Дефект (в виде раковины или трещины) имеет резко отличающую-
ся акустическую плотность* по сравнению со строительным материа-
лом. Поэтому ультразвук отражается от поверхности, ограничивающей
область распространения дефекта. При значительной разнице акусти-
ческих плотностей смежных сред отражение от границы раздела весь-
ма значительно.
Ультразвук сильно поглощается воздухом. Практически для увели-
чения передачи ультразвука в твердое тело используют промежуточ-
ные слои из масла, вазелина или пластелина.
В однородных изотропных твердых телах ультразвук распростра-
няется в виде строго направленных лучей без существенного поглоще-
ния (затухания). А вот в неоднородной, да к тому же анизотропной
среде ультразвук рассеивается, преломляясь и отражаясь на границах
раздела различных сред. Эти особенности распространения ультразву-
* Акустическая плотность равна произведению плотности среды на скорость
ультразвука в среде.
84
ка и были использованы для создания метода ультразвуковой дефекто-
скопии твердых тел.
Советский Союз является родиной ультразвуковой дефектоскопии.
Еще в 1928 г. советским ученым С Л .Соколовым ультразвук был впер-
вые в мире применен для дефектоскопии металлов. Им было исполь-
зовано свойство ультразвуков проходить через материалы, почти не
ослабляясь, и в то же время сильно терять мощность при прохожде-
нии даже небольших расстояний в воздухе. Ультразвуковые дефек-
тоскопы работают в диапазоне частот от 0,7 до 3 МГц и используют
преобразователи (’’щупы”) с твердыми головками.
При дефектоскопии металлов пластинки из пьезокристалла прикла-
дывают непосредственно к исследуемой металлической детали сверху
и снизу. Одну из пластинок присоединяют к электронному генератору
высокой частоты, а другую — к приемнику с усилителем. Ультразвуко-
вой луч проходит через металлический образец. Если образец сплошной
и без изъянов, то сигнал непосредственно воспринимается приемником.
Если же на пути луча в металле встречаются пустоты, то в этих местах
ультразвуковые колебания поглощаются и прохождение ультразву-
ка замедляется.
Получаемая таким образом информация позволяет судить только
о наличии или отсутствии дефекта, а вот импульсный метод позволяет
установить не только наличие самого дефекта, но также его размеры
и местоположение в испытуемой детали. Этот метод отличается от
описанного выше и называемого ’’теневым” тем, что в металлическое
изделие, подлежащее испытанию, посылают не непрерывные ультра-
звуковые излучения, а короткие электрические импульсы (отсюда
и название метода — импульсный). Практика показала, что ультразву-
ковые дефектоскопы могут надежно выявлять в металле внутренние
дефекты в виде трещин, раковин, разрывов сварных швов и т.п.
Опыт использования ультразвуковых дефектоскопов для металла
в различных отраслях промышленности послужил толчком для создания
ультразвуковых дефектоскопов для неметаллических материалов,
в частности для таких строительных материалов, как бетон, кирпич,
керамика и тл. Если сравнить металл с бетоном, то увидим, что пер-
вый однороден, имеет мелкозернистую структуру и, как правило, хо-
рошо отполированную поверхность. Бетон же неоднороден, порист
и имеет крупнозернистую структуру. Его поверхность очень шерохо-
вата. Поэтому надежный акустический контакт между твердой ме-
таллической мембраной излучателя и бетоном трудно достижим. И еще
один фактор: дефектоскопы для металлов обладают очень малой мощ-
ностью генераторов ультразвука, а поэтому размеры проверяемых из-
делий ограничены. Для дефектоскопии бетона частота ультразвуковых
колебаний была выбрана в пределах 30—100 кГц. Выбор этих частот
не случаен. Мы уже говорили, что в неоднородной среде с различными
включениями и неоднородной структурой материала ультразвуковые
колебания рассеиваются. Поэтому, попадая в такой неоднородный ма-
материал, как бетон, ультразвуковой луч может преломляться и мно-
гократно отражаться.
Вот для того, чтобы слабить эффект рассеяния и отражения и необ-
ходимо понизить частоту ультразвука, что приведет к увеличению дли-
85
ны волны и расширению луча. При более длинных волнах небольшие
неоднородности не бедут играть роли и луч пройдет через бетон, не
преломляясь или не рассеиваясь при столкновении с ними.
И еще одно соображение в пользу понижения частоты ультразвука:
длина волны должна быть больше размера зерна. Тогда можно надежно
ис большей точностью выявлять дефекты.
Для работы с шероховатой поверхностью, какой является поверх-
ность бетона, служат пьезоэлектрические кристаллодержатели — ’’щупы”
с резиновыми мембранами. Они обеспечивают надежный акустический
контакт. Как это достигается? Во-первых тем, что пространство между
кристаллом и мембраной заполнено касторовым маслом. Во-вторых,
применение резиновых мембран позволило добиться наименьшего
коэффициента отражения за счет близких значений акустической плот-
ности и скорости волн в бетоне и резине. Первые ультразвуковые де-
фектоскопы для бетона УЗД-16 и УЗД-26 были разработаны во
ВНИИжелезобетона еще в 1955 г.*. Принцип работы ультразвуковых
дефектоскопов основывался на ’’теневом” методе.
Ультразвуковые дефектоскопы позволяют быстро и надежно выяв-
лять в непрозрачных твердых телах, какими являются металл, бетон,
* Начиная с конца 1955 г. они выпускались серийно (малой серией) при учас-
тии автора настоящей книги в Московском районном управлении треста Союз-
теплоконтроль МПСМ СССР.
86
керамика и т.п., скрытые внутренние дефекты в виде трещин, раковин,
разрывов, швов и тл. Однако подобные ультразвуковые дефектоско-
пы для бетона имеют ряд недостатков, они требуют доступа к испы-
тываемому изделию только с двух сторон. А это значит, что метод
предполагает использование только ’’работы на прозвучивание”. Так
как усиление в дефектоскопах невелико, то можно было контроли-
ровать бетон толщиной не более 10-15 см.
Определение прочности — одной из важнейших характеристик бе-
тона — обычно проводят, разрушая на гидравлическом прессе специаль-
ные кубики-образцы. Точность измерений этим методом не превы-
шает +30%.
Современное строительство требует тщательного и надежного конт-
роля качества бетона и в самом сооружении, поэтому понадобились
неразрушающие методы контроля и прежде всего акустические, ис-
пользующие для своих целей упругие волны: звук и ультразвук.
Как показала практика, эти методы позволяли с определенной сте-
пенью точности оценивать не только прочность, но и изменение меха-
нических свойств изделий во времени и в нагруженном состоянии, а
также устанавливать однородность бетона в сооружениях или конст-
рукциях. Вначале исследователи установили, что при ’’прозвучивании”
бетона с помощью ультразвука сильно изменяется скорость распрост-
ранения ультразвука в бетоне. Так, при ’’прозвучивании” бетона раз-
ных марок скорость распространения ультразвука в бетоне изменяет-
ся от 2300 до 4500 м/с. Значит, можно экспериментально судить о
качестве бетона по пятибалльной шкале:
Скорость рас-
пространения
ультразвука,
м/с
Качество бетона
Больше 4500
От 4000 до 4500
От 3300 до 4000
Ниже 2300
Ниже 2000
отличное
хорошее
удовлетворительное
плохое
очень плохое
Конечно,эта оценка сугубо ориентировочная. Однако если мы имеем
дело с бетонами известного состава, то при помощи тарировочной кри-
вой ’’скорость — прочность” можно с большой точностью получить дан-
ные о прочности бетона. Поскольку большую роль играет заполнитель,
то создавая кривую ’’скорость — прочность”, надо всегда учитывать
свойства заполнителя. При ультразвуковом контроле бетона на заводе
надо предварительно создать т ар ир о в очную кривую с учетом заполните-
лей, применяемых в процессе изготовления бетона. Измерение скорости
распространения ультразвуковых волн позволяет судить о качествах
бетона: определять время распалубки бетонного соор ужения, оценивать
качественные показатели твердеющего бетона непосредственно в соору-
жении, прослеживать поведение бетона при его замораживании и, нако-
нец, проводя параллельные испытания образцов и самого сооружения,
судить о прочности бетона в готовом сооружении. Зная скорость рас-
87

пространения ультразвука в бетоне и среднюю плотность бетона мож-
но определить при необходимости динамический модуль упругости бе-
тона, а значит и его прочность.
Уже много лет в строительной практике применяют низкочастотные
колебания для уплотнения бетона, что положительно сказывается на
прочности бетона. Так, например, виброобработка цементного теста в
течение нескольких минут повышает прочность цементного камня при-
мерно на 50%.
В. настоящее время почти все бетонные и железобетонные изделия
и монолитные бетонные сооружения изготовляют при помощи виб-
раций. Частота этих механических колебаний находится в пределах
16-160 и 1000 до 10 000 Гц. Действие механических колебаний зву-
ковой частоты очень сильно влияет на бетонную смесь. Прежде все-
го это сказывается на уплотнении бетона. Он уплотняется за счет час-
’ тичного выделения из него пузырьков воздуха и распределения час-
тиц бетонной смеси в объеме. Это очень важно для жестких и мало-
подвижных бетонных смесей. Более того механические колебания
звукоковй частоты (вибрации) позволяют резко увеличить одно-
родность бетона и увеличить контакт цемента с водой затвердения.
Учитывая необходимость тщательного перемешивания бетонной
смеси для обеспечения однородности и необходимой прочности, строи-
тели начали применять вибрацию на стадии изготовления бетона, так
88
называемое . виброперемешивание. Оно значительно улучшает струк-
туру бетона, повышает скорость его твердения и прочность. А если
повысить частоту колебаний, доведя ее до частоты ультразвука? Ре-
зультаты первых экспериментов оказались очень эффективными для
строительной практики. Но внедрить, ультразвук для вибрации бе-
тона сразу не удалось: для вибрации бетона ультразвуком понадоби-
лись надежные и экономичные источники ультразвука, да к тому
же еще большой мощности. Пока же этого ультразвуковая техника
предоставить не может. Поэтому эксперименты по применению ульт-
развука для вибрации бетона еще не вышли из стен лабораторий. Но
строители применяют вибрацию бетона! Оказалось, что забивать бе-
тонные сваи методом вибрирования гораздо экономичнее, чем тра-
диционным методом.
Для изготовления эмульсий, применяемых в производстве сбор-
ного железобетона для смазки форм перед бетонированием изделий,
обычно механически перемешивают составляющие. Но такая эмульсия
быстро расслаивается (через несколько минут). Для повышения ус-
тойчивости в эмульсию вводят эмульгаторы. Получить в производст-
венных условиях высококачественные эмульсии весьма сложно. До-
зировка и приготовление эмульсий требуют много времени. Стоимость
эмульсии высока.
89

Более эффективным способом приготовления эмульсий оказался
ультразвуковой. В качестве генератора ультразвука используют жид-
костной свисток. Ультразвук позволяет получить очень стойкие эмуль-
сии даже при таких составляющих, как вода + ртуть, вода + парафин
и другие, обычно не смешивающиеся между собой жидкости.
Несколько лет назад в строительную практику были внедрены ’’акус-
тические диспергаторы” типа АД-1. С их помощью изготовляли эмуль-
сионные смазки для металлических форм, содержащие 82-84% воды,
15% трансмиссионного автотракторного масла (ингрола) и 0,6—1% мыла
или 3% эмульсола. Продолжительность изготовления эмульсии 15 мин.
Эмульсии, полученные таким образом, очень устойчивы и не расслаи-
ваются при комнатной температуре более 3 сут. С помощью ультра-
звукового эмульсификатора можно получить практически нерасслаи-
вающуюся водомасляную эмульсию. Ее использование взамен олифы
позволит удешевить строительные работы. Водомасляная эмульсия
может быть получена в любой пропорции. Она пригодна для всех ви-
дов отделочных работ, при которых пользуются эмульсионными сос-
тавами. Покрытые ею поверхности высыхают в те же сроки, что и по-
верхности,покрытые красителями на олифе. Как показал опыт, ультра-
звуковая эмульгирующая установка при производительности насоса
6 м3/ч, напоре в трубопроводе 120 кПа и трех ультразвуковых жид-
костных свистках дает за 8—10 мин 80 л эмульсионного разбавителя*.
90
Этим же путем можно изготовлять и другие виды эмульсии, напри-
мер, для пропитки массы в производстве древесноволокнистых и
древесностружечных пластиков (парафин с водой), в производстве
минеральной ваты (битум—вода), молярные эмульсии (смеси глина-
вода) и т.п. Успехи ультразвуковой техники позволяют надеяться,
что в ближайшее время ультразвук в строительстве получит широкое
применение.
РАССКАЗ СЕДЬМОЙ. ЗА ПРЕДЕЛАМИ ФАНТАСТИКИ
1.	И снова гиперболоид
Кто из нас не зачитывался фантастическим романом
А.Н. Толстого ’’Гиперболоид инженера Гарина”?! По
словам Гарина, его гиперболоид был устроен довольно
просто: лучи, собираясь в фокус зеркала, падают на по-
верхность гиперболоида и отражаются от него математи-
92
чески параллельно, иными словами, гиперболоид концентрирует все лучи
в один, образуя '’лучевой шнур” любой толщины. Энергия гиперболоида
так велика, заявил он, что ’ в природе не существует ничего, что могло
сопротивляться силе ’’лучевого шнура”. Здания, крепости, дредноуты,
воздушные корабли, скалы, горы, кора земли — все пронижет, разру-
шит, разрежет мой луч ...” Вот они, ’’лучи смерти’’, разящие врага
на расстоянии, об изобретении которых мечтало не одно поколение
военных изобретателей!
Роман АН. Толстого привлек внимание изобретателей всех облас-
тей техники. Поэтому естественно желание выявить правильность тех-
нических идей, лежащих в основе фантастического изобретения. А
стоит ли заниматься так подробно разбором заведомо фантастичес-
кой схемы? Ведь увлекательные романы читают не для того, чтобы ис-
кать в них ошибки! Верно. Но здесь случай особый. Во-первых, идеей
гиперболоида ’’заболели” изобретатели прожекторов ’’лучей смерти”,
которые до сих пор предлагают проекты, почти в точности повторяю-
щие схемы Гарина. Во-вторых, что очень важно — идея гиперболоида
воплотилась в современном лазере!
Несколько слов о самой схеме. Конечно, с позиций оптики А. Тол-
стой допустил ряд серьезных неточностей: нс учел законы отражения
от вогнутых зеркал, заменил в большом отражателе эллипсоид на ги-
перболоид. Используя немонохроматический луч (а именно он при-
менен в гиперболоиде Гарина), концентрированный пучок получить
нельзя. Доказательством этого служат зеркальные телескопы Кассе-
грена, которые имеются во многих обсерваториях. Так же, как в ги-
перболоиде инженера Гарина, в их конструкции соединены выпук-
лые и вогнутые зеркала. Эти телескопы каждый день наводят на солн-
це, но никто никогда не видел ’’лучевого шнура”. Во всех случаях полу-
чался расходящийся пучок лучей . . . Так что все описанное А. Тол-
стым — ’’голубая мечта” изобретателей ’’лучей смерти”.
Тем не менее идея создания ’’лучевого шнура”, но не для войны,
а для мирных целей нашла множество сторонников. Этого требовал
современный технический прогресс.
Многие годы создание гиперболоида затруднялось тем, что свет
от обычных источников (свечей, электролампочек, электродуги и т.п.)
сконцентрировать в тончайший ’’лучевой шнур” невозможно. Почему?
Потому что свет представляет собой хаотическую совокупность бес-
численного множества колебаний с различными частотами и фазами.
Такой луч называют полихроматическим (немонохроматическим).
Вся энергия такого луча в определенной пропорции распределена между
волнами различной частоты. Невозможно сфокусировать немонохрома-
тический луч с помощью различных оптических систем, так как каждая
электромагнитная волна имеет свой фокус, соответствующий ее длине.
Если же иметь дело с когерентным световым излучением, то свето»
вой шнур, описанный А. Толстым, получить можно. В когерентном
световом луче совпадают не только частоты колебаний, но и фазы, а
также направления распространения волн. Эта особенность вынужден-,
ного излучения и лежит в основе оптических квантовых генераторов
света — лазеров. Так казавшаяся фантастической мечта замечатель-
ного советского писателя была воплощена в жизнь. Это произошло
93
спустя немногим более двадцати лет после выхода киш и и стало воз-
можным благодаря успехам современной физики.
Родина лазера — Советский Союз. Первые образцы лазеров были
созданы академиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым лауреатами
Ленинской премии 1959 г. и Нобелевской премии 1964 г.
Лазеры дают узконаправленные лучи света громадной интенсивнос-
ти, равной '’тысяче солнц”. Плотность мощности лазерного излучения
в фюкусе может достигать миллиардов киловатт на 1 см~! Правда,
эта световая мощность существует в световом фокусе всего 10-9 С(
но этого вполне достаточно для испарения любого имеющегося на нашей
планете вещества. Сегодня существуют лазеры с самыми разнообраз-
ными энергетическими характеристиками. Все лазеры имеют одно
общее — они преобразуют один из видов энергии в монохроматическое
когерентное излучение электромагнитных волн.
В зависимости от излучателя активным элементом лазера могут
быть твердые тела (кристаллы, например рубина или стекла с добав-
ками ионов веществ), жидкие (на неорганических жидкостях), газо-
вые (например, гелий, неон) и полупроводниковые (монокристаллы,
например арсенид галия). Обилие типов лазеров определяет широту
их применения. Трудно перечислить все области, где лазеры не только
с успехом заменяют старые технические средства, но и создают прин-
ципиально новые возможности.
94
2.	Лазер служит человеку
«
Областью, где лазеры впервые проявили свои выдающиеся ’’спо-
собности” была технология обработки металлов. Лазеры не только
пополнили огромный арсенал механических, ультразвуковых и электро-
эрозивных сверл, но и поставили своеобразные рекорды- Лазер пла-
вит, режет, сверлит, сваривает любые сколь угодно тугоплавкие ма-
териалы! Лазер пробивает металлы, алмазы, бетон и другие твердые
материалы, причем диаметры этих отверстий гораздо меньше диаметра
человеческого волоса. Кроме того, отверстия могут быть пробиты в
местах, где обычно механическим инструментом пробить отверстие
невозможно. Лазерный скальпель рассекает стальной лист миллимет-
ровой толщины, не говоря уже о дереве, пластмассах, ткани. Лазер —
раскройщик уже давно работает на швейных фабриках, диамётр его
луча 1/10 мм.
Лазер — высококвалифицированный сварщик. Он способен свари-
вать со стопроцентной гарантией золото и кремний, никель и тантал,
медь и алюминий и потому нашел широкое применение в приборо-
строении.
Интересно использование лазера в дальнометрии. Например, еще
в 1963 г. в СССР была проведена локация Луны при помощи рубино-
вого лазера, установленного в фокусе 2^-метрового телескопа Крым-
ской обсерватории. Недостаточная точность измерений объяснялась,
по-видимому, неровностью рельефа поверхности Луны. Обеспечить на-
дежность измерений мог только искусственный отражатель, установ-
ленный на Луне. В 1970 г. советская автоматическая станция ’’Луна 17”
доставила на западную часть лунной поверхности — в море Дождей
искусственный отражатель ТЛ-2, с помощью которого было точно
определено расстояние от Земли до Луны — 384 000 км!
Особый интерес в деле освоения космоса представляет примене-
ние лазера для сварки в космосе.
3.	Лазер трудится в строительстве
Луч газового лазера является идеальной прямой линией, заменяющей
строителям линейку и отвес при производстве строительно-монтажных
работ. Буквально через несколько лет после изобретения лазера в
1966 г. в журнале ’’Приборостроение” рассказывалось о том, как впер-
вые для выравнивания крупных строительных площадок вместо при-
вычной опорной проволоки использовали лазерный луч. Площадку
длиной 100 м по новой технологии горизонтировали с неслыханной
точностью: ±1 мм! Аналогичные работы проводились и для выравни-
вания аэродромов,полотен автострад и т.п.
Лазер также применяют для прокладки осушительных каналов.
Сейчас этот способ вошел в практику. Если первое время каждой зем-
леройной машине требовался свой направляющий лазер, то позднее
пришли к очень простому и остроумному решению. Поставили лазер
на вращающееся основание и по плоскости, которую он очерчивает
своим лучом, координируют действия скольких угодно машин Бла-
95
9 6
годаря этому производительность машин повысилась почти вдвое и
стала возможной работа ночью.
Опыт использования лазерного луча-нивелира в полевых условиях
был перенесен на строительство промышленных предприятий и пока-
зал себя как нельзя лучше. Речь идет о монтаже прокатного стана. А
ведь длина этого*сооружения иногда составляет сотни метров! И его
необходимо не просто смонтировать, а вытянуть в идеальную прямую
нитку. Все валки (а их порой сотни!) нужно расположить строго го-
ризонтально. Работа прямо-таки ювелирная. Обычно для этого исполь-
зуют монтажную линейку. Длина ее 6 м, а масса порядка 100 кг. Вот
такую линейку требуется держать на весу целой бригадой так, что-
бы она не дрогнула! А геодезист, который прильнул к своему теодо-
литу, машет рукой и командует: ’’Чуть выше . . ’’чуть ниже . .
’’правее” Если учесть, что расстояние между геодезистом и бригадой
иногда до 50 м, то станет очевидным, насколько это трудоемкая опе-
рация и как трудно наладить взаимопонимание между бригадой и
геодезистом.
И вот лазерный луч-нивелир сверкающей идеально натянутой струной
повис над фундаментами. Ему нипочем пыль, туман, дождь и темнота.
И он абсолютно безопасен для окружающих людей. Лазерный нивелир
не только упрощает работу, но и ускоряет ее и довольно ощутимо. На-
пример, на строительстве полукилометрового наклонного конвейера
для подачи шихты в доменную печь лазер сократил срок монтажа в
1,5 раза и дал свыше 10 000 руб. экономии. Чтобы выставить валки
перпендикулярно оси прокатного стана на Выксунском металлурги-
ческом заводе обычными методами, надо было затратить целую смену.
А с помощью лазера эта операция заняла всего 1 ч!
По лазерному лучу, например, выверяют теперь вертикальность
опорных точек при строительстве высотных зданий, радио и теле-
башен, дымовых труб, различных исследовательских и буровых вышек
шахтных сооружений, ведут оперативный геодезический контроль за
сооружениями такого типа.
Если необходимо выставить сооружение точно по вертикали, к ус-
лугам строителей лазерный зенит-центрир типа ЛЗЦ-1. Именно он при-
менялся для определения вертикальности Останкинской телевизион-
ной баши в Москве. Прибор устанавливали на знаке, закрепленном
в центре основания башни. Луч направляли вертикально вверх и на раз-
ных высотах определяли отклонение башни от вертикали. Лазерный
зенит-центрир можно применять для проектирования вертикалей как
вверх, так и вниз: при строительстве шахтных стволов, например, При-
бор устанавливают над шахтой и луч направляют вертикально вниз.
Используя поляризованность лазерного излучения, одновременно с
передачей координат в шахту можно передавать и направляющий угол.
Лазерный зенит-центрир можно использовать и для профилирования
и съемки поперечного сечения шахтного ствола, для установки башен-
ных кранов и тщ.
Обычно при строительстве туннелей положение проходческого щита
в плане и профиле проходчики определяют после каждой передвижки
щита. Управлять щитом, соблюдая проектное направление и профиль
туннеля, могут только опытные проходчики, да и то при постоянном
7-1058
97

маркшейдерском контроле. А ведь от точности ведения щита зависят
эксплуатционные качества туннеля и его долговечность. Лазерный ви-
зир ЛВ-1 позволил задавать направление и вести непрерывный визуаль-
ный контроль положения проходческого щита при строительстве тунне-
ля. Дальность действия прибора не менее 200 м,а точность определения
координат на предельном расстоянии +4 мм.
Лазерный визир хорошо помогает строителям. Его использовали
для контроля горизонтальности укладки плит при сооружении могилы
Неизвестного солдата у Кремлевской стены в Москве, при геодезичес-
кой съемке подкрановых путей мостовых кранов на Ворошиловоград-
ской ГРЭС, для разбивки створа трассы установки ленточных экскава-
торов на Михайловском карьере Курской магнитной аномалии. И в
каждом случае (а их список далеко не исчерпан) достигались высокая
точность и большой выигрыш во времени.
Весьма перспективно применение лазерного . луча при подготовке
лож подводных трубопроводов (как, например, между Сан-Францис-
ко и Оклендом, США), для ориентирования подводных нефтепрово-
дов (штат Луизиана, США), для передачи высотных отметок при про-
ведении крупных строительных работ, планировании местности и tji.
4.	Чудо XX века
Самой фантастической областью применения лазера стала гологра-
фия. Ведь она дала человечеству возможность получать изображения,
создающие полную иллюзию реальности наблюдаемых предметов —
зрительное ощущение объемности, цвета и ракурса. Попытайтесь, рас-
сматривая обычную фотографию, заглянуть за предметы, находящиеся
на переднем плане. Почему это не удается? Потому, что фотография
это плоское изображение объемного предмета или группы предметов,
полученное под определенным углом зрения. А если изображение за-
писано на фотопластинку голографическим способом, заглянуть за
него можно. Такая запись называется голограммой (от греческих слов
’’голос” — полный и ’’грамма” — запись, т.е. картина полной записи).
Да, голограмма это, действительно, чудо, и, конечно, для его создания
нужна ’’таинственная” комната и обязательно волшебник . . . Рассмот-
рим голограмму, записанную на стандартную фотопластинку. Если
ее смотреть на свету, как мы обычно делаем с негативом обычной фото-
графии, то мы увидим серую поверхность, кое-где испещренную круж-
ками и завитушками. Неискушенный человек принимает голограмму
за испорченный фотонегатив. Но достаточно осветить голограмму ла-
зером, как она буквально оживает. Словно открывается окно в объем-
ный мир. Там, за ’’окном” в глубине голограммы наблюдатель увидит
предмет (например, . . . кошку) так, как он был виден до записи изо-
бражения предмета на голограмму. Это значит,что его можно рассматри-
вать под разными углами зрения или, как говорят в фотографии,в
разных ракурсах.
Изображение, которое видит наблюдатель в глубине голограммы,
настолько реально, что невольно хочется его потрогать. Но пальцы
7*
99
пройдут сквозь изображение и сомкнутся в «воздухе ... А кошка бу-
дет видна по-прежнему на том же месте, где она была перед гологра-
фированием. Тут-то и возникает ощущение чуда: если никакого изобра-
жения нет, то почему же так отчетливо виден предмет, да еще к тому
же со всеми деталями? Ведь налицо явный ’’эффект присутствия”! А
если ’’эффект присутствия” налицо, то почему же нельзя потрогать
статуэтку? •
Объясняется это тем, что голограмма — трехмерное изображение,
но только не действительное, а ’’мнимое-’ . . . Это "призрак” реально-
го предмета. Оттого его и нельзя "пощупать" . . . Me случайно гологра-
фию образно называют "наукой о призраках”.
Но чем же отличается стсрсофотографичсскос изображение от голо-
граммы? Ведь оно также обладает объемностью. Да в том. что при
рассматривании как стереофотографического изображения, так и изо-
бражения в стереокино наблюдатель (зритель) как бы "привязан” к
определенной точке наблюдения. Поворот головы и все очарование
объемности пропадает.
А вот голограмму можно рассматривать так же, как естественные
объекты, т.с. изменяя свое положение как угодно. Благодаря этому бу-
дет изменяться и перспектива изображения. Причем, меняя положение
головы, наблюдатель сможет обнаружить параллакс. Это означает, что
наблюдатель может, двигая голов ой, заглянуть за заслоняющий предмет
и увидеть все то, что вначале было скрыто от взгляда. Если теперь
100
перенести взгляд с ближнего предмета на дальний, то глаз должен
будет соответственно приспособиться к новому положению аккомо-
дировать. Восстановленное изображение настолько реально, что об-
ладает всеми зрительными особенностями, свойственными простран-
ственному предмету. Оно полностью передает "эффект присутствия"
предмета. Вот почему, когда наблюдатель невольно тянется к предме-
ту, желая его ощупать,то его пальцы смыкаются, обнаруживая пустоту.
Голограмма и восстановленное на ней изображение обладают мно-
гими интересными свойствами; ведь мы имеем дело с записью и вос-
становлением действительной картины световых волн в пространстве.
Что же это за свойства? Известно, что голограмма записывается на
фотопластинку, затем проявляется и закрепляется. Но с точки зре-
ния фотографии проявленная фотопластинка - это негатив. Л это значит,
что по отношению к исходной волновой картине темное и светлое
поменялись местами. С негатива голограммы можно сделать позитив.
И так же как в фотографии, светлым местам на негативе будут соот-
ветствовать темные места на позитиве и наоборот.
На фотопластинке это будет выглядеть так: сильно экспонирован-
ные места станут прозрачными, а слабо экспонированные- более плот-
ными. Л теперь осветим негатив и позитив голограммы лучом лазера
и восстановим изображение. В обоих случаях мы получим одно и то
же исходное изображение предмета. Почему? Ведь в обычной фотогра-
фии с позитива и негатива получаются два противоположных по тональ-
ности изображения? Потому что разница между позитивной и негатив-
ной голограммами сводится лишь к разнице в фазах света,создающею
изображение. Смена темной полосы на светлую означает только смену
начальной фазы колебаний. Но на видимое изображение это не влияет,
потому что наш глаз нс способен замечать смены фаз световых коле-
баний.
Голограммы обладают поистине чудесными свойствами. Например,
на одну голограмму можно записать до 150 изображений, которые при
воспроизведении совершенно не мешают друг другу.
Как это получается? Записывают изображения под определенным
углом и при воспроизведении обязательно соблюдают этот угол. Л
вот еще одна особенность голограммы — если фотопластинку с записан-
ной на ней голограммой разбить, то на каждом осколке изображение
воссоздается полностью. Это объясняется тем, что каждая точка голо-
граммы воспринимает свет от всех точек освещенного предмета. Поэто-
му вся информация о предмете содержится как бы в "закодированной"
форме. Здесь можно провести аналогию с зеркалом Чем меньше будет
осколок, тем будет хуже видно изображение. Ведь в маленьком ос-
колке зеркала много не увидишь . . .
Но это касается так называемых тонкослойных голограмм Однако
существуют еще толстослойные голограммы, которые нс требуют обя-
зательного восстановления в лучах лазера. Их можно восстанавливать
в лучах обычной электрической лампочки или же солнца. Созданием
таких голограмм мы обязаны нашему соотечественнику, члену-кор-
респонденту Академии наук СССР Юрию Николаевичу Денисюку.
Ю.Н. Денисюке помощью лазера получил объемное изображение в трех-
мерной среде, да к тому же цветное. Толстослойные, или, как их назы-
101
Л
вают, отражательные голограммы, обладают спектральной селектив-
ностью они взаимодействуют со световыми пучками только в уз-
ком спектральном диапазоне. Раньше считалось, что толстослойные
фотоэмульсии для фиксации оптического изображения непригодны
Только работы Ю.Н Денисюка позволили использовать их для практи-
ческих целей Рели голограмму установить гак. чтобы на нее падали
лучи солнца,то можно стать свидетелем чуда - из рамки голограммы
к нам "высунется" голова льва . . . Это скифская золотая бляха. Повора-
чивая голограмму, бляху можно осмотреть со всех сторон. Она кажет-
ся настоящей, видны световые блики. Тускло мерцает золото, только
иногда ярко вспыхивает в лучах света. Хочется потрогать эту бляху,
ощутить се вес. По это . . . "призрак"’ В отличие от тонкослойной голо-
граммы здесь изображение находится не в глубине фотопластинки, а
снаружи, как бы выдвинувшись в направление зрителя на несколько
сантиметров вперед Это и есть голограмма Денисюка. Благодаря ему
было создано новое прогрессивное направление в голографии. А на
ее базе возникла изобразигсльная голография.
Возможности голографии огромны. Недаром на конференции по
лазерам один из зарубежных ученых заявил, что "лазеры нс имели бы
столь важного значения, которое им придают сейчас, если бы нс откры-
тие голографии". И он ничуть не преувеличил значения голографии.
Сейчас перед ней раскрылись блестящие перспективы.
Мы уже рассказывали о том, что сочетание интроскопии и гологра-
фии получило название голографической интроскопии (или сокращен-
но интроголография). Она дает возможность получить объемное изо-
бражение исследуемого объекта. Интроголографию широко пр вменяют
при неразрушающем контроле для исследования вибраций,обнаружения
трещин, раковин в твердых телах, контроля необработанных поверх-
ностей, обнаружения деформаций в матер налах, в том числе в строитель-
ных MarqHianax и, наконец, для контроля динамических фазовых
предметов. Все эти возможности создаст совместно с интроскопией
голографическая интерферометрия
Классичсская интерферометрия появилась очень давно. Но нс ме-
нее старо и само учение об интерференции, которое она использует.
Особенностью классической интерферометрии является то, что она
имеет дело только с объектами, имеющими поверхности оптического
качества. Это значит, что речь идет только о зеркальных поверхностях
и полированных предметах правильной формы. Вплоть до середины
XX в.интерференционные методы применялись в физике и в технике,
как пассивные методы исследований. Наблюдатель был вынужден
каждый раз совершать преобразование или пересчет показаний, полу-
ченных в опыте прежде, чем получить окончательный результат из-
мерений. Так продолжалось до 1947 г., когда была изобретена голо-
графия Интерферометрия обычно используется для точного Измерения
и сравнения длин волн, для измерения очень небольших расстояний
или толщин (порядка длины волны света) , для обнаружения дефектов
или неоднородностей в оптических средах, для определения показа-
телей преломления различных материалов.
А вот с применением голографической интерферометрии стало воз-
можным исследовать такие явления, которые раньше считались нс-
102

доступными для наблюдения. В'’пример, исследование деформации
равномерно движущегося объ.кга, анализ вибраций, исследование
рельефа сложных поверхностей / т.п.
Голография сделала классическую интерферометрию менее слож-
ной. Она, например, позволила обойтись без применения оптических
компонентов очень высокого качества. Голографическая интроскопия
расширила возможности интерферометрии: она позволила исследовать
предметы неправильной формы и даже диффузно отражающие пред- .
меты, а также вести интерферометрические измерения через окна в
том случае, когда приходится исследовать явление, происходящее
в закрытом объеме.
Внесем маленькое уточнение. Вспомните, первым этапом гологра-
фического метода является регистрация интерференционной карти-
ны, не так ли? Так значит голография сходна с интерферометрией,
этим традиционным методом физической оптики? Что же, такая ана-
логия не случайна. И такое сходство, конечно, не является простым
совпадением. А в чем же разница между ними?
Единственная существенная разница между голографией и обыч-
ной интерферометрией состоит в том, что в голограмме обычно ре-
гистрируются чрезвычайно сложные интерференционные картины.
И еще: голография в своей основе является техникой записи волно-
вых фронтов*, тогда как интерферометрия используется для анализа
волновых фронтов.
Итак, вначале классическая интерференция. Принцип ее довольно
прост. Сравнивают два волновых фронта: один,созданный исследуемым
предметом, а другой — эталонным предметом. Как они создаются?
В приборе, носящем название интерферометр, например интерферо-
метр Тваймана-Грина или Майкельсона, от одного и того же источ-
ника одновременно получают две волны, которые интерферируют
между собой. В один из интерферирующих пучков помещают объект
исследования, например линзу или призму, а в другой — эталон. Обя-
зательным является требование, чтобы исследуемый объект имел
совершенную оптическую поверхность. Это необходимо для того,
чтобы можно было без затруднений создать пучок ’’сравнения” с вол-
новым фронтом в точности той же формы, т.е. эталонный. В резуль-
тате интерференции получается интерференционная картина, по ко-
торой судят об отличии исследуемого образца от эталонного. Но так
как интерферометрические исследования ведутся не только на оп-
тических предметах с идеально гладкой (зеркальной) поверхностью,
но и на различных металлических предметах (деталях) , поверхности
которых не всегда достаточно отполированы, то изучение этих объек-
тов методом классической интерферометрии сопряжено с большими
трудностями. Дело в том, что в объектах с шероховатой поверхностью
размеры неровностей (шероховатостей) на них велики по сравнению ’
с длиной световой волны. Число же таких неровностей превышает нес-
колько сотен на 1 мм2. Это усложняет интерференционную картину,
* Волновой фронт - это поверхность, образованная в пространстве точка-
ми, расположенными на одном и том же расстоянии от источника света, на ко-
торой фаза волны постоянна..
104
полученную от волнового фронта такого объекта и фронта плоской
волны. Если к тому же объект деформирован, то интерференционная
картина еще более усложняется. Ведь необходимо сравнивать и ана-
лизировать две чрезвычайно сложные интерференционные картины,
наблюдая все интерференционные полосы. В этом и заключается труд-
ность оценки качества исследуемого объекта методом обычной интер-
ферометрии.
Наконец, еще один недостаток интерферометрического метода:
он не позволяет наблюдать интерференцию волн, излученных разными
источниками. Более того, этот метод не дает возможности осущест-
вить интерференцию двух световых волн, созданных в разное время.
А вот голография решила эту проблему. Она позволила обойти это
затруднение весьма изящным способом, не затрагивая при этом основ-
ные принципы интерферометрии. Все свелось к регистрации на голо-
грамме фазы и амплитуды световой волны. Известно, что гологра-
фическое изображение формируется с помощью когерентного све-
та. Голограмма регистрирует всю информацию, содержающуюся в
волновом фронте от объекта, и даже мельчайшие детали его поверх-
ности.
Интерференция между восстановленным волновым фронтом го-
лограммы и волновым фронтом от деформированного объекта дает
общую картину, показывающую, как изменился объект в целом. Пос-
кольку длина волны света очень мала, то так же, как и в классической
интерферометрии, можно фиксировать очень малые изменения с боль-
шой точностью, которая выражается в долях длины волны света.
Что же нового внесла голографическая интерферометрия в класси-
ческую интерферометрию? Во-первых это возможность установить
различие форм сложных трехмерных объектов. Во-вторых, возмож-
ность исследования объектов с поверхностями не только оптического
качества, но и любыми другими. Кстати, отступления от правильной
формы поверхности объекта на интерференционной картине не ска-
жутся. Почему? Объяснение довольно простое: обе интерферирующие
волны будут в одинаковой степени искажены — ведь эталонную све-
товую волну создает сам же исследуемый объект в исходном состоя-
нии. Интерференционная картина будет определяться только теми гео-
метрическими или фазовыми изменениями, которые произошли с объек-
том. В-третьих — возможность воспроизвести форму зарегистрирован-
ной волновой поверхности в те моменты времени, когда предмет уже
может не существовать. Обычно это делают так. Голограмму помещают
на то самое место, где она экспонировалась, а предмет убирают. Сразу
же восстановится световая волна, рассеивавшаяся предметом во вре-
мя экспозиции. Если предмет не убирать, то можно наблюдать две вол-
ны: идущую от него непосредственно и восстановленную голограммой.
Эти волны когерентны и могут интерферировать. Если же в промежу-
ток времени между получением голограммы и наблюдением с предме-
том произошли какие-либо изменения, например, он деформировался,
то это сразу же отразится на наблюдаемой интерференционной картине.
В этом случае изображение предмета окажется перерезанным интерфе-
ренционными полосами.
105
Существует несколько методов голографической интерферометрии.
Самый простой из них — это способ двойной экспозиции, или, как его
иногда называют, контурный метод. Каждый контур представляет со-
бой геометрическое место точек поверхности, имеющих некоторую
постоянную высоту над фиксированной поверхностью. В принципе
голограмма с двойной экспозицией отображает объект, так что при
восстановлении одним лазерным пучком возникают два близко рас-
положенных изображения, одно из которых немного увеличено по
сравнению с другим. Интерференция наблюдается между соответствую-
щими точками двух изображений, в результате чего образуются кон-
туры.
В чем заключается метод? Сначала получают голограмму исследуе-
мого предмета (объекта) в первоначальном состоянии. Это значит —	- ь
не нагруженного, не нагретого и не деформированного. Затем предмет
подвергают внешним воздействиям (нагружению, нагреванию и т.п.)
и на фотопластинку записывают голограмму измененного состояния	4
предмета. При восстановлении изображения	предмета с двукратно	с
экспонированной голограммы наблюдается интерференция волновых
полей: во-первых; поля, несущего информацию о первоначальном сос-
тоянии предмета, и поля, несущего информацию об измененном сос-
тоянии предмета. В результате на изображение предмета накладывает-	с
ся сеть интерференционных полос. Образуются контуры, по которым	Q
определяют изменения, происшедшие с предметом. Метод двойной
экспозиции применяют для изучения поверхностной деформации тел,	с
вызванной нагреванием, набуханием, а также для контроля сварных
швов,обнаружения трещин, пузырей и непроваров и тл.
Второй способ голографической интерферометрии - способ ’’реаль-
ного масштаба времени”. Этот способ заключается в простом наблюде-
нии объекта через голограмму при точно таком же положении осве-
щающих пучков, как в процессе регистрации. Опорный пучок восста-
навливает изображение с голограммы. Волновой фронт, восстанавли-
ваемый голограммой, интерферирует с рассеянным волновым фрон-
том, который возникает непосредственно от объекта, освещенного
предметным пучком. При точном помещении голограммы на прежнее
место предмет будет покрывать одна темная интерференционная поло-
са. Почему? Потому что фаза голографически образованного волно-
вого фронта является обратной по отношению к волне реального объек-
та (предмета) (вследствие негативных свойств фото1рафического
процесса). Если после этой стадии поверхность объекта слегка смести-
лась, то возникает серия интерференционных полос. Направление дви-
жения интерференционных полос определяет, произошло ли смещение
в сторону наблюдателя или от него. Чтобы обеспечить различимость
интерференционных полос, надо чтобы их число было минимальным
(5—6 на 1 см). Может показаться, что этот метод аналогичен методу
двойной экспозиции. И это не будет ошибкой. Разница между ними
лишь в том, что не делают второй голограммы. Вместо этого гологра-
фическое изображение непосредственно интерферируют с предметом,
с которого получена голограмма. Деформацию предмета можно контро-
лировать в реальном времени. Этим методом можно сравнивать реаль-
ные предметы с ’’эталоном”, представляемым контрольной голограм-
мой.
106
Наконец, третий метод голографической интерферометрии — метод
’’усредненного времени”, основанный на способности фотографичес-
кой пластинки регистрировать две и более голограммы. Принцип его
таков. Производят начальное быстрое экспонирование объекта в его
эталонном или нулевом состоянии. Так образуется интерферограмма.
Второе экспонирование проводят для нового состояния объекта. Если
состояние объекта непрерывно изменяется, то с помощью импульсного
лазера можно производить быстрые экспонирования. После этой стадии
регистрирующая оптическая система больше не нужна. Голографичес-
кую интерферограмму можно восстанавливать при соответствующем
освещении без потери содержащейся информации. В этом заключается
основное отличие от способа ’’реального масштаба времени”, в кото-
ром для проведения измерений крайне существенно наличие первона-
чальной установки элементов оптической схемы. Этот метод иногда
называют способом многократной экспозиции. Он применяется, в
частности, для изучения амплитуды и частоты периодических вибраций
различных предметов. Во время экспонирования вибрирующего пред-
мета интерференционная картина на фотопластинке усредняется во
времени. Лучи, отраженные от узлов вибрации, дают голограмму, вос-
станавливающую изображение поверхности обычной яркости. Вибри-
рующие места кажутся темнее, поскольку соответствующие полосы
на голограмме размыты. Преимущество измерения вибраций таким
способом— бес контактность.
Рассказывая о принципе голографии и ее возможностях, мы говори-
ли, что голограмма воспроизводит интерференционную картину, ко-
торая образована комбинацией опорной волны и световых волн, отра-
женных от объекта наблюдения. Это очень существенно. Ведь малей-
шие изменения объекта изменяют интерференционную картину и ре-
гистрируются голограммой. Значит, в голограмме содержится очень
важная информация об исследуемом объекте, независимо от его фор-
мы и сложности ее. Эти деформации происходят вследствие вибраций,
нагрева, нагружения или других причин. Перефразируя известное вы-
ражение ’’картина может быть дороже тысячи слов”, можно сказать:
’’одна голограмма может оказаться дороже многих картин . . .” Поче-
му? Потому, что голограмма содержит информацию как об амплитуде,
так и о фазе рассеянной объектом волны. Их можно восстановить на
втором этапе при освещении голограммы когерентной опорной вол-
ной. Возможности голографии при наблюдении сложных объектов
позволяют успешно применять ее и при проведении интерферометри-
ческих экспериментов с различными строительными материалами,
например бетоном, раствором, скальными породами (заполнителями
и металлическими конструкциями) .
Голографическая интерферометрия позволяет исследовать материа-
лы с шероховатой поверхностью, в том числе и строительные материалы.
Особый интерес в строительстве играют деформации, возникающие
в процессе нагружения объекта. И вот именно голографическая интер-
ферометрия позволяет получить полную картину изменений, которые
происходят с объектом. Причем точность измерений деформации око-
ло 0,64 мкм. Можно с уверенностью сказать, что никакими другими
методами такую картину получить нельзя!
107
Голографические исследования бетона впервые в СССР были прове-
дены профессором Ю.М. Баженовым вместе с его сотрудником
Е.М. Любимовым. Речь шла о выявлении влияния нагрузки на образцы
бетона. Для эксперимента были изготовлены специальные модели из
раствора. Модель представляла собой образец 7х7хЗ,5 см, в центре
которого была расположена гладкая арматура диаметром 8 мм. Съем-
ку вели с торца (грани 7x7 см) . Во избежание перемещения образца
в момент опыта его надежно закрепляли. Для испытания использовал-
ся метод голографической интерферометрии, в частности метод двой-
ной экспозиции. Напомним, что в этом случае на одну фотопластинку
регистрируют две голограммы объекта в процессе деформации. Любая
деформация в этом случае вызывает интерференционную картину,
которая фиксируется голограммой.
Образцы подвергали различным воздействиям: нагрузке, нагреву
стержня арматуры, одновременному нагреву и нагрузке, а также увлаж-
нению. При нагрузке образца гирей массой 10 г, установленной на верх-
нюю грань образца, снимали голограмму до и после установки гири.
Интерференционная картина отчетливо показывала характер деформа-
ции. По полученной картине можно было рассчитать деформацию. При
нагреве стержня арматуры на 5°С снимали голограмму образца до на-
грева и через I мин после начала нагрева арматуры. При одновремен-
ном нагреве и нагрузке на голограмме была картина температурных
и силовых деформаций.. И, наконец, при увлажнении образца (в верх-
ней его части) возникала деформация расширения, отчетливо видимая
на голограмме. Первые эксперименты применения голографии в строи-
тельстве потдвердили, что ее применение имеет большое будущее.
Так, метод наблюдения тепловых полей позволяет промоделировать
многие реальные случаи практики. Существующие методы этой воз-
можности нс представляют. А ведь с помощью интерферометричес-
ких исследований можно будет получить необходимые данные для со-
вершенствования конструктивных форм и способов производства из-
делии
Работами проф. Ю.М. Баженова по применению голографии для
исследования бетона заинтересовались специалисты по фотоупругос-
ти. Сейчас они применяют методы голографической интерферомет-
рии в динамической фотоупругости. Будем надеяться, что гологра-
фия найдет себе широкое применение в строительстве!
мк*
Уф! - Журналист устало откинулся на спинку кресла. — Признаюсь,
я выпустил джина из бутылки, попросив Вас рассказать обо всех этих
чудесах. Сжальтесь! Чудес слишком много и они слишком . . . чудес-
ны!	• .
Профессор (смеясь) - Хорошо, хорошо. Кстати, я закончил свой
последний рассказ и, если меня не обманывают часы, мы прилетели.
Так что у Вас будет возможность ’переварить” мои рассказы и отдох-
нуть. Не сетуйте на старика я слишком увлекся.
Журналист Что Вы, Профессор! Я глубоко благодарен Вам за рас-
сказы и постараюсь хорошо усвоить услышанное. Ну, двинулись?
108
э
*•
'* n *
о
w
’ о *
г
„о
М
V*
4
О
О
а
<£
С

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие...................................................3
Вместо введения ..............................................5
Рассказ первый Веление времени ...............................11
Рассказ второй. То, что мы, возможно, забыли . \..............23
Рассказ третий. Вступаем в невидимый мир!.......... ..........30
Рассказ четвертый.В царстве ’’черного света”..................44
Рассказ пятый. Всепроникающие лучи ...........................68
Рассказ шестой. Неслышимый звук...............................81
Рассказ седьмой. За пределами фантастики .... *...............92
Пирожников Лоренц Богданович
НЕВИДИМЫЕ ЛУЧИ -
НА СЛУЖБУ СТРОИТЕЛЬСТВУ
Редакция литературы по строительным материалам
и конструкциям
Зав.редакцией ПИ.Филимонов
Редактор И.Г- Захарова
Оформление художника ВТ. Н аг а е в а
Технический редактор ИВ.Бер ина
Корректор Н. С. С а ф р о н о в а
ИБ № 3397
Подписано в печать 17.12.85 Т - 24340 Формат 60x90 1/16
Набор машинописный Печать офсетная Бумага офсетная
Усл.печ.-л. 7 Усл.кр.-оп Уч.изд.л. 7,8 Тираж 22 000 экз.
Изд. № АХУ-412 Зак. N" 1058 Цена 40 коп.
Стройиздат, 101442, Москва, Каляевская, 23а
Московская типография № 6 Союзполиграфпрома при Государственном комитете
СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
Южнопортовая, 24
Отпечатано в ПО «Чертановская типография» Управления издательств,
полиграфии и книжной торговли Мосгорисполкома.
113545, Москва, Варшавское шоссе, 129а.
В 1986 г. Стройиздат готовит к изданию:
Пирожников Л.Б. Занимательно о бетоне.
2-е изд., 7 л.,ил.
Знаете ли Вы, что бетон ведет свою родословную
со времен Древнего Рима и египетских пирамид,
что бетонная конструкция может быть "прозрач-
ной”, что бетон можно "выслушивать”, как боль-
ного, и выжимать, как белье? Знаете ли Вы "вра-
гов” и ’’друзей” бетона? Какова роль голографии
и прикладной радиоэлектроники в исследованиях
бетона?
Ответы на эти и другие вопросы о рождении,
жизни, службе бетона и составляют содержание кни-
ги. Популярная форма изложения и красочные иллю-
страции помогут читателю, не имеющему специаль-
ной технической подготовки, познакомиться с по-
следними достижениями науки в этой области.
Книга предназначена для широкого круга чи-
тателей .