90 История дизайна, науки и техники

Наряду с совершенствованием технических параметров, эргономических и эс­ тетических характеристик просвечивающих электронных микроскопов создава­ лись приборы с новыми функциональными возможностями.

Рентгеновский микроанализатор, сконструированный в 1951 году во Фран­ ции Р. Кастеном, позволил проводить химический анализ по длине волны рент­ геновского излучения, испускаемого исследуемым образцом под воздействием тонкого электронного зонда. Позднее в прибор были введены системы для фор­ мирования изображения структуры образца и наблюдения ее на экране элект­ ронно-лучевой трубки. Идея использования в микроскопии телевизионной си­ стемы с растровой разверткой оказалась чрезвычайно плодотворной. Образец сканировался тонким электронным лучом, а информация о каждой его точке последовательно передавалась в фотоумножитель - собирающий элемент, а с него - на экран телевизора.

Растровый электронный микроскоп появился в 1960-е годы в результате развития полупроводниковой радиоэлектроники, опыта, накопленного при про­ изводстве просвечивающих электронных микроскопов и рентгеновских микро­ анализаторов. Растровые микроскопы позволили воспроизводить на экране трех­ мерное микроизображение с глубиной резкости, по крайней мере, в 300 раз боль­ шей, чем при помощи световых микроскопов. При этом подготовка образцов сво­ дилась к минимуму Благодаря широкому использованию интегральных схем эти приборы имели весьма небольшие габариты и были компактны.

В 1970-е годы высококлассные просвечивающие электронные микроскопы для решения широкого круга научно-исследовательских задач стали допол­ няться различными системами. Микроскопы превратились в приборные комп­ лексы, которые включали в себя, кроме собственно микроскопа, еще спектро­ метры различного типа, приставки для манипуляций с образцами и видеоси­ стемы с телевизионными экранами для наблюдения образцов в различных ре­ жимах [19.5; 19.6].

Сканирующий зондовый микроскоп

Развитие нанотехнологий немыслимо без соответствующего оборудования. Увеличительная способность оптических микроскопов явно недостаточна, а электронные не подходят в силу своей специфики - исследование образцов только в вакууме. Чтобы обеспечить фундаментальные исследования на атом- но-молякулярном уровне, сборку и функциональную диагностику наноуст­ ройств, необходимы принципиально иные устройства - а именно зондовые приборы. Зондовые микроскопы имеют рекордное разрешение - менее 0,1 нм. Они могут измерить взаимодействие между поверхностью и сканирующим ее микроскопическим острием - зондом, выводя трехмерное изображение на эк­ ран компьютера.

Изобрели зондовый - сканирующий - туннельный микроскоп в 1981 году сотрудники Исследовательского центра фирмы IBM Г. Биннинг и X. Рорер (США). Через пять лет за это изобретение они были удостоены Нобелевской премии.

Лекция 19. Технические достижения и дизайн второй половины XX века

91

Чтобы получить изображение, зонд сканирует поверхность, а электронная система считывает величину тока. В зависимости от того, как эта величина ме­ няется, острие либо опускается, либо поднимается. Таким образом система под­ держивает величину тока постоянной, а траектория движения острия повторя­ ет рельеф поверхности, огибая возвышенности и углубления.

Информация о движении острия преобразуется в изображение поверхно­ сти, которое строится по точкам на экране. Участки разной высоты для нагляд­ ности окрашиваются в различные цвета. Возможности микроскопа велики - с помощью иглы микроскопа даже наносят рисунки на металлические пластины, для чего используют в качестве «пишущего» материала отдельные атомы: их осаждают на поверхность или удаляют с нее. Таким образом, в 1991 году со­ трудники фирмы «ИБМ» написали атомами ксенона на поверхности никеле­ вой пластины название своей фирмы - IBM. Букву I составили всего 9 атомов, а буквы В и М - 13 атомов каждую.

Существуют более 30 методик принципа работы сканирующего зондового микроскопа. С помощь таких приборов совершаются наиболее сенсационные открытия в генетике и медицине, создаются материалы с удивительными свойствами.

Аппаратура ультразвуковой диагностики

Метод исследования органов и тканей при помощи ультразвука широко применяется во всем мире с середины XX века. Ультразвук - механические ко­ лебания высокой частоты (более 20 тыс. Гц) - человеческий слух не воспри­ нимает. Способность ультразвука без его существенного поглощения проникать в мягкие ткани организма и отражаться от органических неоднородностей ис­ пользуется для исследования внутренних органов. Благодаря этому методу был совершен настоящий прорыв в области здравоохранения. Медики без особого труда смогли диагностировать целый ряд патологий и процессов, происходя­ щих в организме человека.

Существует очень большое количество аппаратуры для проведения ультра­ звуковых исследований (УЗИ). Основополагающий элемент - датчик - состоит из одного или нескольких пьезоэлектрических элементов, которые превращают акустические и механические колебания в электрические и обратно. Его прикла­ дывают к поверхности кожи, на которую нанесен слой геля, обеспечивающего хороший акустический контакт. Электрический сигнал, подаваемый на датчик, преобразуется им в механические колебания, которые и распространяются в глубь тканей. На границах между тканями волны преломляются и отражаются, создавая эхосигнал, возвращающийся к датчику. Там он вновь превращается в электрический, и после обработки формирует изображение внутренних органов пациента на экране монитора. Ультразвуковой аппарат-сканер, соединенный с компьютером, - это уже ультразвуковой томограф.

Одно из самых широких применений УЗИ нашло в области акушерства - стало возможным воочию наблюдать за развитием плода в утробе матери. По­ лученные данные могут многое рассказать специалисту, но даже для него, не

92	История дизайна, науки и техники

говоря уже о будущей маме, интерпретация полученных изображений бывает затруднительна. Совсем другое дело - многомерные ультразвуковые сканеры. По принципу работы они мало чем отличаются от двухмерных, но перемеща­ ются при помощи специального механизма. Компьютер накапливает информа­ цию последовательных двухмерных изображений и реконструирует трехмер­ ную картину, выводимую на экран. Благодаря развитию вычислительной тех­ ники и мгновенной обработке большого количества данных стало возможным увидеть полноценное трехмерное изображение.

Приборы компании «Филипс» позволяют увидеть даже черты лица будущего ребенка. Следуя своей политике «Разумно и просто», компания создала устрой­ ство, которое в первую очередь соответствовало функциональным и эксплуатаци­ онным требованиям. Оно просто в использовании и в то же время является са­ мым передовым на данный момент с технологической точки зрения. Эргономич­ ность системы обеспечивает практически идеальные условия как для врача, так и для пациента.

Образное решение блока системы управления и вывода информации носит подчеркнуто «очеловеченный» характер в виде этакого симпатичного робота на колесиках с подвижным экраном, удобным для демонстрации изображения [19.7].

Литература

19.1.Арямов В.И. Возрождение мотороллера / / Техническая эстетика, 1984, № 10.

19.2.Беннет Д. Метро: история подземных железных дорог: Пер. с англ. - М.: ООО

«Магма», 2005.

19.3.Волков А. В ожидании средних веков? / / Знание-сила, 2006, № 3.

19.4.Корзинов Н., Кожухов С. Долгий поцелуй / / Популярная механика, 2006, № 8.

19.5.Рунге В.Ф. Художественное конструирование электронно-микроскопической ап­ паратуры. - М.: ЦНИИ информации, 1980.

19.6.Рунге В.Ф. Форма и функция электронно-микроскопической аппаратуры. - М.: ЦНИИ информации, 1988.

19.7.Самая первая фотография / / Что нового в науке и технике, 2005, № 6.

19.8.Шатин Ю.В. И снова мотороллер...// Техническая эстетика, 1988, № 4.

Лекция 19. Технические достижения и дизайн второй половины XX века

103

ПУЛЬТ

УПРАВЛЕНИЯ

СИСТЕМА СКАНИРО- »Ание и ИНДИКАЦИИ

Принципиальные схемы электронного просвечивающего микроскопа (а), растрового микроскопа (б) и рентгеновского микроанализатора (в): 1 - электронная пушка; 2 - электромагнитные линзы; 3 - образец; 4 - оптический микроскоп; 5 - экран; 6 - фото­ камера; 7 - клапаны; 8 - диффузионный насос; 9 - механический насос; 10 - вакуумпровод; 11 - стигматор; 12 - отклоняющие катушки; 13 - камера образцов; 14 - детек­ тор; 15 - электронно-лучевые трубки; 16 - кристалл-анализатор; 17 - регистратор излу­ чения