［2007年旧帖］科普：神通广大的微波

来源: 老看客 于 07-04-07 20:06:43
http://web.wenxuecity.com/BBSView_archives.php?SubID=na&MsgID=676010&yr=2007

科普：神通广大的微波　 BY　老看客

内容：
一、我们沐浴在微波场中
二、微波加热与日常生活及传统工业
三、微波与人体健康　A。微波辐射对人体健康的影响；B。微波治疗/理疗
四、微波通信
五、微波遥感
六、微波武器
七、在微波基础上发展的其它新方法、新工艺、新技术

说明：1。在此版本中，对此前已贴出的第一、二部分内容作了少量修改；2。本老看客在过去的研究工作中曾长时间与微波打交道，在写作此帖时还参考了网上不少的资料。谨向那些已具名或未具名的参考文献的作者们致谢。


一、我们沐浴在微波场中

得益于家用微波炉的普及，生活在现代社会里的人们对于微波（microwave）二字早已不感到陌生，甚至不少人都可以列举出微波与我们日常生活相关的事例的一二三四、甲乙丙丁。不错，你也许还能进一步指出：微波是一种高频电磁波，波长范围在0.01 mm　–　1 m之间，频率范围介乎于0.5 GHz　–　100 GHz。但，如果你的专业领域或工作性质不是直接与微波打交道的话，估计你还是很难想象微波会有那样广大的神通、它是如此深刻地影响着我们的生活与生命。

我们知道，地球本身是一个巨大的电磁场。在我们清醒时或酣睡中、在运动中或静止时，我们的身体无时不承受着强大的地磁场的磁力线的切割。作为浩瀚宇宙中的一个星体，地球还饱受宇宙射线的浸染　--　这包括我们生命所依赖的、来自于与我们最临近的恒星　--　太阳　--　的阳光（主要为可见光），也有我们肉眼看不见的红外线、紫外线、X射线等。

微波无疑属于最古老的宇宙射线的一种了，古老到直接与宇宙大爆炸相联系。说来有趣：早在1948年, 美国科学家 R. Alpher 和 R. Herman 即已预言，宇宙大爆炸产生的残系辐射，由于宇宙的膨胀和冷却，如今它所具有的温度约为绝对零度以上5K　(绝对零度等于摄氏零下273度，即　-273　oC)。尽管他们的预言并未引起人们的普遍重视，但在1965年，位于新泽西州的美国电话电报公司贝尔实验室的A. Penzias 和 R. Wilson 在0.054厘米至数十厘米波段内发现了一种温度接近于2.7K的黑体辐射，习惯称为3K背景辐射。这个温度，也即远离恒星（不受恒星发热影响）的我们宇宙的温度，与Alpher和Herman当年富于灵感的估计非常接近。微波背景辐射的特点是几乎所有方向都是相同的。对地球所在的银河系而言，由于其相对于微波背景辐射发生移动，微波背景辐射略有不对称。微波背景辐射是宇宙非常热的早期阶段的余烬，为宇宙大爆炸本身的遗迹。宇宙微波背景辐射的存在，给予了宇宙大爆炸理论以强有力的支持。

不难体会到：我们的宇宙空间，实际上就是一个硕大无比的微波炉。所幸的是，这个微波炉的功率不是太大。至少在我们的地球上，各色各样的鲜活生命包括我们人类还可以在这个巨大的微波场内生存无忧。另一方面我们也可以这么理解：我们生命的起源、进化，正是沐浴着微波背景辐射而演进的。

认识了微波，就可以“制造”出功率强大的微波为人所用。迄今为止，微波已经在通信、遥感、军事、工业、医疗健康、日常生活、科学研究等方面获得广泛的应用。为了避免对微波通讯产生干扰，国际无线电管理委员会专门选定了一些频率为工业、科学和医学所专用　--　即所谓的ISM频率，包括433兆赫、915兆赫、2450兆赫、5800兆赫、22125兆赫。目前用于工业加热的常用频率为915兆赫和2450兆赫；家用微波炉则基本上都是使用2450兆赫这一频率。　


二、微波加热与日常生活及传统工业

在微波的各项重要性能极其应用中，微波加热是可以列第一位的。与传统的“外源加热”绝然不同，微波加热属于“内源加热”：当较大功率的微波作用于一物料，物料介质中的离子在微波场下发生定向迁移，而极性分子则发生定向排列。由于微波频率极高，这种离子的定向迁移或分子的定向排列在每秒种内可发生数十亿次的变化，造成分子的剧烈运动与碰撞摩擦，从而产生热量，将微波能直接转化为介质内的热能。

由此可见，不是任何物质都可以接受微波能的。比如，金属材料既不吸收微波，也不允许微波透过。光洁的金属表面会反射微波；尖锐的金属物品在强微波场中则有可能发生“尖端放电”，带来危险的后果。玻璃、陶瓷、塑料、干燥的木材等吸收微波的能力很弱，但可以允许微波通过。

水是众所周知的极性小分子，也是极佳的微波接受体。由于许多材料都含有程度不同的水分，早在1945年，美国就有人提出了利用微波的这种热效应来对材料进行加热的想法。从那以后，对微波加热的研究与应用发展很快。一个最典型的例子就是：家用微波炉不仅成为了现代居家必备的厨房用具，而且俨然还成为了办公室里不可或缺的“办公用品”。

在当今食品加工行业中，微波技术已广泛应用于加热食品、食品灭菌、食品解冻、食品膨化、烹饪食品、蔬菜脱水、水果干燥，等等。

( **** 严重警告：绝不要利用微波加热带壳鸡蛋一类的食物。原因：蛋壳允许微波透过对鸡蛋内部加热，但它使微波受体成为了一个密闭体系，故而其内部可以产生高温高压，于是鸡蛋变成了小炸弹。蛋壳越厚，积蓄的压力就越高，这小炸弹爆炸的威力也就越大！！！)

此外，微波加热、干燥、杀虫、灭菌已大量应用于皮革、木材、彩色印刷、纸张、化工、陶瓷、药品、烟叶、建材、橡胶等行业。例如：

利用微波加热可快速、均匀地烘干木板，且不开裂、变形小，同时杀死木材内部的卵虫和幼虫。微波加热也可用于胶合板或拼板胶接的固化处理及药品、烟草、竹制品等的干燥、灭霉杀菌；

在橡胶工业中，微波加热设备可对3～4 吨重量的轮胎进行硫化处理；

　利用微波加热进行陶瓷的均匀致密化烧结，最高温度可达2000℃，可获得大尺寸的精细陶瓷；

微波加热的突出优点是：加热速度快、均匀加热、节能高效、易于控制、清洁卫生、选择性加热及安全无害。


三、微波与人体健康
（本节主要中文参考文献：柳红梅，“微波辐射对人体健康影响的研究进展”，http://engine.cqvip.com/content/x/85500x/2004/009/002/gc29_x1_9714449.pdf；程红丽、 刘健， “微波理疗中的泄漏及防护”，http://www.hymw.com/wz/xlou2.htm）

A。微波辐射对人体健康的影响

电磁辐射（Electromagnetic Radiation）对人体健康的影响是现代环境健康学或环境卫生学（Environmental Health Sciences）的重要研究内容之一。微波的生物学效应可分为热放应和非热效应两类。这两类效应均能对人体健康造成一定危害，一般地说非热效应引起的伤害远低于热效应。

微波辐射对大脑的影响：高强度（大于10mW/ cm2）微波可引起脑结构的改变。高强度微波的生物学效应是热效应。持续的低强度（小于5mW/ cm2～10mW/ cm2）微波辐射也可致脑结构的改变。与高强度微波辐射不同，低强度微波辐射以神经细胞病变为主，而胶质细胞和血管病变不明显。此外，高强度微波辐射可使脑组织温度升高或产生强大的电场而致基因突变，具有潜在的致突变作用，而低强度微波长期辐射可致DNA损伤。

微波对人体的生物学作用是多方面的，目前的研究主要集中于微波电磁辐射对诱变效应、致癌效应及神经行为的影响。许多流行病学调查报道，低剂量微波辐射对人的神经系统、心血管系统等有一定的伤害作用。对神经系统的影响表现为神经衰弱和植物神经功能紊乱。据报道，在剂量≤10mW／cm2的微波辐射下工作三个月， 就可出现头痛、头晕、疲劳等症状；工作半年至一年，上述症状加重；五年以上可出现明显的植物神经功能紊乱症状，如头瘫、恶心、兴奋、烦躁、失眠、心前区疼痛等。脉冲微波对神经系统的影响大于连续式微波。低剂量微波辐射对心血管系统的影响表现为心血管系统植物性神经功能紊乱，如心动过缓、血压下降、心脏传导阻滞及脑电图改变等。较大剂量微波辐射对人体的眼睛晶体和血液系统均有伤害。微波热效应可导致晶体蛋白变性，从而产生自内障，这一伤害是器质性的，不会因离开辐射和休养而得到恢复。较大剂量的微波辐射会引起血小板，血细胞降低，且其功能受损。较大剂量的微波辐射还可使人体染色体发生结构和数目的畸变、精子畸形或减少，而且还可引起先天性缺陷、流产、阳萎和性欲减退。

但迄今为止实验室的研究结果却存在很大差异，有些实验结果还相互矛盾。这可能是由于各研究人员采用的暴露方法、暴露强度及所研究的生物学效应指标等方面的差异，使得研究结果之间尚缺乏一致性及重复性。因此，目前尚不能得出低强度微波电磁辐射生物学效应的明确结论。

B。微波治疗/理疗

人体含有70%以上的水分及大量的无机、有机电解质。因此人体组织是很好的微波吸收体。有针对性地利用微波对生物组织的致热效应和生物效应，可以达到治疗不同疾病的作用。作为一种先进的医疗手段，微波治疗已经成功地获得了多年的临床应用。

微波理疗是将微波能集中照射到病变组织部位，被人体软组织吸收。由于微波是高频电磁场，它可以穿透入人体组织内部，因此这种生物效应不仅局限在人体表皮产生，而在被照射到的全部组织上从表皮到深部同时产生上述微波生物效应，表现出局部组织温度上升，导致促进机体血液循环、增强新陈代谢、提高免疫功能和改善局部营养等一系列生物学作用。在伤口愈合治疗中可加速伤口部位新鲜肉芽组织生长，提高组织再生能力。

当较高剂量的微波作用于病变组织时，可致使蛋白质变性、凝固、坏死，从而达到对病变组织的烧灼、切割的目的。微波治疗手术以其先进的作用原理、优越的止血效果、微小的组织损伤（无碳化）等优点而成为超越电灼、冷冻、激光等治疗手段的新技术。

现已开发的微波多功能治疗仪可用于与妇科、泌尿科、肛肠科、耳鼻喉科、外科、皮肤科等相关的多种疾病的治疗。


四、微波通信
（本节主要参考自“电信基础名词解释：什么是微波通信”，http://www.sina.com.cn 2004年07月07日 18:51 新浪科技）

由于微波的频率极高，波长又很短，其空中传播特性与光波相近 -- 直线前进、遇到阻挡即被反射或被阻断，因此微波通信的主要方式是视距通信，超过视距以后需要中继转发。一般说来，由于地球曲面的影响以及空间传输的损耗，每隔50公里左右，就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸。这种通信方式，也称为微波中继通信或称微波接力通信。长距离微波通信干线可以经过几十次中继而传至数千公里仍可保持很高的通信质量。由于微波通信具有容量大、质量好以及可远距离传送等优点，它已成为各国国家通信网的一种重要通信手段，也普遍适用于各种专用通信网。

微波站的设备包括天线、收发信机、调制器、多路复用设备以及电源设备、自动控制设备等。为了把电波聚集起来成为波束，送至远方，一般都采用抛物面天线，其聚焦作用可大大增加传送距离。多个收发信机可以共同使用一个天线而互不干扰。

现用微波系统在同一频段同一方向可以有六收六发同时工作，也可有八收八发同时工作以增加微波电路的总体容量。多路复用设备有模拟和数字之分。模拟微波系统每个收发信机可以工作于60路、960路、1800路或2700路通信，可用于不同容量等级的微波电路。数字微波系统应用数字复用设备以30路电话按时分复用原理组成一次群，进而可组成二次群120路、三次群480路、四次群1920路，并经过数字调制器调制于发射机上，在接收端经数字解调器还原成多路电话。最新的微波通信设备，其数字系列标准与光纤通信的同步数字系列 (SDH) 完全一致，称为SDH微波。这种新的微波设备在一条电路上八个束波可以同时传送三万多路数字电话电路 (2.4Gbit/s)。

微波通信由于其频带宽、容量大、可以用于各种电信业务传送，如电话、电报、数据、传真以及采色电视等均可通过微波电路传输。微波通信具有良好的抗灾性能，对水灾、风灾以及地震等自然灾害，微波通信一般都不受影响。但微波经空中传送，易受干扰，在同一微波电路上不能使用相同频率于同一方向。此外由于微波直线传播的特性，在电波波束方向上，应避免高楼阻挡。

微波通信还有“对流层散射通信”、“流星余迹通信”等，其原理是利用高层大气的不均匀性或流星的余迹对电波的散射作用而达到超过视距的通信。


五、微波遥感
（本节主要摘引自 “微波遥感技术特点” 一文，http://www.gissea.com/html/2006-05/421.htm）

可见光遥感是利用照相机拍被探测物体的照片；而红外遥感是拍下物体的热图；而微波遥感则是利用微波摄下物体的景象。 与可见光遥感和红外遥感相比，微波遥感技术有许多优点：

第一，对目标的鉴别能力强。由于物质内原子和分子的电动力学过程，任何物体都会产生自然的无线电波辐射，不同物体辐射频谱不同。如钢、水和混凝土，在同温度下，红外比辐射率分别是0.6—0.9，0.9和0.9，差别是不明显的，而相应的微波比辐射则分别大0.0，0.4和0.9，根据遥感的辐射强度，就能辨认出目标究竟是导弹发射架还是高楼大厦。

第二，穿透云层能力强。可见光和红外线对云层（特别对雨云）是“望而生畏”的，而微波却在其中畅行无阻。因此，在高空中（如卫星上）拍摄地面景物，是红外遥感和可见遥感所无能为力的，而微波遥感却能大显身手。

第三，对物体的穿透能力强。例如对于冰雪、土壤、混凝土、岩石和植物都有不同程度的穿透，最深可有20～30个波长。由于穿透深，就可以获得地面下的信息。

第四，获得信息不同。例如，可见光和红外照片上土壤及植物的颜色，主要由它们的表面层分子谐振所决定，而微波遥感照片的颜色，则反映了土壤和植物的几何体及介质特性。将这两方面信息综合起来，就获得了目标的全面信息。因此，微波遥感，红外遥感和可见光遥感也是相互补充的。


六、微波武器
（本节主要摘引自《科技日报》袁俊的文章：“微波武器：新军事变革的产物”，http://www.stdaily.com/gb/stdaily/2007-01/30/content_626639.htm）

微波武器，也称射频武器。一般由微波发生器、天线、定向微波发射装置、控制系统等组成。微波发生器用于发射微波电磁脉冲，天线将微波波束聚成方向性极强、能量极高的窄波束，定向微波发射装置将电子束的能量或爆炸的化学能量转换为微波能量。

微波武器通常在远距离上对军事目标和武器的光电设备进行干扰，在近距离上实施杀伤有生力量，引爆各种装药或直接摧毁目标。微波武器可用于攻击卫星、弹道导弹，巡航导弹、飞机、舰艇、坦克、通信系统以及雷达、计算机设备，尤其是指挥通信枢纽、作战联络网等重要的信息战的节点和部位。使目标遭受物理性破坏，并丧失作战效能，其破坏的程度达到不能修复的程序。

微波武器对人员的杀伤主要是通过这样的途径达到的：当微波低功率照射时，可使导弹、雷达的操纵人员、飞机驾驶员以及炮手、坦克手等的生理功能紊乱，出现烦躁、头痛、记忆力减退、神经错乱以及心脏功能衰竭等症状，导致武器系统失灵；当微波高功率照射时，人的皮肤灼热，眼白内障，皮肤内部组织严重烧伤和甚至致死。

世界发达国家，如美国、俄罗斯、法国、英国、德国、日本等都很重视发展高功率微波武器。其中美国和俄罗斯的高功率微波武器发展较快，已取得了重大进展。美国和俄罗斯等都研制出并试验了能反复使用的高功率微波武器的样机，并进行了外场实验。例如，美国通用动力公司研制出用于舰载防空系统的高功率微波武器样机，主要用途是对付敌方的反舰导弹；美海军水面武器中心正在研制取代舰载“密集阵”高地系统的高功率微波武器；美陆军正在试验一种短程高功率微波扫雷器。俄罗斯已研制出一种专用于防空系统的高功率微波武器样机，并进行了外场试验。

上世纪90年代的巴尔干冲突中，微波武器就显示过身手。海湾战争伊始，美海军首先使用由“战斧”巡航导弹携带的微波弹头，用于破坏和摧毁伊拉克的电子系统和指挥控制系统，压制防空武器。在伊拉克战争中，2003年3月26日，美军使用了一种它历时4年研制的高功率微波炸弹轰炸巴格达电视台，爆炸时产生的电磁微波能量为数十亿W，在瞬间切断了炸弹射程內的电源供应，使巴格达地区大面积12小时停电，雷达、电脑、电话、广播通讯陷入瘫痪，一些交通工具无法使用。


七、在微波基础上发展的其它新方法、新工艺、新技术

1。微波等离子体技术：在半导体生产工艺中，微波等离子体技术已经应用于刻蚀、溅射、气相沉积、氧化硅片。该技术还可用于金属、合金、非金属的表面处理。在微波等离子体基础上发展的光谱分析仪，具有快速、灵敏、准确等特点，可用于多种痕量元素的同时分析。

2。微波测量法精度高，适宜于生产中连续测量和自动控制。已广泛应用于测距、测温、测厚、测速等。

3。微波在化学中的广泛应用已导致一个新的化学分支的形成　--　微波化学。微波水解、微波催化，能极大地提高反应效率；微波酸消解，快速、完全，既可轻易对付传统方法难以溶解的矿样，又可挥发性元素的高回收率；微波萃取，能大幅度节省有机溶剂，快速、完全地从固态、半固态基体物质中萃取特定有机化合物，对热稳定性较差的化合物亦有较好的萃取效果。

4。基于微波核磁共振原理的核磁共振波谱和核磁共振成象：核磁共振波谱法是对各类生物大分子、有机小分子进行组成和结构分析的强有力的工具；核磁共振成象已广泛应用于生物组织与活体组织的分析、病理分析、医疗诊断、产品无损检测等方面，并可用来观测一些动态过程（如化学反应、生化过程等）的变化。

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事实上，微波科学包括微波磁学的涵盖范围非常之广，其应用亦已渗透到我们生活的方方面面，这些事例是远远不能在一篇短文中面面俱到地论及的。