? ? ? ? 再拿最近在清華大學(xué)進(jìn)行的另外一項(xiàng)應(yīng)用為例，這項(xiàng)應(yīng)用和工研院合作的很密切，是用微波加熱處理材料。大家所熟悉的微波爐，用的是一個(gè)封閉的作用腔，而現(xiàn)在用的掃描式近光學(xué)微波加熱作用腔是一個(gè)光學(xué)式作用腔，有如一個(gè)聚焦鏡，微波射進(jìn)去后聚焦，就會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁波，用來(lái)處理材料。一般處理材料用的微波爐，功率大概是二、三千瓦，但在這個(gè)作用腔中，只要幾十瓦就可以看到效果了。這是一個(gè)新的方法，正在申請(qǐng)專利，希望這個(gè)設(shè)備能夠給我們的研究工作帶來(lái)一些突破。

這個(gè)計(jì)劃的目的之一是要制造新一代、可扭曲式的電子模塊，它既是紡織品又是電子模塊，包含一個(gè)底層及上面的功能層，所以制造時(shí)需要把不同的材料層結(jié)合在一起。結(jié)合的過(guò)程從粉末開(kāi)始，上層要加熱到上千度的高溫才能融合在一起，但是底層是另一種材料，具有另一種功能，因此底層的溫度不能太高，太高的話就被會(huì)燒熔掉。在這樣的限制下，把功能不一樣的各層結(jié)合在一起，必須快速加熱。

構(gòu)思的方法是上層用吸波快的粉末，因?yàn)槲?，可以立刻熱到一千多度，很快就完成了致密的融合，而底層還在五、六百度的熔點(diǎn)之下。做這樣的工作不能用一般的高溫爐，因?yàn)樵谝话愕母邷貭t中溫度都一樣，沒(méi)辦法達(dá)到這樣的效果，放在封閉的微波爐中恐怕也不行，因?yàn)檫€不夠快。在我們?cè)O(shè)計(jì)的「掃描式近光學(xué)微波加熱作用腔」中，就可以很快地完成，可是只能在一個(gè)小聚焦點(diǎn)上完成，如果需要的產(chǎn)品是一塊布料那么大的，就要放在一個(gè)移動(dòng)式機(jī)械平臺(tái)上，進(jìn)行二維掃描，連續(xù)地處理。

微波除了用在通訊、雷達(dá)及材料處理之外，還可用在加速器。加速器的核心是一個(gè)高頻共振腔，電子或離子在里面被電場(chǎng)加速。***有一個(gè)相當(dāng)具有代表性的加速器，這個(gè)加速器位在新竹科學(xué)園區(qū)的同步輻射研究中心，內(nèi)有加速環(huán)及儲(chǔ)存環(huán)各一個(gè)，用的是500 MHz的微波。

加速環(huán)把電子加速到1.3 GeV，速度已經(jīng)是0.999999的光速，送到儲(chǔ)存環(huán)里面轉(zhuǎn)七、八個(gè)鐘頭，在轉(zhuǎn)彎時(shí)，會(huì)輻射出很強(qiáng)、頻率接近X射線的光。儲(chǔ)存環(huán)外的周圍，擺了各種的儀器進(jìn)行科學(xué)或工業(yè)應(yīng)用研究，在每一個(gè)轉(zhuǎn)彎處都引出3道光，可做3組實(shí)驗(yàn)，一圈共可做18組實(shí)驗(yàn)，這是同步輻射研究中心的大概情況。

電子在加速環(huán)里轉(zhuǎn)的時(shí)候，每經(jīng)過(guò)一次高頻共振腔，就被踢一腳，加速一點(diǎn)，從慢速度變成非常高的速度。送到儲(chǔ)存環(huán)之后，在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)輻射出光，耗損能量，儲(chǔ)存環(huán)里頭也有兩個(gè)高頻共振腔，每經(jīng)過(guò)一次就補(bǔ)充能量，好像加油站一樣。

電子在儲(chǔ)存環(huán)里頭，每秒鐘走3百萬(wàn)圈，要走8個(gè)鐘頭不碰到墻，可見(jiàn)這個(gè)技術(shù)需要相當(dāng)精確的計(jì)算。比如說(shuō)光速是3×1010 cm／sec，對(duì)不對(duì)？這個(gè)數(shù)據(jù)不是很好，因?yàn)樵谕捷椛溲芯恐行娜绻压馑佼?dāng)成3×1010 cm／sec，這個(gè)1億美金的設(shè)備就要泡湯了。在那里光速要用2.9979×1010 cm／sec，這其實(shí)還不是精確的光速，光速的精確值在后面還有好多個(gè)位數(shù)，只是加速器計(jì)算的精確度到小數(shù)第4位即可。

加速環(huán)里的高頻共振腔，就是加速的地方，可是加速不是唯一的需求，里頭還有各式各樣的磁鐵，可以讓電子轉(zhuǎn)彎，并自動(dòng)修正軌道的偏差。電子要在儲(chǔ)存環(huán)里面轉(zhuǎn)那么久而不碰到東西，里面的真空度必須非常高，所以到處都是真空泵，另外還有電源供應(yīng)器等等，這就是加速器大致的構(gòu)造。

電子在儲(chǔ)存環(huán)輻射出來(lái)的光，要做各式各樣的處理，因此需用到很多的設(shè)備，也就構(gòu)成一個(gè)龐大的實(shí)驗(yàn)站。在同步輻射研究中心里，這樣的實(shí)驗(yàn)站一圈下來(lái)將近有20個(gè)左右，但還是有很多人排隊(duì)等著做實(shí)驗(yàn)。這個(gè)光源，全***很多學(xué)校都在用，大約有幾十個(gè)機(jī)構(gòu)、一兩百個(gè)研究小組，有些還來(lái)自國(guó)外。

加速器除了產(chǎn)生輻射之外，我們還可以用里頭的高能粒子發(fā)掘宇宙的奧秘。比如原子核里面是什么？原子核里面的質(zhì)子又是什么？固然有一些奧秘是理論可推論的，但必須用實(shí)驗(yàn)證明后大家才相信。實(shí)驗(yàn)時(shí)，把一個(gè)帶電粒子加速到很高的能量，并用它來(lái)把另一個(gè)粒子打散掉，以產(chǎn)生各式各樣的其它粒子，比如產(chǎn)生夸克等。科學(xué)家就可以說(shuō)我們看到了理論預(yù)測(cè)到的，或者看到了理論沒(méi)有預(yù)測(cè)到的。

丁肇中先生在二、三十年前看到一個(gè)理論預(yù)測(cè)到的粒子，得到諾貝爾獎(jiǎng)，用的就是加速器。但這種應(yīng)用需要的粒子能量極大（例如1 TeV），需要的加速器可以長(zhǎng)達(dá)幾十公里，有千百個(gè)高頻共振腔，可見(jiàn)現(xiàn)代的加速器有多復(fù)雜。光是從粒子加速器這個(gè)應(yīng)用，大家就可以想象微波對(duì)科學(xué)研究有多大的重要性。

再回頭來(lái)說(shuō)高頻共振腔，就是剛剛所謂的電子加油站。把電磁波送進(jìn)高頻共振腔里，就會(huì)激發(fā)共振膜產(chǎn)生電場(chǎng)，電子進(jìn)來(lái)的時(shí)候會(huì)被電場(chǎng)加速。這里用的頻率是500 MHz，也就是每秒中振動(dòng)5億次、改變方向5億次，在改變方向以后，再進(jìn)來(lái)的電子，不但不加速反而還減速，因此在加速器里面，電子一定是一團(tuán)一團(tuán)的，中間有一減速時(shí)段是沒(méi)有電子的，時(shí)間算好了，電子一來(lái)就被加速。500 MHz是微波的低頻邊緣，屬于UHF頻段。

高頻共振腔和很多其它附帶器件構(gòu)成一個(gè)高頻系統(tǒng)，其中有一個(gè)速調(diào)管，這是電視臺(tái)所用的微波源，產(chǎn)生60千瓦的功率，其它還有冷卻系統(tǒng)、微波循環(huán)器、控制系統(tǒng)、同軸傳輸線等。60千瓦那么高的功率相當(dāng)于三、四十臺(tái)冷氣機(jī)，到處都會(huì)留下熱，所以高頻系統(tǒng)的各個(gè)地方都需要冷卻，要是不冷卻，馬上就燒掉。因此只要有哪個(gè)地方不對(duì)，控制系統(tǒng)就會(huì)在百萬(wàn)分之一秒內(nèi)下令自動(dòng)停機(jī)。

微波循環(huán)器是用來(lái)保護(hù)速調(diào)管的，高功率微波射出后萬(wàn)一反射回來(lái)，絕不能讓它回到原來(lái)的地方，這就好像一門大炮射出炮彈，如果反射回到炮口，是會(huì)吃不消的。當(dāng)然炮彈發(fā)生這種情況的機(jī)會(huì)并不存在，但是微波發(fā)生的機(jī)會(huì)就多了，通路一有不對(duì)，馬上就沿原路回來(lái)，循環(huán)器能讓它回來(lái)時(shí)走另一條路，被吸波材料吸收，這時(shí)候就不會(huì)造成傷害了。

微波加熱的原理

最后介紹微波爐。微波爐是大家最熟悉的，和我們的關(guān)系也很密切。也許大家還沒(méi)想到，跟各位關(guān)系最密切的不是微波爐里的微波，而是自己身上射出的微波。由我們體溫所放射出的熱，就是電磁波，其中微波的成分還蠻高的。微波爐的主體是一個(gè)作用腔，是個(gè)用金屬封閉的箱，微波射進(jìn)去加熱食物。箱上有一個(gè)可看進(jìn)去的窗口，可是微波漏不出來(lái)。其它還有磁控管、高壓電源、風(fēng)扇、波導(dǎo)管等，這是整個(gè)微波爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

磁控管是微波爐里面最主要的器件，它是一個(gè)微波發(fā)射器。因?yàn)榇趴毓芸蓱?yīng)用在家用的微波爐中，產(chǎn)量動(dòng)不動(dòng)就是幾百萬(wàn)個(gè)，這里面的商機(jī)就很多，而最尖端雷達(dá)所使用的磁控管通常賺不了錢，因?yàn)樾枰砍３Ｖ皇且粌蓚€(gè)，所以微波爐才是商家真正在追逐的利基產(chǎn)品。加速器也是一樣，要找人做還得四處拜托，因?yàn)榱刻贈(zèng)]利潤(rùn)?，F(xiàn)在為了競(jìng)爭(zhēng)，磁控管可以做到一個(gè)不到10元美金，量產(chǎn)能使價(jià)格便宜到這種程度，相當(dāng)不可思議，而太空偵測(cè)用的微波管可能一個(gè)要價(jià)百萬(wàn)美金，簡(jiǎn)直不成比例。

微波加熱是利用什么原理？這就得談到水。水是一個(gè)很奇特的分子，前面講到水在吸收電磁波時(shí)，竟然在可見(jiàn)光頻段有那么一個(gè)大峽谷。同樣神奇的是，水一直冷縮到攝氏4度，然后在攝氏4度以下開(kāi)始膨脹，這又是少有的。假如水在攝氏4度以下繼續(xù)冷縮，水面結(jié)成的冰就會(huì)沈到水底，明年夏天來(lái)時(shí)，因?yàn)楦袅四敲瓷畹囊粚铀?，水底的冰無(wú)法融掉，然后冬天來(lái)了，又有一堆冰沈下去，大概幾十年后整個(gè)湖都是冰，即使夏天也一樣。生物是從水里發(fā)展出來(lái)的，如果水沒(méi)有這個(gè)特性，可能就不會(huì)有生物，也沒(méi)有人類。

為什么水和微波爐的關(guān)系這么密切？因?yàn)樗肿恿硗膺€有一個(gè)特性：它天生就有電偶極。在水中，水分子的電偶極通常排列很紊亂，微波爐作用時(shí)，作用腔內(nèi)就有電場(chǎng)產(chǎn)生，水分子在電場(chǎng)中受到力矩作用，電偶極就會(huì)朝著電場(chǎng)方向排列，電場(chǎng)方向不斷改變時(shí)，水分子的方向也就一直跟著改變，不斷地打轉(zhuǎn)。

是否每打一個(gè)轉(zhuǎn)就增加一點(diǎn)能量呢？這倒不見(jiàn)得。例如船在水波上面，每來(lái)一個(gè)波峰，船就上升一點(diǎn)，波峰過(guò)后船又下降，下一個(gè)波峰來(lái)了，又做相同的動(dòng)作，一再重復(fù)相同的動(dòng)作，船的能量并沒(méi)有一直增加。這個(gè)道理運(yùn)用到水分子的轉(zhuǎn)動(dòng)上也是一樣，能量不會(huì)一直增加，所以并沒(méi)有加熱。要加熱，水分子周圍必須要有東西，這樣才能在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，因彼此之間碰撞而加熱。

比如一塊肉，電磁波讓里面的水分子轉(zhuǎn)動(dòng)，去擠動(dòng)旁邊肉的組成分子，這時(shí)就能加熱。如果全是一杯水也可以，只要水分子之間互相擠動(dòng)就會(huì)變成熱能。我們都清楚，熱能就是亂無(wú)次序的動(dòng)能，在空氣里頭的熱能就是如此。風(fēng)的動(dòng)能就不叫熱能，因?yàn)轱L(fēng)是往同一個(gè)方向吹，是有序的動(dòng)。水分子在電場(chǎng)里一起有序的動(dòng)，也不是熱能，能量還可以再回傳給電場(chǎng)。可是當(dāng)水分子和其它分子擠在一起動(dòng)的時(shí)候，相互擦撞，這時(shí)大家的方向就亂了，變成了熱能，這就是微波爐的加熱原理。

微波加熱不但要使微波能進(jìn)到食物里面，還要能被吸收。頻率太低，大部分都穿透過(guò)食物，頻率太高，在食物表面上就被吸收，進(jìn)不到里面，微波加熱的頻率（大都是2.45 GHz）就是在這個(gè)條件下所選擇的，這是微波爐專用的頻率，所以不會(huì)干擾通訊。由于微波能進(jìn)到食物里面，同時(shí)加熱各處，所以加熱速度快。此外，金屬作用腔壁吸熱慢，溫度不高，散熱少，這種加熱方法效率高達(dá)50％左右，比傳統(tǒng)烤箱加熱效率（約10％）大得多，所以也省電。