X射线的特性及应用

文章来源：高能物理研究所
发布时间：2010-05-06
http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201104/t20110414_3115682.shtml

 
科学家们逐渐揭示了X射线的本质，作为一种波长极短，能量很大的电磁波，X射线的波长比可见光的波长更短(约在0.001～100 纳米，医学上应用的X射线波长约在0.001～0.1 纳米之间)，它的光子能量比可见光的光子能量大几万至几十万倍。因此，X射线除具有可见光的一般性质外，还具有自身的特性。正由于X射线的特性，使其在发现后不久，很快在物理学、工业、农业和医学上得到广泛的应用，特别是在医学上，X射线技术已成为对疾病进行诊断和治疗的专门学科，在医疗卫生事业中占有重要地位。

1.X射线的物理效应

（1）穿透作用。X射线因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来。



（2）电离作用。物质受X射线照射时，可使核外电子脱离原子轨道产生电离。利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量，根据这个原理制成了X射线测量仪器。在电离作用下，气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应。

（3）荧光作用。X射线波长很短不可见，但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，可使物质发生荧光（可见光或紫外线），荧光的强弱与X射线量成正比。这种作用是X射线应用于透视的基础，利用这种荧光作用可制成荧光屏，用作透视时观察X射线通过人体组织的影像，也可制成增感屏，用作摄影时增强胶片的感光量。

（4）热作用。物质所吸收的X射线能大部分被转变成热能，使物体温度升高。

（5）干涉、衍射、反射、折射作用。这些作用在X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用。




2.X射线的化学效应

（1）感光作用。X射线同可见光一样能使胶片感光。胶片感光的强弱与X射线量成正比，当X射线通过人体时，因人体各组织的密度不同，对X射线量的吸收不同，胶片上所获得的感光度不同，从而获得X射线的影像。

（2）着色作用。X射线长期照射某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，可使其结晶体脱水而改变颜色。

3.X射线的生物效应

X射线照射到生物机体时，可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。不同的生物细胞，对X射线有不同的敏感度，可用于治疗人体的某些疾病，特别是肿瘤的治疗。在利用X射线的同时，人们发现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍，白血病等射线伤害的问题，在应用X射线的同时，也应注意其对正常机体的伤害，注意采取防护措施。

HNC及其基本内容

文章来源：声学研究所
发布时间：2009-07-20
http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201005/t20100513_2844366.shtml

 
世纪的伟大发明之一。发明之初，人们主要用它来计算弹道的轨迹，以便更准确地使用大炮打击敌人。这主要进行的是数字计算。很快人们就发现可以利用计算机的逻辑运算能力进行不同语言之间的翻译，例如从俄语翻译成英语，这样即使不懂俄语的人也能看懂俄语的书刊报纸。研究人员认为学习一门外语不外乎就是掌握这门语言的语法规则，大量的词汇和习惯用语。人们也确实是这样学习外语的。对于计算机而言，语法规则可以在用计算机的规则进行表示，词汇和习惯用语可以按照一定的结构存贮计算机中，这样就可以进行语言的翻译了。然而实际的结果表明用计算机进行不同语种的翻译绝不是这么简单。尽管计算机已经能够适应和处理多种编程语言，但是面对人类自然语言的多义模糊计算机束手无策。什么是自然语言，就是我们日常使用的语言，是相对于人工设计的计算机编程语言（例如Basic，Java，等等）而言的。什么是多义模糊，就是同一个词语在不同的使用情况下，具有不同的语义内容，例如“教授”，可以表示一种职称，或者对人的称呼，如张教授，王教授等等；也可以是一个传授知识的动作，例如“王老师教授我们高等数学”。人脑特别适应处理这种模糊，因此人们之间可以顺畅的进行交流。
 
如何让计算机拥有象人类一样的语言智能，能够理解人类的自然语言是自然语言理解的研究课题，也是当今信息时代面临的一项重大科学难题。自然语言理解处理研究一旦获得突破，这样就相当于掌握制造语言超人的能力，这个语言超人可以不眠不休，一天24小时，一目千行阅读资料，从中提取有用的知识。也可以将不同语言的资料翻译成用户的母语，方便使用者的使用。从而形成巨大的语言知识处理和知识服务产业，并深刻影响计算机科学与技术的发展，从而有力地推动信息时代从初级阶段向高级阶段的迈进。
 
中国科学院声学研究所黄曾旸研究员面向这一时代的召唤，创立的概念层次网络（简称HNC）理论。它将人们对于语言的理解方法及概念符号化，使计算机能够模拟人脑的语言智能进行语言理解和推论，从而真正“理解”人的语言。
 
  理论的目标是：以概念联想脉络为主线，建立一种模拟大脑语言感知过程的自然语言表达模式和计算机理解处理模式，使计算机获得消解模糊的能力。HNC通过研制交互引擎来实现这一目标。

什么是遥感

文章来源：上海技术物理研究所
发布时间：2011-05-26
http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201105/t20110526_3142704.shtml

 
“遥感”，顾名思义，就是遥远地感知。传说中的“千里眼”、“顺风耳”就具有这样的能力。人类通过大量的实践，发现地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的形式――电磁波，并且发现不同物体的电磁波特性是不同的。遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。
 

例如，大兴安岭森林火灾发生的时候，由于着火的树木温度比没有着火的树木温度高，它们在电磁波的热红外波段会辐射出比没有着火的树木更多的能量，这样，当消防指挥官面对着熊熊烈火担心不已的时候，如果这时候正好有一个载着热红外波段传感器的卫星经过大兴安岭上空，传感器拍摄到大兴安岭周围方圆上万平方公里的影像，因为着火的森林在热红外波段比没着火的森林辐射更多的电磁能量，在影像着火的森林就会显示出比没有着火的森林更亮的浅色调。当影像经过处理，交到消防指挥官手里时，指挥官一看，图像上发亮的范围这么大，而消防队员只是集中在一个很小的地点上，说明火情逼人，必须马上调遣更多的消防员到不同的地点参加灭火战斗。
 

上面的例子简单的说明了遥感的基本原理和过程，同时涉及到了遥感的许多方面。除了上文提到的不同物体具有不同的电磁波特性这一基本特征外，还有遥感平台，在上面的例子中就是卫星了，它的作用就是稳定地运载传感器。除了卫星，常用的遥感平台还有飞机、气球等；当在地面试验时，还会用到地面象三角架这样简单的遥感平台。传感器就是安装在遥感平台上探测物体电磁波的仪器。针对不同的应用和波段范围，人们已经研究出很多种传感器，探测和接收物体在可见光、红外线和微波范围内的电磁辐射。传感器会把这些电磁辐射按照一定的规律转换为原始图像。原始图像被地面站接收后，要经过一系列复杂的处理，才能提供给不同的用户使用，他们才能用这些处理过的影像开展自己的工作。
 

  由于遥感在地表资源环境监测、农作物估产、灾害监测、全球变化等等许多方面具有显而易见的优势，它正处于飞速发展中。更理想的平台、更先进的传感器和影像处理技术正在不断地发展，以促进遥感在更广泛的领域里发挥更大的作用。

遥感技术介绍

文章来源：上海技术物理研究所
发布时间：2011-05-25
http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201105/t20110525_3142146.shtml

 
遥感一词来源于英语“Remote Sensing”，其直译为“遥远的感知”，时间长了人们将它简译为“遥感”可以解释为: 解释: 运用现代光学、电子学探测仪器，不与目标物相接触，从远距离把目标物的电磁波特性记录下来，通过分析、解译揭示出目标物本身的特征、性质及其变化规律。遥感是20世纪60年代发展起来的一门对地观测综合性技术。自20世纪80年代以来，遥感技术得到了长足的发展，遥感技术的应用也日趋广泛。随着遥感技术的不断进步和遥感技术应用的不断深入，未来的遥感技术将在我国国民经济建设中发挥越来越重要的作用。
 

人类通过大量的实践，发现地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的形式――电磁波，并且发现不同物体的电磁波特性是不同的。遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。
 

例如，大兴安岭森林火灾发生的时候，由于着火的树木温度比没有着火的树木温度高，它们在电磁波的热红外波段会辐射出比没有着火的树木更多的能量，这样，当消防指挥官面对着熊熊烈火担心不已的时候，如果这时候正好有一个载着热红外波段传感器的卫星经过大兴安岭上空，传感器拍摄到大兴安岭周围方圆上万平方公里的影像，因为着火的森林在热红外波段比没着火的森林辐射更多的电磁能量，在影像着火的森林就会显示出比没有着火的森林更亮的浅色调。当影像经过处理，交到消防指挥官手里时，指挥官一看，图像上发亮的范围这么大，而消防队员只是集中在一个很小的地点上，说明火情逼人，必须马上调遣更多的消防员到不同的地点参加灭火战斗。
 

上面的例子简单的说明了遥感的基本原理和过程，同时涉及到了遥感的许多方面。除了上文提到的不同物体具有不同的电磁波特性这一基本特征外，还有遥感平台，在上面的例子中就是卫星了，它的作用就是稳定地运载传感器。除了卫星，常用的遥感平台还有飞机、气球等；当在地面试验时，还会用到地面象三角架这样简单的遥感平台。传感器就是安装在遥感平台上探测物体电磁波的仪器。针对不同的应用和波段范围，人们已经研究出很多种传感器，探测和接收物体在可见光、红外线和微波范围内的电磁辐射。传感器会把这些电磁辐射按照一定的规律转换为原始图像。原始图像被地面站接收后，要经过一系列复杂的处理，才能提供给不同的用户使用，他们才能用这些处理过的影像开展自己的工作。
 

由于遥感在地表资源环境监测、农作物估产、灾害监测、全球变化等等许多方面具有显而易见的优势，它正处于飞速发展中。更理想的平台、更先进的传感器和影像处理技术正在不断地发展，以促进遥感在更广泛的领域里发挥更大的作用。
 

遥感的特点 
 

遥感作为一门对地观测综合性技术，它的出现和发展既是人们认识和探索自然界的客观需要，更有其它技术手段与之无法比拟的特点。遥感技术的特点归结起来主要有以下三个方面：
 

1、探测范围广、采集数据快
 

遥感探测能在较短的时间内，从空中乃至宇宙空间对大范围地区进行对地观测，并从中获取有价值的遥感数据。这些数据拓展了人们的视觉空间，为宏观地掌握地面事物的现状情况创造了极为有利的条件，同时也为宏观地研究自然现象和规律提供了宝贵的第一手资料。这种先进的技术手段与传统的手工作业相比是不可替代的，尤其在高效、客观、准确方面，是具有得天独厚的优势。
 

2、能动态反映地面事物的变化
 

遥感探测能周期性、重复地对同一地区进行对地观测，这有助于人们通过所获取的遥感数据，发现并动态地跟踪地球上许多事物的变化。同时，研究自然界的变化规律。尤其是在监视天气状况、自然灾害、环境污染、甚至军事目标等方面，遥感的运用就显得格外重要。
 

3、获取的数据具有综合性
 

遥感探测所获取的是同一时段、覆盖大范围地区的遥感数据，这些数据综合地展现了地球上许多自然与人文现象，宏观地反映了地球上各种事物的形态与分布，真实地体现了地质、地貌、土壤、植被、水文、人工构筑物等地物的特征，全面地揭示了地理事物之间的关联性。并且这些数据在时间上具有相同的现势性。
 

遥感的分类
 

1、按遥感平台的高度分类大体上可分为航天遥感、航空遥感和地面遥感。
 

航天遥感又称太空遥感(space remote sensing)泛指利用各种太空飞行器为平台的遥感技术系统，以地球人造卫星为主体，包括载人飞船、航天飞机和太空站，有时也把各种行星探测器包括在内。卫星遥感(satellite remote sensing)为航天遥感的组成部分，以人造地球卫星作为遥感平台，主要利用卫星对地球和低层大气进行光学和电子观测。
 

航空遥感泛指从飞机、飞艇、气球等空中平台对地观测的遥感技术系统。
 

地面遥感主要指以高塔、车、船为平台的遥感技术系统，地物波谱仪或传感器安装在这些地面平台上,可进行各种地物波谱测量。
 

2、按所利用的电磁波的光谱段分类可分为可见反射红外遥感，热红外遥感、微波遥感三种类型。
 

可见光／反射红外遥感，主要指利用可见光(0.4-0.7微米）和近红外(0.7-2.5微米）波段的遥感技术统称，前者是人眼可见的波段,后者即是反射红外波段，人眼虽不能直接看见,但其信息能被特殊遥感器所接受。它们的共同的特点是，其辐射源是太阳，在这二个波段上只反映地物对太阳辐射的反射，根据地物反射率的差异，就可以获得有关目标物的信息，它们都可以用摄影方式和扫描方式成象。
 

热红外遥感，指通过红外敏感元件，探测物体的热辐射能量，显示目标的辐射温度或热场图象的遥感技术的统称。遥感中指8-14微米波段范围。地物在常温(约300K)下热辐射的绝大部分能量位于此波段，在此波段地物的热辐射能量，大于太阳的反射能量。热红外遥感具有昼夜工作的能力。
 

微波遥感，指利用波长1-1000毫米电磁波遥感的统称。通过接收地面物体发射的微波辐射能量，或接收遥感仪器本身发出的电磁波束的回波信号，对物体进行探测、识别和分析。微波遥感的特点是对云层、地表植被、松散沙层和干燥冰雪具有一定的穿透能力，又能夜以继日地全天侯工作。
 

3、按研究对象分类 可分为资源遥感与环境遥感两大类。
 

资源遥感：以地球资源作为调查研究的对象的遥感方法和实践，调查自然资源状况和监测再生资源的动态变化，是遥感技术应用的主要领域之一。利用遥感信息勘测地球资源，成本低，速度快,有利于克服自然界恶劣环境的限制，减少勘测投资的盲目性。
 

环境遥感：利用各种遥感技术，对自然与社会环境的动态变化进行监测或作出评价与预报的统称。由于人口的增长与资源的开发、利用，自然与社会环境随时都在发生变化,利用遥感多时相、周期短的特点，可以迅速为环境监测。评价和预报提供可靠依据。
 

4、按应用空间尺度分类 可分为全球遥感、区域遥感和城市遥感。
 

全球遥感：全面系统地研究全球性资源与环境问题的遥感的统称。
 

区域遥感：以区域资源开发和环境保护为目的的遥感信息工程，它通常按行政区划（国家、省区等）和自然区划（如流域）或经济区进行。
 

遥感技术发展方向
 

1、追求更高的空间分辨率。目前空间分辨率，多波段为20m，全色波段为10m，但已有好几颗卫星装载空间分辨率优于10m的遥感器。
 

2、追求更精细的光谱分辨率。目前星载遥感器的光谱率大约为可见近红外波段略优于100nm(10-4 m)，在热红外波段约为200nm左右，而机载的成像光谱仪已达到可见光、近红外波段约10nm，热红外波段约30nm左右，整个波段数已达到256个波段。美国制定的EOS计划（地球观测计划）就包括有中分辨率和高分辨率的成像光谱仪。
 

3、综合多种遥感器的遥感卫星平台。一颗卫星装备多种遥感器，既有高空间光谱分辨率，窄成像带的遥感器，适合于小范围详细研究，又有中低空间、光谱分辨率、宽成像带的遥感器，适合宏观快速监测，二者综合，服务不同的需求目的。
 

4、多波段、多极化、多模式合成孔径雷达卫星。合成孔径雷达具有全天侯和高空间分辨率等特点。目前已有几颗卫星装备有单波段、单极化的合成孔径雷达。加拿大发射的Radarsat（雷达卫星）就具有多模式的工作能力，能够改变空间分辨率、入射角、成像宽度和侧视方向等工作参数。
 

  5、斜视、立体观测、干涉测量技术的发展。可见光斜视、立体观测可以用于卫星地形测绘,干涉测量技术是利用相邻两次的合成孔径雷达影像进行地形测量和微位移形变测量的技术。目前法国的SPOT卫星已具备斜视立体观测能力，进行地形测绘的技术取得重大进展，但仍未完全实用化。干涉测量技术在欧空局的ERS-1卫星C波段SAR计划中进行过实验。法国一个小组利用这项计划研究了火山爆发后火山锥的变化，但这项技术仍有待研究发展。

神奇不神秘的超导材料

文章来源：上海硅酸盐研究所
发布时间：2011-05-25
http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201105/t20110525_3141779.shtml

 
今年正好是超导现象发现100周年，在这100年里关于超导的研究取得了令人瞩目的成就。那么什么是超导现象？有哪些材料是超导体呢？超导材料又可以应用在什么方面？神奇的超导材料其实并不神秘，其实在我们的身边就存在超导材料。
 

当温度降低到足够低时，有些材料的电阻变为零，这即为超导现象。最早是由荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯在1911年意外发现的。1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质—完全抗磁性，也称迈纳斯效应。


 

超导材料的特殊性质使得超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。迈斯纳效应使人们可以用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在悬浮无摩擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性，并有效减少机械磨损。另外利用超导悬浮还可制造无磨损轴承，将轴承转速提高到每分钟10万转以上。而超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗。


 

超导材料必须在一定的温度以下才会产生超导现象，这一温度称为临界温度。卡末林—昂内斯将汞冷却到4.2K才发现超导现象的，这一温度是一个极低的温度，无疑在这样的温度是不可能得到应用的。所以从超导现象发现的第一天起，科学家们就一直朝着室温超导而奋斗。到目前为止，科学家所发现的高温超导体主要有铜基高温超导材料和铁基高温超导材料等等。令我们感到自豪的是，我们中国科学家对这两种高温超导材料都做出了重大贡献，大大推动了超导研究的进展。

 
1986年，米勒和贝德诺尔茨发现在La-Ba-Cu-O氧化物中“可能存在高温超导电性”，揭开了超导电性的研究的新篇章，将超导体从纯金属、合金及化合物扩展到氧化物陶瓷高温超导材料。1987年，美国华裔科学家朱经武以及中国科学家赵忠贤相继在Y-Ba-Cu-O系材料上把临界超导温度提高到90K以上，突破了液氮的“温度壁垒”（77K），使得超导体向应用大大跃进了一步。随后发现的Tl-Ba-Ca-Cu-O体系超导转变温度迅速提高到125K。目前Tc最高的超导材料是1993年发现的Hg-Ba-Ca-Cu-O体系，常压下Tc为135K，高压下可达到165K。
 

另外一类重要的高温超导材料—铁基高温超导材料是在2008年3月由日本的一位科学家无意中发现的，通过FeAs层取代LaOCuS中CuS层所制备层状化合物LaFeAsO1-xFx体系可以实现26K的超导转变。通过稀土元素替换，赵忠贤等人迅速将Tc提高到SmFeAsO体系的55K。铁基高温超导体的发现颠覆了磁性和超导相互矛盾的观念，被认为是介于铜基高温超导体和常规高温超导体之间的一类新材料，对超导理论和应用研究有重要意义。


 

除了上述两类超导体外，还有重费米子超导体CeCoIn5，有机物超导体C60体系，MgB2超导体等等。
 

回首超导发展100年，可谓是惊喜不断，硕果累累，但对于超导还存在很多谜题待后人来解答。比如：超导的机理至今仍没有一个公认的理论；室温超导还没有实现；是不是还存在其他体系的高温超导体等等。未来的道路可谓是艰辛而漫长，“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”，以此与全天下的超导研究者共勉！愿超导这一神奇的现象能够得到更多应用，给人类的生活和工作带来巨大便利！

红外线的魅力

文章来源：上海技术物理研究所
发布时间：2011-05-25
http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201105/t20110525_3142141.shtml

 
（作者：中科院上海技术物理研究所 徐文兰研究员）

 
2003年的春天是难忘的，那场“非典”的灾难至今让我们谈虎色变。可是也正因为“非典”，普通老百姓真真切切地感受到了红外技术的玄妙。机场、车站和码头的 “红外非接触体温计” 为南来北往的旅客担当起守望卫士的角色。“非典”流行过去了，我们想知道，红外是什么？除了测量温度外，它还有什么神奇功能？
 

红外线的意外发现
 

国学大师王国维描述过做学问的三个境界，告诉人们，“回首看，那人却在灯火阑珊处”的意外喜悦，来自于“昨夜西风雕碧树，独上高楼，望断天涯路”的艰辛以及“为伊消得人憔悴，衣戴渐宽终不悔”的磨砺。科学上这样的例子不胜枚举，红外线的发现同样如此。1800年曾经发现天王星的英国天文学家威廉·赫谢尔爵士在测量太阳七色光的温度时偶然发现，含热量最多的高温区，居然位于可见红光的外侧。看来，太阳发出的光线中除可见光外，还有人眼看不见的“热线”，因为这种看不见的“热线”位于红色光外侧，因而叫它为红外线或红外辐射也就是理所当然的了。不过当时谁也没有料到红外线的意外发现竟导致了它后来如此多的应用。红外线其实是无处不在的。光辉的太阳、燃烧的蜡烛、炽热的火炉固然会发出我们肉眼看不到的红外线；任何物体，只要它的温度比零下273度高，就无一例外地发射出红外线。所以，房间里的桌椅、睡床有红外线、我们自己的身体也发出红外线，即使冰天雪地，照样有红外线!
 

红外线的本质-电磁波
 

打开收音机，美妙的音乐响起了，大家都知道它们是通过不可见的电磁波从电台传播过来的。电磁波是电场和磁场的周期振动，传播速度为每秒30万千米，也是光作为一种电磁波的速度。不同电磁波的区别在于频率或者波长。所谓的中波、短波收音机指的就是可以接收波长在几百米和几十米范围内的电磁波。我们熟悉的交流电频率是50赫兹，也就是说，交流电中电磁场每秒变化50周。根据波长是每一周电磁波传播的距离这一概念，可以得到交流电的波长等于前面提到的光速除以频率，即为6000千米。可以说是我们遇到的波长最长的电磁波了。可见光的波长在380到780纳米之间。纳米，也就是毫微米，是米的1亿分之一，是个很小的长度单位。现在很流行这个单位。纳米材料、纳米技术就涉及到这个长度。再回过头来说红外光，它就是一类电磁波。波长比可见光中波长最长的红光还要长。根据红外光波长的大小，也根据它们离可见红光的远近，可以把它们分为近、中、和远红外： 近红外波长为0.78～3.0微米； 中红外波长为3.0～20微米； 远红外波长为20～1000微米。
 

红外辐射的规律
 

既然红外线就是电磁波，那么所有关于电磁波的规律都适用于描写红外线，但在历史的进程中，由于红外辐射和热密切相连，人们往往另外总结出一些对于描写红外辐射更为直接和有用的规律，毫无疑问，这些规律同样适用于其他波段的电磁波。学习这些定律，你就如同与一群睿智的学者一一谋面。
 

黑体和发射率：首先介绍一下什么叫黑体。所谓黑体，就是指能吸收所有的外来辐射并全部再辐射的物体。现实世界不存在这种理想的黑体，可以用发射率来标志一般物体和理想黑体之间的差异。发射率就是真实物体辐射能量与同温下黑体的辐射能量之比。显然，发射率是介于0与1之间的正数。一般说来，一个物体的发射率是波长和温度的函数。它表示了物体的辐射本领。理想黑体的发射率在任何温度和波长下都为1。普朗克辐射定律：普朗克(Max Planck 1858～1947)是近代伟大的德国物理学家，量子论的奠基人，1918诺贝尔奖获得者。普朗克辐射定律描述了黑体单位表面积在波长λ附近，单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称为光谱辐射度)Mλb (T)与波长λ、绝对温度T的关系。如果以波长为横坐标，黑体光谱辐射度为纵坐标，可以对不同的温度画出不同的曲线，这些曲线是不相交的，每条曲线有一个极大值。在任何一个波长下，温度越高，光谱辐射度越大。普朗克辐射定律是黑体辐射理论的重要基础，下面两个定律虽然是独立发现的，事后知道，其实也可以从普朗克辐射定律推导出来。
 

维恩位移定律：维恩(Wilhelm Wien 1864-1928)也是德国人，获1911年的诺贝尔奖。1893年发现了这个定律，三年后又从普朗克辐射定律推出这个定律。定律表明黑体辐射的峰值位置，即最大辐射度所对应的波长和黑体温度的乘积是个常数。所以随温度降低，峰值波长要向长波方向移动。当加热的电炉关闭时，随着温度的下降，电炉丝的颜色从明亮变到暗红乃至恢复到电炉丝的本色，就是这个道理。
 

斯蒂芬-玻耳兹曼定律:是斯蒂芬(J.Stefan l835—1892)从实验上发现的，由德裔奥地利物理学家玻耳兹曼(L.Boltzmann l844—1906)从理论上加以证明。黑体的辐射能力，即它每秒以电磁辐射的形式发射的能量，正比于它的温度四次方(W＝σT4)。因此，温度越高，黑体辐射的能量就越多。 这与人们的直观感觉是相同的。该定律也可以从普朗克辐射定律对全波段的波长积分而得到。
 

上述几个定律虽然是描写黑体辐射规律的，但对于任何物体都是适用的，关键是因为普通物体和黑体的差异已经用了前面介绍的发射率来表示。所以从黑体辐射计算得到的结果后，只要按发射率的大小打上相应的“折扣”，就可以得到真实物体的情况。
 

红外线的军事应用
 

“月黑风高夜，杀人放火天”，黑夜是历来兵家荫蔽自己，攻击敌方的大好时机。但在现代战争中，黑夜里的攻击变得越来越不容易了。这是因为正如前面说到的，任何物体都会发出红外线，人的眼睛看不见，不等于人做的仪器看不见。军用红外夜视仪就是一种可以探测红外光的仪器设备，在夜战中功不可没。早在二次大战的后期，在美军登陆进攻日本冲绳岛的战争中，红外夜视仪初露锋芒，把鬼鬼祟祟偷袭的日本兵看得真真切切，打得落花流水。红外夜视仪岂止只能在黑夜行事。半个世纪后的海湾战争中，美军装备的红外夜视器材，可以透过弥漫的风沙和硝烟，发现伊拉克军的坦克，就是因为坦克的红外辐射吸引了探测器的“眼球”。
 

响尾蛇是一种毒蛇，因其尾部摇动时会发出尖锐的响声而得名。它的眼睛和鼻子间有一个能感觉热量的小颊窝，以帮助追踪猎物。 其实，比真正响尾蛇有名气的是“响尾蛇”红外制导导弹。在英阿马岛之战和海湾战争中，飞行员们都闻“蛇”丧胆。因为，在这两场战争的空战中，大部分飞机都是被“响尾蛇”导弹击落的。“响尾蛇”导弹属于那种 “发射后不管”的导弹。自己带有红外探测器，可以接受到飞机发动机辐射出来的红外线，从而死死咬住飞机，最终将飞机击落。随着科学技术的发达，探测器的目光越来越犀利。红外侦察、搜索、制导使现代化的武器如虎添翼。
 

红外在现代战争中不但用于进攻，也用于防守。当年，越南军队曾使用原苏联的“萨姆—7”红外制导导弹，创纪录地在一个月内击落了24架美军战机。但后来美军使用了一种可以辐射出强烈红外线的干扰诱饵弹。在作战中，美军把它们投放到被保护目标的周围，当“萨姆—7”导弹再次扑向美军战机时，就像中了邪一样，被那些诱饵吸引转向了。 海湾战争中，美军共发射了红外诱饵弹1.25万发，有效地误导了伊军的光电制导武器。利用红外的探测、隐身、反隐身技术一直是高科技现代战争的重要特色。
 

飞入寻常百姓家
 

如果说昔日主要用于军事领域的红外技术是“养在深闺人未识”的话，那么如今它早已飞入寻常百姓家了。红外门铃、防盗报警器、红外照明灯靠接收人体的红外线感应动作；宾馆、重要场所的红外火灾报警器靠感应火苗的温度而报警。红外技术正走进我们日常生活的每一个角落。红外遥控：吃完晚饭，一家人团坐在一起，看起了电视。手指轻轻一按，瞬间频道转换。连呀呀学语的稚童都能感受到遥控的快乐。遥控可以选择多种方法，可是为什么目前的家用电器都用红外线呢？让我们来看看其中的奥妙。我们手中的遥控器就是个红外线的发射器，由红外发光二极管可以发出近红外波段的光。而电视机前端有一个光敏二极管作为红外接收器。每一次按钮，就发出一束不可见的红外光。电视机根据接受到的红外光改变频道。可以设想，如果发出光是可见的，那么就好像手电筒光在眼前乱晃，这可怎么得了。这样，红外光的不可见性正好为我们所用。此外，红外波长远小于无线电波的波长，红外遥控就不会干扰其他家用电器的工作。再者，遥控器的近红外光紧靠着可见光，光线的传播特性与可见光类似，从而无需重新设计，就可利用现成的可见光光学装置，完成近距离的传播。当然遥控器发出的红外光不能穿透障碍也是红外遥控的优点。不然，你这里一按按钮，隔壁房间的电视机如果也会响应，就会乱套，这里不需要无心插柳。
 

红外遥控的空调、音响、甚至窗帘等給人们带来了极大的便利。可是目前的遥控器还只能“各司其职”，管空调的遥控器只能指挥空调，管音响设备的只能指挥音响。面对着茶几上一大堆遥控器，人们不禁期盼什么时候只用一个遥控器，控制所有的家用电器就好了。科学家们早就摸透了老百姓的心思。现在，可以统一控制多个家电的全能遥控器已经面世。其设计思路就是通过模拟各种遥控信号编码，来实现对相应电器的遥控功能。通过相应按钮可以切换控制不同的家电。当然要实现全能遥控功能，还需要让它首先“学习”。“启蒙老师”就是家用电器的原配遥控器。经过各位“老师”的“调教”，全能遥控器就可以包罗囊括各位“老师”的功能，指向那就指挥控制那。
 

红外摄影：红外摄影具备一种超现实、如梦如幻的效果，能给人以完全不同于普通摄影的强烈艺术震撼。例如，它能把夏天里的绿草如茵拍成冬季里的白雪皑皑。很早就有专业摄影师开始探索红外线摄影的艺术表现。 除了艺术创作之外，红外摄影还被用于某些特殊领域，比如在漆黑无光的环境下拍摄肉眼无法看见的景象，摄录肉眼难以看清的犯罪痕迹，辨认那些经过涂改、伪造或烧坏的文件、鉴定真假文物等等。早在上世纪30年代，美国加州的亨廷顿图书馆就用红外摄影方法，透过对红外透明的涂改墨水，显露出馆藏文物被修改前的原貌。英国大不列颠博物馆也曾用红外摄影方法辨认了远古时代的埃及经文。红外摄影可以辨别肉眼难以辨别的血迹、尘埃等，为公安人员的破案提供了确切的证据。随着名画价格的飙升，仿造名画在国际上屡禁不绝。通过红外摄影，可以和其他技术一起辨别名画的真伪。红外摄影可以分析画家的风格，例如可以检测出画家在画布上用碳笔打出的轮廓，以及画家在构思中所做过的修改。维莱斯奎兹是十七世纪西班牙国王菲腊四世的宫廷画师。他的一幅画作卖出了一百万美元的高价。用红外摄影方法看出此画的底部有用笔勾勒的痕迹，从而断定此画绝非真品，因为维莱斯奎兹作画从来不打草稿。
 

红外保暖：红外和热的直接联系使我们对于红外烘烤和红外取暖不会感到陌生。但是，红外内衣的保暖却是近年来的新宠。在都市人要风度也要温度的时尚追求牵引下，曾几何时，市场上充斥着林林总总的保暖内衣。一时间，关于内衣的广告铺天盖地。各路明星褪去了性感的、前卫的时装，居然穿着棉毛衫裤纷纷亮相，让“地球人”目不暇接、眼花缭乱。商家们无非是想告诉大家，他们的产品具有发射红外线的功能。看了本文的介绍，聪明的读者可以知道，因为普通棉织物的发射率就已经高达0.75，通过添加红外发射率较高的物质，又能使所谓的保暖内衣的发射率提高多少呢？更何况，衣服的保暖和舒适其实与衣服的“热阻”，一个衡量热绝缘性能的物理量有关。所以，中国消费者协会在2001年公布了38种品牌保暖内衣比较试验结果，以正视听。硝烟弥漫的保暖内衣“价格战”、“广告战”、“拆台战”慢慢地也偃旗息鼓了。同样，了解了有关的红外知识，对红外取暖器的广告也应该理性地看待。
 

红外医学 ： “非典”时期，出行的人们必须接受红外测温仪的检查。通常的温度计是利用水银热胀冷缩特性来测温的，而红外测温仪则依据了红外线强弱和温度有关的斯蒂芬-玻耳兹曼定律。红外测温仪的测量速度快，又是非接触测量。但因为测量的是体表温度，测量精度又容易受环境条件的影响，所以也只能供排查SARS病人作参考。但是，记录被测对象温度分布的红外医学影像技术却被广泛地运用于现代医学之中。医用红外热像仪操作时不接触人体，不发出辐射，对人体没有任何损害或副作用，即使频繁使用也不会对人体产生不良影响，这是X线、CT、B超等检查设备所无法比拟的优点，所以是当之无愧的“绿色体检之王”。许多疾病在发病早期，温度的变化往往非常细微。捕捉“青萍之末”的微小温差就是医用红外热像仪的本领了。目前它的温度分辨率可达0.01℃。所以，红外在癌症的早期诊断、血液系统、神经系统、烧伤、断肢再植、中医研究等领域都有其独到之处。据说，医用红外热像仪还是一种唯一可以觉察疼痛的影像学仪器。当然，红外热像仪的非接触测温为工业过热事故的诊断也起到了非常积极的作用。
 

红外光学指纹：在科学领域内，经常使用一种被称为红外光谱的实验手段。前面提过，所有的物体都会发射红外线，但每一个物体发出的红外线特征都是不一样的，好比每个人的指纹各不相同。材料发射的红外线频率、强度等特征就构成了材料的红外光学指纹。科学家们日积月累，把测量、收集到的各种材料的红外光谱，即红外光学指纹，编成图谱，作为人们识别材料、乃至发现新材料的参考。至于天文学中用红外光谱确定星球的组成，气象学中用红外光谱识别云层的分布等等其实都在利用物质的红外光学指纹。红外光谱方法同样得到宝石鉴定师的青睐。一块人造宝石看起来与天然宝石的外观、光泽、硬度相差无几，但其价值显然不能与天然宝石相提并论，如何识别它们呢？做一下红外光谱实验，细微差别马上显现。中药是中国的瑰宝，甚至可称为中国古代第五大发明。中药的疗效和中药的质地、产地都有关系，似乎很玄。然而，大多数药材的红外光谱鉴别特征明显，其稳定性、重现性较好，可作为药材真伪及产地的快速鉴别依据。由“中药指纹图谱分析”引发的一场中药产业革命正悄然来临。
 

  “春阴垂野草青青，时有幽花一树明”。纵观天、地、人；历数工农业、国防、科学领域，我们都能发现红外应用美丽、动人的身影。红外的应用无边，红外的魅力无限！

让硅酸盐人骄傲的无机闪烁晶体

文章来源：上海硅酸盐研究所
发布时间：2011-05-25
http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201105/t20110525_3141777.shtml

 
一提起闪烁晶体“BGO”，业内人士首先想到的就是上海硅酸盐研究所。是的，正是在以严东生院士和殷之文院士等老硅酸盐人的长期坚持、不懈努力下，才有了硅酸盐所以“BGO”为代表的闪烁晶体家族的繁荣发展，使上海硅酸盐所成为无机闪烁晶体生长领域的领军者，奠定了我国无机闪烁晶体的国际地位。
 

无机闪烁晶体主要包含氧化物闪烁晶体和卤化物闪烁晶体两大类。氧化物闪烁晶体包括锗酸盐（如BGO）、硅酸盐（如LSO）和钨酸盐（如PWO）,卤化物闪烁晶体包括氟化物（如BaF2）和碘化物（如NaI:T1）。硅酸盐所生长的闪烁晶体主要用于高能物理、核物理研究和医疗诊断设备。
 

一、高能物理用闪烁晶体
 

1、BGO与L3。欧洲核子研究中心（CERN）于20世纪90年代建成了当时世界上能量最高的正负电子对撞机（Large Electron-Positron collider，简称LEP）。LEP周长27公里，总对撞能量为200 GeV。LEP上有ALEPH、DELPHI、L3和OPAL四个大型实验设施。其中L3实验是进行非加速器粒子物理前沿领域研究，进行宇宙线缪子和推断大气中微子能谱的精确测量，而硅酸盐所为该实验用电磁量能器提供了所需的全部12000根棱台型BGO晶体。


 

2、PWO与LHC。2008年9月20日，世界规模最大的科学计划——欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）正式运行，开始了人类揭示宇宙起源，寻找质量之源的征程。CMS(Compact Muon Selinoid)是该强子对撞机工程的四个项目之一，从2005年5月到2008年3月，上海硅酸盐研究所共为CMS电磁能量器提供近5000根大尺寸钨酸铅晶体。上海硅酸盐研究所也因此获得了由欧洲核子中心(CERN)在瑞士日内瓦颁发的CMS Industrial Award最高奖。




3、TeO2与CUORE。暗物质（包括暗能量）被认为是当前国际宇宙研究中最具挑战性的课题。通过探测暗物质湮灭所产生的次级粒子，如中微子、正负电子对、质子、反质子等是认识暗物质的有效途径，而二氧化碲晶体是探测中微子的首选材料。而CUORE项目正是利用二氧化碲晶体作为辐射量热器来探测中微子的绝对质量与性质，该项目所用的1000块大尺寸高纯二氧化碲晶体均来自硅酸盐所。



 

4、卤化物闪烁晶体。 硅酸盐所成功地开发出具有自主知识产权的卤化物晶体非真空坩埚下降技术。其碘化铯晶体先后被美国SLAC、日本KEK和北京正负电子对撞机BESIII等国内外大型科学工程所选用；氟化铅晶体被用于德国Mainz大学建造的电子回旋加速器（MAMI）实验，这是该晶体作为Cherenkov辐射体首次在国际上获得成功运用。
 

二、PET用闪烁晶体
 

PET即正电子发射断层成像技术，是目前世界上最先进的无创伤大型分子影像诊断设备，在全身肿瘤和心脏等疾病的早期诊断与治疗方面有巨大的临床价值。上海硅酸盐研究所BGO晶体生长和PET器件组装两条生产线，是美国GE公司PET器件主供应商，同时也能为世界各地的研究机构提供异形器件产品的研制和生产。



 

无机闪烁晶体无论在基础研究还是实际工作生产中都发挥着及其重要的作用，同时也与我们每个人的生活密切相关。相信在全世界材料人的共同努力下，无机闪烁晶体家族将不断添加新的成员，为全世界和全人类的发展发挥更大的作用。

暗物质与暗能量

文章来源：高能物理研究所
发布时间：2011-01-12
http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201101/t20110112_3060236.shtml

 
宇宙的起源和进化是物理学研究的最基本的问题之一。建立在广义相对论和宇宙学原理（即在宇宙大尺度上，物质的分布是高度均匀各向同性的）之上的大爆炸宇宙模型告诉我们大约137亿年前，大爆炸发生的那一刻，宇宙处于一个极致密、极高温的状态，形成了空间和时间，宇宙随之诞生，并经过膨胀、冷却演化至今。在这个过程中，宇宙经历了原初轻元素合成、光子退耦和中性原子形成、第一代恒星形成等几个重要的时期，星系、地球、空气、水和生命便在这个不断膨胀的时空里逐渐形成。
 

二十世纪二十年代，天文学家哈勃从星系光谱的红移的观测中发现宇宙中所有的星系都在彼此远离退行，距离越远，退行速度越大，二者成正比，这个比例系数被称为哈勃常数，这个规律叫哈勃定律。在此基础上，产生"膨胀宇宙"的概念和"大爆炸宇宙模型"。二十世纪大量的天文观测和天体物理研究结果都证实这个模型。
 

2003年威尔金森微波背景各向异性探测器(WMAP)和斯隆数字巡天(SDSS)天文观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步强有力地支持了这一模型。这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就。WMAP的结果告诉我们，宇宙中普通物质只占4%，23%的物质为暗物质，73%是暗能量, SDSS 也给出类似的结果。从物质基本结构的观点出发，普通的物质，如树木、桌子以及我们人类本身，是由分子、原子构成。然而分子、原子不是最基本的，目前已知的最基本的粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的粒子（如光子，胶子等）。北京正负电子对撞机就是系统地研究其中的粲(charm)夸克和陶(tau)轻子。
 

什么是暗物质呢？暗物质是不发光的，但是它有显著的引力效应。比如，对于一个星系考虑距其中心远处的天体的旋转速度，如果物质存在的区域和光存在的区域是一样的话，由牛顿引力定律可知，距离中心越远，速度应该越小。可是天文观测事实不是这样的，这就说明当中有看不见的暗物质。目前各种天文观测和结构形成理论强有力地表明宇宙中有大约三分之一是暗物质。中微子是一种暗物质粒子，但WMAP和SDSS的结果说明，它的质量应当非常小，在暗物质中只能占微小的比例，绝大部分应是所谓的中性的弱作用重粒子。它们究竟是什么目前还不清楚。理论物理学家猜测，它们可能是超对称理论中的最轻的超对称粒子，是稳定的，在宇宙演化过程中像微波背景光子一样被遗留下来。目前世界各国科学家，例如中意科学家合作组DAMA实验，丁肇中先生领导的AMS实验，正在进行着各种加速器和非加速器实验，试图找到这种暗物质粒子。
 

暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀，星系膨胀的速度不象哈勃定律描述的那样，是恒定的，而是在不断加速。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的"暗能量"。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。但是，我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3左右，所以仍有约2/3的短缺。这一短缺的物质称为暗能量，其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。最近WMAP数据显示，暗能量在宇宙中占总物质的73％。值得注意的是，对于通常的能量（辐射）、重子和冷暗物质，压强都是非负的，所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。
 

然而现在物理学的基本理论还无法解释观测到的这一暗能量。暗能量是二十一世纪物理面临的最大的挑战。物理学对暗能量这种新类型物质的探索才刚刚开始。众说纷纭，但仅仅是一些猜测和设想，远没有形成一个基本合理的解释。科学家正在计划发射新的探测卫星，对于宇宙大尺度空间进行更多更精确更系统的观测，进一步研究宇宙加速膨胀的规律，确定暗能量的形式和物理特征，不同的暗能量形式将导致非常不同的宇宙膨胀的规律。解决这一问题需要新的理论，这样的理论一旦被找到，很可能是人们长期追求的包括引力在内的各种相互作用统一的量子理论。这将是一场重大的物理学革命。
 

  综上所述，研究暗物质、暗能量这些新的问题需要将描述微观世界的粒子物理与描述宇观世界的宇宙学结合起来。这一极大与极小的联系是21世纪物理学和天文学研究的一个新特点。

超高温陶瓷：空天材料的先锋兵

文章来源：上海硅酸盐研究所
发布时间：2011-05-11
http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201105/t20110512_3131851.shtml

 
高超声速飞行器是航空航天科技向新的飞行极限进行探索的重要领域。它将对空天一体化的实现产生巨大的推动作用，是航空先进国家近年发展的热门领域。随着空天飞行器机动性和突防能力要求的增加，近年来世界各国都相继开展了高超声速飞行器的研究。
 

高超声速技术主要指飞行速度超过5马赫的飞行器所需的相关技术。如美国的X-43A高马赫飞行器，其速度最大可达到9.7马赫。为提高飞行器操作灵活性和减少推进系统能耗，研究者们设计使用锐头体飞行器替代以往的钝头体飞行器。在飞行器超高声速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境下，火箭喷嘴入口、吸气增强推进系统、机翼前缘以及鼻锥等关键部件都会在燃料燃烧以及飞行过程与大气的激烈磨擦中产生高温。而高温结构材料，尤其是超高温结构材料，作为重大关键技术之一，在高超声速飞机发展中起着举足轻重的作用。因此，具有长时间（2000s以上）、超高温（2000°C以上）、非烧蚀性（不以熔化、碳化、升华等材料消耗带走热量）的结构材料成为了空天材料研究的热点。
 

目前，能够在2000℃以上使用的超高温材料主要有难熔金属、C/C复合材料以及超高温陶瓷等。其中，超高温陶瓷材料被认为是未来超高温领域潜力巨大的应用材料。超高温陶瓷材料（Ultra-high-temperature ceramics，简称UHTCs）一般是指在2000°C以上的高温下使用的一类陶瓷材料，主要指一些过渡金属的硼化物、碳化物和氮化物，如ZrB2、HfB2、TaC、ZrC、HfC和HfN等。它们具有3000°C左右的高熔点，以及高硬度、高导热率、良好的抗氧化性和抗热震性、中等的热膨胀系数等优良的性能，因此非常适合做超声速航天飞行器高温结构材料的使用。
 

美国宇航局（NASA）分别在1997 年和2001 年针对HfB2-SiC、ZrB2-SiC 和ZrB2-SiC-C超高温陶瓷进行了两次超声速飞行试验（SHARP-B1、SHARP-B2），分别将其应用于飞行器的鼻锥和翼前缘部分（如图所示，左图：SHARP B1，HfB2-20vol%SiC，应用于鼻锥部分；中图和右图：SHARP B2，HfB2-SiC、ZrB2-SiC、ZrB2-SiC-C，应用于翼前缘部分），成功展示了以ZrB2-SiC 和HfB2-SiC 为主体的超高温陶瓷材料作为跨大气层超声速飞行器防热系统材料的应用前景。其中，SHARP-B2试验的测试表明，该超高温陶瓷的耐烧蚀温度可高达2815°C！因此，该项目的总工程师Jeff Bull认为：采用超高温陶瓷为材料的SHARP-B2试验在未来锐头体空天飞行器的探索中迈出了非常关键的一步。  

鉴于此，世界上掀起了一股研究超高温陶瓷的热潮，美国、中国、意大利、法国、日本的研究者们都开展了大量的研究工作，国际交流与合作日渐频繁。超高温陶瓷材料在原料合成、烧结工艺和性能表征等方面都实现了突破式进展。研究的材料体系越来越丰富，对工艺-结构-性能的理解也越来越深入。相信在不久的将来，超高温陶瓷会以其所具有的独特优异性能成为空天科技发展的重要应用材料，成为空天材料研究的先锋兵！

从手机的发展看LTCC技术的应用

文章来源：上海硅酸盐研究所
发布时间：2011-05-11
http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201105/t20110512_3131850.shtml

 
手机作为我们日常生活中使用最频繁的电子设备，经历了从只有单一通话功能的“大哥大”到如今具备多种功能的智能化手机的飞速发展，这主要得益于电子元器件小型化和集成化的贡献。手机实现通信功能的基本部件主要由射频接收和射频发射两部分组成。射频接收模块完成接收信号的滤波、信号放大、解调等功能；射频发射模块主要完成语音基带信号的调制、变频、功率放大等功能。这些功能都是由集成在手机内部的天线、滤波器、放大器、混频器等各种电子元器件完成的。
 

未来手机正朝着轻型化、多功能、数字化及高可靠性、高性能的方向发展，对元器件的小型化、集成化以至模块化要求愈来愈迫切。低温共烧陶瓷技术(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)是近年来兴起的一种令人瞩目的多学科交叉的整合组件技术，它在推动手机体积和功能上的变化中都起到了巨大的作用，正是实现未来手机发展目标的有力手段。这项技术最先由美国的休斯公司于1982年研制成功，其具体的工艺流程就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，作为电路基板材料，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源元件（如电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等）埋入其中，然后叠压在一起，在900℃烧结，制成三维电路网络的无源集成组件，也可制成内置无源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块。


 

看到上面如此繁杂和专业的解释，也许很多人已经开始犯晕，其实从字面上来看，“低温共烧陶瓷”已经告诉了大家其基本的含义，首先，它是由陶瓷材料做成的；其次，所谓的“低温共烧”，就是在相对较低的烧结温度下（1000℃以下），将多层不同功能的生陶片叠在一起烧制，最终得到需要的元器件。曾有人做了一个形象的比喻，将低温共烧陶瓷制成的元器件比作一栋大厦，每一层有着不同的功能，但它们又是一个整体。

  LTCC在手机中的用量约达80%以上，手机中使用的LTCC产品包括LC滤波器、双工器、功能模块、收发开关功能模块。平常老百姓接触到最多的就是手机、电话、无绳电话，现在用得最多的是蓝牙耳机里面的天线。只要体积小的，无线接收的设备肯定要用到滤波器、天线，这些都离不开LTCC。LTCC器件的体积很小，最小的只有1mm×0.5mm，放在手中，打个喷嚏可能就不见了。



 

与其它集成技术相比，LTCC有着众多优点：第一，陶瓷材料具有优良的高频、高速传输以及宽通带的特性。根据配料的不同，LTCC材料的介电常数可以在很大范围内变动，配合使用高电导率的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因数，增加了电路设计的灵活性；第二，可以适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板更优良的热传导性，极大地优化了电子设备的散热设计，可靠性高，可应用于恶劣环境，延长了其使用寿命；第三，可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，免除了封装组件的成本，在层数很高的三维电路基板上，实现无源和有源的集成，有利于提高电路的组装密度，进一步减小体积和重量；第四，与其他多层布线技术具有良好的兼容性，例如将LTCC与薄膜布线技术结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件；第五，非连续式的生产工艺，便于成品制成前对每一层布线和互连通孔进行质量检查，有利于提高多层基板的成品率和质量，缩短生产周期，降低成本。第六，节能、节材、绿色、环保已经成为元件行业发展势不可挡的潮流，LTCC也正是迎合了这一发展需求，最大程度上降低了原料，废料和生产过程中带来的环境污染。
 

除了在手机中的应用，LTCC以其优异的电子、机械、热力特性已成为未来电子元件集成化、模组化的首选方式，在军事、航空航天、汽车、计算机和医疗等领域，LTCC可获得更广泛的应用。尽管目前的LTCC厂商大部分为外资企业，包括日本的村田（Murata）、京瓷（Kyocera）、TDK和太阳诱电（Taiyo Yuden）、美国西迪斯（CTS Corp）和欧洲的罗伯特•博世有限公司（Bosch）、西麦克微电子技术（C-MAC MicroTechnology）和Screp-Erulec等，但是，就我国LTCC的技术发展状况来看并非没有竞争之地，国务院在2009年发布的《电子信息产业调整振兴规划纲要》的文件内容中，明确提出将大力支持电子元器件的自主研发，并将其设为重点研究领域，低温共烧陶瓷技术将成为未来若干年内中国电子制造业的重大发展趋势。国内部分厂商已开始安装先进的LTCC设备，并采用自主研发出的新型原料，加快成品的制造生产，这其中不乏像浙江正原电气股份有限公司、深圳南坡电子有限公司等已经开发出一系列具有国际先进水平的LTCC相关产品的公司。由此，我们相信，LTCC技术必将在中国的电子元器件产业带来革命性的影响。

沈旭荣获明治乳液生命科学奖

发布时间：2006-11-07
http://www.cas.cn/xw/yxdt/200611/t20061107_983353.shtml

近日，中国科学院上海药物所研究员沈旭被授予“2006年度明治乳液生命科学奖”。

沈旭现任上海药物所药理学第三研究室主任。他在国际上率先发展了基于表面等离子共振生物传感技术、圆二色性以及酵母双杂交技术的PPAR受体激动剂和拮抗剂的体外高通量筛选方法。他主持的“863”课题，在药物先导结构设计平台建设和化合物筛选评价研究领域中取得突破性进展，获得通用型虚拟筛选类药性化合物库。他与其他科研人员合作，发展了天然产物活性成分“配体垂钓”以及以生物活性分子为探针的“靶标垂钓”技术。他还率先在国内开展了“利用海洋资源开发PTP1B抑制剂”研究，并在国际上产生了一定影响。

破解传音入密的神话

文章来源：声学研究所
发布时间：2010-03-18
http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201003/t20100330_2809417.shtml

武侠小说中有一种近乎神话的武功，叫做“传音入密”。说的是说话人可以将说话的声音凝聚成线，直接送到受话人的耳中。也就是说，只有受话人可以听见说话人的声音，在场的其他人都无法听到。这当然只是小说的夸张描写，是小说家和读者的一种愿望，现实生活中的人，没有这样的能力。那么，是否可以通过电子设备，实现这一愿望呢？这要从电声系统说起。
 
电声系统
 
传声器又叫话筒或麦克风，是把声信号变成电信号的器件。传声器如果质量不好，在把声信号转变为电信号时引入失真和噪音，整个电声系统的质量也就变坏。所以在要求美声享受的场合，就要选择高音质的传声器。
 
电容传声器是由一个较厚的后极板和前面的金属薄膜构成电容。当声波入射到膜片上时，膜片振动，从而改变了膜片与后极板间的电容量，并在输出端产生一个与声信号波形相同的电信号。这种电容传声器可以做到在整个音频范围频率响应都是平的。它可作为精密测量用的接收器，或高档电声系统的声接收器。在后板上加一块驻极体片，就成为驻极体传声器，它的频率响应好，但稳定性不如电容传声器。
 
电动式传声器结实牢固，经久耐用，不怕潮湿，耐寒耐热，稳定性很好，生产工艺简单，价格低廉，应用很广。它的输出阻抗很低，即使接很长的电缆也影响很小。因此，在普及型电声系统和语言通讯和广播中很适用。但如要求高的保真度，播放音乐艺术节目，还是用频率响应平的电容传声器为好。
 
要把声音辐射出去就要使用扬声器。要求保真度高的电声系统大都使用纸盆动圈式扬声器。这种扬声器的膜片用特制的硬纸或其他材料做成圆锥形，以保持很好的劲度。扬声器锥体中间粘接音圈，当音圈通入交变电流时就带动纸盆运动并向外辐射声音。扬声器的纸盆越大，低频的音质越丰满，但会影响高频的频率响应。所以，剧场中或居室中的高质量扬声器系统都是由大小不同的扬声器组合而成，只要配合得好，可以在很宽的频带上保证平直的频率响应。
 
单独一个扬声器在发声时纸盆前后振动，向前面发出的声压与向后面发出的声压相位正好相反，在低频上由于声波绕射，声波会相互抵消。把扬声器装在一个封闭型盒子面板的孔上，盒子里面再装上足够的吸声材料，吸收向后发出的声波，就解决了声波抵消的问题，这叫封闭型音箱。但如果音箱的体积不够大，扬声器后面的空间就会成为一个共振系统，使音质变坏。如果在封闭式音箱下部开一个口，装一段短管子，管子中的空气质量和音箱空间的空气的弹性形成一个低频谐振器。如果设计得好，从开口出来的声波会加强辐射，并改善低频的频率响应，这叫低音反射式音箱。
 
扩声系统
 
现代厅堂体积不断扩大，要每个人都能很好的直接听演唱和演奏是不可能的，因此就要有扩声系统。扩声系统不但要求各个地方都能听得见、听得清，在进行音乐演出时还要求声音自然、优美，对于某些音乐还要求有空间感。
 
目前的扩声系统很复杂，除了传声器与扬声器外，还有放大与控制系统、均衡器、延时器、分路放大等设备。扬声器的布置也很重要，高质量的扬声器组包括高音、中音、低音扬声器组合，以保证各频率的声音都有足够的强度。
 
环绕立体声
 
简单的立体声技术是在接收声音时使用两套独立的传声器，记录两路信号，叫做双通道录声。放声经过两套独立放大器扬声器，或将两个通道的信号送到耳机两边，听起来就有一定的立体感。
 
后来又发展了四通道系统，使用四个独立的传声器，放在前后左右四个位置，各传声器收到的信号通过独立的通道送到收听人前后左右四个位置上的四个扬声器，把声音放出，人在中间就有较好的立体感。有时觉得声音不是从任一个扬声器发出来的，而是在它们之间的某一个位置发出来的。四个扬声器再加上正面上方一个中央扬声器和下方一个扬声器，放出略有差别的声音，人们感觉声音是从前后左右来的，所以称为环绕立体声。
 
在安排环绕立体声系统时要特别注意到扬声器的性能，如果左右两扬声器的频率和相位响应不同，则声音形象的方位就会随频率而变，发生模糊。如果扬声器的高频指向性过于尖锐，那么除了少数点外，其他方向的声音都感到是从扬声器来，而不是从中央形象来的，听众位置变一点往往会使声音形象有很大的变化。总之，要有很好的环绕立体声效果，对放大器和扬声器的频率、相位、指向性特性都要有很严格的要求。
 
超指向性声束系统
 
将音频信号以幅度调制方式加载到高频超声信号上，驱动大功率超声换能器阵列，产生高指向性超声波束；通过空气声传播的非线性作用原理，产生高指向性音频波束。
 
中国科学院声学研究所开发的这一高指向性的扬声器系统，横跨了超声和音频声的研究领域。声束系统有别于传统的扬声器单元或声柱，被称为“革命性的声重放系统”。
 
超指向性声束的特点在于它的高指向性，利用超声换能器的高指向性，可定向播放音频信号，达到“传音入密”的效果。它还有良好的反射性，类似于光的反射，传播的可听声遇到墙或硬表面而反射，仍不失其指向性，可用于产生特殊的声效，如虚拟声源和环绕声场。在非线性作用下的累计声场效应，使得音频声在很长的距离上没有明显的衰减，做到远距离传播。
 
声学微机电器件与系统
 
中国科学院声学研究所1999年即提出了声学MEMS的完整概念，陆续承担了中国科学院重大项目、“863”计划、国家自然科学基金专项重点等方面的相关项目研究，并首先在圆形振动膜的新型硅微电容传声器上获得突破，达到国际先进的技术指标，并具有高成品率、高灵敏度、工艺制备流程简单可靠、便于实现规模制造等优点。其性能达到或超过目前移动电话中使用的驻极体传声器指标。