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地震面前,与死神争分夺秒的红外探测

2017年08月14日 10:12    来源:中国青年报   作者:高寒飞   

  8月8日21时19分46秒在四川阿坝藏族羌族自治州九寨沟县发生的7.0级地震,牵动着亿万人的心。不仅因为那里美若天堂,让人担心当地居民和游客的安危,也是因为人们很容易就想到汶川大地震,以及当时的惨烈。这些天,大批救援力量在灾区奋力救人。

  其实,自地球诞生之日起,地壳在持续缓慢运动,蓄积了巨大的能量,正如使用足够大的力量撕扯纸张或者弯折玻璃时它们会碎裂一样,当超过承受限度时,地壳蕴含的能量便会喷薄而出,能量快速释放会带来剧烈震动,这种自然现象便是地震。地震发生之时,天塌地陷、山峦崩摧、房倒屋斜。目前,还没有完全行之有效的手段可以预测地震的发生,因此,震后救援就显得尤为重要。

  对于救援来说,发现生命与救出生命是最大的目标。科学、技术在救援中展现出其不俗的实力——各类生命探测仪一俟发明,便与救援犬并驾齐驱、力合作,发挥了巨大作用。红外、音频、视频、雷达、静电场、光学、气敏等一系列生命探测仪都较为常见。它们各有所长,适用于不同的救援条件。实际救援中往往几种仪器协同作战——先是红外探测仪确定幸存者的大致方位,之后雷达探测仪精准定位,最后利用光学探测仪观察幸存者周围环境以确定救援方案。其中,红外探测仪历史较为悠久,是最常用的生命探测仪之一。

  红外生命探测仪依靠人体与环境红外辐射的区别来辨别幸存者,因此可用于黑暗、充满烟雾等人们目力难及的救援场所。所有处于绝对零度之上的物体,都会产生红外辐射,人体自然也是天然的红外辐射源。有别于环境中其他物体,人作为一种恒温动物,所发射出的红外线波段为一个特殊的恒定范围,找到了这个范围内的红外线,便有极大的可能找到幸存者,这也正是红外探测仪搜寻救援的关键点。红外生命探测仪的核心部件是红外检测器。由于工作原理迥然相异,它们又分为两大类——利用温度差的热电检测器与依赖红外线波长差异的光电检测器。热电检测器常用于测量温度,而用于生命探测的往往是能够针对性识别特殊波段的红外光电检测器。

  光电检测器是将光信号转化为电信号的电子元件,较为常见的有两类,一类是光电二极管,一类是光电阻。

  前者与太阳能电池发电的原理相同,半导体材料吸收光的能量,会产生可以相互分离的正负电荷。它们被材料内部电场分开,紧接着又被其推向半导体两端,形成电势差。电势差正如大坝两端一高一低的水位落差,一旦接通电路,电流便像开闸泄洪时的水流一样,只一瞬间便波涛汹涌,从而形成了完整的回路,也即是电信号;后者在没有光照时通常没什么导电性,受到光照后,也只会产生大量光生载流子(携带电荷的基本单元)。不同于光电二极管,这些电荷通常只有一种,根据半导体类型不同会产生正电荷或者负电荷,它们如同一些突然空降下来的散兵游勇,只会无头苍蝇般四处乱转,但当在半导体两端施加电压后,它们就像听到了进攻的号角般有序地向前冲,使得电流骤然变大,也便将光信号转化为电信号了。

  光电检测器通常对不同波长的光线具有差异性响应,因此可以检测出特定波段的光线。半导体中电子所处的能量状态带有两种——导带和价带,低温下,大多电子处在低能量的价带,非常安分;而部分电子就像人来疯的孩子,稍受刺激(比如光照或升温),便成了“小疯子”,跃至高能量的导带,此时它们更自由,便有了导电性,半导体也因此得名——基态导电性差,受激后导电性大幅提升。能隙是这两种状态间的能量差,它决定了受多大刺激才能使安分的电子变成“小疯子”。一般情况下,一种半导体的能隙恒定不变,光的能量取决于它的波长,能隙便对应了特定波长的光,只有能量等于或者大于这一波长的光才可以使光转化为电,毕竟刺激大了,只会让电子们更“疯”。因此,若想检测能量很小的红外线,所选半导体的能隙必须更小,这便使得红外光电检测器的材料选择受到了很大的局限,正因如此,目前一部分科学工作者在改良现有的红外响应材料,另一部分则在探索全新的半导体材料,例如可设计性较强的有机半导体。

  红外探测技术很早便应用在我们生活的方方面面。例如,无论是空调还是电视的遥控器,都是将信息负载于红外线上发射出去,再由电器中的红外探测器将其转化成电信号,再由处理器解调来实现远程控制的。

  而事实上,这项技术最初是在军工行业中崭露头角的,其蓬勃发展也有赖于第二次世界大战,随后,红外夜视仪帮助战士们在夜间也能清晰看到敌人的行踪。近些年发展起来的红外精确制导武器更是将战争引领到了“外科手术”式精准打击的新层面上。

  因此,红外探测技术不仅是瘫在沙发上手握遥控器,也是在灾区争分夺秒搜寻幸存者的决胜利器,更是沙场之上先发制人的撒手锏。(中国科学院大学2017级博士生 高寒飞)

  

责任编辑:陈显君
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