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地震面前 與死神爭(zhēng)分奪秒的紅外生命探測(cè)儀
2017-08-16
8月8日21時(shí)19分46秒在四川阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣發(fā)生的7.0級(jí)地震，牽動(dòng)著億萬(wàn)人的心。不僅因?yàn)槟抢锩廊籼焯茫屓藫?dān)心當(dāng)?shù)鼐用窈陀慰偷陌参＃彩且驗(yàn)槿藗兒苋菀拙拖氲姐氪ù蟮卣穑约爱?dāng)時(shí)的慘烈。這些天，大批救援力量在災(zāi)區(qū)奮力救人。
其實(shí)，自地球誕生之日起，地殼在持續(xù)緩慢運(yùn)動(dòng)，蓄積了巨大的能量，正如使用足夠大的力量撕扯紙張或者彎折玻璃時(shí)它們會(huì)碎裂一樣，當(dāng)超過(guò)承受限度時(shí)，地殼蘊(yùn)含的能量便會(huì)噴薄而出，能量快速釋放會(huì)帶來(lái)劇烈震動(dòng)，這種自然現(xiàn)象便是地震。地震發(fā)生之時(shí)，天塌地陷、山巒崩摧、房倒屋斜。目前，還沒(méi)有完全行之有效的手段可以預(yù)測(cè)地震的發(fā)生，因此，震后救援就顯得尤為重要。
對(duì)于救援來(lái)說(shuō)，發(fā)現(xiàn)生命與救出生命是最大的目標(biāo)。科學(xué)、技術(shù)在救援中展現(xiàn)出其不俗的實(shí)力——各類生命探測(cè)儀一俟發(fā)明，便與救援犬并駕齊驅(qū)、力合作，發(fā)揮了巨大作用。紅外、音頻、視頻、雷達(dá)、靜電場(chǎng)、光學(xué)、氣敏等一系列生命探測(cè)儀都較為常見(jiàn)。它們各有所長(zhǎng)，適用于不同的救援條件。實(shí)際救援中往往幾種儀器協(xié)同作戰(zhàn)——先是紅外探測(cè)儀確定幸存者的大致方位，之后雷達(dá)探測(cè)儀精準(zhǔn)定位，最后利用光學(xué)探測(cè)儀觀察幸存者周圍環(huán)境以確定救援方案。其中，紅外探測(cè)儀歷史較為悠久，是最常用的生命探測(cè)儀之一。
紅外生命探測(cè)儀依靠人體與環(huán)境紅外輻射的區(qū)別來(lái)辨別幸存者，因此可用于黑暗、充滿煙霧等人們目力難及的救援場(chǎng)所。所有處于絕對(duì)零度之上的物體，都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射，人體自然也是天然的紅外輻射源。有別于環(huán)境中其他物體，人作為一種恒溫動(dòng)物，所發(fā)射出的紅外線波段為一個(gè)特殊的恒定范圍，找到了這個(gè)范圍內(nèi)的紅外線，便有極大的可能找到幸存者，這也正是紅外探測(cè)儀搜尋救援的關(guān)鍵點(diǎn)。紅外生命探測(cè)儀的核心部件是紅外檢測(cè)器。由于工作原理迥然相異，它們又分為兩大類——利用溫度差的熱電檢測(cè)器與依賴紅外線波長(zhǎng)差異的光電檢測(cè)器。熱電檢測(cè)器常用于測(cè)量溫度，而用于生命探測(cè)的往往是能夠針對(duì)性識(shí)別特殊波段的紅外光電檢測(cè)器。
光電檢測(cè)器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的電子元件，較為常見(jiàn)的有兩類，一類是光電二極管，一類是光電阻。
前者與太陽(yáng)能電池發(fā)電的原理相同，半導(dǎo)體材料吸收光的能量，會(huì)產(chǎn)生可以相互分離的正負(fù)電荷。它們被材料內(nèi)部電場(chǎng)分開(kāi)，緊接著又被其推向半導(dǎo)體兩端，形成電勢(shì)差。電勢(shì)差正如大壩兩端一高一低的水位落差，一旦接通電路，電流便像開(kāi)閘泄洪時(shí)的水流一樣，只一瞬間便波濤洶涌，從而形成了完整的回路，也即是電信號(hào);后者在沒(méi)有光照時(shí)通常沒(méi)什么導(dǎo)電性，受到光照后，也只會(huì)產(chǎn)生大量光生載流子。不同于光電二極管，這些電荷通常只有一種，根據(jù)半導(dǎo)體類型不同會(huì)產(chǎn)生正電荷或者負(fù)電荷，它們?nèi)缤恍┩蝗豢战迪聛?lái)的散兵游勇，只會(huì)無(wú)頭蒼蠅般四處亂轉(zhuǎn)，但當(dāng)在半導(dǎo)體兩端施加電壓后，它們就像聽(tīng)到了進(jìn)攻的號(hào)角般有序地向前沖，使得電流驟然變大，也便將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)了。
光電檢測(cè)器通常對(duì)不同波長(zhǎng)的光線具有差異性響應(yīng)，因此可以檢測(cè)出特定波段的光線。半導(dǎo)體中電子所處的能量狀態(tài)帶有兩種——導(dǎo)帶和價(jià)帶，低溫下，大多電子處在低能量的價(jià)帶，非常安分;而部分電子就像人來(lái)瘋的孩子，稍受刺激，便成了“小瘋子”，躍至高能量的導(dǎo)帶，此時(shí)它們更自由，便有了導(dǎo)電性，半導(dǎo)體也因此得名——基態(tài)導(dǎo)電性差，受激后導(dǎo)電性大幅提升。能隙是這兩種狀態(tài)間的能量差，它決定了受多大刺激才能使安分的電子變成“小瘋子”。一般情況下，一種半導(dǎo)體的能隙恒定不變，光的能量取決于它的波長(zhǎng)，能隙便對(duì)應(yīng)了特定波長(zhǎng)的光，只有能量等于或者大于這一波長(zhǎng)的光才可以使光轉(zhuǎn)化為電，畢竟刺激大了，只會(huì)讓電子們更“瘋”。因此，若想檢測(cè)能量很小的紅外線，所選半導(dǎo)體的能隙必須更小，這便使得紅外光電檢測(cè)器的材料選擇受到了很大的局限，正因如此，目前一部分科學(xué)工作者在改良現(xiàn)有的紅外響應(yīng)材料，另一部分則在探索全新的半導(dǎo)體材料，例如可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)的有機(jī)半導(dǎo)體。
紅外探測(cè)技術(shù)很早便應(yīng)用在我們生活的方方面面。例如，無(wú)論是空調(diào)還是電視的遙控器，都是將信息負(fù)載于紅外線上發(fā)射出去，再由電器中的紅外探測(cè)器將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再由處理器解調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的。
而事實(shí)上，這項(xiàng)技術(shù)最初是在軍工行業(yè)中嶄露頭角的，其蓬勃發(fā)展也有賴于第二次世界大戰(zhàn)，隨后，紅外夜視儀幫助戰(zhàn)士們?cè)谝归g也能清晰看到敵人的行蹤。近些年發(fā)展起來(lái)的紅外精確制導(dǎo)武器更是將戰(zhàn)爭(zhēng)引領(lǐng)到了“外科手術(shù)”式精準(zhǔn)打擊的新層面上。
因此，紅外探測(cè)技術(shù)不僅是癱在沙發(fā)上手握遙控器，也是在災(zāi)區(qū)爭(zhēng)分奪秒搜尋幸存者的決勝利器，更是沙場(chǎng)之上先發(fā)制人的撒手锏。
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