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氣象雷達蓋不蓋?

活躍星系核_96
・2014/05/30 ・3781字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

文 / 曾開治、鄒宗晏

近日新聞報導中央氣象局計劃花費四億七千萬元,在屏東縣新園鄉設置全國第三座防災降雨雷達站。[1]由於氣象上的極端降水情形,例如莫拉克風災時南部山區的瞬間豪大雨,通常無法依靠大尺度的氣象觀測來預測,因此高密度的小範圍監控有其必要性,興建防災雷達也正是為這個原因。[2]雖然氣象局再三強調,新園雷達站和七股雷達站並不相同,所發出的輻射值甚至比手機還低,但不可避免的,人們對電磁波的疑慮,成為興建雷達站最大的阻力。究竟防災雷達是什麼?而它所產生的電磁波又會對人造成什麼影響呢?

氣象雷達如何觀測氣象?

氣象用雷達主要的功能在探測大氣中的降水類型(例如雨、雪和冰雹等)、分佈、移動與演變,並能利於預報員對於強降水系統未來的分佈和演變做出短期預報。氣象用雷達透過單一方向性朝天空中發射電磁波,電磁波在遭遇空氣中的水滴或冰晶後,便會散射,其中一部分散射後衰弱的電磁波會被雷達站所接受。雷達站透過接收散射回來的電磁波衰減程度,便能觀測空氣中的水氣,並進一步分析這些資料做出對未來的預測,對於氣象用雷達更詳盡的介紹則可以參考 PanSci 上的另一篇文章[3]。全台目前共有四座氣象作業用雷達站,分別位於台北五分山、花蓮、墾丁和台南七股。前三座雷達站皆地處偏遠,雷達站方圓數公里內並無住宅。惟七股雷達站(圖一)與最近的民宅距離 100 m,而氣象局欲建立的屏東新園雷達站與最近的民宅距離為 700 m。

七股氣象雷達站
(圖一) 台南七股氣象雷達站照片。資料來源:中央氣象局

氣象雷達的死角和對地面人類的電磁波影響

氣象雷達發射的電磁波其波長範圍介於 1 cm到 10 cm之間,屬於微波,其波長大約是水滴和冰晶直徑的十倍,因此對空氣中水氣極為敏感。作業用氣象雷達通常有三個波段 S、C、X 波長分別是 10 cm、5 cm以及 3 cm,其中波長為 10 cm的雷達應用最為廣泛。因低對流層(離海平面2.2km)以內包含了將近 63 %的大氣中的水氣,雷達電磁波在此層內會以極快的速率減弱,這也是作業用的衛星雷達,因為回波資訊的不確定性極高,通常將離地 2 km 高度的低對流層視為衛星雷達死角的原因。另外氣象用雷達業可以選擇發射更高頻的雷達電磁波(例如Ka-band,波長約為 7 mm)來進行觀測,但這種能量較高的電磁波,電磁波束會長得更密集,游離輻射量也相對較少。再更高頻的電磁波觀測,則多以被動式接收為主,觀測器本身並不會發出訊號。

因此氣象雷達本身的設計,為使雷達電磁波能有效地觀測大氣中的水氣,通常將發射器對準天空作 360o 的掃瞄,同時利用拋物型反射面以利電磁波的集中。所以大部分的電磁波會射向天空,只有少部分電磁波以散射的形式抵達地面,此外因為雷達發射器大多架設在離地面 20~30 m的高台上,因此會受到發射仰角、塔高和地球曲率半徑的影響(圖二),根據雷達回波高度公式:[4](h為平台高度,r是雷達站與目標物之間距離,θ為雷達仰角,作業用雷達通常為0.5o或1.4o,R為地球半徑,IR為大氣層折射率通常設為1.21)電磁波在抵達離發射源一公里以外的地區,其直接能接受到雷達電磁波的高度大約離地 40~50 m,如圖三所示。也因此對地面居民的影響,多以碰到障礙物後散射的游離電磁波為主。同時考慮電磁波強度隨距離平方成反比遞減,在離雷達站 1 km以外接受到的游離輻射約與環境背景值接近。

雷達迴波高度
(圖二) 雷達回波高度公式示意圖。由發射器射出的雷達電磁波其高度將由雷達仰角、塔高和地球曲率共同決定。theta角為雷達仰角,phi角則是雷達站和欲量測雷達電磁波高度的地點,其兩者和地心的夾角。
距離
(圖三) 發射後雷達離地高度對與雷達站距離圖。橫軸為雷達電磁波離地高度,縱軸為和雷達站的距離。圖中所展示的是一架設在離地30m高架上,以1.4O仰角發射電磁波的雷達站。由圖可得知,當距離此雷達站1km時,電磁波離地高度約為60m。此外可以看出地球曲率的影響,在距離雷達站較遠時才會顯現出來。

雷達電磁波對人體的影響輕微

氣象雷達所產生的電磁波在種類上屬於微波,微波並不像阿法、貝塔、珈瑪射線那樣具有很高的能量,可以打斷分子的鍵結造成分子離子化。微波的能量只夠使分子轉動,因而造成溫度的升高,微波爐便是利用在一個封閉空間內,透過能和水分子產生共振的微波波段,將能量傳給食物中的水分子,來達到加熱食物的效果。氣象雷達所發出的微波和微波爐所發出的微波在單位電磁波上能量相近,但因為氣象雷達所發出的電磁波在單位平面上通過的電磁波束較微波爐稀少,因此實際上造成的能量影響不高。另外氣象雷達微波的頻率並無法像微波爐微波一樣和水分子達成共振,所以即便被人體吸收也不易產生像微波爐一樣的加熱效果。

氣象雷達如前面提過的,是對著天空做 360o 掃描,如果又設址在偏僻的地點,距離雷達站一公里以外的地方除非是高樓,不然也不會受到電磁波的直接照射,至於因為散射而外溢的雷達電磁波在空氣中也很快就會減弱至接近背景輻射值。對於在氣象雷達站內的工作人員,雖然可能有接受到較高劑量雷達電磁波照射的風險,但氣象雷達站的建築也會有相應的電磁波防護措施,例如加厚並塗上防電磁波漆的牆壁、人員會接受電磁波防護安全訓練等等。綜合以上的討論,氣象雷達雖然可能會對人體造成影響,但是能透過妥善的安全措施以及與民宅保持距離的地理位置來盡可能將風險降低,而台灣目前所擁有的四座氣象作業用雷達站,除七股雷達站和民宅的距離有待商榷外,其餘的雷達站並無傳出附近居民受影響的報導。

台南七股雷達站的電磁波致癌爭議

根據記者朱淑娟在 2012 年 3 月 10 日所做的報導[5],1994年中央氣象局核定「台灣地區都卜勒氣象雷達觀測網」,其中把原位於高雄壽山的雷達站遷到台南七股,台南七股氣象雷達站於 2002 年 6 月 1 日開始正式運作。依當時規定,設置雷達不必做環境影響評估或舉辦說明會,因此直到雷達站設置完成,上至鄉長、村長,下至附近的居民,皆不知情。而雷達站鄰近 100 m 就有民宅、魚塭等附近居民日常生活、工作的地點。自 2002 年開始運作,直到五年後村民因為健康出現異狀才開始向相關單位陳情。根據台灣電磁輻射公害防治協會理事長陳椒華所做調查,雷達設置後到 2007 年有 16 個癌症病人,比雷達設置前約增加 3 倍。與全台南縣比,鹽埕村民的癌症在雷達設置之後超過 1.5 倍以上,漁民則超過 10 倍以上。

當地村民質疑這些病症皆與設置在當地的雷達站有關,但七股雷達站 100 到 1000 公尺之間,經過多次檢測最高直達 0.00252 mW/cm2,是當時電磁波環境建議值 1 mW/cm2 的四百分之一左右,因此環保署在面對當地居民的陳情時,常以一句「合乎國家標準」便不再做後續的處理。[6]但陳椒華認為雖未超過環境建議值,但「環境建議值」並不等同於「安全值」。奇美醫院神經內科醫師林高章也認為,環境的因素很複雜,個人的因素也很複雜,每個人對電磁波的反應並不ㄧ致。另外世界衛生組織支持的國際癌症研究署在 2002 年將極低頻電磁波列入「 2B 級可能致癌物」,2010 年 5 月基於無線電話導致惡性腦瘤的研究,也將射頻電磁波列入「2B級可能致癌物」,與塑化劑、苯乙烯、咖啡等同屬 2B 級可能致癌物,這些物質的共同特色就是高劑量、長時間曝露便可能導致癌症。

結語

台南七股雷達站已於 2011 年 1 月 12 日由立院三讀通過遷移案[7],並於 2013 年 3 月 7 日與村民達成共識,預計 2017 將雷達站遷移至距離現址一點五公里處[8]。環保署也在2012年11月30 日將原先規範極低頻 833 mG、射頻 1 mW/cm2 的「電磁波環境建議值」改為「參考位準值」,並明確定義這個值指的是短期曝露效應[9],這顯示之後政府需要重新檢視氣象雷達站電磁波對附近居民健康風險的影響。

氣象雷達在做好規劃管控下,理論上其所產生的雷達電磁波並不會對人造成危及健康影響,而為了因應短時間內高強度的降雨,增加地面氣象作業用雷達的設置有其需要。但是在屏東新園鄉的雷達選址爭議中,氣象局除了詳細介紹新建雷達站的優點外,也應該做出興建雷達站可能產生的風險,並且同樣詳盡地告知當地居民,畢竟雷達站對於居住在當地又無安全防護措施的居民依然可能產生影響。政府施政時,應提供人民一個對於政策在未來完整的圖像,同時和人民充分的溝通,以尋求理解和共識,避免再發生像台南七股雷達站一樣的爭議。

參考資料:

[1]《防災雷達說明會,兩百鄉親抗議》聯合新聞網
[2]災害預測新技術 (二):無山不崩雷達測雨全面網羅
[3]氣象學之「眼」:雷達
[4]美國海洋大氣總署對雷達回波高度公式的介紹
[5]【我愛鹽山不要雷達】
[6]氣象雷達站距民宅100公尺七股居民要求遷移
[7]七股氣象雷達站遷移重大突破立院決議6年內應遷移
[8]小漁民站出來電磁波規範轉向!
[9]電磁波安全值爭議重大突破! 833毫高斯是「短期曝露值」非「長期安全值」

 

作者-

鄒宗晏

大學唸的是化工系,但因為交友不慎,目前興趣開始轉向人文社會領域,目標是讓工程變得更有人情味。

曾開治

目前就讀臺灣大學大氣系碩士(準備登入國軍online),目標是當個地物流力學家。個人網站:https://sites.google.com/site/q1q2dynamic/2010

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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一卡在手便利無窮,悠遊卡的設計原理——《我們的生活比你想的還物理》
商周出版_96
・2022/12/05 ・2482字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

時事話題

NEWS|在課堂介紹電磁波概念時,有位同學佳琦舉手提問筆者:「老師,用悠遊卡刷進捷運站非常方便,那個背後的原理和電磁波有關嗎?」另一位同學婕妤回答:「應該是悠遊卡會發出電磁波,傳遞訊息到門閘的感應器吧?」

悠遊卡如今早已融入臺灣大都會的生活中,不論是捷運、超商、購物或搭乘公車,悠遊卡在手,便利許多。然而,悠遊卡內並無電池,也不需要插入讀卡機,為何能夠溝通而傳遞資訊呢?

刷悠遊卡進出捷運站,其背後原理和電磁波有關嗎?圖/Pixabay

為何沒裝電池的悠遊卡可以產生電流?

悠遊卡系統主要是應用法拉第電磁感應定律來辨識與傳遞資訊,此與無接觸感應技術有關,該技術稱為「無線射頻辨識系統」(radio frequency identification,RFID)。完整的一套無線射頻辨識系統,是由讀卡機(reader)、電子標籤(tag)和應用程式資料庫電腦系統部分所組成。

運作過程先由讀卡機發射一特定頻率的無線電波能量給電子標籤,藉此驅動標籤內建電路,輸送內部的身分代碼,以開啟溝通之路。

若以法拉第電磁感應的物理概念解釋,讀卡機產生變動磁場, 同步提供電子標籤變動磁場,驅動電子標籤產生感應電流,也就是讓悠遊卡內部迴路產生感應電流,並讓電子標籤發送身分代碼訊息給讀卡機,也即驅動內部晶片能夠發送訊號,讀卡機依序接收資訊、解讀此身分代碼,再透過應用程式資料庫系統讀取悠遊卡內的晶片資料,完整達成溝通與解讀任務。

電子標籤發送身分代碼訊息給讀卡機,即驅動內部晶片發送訊號。圖/維基百科

每一張悠遊卡都有獨立的電子標籤,當卡片靠近悠遊卡標誌的磁場感應範圍內,即可透過電磁感應的原理,驅使電子標籤內的線圈產生感應電流,此電流供應電子標籤傳送資訊至讀卡機,以解讀晶片資料。

或許讀者會好奇,沒有電池的悠遊卡怎麼產生電流呢?這個問題也需要以法拉第電磁感應定律說明。

依法拉第電磁感應定律,悠遊卡的線圈迴路會因為磁場強弱的變化,以及通過的面積區域角度變化而產生類似電池驅動電流功能的「感應電動勢」,或稱為感應電壓。此感應電壓大小與線圈匝數及每匝線圈中磁場隨時間的變化率有關。匝數愈多,磁場變化率愈大,悠遊卡迴路中的感應電壓愈大,產生的感應電流就愈大。

當卡片靠近標誌的磁場感應範圍內,即透過電磁感應產生感應電流。圖/《我們的生活比你想的還物理

因此,悠遊卡雖然沒有內建電池,但可以透過電磁波的應用,採用無線射頻辨識系統,在運作時,讀卡機持續發出電磁波,當卡片接近時,其內部線圈產生感應電動勢,再進一步驅動感應電流。此感應電流讓卡片內的晶片發出電磁波,回傳必要的資訊給讀卡機,完成感應過閘的流程。

以臺北、臺中和高雄的悠遊卡來說,採用的是無線射頻辨識系統模式,屬於比較低頻率的電磁波,卡片必須距離讀卡機約 14 公分內,才能讀取卡片的晶片資料。因此若將悠遊卡裝在比較厚的皮夾或兩張磁卡疊在一起,可能無法第一時間完成讀卡,而形成「卡片無法讀取」的「卡卡」現象,建議單純使用悠遊卡過閘,較能順暢通過閘門。

其他如進出家門的感應磁扣、停車場的票卡、信用卡感應支付、國道收費系統 ETC 等,皆是應用無線射頻辨識系統 RFID 的技術,只不過國道收費系統 ETC 的感應器的感應距離約需 60 公尺內,才能順利讀取通過車輛的相關資訊。

台灣高速公路的電子道路收費系統(electronic toll collection, ETC)。圖/維基百科

物理小教室

  • 手機行動支付的物理學原理

手機支付的運作原理也是基於 RFID 發展而出的近場通訊(near-field communication,NFC) 技術。目前近場通訊技術採用頻率為 13.56 MHz 的電磁波,以 106 kbit/s、212 kbit/s 或 424 kbit/s 這 3 種速率傳輸資料,bit 翻譯為位元,是電腦資料的最小單位。

利用手機支付時,須靠近刷卡機約 4 公分距離內,此時可藉由電磁波傳遞相關資訊,完成付款手續。近場通訊技術不只有用在手機支付, 也可運用傳輸文字、照片、音樂檔案,是目前手機常見的內建功能。

  • 電磁感應的進階說明

電動勢(electromotive force, emf)可以驅動導體內的電荷移動, 產生電流。電池因為內部材料的屬性,會在正負極產生固定的電位差或電壓。電動勢是電池正負極間的電位差,也常稱為電壓,其國際單位制(SI)單位為伏特(V)。

導體內的電流與電壓成正比,假設導線的電阻及電池的內電阻都可略去不計,電路中流動的電流是電壓與電阻相除後的數值。可知電池的電動勢,可以驅動迴路上的電流,讓燈泡發光發熱。

然而,一個未接電源的迴路導線圈,可不可能產生電流?可以。若是通過迴路導線圈的磁場變化或磁通量改變,也會產生感應電流,這是發電機的原理,也是物理學家法拉第和冷次的電磁感應概念。

電磁爐和捷運列車的磁煞車也是運用電磁感應的概念。電磁爐內部的主要構造是由絕緣體包覆的導線環繞的線圈,當交流電通過線圈時, 電磁爐表面就會產生隨時間改變的磁場,這個磁場的變化會同時在鍋子底面產生應電流,再透過電流熱效應加熱鍋子,也加熱食物。

——本文摘自《我們的生活比你想的還物理》,2022 年 11 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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可發展 6G 無線通訊,還能超感知透視!科技新星「太赫茲技術」到底是什麽?
科技大觀園_96
・2021/08/03 ・5035字 ・閱讀時間約 10 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

「太赫茲」是物理單位,英文為 Terahertz(THz),字首「Tera-」是 1012 的意思,所以太赫茲就是 1012 赫茲,也就是每秒 1012 次的意思,亦可翻譯為「兆赫茲」。目前常聽到的「太赫茲」,其實是指太赫茲波段,就是電磁波的一組特定波段,頻率範圍是 0.1 THz~10 THz,對應電磁波波長為 3 mm~30 µm,介於微波和可見光之間,因此也稱為毫米波和次毫米波。

研究太赫茲技術的清華大學電機系助理教授楊尚樺認為,對一般人來說,「太赫茲」依然是陌生名詞,因此就像之前的「奈米」和「量子」一樣,被許多廠商拿來當成行銷用語。 

橘色區間為太赫茲波段。圖/沈佩泠繪

太赫茲波段有什麼特別的?

楊尚樺強調,太赫茲波有三個特點:辨識化學分子、透視和不破壞生物體。不同波段的電磁波和物質都有很特殊的交互作用,比如說可見光就和人眼細胞有互動(註 1),柱狀和錐狀細胞可以感知可見光波段。相對地,太赫茲波可以辨識出特定的化學分子,得知物質成份,可應用在分析藥品、毒品或蛋白質的種類等。 

另外,太赫茲波可以做到「透視」,人眼看不到的東西,太赫茲波可以穿透表層到達內部。以行李箱為例,太赫茲波可以偵測行李箱裡面是什麼,可應用於機場安檢與毒品檢測。而且太赫茲波不僅可以檢測固體,還可以檢測液體和氣體。 

太赫茲波影像檢測的特點。圖/沈佩泠繪

 太赫茲波的「透視」有別於 X 光檢測。人體的生物分子(如 DNA、RNA)照射 X 光會受損,因為光子能量太強,容易把分子裡的電子打出來,成為游離電子;而失去電子的分子變得不穩定,會引發人體罕見與不正常的化學反應。反之,太赫茲波的光子能量很小,無法破壞生物分子,更無法將分子內的電子游離出來,因此太赫茲波對生物體是安全的。 

太赫茲波可以做到非破壞性的偵測,很適合工業製造與品質管控的應用,例如半導體廠在晶片封裝之後,檢查內部有無斷線,或是評估 3D 晶片封裝是否完好;藥廠則可以檢查膠囊成品內部有無破損等。

太赫茲技術前景看好

提到當初為什麼想要研究太赫茲技術,楊尚樺笑著說:「其實是有點誤打誤撞。」2011 年楊尚樺申請密西根大學博士班面試時,未來的指導教授Prof. Mona Jarrahi 提到實驗室是做太赫茲技術,這是他首次聽聞這個名詞。當時臺灣僅有少數團隊研究太赫茲科學與技術,多為物理系或應用物理的學者,太赫茲相關元件(發射器或接收器等)也很難取得。 

跟隨著 Mona Jarrahi,楊尚樺從太赫茲最重要的元件「太赫茲發射源」(terahertz emitter)開始接觸,博士班念到第 4 年和第 5 年時,他開始懷疑這項技術是否在 10 年內真的有出口。「因為遇到的困難比你成功要多很多,幾乎都是困難的,看不到出口的,出口的光相當微弱」,楊尚樺說道。 

甚至後期和指導教授 Mona 討論未來任教是否繼續研究太赫茲技術時,楊尚樺坦白和 Mona 說不會。當時專注在工程技術的楊尚樺認為,在許多人類所需的工程應用上,太赫茲很難和其他相對成熟的領域競爭,前景相當限縮。Mona自然不這麼認為,卻也沒有多說什麼。 

後來,在申請教職的期間,楊尚樺從更全面的角度看待太赫茲技術,不只看業界技術和資金來源,更看向 10 年後和 20 年後的研究發展。他認為如果太赫茲元件能夠量產,且 6G 無線通訊帶來大量市場需求,應可克服許多困難。再來,太赫茲研究對於學界是有挑戰性的問題,不僅符合臺灣半導體、電子、光電通訊產業的脈絡,又有很多題目,可以做長期的研究,很有發展前景。

檢測晶片內部破損、超感知透視藝術文物

現在楊尚樺實驗室的研究核心是太赫茲裝置(Terahertz Device),可分為主動元件和被動元件。主動元件包括最重要的太赫茲發射源或是太赫茲探測器被動元件則有太赫茲透鏡或太赫茲的訊號與空間調變器等。有了這些元件,就可以做出想要的太赫茲系統。 

楊尚樺目前已做出一套影像系統,用於工業破損檢測時,可以看出晶片內部的破損,或是看太陽能板裡面的隱裂位置和大小。這套影像系統還可以用來觀察植物,例如豆莢內部的豆子長得如何,以及水分子輸送的情況。生醫用途上,也可以從混和物中準確辨識出血糖、胺基酸和蔗糖的成份與比例。以上,是屬於太赫茲光譜學(Terahertz Spectroscopy)的應用。 

與影像系統有關的,還有超感知(Super sensing)的研究,例如太赫茲波可以直接看透一本書,在不碰觸到書的情況下,把每一頁的訊息解析出來。而且太赫茲波段不會破壞物質分子,也相當適合用來解析故宮文物,讓文物修復更順利。楊尚樺笑著說,如果有機會的話,真的非常想看看裡面藏有什麼祕密。 

楊尚樺指出,2013 年國外太赫茲團隊曾經發表過一項有趣的研究。知名的西班牙畫家 Goya,平常在作品上一定都會簽名,但是有一幅畫作「Sacrifice to Vesta」很特別,從整體風格來看,大家都認為是 Goya 畫的,卻看不到簽名。 

因此 C. Seco-Martorell 等人就用太赫茲影像系統解析了這幅畫,才發現原來 Goya 把自己的簽名簽在畫作底下,被上層的顏料蓋住了,他們將結果發表在光學期刊《Optics Express》(參考資料 1)。  

畫作「Sacrifice to Vesta」不同透明度的影像。(a)是原始畫作,(b)是可見光與太赫茲成像各占一半的情況,(c)則是 100% 太赫茲的成像情況,可以看到原作底下隱約有一位頭部朝左的女人。圖/參考資料 1
將畫作「Sacrifice to Vesta」的太赫茲成像加以放大,團隊終於在右下角找到 Goya 的簽名痕跡。(a)是原始畫作的太赫茲成像,(b)是畫家Goya的簽名對照組,(c)(d)(e)則代表 Goya 隱藏簽名在不同振幅強度的太赫茲成像,(c)是最大振幅,簽名圖像最為清楚。圖/參考資料 1

從影像系統邁向 6G 應用

除了影像系統外,楊尚樺團隊也努力將太赫茲技術應用在 6G 無線通訊的產業鏈之中。目前的工作主要是將 5G 的通訊系統頻率範圍轉移到太赫茲頻率範圍(0.1 THz~10 THz),同時要把很高速的訊號加載在太赫茲的載波頻段(註2)上,目標是做到每秒可傳輸 1012 位元,也就是在一秒要加載 1012 個 0 或 1。 

現在相關研究遇到了一些困難,與太赫茲元件有關。雖然從 5G 到 6G(太赫茲頻段)的頻寬擴大許多,但是系統的發射端和接收端是否能夠運作?如果太赫茲發射源能量很低,訊號很難到達接收端。如果太赫茲接收器不夠靈敏,也很難獲取資料,並且也要確保龐大的資料量得以順利解碼。 

為了評估通訊系統是否夠好,也可以從訊噪比(訊號和雜訊的比例,Signal-to-noise ratio)來看,如果訊號和雜訊的比例愈高,訊號就愈乾淨,也更容易成功解碼。因此,提升訊噪比也是將來改善的重點。

仍有重重困難有待突破

太赫茲系統為什麼難以量產?相關元件非常昂貴,市面上買不到整套消費級的太赫茲系統,一套系統造價約數萬到數十萬美元,公尺級別的大尺寸也相當占空間。 

楊尚樺表示,目前技術的最大問題在於「太赫茲發射源」,大家還不知道如何做出完善、實用、微小又可在室溫環境操作的太赫茲發射器,只能先借助過去的知識幫忙。太赫茲波段落在微波和可見光之間,是電學領域和光學領域的交集地,微波那端研究電學的人,會想要把頻率做高,靠近太赫茲波段;但是元件頻率愈高,電容影響愈大,輻射功率會急速下降。 

另一方面,電磁波段高頻那端研究光學的人,會從材料著手,通常會選用不同能隙(energy gap)大小的材料測試,比如說藍光 LED 的氮化鎵(GaN),能隙大,輻射出的光子頻率較高。如果要將輻射頻率降低,靠近太赫茲波段,能隙要夠小,但自然界找不到可以直接輻射出太赫茲波的窄能隙材料,必須要用特殊的技術才有辦法達成。 

即便達成了上述的窄能隙條件,例如輻射出頻率 1 THz 的光子,對應的能隙能量是 4 meV(milli-electron volts,能量單位),這個能量已經小於室溫下電子熱擾動的動能(幾十個 meV),所以很難控制每個電子從能隙掉下來的時機,以便讓材料發出一致的同調光。必須要在極低溫,例如低於 -196.15 °C(77 K)的液態氮環境下,才有辦法達成。 

楊尚樺強調,不論是電或光的方式,都很難在太赫茲波段輻射出足夠的功率,也就難以做出好的太赫茲發射源。發射源就像一支手電筒,如果不亮(功率不足),就無法探測周圍的環境,更不用說還要傳遞什麼訊號了。 

「太赫茲發射源」目前還沒有找到完美的解決方案,不過楊尚樺團隊已經可以做到足夠亮的發射源,下一步要往可量產、輕巧化的太赫茲發射源邁進。為了搭配臺灣在半導體製程的專業,除了主流的 III – V 族光電元件之外,更開發 IV 族光電元件,目前實驗室已可獨立實現這兩類的主/被動元件。 

楊尚樺團隊的 10 年研究目標是將整個太赫茲系統微縮到晶片大小(毫米等級,mm),這樣才有辦法讓太赫茲技術進入一般民眾的生活。

年輕學者如何在教學與研究中取得平衡?

在清大做研究的負擔很重,而楊尚樺也熱衷於教學,所以兩邊都忙,「我也不知道我有沒有取得平衡。」楊尚樺笑著說。他認為一般人都會直觀認為教學就是在課堂上教學生,但其實研究同時也是教學,因為必須讓本來習慣在課本做習題的學生,轉換成可以實作的初階研究者,這本身就要花很多心力教導。同時,行政角色上的導生,又或是其他系的學生,如果對太赫茲研究題目有興趣,他也會予以指點。 

「總之,做就對了!」他說道。在授課的同時,自己本身也會感受到某方面知識不足,會特別去學習。還有,因為在教學時強烈感受到每一屆學生思考模式都不同,所以楊尚樺認為不可能用同一套教學方法教 3 年,必須要想新招。每次看到學生學會知識有所成長,心中就很有成就感。

楊尚樺勉勵大學生要做自己有熱情的事。圖/簡克志攝)

要做自己有熱情的工作

楊尚樺認為,從他帶過專題的清大大學部學生和研究生來看,絕大多數都很積極,有很多東西想學。甚至有的學生不只在他這邊做研究,也同時要求自己在臺灣大學或是中央研究院做其他領域研究。通常多工的研究路線會需要儲備更多的專業知識,以及分散研究力道,導致多方都做不好的情況。而這些學生卻產出了不錯的成果,讓他感到相當驚訝。

不過,楊尚樺也提到,就他在學校的觀察,清大表現不錯的學生,普遍也都非常焦慮。即便在課業上、研究上、綜合表現上的成果在他看來已經相當出色了,但學生依然覺得想要再多做一些事情補強。這種好學和堅毅的態度,楊尚樺打從心裡給予高度肯定。然而,讓他覺得不好的原因在於:學生無法專注做好一件重要的事。若伴隨著患得患失的心態,卻沒有發展適合自己的主要路線,即便真的做了更多的事,表現往往也不會更好。換句話說,學東西不是因為想要學多而去做,而是自己本身有強烈的動機想要專注學習。 

楊尚樺看過一些很厲害的學生,他們並沒有一個好的目標,而且做事時會很快去計算短期之內能夠看到什麼樣的效益。沒有看到可能的效益,就很有可能會轉向。這些學生不怕做事情,怕的是沒有看到短期內的回饋,這其實不是好的學習態度,因為有些工作的效益,是不能只看短期的。 

最後,楊尚樺也勉勵清大的學弟妹,要做自己有熱情又喜歡的事。因為如果你在做「別人」認為不錯的事情時,若這件事和你的興趣並不相符,當過程中遇到挫折時,就很容易考慮要不要往另一個方向走,而沒有辦法堅持下去。 

但是,如果你是做自己有熱情的事情時,不管遇到什麼困難,你會廢寢忘食地不斷破關,獲得很多技能,當解決一個難題之後,你還會願意挑戰下一個關卡。看到的危機多了、功夫下得深了,你就比別人有更好的危機處理能力。堅持的道路上走得會比別人長、比別人久,你的獨特性就出來了,就比較容易出類拔萃。 

注釋

  • 註 1:不只人眼細胞,許多地球上的生物都和可見光有互動
  • 註 2:載波頻段(Carrier frequency band):用以乘載資料的電磁波頻率區間。 

參考資料

1. Seco-Martorell, C., López-Domínguez, V., Arauz-Garofalo, G., Redo-Sanchez, A., Palacios, J., & Tejada, J. (2013). Goya’s artwork imaging with Terahertz waves. Optics Express, 21(15), 17800. https://doi.org/10.1364/oe.21.017800

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