Obraz w podczerwieni badacza NASA. Kliknij, aby powiększyć
Rozwój detektorów podczerwieni był dobrodziejstwem dla astronomii. NASA opracowała niedrogą alternatywę dla poprzednich detektorów podczerwieni, które mogłyby znaleźć wiele zastosowań tutaj na Ziemi. Detektor nazywa się matrycą fotodetektora podczerwieni (QWIP) i może szybko wykrywać pożary lasów, wykrywać wycieki gazu i mieć wiele innych zastosowań komercyjnych.
Niedrogi detektor opracowany przez zespół kierowany przez NASA może teraz widzieć niewidoczne światło podczerwone w zakresie „kolorów” lub długości fal.
Detektor, zwany matrycą fotodetektora podczerwieni Quantum Well (QWIP), był największą na świecie (milion pikseli) matrycą podczerwieni, kiedy projekt został ogłoszony w marcu 2003 roku. Była to tania alternatywa dla konwencjonalnej technologii detektora podczerwieni dla szerokiej zakres zastosowań naukowych i komercyjnych. Jednak w tym czasie mógł wykryć tylko wąski zakres kolorów w podczerwieni, co jest równoznaczne z wykonaniem zwykłego zdjęcia tylko w czerni i bieli. Nowa macierz QWIP ma ten sam rozmiar, ale może teraz wykrywać podczerwień w szerokim zakresie.
„Możliwość zobaczenia zakresu długości fal podczerwieni jest ważnym postępem, który znacznie zwiększy potencjalne zastosowania technologii QWIP”, powiedział dr Murzy Jhabvala z Goddard Space Flight Center NASA, Greenbelt, MD, główny badacz projektu.
Światło podczerwone jest niewidoczne dla ludzkiego oka, ale niektóre typy są generowane przez ciepło i postrzegane jako ciepło. Konwencjonalny detektor podczerwieni ma wiele komórek (pikseli), które oddziałują z przychodzącą cząsteczką światła podczerwonego (fotonu podczerwonego) i przekształcają go w prąd elektryczny, który można zmierzyć i zarejestrować. Są one zasadniczo podobne do detektorów przetwarzających światło widzialne w aparacie cyfrowym. Im więcej pikseli można umieścić na detektorze o danym rozmiarze, tym większa rozdzielczość, a macierze QWIP NASA są znaczącym postępem w porównaniu z wcześniejszymi 300 000 pikselami macierzy QWIP, wcześniej największymi dostępnymi.
Detektor QWIP NASA to układ półprzewodnikowy z arsenu galu (GaAs) z ponad 100 warstwami materiału detektora na górze. Każda warstwa jest wyjątkowo cienka, o grubości od 10 do 700 atomów, a warstwy zaprojektowane są jako studnie kwantowe.
Studnie kwantowe wykorzystują dziwaczną fizykę mikroskopijnego świata, zwaną mechaniką kwantową, aby uwięzić elektrony, podstawowe cząstki przewodzące prąd elektryczny, tak aby uwolnić je tylko światło o określonej energii. Jeśli światło o prawidłowej energii uderza w jeden ze studni kwantowych w układzie, uwolniony elektron przepływa przez oddzielny układ nad układem, zwany odczytem krzemu, w którym jest rejestrowany. Komputer wykorzystuje te informacje do stworzenia obrazu źródła podczerwieni.
Oryginalna macierz QWIP NASA mogła wykrywać światło podczerwone o długości fali od 8,4 do 9,0 mikrometrów. Nowa wersja może widzieć podczerwień od 8 do 12 mikrometrów. Postęp był możliwy, ponieważ studnie kwantowe można zaprojektować do wykrywania światła o różnych poziomach energii poprzez zmianę składu i grubości warstw materiału detektora.
„Szeroka reakcja tego układu, szczególnie w dalekiej podczerwieni - od 8 do 12 mikrometrów - ma kluczowe znaczenie dla spektroskopii w podczerwieni”, powiedział Jhabvala. Spektroskopia to analiza natężenia światła w różnych kolorach od obiektu. W przeciwieństwie do zwykłego zdjęcia, które pokazuje wygląd obiektu, spektroskopia służy do gromadzenia bardziej szczegółowych informacji, takich jak skład chemiczny obiektu, prędkość i kierunek ruchu. Spektroskopia jest wykorzystywana w dochodzeniach kryminalnych; na przykład, aby stwierdzić, czy substancja chemiczna znaleziona na ubraniu podejrzanego pasuje do tego na miejscu zbrodni, i w ten sposób astronomowie określają, z czego zbudowane są gwiazdy, mimo że nie ma możliwości bezpośredniego pobrania próbki, z gwiazdami oddalonymi o wiele trylionów mil.
Inne zastosowania macierzy QWIP są liczne. W NASA Goddard niektóre z tych aplikacji obejmują: badanie temperatur troposfery i stratosfery oraz identyfikowanie śladowych substancji chemicznych; pomiary bilansu energetycznego korony drzew; pomiar emisyjności warstwy chmur, wielkości kropli / cząstek, składu i wysokości; Emisje SO2 i aerozoli z erupcji wulkanicznych; śledzenie cząstek pyłu (np. z Sahary); Absorpcja CO2; erozja wybrzeża; gradienty termiczne i zanieczyszczenie oceanu / rzeki; analizowanie radiometrów i innego sprzętu naukowego wykorzystywanego do pozyskiwania ziemi i pozyskiwania danych atmosferycznych; astronomia naziemna; i sondowanie temperatury.
Potencjalne zastosowania komercyjne są dość różnorodne. Użyteczność macierzy QWIP w instrumentach medycznych jest dobrze udokumentowana (OmniCorder, Inc. w N.Y.) i może stać się jednym z najważniejszych sterowników technologii QWIP. Sukces technologii OmniCorder wykorzystującej wąsko pasmowe macierze 256 x 256 QWIP do pomocy w wykrywaniu nowotworów złośliwych jest dość niezwykły.
Inne potencjalne zastosowania komercyjne dla tablic QWIP obejmują: lokalizację pożarów lasów i pozostałych ciepłych punktów; lokalizacja niepożądanego wkroczenia roślinności; monitorowanie stanu upraw; monitorowanie zanieczyszczenia przetwórstwa żywności, dojrzałości i psucia się; lokalizowanie awarii transformatorów linii elektroenergetycznych w odległych obszarach; monitorowanie ścieków z operacji przemysłowych, takich jak papiernie, kopalnie i elektrownie; mikroskopia w podczerwieni; poszukiwanie szerokiej gamy przecieków termicznych i lokalizowanie nowych źródeł wody źródlanej.
Macierze QWIP są stosunkowo niedrogie, ponieważ można je wytwarzać przy użyciu standardowej technologii półprzewodnikowej, która wytwarza chipy krzemowe stosowane wszędzie w komputerach. Mogą być również bardzo duże, ponieważ GaA można hodować w dużych wlewkach, tak jak krzem.
Prace rozwojowe były prowadzone przez Instrument Systems and Technology Center w NASA Goddard. Army Research Laboratory (ARL), Adelphi, MD, odegrało kluczową rolę w teorii, projektowaniu i wytwarzaniu macierzy QWIP, a L3 / Cincinnati Electronics z Mason, Ohio, zapewniło odczyt krzemu i hybrydyzację. Praca ta została zaprojektowana i finansowana przez Biuro Technologii Nauk o Ziemi jako projekt rozwoju technologii zaawansowanych komponentów.
Oryginalne źródło: NASA News Release
