Инфрачервен образ на изследовател от НАСА. Щракнете за уголемяване
Разработката на инфрачервени детектори е благодат за астрономията. НАСА разработи евтина алтернатива на предишните инфрачервени детектори, които биха могли да намерят много приложения тук на Земята. Детекторът се нарича квантов кладенец с инфрачервен фотодетектор (QWIP) и може бързо да забележи горски пожари, да открие течове на газ и да има много други търговски приложения.
Евтин детектор, разработен от ръководен от НАСА екип, вече може да вижда невидима инфрачервена светлина в диапазон от „цветове“ или дължини на вълните.
Детекторът, наречен Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP), беше най-големият в света (един милион пиксела) инфрачервен масив, когато проектът беше обявен през март 2003 г. Той беше евтина алтернатива на конвенционалната инфрачервена детекторна технология за широк гама от научни и търговски приложения. По онова време обаче можеше да открие само тясна гама от инфрачервени цветове, еквивалентна на правенето на конвенционална снимка само в черно и бяло. Новият QWIP масив е със същия размер, но вече може да усеща инфрачервена връзка в широк диапазон.
„Способността да виждате диапазон на инфрачервените дължини на вълните е важен напредък, който значително ще увеличи потенциалните приложения на QWIP технологията“, казва д-р Мурзи Джабвала от Центъра за космически полети Goddard на NASA, Greenbelt, Md., Главен изследовател на проекта.
Инфрачервената светлина е невидима за човешкото око, но някои видове се генерират от и се възприемат като топлина. Конвенционалният инфрачервен детектор има редица клетки (пиксели), които взаимодействат с входяща частица инфрачервена светлина (инфрачервен фотон) и го превръщат в електрически ток, който може да бъде измерен и записан. По принцип са подобни на детекторите, които преобразуват видима светлина в цифрова камера. Колкото повече пиксели могат да бъдат поставени на детектор с даден размер, толкова по-голяма е разделителната способност и QWIP масивите на НАСА са значителен напредък спрямо по-ранните QWIP масиви от 300 000 пиксела, преди това най-големият наличен.
QWIP детекторът на НАСА е полупроводников чип на Galium Arsenide (GaAs) с над 100 слоя детектор. Всеки слой е изключително тънък, с дебелина от 10 до 700 атома, а слоевете са проектирани да действат като квантови ямки.
Квантовите кладенци използват причудливата физика на микроскопичния свят, наречена квантова механика, за улавяне на електрони, основните частици, които носят електрически ток, така че само светлина с определена енергия може да ги освободи. Ако светлината с правилната енергия удари една от квантовите ямки в масива, освободеният електрон преминава през отделен чип над масива, наречен отчитане на силиция, където той се записва. Компютърът използва тази информация, за да създаде изображение на инфрачервения източник.
Оригиналният QWIP масив на НАСА може да открие инфрачервена светлина с дължина на вълната между 8,4 и 9,0 микрометра. Новата версия може да вижда инфрачервена връзка между 8 до 12 микрометра. Напредъкът беше възможен, тъй като квантовите ямки могат да бъдат проектирани да откриват светлина с различни енергийни нива, като променят състава и дебелината на слоевете на детекторния материал.
„Широкият отговор на този масив, особено в далечната инфрачервена връзка - 8 до 12 микрометра - е от решаващо значение за инфрачервената спектроскопия“, каза Джабвала. Спектроскопията е анализ на интензитета на светлината в различни цветове от обект. За разлика от обикновена снимка, която само показва външния вид на обект, спектроскопията се използва за събиране на по-подробна информация като химическия състав, скоростта и посоката на движение на обекта. Спектроскопията се използва при наказателни разследвания; например, да се каже дали химикал, открит в дрехите на заподозрян, съвпада с този на местопрестъплението, и така астрономите определят от какво се правят звезди, въпреки че няма начин да се вземе проба директно, като звездите са на много трилиони мили.
Други приложения за QWIP масиви са многобройни. В NASA Goddard някои от тези приложения включват: проучване на температурите на тропосферата и стратосферата и идентифициране на следи от химикали; измервания на енергийния баланс на сенника; измерване на емисиите на облачния слой, размера на капчиците / частиците, състава и височината; SO2 и аерозолни емисии от вулканични изригвания; проследяване на прахови частици (от пустинята Сахара, например); Абсорбция на CO2; крайбрежна ерозия; океански / речни термични градиенти и замърсяване; анализиране на радиометри и друго научно оборудване, използвано за получаване на наземно разпръскване и събиране на атмосферни данни; наземна астрономия; и температурен звук.
Потенциалните търговски приложения са много разнообразни. Полезността на QWIP масивите в медицинското оборудване е добре документирана (OmniCorder, Inc. в N.Y.) и може да се превърне в един от най-важните драйвери за QWIP технология. Успехът на използването на OmniCorder Technologies от 256 x 256 теснолентови QWIP масиви за подпомагане на откриването на злокачествени тумори е доста забележителен.
Други потенциални търговски приложения за QWIP масиви включват: местоположение на горски пожари и остатъчни топли точки; местоположение на нежелано посегателство върху растителността; наблюдение на здравето на реколтата; мониторинг на замърсяване, зрялост и разваляне на хранителната обработка; локализиране на повреди на електропровода в отдалечени райони; мониторинг на отпадъчните води от промишлени дейности като хартиени фабрики, минни обекти и електроцентрали; инфрачервена микроскопия; търсене на голямо разнообразие от термични течове и намиране на нови източници на изворна вода.
QWIP масивите са сравнително евтини, защото могат да бъдат произведени с помощта на стандартна полупроводникова технология, която произвежда силициевите чипове, използвани в компютрите навсякъде. Те също могат да бъдат направени много големи, защото GaAs могат да се отглеждат в големи блокове, точно като силиций.
Усилията за разработка бяха ръководени от Центъра за инструменти и технологии в НАСА Годдард. Армейската изследователска лаборатория (ARL), Adelphi, Md., Играе важна роля в теорията, дизайна и изработката на QWIP масива, а L3 / Cincinnati Electronics на Mason, Ohio, осигурява отчитането на силикона и хибридизацията. Тази работа беше замислена и финансирана от Службата за научни технологии на Земята като проект за развитие на технологиите за модерни компоненти.
Оригинален източник: NASA News Release
