Υπέρυθρη εικόνα ενός ερευνητή της NASA. Κάντε κλικ για μεγέθυνση
Η ανάπτυξη των ανιχνευτών υπερύθρων υπήρξε όφελος για την αστρονομία. Η NASA έχει αναπτύξει μια φθηνή εναλλακτική λύση σε σχέση με προηγούμενους ανιχνευτές υπερύθρων, οι οποίοι θα μπορούσαν να βρουν πολλές χρήσεις εδώ στη Γη. Ο ανιχνευτής ονομάζεται συστοιχία φωτοανιχνευτών υπερύθρων κβαντικών φρεατίων (QWIP) και θα μπορούσε γρήγορα να εντοπίσει πυρκαγιές στα δάση, να εντοπίσει διαρροές αερίου και να έχει πολλές άλλες εμπορικές χρήσεις.
Ένας φθηνός ανιχνευτής που αναπτύχθηκε από μια ομάδα υπό την ηγεσία της NASA μπορεί τώρα να δει αόρατο υπέρυθρο φως σε μια σειρά "χρωμάτων" ή μήκους κύματος.
Ο ανιχνευτής, που ονομάζεται συστοιχία υπέρυθρων φωτοανιχνευτών κβαντικών πηγών (QWIP), ήταν η μεγαλύτερη σειρά υπερύθρων (ένα εκατομμύριο pixel) στον κόσμο, όταν το έργο ανακοινώθηκε τον Μάρτιο του 2003. Ήταν μια εναλλακτική λύση χαμηλού κόστους για τη συμβατική τεχνολογία ανιχνευτή υπέρυθρων για ένα ευρύ γκάμα επιστημονικών και εμπορικών εφαρμογών. Ωστόσο, εκείνη τη στιγμή μπορούσε να ανιχνεύσει μόνο ένα στενό φάσμα χρωμάτων υπέρυθρων, που ισοδυναμεί με τη λήψη μιας συμβατικής φωτογραφίας σε μαύρο και άσπρο. Ο νέος πίνακας QWIP έχει το ίδιο μέγεθος, αλλά τώρα μπορεί να ανιχνεύσει υπέρυθρες σε ένα ευρύ φάσμα.
«Η ικανότητα να δούμε μια σειρά από μήκη κύματος υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι μια σημαντική πρόοδος που θα αυξήσει σημαντικά τις πιθανές χρήσεις της τεχνολογίας QWIP», δήλωσε ο Δρ Murzy Jhabvala του Goddard Space Flight Center της NASA, Greenbelt, Md., Κύριος ερευνητής του έργου.
Το υπέρυθρο φως είναι αόρατο για το ανθρώπινο μάτι, αλλά ορισμένοι τύποι παράγονται και θεωρούνται ως θερμότητα. Ένας συμβατικός ανιχνευτής υπερύθρων έχει έναν αριθμό κυττάρων (εικονοστοιχεία) που αλληλεπιδρούν με ένα εισερχόμενο σωματίδιο υπέρυθρου φωτός (ένα υπέρυθρο φωτόνιο) και το μετατρέπουν σε ηλεκτρικό ρεύμα που μπορεί να μετρηθεί και να καταγραφεί. Είναι κατ 'αρχήν παρόμοιοι με τους ανιχνευτές που μετατρέπουν το ορατό φως σε μια ψηφιακή κάμερα. Όσο περισσότερα pixel μπορούν να τοποθετηθούν σε έναν ανιχνευτή ενός δεδομένου μεγέθους, τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυση και οι συστοιχίες QWIP της NASA είναι μια σημαντική πρόοδος σε σχέση με τις προηγούμενες συστοιχίες QWIP 300.000 pixel, προηγουμένως η μεγαλύτερη διαθέσιμη.
Ο ανιχνευτής QWIP της NASA είναι ένα τσιπ ημιαγωγού Gallium Arsenide (GaAs) με πάνω από 100 στρώματα υλικού ανιχνευτή στην κορυφή. Κάθε στρώμα είναι εξαιρετικά λεπτό, κυμαινόμενο από 10 έως 700 άτομα πάχους, και τα στρώματα έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν ως κβαντικά φρεάτια.
Τα κβαντικά πηγάδια χρησιμοποιούν την παράξενη φυσική του μικροσκοπικού κόσμου, που ονομάζεται κβαντική μηχανική, για να παγιδεύουν τα ηλεκτρόνια, τα θεμελιώδη σωματίδια που μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα, έτσι ώστε μόνο το φως με μια συγκεκριμένη ενέργεια να μπορεί να τα απελευθερώσει. Εάν το φως με τη σωστή ενέργεια χτυπήσει ένα από τα κβαντικά φρεάτια στη συστοιχία, το απελευθερωμένο ηλεκτρόνιο ρέει μέσω ενός ξεχωριστού τσιπ πάνω από τη συστοιχία, που ονομάζεται ανάγνωση πυριτίου, όπου καταγράφεται. Ένας υπολογιστής χρησιμοποιεί αυτές τις πληροφορίες για να δημιουργήσει μια εικόνα της πηγής υπερύθρων.
Η αρχική συστοιχία QWIP της NASA μπορούσε να ανιχνεύσει υπέρυθρο φως με μήκος κύματος μεταξύ 8,4 και 9,0 μικρομέτρων. Η νέα έκδοση μπορεί να δει υπέρυθρες μεταξύ 8 έως 12 μικρομέτρων. Η πρόοδος ήταν δυνατή επειδή τα κβαντικά φρεάτια μπορούν να σχεδιαστούν για να ανιχνεύουν φως με διαφορετικά επίπεδα ενέργειας μεταβάλλοντας τη σύνθεση και το πάχος των στρωμάτων του ανιχνευτή.
"Η ευρεία απόκριση αυτής της συστοιχίας, ιδιαίτερα στα υπέρυθρα - 8 έως 12 μικρόμετρα - είναι ζωτικής σημασίας για την υπέρυθρη φασματοσκοπία", δήλωσε ο Jhabvala. Η φασματοσκοπία είναι μια ανάλυση της έντασης του φωτός σε διαφορετικά χρώματα από ένα αντικείμενο. Σε αντίθεση με μια απλή φωτογραφία που δείχνει απλώς την εμφάνιση ενός αντικειμένου, η φασματοσκοπία χρησιμοποιείται για τη συλλογή πιο λεπτομερών πληροφοριών, όπως η χημική σύνθεση, η ταχύτητα και η κατεύθυνση της κίνησης του αντικειμένου. Η φασματοσκοπία χρησιμοποιείται σε ποινικές έρευνες. για παράδειγμα, για να πει εάν μια χημική ουσία που βρέθηκε στα ρούχα ενός υπόπτου ταιριάζει με αυτό σε μια σκηνή εγκλήματος και πώς οι αστρονόμοι καθορίζουν ποια αστέρια είναι φτιαγμένα αν και δεν υπάρχει τρόπος να πάρουμε ένα δείγμα απευθείας, με τα αστέρια πολλά τρισεκατομμύρια μίλια μακριά.
Άλλες εφαρμογές για συστοιχίες QWIP είναι πολλές. Στο NASA Goddard, μερικές από αυτές τις εφαρμογές περιλαμβάνουν: μελέτη θερμοκρασίας τροπόσφαιρας και στρατόσφαιρας και εντοπισμός ιχνοστοιχείων. μετρήσεις ισορροπίας ενέργειας θόλου δέντρου · μέτρηση των επιπέδων νέφους, μέγεθος σταγονιδίων / σωματιδίων, σύνθεση και ύψος. Εκπομπές SO2 και αερολύματος από ηφαιστειακές εκρήξεις · παρακολούθηση σωματιδίων σκόνης (από την έρημο Σαχάρα, π.χ.) · Απορρόφηση CO2; παράκτια διάβρωση; θερμικές κλίσεις και ρύπανση ωκεανών / ποταμών · ανάλυση ραδιομέτρων και άλλου επιστημονικού εξοπλισμού που χρησιμοποιείται για την απόκτηση γείωσης και την απόκτηση ατμοσφαιρικών δεδομένων · επίγεια αστρονομία · και ηχητική θερμοκρασία.
Οι πιθανές εμπορικές εφαρμογές είναι αρκετά διαφορετικές. Η χρησιμότητα των συστοιχιών QWIP σε ιατρικά όργανα είναι καλά τεκμηριωμένη (OmniCorder, Inc. στη Νέα Υόρκη) και μπορεί να γίνει ένα από τα πιο σημαντικά προγράμματα οδήγησης τεχνολογίας QWIP. Η επιτυχία της χρήσης OmniCorder Technologies από συστοιχίες QWIP στενής ζώνης 256 x 256 για βοήθεια στην ανίχνευση κακοήθων όγκων είναι αρκετά αξιοσημείωτη.
Άλλες πιθανές εμπορικές εφαρμογές για συστοιχίες QWIP περιλαμβάνουν: θέση δασικών πυρκαγιών και υπολειπόμενα θερμά σημεία. τοποθεσία ανεπιθύμητης καταπάτησης βλάστησης · παρακολούθηση της υγείας των καλλιεργειών · παρακολούθηση της μόλυνσης, της ωρίμανσης και της αλλοίωσης της επεξεργασίας τροφίμων · εντοπισμός αστοχιών μετασχηματιστή γραμμής ισχύος σε απομακρυσμένες περιοχές · παρακολούθηση των λυμάτων από βιομηχανικές δραστηριότητες, όπως χαρτοποιίες, εγκαταστάσεις εξόρυξης και σταθμούς παραγωγής ενέργειας · υπέρυθρη μικροσκόπηση αναζήτηση για μια μεγάλη ποικιλία θερμικών διαρροών και εντοπισμός νέων πηγών πηγών νερού.
Οι συστοιχίες QWIP είναι σχετικά φθηνές επειδή μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας τυπική τεχνολογία ημιαγωγών που παράγει τα τσιπ πυριτίου που χρησιμοποιούνται σε υπολογιστές παντού. Μπορούν επίσης να κατασκευαστούν πολύ μεγάλα, επειδή τα GaAs μπορούν να καλλιεργηθούν σε μεγάλα πλινθώματα, όπως και το πυρίτιο.
Την αναπτυξιακή προσπάθεια ηγήθηκε το Κέντρο Συστημάτων και Τεχνολογίας Οργάνων στο NASA Goddard. Το Army Research Laboratory (ARL), Adelphi, Md., Έπαιξε σημαντικό ρόλο στη θεωρία, το σχεδιασμό και την κατασκευή της συστοιχίας QWIP και η L3 / Cincinnati Electronics of Mason, Ohio, παρείχε την ανάγνωση και την υβριδοποίηση του πυριτίου. Αυτή η εργασία σχεδιάστηκε για και χρηματοδοτήθηκε από το Γραφείο Τεχνολογίας της Γης της Επιστήμης ως έργο ανάπτυξης τεχνολογίας προηγμένης τεχνολογίας.
Αρχική πηγή: Δελτίο Τύπου της NASA
