NASA pētnieka infrasarkanais attēls. Noklikšķiniet, lai palielinātu
Infrasarkano staru detektoru attīstība ir astronomiskās pateicības avots. NASA ir izstrādājusi lētu alternatīvu iepriekšējiem infrasarkano staru detektoriem, kas šeit uz Zemes varētu atrast daudzus lietojumus. Detektoru sauc par Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP) masīvu, un tas var ātri pamanīt mežu ugunsgrēkus, noteikt gāzes noplūdes un izmantot daudzus citus komerciālus lietojumus.
Lēts detektors, ko izstrādājusi NASA vadīta komanda, tagad var redzēt neredzamu infrasarkano gaismu “krāsu” vai viļņu garumu diapazonā.
Detektors, kuru sauca par Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP) masīvu, bija pasaulē lielākais (viena miljona pikseļu) infrasarkano staru masīvs, kad 2003. gada martā tika paziņots par projektu. Tā bija lēta alternatīva parastajai infrasarkano staru detektoru tehnoloģijai plašā mērogā. zinātnisko un komerciālo pielietojumu klāsts. Tomēr tajā laikā tas varēja noteikt tikai šauru infrasarkano krāsu diapazonu, kas ir līdzvērtīgs parasto fotogrāfiju izgatavošanai tikai melnbaltā krāsā. Jaunais QWIP masīvs ir tāda paša izmēra, bet tagad to var uztvert ar infrasarkano staru plašā diapazonā.
"Spēja redzēt infrasarkano staru viļņu garumu diapazonu ir svarīgs solis, kas ievērojami palielinās QWIP tehnoloģijas iespējamos izmantošanas veidus," sacīja Dr Murzy Jhabvala no NASA Goddard kosmosa lidojumu centra Greenbelt, Md., Projekta galvenā pētnieka.
Infrasarkanā gaisma ir neredzama cilvēka acij, bet dažus veidus rada un uztver kā siltumu. Parastajam infrasarkanajam detektoram ir vairākas šūnas (pikseļi), kas mijiedarbojas ar ienākošo infrasarkanās gaismas daļiņu (infrasarkano fotonu) un pārveido to elektriskā strāvā, ko var izmērīt un reģistrēt. Principā tie ir līdzīgi detektoriem, kas pārveido redzamo gaismu digitālajā kamerā. Jo vairāk pikseļu var novietot noteikta lieluma detektorā, jo lielāka izšķirtspēja, un NASA QWIP masīvi ir ievērojams progress salīdzinājumā ar iepriekšējiem 300 000 pikseļu QWIP blokiem, kas iepriekš bija lielākais pieejamais.
NASA QWIP detektors ir Gallium Arsenide (GaAs) pusvadītāju mikroshēma ar virs 100 detektoru slāņiem. Katrs slānis ir ārkārtīgi plāns, no 10 līdz 700 atomiem biezs, un slāņi ir veidoti tā, lai darbotos kā kvantu iedobes.
Kvantu urbumos tiek izmantota mikroskopiskās pasaules dīvainā fizika, ko sauc par kvantu mehāniku, lai notvertu elektronus - pamatdaļiņas, kas nes elektrisko strāvu, lai tikai tās varētu atbrīvot gaisma ar noteiktu enerģiju. Ja gaisma ar pareizu enerģiju nonāk vienā no masīva kvantu iedobēm, atbrīvotais elektrons plūst caur atsevišķu mikroshēmu virs masīva, ko sauc par silīcija nolasījumu, kur tas tiek reģistrēts. Dators izmanto šo informāciju, lai izveidotu infrasarkanā starojuma avota attēlu.
NASA oriģinālais QWIP bloks varēja noteikt infrasarkano gaismu ar viļņa garumu no 8,4 līdz 9,0 mikrometriem. Jaunā versija var redzēt infrasarkano staru no 8 līdz 12 mikrometriem. Virzība bija iespējama, jo kvantu urbumus var izveidot, lai uztvertu gaismu ar dažādiem enerģijas līmeņiem, mainot detektora materiāla slāņu sastāvu un biezumu.
"Plašā šī masīva reakcija, it īpaši tālajā infrasarkanā starojumā - 8 līdz 12 mikrometri -, ir ļoti svarīga infrasarkanās spektroskopijas veikšanai," sacīja Jhabvala. Spektroskopija ir dažādu krāsu gaismas intensitātes analīze no objekta. Atšķirībā no vienkāršas fotogrāfijas, kas tikai parāda objekta izskatu, spektroskopiju izmanto, lai savāktu sīkāku informāciju, piemēram, objekta ķīmisko sastāvu, ātrumu un kustības virzienu. Spektroskopija tiek izmantota kriminālizmeklēšanā; piemēram, lai pateiktu, vai aizdomās turētā apģērbā atrasta ķīmiska viela atbilst tai, kas atrodas nozieguma vietā, un tas ir, kā astronomi nosaka, no kādām zvaigznēm ir izgatavotas, kaut arī nav iespējas tieši ņemt paraugu, jo zvaigznes atrodas daudzu triljonu jūdžu attālumā.
Citu QWIP masīvu lietojumu ir daudz. NASA Goddard, daži no šiem lietojumiem ir: troposfēras un stratosfēras temperatūru izpēte un ķīmisko vielu identificēšana; koku nojumes enerģijas bilances mērījumi; mēra mākoņa slāņa izstarojumus, pilienu / daļiņu lielumu, sastāvu un augstumu; SO2 un aerosolu emisijas vulkānu izvirdumu dēļ; putekļu daļiņu izsekošana (piemēram, no Sahāras tuksneša); CO2 absorbcija; piekrastes erozija; okeāna / upes termiskie gradienti un piesārņojums; analizēt radiometrus un citu zinātnisku aprīkojumu, ko izmanto zemes nospiedumu iegūšanai un atmosfēras datu iegūšanai; uz zemes balstīta astronomija; un temperatūras skanēšana.
Potenciālie komerciālie lietojumi ir diezgan dažādi. QWIP masīvu lietderība medicīnas instrumentos ir labi dokumentēta (OmniCorder, Inc., N.Y.) un var kļūt par vienu no nozīmīgākajiem QWIP tehnoloģijas draiveriem. OmniCorder Technologies panākumi, izmantojot 256 x 256 šaurjoslas QWIP masīvus, palīdzot atklāt ļaundabīgus audzējus, ir diezgan izcili.
Citi potenciālie QWIP masīvu komerciālie pielietojumi ietver: meža ugunsgrēku un atlikušo silto vietu atrašanās vietu; nevēlamas veģetācijas iejaukšanās vieta; ražas veselības uzraudzība; pārtikas pārstrādes piesārņojuma, gatavības un sabojāšanas uzraudzība; elektropārvades līnijas transformatora kļūmju noteikšana attālos rajonos; rūpniecisko darbību, piemēram, papīrfabriku, ieguves vietu un elektrostaciju notekūdeņu uzraudzība; infrasarkanā mikroskopija; meklējot visdažādākās termiskās noplūdes un atrodot jaunus avota ūdens avotus.
QWIP bloki ir salīdzinoši lēti, jo tos var izgatavot, izmantojot standarta pusvadītāju tehnoloģiju, kas visur ražo datoros izmantotās silīcija mikroshēmas. Tos var arī padarīt par ļoti lieliem, jo GaAs var audzēt lielos lietņos, tāpat kā silīciju.
Attīstības centienus vadīja instrumentu sistēmu un tehnoloģiju centrs NASA Goddards. Armijas pētījumu laboratorija (ARL), Adelphi, Md., Bija nozīmīga QWIP masīva teorijā, projektēšanā un izgatavošanā, un L3 / Cincinnati Electronics of Mason, Ohaio, nodrošināja silīcija nolasīšanu un hibridizāciju. Šis darbs tika izveidots un finansēts Zemes zinātnes tehnoloģiju birojā kā uzlaboto komponentu tehnoloģiju attīstības projekts.
Oriģinālais avots: NASA ziņu izlaidums
