Infrarødt bilde av en NASA-forsker. Klikk for å forstørre
Utviklingen av infrarøde detektorer har vært en velsignelse for astronomien. NASA har utviklet et billig alternativ til tidligere infrarøde detektorer, som kan finne mange bruksområder her på jorden. Detektoren kalles en Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP) -gruppe, og den kan raskt oppdage skogbranner, oppdage gasslekkasjer og ha mange andre kommersielle bruksområder.
En billig detektor utviklet av et NASA-ledet team kan nå se usynlig infrarødt lys i en rekke "farger" eller bølgelengder.
Detektoren, kalt en Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP) -gruppe, var verdens største infrarøde array (en million piksler) da prosjektet ble kunngjort i mars 2003. Det var et billig alternativ til konvensjonell infrarød detektorteknologi for en bred rekke vitenskapelige og kommersielle applikasjoner. På den tiden kunne den imidlertid bare oppdage et smalt utvalg av infrarøde farger, tilsvarende det å lage et konvensjonelt fotografi i bare svart og hvitt. Den nye QWIP-matrisen er av samme størrelse, men kan nå føle infrarød over et bredt spekter.
"Evnen til å se en rekke infrarøde bølgelengder er et viktig fremskritt som vil øke den potensielle bruken av QWIP-teknologien," sa Dr. Murzy Jhabvala fra NASAs Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md., Hovedutredningsperson for prosjektet.
Infrarødt lys er usynlig for det menneskelige øyet, men noen typer blir generert av og oppfattet som varme. En konvensjonell infrarød detektor har et antall celler (piksler) som samvirker med en innkommende partikkel med infrarødt lys (et infrarødt foton) og konverterer det til en elektrisk strøm som kan måles og registreres. De ligner i prinsippet på detektorene som konverterer synlig lys i et digitalt kamera. Jo flere piksler som kan plasseres på en detektor med en gitt størrelse, desto større er oppløsningen og NASAs QWIP-matriser er et betydelig fremskritt i forhold til tidligere 300.000 piksler QWIP-arrayer, tidligere de største tilgjengelige.
NASAs QWIP-detektor er en Gallium Arsenide (GaAs) halvlederbrikke med over 100 lag detektormateriale på toppen. Hvert lag er ekstremt tynt, fra 10 til 700 atomer tykt, og lagene er designet for å fungere som kvantebrønner.
Kvantebrønner bruker den bisarre fysikken i den mikroskopiske verdenen, kalt kvantemekanikk, for å fange elektroner, de grunnleggende partiklene som fører elektrisk strøm, slik at bare lys med en spesifikk energi kan frigjøre dem. Hvis lys med riktig energi treffer en av kvantebrønnene i matrisen, flyter det frigjorte elektronet gjennom en egen brikke over matrisen, kalt silisiumavlesningen, der den blir registrert. En datamaskin bruker denne informasjonen til å lage et bilde av den infrarøde kilden.
NASAs originale QWIP-matrise kunne oppdage infrarødt lys med en bølgelengde mellom 8,4 og 9,0 mikrometer. Den nye versjonen kan se infrarød mellom 8 til 12 mikrometer. Fremgangen var mulig fordi kvantebrønner kan utformes for å oppdage lys med forskjellige energinivåer ved å variere sammensetningen og tykkelsen til detektormaterialelagene.
"Den brede responsen til denne matrisen, spesielt i den infrarøde fargen - 8 til 12 mikrometer - er avgjørende for infrarød spektroskopi," sa Jhabvala. Spektroskopi er en analyse av lysintensiteten i forskjellige farger fra et objekt. I motsetning til et enkelt fotografi som bare viser utseendet til et objekt, brukes spektroskopi for å samle mer detaljert informasjon som objektets kjemiske sammensetning, hastighet og bevegelsesretning. Spektroskopi brukes i kriminelle etterforskninger; for eksempel å fortelle om et kjemikalie som er funnet på klær til en mistenkt stemmer overens med det på et forbrytelsessted, og det er hvordan astronomer bestemmer hvilke stjerner som er laget av selv om det ikke er noen måte å ta en prøve direkte på, med stjernene mange billioner kilometer unna.
Andre applikasjoner for QWIP-matriser er mange. Hos NASA Goddard inkluderer noen av disse applikasjonene: å studere troposfæren og stratosfæretemperaturene og identifisere sporkjemikalier; målinger av energibalanse i tresheggen; måling av utslipp av skylag, dråpe / partikkelstørrelse, sammensetning og høyde; SO2- og aerosolutslipp fra vulkanutbrudd; sporing av støvpartikler (fra Sahara-ørkenen, f.eks.); CO2-absorpsjon; kyst erosjon; hav / elve termiske gradienter og forurensning; analyse av radiometere og annet vitenskapelig utstyr som brukes til å skaffe bakkebukk og atmosfærisk datainnsamling; bakkebasert astronomi; og temperaturlyd.
De potensielle kommersielle bruksområdene er ganske forskjellige. Nytten av QWIP-matriser i medisinsk instrumentering er godt dokumentert (OmniCorder, Inc. i N.Y.) og kan bli en av de viktigste driverne for QWIP-teknologi. Suksessen til bruk av OmniCorder Technologies med 256 x 256 smale bånd QWIP-matriser for å hjelpe til med å oppdage ondartede svulster er ganske bemerkelsesverdig.
Andre potensielle kommersielle bruksområder for QWIP-matriser inkluderer: plassering av skogbranner og gjenværende varme flekker; plassering av uønsket vegetasjonsinngrep; overvåking avling helse; overvåking av matforedling, modning og ødeleggelse; lokalisering av kraftlinjetransformatorfeil i avsidesliggende områder; overvåking av avløp fra industriell virksomhet som papirfabrikker, gruveplasser og kraftverk; infrarød mikroskopi; lete etter et bredt utvalg av termiske lekkasjer, og finne nye kilder til kildevann.
QWIP-gruppene er relativt billige fordi de kan produseres ved bruk av standard halvlederteknologi som produserer silisiumflisene som brukes på datamaskiner overalt. De kan også gjøres veldig store, fordi GaAs kan dyrkes i store blokker, akkurat som silisium.
Utviklingsinnsatsen ble ledet av Instrumentsystemer og teknologisenter ved NASA Goddard. Army Research Laboratory (ARL), Adelphi, Md., Var instrumental i teorien, designen og fabrikasjonen av QWIP-matrisen, og L3 / Cincinnati Electronics of Mason, Ohio, ga silisiumavlesningen og hybridiseringen. Dette arbeidet ble utformet for og finansiert av Earth Science Technology Office som et utviklingsprosjekt for avansert komponentteknologi.
Originalkilde: NASA News Release
