Infraröd bild av en NASA-forskare. Klicka för att förstora
Utvecklingen av infraröda detektorer har varit en välsignelse för astronomin. NASA har utvecklat ett billigt alternativ till tidigare infraröda detektorer, som kan hitta många användningsområden här på jorden. Detektorn kallas en Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP) -grupp, och den kan snabbt upptäcka skogsbränder, upptäcka gasläckor och ha många andra kommersiella användningsområden.
En billig detektor utvecklad av ett NASA-ledat team kan nu se osynligt infrarött ljus i en rad "färger" eller våglängder.
Detektorn, kallad en Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP) array, var världens största infraröda array (en miljon pixel) när projektet tillkännagavs i mars 2003. Det var ett billigt alternativ till konventionell infraröd detektorteknik för en bred utbud av vetenskapliga och kommersiella tillämpningar. Men vid den tiden kunde det bara upptäcka ett smalt utbud av infraröda färger, vilket motsvarar att göra ett konventionellt fotografi i bara svart och vitt. Den nya QWIP-arrayen är av samma storlek men kan nu känna infraröd över ett brett intervall.
"Möjligheten att se en rad infraröda våglängder är ett viktigt framsteg som avsevärt kommer att öka de potentiella användningarna av QWIP-tekniken," sade Dr. Murzy Jhabvala från NASA: s Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md., Huvudutredare för projektet.
Infrarött ljus är osynligt för det mänskliga ögat, men vissa typer genereras av och uppfattas som värme. En konventionell infraröd detektor har ett antal celler (pixlar) som interagerar med en inkommande partikel av infrarött ljus (en infraröd foton) och omvandlar den till en elektrisk ström som kan mätas och registreras. De liknar i princip de detektorer som konverterar synligt ljus i en digital kamera. Ju fler pixlar som kan placeras på en detektor med en viss storlek, desto större upplösning och NASAs QWIP-arrayer är ett betydande framsteg jämfört med tidigare 300 000 pixlar QWIP-arrayer, tidigare de största tillgängliga.
NASAs QWIP-detektor är ett Gallium Arsenide (GaAs) halvledarchip med över 100 lager detektormaterial ovanpå. Varje skikt är extremt tunt, från 10 till 700 atomer tjockt, och skikten är utformade för att fungera som kvantbrunnar.
Kvantbrunnar använder den bisarra fysiken i den mikroskopiska världen, kallad kvantmekanik, för att fånga elektroner, de grundläggande partiklarna som bär elektrisk ström, så att endast ljus med en specifik energi kan frigöra dem. Om ljus med rätt energi träffar en av kvantbrunnarna i matrisen flyter den frigjorda elektron genom ett separat chip ovanför matrisen, kallad kiselavläsningen, där den registreras. En dator använder denna information för att skapa en bild av den infraröda källan.
NASAs ursprungliga QWIP-array kunde detektera infrarött ljus med en våglängd mellan 8,4 och 9,0 mikrometer. Den nya versionen kan se infraröd mellan 8 till 12 mikrometer. Framsteget var möjligt eftersom kvantbrunnar kan utformas för att detektera ljus med olika energinivåer genom att variera sammansättningen och tjockleken hos detektormaterialskikten.
"Det breda svaret på denna matris, särskilt i den yttersta infraröda - 8 till 12 mikrometer - är avgörande för infraröd spektroskopi," sade Jhabvala. Spektroskopi är en analys av ljusintensiteten i olika färger från ett objekt. Till skillnad från ett enkelt fotografi som bara visar utseendet på ett objekt, används spektroskopi för att samla mer detaljerad information som objektets kemiska sammansättning, hastighet och rörelseriktning. Spektroskopi används vid straffutredningar; till exempel för att berätta om en kemikalie som finns på en misstänkt kläder matchar den på en brottsplats, och det är hur astronomer bestämmer vilka stjärnor som är gjorda av även om det inte finns något sätt att ta ett prov direkt, med stjärnorna många biljoner mil bort.
Andra applikationer för QWIP-matriser är många. På NASA Goddard inkluderar några av dessa applikationer: studera temperaturen i troposfären och stratosfären och identifiera spårkemikalier; mätningar av energibalansen i trädtaket; mätning av molnskiktsutsläpp, dropp / partikelstorlek, sammansättning och höjd; SO2- och aerosolutsläpp från vulkanutbrott; spåra dammpartiklar (från Sahara-öknen, t.ex.); CO2-absorption; kusterosion; hav / flod termiska gradienter och föroreningar; analysera radiometrar och annan vetenskaplig utrustning som används för att erhålla marktruting och inhämtning av atmosfärisk data; markbaserad astronomi; och temperaturljud.
De potentiella kommersiella tillämpningarna är ganska olika. Nyttan av QWIP-matriser i medicinsk instrumentering är väl dokumenterad (OmniCorder, Inc. i N.Y.) och kan bli en av de viktigaste drivrutinerna för QWIP-teknik. Framgången för OmniCorder Technologies användning av 256 x 256 smala band QWIP-arrayer för att hjälpa till att upptäcka maligna tumörer är ganska anmärkningsvärt.
Andra potentiella kommersiella tillämpningar för QWIP-matriser inkluderar: plats för skogsbränder och kvarvarande varma fläckar; placering av oönskad vegetationsintrång; övervakning av grödor; övervakning av kontaminering, mognad och förstörelse av livsmedel; lokalisering av kraftledningstransformatorfel i avlägsna områden; övervakning av avloppsvatten från industriverksamhet såsom pappersbruk, gruvplatser och kraftverk; infraröd mikroskopi; söker efter ett brett utbud av termiska läckor och hitta nya källor till källvatten.
QWIP-arrayerna är relativt billiga eftersom de kan tillverkas med standard halvledarteknologi som producerar kiselchips som används i datorer överallt. De kan också göras mycket stora, eftersom GaAs kan odlas i stora göt, precis som kisel.
Utvecklingsarbetet leddes av Instrument Systems and Technology Center vid NASA Goddard. Army Research Laboratory (ARL), Adelphi, Md., Var instrumentell i teorin, designen och tillverkningen av QWIP-arrayen, och L3 / Cincinnati Electronics i Mason, Ohio, tillhandahöll kiselavläsning och hybridisering. Detta arbete utformades för och finansierades av Earth Science Technology Office som ett utvecklingsprojekt för avancerad komponentteknologi.
Originalkälla: NASA News Release
