Infrarødt billede af en NASA-forsker. Klik for at forstørre
Udviklingen af infrarøde detektorer har været en velsignelse for astronomien. NASA har udviklet et billigt alternativ til tidligere infrarøde detektorer, som kunne finde mange anvendelser her på Jorden. Detektoren kaldes en Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP) array, og den kunne hurtigt få øje på skovbrande, opdage gaslækager og have mange andre kommercielle anvendelser.
En billig detektor udviklet af et NASA-ledet team kan nu se usynligt infrarødt lys i en række "farver" eller bølgelængder.
Detektoren, kaldet en Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP) array, var verdens største (en million pixel) infrarød matrix, da projektet blev annonceret i marts 2003. Det var et billigt alternativ til konventionel infrarød detektor teknologi i en bred en række videnskabelige og kommercielle anvendelser. På det tidspunkt kunne det imidlertid kun opdage et smalt udvalg af infrarøde farver, hvilket svarer til at lave et konventionelt fotografi i bare sort / hvid. Den nye QWIP-matrix er af samme størrelse, men kan nu føle infrarød over en lang række.
”Evnen til at se en række infrarøde bølgelængder er et vigtigt fremskridt, der i høj grad vil øge den potentielle anvendelse af QWIP-teknologien,” sagde Dr. Murzy Jhabvala fra NASA's Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md., Hovedundersøgelsesleder for projektet.
Infrarødt lys er usynligt for det menneskelige øje, men nogle typer genereres af og opfattes som varme. En konventionel infrarød detektor har et antal celler (pixels), der interagerer med en indkommende partikel af infrarødt lys (en infrarød foton) og konverterer den til en elektrisk strøm, der kan måles og registreres. De ligner principielt de detektorer, der konverterer synligt lys i et digitalt kamera. Jo flere pixels, der kan placeres på en detektor i en given størrelse, jo større er opløsningen og NASAs QWIP-arrays er et markant fremskridt i forhold til tidligere 300.000 pixel QWIP-arrays, som tidligere var det største, der findes.
NASAs QWIP-detektor er en Gallium Arsenide (GaAs) halvlederchip med over 100 lag detektormateriale på toppen. Hvert lag er ekstremt tyndt og spænder fra 10 til 700 atomer tykke, og lagene er designet til at fungere som kvantebrønde.
Kvantebrønde anvender den bisarre fysik i den mikroskopiske verden, kaldet kvantemekanik, til at fange elektroner, de grundlæggende partikler, der bærer elektrisk strøm, så kun lys med en bestemt energi kan frigive dem. Hvis lys med den rigtige energi rammer en af kvantebrøndene i matrixen, flyder det frigjorte elektron gennem en separat chip over matrixen, kaldet siliciumudlæsning, hvor det registreres. En computer bruger disse oplysninger til at oprette et billede af den infrarøde kilde.
NASAs originale QWIP-matrix kunne detektere infrarødt lys med en bølgelængde mellem 8,4 og 9,0 mikrometer. Den nye version kan se infrarød mellem 8 og 12 mikrometer. Fremskridt var muligt, fordi kvantebrønde kan designes til at detektere lys med forskellige energiniveauer ved at variere sammensætningen og tykkelsen af detektormaterialelagene.
"Den brede reaktion på denne matrix, især i den langt infrarøde - 8 til 12 mikrometer - er afgørende for infrarød spektroskopi," sagde Jhabvala. Spektroskopi er en analyse af lysintensiteten i forskellige farver fra et objekt. I modsætning til et simpelt fotografi, der bare viser et objekts udseende, bruges spektroskopi til at indsamle mere detaljerede oplysninger som objektets kemiske sammensætning, hastighed og bevægelsesretning. Spektroskopi bruges i kriminelle efterforskninger; for eksempel at fortælle, om et kemikalie, der findes på en mistænkt tøj, stemmer overens med det på en kriminalscene, og det er, hvordan astronomer bestemmer, hvilke stjerner er lavet af, selvom der ikke er nogen måde at tage en prøve direkte med stjernene mange billioner miles væk.
Andre applikationer til QWIP-arrays er mange. Hos NASA Goddard inkluderer nogle af disse anvendelser: undersøgelse af troposfære- og stratosfæretemperaturer og identificering af spormaterialer; målinger af træbalance energibalance; måling af skylagets udsendelser, dråbe / partikelstørrelse, sammensætning og højde; SO2- og aerosolemissioner fra vulkanudbrud; sporing af støvpartikler (f.eks. fra Sahara-ørkenen); CO2-absorption; kyst erosion; hav / flod termiske gradienter og forurening; analyse af radiometre og andet videnskabeligt udstyr, der anvendes til opnåelse af jordtruthing og indsamling af atmosfærisk data; jordbaseret astronomi; og temperaturlyd.
De potentielle kommercielle anvendelser er ret forskellige. Nytten af QWIP-arrays i medicinsk instrumentering er veldokumenteret (OmniCorder, Inc. i N.Y.) og kan blive en af de mest betydningsfulde QWIP-teknologidrivere. Succesen med OmniCorder Technologies brug af 256 x 256 smalle bånd QWIP-arrays til hjælp til påvisning af ondartede tumorer er ganske bemærkelsesværdig.
Andre potentielle kommercielle anvendelser til QWIP-arrays inkluderer: placering af skovbrande og resterende varme pletter; placering af uønsket vegetationsindgreb; overvågning afgrødesundhed; overvågning af fødevareforarbejdningskontaminering, modenhed og ødelæggelse; lokalisering af kraftlinjetransformatorfejl i fjerntliggende områder; overvågning af spildevand fra industrielle aktiviteter såsom papirfabrikker, minedriftsteder og kraftværker; infrarød mikroskopi; søger efter en lang række termiske lækager og lokalisering af nye kilder til kildevand.
QWIP-arrays er relativt billige, fordi de kan fremstilles ved hjælp af standard halvlederteknologi, der producerer siliciumchips, der bruges på computere overalt. De kan også laves meget store, fordi GaAs kan dyrkes i store blokke, ligesom silicium.
Udviklingsindsatsen blev ledet af Instrument Systems and Technology Center på NASA Goddard. Army Research Laboratory (ARL), Adelphi, Md., Var medvirkende til teori, design og fabrikation af QWIP-matrixen, og L3 / Cincinnati Electronics i Mason, Ohio, tilvejebragte siliciumudlæsning og hybridisering. Dette arbejde blev udtænkt for og finansieret af Earth Science Technology Office som et avanceret komponentteknologiudviklingsprojekt.
Original kilde: NASA News Release
