Инфракрасное изображение исследователя НАСА. нажмите, чтобы увеличить
Разработка инфракрасных детекторов была благом для астрономии. НАСА разработало недорогую альтернативу предыдущим инфракрасным детекторам, которые могут найти множество применений здесь, на Земле. Детектор называется матрицей инфракрасных фотоприемников Quantum Well (QWIP), и он может быстро обнаруживать лесные пожары, обнаруживать утечки газа и иметь много других коммерческих применений.
Недорогой детектор, разработанный командой под руководством НАСА, теперь может видеть невидимый инфракрасный свет в диапазоне «цветов» или длин волн.
Детектор, названный массивом инфракрасных фотоприемников Quantum Well (QWIP), представлял собой крупнейшую в мире инфракрасную матрицу (один миллион пикселей), когда проект был анонсирован в марте 2003 года. Это была недорогая альтернатива обычной технологии инфракрасных детекторов для широкого спектра спектр научных и коммерческих приложений. Однако в то время он мог обнаруживать только узкий диапазон инфракрасных цветов, что эквивалентно созданию обычной фотографии только в черно-белом режиме. Новый массив QWIP имеет тот же размер, но теперь может воспринимать инфракрасные лучи в широком диапазоне.
«Возможность видеть диапазон инфракрасных длин волн является важным достижением, которое значительно увеличит потенциальное использование технологии QWIP», - сказал д-р Мурзи Джабвала из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА, Гринбелт, штат Мэриленд, главного исследователя проекта.
Инфракрасный свет невидим для человеческого глаза, но некоторые типы генерируются и воспринимаются как тепло. Обычный инфракрасный детектор имеет несколько ячеек (пикселей), которые взаимодействуют с входящей частицей инфракрасного света (инфракрасным фотоном) и преобразуют ее в электрический ток, который можно измерить и записать. Они в принципе похожи на детекторы, которые преобразуют видимый свет в цифровой камере. Чем больше пикселей можно разместить на детекторе заданного размера, тем выше разрешение, а массивы QWIP НАСА - это значительное преимущество по сравнению с более ранними массивами QWIP на 300 000 пикселей, которые ранее были самыми большими из доступных.
Детектор QWIP НАСА представляет собой полупроводниковый чип на основе арсенида галлия (GaAs) с более чем 100 слоями детекторного материала сверху. Каждый слой чрезвычайно тонкий, толщиной от 10 до 700 атомов, и слои предназначены для работы в качестве квантовых ям.
Квантовые ямы используют причудливую физику микроскопического мира, называемую квантовой механикой, для захвата электронов, фундаментальных частиц, несущих электрический ток, так что только свет с определенной энергией может их высвободить. Если свет с правильной энергией попадает в одну из квантовых ям в массиве, освобожденный электрон протекает через отдельный чип над решеткой, называемый кремниевым отсчетом, где он регистрируется. Компьютер использует эту информацию для создания изображения источника инфракрасного излучения.
Оригинальная матрица НАСА QWIP могла обнаруживать инфракрасный свет с длиной волны от 8,4 до 9,0 микрометров. Новая версия может видеть инфракрасное излучение от 8 до 12 микрометров. Это стало возможным благодаря тому, что квантовые ямы могут быть спроектированы для обнаружения света с различными уровнями энергии путем изменения состава и толщины слоев материала детектора.
«Широкий отклик этого массива, особенно в дальнем инфракрасном диапазоне - от 8 до 12 микрометров - имеет решающее значение для инфракрасной спектроскопии», - сказал Джабвала. Спектроскопия - это анализ интенсивности света разных цветов от объекта. В отличие от простой фотографии, на которой просто показан внешний вид объекта, спектроскопия используется для сбора более подробной информации, такой как химический состав объекта, скорость и направление движения. Спектроскопия используется в уголовных расследованиях; например, чтобы определить, соответствует ли химическое вещество, обнаруженное на одежде подозреваемого, на месте преступления, и именно так астрономы определяют, из чего состоят звезды, даже если нет никакого способа взять образец напрямую, так как звезды находятся на расстоянии многих триллионов миль.
Другие приложения для массивов QWIP многочисленны. В НАСА Годдард некоторые из этих приложений включают в себя: изучение температуры тропосферы и стратосферы и выявление микроэлементов; измерения энергетического баланса кроны деревьев; измерение излучательной способности облачного слоя, размера капель / частиц, состава и высоты; Выбросы SO2 и аэрозолей в результате извержений вулканов; отслеживание частиц пыли (например, из пустыни Сахара); Поглощение СО2; береговая эрозия; температурные градиенты океана / реки и загрязнение; анализ радиометров и другого научного оборудования, используемого для получения наземных данных и сбора данных об атмосфере; наземная астрономия; и температурное зондирование.
Потенциальные коммерческие применения весьма разнообразны. Полезность массивов QWIP в медицинских приборах хорошо документирована (OmniCorder, Inc. в Нью-Йорке) и может стать одним из наиболее значительных драйверов технологии QWIP. Успех OmniCorder Technologies в использовании узкополосных массивов QWIP 256 x 256 для помощи в обнаружении злокачественных опухолей весьма примечателен.
Другие потенциальные коммерческие применения для массивов QWIP включают в себя: определение местоположения лесных пожаров и остаточных теплых мест; местонахождение нежелательных растительных посягательств; мониторинг здоровья урожая; контроль за загрязнением, зрелостью и порчей пищевых продуктов; выявление сбоев в работе силовых трансформаторов в отдаленных районах; мониторинг сточных вод от промышленных предприятий, таких как бумажные фабрики, рудники и электростанции; инфракрасная микроскопия; поиск широкого спектра тепловых утечек и поиск новых источников родниковой воды.
Массивы QWIP относительно недороги, потому что они могут быть изготовлены с использованием стандартной полупроводниковой технологии, которая производит кремниевые чипы, используемые в компьютерах повсеместно. Они также могут быть сделаны очень большими, потому что GaAs может быть выращен в больших слитках, как кремний.
Работу по разработке возглавлял Центр инструментальных систем и технологий НАСА Годдард. Армейская исследовательская лаборатория (ARL), Адельфи, Мэриленд, сыграла важную роль в теории, проектировании и изготовлении массива QWIP, а L3 / Cincinnati Electronics of Mason, Ohio, обеспечивала считывание и гибридизацию кремния. Эта работа была задумана и профинансирована Бюро наук о Земле как проект по разработке передовых технологий компонентов.
Первоисточник: пресс-релиз НАСА
