Infrapunakuva NASA-tutkijasta. Klikkaa suurentaaksesi
Infrapuna-ilmaisimien kehittäminen on ollut siunauksen tähtitiedelle. NASA on kehittänyt edullisen vaihtoehdon aikaisemmille infrapuna-ilmaisimille, jotka voisivat löytää monia käyttötarkoituksia täällä maan päällä. Ilmaisinta kutsutaan Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP) -ryhmäksi, ja se voi nopeasti havaita metsäpaloja, havaita kaasuvuotoja ja käyttää monia muita kaupallisia käyttötarkoituksia.
NASA: n johtaman ryhmän kehittämä edullinen ilmaisin voi nyt nähdä näkymättömän infrapunavalon eri väreillä tai aallonpituuksilla.
Ilmaisin, jota kutsuttiin Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP) -ryhmäksi, oli maailman suurin (miljoonan pikselin) infrapunajärjestely, kun projekti julkistettiin maaliskuussa 2003. Se oli edullinen vaihtoehto tavanomaiselle infrapunailmaisintekniikalle laajalle erilaisia tieteellisiä ja kaupallisia sovelluksia. Tuolloin se pystyi kuitenkin havaitsemaan vain kapean infrapunavärivalikoiman, mikä vastaa perinteisen valokuvan tekemistä vain mustavalkoisena. Uusi QWIP-ryhmä on samankokoinen, mutta voi nyt havaita infrapuna-alueen laajalla alueella.
"Kyky nähdä erilaisia infrapuna-aallonpituuksia on tärkeä edistysaskel, joka lisää huomattavasti QWIP-tekniikan potentiaalisia käyttötarkoituksia", kertoi tohtori Murzy Jhabvala NASA: n Goddard-avaruuslentokeskuksesta, Greenbelt, MD, projektin päätutkija.
Infrapunavalo on näkymätön ihmissilmälle, mutta jotkut tyypit ovat lämmön tuottamia ja havaitaan lämpöä. Tavanomaisessa infrapunailmaisimessa on joukko soluja (pikseliä), jotka ovat vuorovaikutuksessa tulevan infrapunavalon hiukkasen (infrapunafotonin) kanssa ja muuntavat sen sähkövirraksi, joka voidaan mitata ja tallentaa. Ne ovat periaatteessa samanlaiset kuin ilmaisimet, jotka muuntavat näkyvän valon digitaalikameralla. Mitä enemmän pikseliä voidaan sijoittaa tietyn koon ilmaisimeen, sitä suurempi resoluutio on, ja NASA: n QWIP-taulukot ovat merkittävä edistysaskel aikaisempiin 300 000 pikselin QWIP-ryhmiin verrattuna, aikaisemmin suurin käytettävissä oleva.
NASA: n QWIP-ilmaisin on Gallium Arsenide (GaAs)-puolijohde siru, jonka päällä on yli 100 kerrosta detektorimateriaalia. Jokainen kerros on erittäin ohut, välillä 10 - 700 atomia paksu, ja kerrokset on suunniteltu toimimaan kvanttikaivoina.
Kvanttikaivot käyttävät mikroskooppisen maailman omituista fysiikkaa, jota kutsutaan kvantimekaniikkaksi, elektronien ansaitsemiseksi, perusvirtahiukkaset, jotka kuljettavat sähkövirtaa, jotta vain tiettyä energiaa käyttävä valo voi vapauttaa ne. Jos oikealla energialla oleva valo osuu yhteen ryhmän kvanttikaivoista, vapautunut elektroni virtaa erillisen sirun läpi taulukon yläpuolella, nimeltään piiluku, missä se tallennetaan. Tietokone käyttää näitä tietoja kuvan luomiseen infrapunalähteestä.
NASAn alkuperäinen QWIP-taulukko pystyi havaitsemaan infrapunavalon, jonka aallonpituus oli 8,4–9,0 mikrometriä. Uudessa versiossa infrapuna on 8–12 mikrometriä. Eteneminen oli mahdollista, koska kvantikaivot voidaan suunnitella havaitsemaan valoa eri energiatasoilla muuttamalla detektorimateriaalikerrosten koostumusta ja paksuutta.
"Tämän ryhmän laaja vaste, etenkin kauko-infrapunassa - 8 - 12 mikrometriä - on ratkaisevan tärkeä infrapunaspektroskopian kannalta", sanoi Jhabvala. Spektroskopia on kohteen valon voimakkuuden analysointi eri väreissä. Toisin kuin yksinkertainen valokuva, joka näyttää vain esineen ulkonäön, spektroskopiaa käytetään keräämään yksityiskohtaisempia tietoja, kuten esineen kemiallinen koostumus, nopeus ja liikesuunta. Spektroskopiaa käytetään rikostutkinnassa; esimerkiksi kertoa, vastaako epäiltyjen vaatteista löydetty kemikaali rikoksen kohdalla olevaa kemikaalia, ja kuinka tähtitieteilijät määrittävät tähdet, joista on tehty, vaikka näytteitä ei ole mahdollista ottaa suoraan, tähdet sijaitsevat useiden biljoonien mailin päässä.
Muita QWIP-ryhmien sovelluksia on paljon. NASA Goddardissa joitain näistä sovelluksista ovat: troposfäärin ja stratosfäärin lämpötilojen tutkiminen ja mikrokemikaalien tunnistaminen; puukatossa olevan energiatasapainon mittaukset; mitataan pilvikerroksen päästöjä, pisaroiden / hiukkasten kokoa, koostumusta ja korkeutta; Tulivuorenpurkauksista syntyvät SO2- ja aerosolipäästöt; pölyhiukkasten jäljittäminen (esim. Saharan autiomaasta); CO2-imeytyminen; rannikkoerosio; valtameren / joen lämpögradientit ja pilaantuminen; analysoimalla radiometrit ja muut tieteelliset laitteet, joita käytetään maapallon työstöön ja ilmakehän tietojen hankkimiseen; maahan perustuva tähtitiede; ja lämpötilan kuulostava.
Mahdolliset kaupalliset sovellukset ovat melko erilaisia. QWIP-taulukkojen hyödyllisyys lääketieteellisessä instrumentissa on dokumentoitu hyvin (OmniCorder, Inc., N.Y.) ja siitä voi tulla yksi merkittävimmistä QWIP-tekniikan ohjaimista. OmniCorder Technologies on onnistunut käyttämään 256 x 256 kapeakaistaista QWIP-taulukkoa pahanlaatuisten kasvainten havaitsemisessa.
Muita mahdollisia kaupallisia sovelluksia QWIP-ryhmille ovat: metsäpalojen ja jäännöspisteiden sijainti; ei-toivotun kasvillisuuden loukkaamisen sijainti; sadon terveyden seuranta; elintarvikkeiden jalostuksen saastumisen, kypsyyden ja pilaantumisen seuranta; voimajohdon muuntajan vikojen löytäminen syrjäisillä alueilla; teollisuustoimintojen, kuten paperitehtaiden, kaivosalueiden ja voimalaitosten jätevesien valvonta; infrapuna-mikroskopia; etsimällä monenlaisia lämpövuotoja ja etsimällä uusia lähdeveden lähteitä.
QWIP-taulukot ovat suhteellisen edullisia, koska ne voidaan valmistaa käyttämällä vakiopuolijohdetekniikkaa, joka tuottaa tietokoneissa käytettyjä piisiruja kaikkialla. Ne voidaan myös tehdä erittäin suuriksi, koska GaA: ita voidaan kasvattaa suurina harkoina, samoin kuin piin.
Kehittämistoimia johti NASA Goddardin instrumenttijärjestelmien ja tekniikan keskus. Armeijan tutkimuslaboratorio (ARL), Adelphi, Md., Auttoi QWIP-ryhmän teoriassa, suunnittelussa ja valmistuksessa, ja L3 / Cincinnati Electronics, Mason, Ohio, tarjosi piin lukeman ja hybridisaation. Tämä työ on suunniteltu ja rahoitettu Earth Science Technology Office -yritykselle Advanced Component Technology -kehityshankkeena.
Alkuperäinen lähde: NASA: n lehdistötiedote
