Infraroodbeeld van een NASA-onderzoeker. Klik om te vergroten
De ontwikkeling van infrarooddetectoren is een zegen geweest voor de astronomie. NASA heeft een goedkoop alternatief ontwikkeld voor eerdere infrarooddetectoren, die hier op aarde vele toepassingen zouden kunnen hebben. De detector wordt een Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP) -array genoemd en kan snel bosbranden detecteren, gaslekken detecteren en vele andere commerciële toepassingen hebben.
Een goedkope detector die is ontwikkeld door een door NASA geleid team, kan nu onzichtbaar infrarood licht zien in een reeks "kleuren" of golflengten.
De detector, een Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP) array genoemd, was bij de aankondiging van het project in maart 2003 's werelds grootste (één miljoen pixel) infrarood array. Het was een goedkoop alternatief voor conventionele infrarood detector technologie voor een brede scala aan wetenschappelijke en commerciële toepassingen. In die tijd kon het echter slechts een beperkt aantal infraroodkleuren detecteren, wat overeenkomt met het maken van een conventionele foto in alleen zwart-wit. De nieuwe QWIP-array heeft dezelfde afmetingen, maar kan nu infrarood over een breed bereik waarnemen.
"Het vermogen om een reeks infraroodgolflengten te zien is een belangrijke vooruitgang die het potentiële gebruik van de QWIP-technologie aanzienlijk zal vergroten", zegt Dr. Murzy Jhabvala van NASA's Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md., Principal Investigator voor het project.
Infraroodlicht is onzichtbaar voor het menselijk oog, maar sommige typen worden gegenereerd door en ervaren als warmte. Een conventionele infrarooddetector heeft een aantal cellen (pixels) die interageren met een inkomend deeltje van infrarood licht (een infrarood foton) en dit omzetten in een elektrische stroom die kan worden gemeten en geregistreerd. Ze zijn in principe vergelijkbaar met de detectoren die zichtbaar licht in een digitale camera omzetten. Hoe meer pixels er op een detector van een bepaalde grootte kunnen worden geplaatst, hoe groter de resolutie, en NASA's QWIP-arrays zijn een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van eerdere QWIP-arrays van 300.000 pixels, voorheen de grootste die beschikbaar waren.
De QWIP-detector van NASA is een Gallium Arsenide (GaAs) halfgeleiderchip met daarop meer dan 100 lagen detectormateriaal. Elke laag is extreem dun, variërend van 10 tot 700 atomen dik, en de lagen zijn ontworpen om als kwantumputten te werken.
Quantumbronnen maken gebruik van de bizarre fysica van de microscopische wereld, quantummechanica genoemd, om elektronen op te vangen, de fundamentele deeltjes die elektrische stroom dragen, zodat alleen licht met een specifieke energie ze kan afgeven. Als licht met de juiste energie een van de kwantumputten in de array raakt, stroomt het vrijgemaakte elektron door een afzonderlijke chip boven de array, de siliciumuitlezing genoemd, waar het wordt geregistreerd. Een computer gebruikt deze informatie om een afbeelding van de infraroodbron te maken.
De originele QWIP-array van NASA kon infrarood licht detecteren met een golflengte tussen 8,4 en 9,0 micrometer. De nieuwe versie kan infrarood zien tussen 8 en 12 micrometer. De vooruitgang was mogelijk omdat kwantumputten kunnen worden ontworpen om licht met verschillende energieniveaus te detecteren door de samenstelling en dikte van de detectormateriaallagen te variëren.
"De brede respons van deze array, vooral in het verre infrarood - 8 tot 12 micrometer - is cruciaal voor infraroodspectroscopie", zegt Jhabvala. Spectroscopie is een analyse van de lichtintensiteit bij verschillende kleuren van een object. In tegenstelling tot een eenvoudige foto die alleen het uiterlijk van een object laat zien, wordt spectroscopie gebruikt om meer gedetailleerde informatie te verzamelen, zoals de chemische samenstelling, snelheid en bewegingsrichting van het object. Spectroscopie wordt gebruikt bij strafrechtelijk onderzoek; bijvoorbeeld om te zien of een chemische stof die op de kleding van een verdachte wordt aangetroffen, overeenkomt met die op een plaats delict, en zo bepalen astronomen waar sterren van gemaakt zijn, ook al is er geen manier om rechtstreeks een monster te nemen, met de sterren op vele triljoenen kilometers afstand.
Andere toepassingen voor QWIP-arrays zijn talrijk. Bij NASA Goddard omvatten enkele van deze toepassingen: het bestuderen van de troposfeer en stratosfeer temperaturen en het identificeren van sporenchemicaliën; baldakijn energiebalans metingen; het meten van de emissiviteit van wolkenlagen, de grootte van druppels / deeltjes, samenstelling en hoogte; SO2- en aerosolemissies door vulkaanuitbarstingen; stofdeeltjes volgen (bijvoorbeeld uit de Sahara-woestijn); CO2-opname; kusterosie; oceaan / rivier thermische gradiënten en vervuiling; het analyseren van radiometers en andere wetenschappelijke apparatuur die wordt gebruikt om grondinformatie en atmosferische data-acquisitie te verkrijgen; astronomie op de grond; en temperatuur klinken.
De potentiële commerciële toepassingen zijn behoorlijk divers. Het nut van QWIP-arrays in medische instrumentatie is goed gedocumenteerd (OmniCorder, Inc. in N.Y.) en kan een van de belangrijkste QWIP-technologiedrivers worden. Het succes van OmniCorder Technologies is het gebruik van 256 x 256 smalbandige QWIP-arrays voor het opsporen van kwaadaardige tumoren.
Andere potentiële commerciële toepassingen voor QWIP-arrays zijn: locatie van bosbranden en resterende warme plekken; locatie van ongewenste aantasting door vegetatie; toezicht houden op de gezondheid van gewassen; het monitoren van besmetting, rijpheid en bederf van voedselverwerking; lokaliseren van stroomlijntransformatorfouten in afgelegen gebieden; het bewaken van afvalwater van industriële activiteiten zoals papierfabrieken, mijnbouwlocaties en energiecentrales; infrarood microscopie; op zoek naar een grote verscheidenheid aan thermische lekken en nieuwe bronnen van bronwater lokaliseren.
De QWIP-arrays zijn relatief goedkoop omdat ze kunnen worden vervaardigd met behulp van standaard halfgeleidertechnologie die de siliciumchips produceert die overal in computers worden gebruikt. Ze kunnen ook erg groot worden gemaakt, omdat GaAs in grote blokken kunnen worden gekweekt, net als silicium.
De ontwikkelingsinspanning werd geleid door het Instrument Systems and Technology Center van NASA Goddard. Het Army Research Laboratory (ARL), Adelphi, Md., Was behulpzaam bij de theorie, het ontwerp en de fabricage van de QWIP-array, en L3 / Cincinnati Electronics uit Mason, Ohio, zorgde voor de siliciumuitlezing en hybridisatie. Dit werk is bedacht voor en gefinancierd door het Earth Science Technology Office als een ontwikkelingsproject voor geavanceerde componenttechnologie.
Oorspronkelijke bron: NASA News Release
