Infrarotbild eines NASA-Forschers. klicken um zu vergrößern
Die Entwicklung von Infrarotdetektoren war ein Segen für die Astronomie. Die NASA hat eine kostengünstige Alternative zu früheren Infrarotdetektoren entwickelt, die hier auf der Erde viele Anwendungen finden könnten. Der Detektor wird als QWIP-Array (Quantum Well Infrared Photodetector) bezeichnet und kann Waldbrände schnell erkennen, Gaslecks erkennen und viele andere kommerzielle Anwendungen haben.
Ein kostengünstiger Detektor, der von einem von der NASA geführten Team entwickelt wurde, kann jetzt unsichtbares Infrarotlicht in einer Reihe von „Farben“ oder Wellenlängen sehen.
Der Detektor, der als QWIP-Array (Quantum Well Infrared Photodetector) bezeichnet wird, war das weltweit größte Infrarot-Array (eine Million Pixel), als das Projekt im März 2003 angekündigt wurde. Er war eine kostengünstige Alternative zur herkömmlichen Infrarot-Detektortechnologie für eine breite Palette Reihe von wissenschaftlichen und kommerziellen Anwendungen. Zu diesem Zeitpunkt konnte jedoch nur ein enger Bereich von Infrarotfarben erfasst werden, was einer herkömmlichen Fotografie in Schwarzweiß entspricht. Das neue QWIP-Array hat dieselbe Größe, kann jetzt jedoch Infrarot über einen weiten Bereich erfassen.
"Die Fähigkeit, einen Bereich von Infrarotwellenlängen zu sehen, ist ein wichtiger Fortschritt, der die potenziellen Einsatzmöglichkeiten der QWIP-Technologie erheblich erhöhen wird", sagte Dr. Murzy Jhabvala vom Goddard Space Flight Center der NASA, Greenbelt, Md., Principal Investigator für das Projekt.
Infrarotlicht ist für das menschliche Auge unsichtbar, aber einige Arten werden durch Wärme erzeugt und als Wärme wahrgenommen. Ein herkömmlicher Infrarotdetektor weist eine Anzahl von Zellen (Pixel) auf, die mit einem einfallenden Teilchen von Infrarotlicht (einem Infrarotphoton) interagieren und es in einen elektrischen Strom umwandeln, der gemessen und aufgezeichnet werden kann. Sie ähneln im Prinzip den Detektoren, die sichtbares Licht in einer Digitalkamera umwandeln. Je mehr Pixel auf einem Detektor einer bestimmten Größe platziert werden können, desto höher ist die Auflösung. Die QWIP-Arrays der NASA sind ein deutlicher Fortschritt gegenüber früheren QWIP-Arrays mit 300.000 Pixeln, die zuvor die größten auf dem Markt waren.
Der QWIP-Detektor der NASA ist ein Galliumarsenid (GaAs) -Halbleiterchip mit über 100 Schichten Detektormaterial. Jede Schicht ist extrem dünn und hat eine Dicke von 10 bis 700 Atomen. Die Schichten dienen als Quantentöpfe.
Quantentöpfe nutzen die bizarre Physik der mikroskopischen Welt, die sogenannte Quantenmechanik, um Elektronen einzufangen, die fundamentalen Teilchen, die elektrischen Strom führen, so dass nur Licht mit einer bestimmten Energie sie freisetzen kann. Wenn Licht mit der richtigen Energie auf eine der Quantentöpfe im Array trifft, fließt das freigesetzte Elektron durch einen separaten Chip über dem Array, der als Siliziumauslesung bezeichnet wird, wo es aufgezeichnet wird. Ein Computer verwendet diese Informationen, um ein Bild der Infrarotquelle zu erstellen.
Das ursprüngliche QWIP-Array der NASA konnte Infrarotlicht mit einer Wellenlänge zwischen 8,4 und 9,0 Mikrometern erfassen. Die neue Version kann Infrarot zwischen 8 und 12 Mikrometern sehen. Der Fortschritt war möglich, weil Quantentöpfe so ausgelegt werden können, dass sie Licht mit unterschiedlichen Energieniveaus durch Variation der Zusammensetzung und Dicke der Detektormaterialschichten erfassen.
"Die breite Reaktion dieses Arrays, insbesondere im fernen Infrarot - 8 bis 12 Mikrometer - ist für die Infrarotspektroskopie von entscheidender Bedeutung", sagte Jhabvala. Spektroskopie ist eine Analyse der Lichtintensität bei verschiedenen Farben eines Objekts. Im Gegensatz zu einem einfachen Foto, das nur das Erscheinungsbild eines Objekts zeigt, werden mithilfe der Spektroskopie detailliertere Informationen wie die chemische Zusammensetzung, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Objekts erfasst. Die Spektroskopie wird bei strafrechtlichen Ermittlungen eingesetzt. Zum Beispiel, um festzustellen, ob eine Chemikalie, die auf der Kleidung eines Verdächtigen gefunden wurde, mit der an einem Tatort übereinstimmt, und wie Astronomen bestimmen, aus welchen Sternen sie bestehen, obwohl es keine Möglichkeit gibt, direkt eine Probe zu entnehmen, wobei die Sterne viele Billionen Meilen entfernt sind.
Andere Anwendungen für QWIP-Arrays sind zahlreich. Bei der NASA Goddard gehören zu diesen Anwendungen: Untersuchung der Troposphären- und Stratosphärentemperaturen und Identifizierung von Spurenchemikalien; Energiebilanzmessungen der Baumkronen; Messen der Emissionsgrade der Wolkenschicht, der Tröpfchen- / Partikelgröße, der Zusammensetzung und der Höhe; SO2- und Aerosolemissionen aus Vulkanausbrüchen; Verfolgung von Staubpartikeln (z. B. aus der Sahara); CO2-Absorption; Küstenerosion; Wärmegradienten und Verschmutzung des Ozeans / Flusses; Analyse von Radiometern und anderen wissenschaftlichen Geräten, die zur Erlangung der Bodenbearbeitung und zur Erfassung atmosphärischer Daten verwendet werden; bodengestützte Astronomie; und Temperatur klingt.
Die möglichen kommerziellen Anwendungen sind sehr unterschiedlich. Die Nützlichkeit von QWIP-Arrays in medizinischen Instrumenten ist gut dokumentiert (OmniCorder, Inc. in NY) und kann zu einem der wichtigsten Treiber für die QWIP-Technologie werden. Der Erfolg der Verwendung von 256 x 256 Schmalband-QWIP-Arrays durch OmniCorder Technologies zur Unterstützung der Erkennung von bösartigen Tumoren ist bemerkenswert.
Andere mögliche kommerzielle Anwendungen für QWIP-Arrays umfassen: Ort von Waldbränden und verbleibenden warmen Stellen; Ort unerwünschter Eingriffe in die Vegetation; Überwachung der Pflanzengesundheit; Überwachung der Kontamination, Reife und des Verderbens der Lebensmittelverarbeitung; Lokalisieren von Ausfällen von Stromleitungstransformatoren in abgelegenen Gebieten; Überwachung von Abwässern aus Industriebetrieben wie Papierfabriken, Bergbaustandorten und Kraftwerken; Infrarotmikroskopie; Suche nach einer Vielzahl von thermischen Lecks und Suche nach neuen Quellwasserquellen.
Die QWIP-Arrays sind relativ kostengünstig, da sie unter Verwendung der Standard-Halbleitertechnologie hergestellt werden können, die die in Computern überall verwendeten Siliziumchips produziert. Sie können auch sehr groß gemacht werden, da GaAs genau wie Silizium in großen Barren gezüchtet werden kann.
Die Entwicklungsbemühungen wurden vom Instrument Systems and Technology Center der NASA Goddard geleitet. Das Army Research Laboratory (ARL), Adelphi, Md., War maßgeblich an der Theorie, dem Design und der Herstellung des QWIP-Arrays beteiligt, und L3 / Cincinnati Electronics aus Mason, Ohio, lieferte die Siliziumauslesung und -hybridisierung. Diese Arbeit wurde vom Earth Science Technology Office als Entwicklungsprojekt für Advanced Component Technology konzipiert und finanziert.
Originalquelle: NASA-Pressemitteilung
