Hình ảnh hồng ngoại của một nhà nghiên cứu của NASA. Nhấn vào đây để phóng to
Sự phát triển của máy dò hồng ngoại đã mang lại lợi ích cho thiên văn học. NASA đã phát triển một giải pháp thay thế rẻ tiền cho các máy dò hồng ngoại trước đây, có thể tìm thấy nhiều ứng dụng ở đây trên Trái đất. Máy dò được gọi là mảng Photodetector hồng ngoại lượng tử (QWIP) và nó có thể nhanh chóng phát hiện ra các đám cháy rừng, phát hiện rò rỉ khí và có nhiều ứng dụng thương mại khác.
Một máy dò giá rẻ được phát triển bởi một nhóm do NASA dẫn đầu giờ đây có thể nhìn thấy ánh sáng hồng ngoại vô hình trong một loạt các màu sắc, màu sắc hoặc bước sóng.
Máy dò, được gọi là mảng Máy phát quang hồng ngoại lượng tử (QWIP), là mảng hồng ngoại lớn nhất thế giới (một triệu pixel) khi dự án được công bố vào tháng 3 năm 2003. Đây là một giải pháp thay thế chi phí thấp cho công nghệ dò hồng ngoại thông thường cho phạm vi rộng. phạm vi ứng dụng khoa học và thương mại. Tuy nhiên, tại thời điểm đó, nó chỉ có thể phát hiện một dải màu hồng ngoại hẹp, tương đương với việc tạo ra một bức ảnh thông thường chỉ có màu đen và trắng. Mảng QWIP mới có cùng kích thước nhưng giờ đây có thể cảm nhận được hồng ngoại trên một phạm vi rộng.
Tiến sĩ Murzy Jhabvala thuộc Trung tâm bay không gian NASA Goddard, Greenbelt, Md., Điều tra viên chính của dự án cho biết, khả năng nhìn thấy một loạt các bước sóng hồng ngoại là một bước tiến quan trọng.
Ánh sáng hồng ngoại là vô hình đối với mắt người, nhưng một số loại được tạo ra và được coi là nhiệt. Một máy dò hồng ngoại thông thường có một số tế bào (pixel) tương tác với một hạt ánh sáng hồng ngoại tới (một photon hồng ngoại) và chuyển đổi nó thành một dòng điện có thể đo và ghi lại được. Về nguyên tắc, chúng tương tự như các máy dò chuyển đổi ánh sáng nhìn thấy trong máy ảnh kỹ thuật số. Càng nhiều pixel có thể được đặt trên máy dò có kích thước nhất định, độ phân giải càng lớn và mảng QWIP của NASA là một bước tiến đáng kể so với mảng QWIP 300.000 pixel trước đó, trước đây là lớn nhất.
Máy dò QWIP của NASA là một chip bán dẫn Gallium Arsenide (GaAs) với hơn 100 lớp vật liệu dò trên đầu. Mỗi lớp cực kỳ mỏng, dày từ 10 đến 700 nguyên tử và các lớp được thiết kế để hoạt động như các giếng lượng tử.
Các giếng lượng tử sử dụng vật lý kỳ quái của thế giới vi mô, được gọi là cơ học lượng tử, để bẫy các electron, các hạt cơ bản mang dòng điện, do đó chỉ có ánh sáng với một năng lượng cụ thể mới có thể giải phóng chúng. Nếu ánh sáng có năng lượng chính xác chạm vào một trong các giếng lượng tử trong mảng, thì electron tự do sẽ chảy qua một con chip riêng biệt phía trên mảng, được gọi là đọc silicon, nơi nó được ghi lại. Một máy tính sử dụng thông tin này để tạo ra hình ảnh của nguồn hồng ngoại.
Mảng QWIP ban đầu của NASA có thể phát hiện ánh sáng hồng ngoại có bước sóng trong khoảng từ 8.4 đến 9.0 micromet. Phiên bản mới có thể thấy hồng ngoại trong khoảng từ 8 đến 12 micromet. Sự tiến bộ là có thể bởi vì các giếng lượng tử có thể được thiết kế để phát hiện ánh sáng với các mức năng lượng khác nhau bằng cách thay đổi thành phần và độ dày của các lớp vật liệu máy dò.
Jhabvala cho biết, phản ứng rộng của mảng này, đặc biệt là ở vùng hồng ngoại xa - 8 đến 12 micromet - rất quan trọng đối với quang phổ hồng ngoại. Quang phổ là một phân tích về cường độ ánh sáng ở các màu khác nhau từ một vật thể. Không giống như một bức ảnh đơn giản chỉ cho thấy sự xuất hiện của một vật thể, quang phổ được sử dụng để thu thập thông tin chi tiết hơn như thành phần hóa học, tốc độ và hướng chuyển động của vật thể. Quang phổ được sử dụng trong điều tra tội phạm; ví dụ, để nói nếu một hóa chất được tìm thấy trên các trận đấu quần áo của một người nghi ngờ rằng tại một hiện trường vụ án, và đó là cách các nhà thiên văn xác định những ngôi sao được làm bằng mặc dù không có cách nào để có một mẫu trực tiếp, với các ngôi sao nhiều nghìn tỷ dặm.
Các ứng dụng khác cho mảng QWIP rất nhiều. Tại NASA Goddard, một số ứng dụng này bao gồm: nghiên cứu nhiệt độ tầng đối lưu và tầng bình lưu và xác định hóa chất vi lượng; đo cân bằng năng lượng tán cây; đo độ phát xạ của tầng mây, kích thước hạt / hạt, thành phần và chiều cao; Phát thải SO2 và aerosol từ các vụ phun trào núi lửa; theo dõi các hạt bụi (từ sa mạc Sahara, ví dụ :); Hấp thụ CO2; duyên hải ven biển; độ dốc nhiệt đại dương / sông và ô nhiễm; phân tích máy đo phóng xạ và các thiết bị khoa học khác được sử dụng trong việc thu thập dữ liệu mặt đất và thu thập dữ liệu khí quyển; thiên văn học trên mặt đất; và âm thanh nhiệt độ.
Các ứng dụng thương mại tiềm năng khá đa dạng. Tiện ích của mảng QWIP trong thiết bị y tế được ghi lại rõ ràng (OmniCorder, Inc. ở N.Y.) và có thể trở thành một trong những trình điều khiển công nghệ QWIP quan trọng nhất. Thành công của OmniCorder Technologies sử dụng mảng QWIP băng hẹp 256 x 256 để hỗ trợ phát hiện khối u ác tính là khá đáng chú ý.
Các ứng dụng thương mại tiềm năng khác cho mảng QWIP bao gồm: vị trí của các vụ cháy rừng và các điểm ấm còn lại; vị trí lấn chiếm thảm thực vật không mong muốn; theo dõi sức khỏe cây trồng; giám sát ô nhiễm chế biến thực phẩm, độ chín và hư hỏng; định vị sự cố máy biến dòng điện ở vùng sâu vùng xa; giám sát nước thải từ các hoạt động công nghiệp như nhà máy giấy, khu khai thác và nhà máy điện; kính hiển vi hồng ngoại; tìm kiếm nhiều loại rò rỉ nhiệt và định vị các nguồn nước suối mới.
Các mảng QWIP tương đối rẻ tiền vì chúng có thể được chế tạo bằng công nghệ bán dẫn tiêu chuẩn tạo ra các chip silicon được sử dụng trong máy tính ở khắp mọi nơi. Chúng cũng có thể được làm rất lớn, vì GaAs có thể được trồng trong các thỏi lớn, giống như silicon.
Nỗ lực phát triển được dẫn dắt bởi Trung tâm Công nghệ và Hệ thống Thiết bị tại NASA Goddard. Phòng thí nghiệm nghiên cứu quân sự (ARL), Adelphi, Md., Là công cụ trong lý thuyết, thiết kế và chế tạo mảng QWIP, và L3 / Cincinnati Electronics của Mason, Ohio, đã cung cấp khả năng đọc và lai silicon. Công trình này được hình thành và được tài trợ bởi Văn phòng Công nghệ Khoa học Trái đất như một dự án phát triển Công nghệ Thành phần Tiên tiến.
Nguồn gốc: NASA News Release
