תמונה אינפרא אדום של חוקר נאס"א. לחץ להגדלה
פיתוח גלאי אינפרא אדום הועיל לאסטרונומיה. נאס"א פיתחה אלטרנטיבה זולה לגלאי אינפרא אדום קודמים, שיכולה למצוא שימושים רבים כאן בכדור הארץ. הגלאי נקרא מערך גלאי אינפרא אדום בצורת קוונטים (QWIP), והוא יכול לאתר במהירות שריפות יער, לאתר דליפות גז ולשימושים מסחריים רבים אחרים.
גלאי זול שפותח על ידי צוות בהנהגת נאס"א יכול כעת לראות אור אינפרא אדום בלתי נראה בטווח של "צבעים" או אורכי גל.
הגלאי, המכונה מערך אינפרא אדום פוטנציאל קוונטית באר קוונט (QWIP), היה מערך האינפרא אדום הגדול ביותר (מיליון פיקסלים) כאשר הוכרז על הפרויקט במרץ 2003. זו הייתה אלטרנטיבה בעלות נמוכה לטכנולוגיית גלאי אינפרא אדום קונבנציונליים לרחבה רחבה מגוון יישומים מדעיים ומסחריים. עם זאת, באותה תקופה הוא יכול היה לזהות רק טווח צר של צבעי אינפרא אדום, המקביל לצילום קונבנציונאלי בשחור-לבן בלבד. מערך ה- QWIP החדש הוא באותו גודל, אך כעת ניתן לחוש באינפרא אדום בטווח רחב.
"היכולת לראות מגוון של אורכי גל אינפרא אדום היא התקדמות חשובה שתגדיל מאוד את השימושים הפוטנציאליים בטכנולוגיית QWIP," אמר ד"ר מורזי ג'בוואלה ממרכז טיסת החלל גודארד של נאס"א, Greenbelt, Md., החוקר הראשי לפרויקט.
אור אינפרא אדום אינו נראה לעין האנושית, אך סוגים מסוימים נוצרים על ידי נתפסים כחום. לגלאי אינפרא אדום קונבנציונאלי יש מספר תאים (פיקסלים) המקיימים אינטראקציה עם חלקיק נכנס של אור אינפרא אדום (פוטון אינפרא אדום) וממיר אותו לזרם חשמלי שניתן למדוד ולהקליט. הם דומים באופן עקרוני לגלאים שממירים אור גלוי במצלמה דיגיטלית. ככל שיותר פיקסלים ניתן להציב על גלאי בגודל מסוים, כך הרזולוציה גבוהה יותר ומערכי QWIP של NASA הם התקדמות משמעותית על פני מערכי QWIP של 300,000 פיקסלים קודמים, שהיו בעבר הגדולים ביותר שקיימים.
גלאי QWIP של נאס"א הוא שבב מוליכים למחצה Gallium Arsenide (GaAs) עם למעלה ממאה שכבות של חומר גלאי. כל שכבה דקה ביותר, בעובי 10-700 אטומים, והשכבות נועדו לפעול כבארות קוונטיות.
בארות קוונטיות מעסיקות את הפיזיקה המוזרה של העולם המיקרוסקופי, המכונה מכניקת הקוונטים, כדי ללכוד אלקטרונים, החלקיקים הבסיסיים הנושאים זרם חשמלי, כך שרק אור עם אנרגיה ספציפית יכול לשחרר אותם. אם האור עם האנרגיה הנכונה פוגע באחת הבארות הקוונטיות במערך, האלקטרון המשוחרר זורם דרך שבב נפרד מעל המערך, המכונה תצוגת הסיליקון, שם הוא מתועד. מחשב משתמש במידע זה כדי ליצור תמונה של המקור האינפרא אדום.
מערך ה- QWIP המקורי של NASA יכול היה לאתר אור אינפרא אדום באורך גל בין 8.4 ל- 9.0 מיקרומטר. בגרסה החדשה ניתן לראות אינפרא אדום בין 8 ל 12 מיקרומטר. ההתקדמות הייתה אפשרית מכיוון שניתן לתכנן בארות קוונטיות לאיתור אור ברמות אנרגיה שונות על ידי שינוי ההרכב והעובי של שכבות חומר הגלאי.
"התגובה הרחבה של מערך זה, במיוחד באינפרא אדום רחוק - 8 עד 12 מיקרומטר - היא קריטית עבור הספקטרוסקופיה האינפרא אדום," אמרה ג'בבלה. ספקטרוסקופיה היא ניתוח של עוצמת האור בצבעים שונים מאובייקט. בשונה מצילום פשוט שמציג רק את המראה של אובייקט, ספקטרוסקופיה משמשת לאיסוף מידע מפורט יותר כמו ההרכב הכימי של האובייקט, מהירותו וכיוון התנועה שלו. ספקטרוסקופיה משמשת בחקירות פליליות; לדוגמה, כדי לדעת אם חומר כימי שנמצא על בגדיו של חשוד תואם לזה בזירת פשע, וככה קובעים אסטרונומים מהם הכוכבים עשויים, אף על פי שאין דרך לקחת דגימה ישירות, עם הכוכבים במרחק טריליוני מיילים.
יישומים אחרים עבור מערכי QWIP הם רבים. בגודארד של נאס"א, חלק מהיישומים הללו כוללים: לימוד טמפרטורות טרופוספרה וסטרטוספרה וזיהוי כימיקלים עקבות; מדידות איזון אנרגיה של חופות עצים; מדידת פליטות שכבת ענן, גודל טיפה / חלקיק, הרכב וגובה; פליטות SO2 ופליטת אירוסול מהתפרצויות געש. מעקב אחר חלקיקי אבק (ממדבר סהרה, למשל); ספיגת CO2; שחיקת החוף; שיפועים תרמיים של אוקיינוס / נהר וזיהום; ניתוח רדיומטרים וציוד מדעי אחר המשמש להשגת גזעי קרקע ורכישת נתונים אטמוספריים; אסטרונומיה מבוססת קרקע; וטמפרטורת צליל.
היישומים המסחריים הפוטנציאליים מגוונים למדי. התועלת של מערכי QWIP במכשירים רפואיים מתועדת היטב (OmniCorder, Inc. ב- N.Y.) ועשויה להפוך לאחד מנהלי ההתקנים המשמעותיים של טכנולוגיית QWIP. ההצלחה של OmniCorder Technologies בשימוש במערכי QWIP עם צמת פס 256 על 256 לצורך סיוע באיתור גידולים ממאירים היא די מדהימה.
יישומים מסחריים פוטנציאליים אחרים עבור מערכי QWIP כוללים: מיקום שריפות יער ונקודות חמות שנותרו; מיקום מפגש צמחייה לא רצוי; ניטור בריאות היבול; ניטור זיהום, בשלות וקלקול בעיבוד מזון; איתור תקלות שנאי קו חשמל באזורים מרוחקים; ניטור שפכים מפעילות תעשייתית כמו טחנות נייר, אתרי כרייה ותחנות כוח; מיקרוסקופיה אינפרא אדום; חיפוש אחר מגוון רחב של נזילות תרמיות, ואיתור מקורות חדשים של מי מעיין.
מערכי QWIP הם זולים יחסית מכיוון שניתן לייצר אותם בטכנולוגיית מוליכים למחצה סטנדרטית המייצרת את שבבי הסיליקון המשמשים במחשבים בכל מקום. ניתן גם ליצור אותם גדולים מאוד, מכיוון שניתן לגדל GaAs במטבעות גדולים, ממש כמו סיליקון.
את מאמץ הפיתוח הוביל המרכז למערכות וטכנולוגיות מכשירים בגודארד של נאס"א. מעבדת המחקר של הצבא (ARL), אדלפי, Md., סייעה בתאוריה, בעיצוב ובייצור של מערך QWIP, ו- L3 / Cincinnati Electronics ממייסון, אוהיו, סיפקו את קריאת הסיליקון והכלאה. עבודה זו תוכננה עבור משרד הבריאות למדעי כדור הארץ ומומנה כפרויקט פיתוח מתקדם לרכיב טכנולוגי.
המקור המקורי: מהדורת החדשות של נאס"א
