Immagine a infrarossi di un ricercatore della NASA. clicca per ingrandire
Lo sviluppo di rivelatori a infrarossi è stato un vantaggio per l'astronomia. La NASA ha sviluppato un'alternativa economica ai precedenti rivelatori a infrarossi, che potrebbero trovare molti usi qui sulla Terra. Il rivelatore è chiamato array QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector) e può individuare rapidamente gli incendi boschivi, rilevare perdite di gas e avere molti altri usi commerciali.
Un rilevatore economico sviluppato da un team guidato dalla NASA ora può vedere la luce infrarossa invisibile in una gamma di "colori" o lunghezze d'onda.
Il rivelatore, chiamato array QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector), era l'array a infrarossi più grande del mondo (un milione di pixel) quando il progetto fu annunciato nel marzo 2003. Era un'alternativa a basso costo alla convenzionale tecnologia del rivelatore a infrarossi per un ampio gamma di applicazioni scientifiche e commerciali. Tuttavia, al momento era in grado di rilevare solo una gamma ristretta di colori a infrarossi, equivalente a fare una fotografia convenzionale solo in bianco e nero. Il nuovo array QWIP ha le stesse dimensioni ma ora può rilevare gli infrarossi su un ampio raggio.
"La capacità di vedere una gamma di lunghezze d'onda a infrarossi è un progresso importante che aumenterà notevolmente i potenziali usi della tecnologia QWIP", ha affermato il dott. Murzy Jhabvala del Goddard Space Flight Center della NASA, Greenbelt, Md., Investigatore principale del progetto.
La luce infrarossa è invisibile all'occhio umano, ma alcuni tipi sono generati e percepiti come calore. Un rivelatore a infrarossi convenzionale ha un numero di celle (pixel) che interagiscono con una particella in arrivo di luce infrarossa (un fotone infrarosso) e la convertono in una corrente elettrica che può essere misurata e registrata. Sono simili in linea di principio ai rivelatori che convertono la luce visibile in una fotocamera digitale. Maggiore è il numero di pixel che possono essere posizionati su un rilevatore di una determinata dimensione, maggiore è la risoluzione e gli array QWIP della NASA rappresentano un progresso significativo rispetto ai precedenti array QWIP da 300.000 pixel, in precedenza i più grandi disponibili.
Il rivelatore QWIP della NASA è un chip semiconduttore all'arseniuro di gallio (GaAs) con oltre 100 strati di materiale rivelatore nella parte superiore. Ogni strato è estremamente sottile, con uno spessore compreso tra 10 e 700 atomi, e gli strati sono progettati per fungere da pozzi quantici.
I pozzi quantistici impiegano la bizzarra fisica del mondo microscopico, chiamata meccanica quantistica, per intrappolare gli elettroni, le particelle fondamentali che trasportano corrente elettrica, in modo che solo la luce con un'energia specifica possa liberarli. Se la luce con l'energia corretta colpisce uno dei pozzi quantici nell'array, l'elettrone liberato scorre attraverso un chip separato sopra l'array, chiamato lettura del silicio, dove viene registrato. Un computer utilizza queste informazioni per creare un'immagine della sorgente a infrarossi.
L'array QWIP originale della NASA è in grado di rilevare la luce a infrarossi con una lunghezza d'onda compresa tra 8,4 e 9,0 micrometri. La nuova versione può vedere infrarossi tra 8 e 12 micrometri. L'avanzamento è stato possibile perché i pozzi quantici possono essere progettati per rilevare la luce con diversi livelli di energia variando la composizione e lo spessore degli strati di materiale del rivelatore.
"L'ampia risposta di questo array, in particolare nel lontano infrarosso - da 8 a 12 micrometri - è cruciale per la spettroscopia infrarossa", ha affermato Jhabvala. La spettroscopia è un'analisi dell'intensità della luce a diversi colori da un oggetto. A differenza di una semplice fotografia che mostra solo l'aspetto di un oggetto, la spettroscopia viene utilizzata per raccogliere informazioni più dettagliate come la composizione chimica, la velocità e la direzione del movimento dell'oggetto. La spettroscopia viene utilizzata nelle indagini penali; per esempio, per dire se una sostanza chimica trovata sull'abbigliamento di un sospetto corrisponde a quella sulla scena del crimine, ed è il modo in cui gli astronomi determinano di cosa sono fatte le stelle anche se non c'è modo di prelevare un campione direttamente, con le stelle a molti trilioni di miglia di distanza.
Altre applicazioni per gli array QWIP sono numerose. Alla NASA Goddard, alcune di queste applicazioni includono: lo studio delle temperature della troposfera e della stratosfera e l'identificazione di tracce chimiche; misurazioni del bilancio energetico della chioma dell'albero; misurazione delle emissività dello strato di nuvola, dimensione, composizione e altezza di goccioline / particelle; Emissioni di SO2 e di aerosol da eruzioni vulcaniche; monitoraggio delle particelle di polvere (dal deserto del Sahara, ad esempio); Assorbimento di CO2; Erosione delle coste; gradienti termici e inquinamento oceano / fiume; analisi di radiometri e altre apparecchiature scientifiche utilizzate per ottenere verità sul terreno e acquisizione di dati atmosferici; astronomia terrestre; e il suono della temperatura.
Le potenziali applicazioni commerciali sono piuttosto diverse. L'utilità degli array QWIP nella strumentazione medica è ben documentata (OmniCorder, Inc. a New York) e può diventare uno dei driver di tecnologia QWIP più significativi. Il successo di OmniCorder Technologies nell'uso di array QWIP a banda stretta 256 x 256 per aiutare nella rilevazione di tumori maligni è abbastanza notevole.
Altre potenziali applicazioni commerciali per gli array QWIP includono: ubicazione di incendi boschivi e punti caldi residui; posizione di invasione indesiderata della vegetazione; monitoraggio della salute delle colture; monitorare la contaminazione, la maturità e il deterioramento della trasformazione degli alimenti; localizzare guasti del trasformatore di linea elettrica in aree remote; monitoraggio degli effluenti da operazioni industriali come cartiere, siti minerari e centrali elettriche; microscopia a infrarossi; ricerca di una vasta gamma di perdite termiche e individuazione di nuove fonti di acqua sorgiva.
Gli array QWIP sono relativamente economici perché possono essere fabbricati utilizzando la tecnologia standard a semiconduttore che produce i chip di silicio utilizzati nei computer ovunque. Possono anche essere resi molto grandi, perché i GaA possono essere coltivati in grandi lingotti, proprio come il silicio.
Lo sforzo di sviluppo è stato guidato dal Instrument Systems and Technology Center presso la NASA Goddard. L'Esercito Research Laboratory (ARL), Adelphi, Md., È stato determinante nella teoria, progettazione e fabbricazione dell'array QWIP, e L3 / Cincinnati Electronics di Mason, Ohio, ha fornito la lettura e l'ibridazione del silicio. Questo lavoro è stato concepito e finanziato dall'Ufficio per le scienze della terra come un progetto di sviluppo per la tecnologia dei componenti avanzati.
Fonte originale: Comunicato stampa della NASA
