صورة بالأشعة تحت الحمراء لباحث ناسا. اضغط للتكبير
لقد كان تطوير كاشفات الأشعة تحت الحمراء نعمة لعلم الفلك. طورت وكالة ناسا بديلاً غير مكلف لأجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء السابقة ، والتي يمكن أن تجد العديد من الاستخدامات هنا على الأرض. يسمى الكاشف بمصفوفة كاشف الضوء بالأشعة تحت الحمراء (QWIP) Quantum Well ، ويمكنه اكتشاف حرائق الغابات بسرعة واكتشاف تسرب الغاز وله العديد من الاستخدامات التجارية الأخرى.
يمكن للكاشف غير المكلف الذي طوره فريق بقيادة ناسا الآن رؤية ضوء الأشعة تحت الحمراء غير المرئي في مجموعة من "الألوان" أو الأطوال الموجية.
كان الكاشف ، المسمى صفيف Quantum Well Infodetector (QWIP) ، هو أكبر مجموعة الأشعة تحت الحمراء في العالم (مليون بكسل) عندما تم الإعلان عن المشروع في مارس 2003. كان بديلاً منخفض التكلفة لتقنية كاشف الأشعة تحت الحمراء التقليدية لمجموعة واسعة مجموعة من التطبيقات العلمية والتجارية. ومع ذلك ، في ذلك الوقت ، كان بإمكانها فقط اكتشاف نطاق ضيق من ألوان الأشعة تحت الحمراء ، وهو ما يعادل إنشاء صورة تقليدية باللونين الأبيض والأسود فقط. صفيف QWIP الجديد هو نفس الحجم ولكن يمكن الآن استشعار الأشعة تحت الحمراء على نطاق واسع.
قال الدكتور مورزي جابفالا من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لوكالة ناسا ، غرين بيلت ، ماريلاند ، الباحث الرئيسي للمشروع: "إن القدرة على رؤية مجموعة من الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء تقدم مهم سيزيد بشكل كبير من الاستخدامات المحتملة لتقنية QWIP".
ضوء الأشعة تحت الحمراء غير مرئي للعين البشرية ، ولكن يتم توليد بعض الأنواع من الحرارة. يحتوي كاشف الأشعة تحت الحمراء التقليدي على عدد من الخلايا (البكسل) التي تتفاعل مع جسيم وارد من الأشعة تحت الحمراء (الفوتون بالأشعة تحت الحمراء) وتحويله إلى تيار كهربائي يمكن قياسه وتسجيله. وهي تشبه من حيث المبدأ الكواشف التي تحول الضوء المرئي في الكاميرا الرقمية. كلما زاد عدد وحدات البكسل التي يمكن وضعها على كاشف بحجم معين ، زادت الدقة ، وصفيفات QWIP من وكالة ناسا تقدمًا كبيرًا مقارنة بمصفوفات QWIP السابقة التي تبلغ 300000 بكسل ، والتي كانت في السابق الأكبر.
كاشف QWIP التابع لناسا هو رقاقة أشباه الموصلات من غاليوم أرسينيد (GaAs) مع أكثر من 100 طبقة من مواد الكشف في الأعلى. كل طبقة رقيقة للغاية ، وتتراوح سماكة 10 إلى 700 ذرة ، والطبقات مصممة لتكون بمثابة آبار كمية.
تستخدم الآبار الكمومية فيزياء غريبة للعالم المجهري ، تسمى ميكانيكا الكم ، لاحتجاز الإلكترونات ، وهي الجسيمات الأساسية التي تحمل التيار الكهربائي ، بحيث لا يمكن إطلاقها إلا بواسطة ضوء معين. إذا ضرب الضوء ذو الطاقة الصحيحة أحد الآبار الكمومية في الصفيف ، يتدفق الإلكترون المحرر من خلال شريحة منفصلة فوق الصفيف ، تسمى قراءات السليكون ، حيث يتم تسجيلها. يستخدم الكمبيوتر هذه المعلومات لإنشاء صورة لمصدر الأشعة تحت الحمراء.
يمكن لمجموعة QWIP الأصلية التابعة لوكالة ناسا الكشف عن ضوء الأشعة تحت الحمراء بطول موجة يتراوح بين 8.4 و 9.0 ميكرومتر. يمكن أن يرى الإصدار الجديد الأشعة تحت الحمراء بين 8 إلى 12 ميكرومتر. كان التقدم ممكنًا لأنه يمكن تصميم الآبار الكمومية لاكتشاف الضوء بمستويات طاقة مختلفة عن طريق تغيير تركيبة وسمك طبقات مادة الكاشف.
قال جابفالا: "إن الاستجابة الواسعة لهذه المجموعة ، خاصة في الأشعة تحت الحمراء البعيدة - من 8 إلى 12 ميكرومتر - أمر بالغ الأهمية للتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء. التحليل الطيفي هو تحليل لشدة الضوء بألوان مختلفة من الجسم. على عكس الصورة البسيطة التي تظهر فقط شكل الجسم ، يتم استخدام التحليل الطيفي لجمع معلومات أكثر تفصيلاً مثل التركيب الكيميائي للجسم وسرعته واتجاه الحركة. يستخدم التحليل الطيفي في التحقيقات الجنائية. على سبيل المثال ، لمعرفة ما إذا كانت مادة كيميائية تم العثور عليها على ملابس المشتبه فيه تطابق ذلك في مسرح الجريمة ، وكيف يحدد علماء الفلك ما هي النجوم التي تتكون منها على الرغم من عدم وجود طريقة لأخذ عينة مباشرة ، مع وجود النجوم على بعد عدة تريليونات من الأميال.
تطبيقات أخرى لصفائف QWIP عديدة. في NASA Goddard ، تتضمن بعض هذه التطبيقات: دراسة درجات حرارة التروبوسفير والستراتوسفير وتحديد المواد الكيميائية النزرة ؛ قياسات توازن الطاقة المظلة شجرة؛ قياس انبعاث طبقة الغيمة ، حجم القطرة / الجسيمات ، التركيب والارتفاع ؛ انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت والهباء الجوي من الانفجارات البركانية ؛ تتبع جزيئات الغبار (من الصحراء الكبرى ، على سبيل المثال) ؛ امتصاص ثاني أكسيد الكربون تآكل الساحل؛ التدرجات الحرارية المحيطية / النهرية والتلوث ؛ تحليل مقاييس الإشعاع وغيرها من المعدات العلمية المستخدمة في الحصول على المعالجة الأرضية والحصول على البيانات الجوية ؛ علم الفلك القائم على الأرض ودرجة الحرارة.
التطبيقات التجارية المحتملة متنوعة للغاية. تم توثيق فائدة صفائف QWIP في الأجهزة الطبية بشكل جيد (OmniCorder، Inc. في نيويورك) وقد تصبح واحدة من أهم محركات تقنية QWIP. إن نجاح استخدام تقنيات OmniCorder من صفيفات QWIP ضيقة النطاق 256 × 256 للمساعدة في الكشف عن الأورام الخبيثة أمر لافت للنظر.
وتشمل التطبيقات التجارية المحتملة الأخرى لصفائف QWIP ما يلي: موقع حرائق الغابات والبقع الدافئة المتبقية ؛ موقع زحف النباتات غير المرغوب فيها ؛ مراقبة صحة المحاصيل ؛ مراقبة تلوث تجهيز الأغذية ونضجها وإفسادها ؛ تحديد موقع أعطال محولات خطوط الكهرباء في المناطق النائية ؛ مراقبة النفايات السائلة من العمليات الصناعية مثل مصانع الورق ومواقع التعدين ومحطات الطاقة ؛ الفحص المجهري بالأشعة تحت الحمراء البحث عن مجموعة واسعة من التسريبات الحرارية ، وتحديد مصادر جديدة لمياه الينابيع.
تعد صفائف QWIP غير مكلفة نسبيًا لأنه يمكن تصنيعها باستخدام تقنية أشباه الموصلات القياسية التي تنتج رقائق السيليكون المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر في كل مكان. يمكن أيضًا أن تكون كبيرة جدًا ، لأن GaAs يمكن زراعتها في سبائك كبيرة ، تمامًا مثل السيليكون.
قاد جهود التطوير مركز أنظمة الآلات والتكنولوجيا في وكالة ناسا جودارد. كان مختبر أبحاث الجيش (ARL) ، أديلفي ، ماريلاند ، مفيدًا في نظرية وتصميم وتصنيع مجموعة QWIP ، وقدمت L3 / Cincinnati Electronics of Mason ، أوهايو ، قراءات السيليكون والتهجين. تم تصميم هذا العمل وتمويله من قبل مكتب تكنولوجيا علوم الأرض كمشروع تطوير تكنولوجيا المكونات المتقدمة.
المصدر الأصلي: بيان صحفي لوكالة ناسا
