كاشفات الأشعة تحت الحمراء المصفوفة

كاشفات الأشعة تحت الحمراء المصفوفة هي مصفوفات أشباه الموصلات المبردة بالتبريد العميق التي تصور الإشعاع الحراري، مما يوسع الكشف الإلكتروني إلى ما بعد حد السيليكون في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة.

Definition

كاشف الأشعة تحت الحمراء المصفوف هو مصفوفة ثنائية الأبعاد من الثنائيات الضوئية أو الموصلات الضوئية الحساسة للأشعة تحت الحمراء، مهجنة بدائرة قراءة من السيليكون ومبردة إلى درجات حرارة منخفضة جدًا، وتستخدم لتصوير الأطوال الموجية التي تتجاوز حد حوالي ميكرون واحد لكاميرات CCD المصنوعة من السيليكون.

Scope

يغطي هذا الموضوع مواد الكاشفات مثل تيلوريد الكادميوم الزئبقي وأنتيمونيد الإنديوم والسيليكون المشوب للأطوال الموجية الأطول، والبنى الهجينة المرتبطة بمضاعفات قراءة السيليكون، وأخذ العينات غير المدمرة والتصاعدية، والتيار المظلم والحاجة إلى التبريد العميق، وسلوك البكسل السيئ والمثابرة المميز لمصفوفات الأشعة تحت الحمراء.

Core questions

• لماذا لا تستطيع كاميرات CCD المصنوعة من السيليكون اكتشاف معظم ضوء الأشعة تحت الحمراء؟
• ما هي المواد والبنى المستخدمة لمصفوفات الأشعة تحت الحمراء؟
• لماذا يجب تبريد مصفوفات الأشعة تحت الحمراء بعمق؟
• كيف تقلل مخططات القراءة الضوضاء في كاشفات الأشعة تحت الحمراء؟

Key theories

فجوة النطاق واختيار المواد

يستجيب الكاشف للفوتونات ذات الطاقة الكافية لسد فجوة النطاق الخاصة به، لذا تتطلب الأطوال الموجية الأطول للأشعة تحت الحمراء مواد ذات فجوة ضيقة مثل تيلوريد الكادميوم الزئبقي أو السيليكون المشوب.

بنية الكاشف الهجين

يتم ربط الطبقة الحساسة للأشعة تحت الحمراء بكسلًا بكسلًا بمضاعف سيليكون منفصل، مما يسمح بتحسين مادة الكاشف الضوئي وإلكترونيات القراءة بشكل مستقل.

القراءة غير المدمرة وأخذ العينات التصاعدي

نظرًا لأنه يمكن قراءة بكسلات الأشعة تحت الحمراء دون مسح شحنتها، فإن أخذ العينات المتكرر أثناء التعرض يسمح بتقليل الضوضاء وتحديد ضربات الأشعة الكونية.

Clinical relevance

تتيح مصفوفات الأشعة تحت الحمراء تصوير وتحليل طيفي لتكون النجوم المحجوب بالغبار، والنجوم الباردة والأقزام البنية، والكواكب الخارجية، والمجرات ذات الانزياح الأحمر العالي؛ وهي تمثل قلب الأدوات في مرافق مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي.

History

تطورت الكاشفات الفردية للأشعة تحت الحمراء إلى مصفوفات صغيرة في الثمانينيات مع نضوج التكنولوجيا الهجينة، ونمت التنسيقات بسرعة خلال التسعينيات والعقد الأول من القرن الحادي والعشرين. تصل مصفوفات تيلوريد الكادميوم الزئبقي وأنتيمونيد الإنديوم الآن إلى ملايين البكسلات وتهيمن على أجهزة الأشعة تحت الحمراء الأرضية والفضائية.

Key figures

• Frank Low
• Craig McCreight

Seminal works

• rieke2003
• mclean2008

Frequently asked questions

لماذا لا يمكن استخدام كاميرا CCD عادية في فلك الأشعة تحت الحمراء؟

تكتشف كاميرا CCD المصنوعة من السيليكون فقط الفوتونات ذات الطاقة الكافية لعبور فجوة نطاق السيليكون، والتي تتوافق مع أطوال موجية أقصر من حوالي 1.1 ميكرون. تمر فوتونات الأشعة تحت الحمراء الأطول دون امتصاص، لذا تتطلب أعمال الأشعة تحت الحمراء كاشفات مصنوعة من مواد ذات فجوة نطاق أضيق.

لماذا يتم تبريد مصفوفات الأشعة تحت الحمراء أكثر بكثير من كاميرات CCD البصرية؟

تولد مواد الأشعة تحت الحمراء ذات فجوة النطاق الضيقة تيارات مظلمة كبيرة عند درجات حرارة معتدلة لأن حتى الطاقة الحرارية الصغيرة يمكن أن تحرر حاملات الشحنة. يؤدي التبريد إلى عشرات الكلفن أو أقل إلى قمع هذا التيار المظلم بحيث يمكن للمصفوفة اكتشاف إشارات الأشعة تحت الحمراء الفلكية الخافتة.