NASA将验证下一代红外光电探测器

在美国国家航空航天局(NASA)机器人燃料加注任务第三阶段(RRM-3)期间，在轨道上为卫星维修和补给燃料的测试工具与技术，将不会是国际空间站上的唯一演示验证任务。

据麦姆斯咨询报道，一款先进的高度紧凑的热像仪(最早可追溯的前身正安装在NASA陆地卫星8号(Landsat-8)上飞行)，目前已安装在RRM-3有效载荷的一角，一旦11月SpaceX Dragon补给车向轨道前哨交付有效载荷，这款热像仪将会从其位置清晰地拍摄地球表面的照片和视频。

当RRM-3演示由NASA的卫星服务项目部门(Satellite Servicing Projects Division，SSPD)开发的专用卫星服务工具时，伴随而来的这款紧凑型热像仪(Compact Thermal Imager，简称CTI)，将会对地球表面的火灾、冰原、冰河和雪表面的温度进行成像与测量。

CTI还将测量从土壤和植物转移到大气的水分，这是研究了解植物生长的重要测量方法。包括上述测量与成像在内的地球科学家研究的许多条件，都可以在红外波段方便地进行探测。

该图为在NASA即将推出的机器人服务示范任务中展示的先进探测器技术

(图片来源：NASA)

基于应变层超晶格技术(SLS)的CTI

这款CTI的使能技术是一种被称为应变层超晶格(Strained-Layer Superlattice，简称SLS)的相对较新的光电探测器技术。

Murzy Jhabvala是位于马里兰州Greenbelt的NASA戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)的探测器工程师，他介绍道：“SLS除了拥有非常小的尺寸(长约16英寸、高约6英寸)，其特点还包括功率小、可在液氮温度下运行、易在高科技环境中组装且成本廉价(几乎可当作一次性产品)等。”Jhabvala与其产业合作伙伴——位于新罕布什尔州(New Hampshire)的QmagiQ公司，共同合作开发了这款SLS探测器组件。

Jhabvala补充道，这项探测器技术也可为不同应用快速且方便地提供定制方案。例如，戈达德探测器开发实验室(Goddard Detector Development Laboratory)最近制造了一个1024 x 1024像素的SLS阵列，并计划在不久的将来将其尺寸增至2048 x 2048像素。

CTI和其SLS探测器将采用的另一项使能技术，是由戈达德开发的SpaceCube 2.0，这是一款强大的混合型计算系统，它将控制仪器并处理在轨道中所需的图像和视频。

Jhabvala认为，此次示范的目标是将SLS的技术成熟度(Technology Readiness Level，TRL)提高至TRL-9，达到该级别就意味着SLS已能在太空中飞行，并证明它可在太空极端环境条件下良好运行。Jhabvala说：“这是非常重要的技术里程碑，我们需要通过这个任务来证明。当我们成功地完成了探测器阵列演示，更多的探测器就可被制造、组装并接入焦平面阵列，这将使我们未来有能力从太空对大片的地球表面进行成像。”

基于量子阱红外光电探测器(QWIP)技术

SLS基于量子阱红外光电探测器(QWIP)技术，Jhabvala与政府和业界合作伙伴花了20多年的时间对其进行改善。QWIP探测器目前正在陆地卫星8号上运行，并配备在即将完成的陆地卫星9号热红外传感仪器上。该红外传感器被戈达德科学家用来监测陆地表面潮起潮落和植被健康状况，西方国家可利用这些数据来监测全球水源消耗。

与其QWIP前身一样，SLS是一款大尺寸探测器。这些阵列是基于半导体晶圆制造的。晶圆的表面由数百个相互交错、非常薄的不同材料层构成，经过外延生长和调谐来吸收红外光子并将其转化为电子(即电流的基本粒子)。只有具有特定能量或波长的光才能释放电子。读取芯片直接与阵列配对，然后将电子转换成计算机用来重建红外源图像的电压。这样，CTI也可以从距离地球表面近249英里的轨道上采集视频。

10倍以上的灵敏度

SLS探测器比其QWIP前身的灵敏度高出10倍，并可在更宽的红外光谱范围和更高的温度(70K，约-203℃)下运行。与之相比，QWIP阵列需要在42K(约-231℃)下正常运行。

Jhabvala认为，工作温度的提高会对未来的任务产生多重积极影响。

红外线辐射作为热能被感知。因此，必须为测量红外波长的探测器设计制冷，以防止仪器或航天器内部产生的热量影响被观测物体的测量值。这就是工程师们使用冷却器和其他设备来保持探测器阵列和其他关键仪器部件温度的主要原因。

目前，Jhabvala与其团队已创造出可在更高温度下运行的阵列，其冷却系统尺寸更小，能耗更低。Jhabvala认为，利用这些属性未来将会打造出尺寸更小、寿命更长、建造周期更短且成本更低的卫星。

就在RRM-3发布的前几个月，Jhabvala回顾了该光电探测器技术的发展过程，以及与QmagiQ的合作历程。QmagiQ已获得NASA的小企业技术创新研究计划(Small Business Innovation Research，SBIR)的资金支持，CTI团队将强化QmagiQ开发的技术，用于太空应用。Jhabvala说：“在过去几年里，我们与QmagiQ公司共同合作取得了杰出成就。我们的持续合作已为NASA和美国政府带来了真正的回报。我们与QmagiQ和NASA有着良好的信任基础。”

右图是利用基于SLS探测器阵列的成像效果，与左图基于QWIP技术成像相比，其分辨率有显著提升

(图片来源：NASA)