|
|
 |
Βλέποντάς τα ένα ένα
|
|
|
|
|
|
|
Τα στοιχεία συζευγμένου φορτίου, τα οποία είναι γνωστότερα ως CCD, έχουν γίνει πολύ κοινά στα σύγχρονα καταναλωτικά ηλεκτρονικά προϊόντα. Χρησιμοποιούνται στις ψηφιακές κάμερες, τις φορητές βιντεοκάμερες και τους σαρωτές εγγράφων. Από το τέλος της δεκαετίας του 1970, υπήρξαν για τους αστρονόμους οι βασικοί και αξιόπιστοι ανιχνευτές φωτός. Τα CCD, όμως, έχουν και μερικούς περιορισμούς. Πρωτίστως, δεν ανιχνεύουν το μήκος κύματος (άρα και το χρώμα) του φωτός. Στις ψηφιακές κάμερες, αυτή η δυσκολία παρακάμπτεται με την τοποθέτηση κόκκινων, μπλε και πράσινων φίλτρων πάνω σε κάθε χωριστό εικονοστοιχείο ή πάνω σε τρεις ξεχωριστές διατάξεις CCD. Τα φίλτρα, ωστόσο, μειώνουν την ευαισθησία και αποδεικνύονται άχρηστα όποτε απαιτείται να μετρηθούν με κάποια ακρίβεια τα μήκη κύματος. Τώρα, όμως, υπάρχει λύση. Μια ομάδα ερευνητών του Εργαστηρίου Αεριοπροώθησης (JPL) και του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας (Caltech), της οποίας ηγείται ο Peter K. Day του JPL, παρουσίασε έναν ανιχνευτή βασιζόμενο σε τεχνολογία υπεραγωγών ο οποίος έχει τη δυνατότητα να ανιχνεύει μεμονωμένα φωτόνια και να προσδιορίζει το μήκος κύματός τους. Το καλύτερο δε, φαίνεται ότι ο συγκεκριμένος ανιχνευτής είναι κατάλληλος για να ενσωματώνεται σε μεγάλες διατάξεις όπως τα CCD.
Η καρδιά του ανιχνευτή αποτελείται από μια λεπτή μεμβράνη αλουμινίου πάνω σε ένα υπόστρωμα σαπφείρου. Το αλουμίνιο χαράζεται με την εφαρμογή καθιερωμένων φωτολιθογραφικών μεθόδων και μετατρέπεται σε μια οφιοειδή λωρίδα. Όταν ψυχθεί σε θερμοκρασίες πλησίον του απόλυτου μηδενός (μικρότερες από 1 Κ), το αλουμίνιο γίνεται υπεραγώγιμο. Όπως συμβαίνει και με τις δονήσεις ενός διαπασών, το ρεύμα που διαρρέει τη λωρίδα αλουμινίου ταλαντώνεται με μια ορισμένη συχνότητα συντονισμού.
Πώς ανιχνεύει, όμως, αυτή η διάταξη τα φωτόνια; Στους υπεραγωγούς, τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν χαλαρά δέσμια ζεύγη που ονομάζονται ζεύγη Cooper. Αυτά ακριβώς είναι τα ηλεκτρόνια που ρέουν χωρίς να συναντούν αντίσταση, και η ευκολία με την οποία ρέουν επηρεάζει τη συχνότητα συντονισμού της λωρίδας. Όταν προσπέσει ένα φωτόνιο στη λωρίδα, διαλύει μερικά ζεύγη Cooper, κάνοντας έτσι τον υπεραγωγό πιο «αδρανή», κάτι το οποίο έχει ως συνέπεια αφενός να μετατοπιστεί η συχνότητα του συντονισμού και αφετέρου να μειωθεί η οξύτητά του. Η ενέργεια του φωτονίου, η οποία εξαρτάται από το μήκος κύματός του, καθορίζει το πλήθος των ζευγών που διαλύονται και, κατά συνέπεια, το βαθμό μεταβολής των χαρακτηριστικών του συντονισμού. Εν συνεχεία, τη διαδικασία της ανίχνευσης την ολοκληρώνουν ενισχυτές και άλλα στοιχεία των κυκλωμάτων της συσκευής.
Η ομάδα JPL-Caltech δοκίμασε ένα αρχέτυπο με φωτόνια ακτίνων Χ που εκπέμπονταν από ένα ραδιενεργό ισότοπο του σιδήρου, ωστόσο η γενική σχεδίαση θα ήταν δυνατόν να προσαρμοστεί κατάλληλα για οποιοδήποτε μήκος κύματος, από την υποχιλιοστομετρική (μικροκυματική) περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος μέχρι και τις ακτίνες γ.
Ο αισθητήρας JPL-Caltech παρουσιάζει ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι μερικών ανταγωνιστικών προς αυτόν συσκευών οι οποίες απαιτούν μεγάλο πλήθος καλωδίων εξόδου και χωριστό προενισχυτή για κάθε εικονοστοιχείο. Επειδή το κάθε εικονοστοιχείο του λειτουργεί σε λίγο διαφορετική συχνότητα συντονισμού από τα υπόλοιπα, τα εικονοστοιχεία μιας μεγάλης διάταξης θα ήταν δυνατόν να μοιράζονται τον ίδιο προενισχυτή και το ίδιο καλώδιο εξόδου.
Οι υψηλής ευαισθησίας ανιχνευτές μεμονωμένων φωτονίων έχουν πολυποίκιλες χρήσεις, μεταξύ των οποίων περιλαμβάνονται οι αστρονομικές παρατηρήσεις σε μια τεράστια περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος εκτεινόμενη από τα υποχιλιοστομετρικά μήκη κύματος ώς τις ακτίνες γ, η ανάλυση υλικών με ακτίνες Χ, η μικροσκοπία φθορισμού μεμονωμένων μορίων και οι τηλεπικοινωνίες. Τέτοιοι ανιχνευτές έχουν χρησιμοποιηθεί ακόμη και για την αναζήτηση ελαττωμάτων σε ολοκληρωμένα κυκλώματα μέσω της παρατήρησης του υπέρυθρου φωτός το οποίο εκπέμπουν τα τρανζίστορ όταν ανοιγοκλείνουν.
Προτού όμως η συσκευή JPL-Caltech πάρει τη θέση της ανάμεσα στους υπόλοιπους ανιχνευτές μεμονωμένων φωτονίων, μένει να λυθούν ορισμένα ακόμη προβλήματα. Συγκεκριμένα, τα επίπεδα θορύβου είναι υψηλότερα από τα αναμενόμενα. Η ευαισθησία του ανιχνευτή «είναι αρκετά καλή για ορισμένες επίγειες αστρονομικές παρατηρήσεις» λέει ο Day «αλλά για τις εφαρμογές στα διαστημικά τηλεσκόπια, οι οποίες κυρίως μας ενδιαφέρουν, απαιτείται μια βελτίωση τουλάχιστον κατά παράγοντα 10». Για να είναι ο νέος ανιχνευτής «μάχιμος», θα πρέπει πρώτα να εντοπιστεί και να εξαλειφθεί η πηγή του θορύβου που περιορίζει την ευαισθησία του.
|
|
|
|
|
|
