Ülijuhist pildisensor, mis tuvastab pärisvärve

Pea iga inimloodud digitaalne pildiaparaat jäädvustab maailma mustvalgelt. Ava läbinud footonid ergastavad kaamera sensoris elektrone, tekib valgustatusega võrdne elektrilaeng. Kui sissetuleva footoni energia on sensori vastuvõtuläve piires, on tulemus alati sama: piksel muutub valgeks.

Värvide kuvamiseks liidetakse, ka inimese silmas, mitu erineva optilise spektriosa mustvalget pilti. Mustvalgeid pilte tehakse üldiselt kaht moodi. Esiteks võib pildisensor koosneda eri aladest, millel on ees näiteks punane, kollane või sinine värvifilter. Pildistavad kõik alad korraga ning värvikuva luuakse filterpiltide summana. Teiseks võib olla sensoreid üks, ent siis jagatakse soovitud spekter osadeks ning tehakse vastavalt mitu järjestikust kiirpilti.

Uus ARCONS (Array Camera for Optical to Near Infrared Spectrophotometry) läheneb probleemile teisiti ning jäädvustab footoni impulsi.

„Oleme põhimõtteliselt valmistanud hüperspektraalse (loe siit) videokaamera, milles puuduvad sisemised soojusmüra allikad,“ ütles IEEE Spectrum veebiportaalile antud intervjuus California Santa Barbara Ülikooli füüsikaprofessor Ben Mazin. Mazini töörühma kuulub Ameerika kosmoseagentuuri NASA, Oxfordi Ülikooli ning Fermilabi teadlasi. ARCONS sensorit arendatakse eeskätt astronoomilisteks vaatlusteks. „Oli aeg, kui toimus üleminek filmirulliga kaameratelt pooljuhtkaameratele. Annaksin meie saavutusele samavõrd pöördelise tähenduse. ARCONS sensoriga saab ehitada hulgi põnevaid teadusinstrumente,“ lisas Mazin.

ARCONS sensori aktiivosa moodustab 60 nanomeetrit (60*10^-9 m) paks ränialusele kasvatatud titaannitriidi (TiN) kiht, millesse on söövitatud 44×46 piksliga maatriks. Iga piksel on kaetud mikroläätsega ning varustatud täpselt häälestatud mikrolaineresonaatoriga. Katteläätse ning sensori vaheosa on vaakumis.

Katsetes jahutati sensor temperatuurini 0,1 K, olgugi, et ülijuhtiva oleku kriitiline temperatuur algas 1 K juures. Osutus, et lämmastiku osaluse vähendamine TiN kihis langetas ülijuhtivuse kriitilist temperatuuri ning vähendas ühtlasi TiN keelutsooni laiust. Sellega suurenes sensori tundlikkus footonite suhtes. Katsetes oli minimaalne TiN keelutsooni laius kolm suurusjärku väiksem kui tüüpilisel pooljuhil.

Sensorit tabanud footon lõhub ülijuhis elektronide Cooperi paare, mis mõjutab piksli impedantsi ning tekitab voolusignaali. Mida rohkem energiat footonil on, seda rohkem Cooperi paare see lõhkuda suudab. Voolusignaal muudab omakorda lõhutud Cooperi paaride arvuga proportsionaalselt piksli resonantsamplituudi ning resonaatori faasi.

Pildistamisel loetakse kõik 2024 pikslit korraga. Selleks kasutatakse ühe kanaliga nn. mikrolainete impulsskammi. Lugemit saab võtta ligikaudu 2500 korda sekundis (2,5 kHz). Sensor võib pildistada lainepikkusvahemikus ultraviolett (100 nm) – infrapunane (alates 5000 nm). Tavalisema digikaamera CCD (Charge Coupled Device) pildisensor suudab aga registreerida valgust lainepikkuste vahemikus 300 – 1000 nm ning ainult mustvalgelt.

Seega on ARCONS videospektroskoopiline sensor, mis ei vaja värvipildi tegemiseks kiire jagamist, värvifiltreid ega sensorvälja pikslijadade duplitseerimist. Töörühma arXiv.org avaldatud artiklis seisab kirjas:“ARCONS ülijuhtiv sensor suudab registreerida sündmusi ühe footoni täpsusega nii, et vigasid ei esine, samas salvestatakse paari protsendi täpsusega footoni energia ning mikrosekundi täpsusega selle saabumise aeg.“

ARCONS sensorit on katsetatud 5,1 m läbimõõduga Palomari teleskoobil ning California Lick-i oservatooriumi 3 m teleskoobil. Katsetustel määrati Krabi udukogu pulsari optiliste ning raadioimpulsside omavaheline seos ning registreeriti 3,07×10^-13 täpsusega kompaktse binaartähe 28,3 minutilise pöörlemisperioodi kõikumine.

Töörühm arendab mitut erinevat ARCONS sensori varianti. Nende hulgas on ülijuhtiv tunnelsiirdesensor ning üleminekutemperatuuri-sensor (Tunnel Junction and Transition Edge sensors, loe siit). Artikli järgi on ARCONSi turueelised järgmised:

• ajaline resolutsioon on kuus korda parem kui levinud CCDdel;
• väga lai seesmine vastuvõtuspekter vahemikus 100-5000 nm;
• hea kvantsaagis;
• puudub lugemismüra ning pimevool;
• pea täiuslik kaitse kosmiliste kiirte eest;
• pildistamine on kiire, ei ole vaja teha vahetöötlust;
• tehnoloogiat on lihtne skaleerida;
• sensoriga ajadomeenis salvestatud informatsiooni toel saab kasutada kalibreeritud tähevalgust, et jälgida atmosfääri läbipaistvust ja  korrigeerida teleskoopide kaldenurka ning dünaamilist avalaiust;
• jälgida atmosfääris emissoonigaaside hulka.

Allikas: IEEE Spectrum