Czujniki podczerwieni – specjalność WAT i VIGO System

 

Polskie detektory podczerwieni nie wymagają chłodzenia kriogenicznego, w przeciwieństwie do technologii rozwijanych na świecie. Są więc ekonomiczne i łatwe w użyciu. Dlatego to właśnie one poleciały w kosmos zamontowane na łaziku marsjańskim Curiosity. Są stosowane w kolejach wysokich prędkości, w bezinwazyjnych badaniach krwi, w kontroli skażeń przemysłowych, jakości paliw, czystości powietrza i wody.

Światowym liderem w produkcji niechłodzonych, fotonowych detektorów podczerwieni jest spółka VIGO System posiadająca wspólne laboratoria z Wojskową Akademią Techniczną. W swojej niszy detektory te nie mają konkurencji – są najbardziej czułe i działają najszybciej.

 

Cieplny ślad każdej cząstki

Detektory to czujniki, które wykrywają i wyróżniają promieniowanie w wybranym zakresie energii. W tym wypadku chodzi o promieniowanie podczerwone, które zazwyczaj kojarzy nam się z ciepłem. O ile w ciemności da się zobaczyć – dzięki kamerom noktowizyjnym – niewidoczne gołym okiem obiekty cieplejsze od otoczenia, o tyle detektory podczerwieni wykrywają „cieplne ślady” najmniejszych cząstek. Miniaturowe detektory fotonowe mają wielkość odpowiadającą jednemu pikselowi w matrycy cyfrowego aparatu fotograficznego. Różnica jest taka, że matryca w telefonie komórkowym wykrywa promieniowanie z zakresu widzialnego, a matryca podczerwieni – z tego zakresu, którego ludzkie oko nie widzi. W laboratorium WAT-VIGO wykonywane są pojedyncze oraz kilkupikselowe detektory.

W ubiegłym wieku detektory stosowane były głównie w celach militarnych. Pierwsze bomby były wyposażone w prymitywne detektory ciepła, które naprowadzały je na kominy fabryk i innych strategicznych obiektów. Współczesna technologia opiera się na elektronice i jest wykorzystywana w zastosowaniach cywilnych. Układy detektorów stosowane są w medycynie. Z ich pomocą lekarze znajdują komórki nowotworowe – nieco cieplejsze od zdrowych, bo zachodzą w nich szybsze przemiany metaboliczne. Wysoka rozdzielczość detektorów pozwala wykryć takie niuanse temperatury i ratować życie. Mikroczujniki pomagają też bezinwazyjnie badać stężenie glukozy we krwi, czy markerów chorobowych w wydychanym powietrzu.

Często mówi się, że detektory są “nosami na odległość”. Z tym, że nie wyczuwają zapachu, ale źródła promieniowania o danej długości fali. Każda molekuła, każdy atom promieniuje w jakiś określony sposób. Czujnik odbiera to promieniowanie i je rozpoznaje. Dzięki temu człowiek może wnioskować – z jakim pierwiastkiem czy substancją ma do czynienia. I wcale nie trzeba być blisko nieznanej materii. Detektory mogą być umieszczone na teleskopach,  z ich pomocą określa się skład gwiazd. Polskie detektory VIGO poleciały w misji NASA na Marsa, gdzie wykryły obecność metanu. Korzystała z nich również Europejska Agencja Kosmiczna.

 

Hodowanie kryształów

Detektory podczerwieni powstają z warstw epitaksjalnych. We wspólnym laboratorium WAT-VIGO znajdują się dwa urządzenia, które umożliwiają otrzymywanie warstw na przykład z tellurku kadmowo-rtęciowego, czy innych bardziej skomplikowanych materiałów półprzewodnikowych zwanych supersieciami. Warstwy te to kryształy, choć nie wyglądają one tak, jak znany wszystkim kryształ soli czy cukru.

Hodowany kryształ jest złożony z różnych warstewek o grubości do kilkunastu mikrometrów. Są one osadzane na podłożu z arsenku galu w formie okrągłej płytki. W zależności od tego, jak badacze ułożą te warstwy, przyrząd może mieć wysoką czułość albo działać bardzo szybko.

 

 

– Najwyższa czułość potrzebna jest w systemach do wykrywania gazów – na przykład metanu w powietrzu. Natomiast szybkość może być ważna w zastosowaniach militarnych. My w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego dbamy o to, żeby urządzenie miało jak najlepsze parametry – tłumaczy mjr dr hab. inż. Małgorzata Kopytko z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT.

Naukowcy w WAT symulują komputerowo zjawiska fotoelektryczne zachodzące w  materiałach półprzewodnikowych. Wspólnie z inżynierami działu rozwoju technologii VIGO opracowują „recepturę na detektor”, czyli określają, z jakich warstw powinien się on składać. Pracownicy firmy w laboratorium osadzają  warstwy na podłożu. W kolejnych procesach technologicznych (trawienia, naniesienia kontaktów elektrycznych) wytwarzają detektor. Potem obie strony porównują wyniki –  jest to podstawą wspólnych publikacji naukowych szeroko cytowanych na całym świecie. A kiedy nauka odbierze należne honory – spółka sprzedaje i znajduje zastosowania detektorów.

 

Mózg operacji na uczelni, działania na rynku

Wojskowa Akademia Techniczna zdobyła pieniądze na zakup urządzeń, a VIGO zapewnia laboratorium do praktycznych prac nad detektorami, jak wsparcie w zakresie teoretycznego i opracowaniu technologii.  W laboratorium znajdują się skomplikowane układy doprowadzenia gazów i chłodzenia. Jest to wspólna inwestycja.

Laboratoria działają sprawniej poza strukturami uczelni po pierwsze dlatego, że podmioty komercyjne wykorzystują urządzenia produkcyjne w sposób ciągły. Nie muszą prowadzić czasochłonnych przetargów na zakup materiałów. Firmie zależy na sprzedaży detektorów, dlatego urządzenia są wykorzystywane 24/7. Na uczelni podobne urządzenia mogłyby pracować kilka miesięcy w roku.  W VIGO codziennie wytwarzane są warstwy w tych urządzeniach – zapewnia mjr dr hab. inż. Małgorzata Kopytko.

Polacy wyspecjalizowali się w wytwarzaniu takich detektorów, które mogą pracować bez konieczności chłodzenia kriogenicznego. Są przy tym bardzo czułe, a czas ich odpowiedzi jest krótki. Klasyczne detektory, aby osiągać wysoką czułość, muszą być schłodzone do niskich temperatur, np. do temperatury ciekłego azotu. W ten sposób zmniejsza się szumy wywołane ciepłem wytwarzanym przez nośniki.

Prof. Józef Piotrowski z WAT, późniejszy współzałożyciel VIGO, już w latach 70 rozpoczął badania nad detektorami, które mogłyby pracować w temperaturze pokojowej lub jedynie przy nieznacznym chłodzeniu, przy użyciu tańszych i prostszych chłodziarek termoelektrycznych.

To wymagało zmiany budowy przyrządu – czyli odpowiedniego dobrania warstw, z jakich składa się detektor. Odpowiednio dobierając parametry warstw można opracować taki przyrząd, który będzie charakteryzował się wysoką czułością w temperaturze pokojowej – zapewnia mjr Kopytko.

Stworzenie firmy było najlepszą drogą do działań rynkowych i komercjalizacji badań. Obecnie zespołem akademii kieruje płk dr hab. inż. Piotr Martyniuk we współpracy z prof. dr. hab. inż. Antonim Rogalskim, członkiem rzeczywistym PAN,  jednym z laureatów tzw. „Polskiego Nobla” czyli Nagrody Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Z ramienia VIGO współpracę koordynuje prezes dr inż. Adam Piotrowski.

Ze spółką współpracuje również Instytut Optoelektroniki WAT. Projekty dotyczą m.in. detektorów pozwalających wykrywać niebezpieczne substancje, w tym materiały wybuchowe, i umożliwiających szerokopasmową łączność z użyciem laserów falowodowych. Efektem wspólnych badań jest system OBRA, który osłania pojazdy wojskowe i wykrywa, czy nie są napromieniowane laserem naprowadzającym pocisk.

Poza zastosowaniami przemysłowymi i wojskowymi, polskie detektory stanowią podstawę prac badawczych w wielu ośrodkach naukowych na świecie. Stanowią wyposażenie systemów pomiarowych wykorzystywanych przez naukowców.

W laboratoriach VIGO w Ożarowie Mazowieckim kształcą się studenci WAT – odbywają tu praktyki, prowadzą badania do prac magisterskich i doktorskich. Najlepsi absolwenci mają szansę na zatrudnienie w spółce. Zarówno naukowcy Wojskowej Akademii Technicznej, jak i kierownictwo firmy dążą do tego, aby na międzynarodowym rynku pojawiały się nowe polskie przyrządy i systemy technologii podczerwieni.

 

Źródło: WAT (Karolina Duszczyk)

 

Authors

Related posts

Góra
English