電子技術(shù)的進(jìn)步不僅限于地球應(yīng)用。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST) 致力于利用其傳感器技術(shù)和研究將其傳感器推向太空。

電子產(chǎn)品不僅一直在努力實(shí)現(xiàn)并造福地球上的每個(gè)人，而且一些公司也在努力爭(zhēng)取明星，幾乎是字面上的。 

NIST是希望加入太空技術(shù)競(jìng)賽的一個(gè)實(shí)體。最近，NIST 宣布他們將開(kāi)始專注于空間應(yīng)用，提供設(shè)計(jì)方法和傳感器，可以輕松地安裝在現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡上，以從鄰近的宇宙和我們自己的宇宙中檢索大量數(shù)據(jù)。 

太空望遠(yuǎn)鏡上的示例傳感器，NIST 將其作為應(yīng)用程序。圖片由NASA 提供

讓我們深入研究 NIST 關(guān)注的一些可能在太空應(yīng)用中有用的傳感器，然后看看 NIST 將贊助哪些項(xiàng)目來(lái)實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)。 

通過(guò)一系列傳感器收集數(shù)據(jù)

通常，為了拍攝大面積夜空的圖像，天文學(xué)家和天體物理學(xué)家需要將外部設(shè)備添加到現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡相機(jī)中。例如，傳感器可以從能量和光粒子中讀取信息，這些能量和光粒子到達(dá)由饋電喇叭（安裝在天線上的錐形圓柱體）引導(dǎo)的望遠(yuǎn)鏡。 

一旦有輸入信號(hào)，每個(gè)輸入都會(huì)被超導(dǎo)量子干涉設(shè)備(SQUID)放大。 

RF SQUID 電路的示例。圖片由Kraft 等人提供

最終的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是會(huì)產(chǎn)生大量的熱量來(lái)測(cè)量和識(shí)別來(lái)自每個(gè)傳感器的每個(gè)信號(hào)。 

解決此問(wèn)題的一種方法是讓傳感器同時(shí)匯集大量數(shù)據(jù)，統(tǒng)一讀取并呈現(xiàn)給用戶。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，NIST 設(shè)計(jì)了一種多路讀出方法，該方法將幫助傳感器在節(jié)能的同時(shí)適當(dāng)?shù)貙?duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。 

一種幫助宇宙學(xué)家研究宇宙微波背景 (CMB) 的 NIST 傳感器是 CMB 傳感器。 

CMB 傳感器和電子設(shè)備幫助望遠(yuǎn)鏡相機(jī)搜索微小的能量波動(dòng)、漫射光特性和其他有助于了解星系形成的模式。

NIST 的基于 TES 的傳感器可以檢測(cè)時(shí)空漣漪，并可用于通過(guò)上圖所示的 X 射線探測(cè)器監(jiān)測(cè)太空中光化學(xué)反應(yīng)的演變。圖片由NIST 提供

NIST 的另一個(gè)傳感器是其過(guò)渡邊緣傳感器(TES)，它通過(guò)檢測(cè)基于超導(dǎo)薄膜電阻增加的熱量來(lái)測(cè)量光。 

這些傳感器可以測(cè)量 X 射線并檢測(cè)最小粒子（光子）的能量，誤差小于千分之一。TES 傳感器也可以排列成數(shù)百或數(shù)千個(gè)陣列，以提供精確和準(zhǔn)確的大規(guī)模讀數(shù)測(cè)量。

隨著 CMB 尋找微波信號(hào)和 TES 尋找光子，最后一個(gè) NIST 傳感器需要檢查。當(dāng)新光子到達(dá)時(shí)，它會(huì)識(shí)別頻率變化，即微波動(dòng)感電感檢測(cè)器 (MKID)。 

超導(dǎo)傳感器類似于 CMB，但 MKID 處理更高的頻率，并且當(dāng)需要更大的組合設(shè)備陣列來(lái)讀取輸入數(shù)據(jù)（例如引力波）時(shí)，MKID 比 TES 傳感器更具優(yōu)勢(shì)。 

現(xiàn)在我們已經(jīng)探索了 NIST 希望用于空間應(yīng)用的一些傳感器技術(shù)，讓我們看看它支持哪些程序。 

NIST 正在進(jìn)行的太空項(xiàng)目 

NIST 有各種旨在在惡劣條件下使用的項(xiàng)目，例如在太空中。 

其中一個(gè)項(xiàng)目是 NIST來(lái)自量子傳感器組(QSG)的量子微量熱儀。 

該項(xiàng)目涉及開(kāi)發(fā)超導(dǎo)傳感器，該傳感器將在極低的溫度下檢測(cè)單光子的能量。自 2010 年以來(lái)，QSG 科學(xué)家研究并部署了光譜儀和超導(dǎo)傳感器，以從低溫環(huán)境中的能量中收集高光譜分辨率的響應(yīng)。 

該項(xiàng)目的最新進(jìn)展是 NIST 研究人員研究了將 TES 技術(shù)添加到 X 射線光譜儀的效果。 

結(jié)果表明，之前由鍺微量熱計(jì)組成的電子束離子阱(EBIT) 模型與新添加的基于 TES 的 EBIT 相比，其有效面積增加了 30%，以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。通過(guò)添加 TES IC，研究人員提高了整體能量分辨率。  

安裝在 EBIT 上的 X 射線示例。圖片由NIST 提供

另一個(gè)獨(dú)特的 NIST 項(xiàng)目是長(zhǎng)波長(zhǎng)探測(cè)器項(xiàng)目。該項(xiàng)目側(cè)重于利用 NIST 的多路復(fù)用讀出技術(shù)檢測(cè)毫米級(jí)光波的大型傳感器陣列。 

這些傳感器有助于在宇宙中找到精確的測(cè)量值，但也可以幫助遠(yuǎn)程檢測(cè)特定項(xiàng)目。 

例如，這組研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)視頻成像系統(tǒng)原型，用于在 28 米外探測(cè)隱藏的武器和其他威脅。雖然這個(gè)原型屬于安全協(xié)議應(yīng)用，但研究人員可以用它來(lái)檢測(cè)太空中的不明物體，這些物體可能會(huì)在大規(guī)模布置中損壞衛(wèi)星甚至軌道上的航天器。  

該項(xiàng)目的最新成果是在 2017 年。 這些 NIST 研究人員因開(kāi)發(fā)和部署世界上第一臺(tái)基于 CMB 的多色相機(jī)而獲得認(rèn)可，該相機(jī)在 21 個(gè)不同的望遠(yuǎn)鏡中配備了 550,000 個(gè)大型探測(cè)器，以測(cè)量我們宇宙中物質(zhì)簇隨時(shí)間的增長(zhǎng). 這種用途可以幫助世界各地的科學(xué)家獲得有關(guān)暗物質(zhì)和暗能量的新信息。 

通過(guò)持續(xù)的研究和開(kāi)發(fā)，NIST 研究人員可以協(xié)助天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家拼湊從空間應(yīng)用中獲得的各種形式的信息。