中微子通信技术及应用

0 题目 核地球物理新技术之中微子题目 核地球物理新技术之中微子 通信技术与应用展望通信技术与应用展望 1 引言 3 第一章 中微子的发现及特点 4 1 1 中微子的发现 4 1 2 宇宙的信使 6 1 3 中微子种类 9 第二章 中微子通信的理论基础 10 2 1 现行光通信的局限性 10 2 1 1 光纤通信的局限性 10 2 1 2 无线光通信的局限性 10 2 2 中微子通信技术概况 11 2 2 1 中微子通信简介 11 2 2 2 中微子通信工作原理 14 2 2 3 中微子通信分类 14 2 3 中微子通信的发展简史 16 第三章 中微子通信的系统组成及主要性能 18 3 2 中微子通信系统的组成与原理框图 18 3 3 中微子通信系统的实际实现实例 19 第四章 中微子通信系统采用的关键技术 21 4 1 中微子通信系统采用的中微子波束的产生方法与设施 21 4 1 1 中微子通信系统采用的中微子波束的调制 解调技术22 4 1 2 中微子通信系统采用的中微子波束接收 23 第五章 中微子通信系统的优越性 23 2 5 1 频带宽 容量大可以高速率工作 24 5 2 有足够强的穿透能力 25 5 3 抗干扰性强 不受无线电频段电磁波等的干扰 25 5 4 安全可靠 有良好的传输保密性能 26 5 5 有极高的有效性 可全天候工作 27 5 6 特别适于宇宙空间的通信 27 第六章 中微子通信技术在地球范围内外的应用 28 6 1 中微子通信技术在地球范围之外的应用 28 6 2 中微子通信技术在地球范围内的应用 30 6 2 1 各类陆地中微子通信网络 30 6 2 2 在上空 水下和地下岩层中间的中微子通信网络 30 参考文献 31 3 引言引言 前地矿部部长李四光说 中国地质学的创始人 不是别人 而 是章鸿钊先生 1987 年 3 月武汉地质学院出版社出版的章鸿钊先 生 六六自述 中指出 世固不乏先进者 早欲利用物理学以解决 地质学上诸问题矣 经典物理学中的万有引力 磁学 电学 振 动与波等理论 都已形成了重力 磁法 电法 地震等勘探方法 它 们在国民经济中 作出了巨大的贡献 这也是举世公认的 当今 近代 物理学中核物理理论 仪器 方法技术等 已形成了放射性方法或称 核地球物理学 美国科罗拉多矿业学院出版了 核法勘探 教材 俄罗斯的圣彼得堡大学出版了 核地球物理原理 教材 英国出版了 国际性学术杂志 核地球物理 核地球物理所涉及的范围很广 从 空间上来讲 已用于星际 航空 地面 坑道 钻孔 水底与海底 从矿产资源来讲 已用于放射性矿产 的铀矿 非放射性矿产的金 银 铜 铅 锌 铁 镍 锰 银 钥 锡 锑 汞 钨 钒 钦 钡 铬 磷 钾 石油与天然气 以及稀有 稀土金属 金刚 石等 还用于水文 工程 工业 农业 医学和环境科学 从物理 相 的角度来讲 已对气相 如氧气 液相 如水 固相 如微观 基本粒子 纳米级微粒 矿物岩石 等进行研究 80 年代以来 国内外发展较快的几种主要核地球物理勘查 技术 的概况 这些方法有 中微子在地球科学中的应用 应用核技术探测 纳米级微粒和气体 航空伽玛能谱测量 应用核技术原位测品位并计 4 算线储量 包括 X 射线荧光辐射取样 中子活化辐射取样和伽玛射线 辐射取样 地面伽玛能谱测量 X 射线荧光井 水底和海底天然放射 性方法测量 水底和海底中子活化方法量 水下 X 射线荧光测量 核磁 共振方法 在工程中应用核技术 反射宇宙中子法 以及在环境科学 中应用核技术等 本文重点介绍的是核地球物理勘查技术中的中微子在地学中的 应用之中微子通信技术的应用与展望 系统介绍了中微子的特点及 通信原理技术 第一章第一章 中微子的发现及特点中微子的发现及特点 1 1 中微子的发现中微子的发现 在 2 0 世纪最初的几十年里 原子物理学家在揭示宇宙的组成 方面取得了长足的进步 当时的科学家们普遍相信 所有原子都是 由两种带电粒子组成的 这两种粒子就是位于原子核的质子和环绕 质子运动的电子 但奇怪的是 有些原子的原子核很不稳定 它们 会解体 即通常所说的衰变 因此 放射性衰变成为当时物理学中 最大的一个奥秘 原子核衰变时会 释放能量 其方式通常是射出一 个电子 问题就出在射出的电子的能量上面 电子的能量小于原子 核衰变所放出的能量 物理学中有一个非常有名的定律 能量守恒 如果原子核衰变时只是放出电子 那么原子核所失去的能量就应该 全部被电子所吸收 但是电子携带的能量看起来没有它按理说应该 5 携带的那么多 换句话说 原子核衰变时所释放的能量中有一部分 消失 了 在鲍里看来 能量绝不可能消失 一定是有第三种粒 子参与了放射性衰变 鲍里把它叫做 中微子 这是一种从未有 人见过 甚至从未有人知道的粒子 但正是它带走 了那一部分 消 失 的能量 鲍里认为 这种粒子极其渺小 并且行踪诡异 难怪 一直没有人探察到它的存在 不过 在宣布自己这个带有很大推测 性的 重大发现 之前 鲍里可谓犹豫再三 能量守恒定律得到了 维护 但是就连鲍里自己也担心 恐怕永远都无法证明中微子的存 在 因为中微子同组成原子的其他粒子不同中微子不带电 并且能 径直穿透所有固体物质而不留下任何痕迹 与其他粒子相比 中微 子的确是一种诡异的 小鬼 鲍里等人当时断言说 永远也不会 有人能够见到中微子 也许正是受这一断言的影响 此后数十年中 无人敢于尝试寻找中微子 直到 原子弹问世之后 情况才豁然开朗 事实上原子弹爆炸所 产生的巨大能量正是来自于一系列放射性衰变反应 假如鲍里的理 论没错 那么在原子弹爆炸时就会释放出大量的中微子 或者说就会 产生密集的中微子脉冲 20 世纪 5O 年代 美国核武器研究成员之 一 年轻的物理学家弗雷德 雷恩 尽管他的工作是研制核武器 但他的真正兴趣却在于解决物理学中的基本问题 当时 雷恩突然想 到 借助于原子武器的研制 也许就能找到令人难以捉摸的中微子 雷恩还想到 如果核弹爆炸时的连锁反 应能产生大量中微子 那么 核反应堆中的连锁反应也应该能产生大量中微子 由此 就有可能 6 捕捉到中微子 于是 一个寻找中微子的计划产生了 雷恩及其同 事把它称作 小鬼计划 终于在 1956 年 6 月 14 日 通过大量的 实验和观察 发现了表明中微子存在的一种明显的能量双脉冲信号 雷恩及其同事自豪地向全世界宣布 他们已经找到了中微子 他们 还给鲍里发去电报 告诉他这一喜讯得知消息后 鲍里欣喜若狂 从 1930 年鲍里提出中微子存在的理论 到 1956 年雷恩等人检测到 中微子 整整耗费了四分之一世纪的时间 这足以说明寻找中微子 是多么的艰难 1 2 宇宙的信使宇宙的信使 中微子也与质子 电子一样 是构成原子的基本粒子之一 只不过它的质量很轻 连电子的万分之一都抵不上 而且呈现中性 它与其他粒子之间只存在微弱的相互作用力 而不存在电磁力的作 用 中微子还具有其他基本粒子所不具备的那股 钻 劲 它可以 像 封神榜 中的土行孙那样 神不知 鬼不觉地钻入地下 连硕 大的地球也不在话下 可以把地球穿个透 由于中微子与其他组成 物质的基本粒子之间相互作用力很弱 因而它在行进过程中的能量 损耗也甚微 如果设想让它沿地球直径穿越地球 其能量损耗只有 一百亿分之一 此外 它还能潜身海底 遨游太空 出入于厚硕无 比的金属墙 真是所向披靡 如入无人之境 中微子的上述特性被揭示后 立即引起了通信专家们的注意 他们认为 利用中微子进行通信比利用电磁波更加优越 因为 在 7 高山 海洋的阻拦面前 电磁波便会显得软弱无力 而中微子毫不 在乎 目前 尚存在一些因受自然条件影响 无线电不能光顾的地 区 这些听不到广播 看不到电视节目的地区 通称为 盲区 中 微子通信的实用化 将会给这些地区带来福音 中微子通信是利用中 微子运载信息的一种通信方式 中微子是一种质量极小 又不带电 的中性基本微粒 它能以近光速进行直线传播 并极易穿透钢铁 海水 以至整个地球 而本身能量损失很少 因此是一种十分诱人 的理想信息载体 早在 1956 年 欧美学者通过复杂的核反应实验 证明中微子确实存在 上世纪 70 年代以后 科学家对中微子通信产 生了极大的兴趣 美科学家将中微子加速器产生的中微子束 发送 至远隔千山万水的另一端接收装置中 结果成功地感测到了穿山涉 水而来的中微子信号 80 年代 前苏联和美国进行了中微子通信的 试验 获得了成功 1984 年美国一海军基地的一艘核潜艇做水下环 球潜行时 正是采用中微子通信保证了联系 科学家分别进行的海 下 地下种种试验 使中微子通信初显端倪 中微子束沿直线传播 不会发生反射 折射和散射等现象 因 而保密性能好 在战时 当所有有线通信都受到破坏 无线通信又 遭受强烈干扰的情况下 中微子通信将由于稳定 可靠而突显战略 优势 它特别适用于海军基地对核潜艇的通信指挥 利用中微子能 够穿透地球的本领 将为南北半球之间的通信找到一条捷径 它还 可以作为人类的信使 遨游太空 与宇宙飞船或别的星球建立联系 我们还可以利用中微子通信轻而易举地与设在山洞或水下的指挥所 8 建立联系 除此之外 地质学家还设想用中微子波束给地球拍照 以揭开地球的面纱 让地下宝藏一览无遗 中微子通信有着很高的应用价值 如果采用中微子束通信 则 将为海军对潜艇进行保密通信提供强有力的手段 即使是发生了热 核战争 安置在岩石深处的指挥部的中微子束发射机不会受到原子 弹的破坏 还能正常工作 地质学家用中微子波束可给地球拍照 寻找地壳中的矿藏资源 中微子通信除用于全球人类通信外 还可 以穿透月球 与月球背面的空间站联系 或者作为 特殊信使 遨 游太空 与在宇宙中飞行的宇宙飞船直接联系 为人类征服宇宙服 务 科学家还设想发射中微子讯号让它在太空中穿行 去寻找外星 人 其中可能的应用之一就是中微子通讯 由于地球是球面 加上 表面建筑物 地形的遮挡 电磁波长距离传送要通过通讯卫星和地 面站 而中微子可以直透地球 它在穿过地球时损耗很小 用高能 加速器产生 10 亿电子伏特的中微子穿过地球时只衰减千分之一 因 此从南美洲可以使用中微子束穿过地球直接传至北京 将中微子束 加以调制 就可以使其包含有用信息 在地球上任意两点进行通讯 联系 无需昂贵而复杂的卫星或微波站 将中微子应用于通信 也像其他通信方式一样 是将中微子作 为信息的载体 我们所要传送的语音 图像 数据等一类信息 都 要通过一种叫 调制 的技术将它们 驮载 在中微子束上 藉中 微子那种所向无阻的威力 把信息传送到目的地 然后再用一种叫 9 解调 的技术 把信息从中微子束中分离出来 还其本来面目 从这点上讲 似乎中微子通信在原理上与其他通信方式没有两样 但要让中微子通信投入实际应用 仍然有许多有待进一步解决的问 题 例如 如何用较简便的方法获得一些能量极高而又有足够束流 强度的中微子束 以及如何对它进行有效的控测等 都是难题 1 3 中微子种类中微子种类 转眼 时间到了 20 世 纪 70 年代中期 这时 粒子物理学的 标准模型问世了 这一简单的理论模型集纳了迄今为止粒子物理学 家的所有重大发现 被誉为 宇宙的完整配方 按照标准模型 宇 宙中的万事万物皆由 1 2 种基本粒子组成 中微子就是其中之一 不过 中微子不是一种而是三种 电子中微子 渺子 子 中 微子和陶子 子 中微子 太阳只产生一种中微子 即电子中微 子 而能够探察的也只是这种中微子 每一种中微子都会释放对应的粒子 电子中微子释放电子 中微子释放 子 同理 希腊字母 陶 中微子释放 子 它们的发光模式会泄露天机 让科学家辨别出中微子的 味 可信度达到 25 电子中微子 电子与原子相互作用 将能量一下子释放出来 会照亮一个接近球形的区域 中微子 子不像电子那样擅长相互作用 它会在冰中穿行 至少 1 千米 产生一个光锥 10 中微子 子会迅速衰变 它的出现和消失会产生两个光球 被称为 双爆 第二章第二章 中微子通信的理论基础中微子通信的理论基础 2 1 现行光通信的局限性现行光通信的局限性 在现行光通信发展中遇到许多难题和困惑 使之成为发展的障 碍 这里仅扼要地介绍其主要表现的局限性 2 1 1 光纤通信的局限性光纤通信的局限性 众所周知 光纤通信的传输介质是光纤 其光纤的传输损耗和 传输带宽严重地限制了传光性能 损耗较低的区域 最初仅有 0 85 m 1 31 m 和 1 55 m 三个波长窗口 而无水光纤的出 现打通了窗口 形成了 800nm 1600nm 传输损耗较低的区域 但是 必须明确其仍然不能传输各波长的自然光 并且传输的光信号功率 仅在毫瓦量级 另外 由于受激喇曼散射效应 受激布里渊散射效 应和四光子混合效应等的影响 造成光纤的非线性严重限制了传输 带宽 未来的纳米光纤通信采用的传输介质是纳米光纤 其传输损 耗几乎可以忽略不计 而传输带宽可以扩展到整个光波段 2 1 2 无线光通信的局限性无线光通信的局限性 现行光通信仍然有难以克服的局限性 尤其是无线光通信 其 11 最大缺点 要害 是不能通过不透光的任何物体 光通信都是以光作 为信息载体的通信手段 由于光的固有特性就是其传播的光路不能 被阻挡 即目前光信息载体只能在真空 大气 光纤纤芯或其他透 光的物质内传播 高山 河流和一切不能透光亮物体都会造成光通 信的中断 由于上述严重缺点 使得诸如中美之间的此类光通信只 能通过绕道半个地球的海底光缆来实现 科学技术的发展 出现地 纳米光纤实现了整个光波段的传输 而使用蓝绿光也可使光信息载 体穿过海水 实现深海潜艇与空中卫星之间的直接通信 为了克服上述难题 可加速光绕射技术的研究 使得光载体有 绕过不透光物体的能力 克服上述难题的另一种方法便是采用中微 子通信技术 下面扼要介绍可克服上述严重缺点在人类征服太空的 通信中将会发挥重要作用的中微子通信 2 2 中微子通信技术概况中微子通信技术概况 在这一部分将扼要的介绍一下中微子通信 NC Neutrino Communications 和其中微子通信工作原理 2 2 1 中微子通信简介中微子通信简介 中微子通信是利用中微子束运载信息的一种通信方式 由于地 球是球面 加上表面建筑物 地形等的遮挡 因此 在地球范围内 的所有无线电通信 包括电子学通信和光子学通信 都要通过各类 中继设备 如通信卫星和地面站等来转发延长传输距离 但是 采 12 用中微子通信其传输距离问题便可迎刃而解 其通信的传输距离可 达到足够远 中微子通信的设想提出已有多年 但如何方便地发射 和探测中微子 把信息有效地调制给中微子和解调出来 还都是有 待解决的难题 目前尚在探索之中 由于中微子是一种质量极小又不带电的中性基本微粒 其可以 光速进行直线传播 并可穿透钢铁 海水 以至整个地球 而本身 能量损失很少 因此是一种十分诱人的理想信息载体 例如 中微 子通信使用的中微子束可从南美洲穿过地球直接传至北京 在这里 是运用要求传输的信息将中微子束加以调制 使其包含有用信息 由于中微子几乎不与任何物质反应 因此 采用中微子通信对人无 任何伤害 中微子通信被认为在 21 世纪里是最有发展前景的通信领域 中微子通信的设想提出已有多年 但如何方便地发射和探测中微子 怎么样把信息有效地调制给中微子束中和怎么样将其解调出来 还 都是有待解决的难题 目前尚在探索之中 美国科学家在 1978 年就 进行了世界上第一次中微子通信试验 试验的距离是 6 4km 而后 又在伊利诺斯州和华盛倾之间进行长达 2700km 的地下通信试验 1984 年 美国一海军基地的一艘核潜艇作水下环球潜行时 正是采 用中微子通信保证了联系 在 1986 年美国还与苏联合作进行了中微 子穿透地球的实验 中微子通信有着很高的应用价值 如果采用中 微子通信 则将为海军对潜艇进行保密通信提供强有力的保证 即 使是发生了热核战争 安置在岩石深处的指挥部的中微子束发射机 13 也不会受到原子弹的破坏 地质学家用中微子束可给地球拍照 寻 找地壳中的矿藏资源 早在 20 世纪 60 年代 人类就开始通过 窃听 星系无线电波 来寻找外星文明 然而 这么多年过去了 还没有任何人截获来自 外星文明的通信信号 因此 较多人都认为 外星人早就抛弃了电 磁波通信方式 而是使用了更为先进的 中微子通信 进行联络 他们 用来通信的中微子拥有比恒星释放出的中微子具有更高的能量 因 为只有这样 他们的通信才能完全避开星际空间复杂环境的一切干 扰 中微子是宇宙中的奇妙粒子 它的质量超轻 具有超强的穿透 性能 可以穿透数千米厚的铅板 甚至整个地球和太阳 而人类通 信使用的电磁波很容易被星际气体和尘埃所阻止和分散 尤其是在 靠近星系中心的位置 星际气体和尘埃的浓度更为厚密 也就是说 在星系中心位置使用电磁波通信几乎是不可能的 而这种环境对中 微子通信来说几乎就是 透明的 对于未来的中微子通信来说 只需要中微子发射装置和接收 装置 发射装置发射中微子束包含的信息 经接收装置解读 就能 实现信息交流 把所有的信息 如视音频信号 数据信号等 加载 到中微子束上面 即可实现任意距离点与点之间的通信 无论通信 两点之间的距离有多远 也无需任何中继站或借助卫星转送 中微 子通信具有微波和光通信的高容量 直线性和保密性等特性 可双 14 向传输多路电视和音频信号 如与发送和接收的计算机进行并网 还可进行遥控 遥测 可以预见 神奇的中微子通信 必将在 21 世 纪人类通信领域中大放异彩 2 2 2 中微子通信工作原理中微子通信工作原理 中微子通信 这是利用中微子束运载信息的一种通信方式 中微 子通信是将中微子束应用于通信 其也像他通信方式一样 在这里 是将中微子束作为信息载体的 我们所要传送的语音 图像 数据 等一类信息 都要通过一种称为 调制 的技术将其 载入 中微 子束上 凭借中微子束的那种所向无阻的威力 把信息传送到目的 地 在到达目的地后再用一种称为 解调 的技术 把信息从中微 子束中分离出来 还原其信息本来面目 从这点上讲 似乎中微子 通信在原理上与其他通信方式没有两样 但是 虽然中微子通信的 设想提出已有多年 而如何方便地发射和接收中微子束信息载体 把信息有效地调制和解调出来 目前尚在探索之中 若让中微子通信投入实际应用 仍然有许多有待进一步解决的问 题 例如 如何用较简便的方法获得一些能量极高而又有足够束流 强度的中微子束 如何对其中微子通信束进行有效地控测 如何运用 较简便的方法 将其接收到的中微子通信的中微子束中所载的信息 解调出来 这些都是极为困难的议题 许多先进国家已开创了中微子通信的研究实验通信系统 这其中一 个难题是系统造价昂贵得难以接受 15 2 2 3 中微子通信分类中微子通信分类 对于中微子通信的分类也可按通信采用的传输介质 信息载体 的存在形式 工作原理以及网络的分布环境位置等进行分类 1 从通信网络采用的分布位置进行分类 从网络的配置地理位置考虑可把中微子通信网络分为包括在绕地球 的大气层之内的地球范围之内的中微子通信网络 在大气层之外人 造卫星之间及人造卫星与地面之间的 NC 网络 进入月球 进入火星 等乃至整个太阳系 甚至于离开太阳系进入广阔的宇宙空间的 NC 网 络等三大部分 将前两部分通称为 近空 中微子通信网络 而将 后者称为 深空 NC 网络 随着中微子通信网络在地球范围内正在迅猛发展 形成所谓的 近空通信网络体系 而另一方面中微子通信网络也将在卫星之间 的深空通信中大展宏图 形成所谓的 深空通信网络 甚至于人们 预言到中微子通信将成为人类敖游太空的主要通信方式 中微子通 信可逐步地将其地球范围内各类网络采用的通信技术融为一体 并 在地球和深空星际之间形成立体多维通信网 2 从通信网络采用的中微子信息载体类型进行分类 一般地说 是按采用的中微子信息载体的类型 形态 来分类 中微子通信网络的 由于到目前为止已发现三种形态的中微子和其 对应的三种形态反中微子 因此可将其分为与之相对应约六类中微 子通信网络 这就是三类采用中微子信息载体的中微子通信网络和 三类采用反中微子信息载体的 反 中微子通信网络 这六类中微子 16 通信网络 以电子中微子信息载体的中微子通信网络 以 缪子 中微子信息载体的中微子通信网络 中微子信息载体的 NC 网络 和以反电子中微子信息载体的中微子通信网络 以反 中微子信息 载体的中微子通信网络 反 中微子信息载体的中微子通信网络 2 3 中微子通信的发展简史中微子通信的发展简史 在这里按时间顺序对于中微子的发现过程与中微子通信的发展 简史扼要地介绍如下 1930 年 德国科学家泡利预言中微子的存在 1933 年 著名的奥地利物理学家在研究原子核工业反应时 发 现了一些能量的神秘丢失 于是 经过研究 他提出了 中微子 假说 1956 年 欧美学者通过复杂的核反应实验 证明了中微子确实 存在 美国莱因斯和柯万在实验中直接观测到中微子 因而莱因斯 获 1995 年诺贝尔奖 在 20 世纪 70 年代以后 科学家对中微子通信产生了极大的兴 趣 美科学家将中微子加速器产生的中微子束 发送至远隔千山万 水的另一端接收装置中 结果成功地感测到了穿山涉水而来的中微 子信号 1962 年 美国莱德曼 舒瓦茨 斯坦伯格发现第二种中微子 缪中微子 获 1988 年诺贝尔奖 1968 年 美国戴维斯发现太阳中微子失踪 获 2002 年诺贝尔 17 奖 1978 年 美国成功地进行了中微子通信试验 20 世纪 80 年代 苏联和美国又进行了中微子通信的试验 并 获得了成功 1984 年 美国海军基地的核潜艇做水下环球潜行时 采用了中 微子通信保证了联系 1985 年 日本神岗实验和美国 IMB 实验发现大气中微子反常现 象 1987 年 日本神岗实验和美国 IMB 实验观测到超新星中微子 1989 年 欧洲核子研究中心证明存在且只存在三种中微子 1995 年 美国 LSND 实验发现可能存在第四种中微子 惰性 中微子 neutrino 1998 年 日本超级神岗实验以确凿证据发现中微子振荡现象 2000 年 美国费米实验室发现第三种中微子 微子 2001 年 加拿大太阳中微子观测实验证实失踪的太阳中微子转 换成了其他中微子 002 年 日本 KamLAND 实验用反应堆证实太阳中微子振荡 2003 年 日本 K2K 实验用加速器证实大气中微子振荡 2006 年 中国科学院高能物理研究所的大亚湾反应堆中微子实 验于正式启动 联合了国内多家研究所和大学国家实验室以及中国 香港 中国台湾 俄罗斯 捷克的研究机构 2010 年 上述联合研究机构建成 其实验总投资达 3 亿元人民 18 币 其建成运行将使中国在中微子 neutrino 研究中占据重要的国 际地位 迄今已确认的中微子有电子中微子和 m 介子中微子 科学 家分别进行的海下 地下种种实验 使中微子通信初显端倪 第第 3 章章 中微子通信的系统组成及主要性能中微子通信的系统组成及主要性能 中微子通信系统是以中微子作为传输信息载体的通信系统 一 般来说 中微子通信系统可分为近空 接近地面有空气的空间 和深 空 远离地面接近真空的空间 两大类 近空中微子通信系统与自由 空间光通信网络系统不同 其可在任何气候条件下 在充分长距离 甚至于可穿过地球 的收发两个端机之间可存在任何遮挡物体 只 要有足够的中微子发射功率及接收灵敏度 即可实现收发两个端机 之间的 NC 在这里以与自由空间光通信网络系统相对照地方式讨论 关于中微子通信的系统组成及主要性能 3 2 中微子通信系统的组成与原理框图中微子通信系统的组成与原理框图 中微子通信过程与光通信相类似 也有发射端与接收端装置 在通信时 发射端装置的功能分为三部分 1 产生中微子流的装置 由此产生中微子流 作为 NC 的信息 载体 19 2 调制器装置 由此调制中微子流将要发送的信息载人中微子 流中 3 中微子流的发射装置 由此将已被调制好的中微子流发送到 NC 信息的传输信道 在通信时 接收端装置的功能也分为三部分 1 前端接收装置 其主要功能是从中微子通信信息的传输信道 接收已被调制好的中微子流 并且将其去掉传输中受到的干扰与衰 落 恢复得到原来发射端装置发送到信到信道中的调制中微子流 2 中微子通信信息的解调装置 其主要功能是从接收到载人中 微子流中的信号解调出来 3 原信号恢复装置 将解调出来的信号进一步整形放大恢复其 在发送端信号的本来面貌 图 3 1 中微子通信的简单原理框图 3 3 中微子通信系统的实际实现实例中微子通信系统的实际实现实例 下面给出中微子通信系统的一个实际实现实例 中微子通信过程和微波通信相似 有发射和接收装置 通信时 发 射端首先用高能质子加速器 将质子加速到几千亿电子伏的能量 20 然后去轰击一块金属靶子 此时 靶子的背面就会产生许多 短命 的介子 这些介子一边运动 一边发生衰变 从而变成中微子和 子 再让它们共同穿过钢板 这时 子被钢板阻挡并衰变了 剩下 的就是纯净的中微子束 然后 再用信号对它进行调制 接着通过 磁场控制载有信息的中微子束 使之按人的旨意朝一定方向传向目 标 接收端是一个储有近亿吨水的大水箱 箱内的光探测器星罗棋 布 当发射来的中微子束在水中传过时 就会与原子核中的中子发 生核反应而生成 子 子在水中高速前进 受到核的减带作用 放出光子 这些光子进而被水中的光探测器接收了 即可把原来中 微子束所携带的信息解调出来 从而达到通信的目的 中微子通信 是直接利用核反应堆中射线束 射线在衰变过程中能放出电子和 中微子 利用微型高能质子同步加速器 当能量达到了 5X1011eV 时 中微子束的速度即达到光速 只要控制中微子束的能流密度 把所 有的信息 如视音频信号 数据信号等 加载到中微子束上面 即 可实现任意距离点与点之间 具有光通信容量的保密通信 可以双 向传输多路电视 音频信号 并与计算机并网 对潜艇进行遥控遥 测等 将来用到无人驾驶的核潜艇上也是可能的 中微子通信的解调是利用 契伦科夫效应 进行的 中微子束 不管通过的距离多么遥远 只要在接收端通过 400m 以上的水深时 便与水原子的中子发生核反应 生成高能量的负 子 在水中负 子能以接近光速的速度前进 当它穿越 60m 70m 长的距离时 产生 契伦科夫效应 即产生 0 4 m o 7 m 连续分布可见光 21 称为契伦科夫光 光线与负 子的前进方向成 410 夹角 在 水中用光电信增管直接检测可见光 就可以解调出发送端的全部信 号 同时可进一步精确地利用负肚子跟踪定位发送端的方位 中微 子通信具有微波和光通信的容量大 直线性和保密性的特点 第第 4 章章 中微子通信系统采用的关键技术中微子通信系统采用的关键技术 中微子通信网络系统涉及的关键技术主要是确保其中微子通信 设备网络系统的正常运行和有优良的功能性能参数 其功能这里至 少要涉及中微子通信网络发射系统性能与接收系统性能 这里要包 括中微子波束的产生方法与设施 中微子波束的调制与解调方法与 机构 中微子通信网络系统信号的接收方法与设施等 4 1 中微子通信系统采用的中微子波束的产生方法与设施中微子通信系统采用的中微子波束的产生方法与设施 在广阔的宇宙中有多种方式产生中微子波束 在宇宙中微子的 产生中至少可列举以下几种方式 在宇宙大爆炸中 在超新星爆发 等巨型天体活动中 宇宙恒星中的核反应中 高能宇宙射线的作用 中 宇宙线高能质子打在星体云或星际介质的原子核上产生核反应 生成的介子衰变为中微子 地球上的物质自发或诱发裂变产物 衰 变产生的中微子 介子衰变产生高能中微子等 在通过核聚变反应中产生中微子束时其几个关键技术是 核聚 变反应中要绝对保证安全 绝对不允许有无任何核泄漏现象存在 产生的中微子束要保证有一定的中微子密度 作为中射线束源设备 22 其可靠性应足够高 其应做到体积较小 也不太重 以便设备方便 移动 通过核聚变反应中产生中微子束自然是离不开核聚变反应的 这会带来许多问题 例如 设备体积庞大 不易于移动 其要严防 损坏而造成核泄漏 设备造价昂贵 一般难以承受 因此 产生另 一关键问题是是否可不用通过核聚变反应方法获得中微子束源 采 用非核聚变反应获得中微子束的方法更是一个严重地技术关键 但 是 这种获得中微子束的方法并不是根本没有可能 如前所述 在 世界上可获得中微子束的方法可达 7 种以上 可建议研制创造一类 收集进入地球范围的宇宙中微子的方法 并将其 收集 与 存储 起来 形成中微子通信所要求的中微子源 这类中微子源要求体积 小 重量轻 易于携带 因此 也使中微子通信系统设备可作得小 巧玲珑便于搬运移动 4 1 1 中微子通信系统采用的中微子波束的调制 解调技术中微子通信系统采用的中微子波束的调制 解调技术 1 光通信采用的调制技术 在光通信中 调制技术主要是指用于光通信网络中对于设备光 源的调制技术 即是将要发送的信号调制在光波上 从而形成以光 波作为信息载体的载波信号 在现行光通信系统中采用的调制方式 是内部强度调制 直接检测 IM DD 和外部调制 外差接收两类 相干调制是相干光通信系统的核心技术 相干光通信是在发信 端采用相干调制 在收信端采用外差解调的光通信系统 23 2 中微子通信采用的调制技术 与光通信相类似 在中微子通信的发送设备中 调制器使用准 备发送数据信息对其中微子束进行调制 接着在中微子信号发射机 中通过磁场控制载有信息的中微子束 使之按我们的旨意朝一定方 向传向目标 在中微子通信的接收设备中 将中微子束所载信号解 调出来恢复原信号 3 中微子通信采用调制技术的关键 由于中微子通信系统的研制开发处于刚刚起步阶段 其采用的 调制技术是模拟调制还是数字调制 是沿用数字光通信采用的调制方 式还是采用另外地独特调制方式 这一切都成为研究中微子通信系统 的关键技术之一 4 1 2 中微子通信系统采用的中微子波束接收中微子通信系统采用的中微子波束接收 中微子通信接收端与光通信接收端相类似 在中微子通信接收 端装置的功能也可分为以下三部分 1 前端接收装置 其主要功能是从中微子通信信息的传输信 道接收已被调制好的中微子流 并且将其去掉传输中受到的干扰与 衰落 恢复得到原来发射端装置发送到信到信道中的调制中微子流 2 中微子通信信息的解调装置 其主要功能是从接收到载人 中微子流中的信号解调出来 3 原信号恢复装置 将解调出来的信号进一步整形放大恢复 24 其在发送端信号的本来面貌 第第 5 章章 中微子通信系统的优越性中微子通信系统的优越性 2 1 世纪是纳米光通信大展宏图的世纪 作为人类迎来的这种 新型纳米光通信通信方式一方面将为通信事业带来勃勃生机极其美 好的明天 而另一方面由于其纳米光通信本身存在的固有局限性 由于光载波只能 直线 传播 并且不能穿过不透光的物体 纳米 光通信受天气状况 地形条件 外来物的影响较大 难以实现全天 候 超视距的通信 这就使的纳米光通信在一些方面不能满足人们 对通信的更高的渴望 中微子通信系统完全克服了纳米光通信的上述局限性 中微子 通信系统其信道可为穿过地球的两端 甚至于太空的星际之间 也 无需任何中继或卫星转送 神奇的中微子束通信具有光通信几乎一 样的高容量 可双向传输多路电视和其他多媒体信号 若将发送和 接收的计算机进行并网 可进行遥控 遥测 中微子通信系统的迅 猛发展 将在通信领域为人类征服宇宙创造更加美好的光辉前景 无线电通信是当今使用最广的通信方法 不过 它有一定的局 限性 常受到外界的干扰 现在 科学家已经发明了一种新型的通 信方法 这就是利用中微子束进行的通信 中微子通信被普遍认为 是最有发展前途 可在人类征服宇宙中最合适的一类通信手段 与 光通信技术的优越性相对照 目前所认识到的主要优越性可表现为 25 以下几点 5 1 频带宽 容量大可以高速率工作频带宽 容量大可以高速率工作 中微子通信频带宽 容量大 可以高速率工作 中微子通信速 度快 能以近光速进行直线传播 并极易穿透钢铁 海水 以至整 个地球 而本身能量损失很少 从太阳来到地球 8min 就够了 对于我们讨论的中微子通信技术 其中微子信息载体不但可在 整个光频段工作 而且可以任何中微子束可达到的速率下工作 5 2 有足够强的穿透能力有足够强的穿透能力 在光通信中使用的光载波只能 直线 前进 一般不能 拐弯 即在空气 真空或海水中只能直线传播 光载波不能穿过不透光的 物体 另外 大气和地面对太阳光的散射形成的背景辐射 对激光 大气通信的接收器来说是一个强的噪声源 如果阳光直射到探测器 上 将会产生很高的误码率 为减小背景辐射的影响 不宜采用可 见波段的激光 紫外和红外线是可选择对象 关于背景噪声的影响 只有当太阳光平行照射无线纳米光通信设备时 才会对其设备产生 影响 无线纳米光通信设备厂家通常在设备的前面增加的优质的滤 光装置 并在结构设计上增加遮阳板 若安装地点可以选择 建议 安装时尽量避免太阳光直射 5 3 抗干扰性强 不受无线电频段电磁波等的干扰抗干扰性强 不受无线电频段电磁波等的干扰 中微子通信技术不受无线电频率干扰或处于饱和状态 可以以 26 窗口为基础使用 这是由于无线纳米光通信系统光能量集中一定的 光束载体区域 因此其具有很强的抗电磁干扰性能 一般的无线电 波对其不会形成干扰 在其工程施工中不需要考虑多径干扰 电波 反射等微波中经常遇到的难题 由于无线纳米光通信使用的光束窄 小 方向性强 不会对其他通信系统形成干扰 相同地域内可容纳 大量的无线纳米光通信系统 而且因为彼此不相干 即使相交也不 会影响到各自的通信质量 无线纳米光通信系统为适应各种恶劣工作环境 必须有较强的 抗干扰和抗衰落性能 为此 在规划网络 研制设备时也必须同时 采用多种抗干扰和抗衰落措施 例如 设备的抗电磁干扰结构设计 射频 基频与供电系统的隔离以及通常采用的空间分集接收方法等 中微子通信系统抗干扰性能强 不受无线电频段电磁波等的干 扰 这里当然也包括核辐射的影响 这是由于中微子信息载体是属 于不带电 不会受任何干扰的暗物质 因此 中微子束通信是一种 目前最迅速 最安全 保密性最强的现代通信手段 5 4 安全可靠 有良好的传输保密性能安全可靠 有良好的传输保密性能 在光通信系统中 光纤传输是比较安全的 而无线纳米光通信 系统更是最安全网络传输技术 不要求高级安全软件 这是因为所 载信息是被保持在一个非常狭窄的非可见光束锥形体中 波束很窄 很难在空中发现其业务链路 更不存在被窃听的可能性 同时 其 27 波束是定向发射的 仅对准目的接收机 倘若其无线纳米光通信系 统的通信链路被阻截 使其传输的数据信息外泄 用户也会立即很 快地发现链路被中断了 这使得无线纳米光通信系统万无一失 具 有的这种传输安全保密性能使得无线纳米光通信系统将特别受到金 融 法律 军事等保密要求高部门的青睐 此外 通常在用户到集 线器之间的链路上是加密的 这又进一步保证了通信的安全保密性 激光束的安全性是无线纳米光通信系统必须考虑的问题 光信号发 射功率必须限制在保证人类眼睛安全的功率范围内 这也限制了无 线纳米光通信的通信距离 5 5 有极高的有效性 可全天候工作有极高的有效性 可全天候工作 在一般光通信中 特别是在无线纳米光通信中 恶劣的天气情 况 会对无线纳米光通信的传播信号产生波动起伏的衰耗作用 更 严重时甚至于会造成通信的瞬间中断 这里应明确 气候对于无线 纳米光通信的主要挑战是浓密的烟雾 降雨和雪对于无线纳米光通 信的影响 当设计无线纳米光通信时 主要应当考虑的是烟雾弥漫 的气候条件 其应对措施通常是缩短无线纳米光通信的链路距离和 增加网络冗余量 中微子通信 由于其中微子信息载体的穿透能力极强 甚至于 可穿过炽热的地心 因此 就目前所了解的中微子束基本知识 关 于恶劣的天气情况将对中微子通信不会产生任何影响 28 5 6 特别适于宇宙空间的通信特别适于宇宙空间的通信 在光通信中 特别是无线纳米光通信网络特别适合于宇宙空间 的通信 但是 无线纳米光通信网络还存在许多有待于解决的问题 首先是在大气等介质空间传输距离很短 此外还有收发端对准 受 空中障碍物和背景噪声影响和激光的安全等诸多问题 在辽阔的宇宙空间中建立中微子通信网络这是其将来发展中微 子通信的远大宏伟目标 在地球范围的外层空间中 并用中微子束 来探索遥远的空间 无线电波有一个严重的不足之处 就是无线电 波中的很大一部分不能穿透电离层 此外 无线电波还容易受到太 阳黑子活动的干扰 也会在气候变化 核爆炸时发生变化 由于中 微子不带电荷 稳定可靠 所以中微子束基本上不受电离层 太阳 黑子等外界因素的影响 这样 中微子束用于外层空间通信时 就 可以以光速直达信息目的地 用于遥远空间探索时 也可以以光速 直达探索目标 因此 中微子通信是在人类征服宇宙中有力的通信 方式 第第 6 章章 中微子通信技术在地球范围内外的应用中微子通信技术在地球范围内外的应用 6 1 中微子通信技术在地球范围之外的应用中微子通信技术在地球范围之外的应用 从通信区间来考虑 可将其通信分为地球范围内的中微子通信 人造卫星间及卫星与地球范围内之间的中微子通信 即所称的 近 空中微子通信网络 和太空宇宙中的 深空中微子通信网络 几类 29 在有的资料中 将地球范围内的中微子通信称为 近空中微子通信 网络 而将人造卫星间及卫星与地球范围内之间的中微子通信称为 深空中微子通信网络 关于太空宇宙中的中微子通信 目前世界 各先进国家都在投入很大精力在研究开发中 在浩瀚的宇宙空间中 庞大的银河星系至少存在 300 亿以上个 星体 这其中估计至少有 5 亿个星体有类似于地球的环境 可能有人 类居住 在广阔的宇宙空间中 类似于银河星系的星系还至少有 1000 个以上 这表明 在极为广阔的宇宙中存在着 数不清 的适 合于人类居住条件的星体 要实现地球上人类与其有人类存在的其他星体的通信联络 就 目前地球上人类所掌握的通信手段仅有以暗物质中的中微子作为信 息载体的中微子通信和以光作为信息载体的纳米光通信 前者的开 发与应用还是比较遥远的事情 很自然其星际之间通信的重担目前 就只能落到了纳米光通信技术手段上了 但是 由于纳米光通信技 术存在着只能穿过透光的介质等诸多难以克服的缺点 因此 迅速 研究开发出中微子通信就成为 21 世纪非常迫切的问题了 中微子通 信技术的迅猛发展 将使 21 世纪成为中微子通信大展宏图的辉煌时 代 这不仅表现在地球上中微子通信网络的迅速形成 而且也表现 在近空和深空卫星通信的领域中 更重要的是将来中微子通信要主 宰近空和深空 甚至于成为人类遨游太空实现整个宇宙空间通信的 主要手段 如前所述 近空中微子通信网络是指人造卫星间及卫星与地球 30 范围内之间的中微子通信 中微子通信技术近年来获得迅猛发展 为星际间的通信开辟了美好前景 尤其是各先进国家在星际中微子 的研究中投入了可观的人力和财力 并取得令人鼓舞的成果 近年 来 各先进国纷纷单独或合作首先开发近空中微子通信网络系统 并且正在考虑实习与已存在的运行着的微波 光载波卫星信号的对 接与转换问题 通信 是飞行中的飞机与地面指挥人员联系的唯一 手段 是关系到飞机飞行安全的重要因素 目前飞机与地面间的通 信主要是借助于普通的无线电波 但这种无线电波具举易受干扰 不能钻地 人海等 先天性不足 用它进行远程通信时有时还要借 助于地面中转站或中继通信卫星 十分不便 为此 超飞一号 摒 弃了无线电通信 而采用更为先进的 中微子通信 中微子通信技术不但可将地球范围内各类通信融为一体 而且还可 应用宇宙通信之中 实现地球与各星体之间的通信 可见 研究中 微子通信技术有多么深刻的重大意义 6 2 中微子通信技术在地球范围内的应用中微子通信技术在地球范围内的应用 6 2 1 各类陆地中微子通信网络各类陆地中微子通信网络 实际上 运用中微子通信技术可以实现在地球整个范围内所有现 行各类光通信网络 这里可包括地球范围内的干线通信网 城域网 和用户接入网等各类电信网和数据网 由于中微子束具有的穿透力 极强和巨大地抗干扰能力