題目：核地球物理新技術之中微子通

信技術與應用展望TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"引言 4\o"CurrentDocument"第一章中微子的發現及特點 5中微子的發現 5\o"CurrentDocument"宇宙的信使 7\o"CurrentDocument"中微子種類 10\o"CurrentDocument"第二章中微子通信的理論基礎 11\o"CurrentDocument"現行光通信的局限性 11\o"CurrentDocument"光纖通信的局限性 11\o"CurrentDocument"2.1.2無線光通信的局限性 11\o"CurrentDocument"2.2中微子通信技術概況 12\o"CurrentDocument"中微子通信簡介 12\o"CurrentDocument"中微子通信工作原理 14\o"CurrentDocument"中微子通信分類 15\o"CurrentDocument"中微子通信的發展簡史 17\o"CurrentDocument"第三章中微子通信的系統組成及主要性能 19\o"CurrentDocument"中微子通信系統的組成與原理框圖 19\o"CurrentDocument"中微子通信系統的實際實現實例 20第四章中微子通信系統采用的關鍵技術 22中微子通信系統采用的中微子波束的產生方法與設施...22中微子通信系統采用的中微子波束的調制／解調技術23\o"CurrentDocument"中微子通信系統采用的中微子波束接收 24第五章中微子通信系統的優越性 24\o"CurrentDocument"頻帶寬，容量大可以高速率工作 25\o"CurrentDocument"有足夠強的穿透能力 26\o"CurrentDocument"抗干擾性強，不受無線電頻段電磁波等的干擾 26\o"CurrentDocument"安全可靠，有良好的傳輸保密性能 27\o"CurrentDocument"有極高的有效性，可全天候工作 28\o"CurrentDocument"特別適于宇宙空間的通信 28\o"CurrentDocument"第六章中微子通信技術在地球范圍內外的應用 29\o"CurrentDocument"中微子通信技術在地球范圍之外的應用 29中微子通信技術在地球范圍內的應用 31\o"CurrentDocument"各類陸地中微子通信網絡 31在上空、水下和地下巖層中間的中微子通信網絡..31\o"CurrentDocument"參考文獻 32引言前地礦部部長李四光說:“中國地質學的創始人,不是別人,而是章鴻釗先生。”1987年3月武漢地質學院出版社出版的章鴻釗先生“六六自述”中指出:“世固不乏先進者,早欲利用物理學以解決地質學上諸問題矣”。經典物理學中的萬有引力、磁學、電學、振動與波等理論,都已形成了重力、磁法、電法、地震等勘探方法,它們在國民經濟中,作出了巨大的貢獻,這也是舉世公認的。當今,近代物理學中核物理理論、儀器、方法技術等,已形成了放射性方法或稱核地球物理學。美國科羅拉多礦業學院出版了“核法勘探”教材;俄羅斯的圣彼得堡大學出版了“核地球物理原理”教材;英國出版了國際性學術雜志“核地球物理”。核地球物理所涉及的范圍很廣,從空間上來講,已用于星際、航空、地面、坑道、鉆孔、水底與海底。從礦產資源來講,已用于放射性礦產的鈾礦、非放射性礦產的金、銀、銅、鉛、鋅、鐵、鎳、錳、銀、鑰、錫、銻、汞、鎢、釩、欽、鋇、鉻、磷、鉀石油與天然氣,以及稀有、稀土金屬、金剛石等。還用于水文、工程、工業、農業、醫學和環境科學。從物理“相”的角度來講,已對氣相（如氧氣）、液相（如水）、固相（如微觀基本粒子、納米級微粒、礦物巖石）等進行研究。80年代以來,國內外發展較快的幾種主要核地球物理勘查技術的概況。這些方法有:中微子在地球科學中的應用;應用核技術探測納米級微粒和氣體;航空伽瑪能譜測量;應用核技術原位測品位并計算線儲量（包括X射線熒光輻射取樣;中子活化輻射取樣和伽瑪射線輻射取樣）；地面伽瑪能譜測量;X射線熒光井；水底和海底天然放射性方法測量;水底和海底中子活化方法量;水下X射線熒光測量;核磁共振方法;在工程中應用核技術;反射宇宙中子法;以及在環境科學中應用核技術等。本文重點介紹的是核地球物理勘查技術中的中微子在地學中的應用之中微子通信技術的應用與展望，系統介紹了中微子的特點及通信原理技術。第一章中微子的發現及特點1.1中微子的發現在20世紀最初的幾十年里,原子物理學家在揭示宇宙的組成方面取得了長足的進步。當時的科學家們普遍相信：所有原子都是由兩種帶電粒子組成的，這兩種粒子就是位于原子核的質子和環繞質子運動的電子。但奇怪的是，有些原子的原子核很不穩定，它們會解體，即通常所說的衰變。因此，放射性衰變成為當時物理學中最大的一個奧秘。原子核衰變時會釋放能量，其方式通常是射出一個電子。問題就出在射出的電子的能量上面—電子的能量小于原子核衰變所放出的能量。物理學中有一個非常有名的定律：能量守恒。如果原子核衰變時只是放出電子，那么原子核所失去的能量就應該全部被電子所吸收，但是電子攜帶的能量看起來沒有它按理說應該攜帶的那么多。換句話說，原子核衰變時所釋放的能量中有一部分“消失”了。在鮑里看來，能量絕不可能消失，一定是有第三種粒子參與了放射性衰變。鮑里把它叫做“中微子”。這是一種從未有人見過、甚至從未有人知道的粒子，但正是它帶走了那一部分“消失”的能量。鮑里認為，這種粒子極其渺小，并且行蹤詭異，難怪一直沒有人探察到它的存在。不過，在宣布自己這個帶有很大推測性的“重大發現”之前，鮑里可謂猶豫再三。能量守恒定律得到了維護，但是就連鮑里自己也擔心，恐怕永遠都無法證明中微子的存在，因為中微子同組成原子的其他粒子不同中微子不帶電，并且能徑直穿透所有固體物質而不留下任何痕跡。與其他粒子相比，中微子的確是一種詭異的“小鬼”。鮑里等人當時斷言說，永遠也不會有人能夠見到中微子。也許正是受這一斷言的影響，此后數十年中無人敢于嘗試尋找中微子。直到原子彈問世之后,情況才豁然開朗，事實上原子彈爆炸所產生的巨大能量正是來自于一系列放射性衰變反應。假如鮑里的理論沒錯,那么在原子彈爆炸時就會釋放出大量的中微子，或者說就會產生密集的中微子脈沖。20世紀50年代，美國核武器研究成員之一，年輕的物理學家弗雷德?雷恩，盡管他的工作是研制核武器，但他的真正興趣卻在于解決物理學中的基本問題。當時,雷恩突然想到，借助于原子武器的研制，也許就能找到令人難以捉摸的中微子。雷恩還想到，如果核彈爆炸時的連鎖反應能產生大量中微子，那么核反應堆中的連鎖反應也應該能產生大量中微子，由此，就有可能捕捉到中微子。于是，一個尋找中微子的計劃產生了，雷恩及其同事把它稱作“小鬼計劃”。終于在，1956年6月14日，通過大量的實驗和觀察，發現了表明中微子存在的一種明顯的能量雙脈沖信號，雷恩及其同事自豪地向全世界宣布，他們已經找到了中微子!他們還給鮑里發去電報，告訴他這一喜訊得知消息后，鮑里欣喜若狂。從1930年鮑里提出中微子存在的理論，到1956年雷恩等人檢測到中微子，整整耗費了四分之一世紀的時間，這足以說明尋找中微子是多么的艱難。1.2宇宙的信使中微子也與質子、電子一樣，是構成原子的基本粒子之一。只不過它的質量很輕，連電子的萬分之一都抵不上，而且呈現中性。它與其他粒子之間只存在微弱的相互作用力，而不存在電磁力的作用。中微子還具有其他基本粒子所不具備的那股“鉆”勁。它可以像《封神榜》中的土行孫那樣，神不知、鬼不覺地鉆入地下，連碩大的地球也不在話下，可以把地球穿個透。由于中微子與其他組成物質的基本粒子之間相互作用力很弱，因而它在行進過程中的能量損耗也甚微。如果設想讓它沿地球直徑穿越地球，其能量損耗只有一百億分之一。此外，它還能潛身海底，遨游太空，出入于厚碩無比的金屬墻，真是所向披靡，如入無人之境。中微子的上述特性被揭示后，立即引起了通信專家們的注意。他們認為，利用中微子進行通信比利用電磁波更加優越。因為，在高山、海洋的阻攔面前，電磁波便會顯得軟弱無力，而中微子毫不在乎。目前，尚存在一些因受自然條件影響，無線電不能光顧的地區。這些聽不到廣播，看不到電視節目的地區，通稱為“盲區”。中微子通信的實用化,將會給這些地區帶來福音。中微子通信是利用中微子運載信息的一種通信方式。中微子是一種質量極小，又不帶電的中性基本微粒。它能以近光速進行直線傳播，并極易穿透鋼鐵、海水，以至整個地球，而本身能量損失很少，因此是一種十分誘人的理想信息載體。早在1956年，歐美學者通過復雜的核反應實驗，證明中微子確實存在。上世紀70年代以后，科學家對中微子通信產生了極大的興趣，美科學家將中微子加速器產生的中微子束，發送至遠隔千山萬水的另一端接收裝置中，結果成功地感測到了穿山涉水而來的中微子信號。80年代，前蘇聯和美國進行了中微子通信的試驗，獲得了成功。1984年美國一海軍基地的一艘核潛艇做水下環球潛行時，正是采用中微子通信保證了聯系。科學家分別進行的海下、地下種種試驗，使中微子通信初顯端倪。中微子束沿直線傳播，不會發生反射、折射和散射等現象，因而保密性能好。在戰時，當所有有線通信都受到破壞，無線通信又遭受強烈干擾的情況下，中微子通信將由于穩定、可靠而突顯戰略優勢。它特別適用于海軍基地對核潛艇的通信指揮。利用中微子能夠穿透地球的本領，將為南北半球之間的通信找到一條捷徑；它還可以作為人類的信使，遨游太空，與宇宙飛船或別的星球建立聯系；我們還可以利用中微子通信輕而易舉地與設在山洞或水下的指揮所建立聯系。除此之外，地質學家還設想用中微子波束給地球拍照，以揭開地球的面紗，讓地下寶藏一覽無遺。中微子通信有著很高的應用價值，如果采用中微子束通信，則將為海軍對潛艇進行保密通信提供強有力的手段；即使是發生了熱核戰爭，安置在巖石深處的指揮部的中微子束發射機不會受到原子彈的破壞，還能正常工作；地質學家用中微子波束可給地球拍照，尋找地殼中的礦藏資源。中微子通信除用于全球人類通信外，還可以穿透月球，與月球背面的空間站聯系，或者作為“特殊信使”，遨游太空，與在宇宙中飛行的宇宙飛船直接聯系，為人類征服宇宙服務。科學家還設想發射中微子訊號讓它在太空中穿行，去尋找外星人。其中可能的應用之一就是中微子通訊。由于地球是球面，加上表面建筑物、地形的遮擋，電磁波長距離傳送要通過通訊衛星和地面站。而中微子可以直透地球，它在穿過地球時損耗很小，用高能加速器產生10億電子伏特的中微子穿過地球時只衰減千分之一，因此從南美洲可以使用中微子束穿過地球直接傳至北京。將中微子束加以調制，就可以使其包含有用信息，在地球上任意兩點進行通訊聯系，無需昂貴而復雜的衛星或微波站。將中微子應用于通信，也像其他通信方式一樣，是將中微子作為信息的載體。我們所要傳送的語音、圖像、數據等一類信息，都要通過一種叫“調制”的技術將它們“馱載”在中微子束上，藉中微子那種所向無阻的威力，把信息傳送到目的地。然后再用一種叫“解調”的技術，把信息從中微子束中分離出來，還其本來面目。從這點上講，似乎中微子通信在原理上與其他通信方式沒有兩樣。但要讓中微子通信投入實際應用，仍然有許多有待進一步解決的問題，例如，如何用較簡便的方法獲得一些能量極高而又有足夠束流強度的中微子束，以及如何對它進行有效的控測等，都是難題。1.3中微子種類轉眼，時間到了20世紀70年代中期。這時，粒子物理學的標準模型問世了。這一簡單的理論模型集納了迄今為止粒子物理學家的所有重大發現，被譽為“宇宙的完整配方”。按照標準模型，宇宙中的萬事萬物皆由12種基本粒子組成，中微子就是其中之一，不過，中微子不是一種而是三種：電子中微子、渺子（卩子）中微子和陶子（T子）中微子。太陽只產生一種中微子，即電子中微子，而能夠探察的也只是這種中微子。每一種中微子都會釋放對應的粒子一一電子中微子釋放電子，卩中微子釋放卩子，同理，T（希臘字母“陶”）中微子釋放T子。它們的發光模式會泄露天機，讓科學家辨別出中微子的“味”，可信度達到25%。電子中微子：電子與原子相互作用，將能量一下子釋放出來，會照亮一個接近球形的區域。卩中微子：卩子不像電子那樣擅長相互作用，它會在冰中穿行至少1千米，產生一個光錐。T中微子：T子會迅速衰變，它的出現和消失會產生兩個光球，被稱為“雙爆”。第二章中微子通信的理論基礎現行光通信的局限性在現行光通信發展中遇到許多難題和困惑，使之成為發展的障礙。這里僅扼要地介紹其主要表現的局限性。2.1.1光纖通信的局限性眾所周知，光纖通信的傳輸介質是光纖，其光纖的傳輸損耗和傳輸帶寬嚴重地限制了傳光性能。損耗較低的區域，最初僅有0.85卩m、1.31um和1.55um三個波長窗口，而無水光纖的出現打通了窗口，形成了800nm~1600nm傳輸損耗較低的區域。但是，必須明確其仍然不能傳輸各波長的自然光，并且傳輸的光信號功率僅在毫瓦量級。另外，由于受激喇曼散射效應、受激布里淵散射效應和四光子混合效應等的影響，造成光纖的非線性嚴重限制了傳輸帶寬。未來的納米光纖通信采用的傳輸介質是納米光纖，其傳輸損耗幾乎可以忽略不計，而傳輸帶寬可以擴展到整個光波段。2.1.2無線光通信的局限性現行光通信仍然有難以克服的局限性，尤其是無線光通信，其最大缺點（要害）是不能通過不透光的任何物體。光通信都是以光作為信息載體的通信手段，由于光的固有特性就是其傳播的光路不能被阻擋，即目前光信息載體只能在真空、大氣、光纖纖芯或其他透光的物質內傳播。高山、河流和一切不能透光亮物體都會造成光通信的中斷。由于上述嚴重缺點，使得諸如中美之間的此類光通信只能通過繞道半個地球的海底光纜來實現。科學技術的發展，出現地納米光纖實現了整個光波段的傳輸，而使用藍綠光也可使光信息載體穿過海水，實現深海潛艇與空中衛星之間的直接通信。為了克服上述難題，可加速光繞射技術的研究，使得光載體有繞過不透光物體的能力。克服上述難題的另一種方法便是采用中微子通信技術。下面扼要介紹可克服上述嚴重缺點在人類征服太空的通信中將會發揮重要作用的中微子通信。中微子通信技術概況在這一部分將扼要的介紹一下中微子通信(NC，NeutrinoCommunications)和其中微子通信工作原理。2.2.1中微子通信簡介中微子通信是利用中微子束運載信息的一種通信方式。由于地球是球面，加上表面建筑物、地形等的遮擋，因此，在地球范圍內的所有無線電通信，包括電子學通信和光子學通信，都要通過各類中繼設備，如通信衛星和地面站等來轉發延長傳輸距離。但是，采用中微子通信其傳輸距離問題便可迎刃而解，其通信的傳輸距離可達到足夠遠。中微子通信的設想提出已有多年，但如何方便地發射和探測中微子，把信息有效地調制給中微子和解調出來，還都是有待解決的難題，目前尚在探索之中。由于中微子是一種質量極小又不帶電的中性基本微粒，其可以光速進行直線傳播，并可穿透鋼鐵、海水，以至整個地球，而本身能量損失很少，因此是一種十分誘人的理想信息載體。例如，中微子通信使用的中微子束可從南美洲穿過地球直接傳至北京。在這里是運用要求傳輸的信息將中微子束加以調制，使其包含有用信息。由于中微子幾乎不與任何物質反應，因此，采用中微子通信對人無任何傷害。中微子通信被認為在21世紀里是最有發展前景的通信領域。中微子通信的設想提出已有多年，但如何方便地發射和探測中微子，怎么樣把信息有效地調制給中微子束中和怎么樣將其解調出來，還都是有待解決的難題，目前尚在探索之中。美國科學家在1978年就進行了世界上第一次中微子通信試驗，試驗的距離是6.4km。而后，又在伊利諾斯州和華盛傾之間進行長達2700km的地下通信試驗。1984年，美國一海軍基地的一艘核潛艇作水下環球潛行時，正是采用中微子通信保證了聯系。在1986年美國還與蘇聯合作進行了中微子穿透地球的實驗。中微子通信有著很高的應用價值，如果采用中微子通信，則將為海軍對潛艇進行保密通信提供強有力的保證；即使是發生了熱核戰爭，安置在巖石深處的指揮部的中微子束發射機也不會受到原子彈的破壞；地質學家用中微子束可給地球拍照，尋找地殼中的礦藏資源。早在20世紀60年代，人類就開始通過“竊聽”星系無線電波來尋找外星文明。然而，這么多年過去了，還沒有任何人截獲來自外星文明的通信信號。因此，較多人都認為，外星人早就拋棄了電磁波通信方式，而是使用了更為先進的“中微子通信”進行聯絡。他們用來通信的中微子擁有比恒星釋放出的中微子具有更高的能量。因為只有這樣，他們的通信才能完全避開星際空間復雜環境的一切干擾。中微子是宇宙中的奇妙粒子，它的質量超輕，具有超強的穿透性能，可以穿透數千米厚的鉛板，甚至整個地球和太陽。而人類通信使用的電磁波很容易被星際氣體和塵埃所阻止和分散，尤其是在靠近星系中心的位置，星際氣體和塵埃的濃度更為厚密。也就是說，在星系中心位置使用電磁波通信幾乎是不可能的，而這種環境對中微子通信來說幾乎就是“透明的”。對于未來的中微子通信來說，只需要中微子發射裝置和接收裝置。發射裝置發射中微子束包含的信息，經接收裝置解讀，就能實現信息交流。把所有的信息，如視音頻信號、數據信號等，加載到中微子束上面，即可實現任意距離點與點之間的通信，無論通信兩點之間的距離有多遠，也無需任何中繼站或借助衛星轉送。中微子通信具有微波和光通信的高容量、直線性和保密性等特性，可雙向傳輸多路電視和音頻信號，如與發送和接收的計算機進行并網，還可進行遙控、遙測。可以預見，神奇的中微子通信，必將在21世紀人類通信領域中大放異彩!2.2.2中微子通信工作原理中微子通信，這是利用中微子束運載信息的一種通信方式。中微子通信是將中微子束應用于通信，其也像他通信方式一樣，在這里是將中微子束作為信息載體的。我們所要傳送的語音、圖像、數據等一類信息，都要通過一種稱為“調制”的技術將其“載入”中微子束上，憑借中微子束的那種所向無阻的威力，把信息傳送到目的地；在到達目的地后再用一種稱為“解調”的技術，把信息從中微子束中分離出來，還原其信息本來面目。從這點上講，似乎中微子通信在原理上與其他通信方式沒有兩樣。但是，雖然中微子通信的設想提出已有多年，而如何方便地發射和接收中微子束信息載體，把信息有效地調制和解調出來，目前尚在探索之中。若讓中微子通信投入實際應用，仍然有許多有待進一步解決的問題。例如，如何用較簡便的方法獲得一些能量極高而又有足夠束流強度的中微子束?如何對其中微子通信束進行有效地控測?如何運用較簡便的方法，將其接收到的中微子通信的中微子束中所載的信息解調出來?這些都是極為困難的議題。許多先進國家已開創了中微子通信的研究實驗通信系統，這其中一個難題是系統造價昂貴得難以接受。2.2.3中微子通信分類對于中微子通信的分類也可按通信采用的傳輸介質、信息載體的存在形式、工作原理以及網絡的分布環境位置等進行分類。1．從通信網絡采用的分布位置進行分類從網絡的配置地理位置考慮可把中微子通信網絡分為包括在繞地球的大氣層之內的地球范圍之內的中微子通信網絡，在大氣層之外人造衛星之間及人造衛星與地面之間的NC網絡，進入月球、進入火星等乃至整個太陽系，甚至于離開太陽系進入廣闊的宇宙空間的NC網絡等三大部分。將前兩部分通稱為“近空”中微子通信網絡，而將后者稱為“深空”NC網絡。隨著中微子通信網絡在地球范圍內正在迅猛發展，形成所謂的“近空通信網絡體系”，而另一方面中微子通信網絡也將在衛星之間的深空通信中大展宏圖，形成所謂的“深空通信網絡”，甚至于人們預言到中微子通信將成為人類敖游太空的主要通信方式。中微子通信可逐步地將其地球范圍內各類網絡采用的通信技術融為一體，并在地球和深空星際之間形成立體多維通信網。2．從通信網絡采用的中微子信息載體類型進行分類一般地說，是按采用的中微子信息載體的類型（形態）來分類中微子通信網絡的，由于到目前為止已發現三種形態的中微子和其對應的三種形態反中微子，因此可將其分為與之相對應約六類中微子通信網絡。這就是三類采用中微子信息載體的中微子通信網絡和三類采用反中微子信息載體的（反）中微子通信網絡。這六類中微子通信網絡：以電子中微子信息載體的中微子通信網絡、以“（繆子）中微子信息載體的中微子通信網絡、t中微子信息載體的NC網絡和以反電子中微子信息載體的中微子通信網絡、以反卩中微子信息載體的中微子通信網絡、反T中微子信息載體的中微子通信網絡。中微子通信的發展簡史在這里按時間順序對于中微子的發現過程與中微子通信的發展簡史扼要地介紹如下：1930年，德國科學家泡利預言中微子的存在。1933年，著名的奧地利物理學家在研究原子核工業反應時，發現了一些能量的神秘丟失。于是，經過研究，他提出了“中微子”假說。1956年，歐美學者通過復雜的核反應實驗，證明了中微子確實存在。美國萊因斯和柯萬在實驗中直接觀測到中微子，因而萊因斯獲1995年諾貝爾獎。在20世紀70年代以后，科學家對中微子通信產生了極大的興趣，美科學家將中微子加速器產生的中微子束，發送至遠隔千山萬水的另一端接收裝置中，結果成功地感測到了穿山涉水而來的中微子信號。1962年，美國萊德曼，舒瓦茨，斯坦伯格發現第二種中微子——繆中微子，獲1988年諾貝爾獎。1968年，美國戴維斯發現太陽中微子失蹤，獲2002年諾貝爾獎。1978年，美國成功地進行了中微子通信試驗。20世紀80年代，蘇聯和美國又進行了中微子通信的試驗，并獲得了成功。1984年，美國海軍基地的核潛艇做水下環球潛行時，采用了中微子通信保證了聯系。1985年，日本神崗實驗和美國IMB實驗發現大氣中微子反常現象。1987年，日本神崗實驗和美國IMB實驗觀測到超新星中微子。1989年，歐洲核子研究中心證明存在且只存在三種中微子。1995年，美國LSND實驗發現可能存在第四種中微子——惰性中微子(neutrino)。1998年，日本超級神崗實驗以確鑿證據發現中微子振蕩現象。2000年，美國費米實驗室發現第三種中微子，tt微子。2001年，加拿大太陽中微子觀測實驗證實失蹤的太陽中微子轉換成了其他中微子。002年，日本KamLAND實驗用反應堆證實太陽中微子振蕩。2003年，日本K2K實驗用加速器證實大氣中微子振蕩。2006年，中國科學院高能物理研究所的大亞灣反應堆中微子實驗于正式啟動，聯合了國內多家研究所和大學國家實驗室以及中國香港、中國臺灣、俄羅斯、捷克的研究機構。2010年，上述聯合研究機構建成，其實驗總投資達3億元人民幣，其建成運行將使中國在中微子(neutrino)研究中占據重要的國際地位。迄今已確認的中微子有電子中微子和m介子中微子。科學家分別進行的海下、地下種種實驗，使中微子通信初顯端倪。第三章中微子通信的系統組成及主要性能中微子通信系統是以中微子作為傳輸信息載體的通信系統。一般來說，中微子通信系統可分為近空(接近地面有空氣的空間)和深空(遠離地面接近真空的空間)兩大類。近空中微子通信系統與自由空間光通信網絡系統不同，其可在任何氣候條件下，在充分長距離(甚至于可穿過地球)的收發兩個端機之間可存在任何遮擋物體，只要有足夠的中微子發射功率及接收靈敏度，即可實現收發兩個端機之間的NC。在這里以與自由空間光通信網絡系統相對照地方式討論關于中微子通信的系統組成及主要性能。中微子通信系統的組成與原理框圖中微子通信過程與光通信相類似，也有發射端與接收端裝置。在通信時，發射端裝置的功能分為三部分。產生中微子流的裝置，由此產生中微子流，作為NC的信息載體。調制器裝置，由此調制中微子流將要發送的信息載人中微子流中。中微子流的發射裝置，由此將已被調制好的中微子流發送到NC信息的傳輸信道。在通信時，接收端裝置的功能也分為三部分。前端接收裝置，其主要功能是從中微子通信信息的傳輸信道接收已被調制好的中微子流，并且將其去掉傳輸中受到的干擾與衰落，恢復得到原來發射端裝置發送到信到信道中的調制中微子流。中微子通信信息的解調裝置，其主要功能是從接收到載人中微子流中的信號解調出來。原信號恢復裝置，將解調出來的信號進一步整形放大恢復其在發送端信號的本來面貌。—I卜中橄曲1傳翔*卜號蚩料機1:佶道；ill 1嚴生中權產生中*了哉置廉借號圖3-1中微子通信的簡單原理框圖3?3中微子通信系統的實際實現實例下面給出中微子通信系統的一個實際實現實例。中微子通信過程和微波通信相似，有發射和接收裝置。通信時，發射端首先用高能質子加速器，將質子加速到幾千億電子伏的能量，然后去轟擊一塊金屬靶子。此時，靶子的背面就會產生許多“短命”的介子，這些介子一邊運動，一邊發生衰變，從而變成中微子和卩子。再讓它們共同穿過鋼板，這時卩子被鋼板阻擋并衰變了，剩下的就是純凈的中微子束。然后，再用信號對它進行調制，接著通過磁場控制載有信息的中微子束，使之按人的旨意朝一定方向傳向目標。接收端是一個儲有近億噸水的大水箱，箱內的光探測器星羅棋布。當發射來的中微子束在水中傳過時，就會與原子核中的中子發生核反應而生成卩子，卩子在水中高速前進，受到核的減帶作用放出光子，這些光子進而被水中的光探測器接收了，即可把原來中微子束所攜帶的信息解調出來，從而達到通信的目的。中微子通信是直接利用核反應堆中射線束。B射線在衰變過程中能放出電子和中微子。利用微型高能質子同步加速器，當能量達到了5X10neV時，中微子束的速度即達到光速。只要控制中微子束的能流密度，把所有的信息，如視音頻信號、數據信號等，加載到中微子束上面，即可實現任意距離點與點之間，具有光通信容量的保密通信，可以雙向傳輸多路電視、音頻信號，并與計算機并網，對潛艇進行遙控遙測等，將來用到無人駕駛的核潛艇上也是可能的。中微子通信的解調是利用“契倫科夫效應”進行的。中微子束不管通過的距離多么遙遠，只要在接收端通過400m以上的水深時，便與水原子的中子發生核反應，生成高能量的負卩子。在水中負卩子能以接近光速的速度前進，當它穿越60m~70m長的距離時，產生“契倫科夫效應”即產生0.4um~o.7um連續分布可見光稱為契倫科夫光。光線與負卩子的前進方向成410。夾角。在水中用光電信增管直接檢測可見光，就可以解調出發送端的全部信號，同時可進一步精確地利用負肚子跟蹤定位發送端的方位。中微子通信具有微波和光通信的容量大、直線性和保密性的特點。

第四章中微子通信系統采用的關鍵技術第四章中微子通信系統采用的關鍵技術中微子通信網絡系統涉及的關鍵技術主要是確保其中微子通信設備網絡系統的正常運行和有優良的功能性能參數。其功能這里至少要涉及中微子通信網絡發射系統性能與接收系統性能，這里要包括中微子波束的產生方法與設施、中微子波束的調制與解調方法與機構、中微子通信網絡系統信號的接收方法與設施等。中微子通信系統采用的中微子波束的產生方法與設施在廣闊的宇宙中有多種方式產生中微子波束。在宇宙中微子的產生中至少可列舉以下幾種方式：在宇宙大爆炸中、在超新星爆發等巨型天體活動中、宇宙恒星中的核反應中、高能宇宙射線的作用中、宇宙線高能質子打在星體云或星際介質的原子核上產生核反應生成的介子衰變為中微子、地球上的物質自發或誘發裂變產物B衰變產生的中微子、n介子衰變產生高能中微子等。在通過核聚變反應中產生中微子束時其幾個關鍵技術是：核聚變反應中要絕對保證安全，絕對不允許有無任何核泄漏現象存在；產生的中微子束要保證有一定的中微子密度；作為中射線束源設備其可靠性應足夠高，其應做到體積較小，也不太重，以便設備方便移動。通過核聚變反應中產生中微子束自然是離不開核聚變反應的，這會帶來許多問題。例如，設備體積龐大，不易于移動；其要嚴防損壞而造成核泄漏；設備造價昂貴，一般難以承受。因此，產生另一關鍵問題是是否可不用通過核聚變反應方法獲得中微子束源。采用非核聚變反應獲得中微子束的方法更是一個嚴重地技術關鍵。但是，這種獲得中微子束的方法并不是根本沒有可能。如前所述，在世界上可獲得中微子束的方法可達7種以上。可建議研制創造一類收集進入地球范圍的宇宙中微子的方法，并將其“收集”與“存儲”起來，形成中微子通信所要求的中微子源。這類中微子源要求體積小、重量輕，易于攜帶。因此，也使中微子通信系統設備可作得小巧玲瓏便于搬運移動。中微子通信系統采用的中微子波束的調制／解調技術1．光通信采用的調制技術在光通信中，調制技術主要是指用于光通信網絡中對于設備光源的調制技術，即是將要發送的信號調制在光波上，從而形成以光波作為信息載體的載波信號。在現行光通信系統中采用的調制方式是內部強度調制/直接檢測(IM/DD)和外部調制/外差接收兩類。相干調制是相干光通信系統的核心技術，相干光通信是在發信端采用相干調制、在收信端采用外差解調的光通信系統。2．中微子通信采用的調制技術與光通信相類似，在中微子通信的發送設備中，調制器使用準備發送數據信息對其中微子束進行調制，接著在中微子信號發射機中通過磁場控制載有信息的中微子束，使之按我們的旨意朝一定方向傳向目標；在中微子通信的接收設備中，將中微子束所載信號解調出來恢復原信號。3．中微子通信采用調制技術的關鍵由于中微子通信系統的研制開發處于剛剛起步階段，其采用的調制技術是模擬調制還是數字調制?是沿用數字光通信采用的調制方式還是采用另外地獨特調制方式?這一切都成為研究中微子通信系統的關鍵技術之一。中微子通信系統采用的中微子波束接收中微子通信接收端與光通信接收端相類似，在中微子通信接收端裝置的功能也可分為以下三部分。前端接收裝置，其主要功能是從中微子通信信息的傳輸信道接收已被調制好的中微子流，并且將其去掉傳輸中受到的干擾與衰落，恢復得到原來發射端裝置發送到信到信道中的調制中微子流。中微子通信信息的解調裝置，其主要功能是從接收到載人中微子流中的信號解調出來。原信號恢復裝置，將解調出來的信號進一步整形放大恢復其在發送端信號的本來面貌。第五章中微子通信系統的優越性21世紀是納米光通信大展宏圖的世紀，作為人類迎來的這種新型納米光通信通信方式一方面將為通信事業帶來勃勃生機極其美好的明天，而另一方面由于其納米光通信本身存在的固有局限性，由于光載波只能“直線”傳播，并且不能穿過不透光的物體，納米光通信受天氣狀況、地形條件、外來物的影響較大，難以實現全天候、超視距的通信。這就使的納米光通信在一些方面不能滿足人們對通信的更高的渴望。中微子通信系統完全克服了納米光通信的上述局限性，中微子通信系統其信道可為穿過地球的兩端，甚至于太空的星際之間，也無需任何中繼或衛星轉送。神奇的中微子束通信具有光通信幾乎一樣的高容量，可雙向傳輸多路電視和其他多媒體信號，若將發送和接收的計算機進行并網，可進行遙控、遙測。中微子通信系統的迅猛發展，將在通信領域為人類征服宇宙創造更加美好的光輝前景。無線電通信是當今使用最廣的通信方法，不過，它有一定的局限性，常受到外界的干擾。現在，科學家已經發明了一種新型的通信方法，這就是利用中微子束進行的通信。中微子通信被普遍認為是最有發展前途，可在人類征服宇宙中最合適的一類通信手段。與光通信技術的優越性相對照，目前所認識到的主要優越性可表現為以下幾點。頻帶寬，容量大可以高速率工作中微子通信頻帶寬，容量大，可以高速率工作。中微子通信速度快，能以近光速進行直線傳播，并極易穿透鋼鐵、海水，以至整個地球，而本身能量損失很少，從太陽來到地球8min就夠了。對于我們討論的中微子通信技術，其中微子信息載體不但可在整個光頻段工作，而且可以任何中微子束可達到的速率下工作。有足夠強的穿透能力在光通信中使用的光載波只能“直線”前進，一般不能“拐彎”即在空氣、真空或海水中只能直線傳播；光載波不能穿過不透光的物體。另外，大氣和地面對太陽光的散射形成的背景輻射，對激光大氣通信的接收器來說是一個強的噪聲源，如果陽光直射到探測器上，將會產生很高的誤碼率。為減小背景輻射的影響，不宜采用可見波段的激光，紫外和紅外線是可選擇對象。關于背景噪聲的影響只有當太陽光平行照射無線納米光通信設備時，才會對其設備產生影響。無線納米光通信設備廠家通常在設備的前面增加的優質的濾光裝置，并在結構設計上增加遮陽板。若安裝地點可以選擇，建議安裝時盡量避免太陽光直射。抗干擾性強，不受無線電頻段電磁波等的干擾中微子通信技術不受無線電頻率干擾或處于飽和狀態，可以以窗口為基礎使用。這是由于無線納米光通信系統光能量集中一定的光束載體區域，因此其具有很強的抗電磁干擾性能，一般的無線電波對其不會形成干擾；在其工程施工中不需要考慮多徑干擾、電波反射等微波中經常遇到的難題。由于無線納米光通信使用的光束窄小，方向性強，不會對其他通信系統形成干擾，相同地域內可容納大量的無線納米光通信系統，而且因為彼此不相干，即使相交也不會影響到各自的通信質量。無線納米光通信系統為適應各種惡劣工作環境，必須有較強的抗干擾和抗衰落性能。為此，在規劃網絡、研制設備時也必須同時采用多種抗干擾和抗衰落措施。例如，設備的抗電磁干擾結構設計，射頻、基頻與供電系統的隔離以及通常采用的空間分集接收方法等。中微子通信系統抗干擾性能強，不受無線電頻段電磁波等的干擾，這里當然也包括核輻射的影響。這是由于中微子信息載體是屬于不帶電，不會受任何干擾的暗物質。因此，中微子束通信是一種目前最迅速、最安全、保密性最強的現代通信手段。安全可靠，有良好的傳輸保密性能在光通信系統中，光纖傳輸是比較安全的，而無線納米光通信系統更是最安全網絡傳輸技術，不要求高級安全軟件。這是因為所載信息是被保持在一個非常狹窄的非可見光束錐形體中。波束很窄，很難在空中發現其業務鏈路，更不存在被竊聽的可能性。同時，其波束是定向發射的，僅對準目的接收機。倘若其無線納米光通信系統的通信鏈路被阻截，使其傳輸的數據信息外泄，用戶也會立即很快地發現鏈路被中斷了，這使得無線納米光通信系統萬無一失。具有的這種傳輸安全保密性能使得無線納米光通信系統將特別受到金融、法律、軍事等保密要求高部門的青睞。此外，通常在用戶到集線器之間的鏈路上是加密的，這又進一步保證了通信的安全保密性。激光束的安全性是無線納米光通信系統必須考慮的問題。光信號發射功率必須限制在保證人類眼睛安全的功率范圍內，這也限制了無線納米光通信的通信距離。有極高的有效性，可全天候工作在一般光通信中，特別是在無線納米光通信中，惡劣的天氣情況，會對無線納米光通信的傳播信號產生波動起伏的衰耗作用，更嚴重時甚至于會造成通信的瞬間中斷。這里應明確，氣候對于無線納米光通信的主要挑戰是濃密的煙霧。降雨和雪對于無線納米光通信的影響，當設計無線納米光通信時，主要應當考慮的是煙霧彌漫的氣候條件。其應對措施通常是縮短無線納米光通信的鏈路距離和增加網絡冗余量。中微子通信，由于其中微子信息載體的穿透能力極強，甚至于可穿過熾熱的地心，因此，就目前所了解的中微子束基本知識，關于惡劣的天氣情況將對中微子通信不會產生任何影響。特別適于宇宙空間的通信在光通信中，特別是無線納米光通信網絡特別適合于宇宙空間的通信。但是，無線納米光通信網絡還存在許多有待于解決的問題。首先是在大氣等介質空間傳輸距離很短，此外還有收發端對準、受空中障礙物和背景噪聲影響和激光的安全等諸多問題。在遼闊的宇宙空間中建立中微子通信網絡這是其將來發展中微子通信的遠大宏偉目標。在地球范圍的外層空間中，并用中微子束來探索遙遠的空間。無線電波有一個嚴重的不足之處，就是無線電波中的很大一部分不能穿透電離層，此外，無線電波還容易受到太陽黑子活動的干擾，也會在氣候變化、核爆炸時發生變化。由于中微子不帶電荷，穩定可靠，所以中微子束基本上不受電離層、太陽黑子等外界因素的影響。這樣，中微子束用于外層空間通信時，就可以以光速直達信息目的地，用于遙遠空間探索時，也可以以光速直達探索目標。因此，中微子通信是在人類征服宇宙中有力的通信方式。中微子通信技術在地球范圍內外的應用中微子通信技術在地球范圍之外的應用從通信區間來考慮，可將其通信分為地球范圍內的中微子通信、人造衛星間及衛星與地球范圍內之間的中微子通信，即所稱的“近空中微子通信網絡”和太空宇宙中的“深空中微子通信網絡”幾類。在有的資料中，將地球范圍內的中微子通信稱為“近空中微子通信網絡”，而將人造衛星間及衛星與地球范圍內之間的中微子通信稱為“深空中微子通信網絡”。關于太空宇宙中的中微子通信，目前世界各先進國家都在投入很大精力在研究開發中。在浩瀚的宇宙空間中，龐大的銀河星系至少存在300億以上個星體，這其中估計至少有5億個星體有類似于地球的環境（可能有人類居住）。在廣闊的宇宙空間中，類似于銀河星系的星系還至少有1000個以上。這表明，在極為廣闊的宇宙中存在著“數不清”的適合于人類居住條件的星體。要實現地球上人類與其有人類存在的其他星體的通信聯絡，就目前地球上人類所掌握的通信手段僅有以暗物質中的中微子作為信息載體的中微子通信和以光作為信息載體的納米光通信。前者的開發與應用還是比較遙遠的事情，很自然其星際之間通信的重擔目前就只能落到了納米光通信技術手段上了。但是，由于納米光通信技術存在著只能穿過透光的介質等諸多難以克服的缺點，因此，迅速研究開發出中微子通信就成為21世紀非常迫切的問題了。中微子通信技術的迅猛發展，將使21世紀成為中微子通信大展宏圖的輝煌時代。這不僅表現在地球上中微子通信網絡的迅速形成，而且也表現在近空和深空衛星通信的領域中，更重要的是將來中微子通信要主宰近空和深空，甚至于成為人類遨游太空實現整個宇宙空間通信的主要手段。如前所述，近空中微子通信網絡是指人造衛星間及衛星與地球范圍內之間的中微子通信。中微子通信技術近年來獲得迅猛發展，為星際間的通信開辟了美好前景。尤其是各先進國家在星際中微子的研究中投入了可觀的人力和財力，并取得令人鼓舞的成果。近年來，各先進國紛紛單獨或合作首先開發近空中微子通信網絡系統，并且正在考慮實習與已存在的運行著的微波、光載波衛星信號的對接與轉換問題。通信，是飛行中的飛機與地面指揮人員聯系的唯一手段，是關系到飛機飛行安全的重要因素。目前飛機與地面間的通信主要是借助于普通的無線電波，但這種無線電波具舉易受干擾，不能鉆地、人海等“先天性不足”。用它進行遠程通信時有時還要借助于地面中轉站或中繼通信衛星，十分不便。為此，“超飛一號”摒棄了無線電通信，而采用更為先進的“中微子通信”。中微子通信技術不但可將地球范圍內各類通信融為一體，而且還可應用宇宙通信之中，實現地球與各星體之間的通信。可見，研究中微子通信技術有多么深刻的重大意義