中微子潛艇通信新技術(shù)研究*

楊少華 黃麟舒

(1.92665部隊(duì) 張家界 427000)(2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

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中微子潛艇通信新技術(shù)研究*

楊少華1黃麟舒2

(1.92665部隊(duì) 張家界 427000)(2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

討論了中微子束的產(chǎn)生、傳輸以及探測(cè)的機(jī)理。運(yùn)用高能物理理論分析中微子束的偏轉(zhuǎn)以及探測(cè)事件的概率。討論了在潛艇通信中使用中微子的可能性。分析結(jié)果表明,中微子通信表現(xiàn)出在深水通信方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),而中微子的檢測(cè)是目前面臨的關(guān)鍵技術(shù)。

中微子通信; 潛艇通信; 契倫可夫探測(cè)器

Class Number TN91

1 引言

潛艇通信使用中微子的前景廣闊。其基本思想是基于海軍當(dāng)前的潛艇通信系統(tǒng),特別是超低頻無線電通信;主要區(qū)別是利用中微子代替無線電波。超低頻無線電通信能將單向的命令能被發(fā)送給在某個(gè)深度工作的潛艇,發(fā)射頻率很低;比較早期使用更高的甚低頻頻段的無線電波的系統(tǒng)來說這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。更低頻率的電磁波能更好地穿過海水,潛艇的工作深度和信息所能達(dá)到的深度中存在一個(gè)重疊區(qū)域。換句話說,潛艇無須為了接收信息而上浮到水面。但是這種方式傳輸信息的速率和數(shù)據(jù)量受到很大限制,往往在深水中受限[1]。

近年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了中微子,若這種粒子用于通信中將具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。中微子極少受周圍物質(zhì)的影響,一道中微子束能直接從發(fā)射地點(diǎn)穿過地球直達(dá)潛艇;直接傳輸?shù)牧Ｗ邮试S機(jī)密信息傳輸而只到達(dá)預(yù)期的接收機(jī)內(nèi)。中微子通信也可以抗阻塞式干擾。而且中微子信息能在很深的水下接收,使得潛艇不容易被對(duì)方攻擊,這是它的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)[2～3]。這里就中微子的產(chǎn)生、傳輸和接收機(jī)理,及該過程中的事件發(fā)生頻率、質(zhì)子粒子束偏轉(zhuǎn)等問題進(jìn)行討論。

2 產(chǎn)生

中微子流是由加速器產(chǎn)生,與現(xiàn)在的加速器中微子實(shí)驗(yàn)中使用的方法相似,將通過介子衰落產(chǎn)生中微子。用一個(gè)物體碰撞介子束產(chǎn)生正介子π+。因?yàn)榻樽邮菐щ姷?能通過使用磁場(chǎng)來聚集。場(chǎng)由稱為磁場(chǎng)喇叭的設(shè)備產(chǎn)生。喇叭是兩個(gè)由電導(dǎo)率材料制作的同軸桶,采用大約為200kA的大電流;它們?cè)趦蓚€(gè)桶之間的區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形的磁場(chǎng)。介子將被聚集成一個(gè)高度平行的粒子流。然后它們將衰變?yōu)棣探樽雍鸵粋€(gè)μ介子中微子,并且μ介子依次衰變?yōu)檎娮?中微子和反中微子[4～10]。

π+→μ++υμ

(1)

μ+→e++υμ+υs

(2)

最后的結(jié)果是大部分的μ介子中微子形成方向性很強(qiáng)的粒子束。能迅速打開或關(guān)掉粒子束;這個(gè)特性能應(yīng)用于調(diào)制。這將能使之產(chǎn)生莫爾斯碼,即二進(jìn)制碼。

3 長(zhǎng)距離傳輸?shù)闹形⒆訉?shí)驗(yàn)

不同于水下通信,中微子束在地球上傳輸長(zhǎng)距離的概念早已形成。長(zhǎng)距離的中微子實(shí)驗(yàn),比如K2K和MINOS實(shí)驗(yàn),為了研究中微子,尤其是為了加深對(duì)中微子振蕩的理解,正使用加速器產(chǎn)生的粒子束。一個(gè)簡(jiǎn)單和受控制的中微子源,放置在離探測(cè)器固定距離的地點(diǎn),將有可能對(duì)中微子振蕩參數(shù)進(jìn)行更加精確地測(cè)量。

K2K是日本學(xué)者做的實(shí)驗(yàn),表示“從KEK到Kamiokande”,分別是加速器和檢測(cè)器放置的地點(diǎn)。KEK是一個(gè)12GeV(千兆電子伏特)的質(zhì)子同步加速器。如前所述,中微子束是由介子衰落產(chǎn)生的,介子衰落管道有200m長(zhǎng),生成的中微子的平均能量是1.3GeV[4]。

Kamiokande探測(cè)器是液體閃爍探測(cè)器。契倫可夫探測(cè)器,最初是為觀測(cè)質(zhì)子衰落而建造的。后來發(fā)現(xiàn)大氣中只有少量不足的中微子的問題,可以用中微子振蕩來解釋。Kamiokande已經(jīng)開始了一項(xiàng)新的任務(wù):是產(chǎn)生于加速器的中微子的探測(cè)器。其探測(cè)范圍是22千噸。

另一個(gè)有趣的長(zhǎng)距離的實(shí)驗(yàn)是MINOS(主發(fā)射器中微子振蕩研究)。它基線長(zhǎng)731km,從Fermilab直到位于Minnesota北部的Soudan礦井。在Minos中,介子衰落區(qū)域?yàn)?75m長(zhǎng)。MINOS的特征主要是一個(gè)可調(diào)整的磁的喇叭形的系統(tǒng),它能選擇三個(gè)不同的中微子能量范圍:3Gev,6Gev和15GeV。如果了解MINOS的5.4千噸探測(cè)器事件的發(fā)生比率,就可知探測(cè)到中微子是富有挑戰(zhàn)性,就15GeV中微子而言,充電的電流事件速率是每年發(fā)生10000次事件,6GeV的是5000次/年,3GeV的是700次/年。還有比較聞名的實(shí)驗(yàn)是ANTARES合作實(shí)驗(yàn)室的中微子實(shí)驗(yàn),如圖1所示。

圖1 ANTARES合作實(shí)驗(yàn)室的水下中微子探測(cè)陣列的示意圖

4 接收

探測(cè)信息要通過“契倫可夫”輻射完成,并且探測(cè)時(shí)的介質(zhì)是船只周圍的海水。如圖2所示,潛艇配備光電倍增器管陣列。用目標(biāo)容器中的核子去碰撞中微子而產(chǎn)生契倫可夫光線,光電倍增器管將提取這些契倫可夫光線;碰撞中產(chǎn)生的一對(duì)電子以超過介質(zhì)中光速的速度穿越海水。

圖2 充電的介子-中微子相互作用的探測(cè)方法的示意圖

海水的透明度在可見光的藍(lán)色光波長(zhǎng)處達(dá)到最大值。離輻射源一定距離處能檢測(cè)到契倫可夫光[11]。潛艇要接收,就是在潛艇外拖曳一根纜繩,其上裝有體積很小的球狀光電管若干個(gè),形成光電管陣列,附著在電纜上。中微子到達(dá)海水中,打到質(zhì)子上,從而輻射出一定頻率、能量的 “契倫可夫光”,光電管能接收到以電纜為軸線、以一定長(zhǎng)度為半徑的這樣一個(gè)圓柱形狀的范圍內(nèi)的“契倫可夫光”

由于中微子很小,質(zhì)量很輕,要檢測(cè)到足夠的“契倫可夫光”,必須增大光電管的布設(shè)范圍,即形成較大的光電管陣列。因此,探測(cè)容器的尺寸需要設(shè)計(jì)得較大。

5 事件發(fā)生頻率

事件的總數(shù)可從式(3)得到:N=(n)(σ)(I)

(3)

式中,n是目標(biāo)容器中的目標(biāo)核子的數(shù)目;σ是粒子束粒子的方差;I是粒子束的密度(流量/面積)。

粒子束的發(fā)散性、發(fā)射器和潛艇之間的距離會(huì)影響密度。為簡(jiǎn)化問題,此研究的計(jì)算中使用的距離數(shù)是5000km。

粒子束的發(fā)散性由介子動(dòng)量確定。介子有縱向和橫向分量。無論縱向分量的數(shù)量級(jí)多大,介子的橫向分量總是約為0.5GeV。粒子束發(fā)散角度如下:

(4)

式中,pt是介子的橫向動(dòng)量,p1是介子的縱向動(dòng)量。介子的總動(dòng)量越大,粒子束的發(fā)散性越窄。對(duì)于50GeV縱向動(dòng)量的介子而言,在離源5000km的地方,粒子束發(fā)散成半徑為158km的粒子束。對(duì)于100GeV縱向動(dòng)量的介子而言,發(fā)散半徑僅僅約79km。

從上容易看出,如果要增大每秒探測(cè)到一個(gè)事件的概率,則需要粒子束達(dá)到較大電流流量。

6 結(jié)語(yǔ)

最初,中微子通信被認(rèn)為十分有吸引力,甚至可能成為無線電波的代替物。然而,正是中微子比電磁波優(yōu)越之所在,可能導(dǎo)致它的失敗。中微子極難與物質(zhì)發(fā)生作用,盡管這使得與潛艇的通信能夠穿越地球和大洋中的極深處,但是,接收信息的難度將是關(guān)鍵技術(shù)問題。僅考慮密度很大、足以可靠傳輸信息的粒子束的產(chǎn)生,就是一個(gè)幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。還存在其他的問題。將質(zhì)子束偏轉(zhuǎn)需要磁場(chǎng),而且要偏轉(zhuǎn)某個(gè)特定的角度;在各個(gè)方向上對(duì)準(zhǔn)光束,要求以一定方式回轉(zhuǎn)整個(gè)加速器設(shè)備。即使可能的話,若沒有新的技術(shù)變革,要實(shí)現(xiàn)上述內(nèi)容也將非常困難。光電管陣列將產(chǎn)生相對(duì)小的實(shí)際應(yīng)用問題。雖然在潛艇后拖一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的附加物并不會(huì)劇烈降低船的航速或增加能量消耗,但是光電管的電子活動(dòng)將很容易被發(fā)現(xiàn)。因此,即使光電管陣列在等待發(fā)送的信息時(shí),也需要被屏蔽。如果潛艇為了接收信息而不得不上浮到水面,那么相比目前情形并無明顯的提高和改進(jìn)。

由以上研究可知,目前,中微子作為一種通信手段離實(shí)際工程尚遠(yuǎn),如果在中微子的產(chǎn)生、傳輸和檢測(cè)的多個(gè)環(huán)節(jié)都發(fā)生技術(shù)性革命,才能使得這種新穎的通信方式有實(shí)用意義。

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Neutrinos for Submarine Communications

YANG Shaohua1HUANG Linshu2

(1. No. 92665 Troops of PLA, Zhangjiajie 427000) (2. Electric Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The mechanism of generation, transmission and detection of the neutrino beam are discussed. The neutrino beams deflection and the probability of detection event are analyzed using the high-energy physics theory. The possibility of using submarine neutrino communications is discussed. The results show the unique advantages of neutrino communication in the deep water communications, the detect neutrinos are the key technologies to the method.

neutrino communication, submarine communication, cherenkov detector

2014年11月2日,

2014年12月26日

楊少華,男,工程師,研究方向:通信新技術(shù)。黃麟舒,女,博士,講師,研究方向:信息系統(tǒng)和技術(shù)。

TN91

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.017