СПОСОБ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2004 года по МПК H04B10/00 

Изобретение относится к беспроводным системам передачи информации, использующим потоки корпускулярного излучения или электромагнитные волны, иные, чем радиоволны.

Для передачи информации необходимы:

- передатчик сигнала,

- носитель сигнала (среда передачи),

- приемник сигнала.

Кроме того, сигнал должен меняться во времени по определенной закономерности (должен быть промодулирован), т.к. передача информации не может быть осуществлена хаотичным сигналом.

В настоящее время большое распространение получили системы, основанные на технологии передачи данных модулированным излучением в инфракрасной (ИК) части спектра через атмосферу. Система формирования и модулирования ИК-излучения состоит из источника (ИК-излучающие диоды, при этом дальность связи не превышает 1 км, скорость 20 Мб/с или ИК-лазерные диоды с дальностью до 10 км и скоростью 622 Мб/с) и модулятора. Приемником излучения служат p-i-n фотодиоды или лавинные фотодиоды. После получения сигнал демодулируется и обрабатывается. Выбор длин волн для данного вида связи при условии использования в атмосфере земли ограничивается материалами излучателя (передатчика) и приемника, расходимостью луча, мощностью передатчика, а также зависит от прозрачности атмосферы в диапазоне длин волн. Так, для земной атмосферы используются два диапазона длин волн: 720-950 нм и 1300-1500 нм. При условии оптимального выбора длины волны возможно организовать устойчивую связь даже в условиях тропического ливня, что является затруднительным для радиорелейных систем связи. Однако, даже при условии оптимального выбора диапазона длин волн невозможно организовать устойчивую связь на расстояния, превышающие 15 км, что связано с наличием пыли в атмосфере [А. Клоков. Беспроводные ИК-технологии - истинное качество последней мили. Технология средств связи №3, 2001 г.].

Известна также такая система беспроводной связи, как система оптической связи ЛАЛ 2+4000, разработанная в Новосибирске. В качестве источника сигнала используется Ga-Al-As-лазер, работающий в диапазоне длин волн 810-860 нм. Максимальная мощность лазера 150 мВт. Средняя мощность лазерного излучения на выходе передатчика 37 мВт. В качестве приемника используется детектор - лавинный фотодиод, с реальной чувствительностью, не более 54 дБм и полосой пропускания оптического тракта 10 нм. Система оснащена также устройством компенсации потерь при смене метеорологических условий. Устройство с данным набором параметров позволяет осуществить устойчивую связь на расстоянии 5 км со скоростью 10 Мб/с вне зависимости от метеорологических осадков [А. Клоков. Беспроводные ИК-технологии - истинное качество последней мили, Технология средств связи, №3, 2001 г.] и [http://www.optolan.ru/models/lal2.shtml].

Основные достоинства данного вида беспроводной связи:

- высокая скорость передачи данных,

- узкая направленность (конфиденциальность),

- относительная небольшая стоимость,

- экологическая безопасность.

К недостаткам можно отнести:

- возможность организации связи только в пределах прямой видимости,

- резкая потеря дальности связи в условиях тумана (до 1,5 метеорологической дальности видимости),

- высокие требования к стабильности опоры-крепления источника излучения из-за необходимости четкой фокусировки луча.

Таким образом, с помощью известных способов беспроводной связи, использующих потоки корпускулярного излучения или электромагнитные волны, иные, чем радиоволны, невозможна передача информации на большие расстояния, а также в области, заэкранированные от излучений внешними факторами.

Технической задачей данного изобретения является обеспечение устойчивой беспроводной передачи информации, не зависящей от места расположения приемника и передатчика, даже в областях, заэкранированных от электромагнитного излучения.

Сущность способа беспроводной передачи информации по заявленному изобретению заключается в передаче сигнала носителем сигнала от передатчика к приемнику, при этом в качестве носителя сигнала используют поток нейтрино, который для этого создают и модулируют передатчиком, а после прохождения данного потока нейтрино от точки передачи до точки приема сигнала нейтрино регистрируют детектором нейтрино приемника, при этом полученный сигнал преобразуют приемником в электрический сигнал и демодулируют.

Для повышения чувствительности и, как следствие, достоверности регистрации сигнала приемником и уменьшения его размеров, поток нейтрино регистрируют в камере с квантовой жидкостью детектора нейтрино приемника.

По заявленному изобретению в качестве квантовой жидкости используют гелий при температуре ниже температуры перехода в сверхтекучее состояние.

Для обеспечения еще более достоверной регистрации потока нейтрино, в качестве квантовой жидкости используют изотоп гелий-3 в квазистабильном состоянии в области фазового перехода первого рода.

Раскрытие изобретения

Для решения поставленной технической задачи необходимо использовать излучение с большой проникающей способностью. Из всех известных на сегодняшний день видов излучения максимальной проникающей способностью обладают нейтрино.

Способ беспроводной передачи информации по заявленному изобретению заключается в передаче сигнала носителем сигнала от передатчика к приемнику, при этом в качестве носителя сигнала используют поток нейтрино, который для этого создают и модулируют передатчиком, а после прохождения данного потока нейтрино от точки передачи до точки приема сигнала нейтрино регистрируют детектором нейтрино приемника, при этом полученный сигнал преобразуют приемником в электрический сигнал и демодулируют.

Такой способ обеспечивает устойчивую беспроводную связь, не зависящую от места расположения приемника и передатчика, удаленности их друг от друга, а также независимость от метеорологических условий.

Нейтрино - элементарная частица, имеет заряд, равный нулю, весьма малую массу покоя и спин - 1/2. В настоящий момент известно три вида нейтрино: электронное - ν_e, мюонное - νμ и тау - ντ. Простейшими реакциями образования нейтрино являются:

e^-+p→n+ν_e

μ^-+p→n+νμ

Кроме этого, нейтрино могут образовываться при распадах элементарных частиц [Физический энциклопедический словарь под ред. Б.А. Введенского, М., ГНИ “Советская энциклопедия”, 1963 г., с.372-377].

Тау-нейтрино ντ образуется в результате распада тау-лептонов:

и является наиболее сложным для регистрации [http://nuclphys.npi.msu.su/np/spargalka/052.htm].

Существуют нейтринные потоки следующих видов: естественные и искусственные (получаемые с использованием ядерных реакторов или при помощи ускорителей заряженных частиц).

Способ создания потока нейтрино с использованием образцов, облученных в реакторе, описан в открытых источниках информации [В.Н. Коркунов. Некоторые вопросы создания и применения искусственных источников нейтрино, М., Припринт, ИТЭФ, 1994 г.]. Однако данный метод не позволяет получать модулированный поток нейтрино и не подходит для решения нашей задачи.

Создание искусственного потока нейтрино с помощью ускорителей заряженных частиц может быть использовано для реализации заявленного изобретения, т.к. в этом случае возможно управление параметрами потока нейтрино.

В качестве примера созданного искусственно источника нейтрино можно привести мюон-нейтринный канал из комплекса меченых нейтрино, созданный в Институте физики высоких энергий [Новоскольцев Ф.Н. Формирование мюонных и нейтринных пучков на ускорителях высоких энергий, Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, 95-3, Протвино, 1995 г.].

Для передачи информации необходимо создание потока нейтрино, его модуляция, а также регистрация данного потока, дальнейшее его преобразование в электрический сигнал и демодуляция.

Модуляция потока нейтрино в простейшем случае может быть осуществлена путем модуляции интенсивности потока (амплитудная модуляция), т.е. изменением количества нейтрино, проходящего через поперечное сечение за единицу времени. Однако можно использовать и другие виды модуляции, например, частотную или фазовую.

При использовании в качестве источника нейтрино ускорителя высоких энергий, модуляция потока нейтрино может быть осуществлена путем фокусировки или расфокусировки исходного пучка облучающих частиц, формируемого ускорителем и направленного на мишень, генерирующую нейтрино. Это приводит к изменению поперечного сечения пучка нейтрино, а следовательно, плотности потока нейтрино, т.е. количества нейтрино, проходящих через единицу поперечной площади за единицу времени.

Для регистрации потока нейтрино на оси пучка нейтрино устанавливается устройство регистрации нейтрино - детектор нейтрино приемника.

Реализация изобретения

В настоящее время известно несколько основных способов, обеспечивающих регистрацию нейтрино:

Радиохимический. Метод основан на возможности протекания ядерной реакции под воздействием нейтрино. В этом методе в качестве мишени используется хлор или галлий. В результате ядерной реакции при взаимодействии с нейтрино хлор превращается в радиоактивный аргон, а галлий в радиоактивный германий, после чего радиохимическими методами эти атомы отделяются от основного объема мишени и помещаются в счетчик, который выдает сигналы о распаде радиоактивных атомов. Примером данной методики может служить галлий-германиевый нейтринный телескоп для детектирования солнечных нейтрино Баксанской нейтринной обсерватории. Мишень состоит из 60 т металлического галлия и расположена на расстоянии 3,5 км от входа в тоннель.

Этот метод позволяет регистрировать большой энергетический диапазон нейтрино. К недостаткам метода можно отнести:

- невозможность зафиксировать момент взаимодействия (начало реакции),

- необходимость получения больших объемов чистого вещества мишени,

- необходимость километрового защитного слоя, что обуславливает строительство подземных сооружений для реализации поставленной задачи (см. также патент РФ № 2145095, МПК G 01 Т 1/00, 1/16).

Электронный. В основе метода лежит механизм детектирования черенковского излучения, образующегося в результате прохождения в веществе электрически заряженных частиц, являющихся продуктом реакции нейтрино, например:

В качестве мишени, как правило, используется вода. Примером может служить глубоководный детектор, расположенный на Байкале, установки в Японии KAMIOKANDE и SUPERKAMIOKANDE или Баксанский сценцилляционный телескоп Баксанской нейтринной обсерватории [РАН ГНЦРФ ИЯИ, Закидышев В.Н. Поиск локальных источников нейтрино высоких энергий по данным Баксанского сцинтилляционного телескопа, Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, М., 1996 г.]. Этот метод позволяет определить момент взаимодействия и направление движения нейтрино. К недостаткам метода можно отнести:

- возможность регистрации только высокоэнергетических нейтрино (7,3 MeV),

- необходимость полной темноты,

- высокие требования к чистоте и прозрачности мишени,

- необходимость защиты от фонового излучения, для чего фотоэлектронные датчики помещают на большую глубину под землю или под воду.

Криогенный. Принципиально данный метод регистрации нейтрино с использованием криогенной техники не отличается от электронного, однако для регистрации электронов и других продуктов взаимодействия нейтрино с веществом используются сцинтилляционные датчики и энергетические спектрометры, для повышения разрешающей способности которых необходимо их охлаждение до криогенных температур. Примерами существующих установок может служить жидкоксеноновая камера Баксанской нейтринной лаборатории и жидкоаргоновый детектор Института Физики Высоких Энергий [Беликов С.В. и др. Сцинтилляционная триггерная система жидкоаргонового нейтринного детектора, М., Припринт, ИФВЭ 92-160, Протвино, 1992]. Данные установки требуют сложной системы криостатов и сложной электрической системы обработки результатов.

К этим же методам регистрации можно отнести способы с использованием балометров. Данная методика отличается тем, что кристаллы датчиков охлаждаются до ультранизкой температуры, близкой к абсолютному нулю. При таких температурах кристалл оказывается в таком специфичном состоянии, когда даже ничтожное изменение температуры вызывает значительное изменение электрического сопротивления тела. Таким образом, в отличие от стандартной для физики частиц методики измерения ионизационного сигнала, болометры меряют тепловой сигнал. Электроны, полученные в реакции нейтрино с веществом, теряют свою кинетическую энергию в кристалле, что приводит к выделению тепла и изменению температуры кристалла. Примером может служить разрабатывающийся итальянский проект CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events - Подземная криогенная обсерватория редких событий), [http://nauka.hotmail.ru/physics/cuore.html], [http://crio.mib.infn.it/wig/Cuorepage/index.html].

Все перечисленные способы регистрации нейтрино могут обеспечить реализацию заявляемого способа, однако ввиду низкой чувствительности описанных детекторов все они имеют сложную систему анализа, необходимую для выявления реакций, вызванных нейтринным взаимодействием на фоне реакций, произошедших под воздействием других видов излучения [Беликов С.В. Сбор и on-line обработка данных с большого жидкоаргонового спектрометра БАРС, Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, 97-46, М., Протвино, 1997 г.].

Кроме того, все перечисленные детекторы имеют большие размеры, сверхсложную электронику, низкую чувствительность, а следовательно, низкую достоверность регистрации. Сечение реакции с отдельным нуклоном во всех вышеперечисленных способах низкое и составляет 10^-39-10^-38см². Отсюда следует и низкое двойное дифференциальное сечение реакции с ядрами:

где C=Z(N) для v - число нуклонов мишени, dσ₀/dΩ - сечение рассеяния на свободном нуклоне без учета отдачи, R(q,ω) - характеристическая функция в модели ферми-газа. [Ф. Боум и П. Фогель. Физика массивных нейтрино, М.: Мир, 1990 г.].

Сечение упругого рассеяния нейтрино также мало и составляет 10^-41–10^-38 см² для различных химических элементов и разных энергий нейтрино [Ф. Боум и П. Фогель. Физика массивных нейтрино, М., Мир, 1990 г.].

Кроме того, при использовании этих методов происходит снижение чувствительности детектора за счет поглощения фотонов при их прохождении через среду, образующую тело детектора.

Регистрация потока нейтрино в соответствии с заявленным изобретением осуществляется следующим образом.

- Поток нейтрино регистрируют в камере с квантовой жидкостью детектора нейтрино приемника.

Нейтрино взаимодействует с элементарными частицами, образующими квантовую жидкость, в результате образуется вторичное излучение, которое и регистрируется. В качестве квантовой жидкости может быть взят гелий при температуре ниже температуры перехода в сверхтекучее состояние. В этом случае в детекторе происходит взаимодействие нейтрино с нуклонами, входящими в состав атомов гелия. В результате взаимодействия происходит ядерная реакция, в ходе которой выделяются мюоны или иные лептоны. Проходя через гелий, они порождают черенковское излучение, которое и регистрируется фотоэлектронными или сцинтилляционными датчиками (см. патент РФ № 96106692, МПК G 01 F 1/22). Выделение полезного сигнала и исключение шумов осуществляется с помощью регистрации только коррелирующих импульсов, выработанных несколькими датчиками. Данная система регистрации вторичного излучения, его преобразования в электрический сигнал и демодуляция может быть аналогична системам, применяемым в электронных и криогенных детекторах или в итальянском проекте CUORE.

Для увеличения достоверности регистрации потока нейтрино необходимо увеличивать не только сечение реакции, но и чувствительность детектора.

- В качестве квантовой жидкости предлагается использовать гелий при температуре ниже температуры перехода в сверхтекучее состояние.

- Изотоп гелия-3 (He-3) в квазистабильном состоянии в области фазового перехода первого рода.

Не-3 представляет из себя стабильный изотоп гелия, атомы которого являются фермионами. У Не-3 существует две сверхтекучие фазы: анизотропная (А) и изотропная (В). Переход обычного гелия в фазу А (при температуре порядка 2,6 мК) относится к фазовым переходам второго рода, а переход из фазы А в фазу В (при температуре порядка 2 мК) - к фазовым переходам первого рода. Фазовым переходом первого рода называется фазовый переход, при котором скачком меняются такие термодинамические характеристики, как плотность и концентрация компонентов, а также выделяется (поглощается) определенное количество теплоты. Примером может служить переход сверхпроводника в не сверхпроводящее состояние под действием сильного магнитного поля. Квазистабильное состояние достигается следующим образом: первоначально Не-3 доводят до состояния квантовой жидкости, затем его медленно нагревают до момента начала фазового перехода первого рода, в момент начала фазового перехода увеличивают давление в камере детектора и останавливают процесс фазового перехода. Поддержка Не-3 в квазистабильном состоянии осуществляется путем изменения давления в камере детектора.

В данном способе регистрации нейтрино осуществлен принцип обратной связи.

Не-3, находясь в квазистабильном состоянии в области фазового перехода первого рода, крайне чувствителен к малейшим изменениям своего состава и физических свойств и стремится перейти в более стабильное состояние. Нейтрино, проходя через вещество, тем или иным способом передает часть своей энергии атомам вещества, что, в свою очередь, выводит Не-3 из квазистабильного состояния. Таким образом, начинается процесс завершения фазового перехода. Регистрация основана на трех способах.

Регистрация изменения температуры. В качестве детекторов могут использоваться тонкие пластины из сплавов, имеющие границу перехода к сверхпроводимости в диапазоне температур фазового перехода Не-3. При изменении фазового состава и повышении температуры Не-3 происходит резкое увеличение удельного сопротивления данных детекторов, что и регистрируется.

Регистрация продуктов взаимодействия. В этом случае система регистрации может быть аналогична системе регистрации жидкоксенонового детектора нейтрино [Д.Ю. Акимов, В.Н. Афанасьев, В.В. Бармин и др., Система очистки и электроника считывания прототипа ксенонового детектора для измерения магнитного момента нейтрино, М., Припринт, ИТЭФ, 1996 г., с. 57-96].

Регистрация черенковского излучения. При этом система регистрации аналогична описанной выше.

Как только появятся изменения физических свойств гелия, включается механизм обратной связи, и путем регулирования давления (краткосрочно) и температуры (долгосрочно) в камере детектора, Не-3 возвращается в исходное квазистабильное состояние в области фазового перехода первого рода.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает устойчивую беспроводную связь, не зависящую от места расположения приемника и передатчика, удаленности их друг от друга, а также независимость от метеорологических условий.

Изобретение относится к беспроводным системам передачи информации. Технический результат заключается в повышении устойчивости связи, обеспечении независимости от метеорологических условий. Способ заключается в том, что в качестве носителя сигнала используют направленный поток нейтрино, который регистрируют на приемной стороне и преобразуют в электрический сигнал. Способ отличается тем, что нейтрино регистрируют в камере с квантовой жидкостью детектора нейтрино приемника путем регистрации вторичного излучения, образованного за счет взаимодействия нейтрино с элементарными частицами, а в качестве квантовой жидкости используют гелий при температуре ниже температуры перехода в сверхтекучее состояние.

1. Способ беспроводной передачи информации, заключающийся в передаче сигнала носителем сигнала от источника создания сигнала к приемнику, в качестве носителя сигнала используют направленный поток нейтрино, который для этого создают в точке передачи информации, затем модулируют созданный поток нейтрино и после прохождения созданного потока нейтрино к точке приема сигнала регистрируют его в данной точке, после чего полученный сигнал преобразуют в электрический сигнал, отличающийся тем, что поток нейтрино регистрируют в камере с квантовой жидкостью детектора нейтрино приемника путем регистрации вторичного излучения, образованного за счет взаимодействия нейтрино с элементарными частицами, а в качестве квантовой жидкости используют гелий при температуре ниже температуры перехода в сверхтекучее состояние.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве квантовой жидкости используют жидкий НЕ-3 в квазистабильном состоянии в области фазового перехода второго рода.