中科院物理所于2018年9月18日10:00:00发布了一篇来自欧洲核子研究中心(CERN)的报道,题为“高能物理如何帮助解决水资源的短缺”。报道介绍了专用在大型强子对撞机(LHC)探测器上的光纤传感技术在干旱的黎巴嫩有了新用途。CERN的报道中的照片拍摄地是黎巴嫩的一片干旱土地,技术人员正在调试一种“光纤传感器”,准备进行优化灌溉的实地测试。
CMS(Compact Muon Solenoid)是LHC上的大型粒子探测器之一,曾为LHC捕捉到“上帝粒子”——希格斯玻色子立下了汗马功劳。CMS从中心向外,由硅径迹室、电磁量能器、强子量能器、超导线圈、缪子探测器等子探测器组成,结构极为复杂。CMS国际合作组由40多个国家约200个研究所/大学的4000多名科学家、工程师、技术人员及学生组成。
CMS合作组采用了一种被称为“光纤布拉格光栅(FBG)”的传感技术方案,即在纤细的光纤芯上再设法用激光蚀刻上极为细小的镜子,形成周期性的作为波长选择镜微结构的“布拉格光栅”。当入射光进入光纤与光纤布拉格光栅相遇,部分光以特定波长被反射回去,其余的光通过光纤。传感器接收到反射光的信息由数据采集系统(DAQ)转换成电信号供分析。
布拉格光栅一般用于温度传感,温度的上升或下降将分别导致光纤材料的膨胀或收缩,对光栅细小镜子之间的距离产生影响,这种变化可由数据采集读出系统提供的数据显示出反射光波长的变化,即可了解传感器周围温度的精确变化数据。
CMS合作组成员,意大利萨尼奥大学和那不勒斯大学的科学家们专门为CMS研发了一种新型光纤材料。
这种材料对湿度十分敏感,不同的湿度下材料的膨胀或收缩对光纤芯上所蚀刻的细小镜子之间的距离产生影响,这样传感器就能给出湿度的精确变化情况了。与此类似,还可利用特定光纤材料的变形来监测探测器结构的应变等其它参数。光纤布拉格光栅除了分辨率高、所测位置明确易定,还有一个极大的优势:复用性,即数百种布拉格光栅可以光刻在一根单一的光纤中,相隔几毫米或是相隔数千米都可以,可实现真正意义上的多点线式分布测量。
这些微结构在使用同一光源的条件下可对温度、湿度或应变等参数均保持极高的灵敏性且信号无串扰,特别适合用于大型结构的多点监测。
2015年12月,CERN与黎巴嫩国家科学研究委员会签署了“科学研究国际合作协议”,这是CERN首次将其科研合作活动扩展到中东地区。在此协议下,黎巴嫩科学家参加LHC的重离子研究项目,黎巴嫩大学加入CMS国际合作组,参加相关软件的升级工作。
2016年6月至7月,为确定CMS的光纤传感器是否能在黎巴嫩粘性很重的土壤中发挥作用需要做一些前期准备。黎巴嫩大学的研究人员特地将10公斤黎巴嫩贝卡谷地的高粘性土壤运到意大利萨尼奥大学的实验室进行测试,根据实验得到的测试数据,研究人员重新调整了光纤传感器的设计参数以增加其测量范围。随后,研究人员在黎巴嫩农业研究所的一片试验地里安装了4个由10个光纤传感器组成的阵列,用来实地测试土壤的水分含量。
2017年1月5日,FOSS4I合作协议在位于黎巴嫩贝鲁特的英国-黎巴嫩技术中心总部正式签署。1月11日合作组在英国-黎巴嫩技术中心办公室举行第一次指导委员会会议并参观了黎巴嫩农业研究所试验场地。FOSS4I合作的目的是基于CMS的光纤传感器系统进一步发展创建一个优化的灌溉系统来监测耕地土壤中的温度、湿度和其它参数,从而增强干旱地区农民解决缺水问题的能力。
FOSS4I项目由CERN负责领导并履行知识转移的承诺,CERN还将为项目组共享相关设施,包括光纤传感器校准设备等。
FOSS4I项目组成员需要进一步梳理更多的土壤参数,设计开发有更高感知能力的供灌溉用的光纤传感器——智能光纤。这个阶段的目标有两个:一个是设计应用于灌溉的低成本数据采集系统,另一个目标是开展生产农用智能光纤的可行性研究。如果新的设计理念能够被成功验证,它将是世界上第一个能够同时测量所有这些参数的光纤传感器系统,应用前景十分广泛。