一篇來自歐洲核子研究中心(CERN)的報道，題為「高能物理如何幫助解決水資源的短缺」，介紹的是專用在大型強子對撞機(LHC)探測器上的光纖感測技術在乾旱的黎巴嫩有了新用途。

是否有點「天方夜譚」？高大上的高能物理前沿技術與乾旱的黎巴嫩掛上了鉤，這可能么？

CERN的報道(圖片來自網路)

報道中的照片拍攝地是黎巴嫩的一片乾旱土地，技術人員正在調試一種「光纖感測器」，準備進行優化灌溉的實地測試，而這種先進的光纖感測器技術來自CERN的CMS。

CMS的溫濕度監測

CMS(Compact Muon Solenoid)是LHC上的大型粒子探測器之一，曾為LHC捕捉到「上帝粒子」——希格斯玻色子立下了汗馬功勞。

LHC上的探測器(CMS,ATLAS,ALICE,LHCb)分布示意圖(圖片來自網路)

CMS示意圖(圖片來自網路)

CMS的規模絕對超過一般人的想像(長21.6米，直徑15米，總重量約14000噸，約合465架波音737)(請仔細看示意圖中人與探測器的比例)。CMS從中心向外，由硅徑跡室、電磁量能器、強子量能器、超導線圈、繆子探測器等子探測器組成，結構極為複雜。

CMS國際合作組由40多個國家約200個研究所/大學的4000多名科學家、工程師、技術人員及學生組成。基於CERN對國際合作組成員開放獲取的承諾，CMS的相關技術與科學成果由合作者共享，而CMS收集的數據通過LHC的全球計算網格與幾個計算中心共享，然後再分發給40多個國家的科學家進行物理分析。

CMS國際合作組成員合影(圖片來自網路)

CMS探測器一個扇區的剖面示意圖(圖片來自網路)

上圖是CMS探測器一個扇區的剖面示意圖，顯示了各子探測器的分布以及不同類型粒子通過和到達不同子探測器的狀況。探測器由一層層不同的材料組成，它們分別利用粒子的不同特性來捕捉和測量每一個粒子的能量和動量。

當LHC運行時，CMS處於強磁場以及強輻射環境下，工作條件極為不穩定。為了便於及時發現問題保證實驗的順利進行，需要追蹤探測器整體，特別是對位於探測器軸線中心位置具有較高靈敏度的硅徑跡室的溫度及濕度需要進行實時追蹤。這是因為無論是溫度還是濕度，只要有突然的變化就預示探測器可能有問題存在。

由於CMS中已經安裝了大量的探測元件和電纜，完全沒有空間進一步安裝傳統的溫濕度監測系統。而且，在LHC運行過程中，因強磁場和強輻射影響，傳統的溫濕度電子感測器件無法發揮良好的功能。

CMS合作組採用了一種被稱為「光纖布拉格光柵(FBG)」的感測技術方案，即在纖細的光纖芯(典型的光纖芯直徑約8微米，外包層直徑約125微米)上再設法用激光蝕刻上極為細小的鏡子，形成周期性的作為波長選擇鏡微結構的「布拉格光柵」。

當入射光進入光纖與光纖布拉格光柵相遇，部分光以特定波長(由光纖光柵參數決定)被反射回去，其餘的光通過光纖。感測器接收到反射光的信息由數據採集系統(DAQ)轉換成電信號供分析。

布拉格光柵一般用於溫度感測，溫度的上升或下降將分別導致光纖材料的膨脹或收縮，對光柵細小鏡子之間的距離產生影響，這種變化可由數據採集讀出系統提供的數據顯示出反射光波長的變化，即可了解感測器周圍溫度的精確變化數據。

光纖布拉格光柵原理示意圖(圖片來自網路)

溫度變化的監測有了解決手段，如何解決濕度變化的監測呢？

CMS合作組成員，義大利薩尼奧大學和那不勒斯大學的科學家們專門為CMS研發了一種新型光纖材料。這種材料對濕度十分敏感，不同的濕度下材料的膨脹或收縮對光纖芯上所蝕刻的細小鏡子之間的距離產生影響，這樣感測器就能給出濕度的精確變化情況了。

與此類似，還可利用特定光纖材料的變形(拉伸或壓縮)來監測探測器結構的應變等其它參數。

已封裝好的光纖光柵感測器(圖片來自網路)

光纖布拉格光柵除了解析度高、所測位置明確易定，還有一個極大的優勢：復用性，即數百種布拉格光柵可以光刻在一根單一的光纖中，相隔幾毫米或是相隔數千米都可以，可實現真正意義上的多點線式分布測量。這些微結構在使用同一光源(只要光源有足夠寬的光譜)的條件下可對溫度、濕度或應變等參數均保持極高的靈敏性且信號無串擾，特別適合用於大型結構的多點監測。

安裝在CMS探測器端蓋上的光纖光柵感測陣列示意圖(圖片來自網路)

CMS上安裝了溫度、濕度、應變等多種類型的光纖布拉格光柵感測陣列，並已可靠、長期地成功運用於高電離輻射和強磁場環境中，這是傳統的電子感測器完全無法做到的全新技術。

當然，光纖布拉格光柵的用途並不限於CMS，只是由於它的數據採集系統成本高，市場的潛力受到了一定限制。

乾旱的黎巴嫩

再來看看中東的黎巴嫩(國土面積1萬多平方公里，人口600多萬)。

中東地區的年降雨量很小，主要水源是約旦河。與該河相關的國家有約旦、敘利亞、黎巴嫩、以色列和巴勒斯坦。雖然黎巴嫩西側與地中海相連，但它與其他中東國家一樣黃沙滿地，撒哈拉沙漠、阿拉伯沙漠和地中海以東的沙漠覆蓋並威脅著黎巴嫩的大片國土，缺水問題極為嚴重。

黎巴嫩位置圖(圖片來自網路)

乾旱的黎巴嫩(圖片來自網路)

近些年來，由於人口的增長及淡水水源的緊缺，黎巴嫩面臨更嚴峻的挑戰，既要儘可能多地生產糧食、蔬菜，又要盡少地使用水灌溉，迫切需要一種能科學控制農業灌溉用水的先進技術。

在黎巴嫩乾旱環境下種植作物的農民，與在法國和瑞士邊境地下隧道里使用CMS粒子探測器的科學家們，他們面臨相同的技術挑戰：大規模、高精度的溫濕度多點監測。

機遇來了

黎巴嫩乾旱的土地與CMS探測器的溫濕度監測，這兩個看似毫不相干領域的共同需求有可能聯繫到一起么？

機遇來了。2015年12月，CERN與黎巴嫩國家科學研究委員會簽署了「科學研究國際合作協議」，這是CERN首次將其科研合作活動擴展到中東地區。在此協議下，黎巴嫩科學家參加LHC的重離子研究項目，黎巴嫩大學加入CMS國際合作組，參加相關軟體的升級工作。

基於CERN對國際合作組成員作出的開放獲取的承諾，黎巴嫩大學的科學家們從CMS提供的技術共享項目列表中選中了「光纖感測技術」。他們提出是否能將這項技術應用到黎巴嫩其它領域的設想，而CMS合作組也認為光纖感測技術有進一步發展的潛力以應對其它應用的挑戰，比如灌溉方面。雙方可以說是「一拍即合」。

2016年6月至7月，為確定CMS的光纖感測器是否能在黎巴嫩粘性很重的土壤中發揮作用需要做一些前期準備。黎巴嫩大學的研究人員特地將10公斤黎巴嫩貝卡谷地的高粘性土壤運到義大利薩尼奧大學(CMS合作組成員)的實驗室進行測試，根據實驗得到的測試數據，研究人員重新調整了光纖感測器的設計參數以增加其測量範圍。

在義大利薩尼奧大學實驗室測試黎巴嫩貝卡谷地的高粘性土壤(圖片來自網路)

隨後，研究人員在黎巴嫩農業研究所的一片試驗地里安裝了4個由10個光纖感測器組成的陣列(項目的第1階段)，用來實地測試土壤的水分含量。通過實測數據來評估感測器的適用性，為下一階段的試驗定義參數。

正在裝配、校準的光纖感測器(圖片來自網路)

在試驗場地安裝設備(圖片來自網路)

埋在不同深度的光纖感測器(圖片來自網路)

黎巴嫩農業研究所試驗場地(圖片來自網路)

實地測試的結果與實驗室內得到的測試結果並不一樣，研究人員發現實地測試無法獲得所需的全部土壤水分含量數據。根據實地測試數據的反饋，CMS合作組成員認為：下一步要做的不只是對光纖感測器的初始架構進行修改這麼簡單的事情，而是需要一個全新的設計理念，只有完成新的設計後才能再進行實地測試。同時，還應進一步簡化光纖感測器的數據採集系統，使其降低成本而更加實用，甚至應考慮可將其與智能手機的應用程序相結合。

FOSS4I合作

可喜的是，這項研究得到了英國-黎巴嫩技術中心(UK Lebanon Tech Hub，簡稱UKLTH)的青睞。

英國-黎巴嫩技術中心是黎巴嫩中央銀行和英國政府為支持黎巴嫩知識經濟的發展而成立的，是一個政府間合作的平台。該技術中心決定支持「灌溉光纖感測系統」項目(Fiber Optic Sensor Systems for Irrigation，簡稱FOSS4I)，為該項目提供資金並負責在各參與方之間進行協調。

CERN與多家研究所和公司一起參加了FOSS4I項目，合作成員中還包括義大利薩尼奧大學、義大利國家核物理研究所(INFN)、Optosmart公司、黎巴嫩大學以及黎巴嫩農業研究所等。

FOSS4I項目組成員(圖片來自網路)

英國-黎巴嫩技術中心支持灌溉優化系統合作研究項目(圖片來自網路)

2017年1月5日，FOSS4I合作協議在位於黎巴嫩貝魯特的英國-黎巴嫩技術中心總部正式簽署。1月11日合作組在英國-黎巴嫩技術中心辦公室舉行第一次指導委員會會議並參觀了黎巴嫩農業研究所試驗場地。

FOSS4I合作旨在基於CMS的光纖感測器系統進一步發展創建一個優化的灌溉系統來監測耕地土壤中的溫度、濕度和其他參數，從而增強幹旱地區農民解決缺水問題的能力。

FOSS4I項目由CERN負責領導並履行知識轉移的承諾，CERN還將為項目組共享相關設施，包括光纖感測器校準設備等。Optosmart公司、義大利國家核物理研究所和薩尼奧大學分享它們在光纖感測溫濕度測量技術方面的專業知識和技術訣竅，並與黎巴嫩大學密切合作，開發新的光纖感測器和數據採集系統。黎巴嫩農業研究所負責監督在黎巴嫩中部的扎赫勒(Zahle)地區安裝感測器和實地測試。

正式簽署FOSS4I合作協定(圖片來自網路)

參觀黎巴嫩農業研究所試驗場地(圖片來自網路)

FOSS4I合作的關鍵是CERN的高能物理研究應用於社會科學技術及經濟發展的開放原則：FOSS4I所有硬體將在CERN的開放硬體許可下發布，並且在該合作項目終止後的兩年內，相關軟體還將繼續以開源碼的許可方式發布。FOSS4I合作還將導致其它一些對接的技術轉移，包括在義大利和黎巴嫩招聘博士後和博士生、為黎巴嫩大學建立一個光纖感測器實驗室。

任何研究和開發都可能遇到挫折，但FOSS4I項目組認為這是光纖感測器新的發展機遇，光纖感測技術很有可能轉化為功能更強大的技術。

在完成黎巴嫩農業研究所試驗場地的實地測試後，項目組加大了試驗的規模(項目的第2階段)，選用了土豆、四季豆、生菜三類作物開展試驗。由當地農民分別進行使用光纖感測系統與不使用光纖感測系統控制灌溉（各1000平米）的試驗對比，以評估光纖感測系統及相關軟體對節水和作物產量的影響，並在位於貝魯特的黎巴嫩大學建立了先進的光纖感測器實驗室。

土豆、四季豆、生菜試驗地(圖片來自網路)

建在黎巴嫩大學的光纖感測器實驗室(圖片來自網路)

前景展望

FOSS4I項目組成員需要進一步梳理更多的土壤參數，設計開發有更高感知能力的供灌溉用的光纖感測器——智能光纖(項目的第3階段)。

這個階段的目標有兩個：

一個是：設計應用於灌溉的低成本數據採集系統(與黎巴嫩的農民收入相適應、用戶能通過智能手機操作)，聘用3名博士後。另一個目標是：開展生產農用智能光纖的可行性研究(土壤含水量的測定及肥料和農藥濃度的測定)，招收1名博士生。博士後和博士生將經常往返於義大利和黎巴嫩之間，共享發現、提高黎巴嫩的研發能力並進行場地試驗、推動技術商業化。

2018年1月，FOSS4I招聘光纖感測器及相關讀出技術博士後(圖片來自網路)

基於CMS的光纖布拉格光柵感測技術，新的灌溉光纖感測系統應能提供長達約100千米的破壞性最小的感測器，無需供電就可測量農田土壤中的溫度、濕度、農藥、肥料和酶濃度等參數(常用監測儀每隔幾碼就需一個電源)。該系統必須靈敏度高、重量輕、能遠距離監測、安裝簡單、成本低，能方便地實現灌溉優化(可適時方便地打開或關閉灌溉系統)，達到節水及提高作物產量的目的，同時也有助於減少化肥和殺蟲劑的使用量，有利於幫助農民建立可持續發展的生產機制。

FOSS4I項目組成員在黎巴嫩的試驗地工作(圖片來自網路)

CERN向來自世界各地的學生介紹FOSS4I項目以及高能物理應用於灌溉的知識，很受歡迎(圖片來自網路)

如果新的設計理念能夠被成功驗證，它將是世界上第一個能夠同時測量所有這些參數的光纖感測器系統，應用前景十分廣泛。

為CMS開發的基於光纖光柵感測系統的溫濕度監測技術有了新的用途，FOSS4I項目受益的不僅是黎巴嫩，它有助於提高廣大的乾旱地區灌溉系統的效率節約用水。與此同時，FOSS4I項目對CMS也有很好的回饋，促進CMS進一步改善、提高光纖感測器在高能物理領域的應用性能。

看來，「高能物理幫助解決水資源的短缺」並不是天方夜譚，一切正在按計划進行之中！

來源：中國科學院高能物理研究所

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