Быстрые нейтроны активно распространяются в свободном пространстве и обладают свойствами взаимодействия, значительно отличающимися от свойств электромагнитного излучения, которое выступает основой большинства беспроводных технологий связи. В этой работе мы описываем конфигурацию и принцип действия комплекса ядерных приборов, предназначенного для передачи информации в цифровой кодировке при помощи быстрых нейтронов.
Таким образом, мы демонстрируем потенциал использования излучения быстрых нейтронов в качестве посредника для беспроводной связи в областях, где традиционная электромагнитная передача либо невозможна, либо ограничена по своей природе.
Введение
Быстрые нейтроны распространяются на значительные расстояния и взаимодействуют с материалами таким способом, который дополняет возможности электромагнитного излучения. Однако несмотря на подобную дополняющую способность их рассмотрение в качестве потенциальных средств беспроводной связи до сегодняшнего дня было ограничено.
Причины этого не удивительны:
- использование источников быстрых нейтронов (En > 100кэВ) находится под строгим регулированием из соображений безопасности и риска облучения,
- эффективное, синхронизированное обнаружение быстрых нейтронов зачастую усложняется связанным компонентом γ-лучей,
- временная когерентность модулированного поля быстрых нейтронов может существенно ухудшаться вследствие рассеивания материалами, из которых состоят окружающие объекты и конструкции.
Тем не менее в свете недавнего доклада о миниатюрном импульсном генераторе нейтронов, подходящим для использования в интегральных микросхемах и дающим низкие потоки нейтронов [1], возникает перспектива интегрирования источников нейтронов в умные системы, которые, гипотетически, смогут исключить проблемы, связанные с безопасностью и рисками в данной сфере применения.
Аналогичным образом, обнаружение быстрых нейтронов перешло от преимущественно лабораторной деятельности, основанной на аналоговой обработке событий, передаваемых опасными сцинтилляционными детекторами[2], к сбору цифровых данных о событиях [3], [4] в реальном времени от относительно безвредных средств обнаружения [5], [6].
Последнее позволило выполнять задачи с синхронизацией в реальном времени, такие как пространственный анализ смешанных полей излучения [7] и угловое распределение эмиссий нейтронов от ядерных материалов [8], [9]. Эти примеры являются продвинутыми по сравнению с требованиями к передаче информации, потому что планирование потока такой передачи, вместо представления случайного свойства трансформирующихся ядер, будет распределяться на стадии кодирования/декодирования подобной системы, согласно установленным протоколам.
В данной работе мы объединяем идеи этих последних достижений с целью продемонстрировать передачу информации посредством быстрых нейтронов. Для этого несколько примеров подходящей информации, а именно слово, алфавит и случайное число, были последовательно закодированы в модуляцию нейтронного поля. При этом была применена 7-битная кодировка символов ASCII с целью показать возможность использования стандарта при передаче информации посредством быстрых нейтронов.
Перечисленные выше примеры были закодированы в модуляцию смешанного поля, генерируемого источником нейтронов спонтанного деления калифорния-252, после чего эта модуляция регистрировалась сцинтилляционным детектором.
С помощью селекции импульсов по форме (PSD) в реальном времени компонент быстрых нейтронов отделяется от регистрируемых событий для последующей обработки [10]. Далее эта зарегистрированная последовательность отсчётов быстрых нейтронов проходит через 7-точечный фильтр скользящего среднего, а затем функцию триггера Шмидта, вывод которой декодируется на ноутбуке для восстановления полученной информации.
Описание принципа
В описанном выше подходе также присутствует процесс перехода в электромагнитную область, свойственный типичному потоку передачи информации, приведённому на рис. 1а, где он был адаптирован под модуляцию поля быстрых нейтронов. Далее это поле обнаруживается и происходит декодирование временной последовательности событий для восстановления сигнала, как показано на рис. 1b.
Поскольку нейтроны заряда не имеют, модуляцию нельзя реализовать напрямую на электромагнитной основе, в связи с чем необходимо либо преградить поле нейтронов, получаемое от изотопного источника, с помощью динамического коллиматора (как это делается в нашем исследовании и схематично показано на рис. 1с), либо (гипотетически) использовать источник импульсов на базе ускорителя. Последний вариант схематично отражён на рис. 1d для гипотетического случая, в котором два генератора составляют приемо-передающую систему для двухсторонней связи.
Что же касается текущего исследования, то его экспериментальная конфигурация показана на рис. 2.
Она состоит из:
- блок-схемы (рис. 2а), отражающей участки передачи информации и регистрации излучения.
- этап кодирования выполняется нейтронным прерывателем, разработанным специально под эту задачу (рис. 2b). Состоит он из полиэтиленового блока, который смещается в нужное положение в зависимости от кодируемого сигнала.
- схемы компонентов системы, где показан источник, модулятор (аттенюатор и плунжер), сцинтилляционный детектор и трубка фотоумножителя (PMT), а также анализатор смешанного поля, включающий PSD (рис. 2с).
- фотографии модулятора (рис. 2d).
Изображение в высоком разрешении. Рис. 1. Протоколы беспроводной передачи. (a) отражает традиционную передачу с помощью электромагнитных волн, включающую в себя трансдукцию, модуляцию, передачу, получение и обработку демодуляции. (b) Аналоговый протокол для случая передачи с помощью нейтронов, где электрический сигнал используется для модуляции поля нейтронов, которое затем обнаруживается, а получающийся электрический сигнал демодулируется с целью извлечения закодированной информации. (с) Схема устройства модуляции для изотопного источника нейтронов с непрерывной эмиссией, где поле нейтронов модулируется автоматизированным коллиматором (в данном примере представлен в виде обобщённой вращающейся конструкции). Получаемое модулированное поле пронизывает проницаемую преграду и регистрируется детектором. (d) Схема двухсторонней приемо-передающей системы для случая с импульсным полем, создаваемым генератором нейтронов на каждой стороне этой системы.
Изображение в высоком разрешении. Рис. 2. Экспериментальные схемы. (а) Поток информации для процесса модуляции/передачи нейтронов, с помощью которого подтверждается передача информации посредством нейтронов. (b) Схема нейтронного модулятора (аттенюатор, плунжер и т.д.), используемая в этом исследовании, показана без защитного кожуха. (с) Соответствующая блок-схема для экспериментальной конфигурации, схематично показанной на рис. а. (d) Фотография модулятора в положении, где резервуар с источником CF252 слева представлен в том виде, в каком используется с защитным кожухом.
Методы
В работе использовался источник Cf252 с активностью 11.76МБк (скорость эмиссии нейтронов 1.37 × 106 s−1), размещённый в стальном резервуаре с водой объёмом 1м3 примерно в 35см от бетонного пола лаборатории. С помощью пневматической системы источник экспонируется при приближении к одной из сторон резервуара, создавая поток быстрых нейтронов, которые излучаются с этой стороны.
При этом использовался органический сцинтилляционный детектор VS-11-05-21 (Scionix, Нидерланды), включающий сцинтиллятор EJ-309 размером 100 x 100 x 120мм (Eljen Technology, Суитуотер, Техас) в алюминиевом корпусе со встроенной трубкой фотоумножителя. Он был установлен в изготовленном на заказ кожухе из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) для минимизации рассеивания нейтронов окружающими предметами и расположен в горизонтальной плоскости напротив ПЭВП-заслонки нейтронного прерывателя.
Прерыватель был разработан и собран на собственном производстве в Ланкастере. С помощью расчёта переноса частиц по методу Монте Карло был определён размер его окна (100мм), необходимый для прохождения достаточного числа нейтронов в промежутки времени, подходящие для сбора нужной статистики.
Окно было выточено в квадратном ПЭВП-фланце с размером стороны 400мм и толщиной 60мм. Перекрывается оно квадратной ПЭВП-пластиной с размером стороны 200мм и толщиной 120мм с помощью линейного пневматического механизма на пружине, реагирующего на поток воздуха, подаваемый под управлением электромагнитного клапана. Этот клапан, в свою очередь, управляется микроконтроллером (Arduino.cc), который передает закодированный сигнал прерывателю.
События, регистрируемые детектором, обрабатывались анализатором смешанного поля (MFA, Hybrid Instruments Ltd., UK), который на ходу разделял быстрые нейтроны и γ-лучи. Получаемые от MFA ТТЛ-данные, относящиеся именно к быстрым нейтронам, далее передавалась в многофункциональный счётчик BK Precision 1856D, подключённый к ноутбуку через интерфейс RS232.
Ноутбук, в свою очередь, выполнял алгоритм декодирования, извлекая сообщения из полученных данных событий. Помимо кодирования, загрузки данных в микроконтроллер, управления прерывателем и декодирования, ноутбук также применял 7-точечный фильтр скользящего среднего и программную функцию, эмулирующую работу триггера Шмидта для сигналов ТТЛ. Данные γ-лучей отбрасывались.
Были проведены эксперименты по изучению (i) передачи 4-битных слов и (ii) строк символов ASCII. При этом декодер подтверждал передачу сообщения, выводя на монитор информацию о полученном алфавите, рис. 3. В качестве проверки был выполнен двойной слепой тест, в котором число, полученное из генератора случайных чисел, кодировалось без ведома тех, кто его загружал, а затем передавалось и декодировалось.
Случайным числом оказалось
81573304
. После модуляции нейтронного поля оно было успешно декодировано, что подтвердил член исследовательской команды, который создал входной файл, но в самой передаче и декодировании участия не принимал. Изображение в высоком разрешении. Рис. 3. Подтверждение передачи, продемонстрированное выводом программы, выполняющейся в окне на ноутбуке. В данном случае подтверждается успешное декодирование каждой буквы алфавита.
Результаты
Отдельное 4-битное слово
0101
, отправленное с помощью быстрых нейтронов, показано на рис. 4а, состоящем из: последовательной формы слова, то есть его закодированной формы в виде анализа временной последовательности, предшествующего отправке; данных о подсчёте быстрых нейтронов, предшествующем любой пост-обработке; а также нижнего и верхнего порогов, используемых для дифференцирования высоких и низких состояний в процессе передачи. В этом подходе протоколом начала и конца слова выступает присутствие высокого состояния ввиду формирования начального и конечного бита соответственно. На рис. 4b показаны соответствующие данные подсчёта частоты быстрых нейтронов при открытом (оранжевая гистограмма) и закрытом (синяя гистограмма) модуляторе, иллюстрирующие разделение, достигнутое при открытом и закрытом состояниях прерывателя, и, следовательно, разделение, достижимое для высоких (1) и низких (0) состояний двоичной передачи, основанной на этой операции.
Что касается передачи объединённых последовательных слов, составляющих отдельные буквы, с использованием протокола ASCII, то на рис. 4с приведены данные для подобного примера, слова
yes
, также относящиеся к легенде рис. 4а. Однако в этом случае область, соответствующая битам сообщения, показана зелёным и представлена в кодировке ASCII, то есть y
= 1111001
, e
= 1100101
, а s
= 1110011
, и протокол начала/конца аналогичен 4-битному примеру. Необработанные данные быстрых нейтронов были подвержены пост-обработке, включающей 7-точечное скользящее среднее и триггер Шмидта, в результате чего был получен результат, соответствующий отправленному слову. Для оценки целостности декодирования данных быстрых нейтронов, обработанных по описанной схеме, каждая буква всего алфавита передавалась последовательно, а также был выполнен тест со случайным числом. Обе проверки подтвердили 100% успех передачи.
Изображение в высоком разрешении. Рис. 4. Результаты экспериментальной передачи с помощью быстрых нейтронов. (а) Отдельное 4-битное слово, показанное в виде ширины импульса (оранжевая линия), последовательные двоичные данные, использованные в качестве ввода
0101
, включая набор старт- и стоп-битов, которые модулятор кодирует в нейтронную передачу, и которые представлены в соответствии с зарегистрированной, но неотфильтрованной информацией нейтронов (синяя линия). (b) Зарегистрированное количество нейтронов относительно частоты при 15-минутной экспозиции источника Cf252 при закрытом (синяя линия) и открытом (оранжевая линия) модуляторе. (с) Демонстрация передачи слова yes
, закодированного в двоичную строку ASCII, показанную в виде ещё необработанного отсчёта быстрых нейтронов (синий), она же в виде 7-точечного скользящего среднего (оранжевый) и соответствующий вывод после триггера Шмидта (чёрный).Итоги
Быстрые нейтроны эффективно распространяются через материалы, которые, напротив, существенно ослабляют электромагнитные волны – в особенности это выражено на примере металлов. В некоторых сценариях, где требуется соблюдение повышенных мер безопасности, например, касающихся целостности защитных оболочек реактора, металлических сводов и переборок в морских сооружениях, будет важным свести к минимуму количество кабель-каналов, прокладываемых через подобные конструкции.
Использование нейтронов для передачи информации через такие конструкции может исключить необходимость прокладывания подобных кабель-каналов и, вероятно, также окажется актуальным для сценариев, в которых ввиду сложных условий предпочтение отдаётся ограниченной передаче, например, при спасательных операциях.
С другой стороны, свойство электромагнитной невосприимчивости нейтронов, задействованных в целях передачи, может содействовать обеспечению целостности передачи информации в последующем поколении электронных систем со смешанным сигналом, где смешанный сигнал будет формироваться уже между нейтронами и электронами, возможно, аналогично электронно-оптическим системам.
Ещё одно применение, несколько отдалённое от традиционных протоколов отправки-получения, связано с возможностью модулирования реактивности в ядерном реакторе [11]. Те же возможности, которые мы описываем в текущей работе, могут пригодиться для декодирования подобной модуляции, что позволит лучше понять основные проблемы безопасности, связанные с ответом реактора на возмущения реактивности.
Хорошо известно, что нейтронное облучение может спровоцировать активацию некоторых изотопов и их становление радиоактивными вариантами, как в случае с кобальтом-60. Ввиду этого стоит заметить, что продемонстрированная в работе передача была реализована с помощью потока, поддерживаемого на уровне, слишком низком для наблюдения любой подобной активации.
Аналогичным образом, посредством нейтронного облучения можно получить значительные радиобиологические эффекты. Тем не менее описываемая здесь передача была реализована в рамках регулирующих ограничений, и уровни излучения поддерживались не выше необходимого для получения практических результатов минимума. Предполагается, что внутрисхемные варианты применения будут функционировать при потоках на несколько порядков меньше использованных.
Справочная информация
Novel surface-mounted neutron generator
IEEE Trans. Plasma Sci., 40 (2012), p. 2145
View PDF, CrossRef , View Record in Scopus, Google Scholar
[2] Brooks F.D.
A scintillation counter with neutron and gamma-ray discriminators
Nucl. Instrum. Methods, 4 (3) (1959), pp. 151-163
Article, Download PDF, View Record in Scopus, Google Scholar
[3] Jastaniah S.D., Sellin P.J.
Digital techniques for n/ pulse shape discrimination and capture-gated neutron spectroscopy using liquid scintillators
Nucl. Instrum. Methods A, 517 (2004), pp. 202-210
Article , Download PDF, View Record in Scopus, Google Scholar
[4] Joyce M.J., Aspinall M.D., Cave F.D., Georgopoulos K., Jarrah Z.
The design, build and test of a digital analyzer for mixed radiation fields
IEEE Trans. Nucl. Sci., 57 (5) (2010), pp. 2625-2630
pt. 2
View Record in Scopus, Google Scholar
[5] Zaitseva N.P., Rupert B.L., Pawelczak I., Glenn A., Martinez H.P., Carman L., Faust M., Cherepy N., Payne S.
Plastic scintillators with efficient neutron/gamma pulse shape discrimination
Nucl. Instrum. Methods A, 668 (2012), pp. 88-93
Article , Download PDF , View Record in Scopus, Google Scholar
[6] Glodo J., Higgins W.M., Van Loef E.V.D., Shah K.S.
Scintillation properties of 1 inch Cs2LiYCl6:Ce crystals
IEEE Trans. Nucl. Sci., 55 (3) (2008), pp. 1206-1209
4545124
View PDF, CrossRef, View Record in Scopus, Google Scholar
[7] Astromskas V., Bradnam S.C., Packer L.W., Aspinall M.D., Joyce M.J.
Real-time source localization by passive, fast-neutron time-of-flight with organic scintillators for facility-installed applications
Nucl. Instrum. Methods (2021), Article 165094
Article, Download PDF, View Record in Scopus, Google Scholar
[8] Joyce M.J., Sarwar R., Astromskas V., Chebboubi A., Croft S., Litaize O., Vogt R., Zimmerman C.H.
High-order angular correlation of californium-252 fission neutrons and the effect of detector cross-talk
Nucl. Instrum. Methods, A954 (2020), Article 161866
Article, Download PDF, View Record in Scopus, Google Scholar
[9] Snoj L., Trkov A., Lengar I., Popovichev S., Conroy S., Syme B.
Calculations to support JET neutron yield calibration: Neutron scattering in source holder
Fusion Eng. Des., 87 (11) (2012), pp. 1846-1852
Article, Download PDF, View Record in Scopus, Google Scholar
[10] D’Mellow R., Aspinall M.D., Mackin R., Joyce M.J.
Digital n- discrimination in liquid scintillators using pulse gradient analysis
Nucl. Instrum. Methods A, 578 (1) (2007), pp. 191-197
View Record in Scopus, Google Scholar
[11] Y. Jiang, B. Geslot, V. Lamirand, P. Leconte, PISTIL, A reactivity modulation device to probe the transfer function of the research nuclear reactor CROCUS, in: The 7th International Conference on Advancements in Nuclear Instrumentation Measurement Methods and their Applications, ANIMMA, Prague, 2021.
Google Scholar
Комментарии (34)
Chupakabra303
28.11.2021 13:42+3Что- то не вижу преимуществ по сравнению с фотонами, по-моему, одни недостатки, которые предлагается героически обходить. Другое дело, если использовать нейтрино.
KbRadar
28.11.2021 13:58Там детектор массивный очень.
Ad_Infinitum
28.11.2021 15:35Может тогда для межзвёздной связи пригодиться когда-то, чтобы по дороге ничего не мешало. Для таких целей, можно и один массивный сделать.
akurilov
28.11.2021 16:17Лучше фотонов для этого все равно ничего нет. К тому же нейтроны, даже быстрые, будут сильно позади по скорости.
Ad_Infinitum
28.11.2021 17:30Фотоны плохо проходят пылевые облака. А для нейтрино даже большинство звёзд не помеха.
akurilov
28.11.2021 18:21Не надо путать нейтроны и нейтрино
Ad_Infinitum
28.11.2021 22:02+3Так и не путаю. В этой ветке комментариев начатую пользователем Chupakabra303 как раз о нейтрино. Посмотрите выше.
Другое дело, если использовать нейтрино.
BioHazzardt
28.11.2021 22:27+1для нейтрино и детектор не помеха. Оправить сигнал не проблема, а вот принять без сцафай-вундервафель и адовых костылей вряд ли получится
Ad_Infinitum
28.11.2021 23:32Ну может потомки и придумают эти самые сцафай-вундервафли. Вся надежда на них.
BioHazzardt
28.11.2021 23:39ну может они и такой вид связи придумают, который этих самых вундервафель не потребуют. Да и наверняка даже такой вид связи (если говорить про космическую связь) будет не нужен, т.к. задержки будут адовыми для космических расстояний (из-за конечности скорости света), да и помехи от звезд будут намного более сильными, нежели при использовании обычной радиосвязи
mad_god
28.11.2021 20:40Как и вычислительные машины прошлого
KbRadar
28.11.2021 21:09Но их было и есть куда уменьшать. Детектор нейтрино же работает на объёме своего материала.
mad_god
29.11.2021 22:51насколько я наивно себе представляю, нужно создать на порядки более плотное вещество для детектирования нейтрино, по типу того что в ядрах нейтронных звёзд, рано или поздно нейтрино столкнётся с веществом.
Либо же измерять посредством изменения полей, в окрестностях некоторой точки. где поле предсказано и известно, наподобие стабильного кубита, замороженого до почти абсолютного нуля, а нейтрино изменяет что-то в этом поле, ту же гравитацию.
И всё это возможно сделать компактнее в будущем, как мне кажется.
reinvent
28.11.2021 16:53-6Говорят, в оборонке уже есть такие установки, прямо сквозь Землю сигнал передают.
T_Cirkla
28.11.2021 17:13+7Говорят, в Москве кур доят.
reinvent
28.11.2021 18:31-3Немного открытой информации есть даже в инете https://www.popmech.ru/weapon/522374-neytrinnye-kommunikacii-kak-reshayut-problemy-so-svyazyu-podlodok/
dMac
01.12.2021 00:21Возможно, связь на гравитационных волнах появится раньше. Хотя их генерировать - та еще задача. А с другой стороны, затрудняюсь определить, что труднее - генерировать гравиволны или детектировать нейтрино
kovserg
28.11.2021 14:05Ждём спецификацию для EllowTooth для передачи информации с помощью ионизирующего излучения.
металлических сводов и переборок в морских сооружениях, будет важным свести к минимуму количество кабель-каналов, прокладываемых через подобные конструкции
Чем не устраивают акустические волны которые великолепно распространяются в таких материалах?Matshishkapeu
28.11.2021 14:15+4Оборудование на акустических волнах сильно дешевле и надёжнее, гешефт не получится таким шикарным. Тем и хуже.
AiratGl
29.11.2021 12:57Ждём спецификацию для EllowTooth для передачи информации с помощью ионизирующего излучения
Уже можно посмотреть на проект X-ray Communication (XCOM) от NASA https://techport.nasa.gov/view/94821
x2v0
28.11.2021 14:33+2стоит упомянуть об уникальной отечественной разработке - нг-24, которая, возможно, подходит для этих целей.
В настоящее время во ВНИИА им. Н.Л.Духова разработан портативный генератор НГ-24 - источник нейтронов с энергией 14 МэВ с использованием ядерной реакции 3T(d,n)4He интенсивностью ~10^11 н./с
prospekt_element.pdf (vniia.ru)
RU2442620C2 - Устройство для лучевой терапии быстрыми нейтронами - Google Patentsakurilov
28.11.2021 16:18+1Какой пробег будет нейтронов 14МэВ в воде? Считанные метры? А в скале - и того меньше.
Update: сантиметры https://www.researchgate.net/figure/Mean-free-path-of-neutrons-figure-A-and-gammas-figure-B-in-the-various_fig3_270454785
mrxak
28.11.2021 20:36Тут вопрос, что вы подразумеваете под пробегом. Mean free path это не то что бы пробег в российской терминологии, это вероятностная мера через сколько в среднем нейтрон столкнётся с чем-нибудь в среде.
Незаряженные частицы (фотоны, нейтроны) - просто ослабляются по интенсивности как e^-kx, по факту пробег их бесконечный, пока не станет <1 частицы от начального флюенса. А вот заряженные - типа протонов, имеют пик Брэгга и соответствующий пробег, который может вычисляться, например, из приближения непрерывного торможения (CSDA). У нейтронов CSDA нет, есть CSDA у тех заряженных частиц (протоны, альфа, углерод, кислород), которые получаются в упругих и неупругих столкновениях нейтронов со средой.
akurilov
29.11.2021 00:35В любом случае, нейтроны даже воздухом будут гаситься куда быстрее, чем радиоволны. Для подводной связи - тоже бесполезно
Matshishkapeu
28.11.2021 16:46Отличный высокотехнологичный продукт. В Америке такие применяли для элементного анализа по ходу бурения скважин на нефть (опускали прямо в канал скважины). Технология была столь удачна что производство приборов держали сами нефтесервисники - Бейкер Хьюз, Халибертон и Шлюмберже.
VT100
28.11.2021 22:54Каротажные приборы, ЕМНИП, используют проводную связь. Источник излкчения там — для другого.
rtkprg2
29.11.2021 09:39Можно ли использовать подобные системы связи для целей автосигнализации как обход GSM-глушилки?
На какое расстояние "бъет" такая система связи? Можно ли определить расстояние до источника?speshuric
29.11.2021 20:58+1На какое расстояние "бъет" такая система связи?
Шутка: Зависит от того на сколько килотонн источник.
Не шутка: как вы себе это представляете? Запустить на орбиту несколько источников быстрых нейтронов так, чтобы они достаточно хорошо поливали БН поверхность земли так, чтобы пробить атмосферу и их можно было уловить компактным (в автомобиле) и еще и понять "чьи фотоны долетели"? Эммм...
x2v0
30.11.2021 04:55+1Надо заметить, что ребята использовали 2МэВ, 10^5 нейтронов/секунду против наших 14, 10^11
Одна только радиационная зашита от этого > 6 метров бетона
KbRadar
Отличный способ, можно будет с помощью дозиметра определять истинный пробег роутеров.