Беспроводная передача информации с помощью быстрых нейтронов

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 ^[1] распространяются на значительные расстояния и взаимодействуют с материалами таким способом, который дополняет возможности электромагнитного излучения ^[2]. Однако несмотря на подобную дополняющую способность их рассмотрение в качестве потенциальных средств беспроводной связи ^[3] до сегодняшнего дня было ограничено.

Причины этого не удивительны:

1. использование источников быстрых нейтронов (En > 100кэВ) находится под строгим регулированием из соображений безопасности и риска облучения,
2. эффективное, синхронизированное обнаружение быстрых нейтронов зачастую усложняется связанным компонентом γ-лучей,
3. 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 ^[4] и дающим низкие потоки нейтронов [1] ^[5], 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] ^[6], к сбору цифровых данных о событиях [3] ^[7], [4] ^[8] в реальном времени от относительно безвредных средств обнаружения [5] ^[9], [6] ^[10].

Последнее позволило выполнять задачи с синхронизацией в реальном времени, такие как пространственный анализ смешанных полей излучения [7] ^[11] и угловое распределение эмиссий нейтронов ^[12] от ядерных материалов [8] ^[13], [9] ^[14]. 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 ^[15] 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] ^[16]. 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 ^[17](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 ^[18] (PMT), а также анализатор смешанного поля, включающий PSD (рис. 2с).
• фотографии модулятора (рис. 2d).

Изображение в высоком разрешении. ^[19]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. ^[20] 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 ^[21] 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 ^[22]. 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. ^[23] 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. ^[24] 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 ^[25] 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] ^[26]. 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

Ссылки

[1] Elizondo-Decanini J.M., et al.
Novel surface-mounted neutron generator
IEEE Trans. Plasma Sci., 40 (2012), p. 2145
View PDF ^[27], CrossRef ^[28], View Record in Scopus ^[29], Google Scholar ^[30]

[2] Brooks F.D.
A scintillation counter with neutron and gamma-ray discriminators
Nucl. Instrum. Methods, 4 (3) (1959), pp. 151-163
Article ^[31], Download PDF ^[32], View Record in Scopus ^[33], Google Scholar ^[34]

[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 ^[35], Download PDF ^[36], View Record in Scopus ^[37], Google Scholar ^[38]

[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 ^[39], Google Scholar ^[40]

[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 ^[41], Download PDF ^[42], View Record in Scopus ^[43], Google Scholar ^[44]

[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 ^[45], View Record in Scopus ^[46], Google Scholar ^[47]

[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 ^[48], Download PDF ^[49], View Record in Scopus ^[50], Google Scholar ^[51]

[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 ^[52], Download PDF ^[53], View Record in Scopus ^[54], Google Scholar ^[55]

[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 ^[56], Download PDF ^[57], View Record in Scopus ^[58], Google Scholar ^[59]

[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 ^[60], Google Scholar ^[61]

[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 ^[62]