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 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:

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 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

Авторский вклад

Малкольм Дж. Джойс: старший исследователь проекта. Выдвинул гипотезу для исследования, курировал команду, выполнявшую экспериментальные измерения, руководил подготовкой данной рукописи и участвовал в ее написании. Майкл Д. Аспиналл: консультировал по использованию анализатора смешанного поля как части процесса получения нейтронов; соавтор работы. Кларк Маккензи: выполнял MCNP-вычисления, на основе которых была разработана конструкция нейтронного модулятора; соавтор работы. Эдвард Дейл: спроектировал, собрал и управлял аппаратом модуляции; соавтор работы. Хамиш Най: спроектировал и собрал мехатронную систему, ответственную за кодирование/декодирование информации, передаваемой через модулятор, и получаемой детектором; соавтор работы. Эндрю Паркер: консультировал по использованию установки с Cf252 и курировал этот процесс; соавтор работы. Лука Сной: консультировал по применению разработанной методики для реактора и возможности ее использования внутрисхемно; соавтор работы. Джо Спайрс: настраивал получение и обработку данных нейтронных событий; соавтор работы.

Декларация о конфликте интересов

Авторы заявляют, что не имеют известных конфликтов финансовых интересов или личных связей, которые могли бы повлиять на проведенное исследование.

Благодарности

Мы выражаем признательность за финансовую поддержку Университету Ланкастера, Совету по инженерным и физическим научным исследованиям (EPSRC, грант № EP/V051059/1) и компании Hybrid Instruments Ltd. М. Дж. Дж. выражает благодарность за почетную награду Wolfson Research от Королевского научного общества. Л. С. благодарит Словенское исследовательское агентство за спонсорскую поддержку (базовое финансирование исследований № P2-0073).

Доступ к данным

Вы можете получить доступ ко всем данным эксперимента, а также обратиться с интересующими вас вопросами к соответствующим авторам.

Ссылки

[1] Elizondo-Decanini J.M., et al.
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