我的信号是由核辐射传输的，金属屏蔽都挡不住

会员服务 ·

我的信号是由核辐射传输的，金属屏蔽都挡不住

2021 年 11 月 24 日 机器之心

机器之心报道

编辑：小舟、张倩

核辐射「无线通信」的信号传输速度够快，而且能穿透金属，没有盲区。

通常人们提到核辐射会想起它的危害，谈「核」色变。但核辐射作为辐射的一种，是自然界中天然存在的物质。自然界中的天然辐射主要来自太阳、宇宙射线及地壳中的放射性核素等，人类已经适应了天然辐射的环境。

近日，来自英国兰开斯特大学的工程师与斯洛文尼亚的 Jožef Stefan 研究所合作，使用核辐射代替传统技术进行了无线传输，用「快中子」传输数字编码信息。

论文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900221009013

该研究测量了来自锎 - 252 的快中子的自发发射，锎 - 252 是一种在核反应堆中产生的放射性同位素。

经过调制的辐射使用探测器测量并在笔记本电脑上进行记录。传输的数据包括单词、字母表和随机数，这些数据被串行编码到中子场的调制中，输出在笔记本电脑上解码，在屏幕上恢复编码信息。研究者进行了一项双盲测试，对来自随机数生成器的数字进行编码，然后进行传输和解码。所有的传输测试都被证明是 100% 成功的。

兰卡斯特大学的 Malcolm Joyce 教授说：「我们证明了快中子辐射作为无线通信介质的潜力，它适用于那些传统电磁辐射不可行或受限的应用领域。」

Joyce 表示，快中子比传统电磁波有优势，因为传统电磁波通过金属等材料后会被大大削弱。「在一些安全性要求极高的地方，例如严格要求完整性的反应堆安全壳、海上结构中的金属拱顶和舱壁，将通信对金属结构的穿透数量降到最低是非常重要的。使用中子通过此类结构进行信息传输可能会消除对上述穿透的需求，并且可能在紧急救援等极端环境下的有限传输中提供帮助。」

快中子也可以结合到混合信号电子系统中，以实现电子和中子之间的信号混合。这可能有助于确保信息传输完整性。

研究概览

快中子是在核裂变反应中产生的自由中子，其动能可以达到 1 兆电子伏特，对应的速度约为 14000 千米 / 秒，相当于光速的 5%。快中子能够传播很远的距离，并且能起到与电磁辐射互补的作用。

然而，尽管它们与近场和远场通信系统选择的电磁介质具有互补性，但它们作为一种潜在的无线通信方式的考虑至今仍受到限制，原因包括：（i）考虑到安全性和暴露风险，快中子源（𝐸𝑛> 100 keV）的使用受到高度监管；（ii）高效、同步的快中子检测通常因相关的𝛾射线分量而变得复杂；(iii) 经过调制的快中子场的时间相干性会因构成周围物体和结构的材料的散射而显著降低。

然而，最近一项关于小型脉冲中子发生器（这种发生器可以与集成电路兼容，并产生慢通量的中子）的报告表明，将中子源集成到智能系统中的做法非常有前景。类似地，快中子检测已经从主要依赖于对来自危险闪烁介质（scintillation media）的事件的模拟处理的实验室活动，转变为对来自相对良性的检测替代方案的事件的实时数字数据采集。后者实现了实时同步应用，例如混合辐射场的空间评估和核材料中子发射的角分布；这些示例相对于信息传输的要求而言更先进，因为后者中的调度可能会根据公认的协议在此类系统的编码 / 解码阶段标准化，而不是转换核的随机属性。本文中的研究结合了这些最新成果，表明使用快中子作为传输介质进行信息传输是可能的。

在这篇论文中，研究者结合这些最近的研究成果来证明使用快中子作为信息传输介质的可行性。一些相关信息的例子（如单词、字母表和随机数）已经被串行编码到中子场的调制结果中。研究者采用了美国信息交换标准代码（ASCII） 7 位字符编码，以演示使用以快中子为介质的范例标准。上面列出的例子已经被编码在 californium-252 自发裂变中子源的混合场调制结果中，这种调制随后被一个有机闪烁检测器检测到。研究者利用实时脉冲形状甄别（PSD）将快中子分量从检测到的事件中分离出来，然后进行后续处理。检测到的快中子计数时间序列受一个 7 点移动平均滤波器和施密特触发器函数的影响，输出解码在笔记本电脑上，以恢复编码的信息。

上述方法与下图 1(a) 中描绘的传统信息传输流的电磁域转换过程类似，其中用到了调制快中子场，并通过解码的时间序列变化检测到信号，进而恢复信号（如图 1(b)所示）。由于中子不带电，在电磁基础上不能直接实现调制，因此要么使用动态准直器（dynamic collimator）阻挡中子场（如图 1(c) 所示），要么借助脉冲加速器源（如图 1(d) 所示）。

下图 2(a) 描述了该研究信息传输和检测域的基本框架。编码阶段由专门设计和制造的中子斩波器（图 2b）执行，该中子斩波器包括聚乙烯块，该块被移动到与编码信号的要求相对应的位置；图 2(c) 展示了更多系统细节，包含源、调制器、闪烁探测器和光电倍增管 (PMT)、嵌入 PSD 的混合场分析器，其中调制器如图 2(d)所示。

我们来看一下该研究的实验结果。

以字母表及其 ASCII 码的传输为例，解码器在笔记本电脑端确认收到的信息，如下图 3 所示。

图 4a 显示了一个用快中子发送的 4 位数字「0101」，其中包括：字的串行形式，其编码形式作为传输前的时间序列分析；任何后处理之前的快中子计数数据；以及用于区分传输中高低状态的低阈值和高阈值。在这种方法中，字的开始和结束的协议是高状态的存在，分别构成开始和停止位。图 4b 显示了当调制器打开（橙色直方图）和关闭（蓝色直方图）时快中子计数频率的相应数据，说明了在斩波器的打开和关闭状态下实现的分离，以及根据斩波器的操作实现的二进制传输的高 (1) 和低 (0) 状态的分离。关于组成单个字母的联合串行字的传输，通过 ASCII 协议，图 4c 展示了一个这样的例子的数据，单词「yes」，如图 4a 中的图例。