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器之心報道

編輯：小舟x、張倩

核輻射「無線通信」的信號傳輸速度夠快，而且能穿透金屬，沒有盲區。

通常人們提到核輻射會想起它的危害，談「核」色變。但核輻射作為輻射的一種，是自然界中天然存在的物質。自然界中的天然輻射主要來自太陽、宇宙射線及地殼中的放射性核素等，人類已經適應了天然輻射的環境。

近日，來自英國蘭開斯特大學的工程師與斯洛文尼亞的 Jo?ef Stefan 研究所合作，使用核輻射代替傳統技術進行了無線傳輸，用「快中子」傳輸數字編碼信息。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900221009013

該研究測量了來自锎 - 252 的快中子的自發發射，锎 - 252 是一種在核反應堆中產生的放射性同位素。

經過調制的輻射使用探測器測量并在筆記本電腦上進行記錄。傳輸的數據包括單詞、字母表和隨機數，這些數據被串行編碼到中子場的調制中，輸出在筆記本電腦上解碼，在屏幕上恢復編碼信息。研究者進行了一項雙盲測試，對來自隨機數生成器的數字進行編碼，然后進行傳輸和解碼。所有的傳輸測試都被證明是 100% 成功的。

蘭卡斯特大學的 Malcolm Joyce 教授說：「我們證明了快中子輻射作為無線通信介質的潛力，它適用于那些傳統電磁輻射不可行或受限的應用領域。」

Joyce 表示，快中子比傳統電磁波有優勢，因為傳統電磁波通過金屬等材料后會被大大削弱。「在一些安全性要求極高的地方，例如嚴格要求完整性的反應堆安全殼、海上結構中的金屬拱頂和艙壁，將通信對金屬結構的穿透數量降到最低是非常重要的。使用中子通過此類結構進行信息傳輸可能會消除對上述穿透的需求，并且可能在緊急救援等極端環境下的有限傳輸中提供幫助?！?/span>

快中子也可以結合到混合信號電子系統中，以實現電子和中子之間的信號混合。這可能有助于確保信息傳輸完整性。

研究概覽

快中子是在核裂變反應中產生的自由中子，其動能可以達到 1 兆電子伏特，對應的速度約為 14000 千米 / 秒，相當于光速的 5%。快中子能夠傳播很遠的距離，并且能起到與電磁輻射互補的作用。

然而，盡管它們與近場和遠場通信系統選擇的電磁介質具有互補性，但它們作為一種潛在的無線通信方式的考慮至今仍受到限制，原因包括：（i）考慮到安全性和暴露風險，快中子源（> 100 keV）的使用受到高度監管；（ii）高效、同步的快中子檢測通常因相關的射線分量而變得復雜；(iii) 經過調制的快中子場的時間相干性會因構成周圍物體和結構的材料的散射而顯著降低。

然而，最近一項關于小型脈沖中子發生器（這種發生器可以與集成電路兼容，并產生慢通量的中子）的報告表明，將中子源集成到智能系統中的做法非常有前景。類似地，快中子檢測已經從主要依賴于對來自危險閃爍介質（scintillation media）的事件的模擬處理的實驗室活動，轉變為對來自相對良性的檢測替代方案的事件的實時數字數據采集。后者實現了實時同步應用，例如混合輻射場的空間評估和核材料中子發射的角分布；這些示例相對于信息傳輸的要求而言更先進，因為后者中的調度可能會根據公認的協議在此類系統的編碼 / 解碼階段標準化，而不是轉換核的隨機屬性。本文中的研究結合了這些最新成果，表明使用快中子作為傳輸介質進行信息傳輸是可能的。

在這篇論文中，研究者結合這些最近的研究成果來證明使用快中子作為信息傳輸介質的可行性。一些相關信息的例子（如單詞、字母表和隨機數）已經被串行編碼到中子場的調制結果中。研究者采用了美國信息交換標準代碼（ASCII） 7 位字符編碼，以演示使用以快中子為介質的范例標準。上面列出的例子已經被編碼在 californium-252 自發裂變中子源的混合場調制結果中，這種調制隨后被一個有機閃爍檢測器檢測到。研究者利用實時脈沖形狀甄別（PSD）將快中子分量從檢測到的事件中分離出來，然后進行后續處理。檢測到的快中子計數時間序列受一個 7 點移動平均濾波器和施密特觸發器函數的影響，輸出解碼在筆記本電腦上，以恢復編碼的信息。

上述方法與下圖 1(a) 中描繪的傳統信息傳輸流的電磁域轉換過程類似，其中用到了調制快中子場，并通過解碼的時間序列變化檢測到信號，進而恢復信號（如圖 1(b)所示）。由于中子不帶電，在電磁基礎上不能直接實現調制，因此要么使用動態準直器（dynamic collimator）阻擋中子場（如圖 1(c) 所示），要么借助脈沖加速器源（如圖 1(d) 所示）。

下圖 2(a) 描述了該研究信息傳輸和檢測域的基本框架。編碼階段由專門設計和制造的中子斬波器（圖 2b）執行，該中子斬波器包括聚乙烯塊，該塊被移動到與編碼信號的要求相對應的位置；圖 2(c) 展示了更多系統細節，包含源、調制器、閃爍探測器和光電倍增管 (PMT)、嵌入 PSD 的混合場分析器，其中調制器如圖 2(d)所示。

我們來看一下該研究的實驗結果。

以字母表及其 ASCII 碼的傳輸為例，解碼器在筆記本電腦端確認收到的信息，如下圖 3 所示。

圖 4a 顯示了一個用快中子發送的 4 位數字「0101」，其中包括：字的串行形式，其編碼形式作為傳輸前的時間序列分析；任何后處理之前的快中子計數數據；以及用于區分傳輸中高低狀態的低閾值和高閾值。在這種方法中，字的開始和結束的協議是高狀態的存在，分別構成開始和停止位。圖 4b 顯示了當調制器打開（橙色直方圖）和關閉（藍色直方圖）時快中子計數頻率的相應數據，說明了在斬波器的打開和關閉狀態下實現的分離，以及根據斬波器的操作實現的二進制傳輸的高 (1) 和低 (0) 狀態的分離。關于組成單個字母的聯合串行字的傳輸，通過 ASCII 協議，圖 4c 展示了一個這樣的例子的數據，單詞「yes」，如圖 4a 中的圖例。

參考鏈接：

https://www.xianjichina.com/news/details_283736.html

https://www.lancaster.ac.uk/news/nuclear-radiation-used-to-transmit-digital-data-wirelessly

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