EA003160B1 - ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ НА ОСНОВЕ САМОПРОИЗВОЛЬНОГО α-РАСПАДА - Google Patents

Abstract

Настоящее изобретение представляет устройство и способ для генерирования случайных чисел. Устройство для генерирования случайных чисел, включает источник частиц α-распада; детектор указанных частиц α-распада, расположенный относительно указанного источника так, чтобы детектировать указанные частицы α-распада и генерировать электрический импульс в ответ на детектирование указанных частиц α-распада; селективный дискриминатор, соединенный с указанным детектором для идентификации сигналов детектирования, соответствующих фактическому детектированию указанных частиц α-распада из указанного источника; и генератор двоичных кодов, соединенный с указанным дискриминатором для генерирования двоичных сигналов в ответ на позитивную идентификацию указанным дискриминатором указанных сигналов детектирования, соответствующих фактическому детектированию указанных частиц α-распада из указанного источника. Заявляемый способ генерирования случайных чисел включает случайное продуцирование только частиц α-распада во времени из данного источника указанных α-частиц; селективное детектирование указанных частиц α-распада из данного источника, в то же время избегая детектирования любых других событий, кроме указанных частиц α-распада; генерирование сигнала детектирования, соответствующего позитивному детектированию только указанных частиц α-распада; и генерирование двоичного сигнала в ответ на позитивное детектирование только указанных частиц α-распада из указанного данного источника.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электронных средств измерения, в которых продуцируется случайный сигнал, а конкретно к генератору случайных чисел. Изобретение относится к устройству и способам для генерирования случайных чисел или случайных сигналов.

Описание известного уровня техники

Длинные последовательности случайных чисел являются существенными в математической статистике, при защите данных, создании скрытности связи, математическом моделировании естественного явления и технологических процессов и пр. Генератор случайных чисел (далее ΡΝΟ) представляет сердце любой технологии по информационной безопасности там, где ее используют для создания кодирующего ключа. Для некоторых применений «качество случайных чисел» является абсолютно решающим. Например, если случайные числа, используемые для защиты данных, являются «недостаточно случайными», это может сделать систему кодирования уязвимой и вызвать серьезные проблемы, связанные с информационной безопасностью, независимо от того, насколько прогрессивной и усовершенствованной является методика кодирования.

Случайные числа продуцируются генераторами случайных чисел (ΚΝΟ), которые, большей частью, являются компьютерными программами на основе сложных математических алгоритмов. Наиболее общепринятые системы программного обеспечения для персональных компьютеров включают один или несколько алгоритмических ΡΝΟ. Обычно считается, что любая алгоритмически генерированная цифровая последовательность должна развивать кажущиеся или скрытые корреляции и, следовательно, не может быть по-настоящему случайной. Известны несколько стандартных распределений, таких как распределение Пуассона, распределение Бернулли и пр., каждое из которых может быть превращено друг в друга. Эти стандартные распределения относятся к действительно случайным процессам, означая отсутствие статистической корреляции между различными событиями или числами независимо от того, как близко или далеко друг от друга они находятся. Такие распределения соответствуют максимальной энтропии выходных данных. Таким образом, качество генератора случайных чисел определяется близостью его выходных данных к одному из стандартных действительно случайных распределений.

Поскольку неизбежная неидеальность алгоритмически генерированных случайных последовательностей не является решающей для применения, нет необходимости искать чтолибо еще. Но, конечно, существует множество важных применений, для которых скрытая корреляция в большом интервале в выходных дан ных ΚΝΟ является неприемлемой. Например, если ΚΝΟ является каким угодно генератором, но несовершенным, система кодирования может быть разрушена, и это случается время от времени. Иными словами, уязвимость кодированной информации непосредственно связана с дефектностью используемого ΚΝΟ. Одним из способов обеспечения защиты данных, независимо от того, насколько изобретательны и хорошо оснащены оборудованием взламыватели кодов, - это использование совершенного ΚΝΟ для генерации кодирующего ключа. В случае применений ΚΝΟ в математической статистике или компьютерном моделировании присутствие скрытой корреляции в выходных данных ΒΝΟ может и иногда делает результаты статистических расчетов ненадежными и даже бесполезными.

Единственной жизнеспособной альтернативой по отношению к, по существу, дефектным алгоритмическим ΒΝΟ является природный или физический генератор случайных чисел. Физический ΒΝΟ основывается на возникающем в природе случайном явлении, таком как термодинамические или квантовые колебания, радиоактивный распад и пр.

Большинство существующих физических ΚΝΟ основываются на случайном явлении с низкой энергией, в частности тепловых флуктуациях (шум Джонсона), или электронных квантовых колебаниях в твердых веществах. Все такие устройства имеют две главные проблемы. Во-первых, они неизбежно создают некоторые автокорреляции и нестабильность благодаря физической природе лежащих в их основе физических процессов. Во-вторых, низкая энергетическая флуктуация может вызываться повсеместно распространенной внешней и внутренней электромагнитной интерференцией, помехой, связанной с электронной сетью устройства, акустическими шумами, и пр. Эти нежелательные сигналы никогда не являются истинно случайными и могут с успехом дополнять отклонение цифровых выходных данных физического ΚΝΟ от стандартного случайного распределения.

Радиоактивный распад является природным процессом, идеально подходящим для использования в качестве источника случайности. Энергия, связанная с единичным событием самопроизвольного ядерного распада, является величиной на 5-7 порядков более высокой по сравнению с другими физическими процессами. Следовательно, каждое событие самопроизвольного радиоактивного распада не зависит от любых внешних условий, например квантового состояния электронов атома, присутствия других атомов или электромагнитных полей, химических условий среды, температуры и пр. В этом отношении самопроизвольный радиоактивный распад является уникальным. В данной области известны несколько физических генера торов случайных чисел на основе радиоактивного распада. Однако существует возможность для дальнейшего усовершенствования.

Обычно существующие физические генераторы случайных чисел на основе естественного радиоактивного распада являются более предпочтительными по сравнению с генераторами на основе случайных явлений с низкой энергией. Но и их использование не решило несколько проблем.

Первая проблема связана с физическим источником самой случайности. Стандартное пуассоновское временное распределение событий применяется только к тем идеальным источникам, которые не проявляют ни вторичный радиоактивный распад, ни какой-либо вид индуцированного излучения, которые можно было бы позже ошибочно принять за первичный радиоактивный распад. Индуцированное излучение может включать кванты рентгеновских лучей, электроны, выбитые из атомов первичной радиацией, и пр. Если детектором регистрируется что-то, помимо основных событий, тогда цифровые выходные данные ΚΝΟ неизбежно будут проявлять некоторые автокорреляции. Причина заключается в том, что различные события, такие как первичный и вторичный радиоактивные распады или первичные события и индуцированное излучение, связываются друг с другом и, следовательно, коррелируются во времени. Дополнительное осложнение может возникнуть из-за того, что общее количество неустойчивых ядер в радиоактивном источнике постепенно со временем уменьшается и, таким образом, создается средняя частота радиационных событий.

Вторую проблему связывают с методом регистрации сигнала. Например, если энергия единичной радиоактивной частицы превращается первоначально в электрический или акустический шум и только после этого переводится в цифровую форму (как показывается у М1ке Яоыпд и Ра(г1ск Ешш, Ионизации от альфараспада для генерирования бита информации случайных событий (ΙοηίζαΙίοη £гош Λίρΐια Эесау £ог Яапбот Вй ОепегаНоп), Итуегайу о£ Νονν Вгип5\\'1ск). тогда каждый может столкнуться со всеми проблемами, связанными с физическими ΒΝΟ на основе низкоэнергетических флуктуаций.

Один из возможных путей для преодоления вышеупомянутых проблем состоит в использовании направленной случайности естественного радиоактивного распада в большей степени, чем временной случайности. См. Ебе1кшб и соав., патент США 5987483 (16 ноября 1999 г.). Направленная случайность предполагает, что направление распространения испускаемого излучения, продуцируемого индивидуальными событиями, представляет совершенно случайную характеристику процесса. Однако использование направленной случайности требует множества независимых детекторов, окружающих единичный источник излучения. Каждый детектор следует применять с независимой электрической схемой. Взаимное расположение источника и множества детекторов должно исключать возможность регистрации единичного события радиоактивного распада более чем одним детектором.

В настоящем изобретении мы предлагаем альтернативное решение, которое является менее дорогим и более простым в исполнении. Устройство в соответствии с настоящим изобретением имеет единственный детектор испускаемого излучения и использует временную случайность самопроизвольного распада. В то же время оно решает проблему продуцирования стандартной, не содержащей корреляции случайной последовательности, устойчивой к любому виду внутренней и внешней помехи (электромагнитной, акустической и пр.).

Ниже мы приводим сравнительный анализ самопроизвольного альфа-распада по сравнению с бета- и гамма-распадом, который подтвердил сделанный нами выбор.

Все разнообразие радиоактивных изотопов различается по типу испускаемых частиц.

Альфа-распад продуцирует ядра гелия. Они имеют наибольшую массу и электрический заряд. Следовательно, они поглощаются веществом в пределах очень короткого интервала. В воздушной среде альфа-частицы могут пролететь лишь несколько сантиметров. Даже тонкий лист бумаги будет полностью поглощать их. Обычная энергия альфа-частицы составляет примерно 5-6 МэВ (мега-электрон-вольт) (сравните с меньшей, чем 1,5 МэВ бета-излучения и 0,5-1,5 МэВ гамма-излучения). Чем больше энергия частицы, тем более сильный сигнал создает она в детекторе. Более важно, чтобы энергия испускаемых альфа-частиц находилась в пределах очень узкой полосы, так, чтобы можно было легко и надежно отличить сигналы, производимые конкретным типом частицы альфа-распада, от любых других источников ионизирующего излучения, включая электроны высокой энергии, рентгеновские лучи, а также альфа-частицы, продуцируемые радиоактивными изотопами, отличными от изотопов конкретного источника. Этот последний признак является наиболее важным для создания бездефектного ΚΝΟ. Действительно, как было отмечено выше, четкое разделение сигнала, продуцируемого конкретным радиоактивным событием, от всех других источников ионизирующего излучения является необходимым предварительным условием для выходных данных устройства для того, чтобы они соответствовали известному стандартному случайному распределению. Одним из наиболее подходящих и надежных источников альфа-излучения является Ат-241 (этот изотоп широко используют в пожарных дымовых извещателях бытового назначения).

Бета-распад испускает электроны. Легковесные бета-частицы могут перемещаться на более длинную дистанцию сквозь окружающую среду по сравнению с альфа-излучением. Они имеют существенно более низкую энергию и поэтому продуцируют более слабые электрические импульсы в детекторе. Главный недостаток бета-частиц заключается в том, что их энергия в определенной степени не поддается прогнозированию и распространяется в пределах широкого спектра (они обладают специфической энергией распада с нейтрино). В результате, невозможно позитивно определить сигнал, продуцируемый бета-частицей, испускаемой из первичного источника излучения, и отделить его от фоновых сигналов, создаваемых другими типами ионизирующего излучения. Благодаря участию этого фона временное распределение регистрируемых событий неизбежно будет отклоняться от стандартного пуассоновского распределения р(п). Это означает, что цифровые выходные данные устройства ΚΝΟ на основе бета-распада не будут безупречными.

Наконец, гамма-распад излучает электромагнитные гамма-кванты. Гамма-излучение, не имеющее ни массы, ни электрического заряда, является высокопроникающим. Хотя спектр гамма-квантов может быть относительно узким, их детектирование всегда вызывает дополнительное и существенное расширение спектра, которое фактически создает те же проблемы, как в случае бета-частиц. Кроме того, поглощение гамма-частицы в детекторе может происходить тремя различными способами: фотоэлектрический эффект, комптоновское рассеяние и возникновение электрон-позитронной пары. Следовательно, единичный гамма-квант может продуцировать несколько различных сигналов. Все это добавляется к сложности аналоговых выходных данных детектора и затрудняет выделение из этого сигнала стандартного случайного распределения. Наконец, гамма-излучение не является безопасным. Его использование возможно при наличии, по крайней мере, свинцового экрана толщиной 5 см вокруг сцинтиллятора.

Предлагаемый природный ΚΝΟ, использующий самопроизвольный ядерный распад типа альфа-распада, выполнен таким образом, что он свободен от вышеуказанных недостатков, присущих другим известным физическим ΚΝΟ. Ниже мы покажем, как использование самопроизвольного альфа-распада позволяет отделять сигналы, продуцируемые событиями первичного радиоактивного распада, от сигналов иного происхождения и, таким образом, получать фактически совершенные случайные цифровые выходные данные. Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением устройство является портативным, долговечным и абсолютно безопасным. Например, его можно инсталлировать фактически в любом стандартном ПК.

Краткое описание изобретения

Изобретение представляет устройство для генерирования случайных чисел, включающее источник альфа-частиц и детектор альфачастиц. Детектор устанавливают относительно источника так, чтобы регистрировать альфачастицы, испускаемые источником, и генерировать стандартный электрический импульс в ответ на детектирование каждой единичной альфа-частицы. Должны быть приняты необходимые меры для обеспечения того, чтобы энергетический спектр альфа-частиц, достигших детектора, существенно не расширялся по сравнению с первоначальным спектром излученных альфа-частиц.

Детектор включает блок детектирования и усилитель, соединенный с блоком для детектирования, и в частности включает кремниевый полупроводниковый детектор и схему для подачи тока смещения на детектор. Усилитель содержит предусилитель заряда и линейный усилитель, соединенный с предусилителем заряда.

За усилителем сигнала следует селективный дискриминатор для определения сигналов детектирования, соответствующих фактическому детектированию альфа-частиц, испускаемых источником. Ширина полосы пропускания дискриминатора должна быть достаточно широкой для учета практически всех альфа-частиц, достигающих детектора. В то же время ширина полосы пропускания дискриминатора должна быть достаточно узкой, чтобы отфильтровывать ложные импульсы, производимые другим ионизирующим излучением, кроме альфа-частиц, поступающих из источника. Логическое звено преобразует последовательность случайно распределенных во времени идентичных электрических импульсов в двоичную последовательность.

Источник альфа-излучения имеет период полураспада, равный 100 и более лет, для обеспечения устойчивого функционирования устройства в течение, по крайней мере, нескольких лет. Продукты распада должны быть устойчивыми или, по крайней мере, не должны продуцировать ядерное излучение с энергией, равной или более высокой, чем энергия первоначального альфа-распада. В иллюстрируемом варианте источником является Ат-241.

Селективный дискриминатор содержит дифференциальный дискриминатор для определения, имеет ли детектированный сигнал амплитудную характеристику детектирования альфа-частиц, поступивших из источника. Селективный дискриминатор также содержит логический селектор для определения, имеет ли детектированный сигнал характеристику формы импульса детектирования частиц альфа-распада.

Простейшая конструкция генератора двоичных кодов представляет собой тактируемую триггерную схему, которая переключается при каждом позитивно идентифицированном сигна003160 ле детектирования, соответствующем фактическому детектированию частиц альфа-распада из источника. Генератор двоичных кодов альтернативно представляет собой тактируемую схему компаратора времени, которая измеряет следующие друг за другом временные интервалы между следующими друг за другом позитивно идентифицируемыми сигналами детектирования, соответствующими фактическим детектированиям частиц альфа-распада из источника, и которая устанавливает двоичную величину для следующих друг за другом временных интервалов в зависимости от сравнительной временной протяженности следующих друг за другом временных интервалов. Устройство, с помощью которого детектирования превращают в двоичные сигналы, можно варьировать в широких пределах для того, чтобы включить любые устройства, известные в настоящее время или изобретенные позже, и следует понимать, что иллюстрированные устройства не должны рассматриваться как ограничивающие суть генератора двоичных кодов. Любое устройство, способное превращать случайно поступающую последовательность практически идентичных коротких импульсов в двоичную последовательность, может применяться одинаково успешно.

Устройство содержит, кроме того, основной блок и схему интерфейса, соединенную с основным блоком. Схему интерфейса также соединяют с генератором двоичных кодов. Основной блок представляет информационную систему, которая использует случайные числа. Генератор двоичных кодов обеспечивает основной блок сигналом, который представляют посредством случайных двоичных чисел.

Изобретение также включает способ генерирования случайных чисел, содержащий стадии продуцирования частиц альфа-распада, детектирования частиц альфа-распада, генерирования сигнала детектирования в ответ на детектирование частиц альфа-распада, идентификации сигналов детектирования, соответствующих фактическому детектированию частиц альфараспада из источника, и генерирование двоичного сигнала в ответ на позитивную идентификацию с помощью дискриминатора сигналов детектирования, соответствующих фактическому детектированию частиц альфа-распада из источника.

После краткой характеристики, приведенной выше, изобретение может быть более четко представлено при обращении к чертежам, где на аналогичные элементы сделаны ссылки аналогичными номерами.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет упрощенную блокдиаграмму генератора случайных чисел, выполненного согласно изобретению.

Фиг. 2 представляет упрощенную блокдиаграмму компаратора времени, изображенного на фиг. 1.

Предпочтительный вариант изобретения иллюстрируется теперь на вышеприведенных чертежах. Рассмотрим изобретение и его различные варианты, которые представлены в нижеприводимом подробном описании. Иллюстрированный вариант представлен только для целей иллюстрации и не должен приниматься как ограничение основной части формулы изобретения, которая может определять изобретение более широко или узко, чем следует из иллюстрированного варианта.

Подробное описание предпочтительных вариантов

Настоящее изобретение представляет устройство и способ для генерирования устойчивого потока случайных чисел. Устройство включает источник альфа-излучения, такой как Ат241, продукт распада которого не продуцирует вторичного излучения с энергией, равной или более высокой, чем энергия первичного альфаизлучения. Альфа-частицы, испускаемые изотопом и достигающие детектора, имеют узкий энергетический спектр и, следовательно, продуцируют идентичные электрические импульсы в детекторе. Предусматривается система детектирования альфа-частиц, которая содержит дифференциальный дискриминатор в комбинации с логическим селектором. Эта комбинация элементов позволяет осуществлять позитивную идентификацию отдельных событий альфараспада в источнике альфа-излучения и отфильтровывать любые другие сигналы, продуцируемые различными источниками излучения как внутри, так и вне устройства. Электронный блок превращает поток идентичных электрических импульсов в поток случайных чисел. Цифровые выходные данные физического генератора случайных чисел вообще не будут иметь корреляций, обычно присутствующих в выходных данных других физических источников случайных чисел и связанных с а) физическим источником случайности; Ь) электронной схемой; и с) внешними и внутренними электромагнитными и другими помехами.

Рассмотрите теперь конструкцию ΚΝΟ на основе альфа-распада. Блок-диаграмма ΚΝΟ на основе α-распада показана на фиг. 1 и, в целом, обозначается номером ссылки 10. Предусматривается радиоактивный источник 12 альфачастиц. В зависимости от активности источника, диапазон выходных данных источника 12 может значительно изменяться. Активность источника, равная 1 мкКи может обеспечить средний объем начальных выходных данных в количестве, по крайней мере, 10000 случайных разрядов (бит) в секунду. Основные требования к изотопу в радиоактивном источнике 12 α-частиц следующие:

а) достаточно продолжительный период полураспада, и

Ь) устойчивые продукты распада или, по крайней мере, продукты распада, которые не продуцируют альфа-излучение.

Основное требование, заключающееся в узком энергетическом спектре альфа-частиц, относится ко всем известным альфа-изотопам, включая Ат-241.

В качестве примера, Ат-241 представляет вариант, который удовлетворяет этим основным требованиям тем, что имеет период полураспада, равный 432,7 лет, и не имеет каких-либо побочных продуктов распада с альфа-излучением или дочерних радиоизотопов, продуцирующих альфа-излучение. Однако изобретение не ограничивается Ат-241. Любой другой источник изотопа, удовлетворяющий основным требованиям, перечисленным выше, может быть использован в устройстве.

Кремниевый полупроводниковый детектор 14 используют в качестве датчика альфа-частиц. Он может быть плоским ионно-имплантированным кремниевым полупроводником толщиной 300 мкм, имеющим активную площадь примерно 1 см². Кремниевый полупроводниковый детектор 14 устанавливают по отношению к источнику 12 традиционным способом для перехвата α-частиц. Радиоактивный источник 12 и детектор 14 помещают в непосредственной близости друг к другу внутри защитного кожуха 16. Защитный кожух 16 защищает детектор 14 от света, дополнительных электромагнитных помех и альфа-излучения окружающей среды. Защитный кожух 16 имеет обычную конструкцию, обеспечивающую желаемую оптическую, электромагнитную и радиационную защиты. Кожух, выполненный из светонепроницаемого листа металла или из листа алюминия, является достаточным для обеспечения необходимой защиты. Однако могут быть использованы взамен, если желательно, другие неметаллические материалы, включая электропроводящие элементы, из которых изготавливают традиционную клетку Фарадея. Также этот кожух можно комбинировать с материалом, имеющим высокую магнитную проницаемость (пермаллой и пр.). Это может обеспечить дополнительную защиту против сильноимпульсных магнитных полей.

Блок 18 для подачи тока смещения на детектор соединяют через кожух 16 с детектором 14 и обеспечивают надлежащее смещение электрического напряжения в детекторе (низкий шум, можно использовать схему энергоснабжения для слабого электрического тока 40 В). Усилитель заряда 20 и линейный усилитель 22 используют для усиления и придания формы очень слабым импульсам ионизационного тока, которые индуцируются случайными α-частицами. Усиленные импульсы имеют среднюю амплитуду примерно 1 В, время нарастания сигнала примерно 600 нс и время затухания сигнала примерно 1200 нс. Усилитель заряда 20 и линейный усилитель 22 являются традиционными, и многие другие электронные блоки и конструкции могут быть использованы взамен, чтобы обеспечить то же или, в основном, идентичное усиление импульсных сигналов детектора 14.

Выходной сигнал из линейного усилителя 22 подается на вводы дифференциального дискриминатора 26 и логического селектора 24. Дифференциальный дискриминатор 26 отделяет все сигналы, которые имеют соответствующую амплитуду пика полного поглощения альфаизлучения. Дифференциальный дискриминатор 26 является обычным дискриминатором электрического напряжения. Шум и другие фоновые сигналы, таким образом, подавляются. Логический селектор 24 анализирует форму импульсов и отбраковывает сигналы с усложненной или неправильной формой. Назначение логического селектора 24 заключается в том, чтобы блокировать те сигналы, форма которых не соответствует такому сигналу, который может быть вызван индивидуальным событием альфа-распада. Известно много различных типов схем, способных выполнять функцию логического селектора 24 и которые могут заменяться друг другом. Наиболее известный способ заключается в использовании цифровых процессоров сигналов (ЦПС) (Ό8Ρ), в которых сохранен традиционный алгоритм сопоставления с эталоном, с которым сравнивают выходные данные дискриминатора 26. Алгоритм сопоставления с эталоном может отбирать для статистически надежных сопоставлений эмпирически определенный эталон, соответствующий единичным связанным с событиями альфа-распадами в источнике 12.

Вывод дискриминатора 26 присоединяют в качестве ввода к селектору 24. Все позитивно идентифицированные сигналы на выводе селектора 24 являются вводными по отношению к триггерному звену 28 и звену компаратора времени 30. Каждый позитивно идентифицированный сигнал, который определен логическим селектором 24, инвертирует состояние триггерного звена 28, которое в иллюстрированном варианте представляет триггер типа Ό-11ίρ-ί1ορ. Выходные данные триггера 28 считываются в течение конкретного временного интервала, определенного схемой синхронизации или таймером 32. Конкретные временные интервалы устанавливают так, чтобы они были намного продолжительнее, чем средняя продолжительность позитивно идентифицированных сигналов или желаемых событий радиоактивного распада. Два возможных состояния выходных данных триггерного звена 28 соответствуют двум возможным значениям двоичных цифр («0» или «1»). Получаемая двоичная последовательность является стандартной последовательностью Бернулли. Вышеописанный метод дает относи11 тельно медленный поток случайных двоичных цифр.

Для более эффективного использования времени можно применять компаратор 30. Компаратор времени 30 сравнивает временные интервалы между следующими друг за другом событиями. В наиболее простом случае из двух интервалов мы можем назначить «0» или «1» в зависимости от того, какой из двух интервалов является более коротким. Этот подход дает одну случайную двоичную цифру на каждую пару следующих друг за другом событий. В иллюстрированном варианте компаратор времени 30 представляет схему счетчика времени. Как показано на фиг. 2, внешний сигнал ПУСК, генерируемый дискретной логической схемой (не показана) в конце последнего альфа-события, устанавливает КЗ-триггер 28 (триггер с раздельной установкой 0 и 1) в заранее определенное положение (скажем, верхнее). Это генерирует РАЗРЕШАЮЩИЙ сигнал, который посылается в счетчик 38, который позволяет СИНХРОНИЗАТОРУ сигнала постепенно давать приращение счетчику 38 до тех пор, пока следующая альфа-частица не будет отвечать приемлемому критерию логического селектора 24. КЗ-триггер 28 прекращает дальнейшее приращение времени тогда, когда РАЗРЕШЕНИЕ идет медленно, с тем, чтобы система кодирования временного интервала из счетчика 38 стала приемлемой для выходных данных и анализа. Контрольный блок или основной компьютер 34 может сравнивать следующие друг за другом временные коды и назначать «0» или «1» текущей случайной двоичной цифре в зависимости от значения временного кода последовательных отрезков времени. Например, «0» может быть назначен временным кодом, если предшествующий временной код показывал более продолжительный временной интервал, или наоборот. Счетчик 38 затем возвращается в исходное положение для следующей счетной последовательности посредством внешнего сигнала СЧЕТЧИКА С ВОЗВРАТОМ В ИСХОДНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ, создаваемого дискретной логической схемой (не показана) при ПУСКЕ.

Поток случайных двоичных цифр, продуцируемый триггером 28 и/или компаратором времени 30, можно использовать любым основным блоком 34 посредством обычного интерфейса 36. То, что является главным свойством основного блока 34 и интерфейса 36, может оказаться специфичным для каждого применения. Основной блок 34 является обычно микропроцессором, персональным компьютером, цифровой периферийной или другого типа информационной системой. Интерфейс 36 является, таким образом, схемой, необходимой для преобразования и поддержания в определенном состоянии сигнальных выходных данных из триггера 28 или компаратора времени 30 в той степени, как это требуется основным блоком 34.

Специалистами в данной области может быть предложено множество вариаций и модификаций без отклонения от сути и объема изобретения. Следовательно, должно быть понятно, что иллюстрированный вариант представлен только в качестве примера и что он не должен приниматься как ограничение изобретения, которое определено следующей формулой изобретения.

Слова, использованные в этом описании для характеристики изобретения и его различных вариантов, следует понимать не только в смысле их общих определяющих значений, но для исключения, путем конкретного определения в этой структуре описания, материала или действий за пределами объема общих определяющих значений. Таким образом, если элемент может быть понят в контексте этого описания как включающий более чем одно значение, тогда его использование в пункте формулы изобретения должно пониматься как являющееся родовым для всех возможных значений, подкрепляемых описанием и самим словом.

Определения слов или элементов следующей формулы изобретения являются поэтому определенными в этом описании, чтобы исключить не только комбинации элементов, которые дословно представлены, но всю эквивалентную структуру, материал или действие для выполнения, в основном, той же функции, в основном, тем же способом для получения, в основном, того же результата. В этом смысле поэтому предполагается, что эквивалентная замена двух или большего количества элементов может быть сделана для любого одного из элементов в формуле изобретения, представленной ниже, или в пункте формулы изобретения.

Несущественные изменения в настоящем изобретении с точки зрения специалиста в данной области, известные в настоящее время, или те, которые станут известными позже, определенно рассматриваются как являющиеся эквивалентными в объеме формулы изобретения. Следовательно, очевидные замещения, известные теперь, или те, что будут известны позже специалистам в данной области, определяются как находящиеся в пределах объема определенных элементов.

Таким образом, следует понимать, что формула изобретения включает все то, что конкретно иллюстрируется и описывается выше, все то, что является концептуально эквивалентным, все то, что может быть, очевидно, заменено и также все то, что, в основном, включает основную идею изобретения.

Claims (20)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство для генерирования случайных чисел, включающее источник частиц α-распада;

   детектор упомянутых частиц α-распада, расположенный относительно упомянутого источника с возможностью детектирования упомянутых частиц α-распада и генерирования электрического импульса в ответ на детектирование упомянутых частиц α-распада;

   селективный дискриминатор, соединенный с упомянутым детектором для идентификации сигналов детектирования, соответствующих фактическому детектированию упомянутых частиц α-распада из упомянутого источника; и генератор двоичных кодов, соединенный с упомянутым дискриминатором для генерирования двоичных сигналов в ответ на позитивную идентификацию дискриминатором упомянутых сигналов детектирования, соответствующих фактическому детектированию частиц αраспада из упомянутого источника, при этом упомянутый генератор двоичных кодов выполнен в виде тактируемой схемы компаратора времени, измеряющей следующие друг за другом временные интервалы между следующими друг за другом позитивно идентифицированными сигналами детектирования, соответствующими фактическим детектированиям частиц αраспада из упомянутого источника, и устанавливающей двоичную величину для упомянутых следующих друг за другом временных интервалов в зависимости от сравнительной временной протяженности упомянутых следующих друг за другом временных интервалов.
2. 2. Устройство по п.1, в котором упомянутый источник имеет период полураспада, равный или более продолжительный чем 100 лет, а продукты полураспада являются устойчивыми и не продуцируют α-излучение.
3. 3. Устройство по п.1, в котором упомянутый источник является Ат 241.
4. 4. Устройство по п.1, в котором упомянутый детектор селективно детектирует только продукты α-распада только из упомянутого источника.
5. 5. Устройство по п.1, в котором форма электрического импульса, продуцируемого упомянутым детектором в ответ на каждую αчастицу, испускаемую из упомянутого источника и достигающую детектора, отличается от формы, продуцируемой любой другой ионизирующей частицей или излучением, которое может достигать упомянутого детектора.
6. 6. Устройство по п.5, в котором упомянутый детектор защищают от внешнего по отношению к упомянутому источнику ядерного, электромагнитного и оптического излучения.
7. 7. Устройство по п.1, в котором упомянутый селективный дискриминатор содержит дифференциальный дискриминатор для определения, имеет ли упомянутый сигнал детектирования амплитудную характеристику детектирования упомянутых частиц α-распада.
8. 8. Устройство по п.1, в котором упомянутый селективный дискриминатор содержит логический селектор для определения, имеет ли сигнал детектирования характеристику формы упомянутого детектирования упомянутых частиц α-распада.
9. 9. Устройство по п.7, в котором упомянутый селективный дискриминатор содержит логический селектор для определения, имеет ли сигнал детектирования форму детектирования упомянутых частиц α-распада.
10. 10. Устройство по п.1, в котором упомянутый генератор двоичных кодов является тактируемой триггерной схемой, переключаемой при каждом позитивно идентифицированном сигнале детектирования, соответствующем фактическому детектированию частиц α-распада из упомянутого источника.
11. 11. Устройство по п.1, содержащее, кроме того, основной блок и схему интерфейса, соединенную с упомянутым основным блоком и с упомянутым генератором двоичных кодов.
12. 12. Устройство по п.11, в котором упомянутый основной блок представляет информационную систему, использующую случайные числа, причем упомянутый генератор двоичных кодов обеспечивает случайными двоичными числами упомянутый основной блок посредством упомянутой схемы интерфейса.
13. 13. Устройство по п.1, в котором упомянутый детектор содержит устройство для детектирования и усилитель, соединенный с упомянутым устройством для детектирования.
14. 14. Устройство по п.13, в котором упомянутое устройство для детектирования содержит кремниевый полупроводниковый детектор и схему для подачи тока смещения на детектор.
15. 15. Устройство по п.13, в котором упомянутый усилитель содержит предусилитель заряда и линейный усилитель, соединенный с упомянутым предусилителем заряда.
16. 16. Способ генерирования случайных чисел, заключающийся в том, что осуществляют случайное продуцирование только частиц α-распада во времени из данного источника указанных α-частиц;

    селективное детектирование, по крайней мере, указанных частиц α-распада из указанного данного источника, в то же время избегая детектирования любых других событий, кроме указанных частиц α-распада из указанного данного источника;

    генерирование сигнала детектирования, соответствующего позитивному детектированию только указанных частиц α-распада из указанного данного источника; и генерирование двоичного сигнала в ответ на позитивное детектирование только указанных частиц α-распада из указанного данного источника, включающее измерение следующих друг за другом временных интервалов между следующими друг за другом позитивно идентифицированными сигналами детектирования, соответствующими фактическим детектированиям частиц α-распада из упомянутого источника, установление двоичной величины для упомянутых следующих друг за другом временных интервалов в зависимости от сравнительной временной протяженности упомянутых следующих друг за другом временных интервалов.
17. 17. Способ по п.16, в котором в процессе продуцирования частиц α-распада продуцируют частицы α-распада, имеющие период полураспада, равный или более продолжительный чем 100 лет, при этом упомянутый процесс не продуцирует значительного α-излучения.
18. 18. Способ по п.16, в котором в качестве источника частиц α-распада используется Ат 241.
19. 19. Способ по п.16, в котором генерирование сигнала детектирования, соответствующего позитивному детектированию только упомяну тых частиц α-распада из упомянутого данного источника, включает эталонное сопоставление упомянутого сигнала детектирования с известными профилями сигналов детектирования фактических частиц α-распада, продуцируемых упомянутым данным источником.
20. 20. Способ по п.16, в котором упомянутый сигнал детектирования имеет уровень выходных данных и в котором генерирование сигнала детектирования, соответствующего позитивному детектированию только упомянутых частиц αраспада из известного данного источника, включает сравнение упомянутого уровня выходных данных упомянутого сигнала детектирования с уровнем выходных данных известного сигнала детектирования, соответствующего фактическим частицам α-распада, продуцируемым упомянутым данным источником.