JPH11161473A - 乱数発生装置と確率発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 原子核の崩壊というランダムな現象を利用し
て完全にランダムなパルスを得ると共に、このランダム
・パルスを使用して人工的に全く不正が出来ない確率発
生装置を提供する。 【解決手段】 環境放射線と同等な線量レベルの線源か
らランダムに放射される粒子を、ＰＩＮダイオード２で
検出しランダム・パルス７を生成させる。一方放射粒子
の放出時間間隔よりも高速な周期性の時間基準パルスを
クロックパルス発成器９で発成する。この基準パルスと
検出パルス７とを時間測定器８に入力して検出パルスの
発生時間間隔を時間基準パルスの個数として取り出す。
検出パルスの時間間隔の頻度分布が指数関数である事を
利用して、任意の確率値を生成させ、この確率値をゲー
ム機等の必要な確率値として使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、乱数発生装置と確
率発生装置に関し、詳しくは原子核が放射する粒子を検
出してランダム・パルスを作成するランダム・パルス発
生装置と、このパルスを用いて、任意に確率値を作成す
る装置とを組み合わせた、原理的に不正が不可能な確率
発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】乱数の発生に関しては、発熱抵抗等に発
生するいわゆるホワイトノイズを利用する装置等で多く
の提案がなされている。たとえば、U.S.P. No.4,176,39
9 等がある。また、原子核が自然崩壊して放出された粒
子の個数を検出してランダムパルスを作成する自然乱数
発生装置に関しては、本発明者による特許第2543815 等
がある。

【０００３】演算による確率の作成手法に関しては、演
算プログラムで乱数を作成したり、このプログラムをCP
U に内臓して確率を作る方法が取られている。しかし、
演算による乱数生成の基本的欠陥である周期性を見出す
ことや、プログラム自体を解読することは容易である。
このため、プログラムが変造され、パチンコ機やスロッ
トマシン等の当たりが不正に作成されている。

【０００４】検定機関等において独自のセキュリティコ
ードを付加したCPU を開発して、不正の防止に努めてい
るが、ソフトによるコードである限り、開発しても必ず
や解読されるという関係にあり、有効な手段となってい
ない。このためCPU を監視する装置まで考案し導入を試
みようとしている。これらの不正の防止には、使用する
CPU の中に偽造及び変造が出来ない構造を構築しなけれ
ば、根本的に防止する事は不可能であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ホワイトノイズを利用
した乱数の発生では、動力源から電源ラインを通して混
入する周期的なノイズを分離できないため、原理的に真
の乱数とはならない。原子核の崩壊というランダムな現
象を利用して完全にランダムなパルスを得ると共に、こ
のランダム・パルスを使用して人工的に全く不正が出来
ない確率発生器を製作する。また、不正を試みても、設
定確率より小さい確率にしかならない手法を確立すると
共に、この確率発生器から得られる信号を基に、ゲーム
機等に対する不正を検出する。本願では、原子核の崩壊
という全くのランダムな現象を利用して真の乱数を得る
と共に、この乱数を使用することにより全く不正が出来
ない確率発生器を製作する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１発明では、環境放射
線と同等な線量レベルの自然崩壊する線源からランダム
に放射される粒子をダイオードにより検出して、各放射
粒子対応の検出パルスを発生する。一方放射粒子の放射
時間間隔よりも高速な周期性の時間基準パルスをクロッ
クパルス発成器で発成する。この基準パルスと検出パル
スとを時間測定器に入力して検出パルスの発生時間間隔
を基準パルスの個数として取り出して乱数とする。単位
時間に放射される粒子数はガウス分布で近似できるの
で、粒子数を計測し、それがガウス分布の偏差値から逸
脱するどうかでも、不正の監視を行う。

【０００７】第２発明では、自然崩壊により放射される
放射粒子の放出間隔が指数分布に従うことを利用する。
放出時間間隔の測定データを図３に示す。前記装置にお
い、下記式に基づき所望の確率Ｐ(n) を得るような時間
区間Ｘ1 とＸ2 とを実現できるような周波数の基準パル
スを生成するように前記クロックパルス発成器を構成す
る。設定確率に基づき時間Ｘ1 とＸ2 とを比較器に入力
し、この時間内に放射粒子のパルスが入射した時当たり
信号を発生させる。 ここでToは、１個の放射粒子が計測される平均時間

【０００８】

【発明の実施の形態】自然崩壊する原子核から１秒間に
放射される粒子の数の平均値をＮとする。1個の粒子が
放射される時間の平均値は次式で表される。

【０００９】ある粒子が放射されて、次に粒子が放射さ
れるまでの時間間隔をｔとする。ある時間間隔ｔでもっ
て放射される粒子の頻度分布は、平均時間Ｔｏとｔとの
比（ｔ／Ｔ０）の指数分布で、次のように表わることが
できる。

【００１０】ある粒子が時間間隔ｔで放射される確率
は、時間ｔの粒子数と全体の粒子数との比で表される。
全体の確率値、即ち（２）式を０〜∞まで積分した値
を１に規格化する。

【００１１】従って、時間間隔ｔで放射される粒子の確
率は、次式の指数分布となる。

【００１２】簡単にするため、ｔをｔ＝XT0 で書き換え
ると、 時間X1T0とX2T0の間の確率Ｐ(X) は、次式のよ
うに書き表せる。

【００１３】（４）式のＸ１及びＸ２を選ぶことによ
り、任意な値の確率Ｐ(x) を設定すること出来る。 Ｘ１ Ｘ２ Ｐ（ｎ） ０ 2To 0.865(1/1,156) 2To 3To 0.086(1/11.63) 5To 6To 4.26x10-3(1/234.7) 8To 10To 2.90x10-4(1/3448)

【００１４】上記の原子核の崩壊に関する議論は、公知
の原理であり、日本原子力研究所原子炉研修所テキスト
（JAERI 6018）等にも一部述べられている。しかし、崩
壊時間の確率関数を応用して確率を作成し、この確率値
をゲーム機等に応用し、原理的に不正ができない確率発
生器および不正防止及び不正監視装置にまでに完成させ
たものはない。

【００１５】本方式では、一個の粒子の時間間隔の計測
値より1 個の確率値を作成させることが出来る。ゲーム
機等の場合、確率値発生に必要な時間、即ち待ち時間は
0.5秒程度で良いので、計測数は1 秒間に２乃至３個で
十分である。 従来の放射線を利用した確率生成器で
は、精度良い確率を生成させるために、１秒間に数千個
以上の粒子計測（線量としてμCi）が必要であったが、
本方式では、100 ｐCi程度で良い。この線量は、もはや
自然環境放射線と同じあるいはそれ以下の線量レベルで
あり、いわゆる放射線とは呼ばれていない。個々の装置
が完全に安全であるだけでなく、廃棄物処理の段階で10
0 万個集めたとしても、全線量は0.1 μCiで、放射線と
して法的規制をうける100 μCiの1000分の１に過ぎな
い。

【００１６】これは、環境放射線量やコンクリートから
のそれと同等またはそれ以下である。個々の装置が完全
に安全である。α線源としては、5 年以上長期に安定し
て確率を発生させる場合には、241 Ａｍの様な長半減期
の各種を使用する。一方、２，３年から数年間で使用を
停止するのであれば、半減期の短い244 Ｃｍの様な核種
を使用する。

【００１７】上記原理に基づく実施例の構成を以下に示
す。乱数発生装置と確率作成装置の基本回路を図１に示
す。１はα線源であり、２はＰＩＮダイオードのα線検
出器であり、３は前置増幅器、４は主増幅器、５は波高
弁別器、６は波形成型器である。波形成型器６から検出
パルス７が出力される。８は時間測定器、９はクロック
パルス発生器、１１は比較器、比較器１１には当たり設
定値１２が送られ、一致すると当たり信号１３が出力さ
れる。

【００１８】ＰＩＮダイオード検出器２は、α線を吸収
し微小電流を発生させる。ＰＩＮダイオードの構成は、
図２に示すようにＰ層２０、Ｉ層（イントリシック層）
２１、Ｎ層２２から構成され、これら３層は円筒状の金
属キャップ３０内に格納され、円盤状の絶縁体のベース
１７により閉止されている。α線を完全に吸収するため
には、Ｉ層の厚さが３０ミクロン以上あればよいので、
市販のPIN フォトダイオードで転用可能である。α線源
１はＰＩＮダイオード２の金属キャップ３０内壁に取り
付けられており、α線源１とＰＩＮダイオード２とは一
体構造となっている。前置増幅器３は、ＰＩＮダイオー
ド２で発生した電流を微少電圧パルスに変換する。この
電圧パルスは、主増幅器４でさらに増幅され検出が容易
な電圧パルスとなる。

【００１９】Ｐ層２０、Ｉ層２１、Ｎ層２２に半導体理
論に従って接続された正負のリード線１５、１６がベー
ス１７から外方に突出している。金属キャップ３０と上
層のＰ層２０との間には若干の距離があり、金属キャッ
プ３０の内側に薄膜状のα線源１が貼りつけ、線源付き
PIN フォトダイオードとなっている。また、α線源１は
金属キャップ３０内に取り付けられ、α線は空気中を５
ｃｍ移動するだけで空気に吸収されるので、キャップ３
０外部へは一切漏洩しない。よって、安全性に関しては
いかなる問題を生じない構成となっている。

【００２０】前置増幅器３は高速反応性であり、ＰＩＮ
ダイオード２で発生した電流パルスを微少電圧パルスに
変換する。この電圧パルスは、高速反応性の主増幅器４
でさらに増幅され計数が容易な電圧パルスとなる。以下
同様に電圧パルス５、波形成型器６、時間測定器８、ク
ロックパルス発生器９も比較器１１は最新ＩＣ製造技術
で製作された高速反応性の回路でパルス分離性がよいも
のにする。

【００２１】主増幅器４からの電圧パルスは波高弁別器
５に入力され、ここでα線による有効なパルスとノイズ
等の雑音による無効なパルス等を弁別する。波高弁別器
５は所定のα線による電圧パルスより高い電圧ルスを除
く高波形弁別、低い電圧を除く低波高弁別とから構成さ
れている。波高弁別器５で選択されたα線のパルス出力
は波形整形器６に入り、所定の整形パルス７に変換され
る。

【００２２】波形整形後のパルス７は、時間測定器８に
入力され、クロックパルス発生器９からの時計パルスを
使用してα線によるパルス７とパルス７間の時間間隔を
計測し比較器11に出力する。 比較器11では、計測され
た時間間隔が、当たりと設定された時間間隔と等しいか
否か検定し、等しい場合は当たりとして当たり信号１３
を出力する。

【００２３】当たりの設定は、（４）式を使用する。
（４）式において、ToとＸ１及びＸ２を設定することに
より、任意の確率を複数個設定できる。ここでは、パチ
ンコ機に使用する確率を例に取り、具体的に説明する。
パチンコ機の場合、当たりかどうかを待つ時間、即ち確
率値を生成させる平均時間は0.5 秒程度でよい。 従っ
て、α線源として 計測数が毎秒2.5 個（2.5ｃｐｓ）
の線源を使用する。 （１）式によりToは、To=1/N=1/
2. ５cps=4 ００msecである。時間間隔は、周波数400 H
z、 即ちΔｔ＝2.5 msecの時間単位で計測する。 時間
の計測値は８ビット（２５６チャンネル）カウンターで
もって表す。これにより、To=4００msecは１６０チャン
ネルに対応する。

【００２４】この設定でもって、パチンコ機に必要な確
率の範囲を試算した結果を、図8 に示す。本表は一対を
組み合わせた場合の確率であるが、いくつかのバイトを
組み合わせて任意の確率値を作成できることは、言うま
でもない。当たりの設定値とは、上記８ビットカウンタ
−にて確率として設定されたチャンネル(X1)とチャンネ
ル(X2)の間の時間間隔であり、この時間内にα線のパル
スが計測されれば当たりとなる。

【００２５】本装置を量産する場合は、線源の線量にば
らつきが発生する。線源の製作精度が所定の値に対し＋
−１０％変動したとき、時間間隔の確率分布は図４のよ
うに、T0を交点付近とした変動となる。 確率値を設定
する場合、この交点を中心とした領域で確率値を求める
ことにより、設定確率に対する線源の製作精度のばらつ
きによる影響を小さくすることができる。

【００２６】また、Toとその分割数が固定されているた
め、当初設定した線源線量や計測周波数を増減させて確
率値を変更しようとしても、図５に示すように、当初設
定した確率値よりも小さくなる。よって、線源や周波数
の交換による不正は意味がなくなる。

【００２７】異常の監視を装置自身でできる自己監視回
路を図６に示す。単位時間に計測されるパルス数はガウ
ス分布で近似される。従って、常時パルス数を計測し、
数値設定器３１からのガウス分布の偏差値から著しくは
ずれた場合は、特性比較器３２は異常であるとして警告
を発生させることができる。即ち、本装置内での不正は
不可能である。

【００２８】本装置の外で不正が行われた場合の対処と
して、本装置の当たり信号１３を赤外センサー２３によ
り外部に送り、ホールコンピューター等の監視装置に赤
外線受信センサー２４を取り付け、本装置からの当たり
信号１３とゲーム機の当たり動作信号２５とを比較す
る。これらが不一致であれば警報を発するようにし、こ
れにより、本装置以外での不正の監視が可能となる。不
正監視装置概略を図７に示す。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の乱数発生装置と確率作成装置のブロッ
ク回路図である。

【図２】本発明のＰＩＮダイオードの構造を示す図であ
る。

【図３】時間間隔の指数分布を示す図である。

【図４】線源製作精度による時間間隔の指数分布を示す
図である。

【図５】本発明のα線源及び周波数による確率値のグラ
フ図である。

【図６】自己監視回路を示す図である。

【図７】不正監視装置を示す図である。

【図８】確率の試算表の図である。

【符号の説明】

１ α線源 ２ ＰＩＮダイオード ３ 前置増幅器 ４ 主増幅器 ５ 波高弁別器 ６ 波形成型器 ７ 検出パルス ８ 時間測定器 ９ クロックパルス発生器 １１ 比較器 １２ 当たり設定値 １３ 当たり信号 １５、１６ リード線 １７ ベース ２０ Ｐ層 ２１ Ｉ層（イントリシック層 ） ２２ Ｎ層 ２３ 赤外センサー ２４ 赤外線受信センサー ２５ 当たり動作信号 ３０ 金属キャップ ３１ 数値設定器 ３２ 特性比較器

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の崩壊常数λに従い、時間ｔの経過
   とともに、放射粒子線を放射して崩壊する微弱な放射性
   物質を使用し、前記放射粒子をダイオードにより検出し
   て各放射粒子対応の検出パルスを発生させ、一方前記放
   射粒子の発生時間間隔よりも高速な周期性の時間基準パ
   ルスをクロックパルス発成器で発成し、この基準パルス
   と検出パルスとを時間測定器に入力して検出パルスの発
   生時間間隔を基準パルスの個数として取り出して乱数と
   することを特徴とする乱数発生装置。
2. 【請求項２】 前記装置において、下記式に基づき所望
   の確率Ｐ(n) を得るような時間区間Ｘ1 とＸ2 とを実現
   できるような周波数の基準パルスを生成するように前記
   クロックパルス発成器を構成し、設定確率に基づき時間
   Ｘ1 とＸ2 とを比較器に入力し、この時間内に放射粒子
   のパルスが入射した時、当たり信号を発生することを特
   徴とする確率発生装置。 ここで、Toは、１個の放射粒子が計測される平均時間。
3. 【請求項３】 前記放射性物質とダイオードとを金属缶
   に封入するとともに、ダイオードの中間素子のイントリ
   シック（Ｉ）層を、α線（ヘリウム粒子）がエネルギー
   を失う約３０μｍ以上の厚さにし、放射性物質とダイオ
   ードの各素子P 層、I 層、N 層とが順次並ぶ構造にし
   て、１個のナチュラルパルサーにしたことを特徴とする
   請求項１記載の乱数発生装置。
4. 【請求項４】 放射性原子核はα線、ベータ線、ガンマ
   線などの粒子をランダムに放射して崩壊し、これらの粒
   子が放射されて次の粒子が放射されるまでの時間間隔の
   頻度分布は指数関数であり、ある粒子が時間間隔ｔでも
   って放射される確率はこの指数分布を用いて作成でき、
   この指数分布を用いて任意の確率を発生させる事を特徴
   とする請求項２記載の確率発生装置。
5. 【請求項５】 1 個の粒子の時間間隔により1 個の確率
   値が作成できるので、1 秒間の計測粒子数は数個、即ち
   放射線量としてはnCi から数10pCi でよいことを特徴と
   する請求項４記載の確率発生装置。
6. 【請求項６】 必要な確率値は、指数分布の積分範囲を
   選択することにより任意に作成でき、この積分範囲の選
   択は、ハードでも、ソフトでも作成できることを特徴と
   する請求項４記載の確率発生装置。
7. 【請求項７】 確率値を作成する場合、指数分布の中央
   部領域に積分範囲を設定することにより、設定した確率
   値に対する線量（単位時間に放射される粒子数）の変動
   の影響を小さくすることが出来ることを特徴とする請求
   項４記載の確率発生装置。
8. 【請求項８】 特定の確率値を作るにあたり、指数分布
   上の適当な積分領域を選択する事により、線量や時間計
   測周波数を変動させても、設定値を除く範囲では確率値
   が設定確率より小さくなるようすることが出来ることを
   特徴とする請求項４記載の確率発生装置。
9. 【請求項９】 異なる半減期の線源を選択することによ
   り、使用可能な期間を設定することが出来ることを特徴
   とする請求項４記載の確率発生器。
10. 【請求項１０】 前記検出パルスをカウンタで所定時間
    計数し、時間に関する平均値をグラフデータとし、予め
    記憶したポアソン分布あるいはガウス分布とこのグラフ
    データとを比較しこれらの対応の程度に応じて、不正な
    どの異常を検知することを特徴とする請求項４記載の確
    率発生装置。
11. 【請求項１１】 本装置に設定した特定の確率値と、当
    たり信号等に基づき動作するなんらかの信号との同時性
    を比較する事により、本装置を除く部分で作成された不
    正動作を検定する事を可能とするする請求項４記載の確
    率発生装置。