專利名稱：基于自發(fā)的α衰變的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)的電子儀器、特別是一種隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明涉及產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)或隨機(jī)信號(hào)的裝置和方法。
先有技術(shù)說(shuō)明在數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)保護(hù)、通信安全、自然現(xiàn)象及技術(shù)處理的數(shù)學(xué)模擬等方面都必須采用長(zhǎng)序列隨機(jī)數(shù)。隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器(以下稱為RNG)是任何信息安全技術(shù)的核心，它用于產(chǎn)生編碼密鑰。對(duì)于有些應(yīng)用而言，“隨機(jī)數(shù)的質(zhì)量”絕對(duì)是至關(guān)重要的。例如，如果在數(shù)據(jù)保護(hù)應(yīng)用中所采用的隨機(jī)數(shù)不是“足夠的隨機(jī)”，將使得密碼可被破解，并可能導(dǎo)致嚴(yán)重的信息安全問(wèn)題，不管該編碼過(guò)程是如何先進(jìn)及復(fù)雜。
采用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器(RNG)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，其中最重要的部分就是基于復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法的計(jì)算機(jī)程序。大部分標(biāo)準(zhǔn)的PC軟件包包括一個(gè)或幾個(gè)這樣的算法RNG。人們一般認(rèn)為，任何以算法產(chǎn)生的數(shù)字序列肯定會(huì)導(dǎo)出清楚的或隱含的相關(guān)性，因此，它不可能是真正隨機(jī)的。有幾種標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)分布，例如泊松(Poisson)分布、貝莫利(Bemoulli)分布等，其中每一種分布都可以轉(zhuǎn)換為另一種分布。這些標(biāo)準(zhǔn)分布涉及真正的隨機(jī)過(guò)程，這意味著在不同的事件或數(shù)字之間不存在統(tǒng)計(jì)上的相關(guān)性，不管它們相互彼此的遠(yuǎn)近如何。這種分布對(duì)應(yīng)于最大輸出熵。因此，一個(gè)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的質(zhì)量是由其輸出與標(biāo)準(zhǔn)的真正隨機(jī)分布之一的近似性來(lái)確定的。
只要由算法產(chǎn)生的隨機(jī)序列難免存在的缺陷對(duì)于應(yīng)用并不是嚴(yán)重的，就沒(méi)有必要去尋找其它的方法。但是確實(shí)存在各種重要的應(yīng)用，對(duì)于這些應(yīng)用而言，在RNG輸出中的遠(yuǎn)距離相關(guān)性是不可接受的。例如，如果RNG根本不完善，密碼可以被破解，有時(shí)這確實(shí)發(fā)生了。換言之，加密信息的脆弱性直接與所使用的RNG的缺陷相關(guān)。不管破密機(jī)是如何的機(jī)智及配備精良，獲得數(shù)據(jù)保護(hù)的唯一方式就是使用完善的RNG以產(chǎn)生編碼密鑰。在RNG的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)或計(jì)算機(jī)模擬應(yīng)用中，在RNG輸出中隱含的相關(guān)性的存在，可能且有時(shí)確實(shí)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)計(jì)算不可靠，或者甚至是毫無(wú)價(jià)值。
對(duì)于固有缺陷算法RNG的唯一可行的選擇是自然的、或物理的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。物理的RNG是基于自然發(fā)生的隨機(jī)現(xiàn)象，例如熱力學(xué)的或量子波動(dòng)、放射性衰變等。
大多數(shù)現(xiàn)有的物理RNG是基于低能量隨機(jī)現(xiàn)象，特別是熱力波動(dòng)(約翰遜噪音)、或固體中電子的量子波動(dòng)。所有這些裝置有兩個(gè)主要問(wèn)題。首先，由于潛在的物理過(guò)程的物理特性，它們不可避免地顯示一些自相關(guān)性和不穩(wěn)定性。其次，普遍存在的外部及內(nèi)部的電磁干擾、與設(shè)備電子線路相關(guān)的噪音、聽(tīng)覺(jué)上的噪聲等都可能影響低能量波動(dòng)。這些不需要的信號(hào)從來(lái)都不是真正隨機(jī)的，并可能促使物理RNG的數(shù)字輸出背離標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)分布。
放射性衰變是一種適于作為理想的隨機(jī)源的自然過(guò)程。與單個(gè)自發(fā)核衰變相關(guān)的能量與其它物理過(guò)程相比要高出5至7個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，自發(fā)性輻射衰變的每一個(gè)事件并不依賴于任何外部條件，例如原子電子的量子狀態(tài)、其它原子或電磁場(chǎng)的存在、周圍的化學(xué)性質(zhì)、溫度等等。在這方面，自發(fā)的放射性衰變是獨(dú)特的。在本領(lǐng)域已知有幾種基于放射性衰變的物理隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。然而，并沒(méi)有改進(jìn)的余地。
通常，現(xiàn)有的基于自然放射性衰變的物理隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器要優(yōu)于那些基于低能量隨機(jī)現(xiàn)象的物理隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。盡管如此，仍存在一些問(wèn)題。
第一個(gè)問(wèn)題涉及物理隨機(jī)源本身。事件的標(biāo)準(zhǔn)泊松時(shí)間分布只適用于那些理想的隨機(jī)源，它們既沒(méi)有顯示出次級(jí)放射性衰變，也沒(méi)有顯示出可能以后被誤認(rèn)為初級(jí)放射性衰變的任何類型的誘發(fā)輻射。該誘發(fā)輻射可包括X射線量子、通過(guò)初級(jí)輻射從原子中激發(fā)出的電子等等。如果該初級(jí)事件根本未被檢測(cè)器記錄，那么RNG的數(shù)字輸出必然顯示某些自相關(guān)性。其原因在于，不同的事件，例如初級(jí)和次級(jí)放射性衰變，或初級(jí)事件及誘發(fā)輻射，它們都彼此相關(guān)并因此隨著時(shí)間的推移而相互關(guān)聯(lián)。由于在輻射源中不穩(wěn)定核子的總數(shù)隨著時(shí)間的推移而逐漸下降，平均輻射變化頻率也是如此，由這一事實(shí)可能產(chǎn)生另一個(gè)復(fù)雜因素。
第二個(gè)問(wèn)題與信號(hào)記錄方法有關(guān)。例如，如果單個(gè)放射性粒子的能量首先被轉(zhuǎn)換成電子的或聽(tīng)覺(jué)上的噪音，并且只是在此之后被數(shù)字化(如Mike Rosing和Partrick Emin所說(shuō)明，由阿爾法衰變的電離用于產(chǎn)生隨機(jī)比特，New Brunswick大學(xué))，然后人們將面臨的所有問(wèn)題與基于低能量波動(dòng)的物理RNG有關(guān)。
為解決上述問(wèn)題，一種可能的方式是利用自然放射性衰變的方向隨機(jī)性，而不是在時(shí)間上的隨機(jī)性。參見(jiàn)Edelkind等人的美國(guó)專利5987483號(hào)(1999年11月16日)。方向隨機(jī)性的含義在于，由單個(gè)事件產(chǎn)生的發(fā)出輻射的傳播方向是該過(guò)程的一個(gè)完美的隨機(jī)函數(shù)。然而，利用方向隨機(jī)性需要多個(gè)獨(dú)立的檢測(cè)器環(huán)繞一個(gè)輻射源。每一個(gè)檢測(cè)器應(yīng)配置有獨(dú)立的電路。該輻射源和多個(gè)檢測(cè)器的相互之間的布置排除這樣一種可能性，即由一個(gè)以上的檢測(cè)器檢測(cè)放射性衰變的單個(gè)事件。
在本發(fā)明中，我們提出可供選擇的解決方案被認(rèn)為是成本更低及更易于實(shí)現(xiàn)的。所提出的裝置需要一個(gè)對(duì)發(fā)出輻射的檢測(cè)器并利用自發(fā)衰變?cè)跁r(shí)間上的隨機(jī)性。同時(shí)，所提出的裝置解決了這樣一個(gè)問(wèn)題，即產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、無(wú)相關(guān)性的隨機(jī)序列，可抵抗任何類型的內(nèi)部及外部干擾(電磁的、聽(tīng)覺(jué)上的等等)。
最后，考慮自發(fā)阿爾法(Alpha)衰變與貝塔(Beta)衰變及伽馬(Gamma)衰變的比較分析。放射性同位素的整體變化的差別在于發(fā)射粒子的類型。
◆阿爾法衰變產(chǎn)生氦核子，它們具有最大的質(zhì)量和電荷。因此，它們?cè)谝粋€(gè)很短的范圍內(nèi)被物質(zhì)吸收。在空氣中，阿爾法粒子只不過(guò)能行進(jìn)數(shù)厘米。即使一張薄紙也能完全將它們吸收。一個(gè)阿爾法粒子通常的能量大約是5-6MeV(相比之下，貝塔輻射能量小于1.5MeV和伽馬輻射能量為0.5-1.5MeV)。粒子能量越高，檢測(cè)器中產(chǎn)生的信號(hào)越強(qiáng)。更重要的是，發(fā)射的阿爾法粒子的能量處于一個(gè)很窄的能帶內(nèi)。所以，人們能夠容易地和可靠地從任何其它的電離輻射源中分離出由一種特定類型的阿爾法衰變產(chǎn)生的信號(hào)，這些電離輻射源包括高能電子、X射線、以及由放射性同位素產(chǎn)生的阿爾法粒子，它們與該指定阿爾法衰變的粒子不同。最后這一特征對(duì)于產(chǎn)生無(wú)缺陷RNG絕對(duì)是至關(guān)重要的。的確，如上所述，從所有其它電離輻射源中清楚地分離出由特定放射性事件產(chǎn)生的信號(hào)，這是使該裝置輸出一個(gè)已知標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)分布的必要之預(yù)處理。最方便及可靠的阿爾法輻射源之一是镅241(Am-241)(這個(gè)同位素被廣泛應(yīng)用于煙霧探測(cè)器)。
◆貝塔衰變發(fā)射電子。與阿爾法輻射相比，重量很小的貝塔粒子可以在介質(zhì)中行進(jìn)更長(zhǎng)的距離。它們具有相當(dāng)?shù)偷哪芰浚虼嗽跈z測(cè)器中產(chǎn)生的電脈沖更微弱。貝塔粒子的主要缺點(diǎn)在于它們的能量有點(diǎn)不可預(yù)知并分布在寬廣的能譜上(它們與中微子共享該衰變特有的能量)。結(jié)果，不可能肯定地識(shí)別出從初級(jí)輻射源發(fā)射出的貝塔粒子所產(chǎn)生的信號(hào)以及將該信號(hào)從其它類型的電離輻射產(chǎn)生的背景信號(hào)中分離出來(lái)。由于這種背景的作用，被記錄事件在時(shí)間上的分布必然會(huì)背離標(biāo)準(zhǔn)的泊松分布p(n)。這就意味著，基于貝塔衰變的RNG裝置的數(shù)字輸出將不是無(wú)缺陷的。
◆最后，伽馬衰變輻射出電磁伽馬量子。伽馬輻射既無(wú)質(zhì)量又無(wú)電荷，具有很強(qiáng)的穿透性。盡管伽馬量子的能譜可能較窄，對(duì)它們的檢測(cè)經(jīng)常要采用附加的、擴(kuò)展得相當(dāng)寬的能譜，最終都會(huì)產(chǎn)生與采用貝塔粒子相同的問(wèn)題。此外，伽馬粒子在檢測(cè)器中的吸收可能以三種方式發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓(Compton)散射及電子—正電子對(duì)產(chǎn)生。因此，單個(gè)伽馬量子可以產(chǎn)生幾個(gè)不同的信號(hào)。所有這些都會(huì)加大檢測(cè)器模擬輸出的復(fù)雜性，并難以將其從標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)分布中提取出來(lái)。最后，伽馬輻射并不安全。其應(yīng)用將需要至少5厘米厚的石墨防護(hù)罩環(huán)繞閃爍體。
利用阿爾法型的自發(fā)核衰變所提出的自然RNG被設(shè)計(jì)為沒(méi)有其它所有已知的物理RNG不可避免的缺陷。下面，我們將說(shuō)明利用自發(fā)阿爾法衰變是如何能夠從不同來(lái)源的信號(hào)中分離出由初級(jí)放射性衰變事件所產(chǎn)生的信號(hào)，并因此獲得實(shí)際上完美的隨機(jī)數(shù)字輸出。此外，所提出的裝置是可攜帶的、耐用的以及絕對(duì)安全的，特別是它實(shí)際上可以安裝在任何標(biāo)準(zhǔn)的PC(個(gè)人電腦)中。
本發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明是一種用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的裝置，它包括一個(gè)阿爾法粒子源及一個(gè)阿爾法粒子檢測(cè)器。該檢測(cè)器被設(shè)置在一個(gè)相對(duì)于該粒子源的位置，以檢測(cè)由該粒子源發(fā)出的阿爾法粒子，每檢測(cè)到一個(gè)阿爾法粒子，它就產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電脈沖作為響應(yīng)。應(yīng)該采用必要的防范措施以確保到達(dá)該檢測(cè)器的阿爾法粒子的能譜與所發(fā)射的阿爾法粒子的初始能譜相比，并未被展寬很多。
該檢測(cè)器包括一個(gè)檢測(cè)裝置及一個(gè)與該檢測(cè)裝置相連的放大器，特別是包括一個(gè)硅半導(dǎo)體檢測(cè)器和一個(gè)檢測(cè)器偏置電源電路。該放大器包括一個(gè)電荷前置放大器和一個(gè)與該電荷前置放大器相連的線性放大器。
信號(hào)放大器之后連接一個(gè)選擇性鑒別器，用于識(shí)別檢測(cè)信號(hào)，該信號(hào)與對(duì)由該粒子源發(fā)出的阿爾法粒子的當(dāng)前檢測(cè)相對(duì)應(yīng)。該鑒別器的傳輸帶寬必須足夠?qū)?，以?dǎo)致實(shí)際上所有的阿爾法粒子都到達(dá)該檢測(cè)器。同時(shí)，該鑒別器的傳輸帶寬必須足夠窄，以濾除來(lái)源于電離輻射的不適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，除了從該源發(fā)出的阿爾法粒子在外。一個(gè)邏輯單元將一系列在時(shí)間上隨機(jī)分布的相同電脈沖轉(zhuǎn)換為一個(gè)二進(jìn)制序列。
該阿爾法輻射源具有100年或更長(zhǎng)的半衰期，以確保該裝置至少在幾年內(nèi)的性能穩(wěn)定。其衰變產(chǎn)物必須是穩(wěn)定的，或者至少?zèng)Q不能產(chǎn)生其能量等于或高于初級(jí)阿爾法衰變之能量的核輻射。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，該輻射源是Am241(镅241)。
該選擇性鑒別器包括一個(gè)差動(dòng)式鑒別器，以確定所檢測(cè)的信號(hào)是否具有來(lái)源于該源之阿爾法粒子之檢測(cè)的振幅特性。該選擇性鑒別器還包括一個(gè)邏輯選擇器，以確定該檢測(cè)信號(hào)是否具有該阿爾法衰變粒子之檢測(cè)的脈沖波形特性。
二進(jìn)制產(chǎn)生器的最簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)是一種定時(shí)觸發(fā)電路，它隨著每一個(gè)肯定性識(shí)別檢測(cè)信號(hào)而觸發(fā)，該信號(hào)對(duì)應(yīng)于來(lái)自該源的阿爾法衰變粒子之實(shí)際檢測(cè)。該二進(jìn)制產(chǎn)生器也可選擇一種定時(shí)時(shí)間比較器電路，它測(cè)量連續(xù)肯定性識(shí)別檢測(cè)信號(hào)之間的連續(xù)時(shí)間間隔，這些檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)于來(lái)自該源的阿爾法衰變粒子之實(shí)際檢測(cè)，并根據(jù)連續(xù)時(shí)間間隔的比較時(shí)間長(zhǎng)度，賦予一個(gè)二進(jìn)制值給該連續(xù)時(shí)間間隔。將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制信號(hào)的裝置可以廣泛地進(jìn)行變化，以包括目前已知的或以后所設(shè)計(jì)的任何裝置，可以清楚理解的是，所說(shuō)明的裝置不應(yīng)被理解為限于這一類型的二進(jìn)制產(chǎn)生器。任何能將一系列隨機(jī)到達(dá)的幾乎相同的短脈沖轉(zhuǎn)換為一個(gè)二進(jìn)制序列的設(shè)備都可以同樣簡(jiǎn)單地被采用。
該裝置還包括一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)連接在該主設(shè)備上的接口電路。該接口電路還連接至該二進(jìn)制產(chǎn)生器。該主設(shè)備是一種應(yīng)用隨機(jī)數(shù)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。該二進(jìn)制產(chǎn)生器向該主設(shè)備提供由隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)表示的信號(hào)。
本發(fā)明還被定義為一種用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法，包括以下步驟產(chǎn)生阿爾法衰變粒子，檢測(cè)阿爾法衰變粒子，根據(jù)對(duì)阿爾法衰變粒子的檢測(cè)產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)，識(shí)別與來(lái)自輻射源的阿爾法衰變粒子的實(shí)際檢測(cè)相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)。并根據(jù)鑒別器對(duì)檢測(cè)信號(hào)的肯定性識(shí)別，產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)與來(lái)自輻射源的阿爾法衰變粒子之實(shí)際檢測(cè)相對(duì)應(yīng)。
以上對(duì)本發(fā)明做了概述，由以下的附圖可以更清楚地說(shuō)明本發(fā)明，在附圖中，同樣的元件采用相同的編號(hào)。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的方框簡(jiǎn)圖；圖2是圖1中的時(shí)間比較器單元的方框簡(jiǎn)圖。
在以上所述的附圖中說(shuō)明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例?？梢哉J(rèn)為，本發(fā)明及其各種實(shí)施例在以下做了詳細(xì)說(shuō)明。所說(shuō)明的實(shí)施例的提出只是為了說(shuō)明起見(jiàn)，而不能被認(rèn)為是對(duì)權(quán)利要求之概括性的限制，與所述實(shí)施例所包含的內(nèi)容相比，它可能更寬或更窄地限定一個(gè)發(fā)明。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明是一種用于產(chǎn)生穩(wěn)定的隨機(jī)數(shù)流的裝置和方法。該裝置包括一個(gè)阿爾法輻射源，例如镅241，其衰變產(chǎn)物不產(chǎn)生其能量等于或高于初級(jí)阿爾法輻射之能量的次級(jí)輻射。由該同位素發(fā)出并已到達(dá)檢測(cè)器的阿爾法粒子具有窄的能譜，并因此在一檢測(cè)器中產(chǎn)生相同的電脈沖。所設(shè)置的一個(gè)阿爾法粒子檢測(cè)系統(tǒng)包括與一個(gè)邏輯選擇器相組合的差動(dòng)式鑒別器。這一元件之組合使其能夠?qū)υ摪柗ㄝ椛湓粗械陌柗ㄋプ冎畣蝹€(gè)事件進(jìn)行肯定性識(shí)別，并濾除由在該裝置內(nèi)部及外部的不同輻射源所產(chǎn)生的任何其它信號(hào)。一個(gè)電路單元對(duì)該相同電脈沖流進(jìn)行處理，形成一個(gè)隨機(jī)數(shù)流。該物理隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的數(shù)字輸出將是完全沒(méi)有相關(guān)性的，而在其它隨機(jī)數(shù)物理源的輸出中通常都存在相關(guān)性，與之有關(guān)的是a)隨機(jī)性的物理源；b)電子電路系統(tǒng)；c)外部及內(nèi)部的電磁干擾和其它干擾。
現(xiàn)在來(lái)看一種基于阿爾法衰變的RNG之結(jié)構(gòu)。該基于阿爾法衰變的RNG的框圖如圖1所示，用參考編號(hào)10作為總的標(biāo)志。其中設(shè)有一個(gè)阿爾法粒子放射性源12。根據(jù)該源的放射性活度，源12的輸出范圍可能變化較大。具有1μCi(微居里)放射性活度的源提供的平均初始輸出至少達(dá)到每秒10000個(gè)隨機(jī)比特。在阿爾法粒子放射源12中的同位素的大體要求包括a)適當(dāng)長(zhǎng)的半衰期，及b)穩(wěn)定的衰變產(chǎn)物或是至少不產(chǎn)生阿爾法輻射的衰變產(chǎn)物。
阿爾法粒子之窄能譜的主要要求對(duì)于所有已知的阿爾法同位素是滿足的，包括镅-241。
作為示例，镅-241是一種選擇，它滿足這些大體的要求，具有432.7年的半衰期及沒(méi)有阿爾法輻射衰變副產(chǎn)物或衰變產(chǎn)物產(chǎn)生阿爾法輻射，但是本發(fā)明并不限于镅-241。任何滿足以上所列舉之大體要求的其它同位素源都可以替代。
硅半導(dǎo)體檢測(cè)器14被作為阿爾法粒子傳感器使用。它可以是一種300μm(微米)厚的平板型離子注入式硅半導(dǎo)體，其靈敏區(qū)約為1平方厘米。硅半導(dǎo)體檢測(cè)器14以常規(guī)方式被設(shè)置在相對(duì)于源12的位置，以截取阿爾法粒子。該放射源12和檢測(cè)器14的放置位置互相緊密靠近并位于一個(gè)保護(hù)外殼16內(nèi)。保護(hù)外殼16保護(hù)檢測(cè)器14免受光照、其它電磁干擾及外界的阿爾法輻射。保護(hù)外殼16具有常規(guī)結(jié)構(gòu)及組合，以提供所需的光學(xué)屏蔽、電磁屏蔽及輻射屏蔽。不透光的金屬板或鋁板外殼足以提供所需的屏蔽。然而，如果需要的話，其它非金屬材料混合傳導(dǎo)成分所構(gòu)成的常規(guī)法拉第籠也可替代。同樣，此外殼可以與具有高磁導(dǎo)率的材料結(jié)合(坡莫合金(Permalloy)等)。它可以提供一種抵抗強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)的附加屏蔽。
檢測(cè)器偏置電源單元18通過(guò)外殼16連接至檢測(cè)器14并提供適當(dāng)?shù)臋z測(cè)器偏置電壓(可以采用低噪音、低電流的40V電源電路)。電荷放大器20和線性放大器22用于放大及整形非常微弱的電離電流脈沖，它們是由入射的阿爾法粒子引發(fā)的。放大的脈沖的平均振幅約為1伏特、上升時(shí)間約為600ns、下降時(shí)間約為1200ns。電荷放大器20和線性放大器22是常規(guī)型的，可以替代為許多其它的電子裝置和結(jié)構(gòu)，為檢測(cè)器14的脈沖信號(hào)提供相同的或大致相同的放大功能。
來(lái)自線性放大器22的輸出信號(hào)被提供給差動(dòng)式鑒別器26和邏輯選擇器24的輸入端。差動(dòng)式鑒別器26選擇具有適當(dāng)?shù)娜柗ㄎ辗逯穹乃行盘?hào)。差動(dòng)式鑒別器是一種常規(guī)的電壓鑒別器。因此噪聲和其他背景信號(hào)被擬制。邏輯選擇器24分析脈沖之波形并舍棄具有復(fù)雜或不適當(dāng)波形的信號(hào)。邏輯選擇器24的目的是阻擋那些信號(hào)波形與由單個(gè)阿爾法衰變事件導(dǎo)致的波形不匹配的信號(hào)。許多不同類型的電路能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯選擇器24的功能并可以相互替代。最常用的手段是采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，其中已存儲(chǔ)有一個(gè)常規(guī)的圖形匹配算法并對(duì)鑒別器26的輸出進(jìn)行比較。該圖形匹配算法可以選擇與一個(gè)以經(jīng)驗(yàn)為主而定義的圖形在統(tǒng)計(jì)上可靠的匹配，該圖形對(duì)應(yīng)于源12中的單個(gè)阿爾法事件衰變。
鑒別器26的輸出端連接至選擇器24的輸入端。在選擇器24輸出端的所有肯定性識(shí)別信號(hào)被輸入至觸發(fā)單元28及時(shí)間比較器單元30。每一個(gè)由邏輯選擇器24確定之肯定性識(shí)別信號(hào)使觸發(fā)單元28的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，該單元在所述的實(shí)施例中為一個(gè)D型觸發(fā)器。在由時(shí)鐘電路或定時(shí)單元32限定的特定時(shí)間間隔內(nèi)，觸發(fā)器28的輸出被讀出。該特定時(shí)間間隔被設(shè)置為遠(yuǎn)大于該肯定性識(shí)別信號(hào)或所期望之衰變事件的平均持續(xù)時(shí)間。觸發(fā)單元28之輸出的兩種可能狀態(tài)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)可能的二進(jìn)制數(shù)字之值(“0”或“1”)。由此產(chǎn)生的二進(jìn)制序列是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的貝莫利(Bemoulli)序列。以上的技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)較緩慢的隨機(jī)比特流。
為了取得更好的性能，可以采用一個(gè)時(shí)間比較器單元30。時(shí)間比較器單元30比較連續(xù)事件之間的時(shí)間間隔。在最簡(jiǎn)單的兩個(gè)間隔之情況中，我們可以根據(jù)這兩個(gè)間隔中哪一個(gè)更短來(lái)賦值為“0”或“1”。此方法對(duì)于每一對(duì)連續(xù)事件產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)位(比特)。在所述的實(shí)施例中，時(shí)間比較器單元30是一個(gè)時(shí)間計(jì)數(shù)器電路。如圖2所示，由離散邏輯電路(未示出)在上一阿爾法事件終結(jié)時(shí)產(chǎn)生外部信號(hào)START，該信號(hào)將RS觸發(fā)器28設(shè)置為一個(gè)預(yù)定狀態(tài)(比如說(shuō)為高態(tài))。該觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)ENABLE(使能)信號(hào)并送至計(jì)數(shù)器單元38，它使得信號(hào)CLOCK能逐次令計(jì)數(shù)器單元38加1，直到下一個(gè)阿爾法粒子符合邏輯選擇器24的接受標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)ENABLE信號(hào)變低時(shí)，然后RS觸發(fā)器禁止進(jìn)一步的時(shí)間增量，所以來(lái)自計(jì)數(shù)器38的時(shí)間間隔編碼變得可用于輸出及分析。一個(gè)控制設(shè)備或主計(jì)算機(jī)34可以比較連續(xù)的時(shí)間編碼，并根據(jù)連續(xù)時(shí)間段的時(shí)間編碼值而賦值“0”或“1”給當(dāng)前隨機(jī)比特。例如，如果在前的時(shí)間編碼表示較長(zhǎng)的時(shí)間間隔，可以賦值一個(gè)時(shí)間編碼為“0”，或者，反之亦然。然后，通過(guò)一個(gè)由離散邏輯電路(未示出)產(chǎn)生的外部RESETCOUNTER信號(hào)及START信號(hào)，計(jì)數(shù)器單元38為下一個(gè)計(jì)數(shù)序列而復(fù)位。
任何主設(shè)備34通過(guò)常規(guī)的接口單元36就可以利用由觸發(fā)單元28和(或)時(shí)間比較器單元30所產(chǎn)生的隨機(jī)比特流。主設(shè)備34及接口單元36的類型對(duì)于每一種應(yīng)用都可以是特定的。典型的主設(shè)備是一種微處理器、個(gè)人計(jì)算機(jī)、數(shù)字式外圍設(shè)備或其他類型的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。因此接口單元36之電路必須對(duì)觸發(fā)單元28或時(shí)間比較器單元30的輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并使之達(dá)到主設(shè)備34所要求的狀態(tài)。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員只要不背離本發(fā)明的宗旨及范圍，可以作出很多變更和修改。因此必須理解的是，上述的實(shí)施例只是作為一個(gè)示例，它不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)如權(quán)利要求書(shū)所限定之本發(fā)明的限制。
對(duì)本說(shuō)明書(shū)中為說(shuō)明本發(fā)明及其各種實(shí)施例所用字詞的理解，不僅應(yīng)按其通常所定義的意義來(lái)理解，而且還應(yīng)包括在本說(shuō)明書(shū)中專門定義的那些超出通常所定義的意義范圍的結(jié)構(gòu)、材料或作用。因此，如果一個(gè)元件在本說(shuō)明書(shū)的上下文中可以被理解為包括多種含義，那么它用于一項(xiàng)權(quán)利要求中應(yīng)該被理解為對(duì)所有可能的含義都是通用的，只要其含義得到本說(shuō)明書(shū)及該字詞本身的支持。
因此，權(quán)利要求書(shū)的字詞或元件的定義在本說(shuō)明書(shū)中做了詳細(xì)說(shuō)明，其中不僅包括照字面意義所提出的元件之組合，而且還有全部的等效結(jié)構(gòu)、材料或作用，用于以大體相同的方式實(shí)現(xiàn)大體相同的功能并獲得大體相同的結(jié)果。因此，在這個(gè)意義上，可以預(yù)期的是，權(quán)利要求書(shū)所述的任何一個(gè)元件可以用兩個(gè)或多個(gè)元件進(jìn)行等效替換，或者，權(quán)利要求書(shū)所述的兩個(gè)或多個(gè)元件可以用一個(gè)元件替換。
在權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)于所述要求保護(hù)之標(biāo)的做出的非實(shí)質(zhì)性改變，不管是已知的或是今后設(shè)計(jì)的，都可清楚地預(yù)期為等效的。因此，在現(xiàn)在或今后，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的明顯替換都被定義在所定義元件的范圍內(nèi)。
因此，對(duì)權(quán)利要求的理解包括特定的說(shuō)明以及上述的說(shuō)明內(nèi)容、在原理上等效的內(nèi)容、能夠明顯替換的內(nèi)容、以及在實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)了本發(fā)明之基本思想的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的裝置，包括一個(gè)阿爾法衰變粒子源；一個(gè)所述阿爾法衰變粒子的檢測(cè)器，所述檢測(cè)器被設(shè)置在一個(gè)相對(duì)于所述源的位置，以檢測(cè)所述阿爾法衰變粒子并根據(jù)對(duì)所述阿爾法衰變粒子的檢測(cè)產(chǎn)生電脈沖；一個(gè)選擇性鑒別器，它與所述的檢測(cè)器相連，以識(shí)別檢測(cè)信號(hào)，該信號(hào)與對(duì)來(lái)自所述源的阿爾法衰變粒子之實(shí)際檢測(cè)相對(duì)應(yīng)；及一個(gè)二進(jìn)制產(chǎn)生器，它連接所述的鑒別器，并根據(jù)所述鑒別器對(duì)所述檢測(cè)信號(hào)的肯定性識(shí)別產(chǎn)生二進(jìn)制信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)與對(duì)來(lái)自所述源的阿爾法衰變粒子之實(shí)際檢測(cè)相對(duì)應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述的源具有100年或更長(zhǎng)的半衰期，其衰變產(chǎn)物不產(chǎn)生阿爾法輻射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的源為镅241。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的檢測(cè)器僅選擇性地檢測(cè)僅來(lái)自所述源的阿爾法衰變產(chǎn)物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述檢測(cè)器根據(jù)每一個(gè)由所述源發(fā)出并已到達(dá)該檢測(cè)器的阿爾法粒子而產(chǎn)生的電脈沖之波形是獨(dú)特的，且不同于由任何其他可到達(dá)所述檢測(cè)器的致電離粒子或輻射所產(chǎn)生的脈沖波形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，用屏障把所述的檢測(cè)器與所述源之外的核輻射、電磁輻射及光輻射隔開(kāi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述的源具有穩(wěn)定的衰變產(chǎn)物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述選擇性鑒別器包括一個(gè)差動(dòng)式鑒別器，以確定所述的檢測(cè)信號(hào)是否具有所述阿爾法衰變粒子之所述檢測(cè)的振幅特性。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述的選擇性鑒別器包括一個(gè)邏輯選擇器，以確定所述檢測(cè)信號(hào)是否具有所述阿爾法衰變粒子之所述檢測(cè)的波形特性。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述的選擇性鑒別器包括一個(gè)邏輯選擇器，以確定所述檢測(cè)信號(hào)是否具有所述阿爾法衰變粒子之所述檢測(cè)的波形。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述的二進(jìn)制產(chǎn)生器是一種定時(shí)觸發(fā)電路，它隨著每一個(gè)肯定識(shí)別檢測(cè)信號(hào)而觸發(fā)，該信號(hào)對(duì)應(yīng)于來(lái)自所述源的所述阿爾法衰變粒子之實(shí)際檢測(cè)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述的二進(jìn)制產(chǎn)生器是一種定時(shí)時(shí)間比較器電路，它測(cè)量連續(xù)的肯定性識(shí)別檢測(cè)信號(hào)之間的連續(xù)時(shí)間間隔，這些檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)于來(lái)自所述源的所述阿爾法衰變粒子之實(shí)際檢測(cè)，并根據(jù)所述連續(xù)時(shí)間間隔的比較時(shí)間長(zhǎng)度，賦予一個(gè)二進(jìn)制值給所述連續(xù)時(shí)間間隔。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)與所述主設(shè)備相連的接口電路，所述接口電路還與所述二進(jìn)制產(chǎn)生器相連。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述的主設(shè)備是一種應(yīng)用隨機(jī)數(shù)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，所述二進(jìn)制產(chǎn)生器通過(guò)所述接口電路向所述主設(shè)備提供隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述的檢測(cè)器包括一個(gè)檢測(cè)設(shè)備，及一個(gè)與所述檢測(cè)設(shè)備相連的放大器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述的檢測(cè)設(shè)備包括一個(gè)硅半導(dǎo)體檢測(cè)器和一個(gè)檢測(cè)器偏置電源電路。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述的放大器包括一個(gè)電荷前置放大器和一個(gè)與所述電荷前置放大器相連的線性放大器。
18.一種用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法，包括由一個(gè)指定的所述阿爾法粒子源在時(shí)間上隨機(jī)地僅產(chǎn)生阿爾法衰變粒子；至少對(duì)來(lái)自所述指定源的所述阿爾法衰變粒子進(jìn)行選擇性檢測(cè)，同時(shí)避免對(duì)于除了來(lái)自所述指定源的所述阿爾法衰變粒子之外的任何事件進(jìn)行檢測(cè)；產(chǎn)生一個(gè)檢測(cè)信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)于來(lái)自所述指定源僅有的所述阿爾法衰變粒子之肯定性檢測(cè)；及根據(jù)來(lái)自所述指定源僅有的所述阿爾法衰變粒子之肯定性檢測(cè)，產(chǎn)生二進(jìn)制信號(hào)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，在產(chǎn)生阿爾法衰變粒子時(shí)所產(chǎn)生的阿爾法衰變粒子，其半衰期等于或大于100年，并不會(huì)產(chǎn)生大量的阿爾法輻射。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，產(chǎn)生阿爾法衰變粒子是通過(guò)提供镅241作為一個(gè)源來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，在產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)時(shí)，包括將所述檢測(cè)信號(hào)與實(shí)際阿爾法衰變粒子之已知的檢測(cè)信號(hào)輪廓進(jìn)行圖形匹配，所述檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)于來(lái)自所述指定源僅有的所述阿爾法衰變粒子之肯定性檢測(cè)，該阿爾法衰變粒子由所述的指定源產(chǎn)生。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述檢測(cè)信號(hào)具有輸出電平，產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)時(shí)，包括將所述檢測(cè)信號(hào)的所述輸出電平與一個(gè)已知檢測(cè)信號(hào)的輸出電平相比較，所產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)于來(lái)自所述指定源僅有的所述阿爾法衰變粒子之肯定性檢測(cè)，該已知檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)于由所述指定源產(chǎn)生的實(shí)際阿爾法衰變粒子。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的裝置和方法,該裝置(10)設(shè)有阿爾法輻射源(12),例如镅241,其衰變產(chǎn)物不產(chǎn)生具有等于或大于初級(jí)阿爾法輻射能量之能量的次級(jí)輻射。由該同位素發(fā)射并已到達(dá)檢測(cè)器(14)的阿爾法粒子具有窄能譜,因此在一檢測(cè)器中產(chǎn)生相同的電脈沖。在所設(shè)置的一個(gè)阿爾法粒子檢測(cè)系統(tǒng)中,包括一個(gè)差動(dòng)式鑒別器(26)和一個(gè)邏輯選擇器(24),用于對(duì)該阿爾法輻射源中單個(gè)阿爾法衰變事件進(jìn)行肯定性識(shí)別,并濾除由該裝置內(nèi)部及外部的不同輻射源所產(chǎn)生的任何其它信號(hào)。一個(gè)電子單元對(duì)該相同電脈沖流進(jìn)行處理,形成一個(gè)隨機(jī)數(shù)流,它完全沒(méi)有通常存在于其它隨機(jī)數(shù)物理源之輸出中的相關(guān)性。
文檔編號(hào)G06F7/58GK1369070SQ99814682
公開(kāi)日2002年9月11日 申請(qǐng)日期1999年12月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月18日
發(fā)明者亞歷山大·弗高廳, 根納蒂·尼古拉耶維奇·斯捷岑科, 瓦季姆·帕夫洛維奇·波波維奇, 伊利亞·馬爾科維奇·維特卜斯克伊, 亞歷山大·雅科夫列維奇·戈登, 斯坦尼斯拉夫·阿列克謝耶維奇·莫爾恰諾夫, 約瑟夫·愛(ài)德華·奎因, 尼克萊斯·馬克·斯特拉弗拉卡斯 申請(qǐng)人:加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)