radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2021-24-2-6-17radioelectronics-500Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВRADIO ELECTRONIC FACILITIES FOR SIGNAL TRANSMISSION, RECEPTION AND PROCESSINGПередача информации в рентгеновском диапазоне частот электромагнитного излученияData Transmission in the X-Ray Emission Frequency Range of Electromagnetic Radiationhttps://orcid.org/0000-0001-9852-7908ТимофеевГ. А.TimofeevG. A.

Тимофеев  Геннадий  Александрович  –  магистр  по  направлению  "Электроника  и  наноэлектроника" (2016), аспирант кафедры электронных приборов и устройств. Автор 7 научных работ.  Сфера научных интересов - технические и программные средства рентгеновской диагностики

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376

Gennadiy A. Timofeev, Master's degree in Electronics and Nanoelectronics (2016), post-graduate student of the Department of Electronic Devices and Devices. The author of 7 scientific publications. Area of expertise: technical and software tools for X-ray diagnostics

5 Professor Popov St., St Petersburg 197376

gennady92@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8806-0603ПотраховН. Н.PotrakhovN. N.

Потрахов Николай Николаевич – доктор технических наук (2009), заведующий кафедрой электронных приборов и устройств. Автор 378 научных работ.  Сфера научных интересов  -  методики применения рентгеновского излучения в различных областях и технические средства для их реализации

 ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376

Nikolay N. Potrakhov,  Dr.  Sci.  (2009), head of the Department of electronics and devices. The author of 378 scientific publications. Area of expertise: methods of application of Xray radiation in various fields and technical means for their implementation

5 Professor Popov St., St Petersburg 197376

nn@eltech-med.comhttps://orcid.org/0000-0003-2062-2213ГрязновА. Ю.GryaznovA. Yu.

Грязнов Артем Юрьевич  –  доктор  технических  наук  (2011), профессор (2018), заместитель заведующего кафедрой электронных приборов и устройств. Автор 208 научных работ. Сфера научных интересов: физика и техника рентгеновского излучения, рентгеноспектральный анализ.

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376

Artem Yu. Gryaznov,  Dr.  Sci.  (2011), Professor (2018),  deputy head  of the Department of electronic devices and devices. The author of 208 scientific publications.  Area of expertise: physics and technology of X-ray radiation, X-ray spectral analysis

5 Professor Popov St., St Petersburg 197376

ay.gryaznov@yandex.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation202127042021242617Copyright © Тимофеев Г.А., Потрахов Н.Н., Грязнов А.Ю., 20212021Тимофеев Г.А., Потрахов Н.Н., Грязнов А.Ю.Timofeev G.A., Potrakhov N.N., Gryaznov A.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/500Введение

Введение.  Системы передачи информации в рентгеновском диапазоне частот электромагнитного излучения – рентгеновские системы связи (РСС)  обладают рядом преимуществ по сравнению с радио- и оптическими системами связи. Наиболее существенными из них с точки зрения практического использования являются: более высокая скрытность и устойчивость к внешним помехам, а также к перехвату и дешифровке. Актуальна разработка методики расчета основных параметров системы рентгеновской связи  дальности и скорости передачи информации, а также описание конструкции и результатов экспериментальных исследований действующего макета системы рентгеновской связи.

Цель работы

Цель работы. Разработка физико-технических основ систем передачи информации в рентгеновском диапазоне частот электромагнитного излучения.

Материалы и методы

Материалы и методы.  Использована оригинальная методика расчета спектров рентгеновского излучения с учетом коэффициента ослабления в среде распространения.

Результаты

Результаты.  Предложена технология передачи информации в рентгеновском диапазоне частот электромагнитного излучения, включая методику расчета основных параметров: дальности  и скорости передачи, а также  конструкцию действующего макета системы рентгеновской связи. Показана зависимость между этими параметрами и режимами работы рентгеновской трубки. Расчетные и экспериментальные данные совпадают с удовлетворительной для практического использования точностью. На их основании можно ожидать, что при напряжении на рентгеновской трубке 200 кВ и токе трубки 1 А в импульсе длительностью 1 мкс дальность передачи информации на воздухе составит около 250 м. Максимально возможная скорость  передачи  информации  при  использовании  разработанной  рентгеновской  трубки  составит 5 Мбит/с.

Заключение

Заключение. Результаты аналитической оценки и экспериментальных исследований показали, что дальность и скорость передачи информации РСС определяются исключительно энергетическими возможностями передатчика: напряжением и средним током рентгеновской трубки во время генерирования пакета (серии) импульсов рентгеновского излучения, а также длительностью отдельного импульса рентгеновского излучения. Сделан вывод о том, что дальнейшее развитие РСС обусловлено, в первую очередь, разработкой специализированных источников рентгеновского излучения, генерирующих серии импульсов с минимально возможной длительностью каждого импульса в серии. С учетом специфических особенностей РСС могут составить реальную конкуренцию традиционным радио-  и оптическим системам связи для связи и навигации.

Introduction

Introduction.  Data transmission systems using the  X-ray frequency range of electromagnetic radiation  –  X-ray communication system (XCS) have a number of advantages in comparison with radio or optical communication systems. The most significant advantages for practical use are their higher stealth and external interferences resistance, as well as stability against interception and decryption. It is of importance to develop a method for calculating the main parameters of an X-ray communication system: the range and speed of data transmission. In addition, the construction design and results of experimental research of the current X-ray communication system should be provided.

Aim

Aim.  To develop physical and technical foundations of data transmission systems using the X-ray frequency range of electromagnetic radiation.

Materials and methods

Materials and methods.  We used an original method of calculating the X-ray emission spectrum, taking into account the attenuation coefficient in the propagation medium.

Results

Results.  A technique for data transmission using the X-ray frequency range of electromagnetic radiation was suggested, including a method for calculating basic parameters e.g. the transmission range and speed, as well as the construction design of the current X-ray communication system model. Relations between these parameters and the operating modes of the X-ray tube were shown. The calculated and experimental data were in good agreement, sufficient for practical use. On their basis, it can be expected that at a voltage across the X-ray tube of 200 kV and the tube current of 1A in a 1-μs pulse, data transmission range in free air will be about 250 m. The maximum possible data transmission rate when using the developed X-ray tube will be 5 Mbit/s.

Conclusions

Conclusions.  The results of analytical and experimental investigations showed that the range and rate of data transmission of the XCS are exclusively determined by the transmitter energetic capabilities: by voltage and average the X-ray tube current during the generation of packages  (series) of the X-ray pulses, as well as by the duration of a single X-ray pulse. It is concluded that the prospects of XCS depend on the development of specialized X-ray sources generating a series of pulses with the minimum possible duration of every single pulse in a series. Taking into account the specific features, XCS can become an alternative to conventional radio and optical systems for communication and navigation.

рентгеновское излучениепередача информациисистемы связидальность передачискорость передачиX-ray emissiondata transmissioncommunication systemstransmission rangetransmission rateReferencesЖелезняков А. А началось все с "Кактуса" // Инновации. 2013. №1 (171). С. 13-17.Zheleznyakov A. It all started with "Cactus". Innovatsii [Innovation]. 2013, no. 1 (171), pp. 13-17. (In Russ.)Герчиков Ф. Л. Управляемое импульсное рентгеновское излучение в приборостроении. М.: Энерго-атомиздат, 1987. 88 с.Gerchikov F. L. Upravlyayemoye impul'snoye rentgenovskoye izlucheniye v priborostroyenii [Controllable pulsed X-ray radiation in instrumentation]. M., Energoatomizdat, 1987, 88 p. (In Russ.)Mitchell J. W. NASA Set to Demonstrate X-ray Communications in Space // Cutting edge Goddard`s Emerging Technologies. Winter. 2019. Vol. 15, iss. 2. P. 9-10.Mitchell J. W. NASA Set to Demonstrate X-ray Communications in Space. "Cutting edge" Goddard`s Emerging Technologies. Winter. 2019, vol. 15, iss. 2, pp. 9-10.X-ray communication based simultaneous communication and ranging / Song Shi-Bin, Xu Lu-Ping, Zhang Hua, Gao Na // Chin. Phys. B. 2015. Vol. 24, iss. 9 (094215). doi: 10.1088/1674-1056/24/9/094215Song Shi-Bin, Xu Lu-Ping, Zhang Hua, Gao Na. X-ray communication based simultaneous communication and ranging. Chin. Phys. B. 2015, vol. 24, iss. 9. doi: 10.1088/16741056/24/9/094215Next Generation of Space Wireless Communication Technology Based on X-ray / B. Zhao, C. Wu, L. Sheng, Y. Liu // Acta Photonica Sin. 2013. Vol. 42. P. 801–804. doi: 10.3788/gzxb20134207.0801Zhao B., Wu C., Sheng L., Liu Y. Next Generation of Space Wireless Communication Technology Based on Xray. Acta Photonica Sin. 2013, vol. 42. pp. 801–804. doi: 10.3788/gzxb20134207.0801Emadzadeh A. A., Speyer J. L. Relative navigation between two spacecraft using X-ray pulsars // IEEE Trans. Control Syst. Technol. 2011. Vol. 19, iss. 5. P. 1021–1035. doi: 10.1109/TCST.2010.2068049Emadzadeh A. A., Speyer J. L. Relative navigation between two spacecraft using X-ray pulsars. IEEE Trans. Control Syst. Technol. 2011, vol. 19, pp. 1021–1035. doi: 10.1109/TCST.2010.2068049Development of XNAV algorithm and cycle ambiguity resolution / Q. Li, L. Jianye, Z. Guanglou, X. Zhi,Yuhang Xuebao // J. Astronautics. 2009. Vol. 30, iss. 4. P. 1460–1465.Li Q., Jianye L., Guanglou Z., Zhi X. Development of XNAV algorithm and cycle ambiguity resolution. Yuhang Xuebao J. Astronautics. 2009, vol. 30, iss. 4, pp. 1460–1465.Novel X-ray Communication Based XNAV Augmentation Method Using X-ray Detectors / Shibin Song, Luping Xu, Hua Zhang, Yuanjie Bai // Sensors. 2015. Vol. 15, iss. 9. P. 22325–22342. doi: 10.3390/s150922325Shibin Song, Luping Xu, Hua Zhang, Yuanjie Bai.Novel X-ray Communication Based XNAV Augmentation Method Using X-ray Detectors. Sensors. 2015, vol. 15, iss. 9, pp. 22325–22342. doi:10.3390/s150922325Экспериментальная оценка прохождения рентгеновского сигнала в условиях осадков и других условий распространения / В. В. Гребенщиков, М. В. Лобанов, А. Г. Егоров, В. П. Назарук, А. И. Нечаев, Н. Н. Потрахов, Г. А. Тимофеев // VI Всерос. науч.-практ. конф.производителей рентгеновской техники: материалы конф. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2019. С. 65–69.Grebenshchikov V. V., Lobanov M. V., Egorov A. G., Nazaruk V. P., Nechaev A. I., Potrakhov N. N., Timofeev G. A. Experimental test-bench estimation of xray attenuation of precipitation and other conditions. Proc. of the VI Russian Scientific and practical conference of X-ray equipment manufacturers. SPb, SPbGETU, 2019, pp. 65–69. (In Russ.)Рентгеновская трубка с фотокатодом / В. Н. Лукьянов, Г. А. Мамаева, О. А. Филиппова, В. М. Фролов, Н. Н. Потрахов // III Всерос. науч.-практ. конф. производителей рентгеновской техники. Программа и материалы конф. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2016. С. 20–21.Lukyanov V. N., Mamaeva G. A., Filippova O. A., Frolov V. M., Potrakhov N. N. X-ray tube with photocathode. Proc. of the III Russian Scientific and practical conference of X-ray equipment manufacturers. SPb,SPbGETU, 2016, pp. 20-21. (In Russ.)Рентгеновская трубка с катодным узлом на базе фотоэлектронного умножителя и перспективы ее применения / Р. В. Кирпиченко, В. Н. Лукьянов, Д. Е. Миронов, О. А. Филиппова, Г. А. Мамаева, Н. Н. Потрахов, Г. А. Тимофеев, А. С. Баклин // IV Всерос. науч.-практ. конф. производителей рентгенов-ской техники. Программа и материалы конференции. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2017. С. 31–34.Kirpichenko R. V., Lukyanov V. N., Mironov D. E., Filippova O. A., Mamaeva G. A., Potrakhov N. N., Timofeev G. A., Baklin A. S. X-ray tube with a cathode node based on a photoelectron multiplier and prospects for its application. Proc. of the IV Russian Scientific and practical conf. of X-ray equipment manufacturers. SPb, SPbGETU. 2017, pp. 31–34. (In Russ.)Артемьев Б. В. Рентгеновская толщинометрия металлов. М.: Машиностроение-1, 2002. 104 с.Artemiev B. V. Rentgenovskaya tolshchinometriya metallov [X-ray thickness measurement of metals]. M., Mashinostroyeniye-1, 2002, 104 p. (In Russ.)Потрахов Н. Н., Грязнов А. Ю. Особенности "сверхжесткой" съемки в микрофокусной рентгенодиагностике // Мед. техника. 2005. № 5. С. 14–19.Potrakhov N. N., Gryaznov A. Yu. Features of "super-rigid" shooting in microfocus X-ray diagnostics. Meditsinskaya tekhnika [Medical equipment]. 2005, no. 5, pp. 14-19. (In Russ.)Артемьев Б. В., Буклей А. А. Радиационный контроль. М.: Изд. дом "Спектр", 2011. 192 с.Artemiev B. V., Buklei A. A. Radiatsionnyy control[Radiation monitoring]. M., Izd. Dom "Spektr", 2011, 192 p. (In Russ.)Лейпунский О. И. Гамма-излучение атомного взрыва. М.: Атомиздат, 1959. 154 с.Leipunsky O. I. Gamma-izlucheniye atomnogo vzryva [Gamma radiation of an atomic explosion]. М., Atomizdat, 1959, 154 p. (In Russ.)Калинин Б. Д. Исследование рентгеновского излучения и развитие рентгеновского приборостроения в Санкт-Петербурге // Аналитика и контроль. 2020. Т. 24, № 3. С. 201-229. doi: 10.15826/analitika.2020.24.3.005Kalinin B.D. Investigation of X-ray radiation and development of X-ray instrumentation in St. Petersburg. Analitika i kontrol' [Analytics and control]. 2020, vol. 24, no. 3, pp. 201-229. doi: 10.15826/analitika.2020.24.3.005 (In Russ.)Источник импульсного рентгеновского излучения и способ беспроводной передачи данных на его основе / В. В. Гребенщиков, А. С. Дмитриев, А. И. Нечаев, Н. Н. Потрахов, Г. А. Тимофеев // Физические основы приборостроения. 2020. № 8(4). С. 38–47.Grebenshchikov V. V., Dmitriev A. S., Nechaev A. I., Potrakhov N. N., Timofeev G. A. High Frequency x-Ray Pulsed Source and the Method for Wireless Data Transmission. Fizicheskiye osnovy priborostroyeniya [Physical foundations of instrumentation]. 2020, no. 89 (4), pp. 38–47. (In Russ.)Experimental test-bench estimation of xray attenuation of precipitation and other conditions / V. V. Grebenschikov, M. V. Lobanov, A. G. Egorov, V. P. Nazaruk, A. I. Nechaev, N. N. Potrakhov, G. A. Timofeev // AIP Conf. Proc. 2020. Vol. 2250, iss. 1. doi: 10.1063/5.0020836Grebenschikov V. V., Lobanov M. V., Egorov A. G., Nazaruk V. P., Nechaev A. I., Potrakhov N. N. and Timofeev G. A. Experimental test-bench estimation of xray attenuation of precipitation and other conditions. AIP Conf. Proc. 2020, vol. 2250, iss. 1. doi: 10.1063/5.0020836Тимофеев Г. А., Потрахов Н. Н., Нечаев А. И. Экспериментальные исследования рентгеновского канала связи // V Всерос. науч.-практ. конф. производителей рентгеновской техники. Программа и материалы конференции. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2018. С. 99–105.Timofeev G. A., Potrakhov N. N., Nechaev A. I. Experimental studies of the X-ray communication channel. Proc. of the V Russian Scientific and practical conference of X-ray equipment manufacturers. SPb, SPbGETU, 2018, pp. 99–104. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.