福岛第一核电站事故十四年后,最危险的清理工作仍依赖连接着厚重局域网线缆的机器人。这些线缆在尖锐的燃料碎片上容易卡住,在狭窄空间内极易断裂,严重限制了受损反应堆建筑内同时运行的机器数量。这被公认为工程史上速度最慢、物理限制最严重的清理行动之一。
东京科学研究所的研究人员现已开发出一种专为消除这一瓶颈而设计的Wi-Fi接收芯片。这款工作在2.4 GHz频段的芯片能够承受高达500千戈瑞(kGy)的辐射剂量,远超普通商用电子设备的承受极限,甚至高于福岛第一核电站最污染区域的辐射水平。
核心工程挑战看似简单却极难攻克:辐射会通过在晶体管绝缘层中捕获电荷,导致不受控的漏电流淹没有用信号,从而摧毁硅基芯片。芯片上的晶体管越多,暴露在这种退化下的表面积就越大。
研究团队的解决方案是彻底简化芯片架构。他们用对辐射不敏感的电感器取代了可变增益和射频放大器中敏感的有源晶体管,这些无源元件在强烈的伽马射线轰击下保持稳定。同时,他们增大了剩余晶体管的物理尺寸,并减少了并联段数,从而抑制了辐射通常产生的“边缘相关”漏电路径。
结果是,这款芯片在保持高性能信号处理(包括低噪声放大和基带转换)的同时,能够存活于让标准电子设备失效的极端条件。在暴露于500 kGy辐射后的性能测试中,芯片的增益仅损失1.4分贝,噪声水平和功耗保持稳定,其通信性能与标准商用Wi-Fi接收器持平。
白根敦志副教授表示:“通过实现即使在超高剂量辐射环境下也能稳定运行的Wi-Fi芯片,将促进机器人和无人机的无线远程操作,从而降低工作人员受辐射的风险,并推动作业技术的精细化。”无线连接将允许多台机器人在危险区域同时作业,彻底解决当前拖慢所有操作的线缆管理难题,也为在反应堆建筑内部部署无人机打开了大门,这在有线系统下几乎是不可想象的。
该芯片的应用不仅限于核设施退役。根据国际原子能机构的预测,全球目前运行的423座核反应堆中,约有半数将在2050年前开始退役。每个项目都将面临类似的高辐射环境下远程机器人作业挑战。此外,该芯片的耐辐射能力甚至超过了航天级电子产品的要求,使其成为深空探测任务的候选方案,因为在这些任务中,辐射是对机载系统的持续威胁。
