可用于核反应堆的Wi-Fi接收器

以下文章来源于悦智网，作者Katherine

接收器机器人有望依靠无线通信技术帮助核反应堆退役。

自2011年日本福岛第一核电站发生核灾难后，工程师们开始使用机器人协助评估现场。但由于高辐射环境，这些机器人往往依赖有线通信连接，而线缆可能会缠绕或卡住。

如今，日本研究人员制造了一款2.4吉赫兹的Wi-Fi接收器，该接收器能够在核反应堆内部工作。他们希望将这款接收器用于反应堆退役作业机器人的无线通信系统。

2026年2月，日本东京科学大学的研究生成清泰人（Yasuto Narukiyo）在旧金山举行的IEEE国际固态电路会议上展示了这款无线接收器。该接收器能够承受总计500千戈瑞的辐射剂量，比外太空高辐射环境中电子器件通常承受的剂量高出几个数量级。

即使在不如福岛情况极端的条件下，核电站也无法永久运行，需要在其寿命末期安全地拆除和净化。该过程非常耗时，且工作人员面临着辐射危害。因此，工程师们希望机器人能够提供帮助。

这种需求还在增长：2024年的一项研究表明，在已关闭的204座反应堆中，只有11座容量超过100兆瓦的核电站全面退役，未来20年内还将有200多座反应堆达到使用寿命。

成清泰人表示，用于太空探索的电子器件通常要求能在3年内承受100至300戈瑞的辐射，而在核反应堆中运行的机器人则需要在6个月内承受超过500千戈瑞的辐射。作为对比，德国工业机器人制造商库卡公司生产的一款机械臂只能承受165戈瑞以下的辐射，否则就会出现故障。

为了强化这款2.4吉赫兹Wi-Fi接收器，使其抵御高强度辐射，成清泰人的导师白根敦（Atsushi Shirane）和日本高能加速器研究机构的宫原正也（Masaya Miyahara）等研究人员改变了其元件组合，将晶体管总数降至最少，并调整了剩余晶体管的几何结构。

这些晶体管是硅金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），含有特别容易受辐射损伤的氧化物层。伽马射线爆发会将正电荷困在氧化物层中，从而造成器件性能降低并引发故障。因此，减少晶体管的使用量能最大程度地缓解问题。研究人员还让每个晶体管的栅极变得更长、更宽。栅极控制着电流的流动，在辐射下，更长、更宽的栅极表现更佳。

该团队还考虑了辐射对P型金属氧化物半导体晶体管（电流主要由正电荷承载的金属氧化物半导体场效应晶体管）和N型金属氧化物半导体晶体管（电流主要由电子承载）影响的差异。P型金属氧化物半导体晶体管更容易受辐射损伤，因为正电荷会同时困在氧化物层以及氧化物层与半导体其余部分之间的连接处。成清泰人解释说，这些效应累积起来会使晶体管向“关闭”状态漂移。

为了抵消这种影响，新型接收器设计最大限度地减少了P型金属氧化物半导体晶体管的使用，用电感器等没有氧化物层的元件代替了这些晶体管。成清泰人表示，N型金属氧化物半导体晶体管更稳健，因为困在氧化物层中的正电荷在某种程度上会被困在连接处的负电荷抵消。

成清泰人及其团队测量了接收器接受辐射前的性能，并在接收器接受了总量为300和500千戈瑞的辐射后再次进行了测量。在接受辐射之前，其性能表现与典型的Wi-Fi接收器相当；达到最高辐射剂量后，该接收器的增益下降了1.4分贝。

成清泰人表示，该接收器已充分强化，现在他希望进一步提高其性能。此外，他还在着手增加发射器以实现双向通信。这更具挑战，因为需要产生高水平的电流来生成Wi-Fi信号；之前测试的一款发射器在300千戈瑞的辐射剂量下已损坏。该团队正在探索使用金刚石等其他半导体材料来提升发射器的坚固性。

作者：Katherine Bourzac