近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院等離子體所與合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院合作，在14.1 MeV高能聚變中子輻照下大功率晶閘管材料、電特性損傷研究方面取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了高能聚變中子的特性參量與大功率晶閘管晶格缺陷特性、電性能損傷及單粒子燒毀間的量化構(gòu)效關(guān)系，揭示大功率晶閘管在高能中子輻照下的損傷機(jī)理。相關(guān)成果發(fā)表于核科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域頂級(jí)期刊Nuclear Science and Techniques。

大功率晶閘管是托卡馬克裝置超導(dǎo)磁體的關(guān)鍵保護(hù)部件，其受聚變中子輻照損傷所導(dǎo)致的可靠性退化問題是威脅磁體安全的一大因素。因此，掌握大功率晶閘管在聚變中子輻照下的物理-材料-電學(xué)特性損傷規(guī)律及特征，探索損傷機(jī)理對(duì)于探索科學(xué)高效的大功率晶閘管中子輻照損傷評(píng)估和應(yīng)對(duì)策略，提升聚變超導(dǎo)磁體安全性具有重要意義。

研究團(tuán)隊(duì)從聚變中子特征特性出發(fā)，研究了微觀下大功率晶閘管晶格缺陷的發(fā)生發(fā)展過程；基于大功率晶閘管工作機(jī)制，分析了其通態(tài)、阻態(tài)、反向恢復(fù)態(tài)特性受聚變中子輻照的影響規(guī)律；利用材料級(jí)、器件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)數(shù)值模擬技術(shù)和高等效輻照實(shí)驗(yàn)，多維度揭示了大功率晶閘管聚變中子損傷機(jī)理，并進(jìn)一步預(yù)估了聚變中子輻照對(duì)基于大功率晶閘管的失超保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性影響，為聚變超導(dǎo)磁體失超安全防護(hù)設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。

該論文的第一作者為合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院仝瑋博士（講師），通訊作者為中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院等離子體所的李華副研究員和徐猛博士。

相關(guān)研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施、中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目及ITER組織的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1007/s41365-024-01433-1

圖1 不同輻照缺陷下大功率晶閘管阻斷電壓與電流密度變化曲線

(a)線性關(guān)系 (b)對(duì)數(shù)關(guān)系

圖2 14.1 MeV中子輻照前后大功率晶閘管通態(tài)、阻態(tài)、反向恢復(fù)態(tài)性能參數(shù)對(duì)比