构建不会消亡的电子产品：哥伦比亚大学在欧洲核子研究中心的突破
大型强子对撞机 （LHC） 对电子设备很严格。 这台巨大的科学仪器位于瑞士和法国边境下一条 17 英里长的隧道内，该隧道绕成一圈，将粒子加速到接近光速的速度，然后将它们粉碎在一起。 碰撞产生粒子和能量的微小漩涡，暗示了有关物质组成部分的基本问题的答案。 这些碰撞产生了大量的数据——而且已经足够了辐射来扰乱几乎任何电子设备内部的位和逻辑。 ：这给欧洲核子研究中心的物理学家带来了挑战，因为他们试图更深入地探究希格斯玻色子和其他基本粒子的奥秘。 现成的组件根本无法在加速器内部的恶劣条件下生存，抗辐射电路的市场太小，无法吸引商业芯片制造商的投资。 “行业无法证明努力，所以学术界不得不介入，“伯纳德· 哥伦比亚工程学院电气工程莱希纳教授。 “大型强子对撞机的下一个发现将由一个哥伦比亚芯片触发，并由另一个芯片测量。” Kinget 领导的团队设计了专门的硅芯片，这些芯片在粒子物理学中最恶劣和最重要的环境之一收集数据。 他们描述该项目的最新论文于 7 月 1 日发表在IEEE Open固态电路学会杂志。 哥伦比亚大学物理学教授、哥伦比亚大学团队负责人约翰·帕森斯 （John Parsons） 表示：“物理学家和工程师之间的这种合作对于提高我们探索宇宙基本问题的能力非常重要，”哥伦比亚大学研究大型强子对撞机的大型仪器之一 ATLAS 探测器的团队负责人说。 “开发最先进的仪器对我们的成功至关重要。” 抗辐射电路 该团队设计的设备称为模数转换器或 ADC。 他们的任务是捕获欧洲核子研究组织探测器内粒子碰撞产生的电信号，并将其转换为研究人员可以分析的数字数据。 在 ATLAS 探测器中，使用称为液氩量热仪的设备测量粒子碰撞产生的电脉冲。 这个巨大的超冷氩气桶捕获了每个通过的颗粒的电子痕迹。Columbia 的 ADC 芯片将这些精细的模拟信号转换为精确的数字测量值，捕获现有组件无法可靠记录的细节。 “我们测试了标准的商业组件，它们就死了。 辐射太强了，“哥伦比亚大学工程学院博士生 Rui （Ray） Xu 说，他从德克萨斯大学本科生起就一直从事该项目。 “我们意识到，如果我们想要一些有效的东西，我们就必须自己设计。” 设计“高精度”可靠性 该团队没有创建全新的制造方法，而是使用经 CERN 验证的抗辐射性商业半导体工艺，并应用了创新的电路级技术。 他们精心挑选和调整组件的大小，安排电路架构和布局，以最大限度地减少辐射损伤，并构建了实时自动检测和纠正错误的数字系统。 它们由此产生的设计具有足够的弹性来承受十多年来，大型强子对撞机异常恶劣的条件。 哥伦比亚设计的两款 ADC 芯片预计将集成到 ATLAS 实验的升级电子设备中。 第一个称为触发 ADC，已经在 CERN 运行。 该芯片最初于 2017 年描述，并于 2022 年验证，使触发系统能够每秒过滤约 10 亿次碰撞，并立即仅选择最具科学前景的事件进行记录。 它充当数字看门人决定什么值得进行更深入的研究。 第二款芯片，即数据采集ADC，最近通过了最终测试，现已全面投产。 该芯片在今年早些时候的 IEEE 论文中进行了描述，将作为下一次 LHC 升级的一部分进行安装。 它将非常精确地将选定的信号数字化，使物理学家能够探索像希格斯玻色子这样的现象，希格斯玻色子在 CERN 的发现在 2012 年成为头条新闻，并导致 2013 年获得诺贝尔物理学奖，但其确切的房产仍然充满谜团。 这两种芯片都代表了基础物理学家和工程师之间的直接合作。 “作为一名工程师，有机会如此直接地为基础科学做出贡献，这就是这个项目的特别之处，”Xu 说。 它进一步创造了跨多个机构合作的机会。 这些芯片是由哥伦比亚大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的电气工程师与物理学家密切合作设计的哥伦比亚尼维斯实验室和德克萨斯大学奥斯汀分校。 哥伦比亚的芯片由美国国家科学基金会和能源部资助，在哥伦比亚尼维斯实验室协调的更广泛的国际合作中发挥着核心作用。 随着欧洲核子研究组织研究的进展，哥伦比亚设计的组件将有助于数据采集系统，支持物理学家分析超出当前知识极限的现象。