Building electronics that don’t die: Columbia's breakthrough at CERN

这些碰撞产生海量数据——其释放的辐射足以扰乱几乎任何电子设备内部的比特位和逻辑电路。

这给欧洲核子研究中心（CERN）的物理学家们带来了挑战，因为他们正试图更深入地探索希格斯玻色子及其他基本粒子的奥秘。市售的标准组件根本无法在加速器内部的严苛环境中存活，而抗辐射电路的市场规模过小，不足以吸引商业芯片制造商投资。

「业界无法为此投入资源，因此学术界必须介入，」哥伦比亚大学工程学院Bernard J. Lechner电气工程讲席教授Peter Kinget表示，「LHC（大型强子对撞机）的下一个发现将由一枚哥伦比亚大学设计的芯片触发，并由另一枚芯片完成测量。」

Kinget率领团队设计了专用硅芯片，用于在粒子物理学最严酷且最重要的环境之一中收集数据。他们描述该项目的最新论文发表于7月1日的IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society（IEEE固态电路学会开放期刊）。

「物理学家与工程师间的此类合作，对于提升我们探索宇宙基本问题的能力至关重要，」哥伦比亚大学物理学教授、LHC巨型仪器之一ATLAS探测器哥伦比亚团队负责人John Parsons指出，「开发尖端仪器是我们成功的关键。」

抗辐射电路

团队设计的装置称为模数转换器（ADC）。其任务是捕获CERN探测器内粒子碰撞产生的电信号，并将其转化为可供研究人员分析的数字数据。

在ATLAS探测器中，粒子碰撞产生的电脉冲通过名为液氩热量计的装置进行测量。这个装满超低温氩气的巨型容器能捕获每个穿越粒子的电子轨迹。哥伦比亚大学设计的ADC芯片将这些精密的模拟信号转换为精确的数字测量，捕捉现有组件无法可靠记录的细节。

「我们测试过市售标准组件，它们直接失效了。辐射强度实在太高，」自德克萨斯大学本科阶段就参与该项目的哥伦比亚大学工程学院博士生Rui (Ray) Xu解释道，「我们意识到，若想获得可用方案，必须自主设计。」

设计「高精度」可靠性

团队未采用全新制造工艺，而是选用经CERN验证具备抗辐射能力的商用半导体制程，并应用创新电路级技术。他们精心选型元件尺寸，优化电路架构与布局以最小化辐射损伤，同时构建能实时自动检测纠正错误的数字系统。最终设计方案具备足够韧性，可在LHC极端环境下稳定运行十余年。

两枚哥伦比亚大学设计的ADC芯片将集成至ATLAS实验的升级电子系统中。首枚触发ADC芯片已在CERN投入运行。该芯片于2017年首次披露，2022年完成验证，能使触发系统每秒筛选约十亿次碰撞，并即时选取最具科研价值的事件进行记录。它充当数字守门员，决策哪些事件值得深入研究。

第二枚数据采集ADC芯片近期通过最终测试，现已全面投产。该芯片于今年早些时候发表于IEEE论文，将作为LHC下次升级的组成部分安装。它将高精度数字化处理筛选后的信号，助力物理学家探索希格斯玻色子等现象——2012年CERN宣布发现该粒子引发全球轰动，并促成2013年诺贝尔物理学奖，但其确切性质仍充满未解之谜。

两枚芯片均体现了基础物理学家与工程师之间的直接协作。

「作为工程师能如此直接地为基础科学做出贡献，正是这个项目的独特之处，」Xu表示。

该项目还创造了跨机构合作机遇。芯片由哥伦比亚大学与德克萨斯大学奥斯汀分校的电气工程师，与哥伦比亚大学内维斯实验室及德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家紧密协作完成设计。

在美国国家科学基金会和能源部资助下，哥伦比亚大学的芯片在由该校内维斯实验室部分协调的国际合作中扮演核心角色。随着CERN研究持续推进，哥伦比亚设计的组件将支撑数据采集系统，协助物理学家突破现有认知边界分析物理现象。