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所有电子设备的比特流与逻辑电路。

这给欧洲核子研究中心的物理学家带来挑战，当他们试图更深入探索希格斯玻色子及其他基本粒子的奥秘时。市售电子元件根本无法在加速器的严苛环境中存活，而抗辐射电路的市场规模又太小，难以吸引商业芯片制造商的投入。

"企业无法为此投入资源，学术界必须挺身而出，"哥伦比亚大学工程学院Bernard J. Lechner讲席教授彼得·金吉特表示，"LHC（大型强子对撞机）的下个重大发现将由哥伦比亚大学研发的一枚芯片触发，并由另一枚芯片完成测量。"

金吉特带领团队设计了专用硅芯片，用于在粒子物理学最严苛也最重要的环境中采集数据。他们最新描述该项目的论文发表于7月1日的《IEEE固态电路学会开放期刊》。

"物理学家与工程师的这类合作，对提升我们探索宇宙基本问题的能力至关重要，"哥伦比亚大学物理系教授、ATLAS探测器哥伦比亚团队负责人约翰·帕森斯指出，"开发尖端仪器设备是我们成功的关键。"ATLAS探测器是LHC巨型探测设备之一。

抗辐射电路

团队研发的设备称为模数转换器(ADC)，其任务是捕捉欧洲核子研究中心探测器内部粒子碰撞产生的电信号，并将其转换为可供研究人员分析的数字化数据。

在ATLAS探测器中，粒子碰撞产生的电脉冲通过液氩热量计进行测量。这个装满超低温液氩的巨型容器能捕获每个穿过粒子的电子轨迹。哥伦比亚大学研发的ADC芯片将这些精密模拟信号转换为精确数字测量，其捕捉的细节是现有元件无法可靠记录的。

"我们测试过标准商用元件，它们完全无法工作。辐射强度超出承受范围，"哥伦比亚大学工程博士生徐睿（Ray）说。他从德州大学本科阶段就参与该项目，"我们意识到，想要能用的设备必须自主设计。"

设计"高精度"可靠性

团队没有开发全新制造工艺，而是采用经欧洲核子研究中心验证的抗辐射商用半导体制程，并运用创新电路级技术。他们精心选配元件规格，优化电路架构与布局以最小化辐射损伤，还构建了能实时检测纠正错误的数字系统。最终设计方案可在LHC极端环境下稳定工作十余年。

两款哥伦比亚大学设计的ADC芯片将集成至ATLAS实验升级版电子系统中。首款触发ADC芯片已在欧洲核子研究中心运行，该芯片2017年完成设计、2022年通过验证，能使触发系统每秒筛选约十亿次碰撞，即时选择最具科研价值的事件记录，堪称决定哪些现象值得深入研究的数字守门员。

第二款数据采集ADC芯片近期通过最终测试，现已投入量产。这款芯片的技术细节发表于今年IEEE论文中，将作为LHC下次升级的组成部分，对选定信号进行超高精度数字化，助力物理学家探索希格斯玻色子等现象——2012年该粒子在欧洲核子研究中心的发现轰动全球，并赢得2013年诺贝尔物理学奖，但其精确性质仍存在诸多未解之谜。

两款芯片体现了基础物理学家与工程师的直接协作。

"作为工程师能如此直接地推动基础科学发展，正是这个项目的独特之处，"徐睿表示。

项目还促成了跨机构合作机遇。芯片由哥伦比亚大学与德州大学奥斯汀分校的电气工程师联合设计，并与哥伦比亚大学内维斯实验室、德州大学奥斯汀分校的物理学家紧密协作完成。

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内维斯实验室部分协调的国际合作中扮演核心角色。随着欧洲核子研究中心研究的推进，这些芯片将支撑数据采集系统，帮助物理学家突破现有认知边界分析各类现象。