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

这些碰撞产生海量数据——其产生的辐射足以扰乱几乎任何电子设备内部的比特和逻辑运算。

这给欧洲核子研究中心（CERN）的物理学家带来了挑战，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。市售的现成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太小，不足以吸引商业芯片制造商的投入。

"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伯纳德·J·莱克纳讲席教授彼得·金格特（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设计的芯片触发，并由另一枚芯片进行测量。"

金格特领导团队设计了专用硅芯片，用于在粒子物理学最严苛且最重要的环境之一收集数据。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）。

"物理学家与工程师之间的这类合作，对于提升我们探索宇宙基本问题的能力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、负责LHC大型探测器之一ATLAS的哥伦比亚团队负责人约翰·帕森斯（John Parsons）表示。"开发最先进的仪器设备是我们成功的关键。"

抗辐射电路

该团队设计的设备称为模数转换器（ADC）。其任务是捕获CERN探测器内部粒子碰撞产生的电信号，并将其转换为研究人员可分析的数字化数据。

在ATLAS探测器中，粒子碰撞产生的电脉冲通过名为液氩热量计的装置进行测量。这个盛有超低温氩气的巨大容器能捕获每个穿过粒子的电子轨迹。哥伦比亚大学的ADC芯片将这些精密的模拟信号转换为精确的数字化测量值，捕捉到现有组件无法可靠记录的细节。

"我们测试了标准商用组件，它们直接失效了。辐射太强了，" 自德克萨斯大学奥斯汀分校本科阶段就参与该项目的哥伦比亚大学工程学博士生徐睿（Rui (Ray) Xu）说。"我们意识到，若想要可用的设备，必须自行设计。"

设计"高精度"可靠性

团队没有创建全新的制造方法，而是采用经CERN验证具有抗辐射能力的商用半导体工艺，并应用创新的电路级技术。他们精心创新的电路级技术。他们精心选择和确定元件尺寸，优化电路架构与布局以最小化辐射损伤，并构建了能实时自动检测和纠正错误的数字系统。最终的设计具有足够韧性，可在LHC异常严酷的环境中稳定运行十余年。

两枚哥伦比亚设计的ADC芯片预计将集成到ATLAS实验的升级电子设备中。首枚名为触发ADC的芯片已在CERN运行。该芯片于2017年首次描述并于2022年通过验证，它使触发系统能每秒筛选约十亿次碰撞，并即时选择仅最具科学价值的事件进行记录。它如同数字守门员，决定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。该芯片在今年早些时候的一篇IEEE论文中描述，将作为LHC下次升级的一部分安装。它将高精度数字化选定的信号，使物理学家得以探索希格斯玻色子等现象——其2012年在CERN的发现曾轰动一时并获2013年诺贝尔物理学奖，但其确切性质仍存在未解之谜。

两枚芯片都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，正是这个项目的特别之处，" 徐睿说。

这进一步创造了跨机构合作的机会。芯片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设计，并与哥伦比亚大学尼维斯实验室及德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家紧密合作完成。

由美国国家科学基金会和能源部资助的哥伦比亚大学芯片，在由哥伦比亚大学尼维斯实验室部分协调的更广泛国际合作中发挥着核心作用。随着CERN研究的推进，哥伦比亚设计的组件将为数据采集系统做出贡献，支持物理学家探索超越当前认知极限的现象。