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

这些碰撞产生海量数据——以及足以扰乱几乎任何电子设备以及足以扰乱几乎任何电子设备内部比特和逻辑的辐射。

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。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投资。

"工业界无法证明投入的合理性，因此学术界必须介入，"哥伦比亚大学工程学院电气工程Bernard J. Lechner讲席教授Peter Kinget表示。"LHC（大型强子对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于7月1日发表在IEEE固态电路学会开放期刊上。

"物理学家与。

"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，"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大型探测器之一ATLAS哥伦比亚团队负责人John Parsons指出，"开发尖端John Parsons指出，"开发尖端仪器是我们成功的关键。"

抗辐射电路

该团队设计的装置称为模数转换团队设计的装置称为模数转换器（ADC）。其任务是捕获CERN探测器内部粒子碰撞产生的电信号ERN探测器内部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电脉冲通过液氩热量计进行测量。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。哥伦比亚大学的ADC芯片将这些精密的模拟信号转化为精确的数字化测量值，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，它们直接失效了。辐射强度实在太高，"自德州大学本科阶段就参与该项目的哥伦比亚大学工程博士生R项目的哥伦比亚大学工程博士生Rui (Ray) Xu解释道。"我们意识到，若需要可我们意识到，若需要可用的设备，必须自主设计。"

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。他们精心选配元件规格，通过优化电路架构与布局最大限度减少辐射损伤，并构建了能实时损伤，并构建了能实时检测纠正错误的数字系统。最终设计具有足够韧性，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芯片将集成至ATLAS实验的升级电子设备中。首枚触发ADC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，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进行记录，充当决定哪些事件值得深入研究的数字守门员。

第二枚数据采集ADC芯片近期通过最终测试，现已全面投产。今年早些时候在IEEE论文中描述的这枚芯片，将作为LHC下次升级的组成部分进行安装。它能高精度数字化选定信号，助力物理学家探索希格斯玻色子等现象——2012年该粒子在CERN的发现曾轰动全球并获2013年诺贝尔物理学奖，但其确切性质仍存在未解之谜。

两枚芯片均体现了基础物理学家与工程师间的直接协作。

"作为工程师能如此直接地为基础科学做贡献，正是本项目的独特之处，"Xu表示。

这进一步创造了跨机构合作机会>这进一步创造了跨机构合作机会。芯片由哥伦比亚大学和德州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州大学奥斯汀分校的物理学家紧密协作设计完成。

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该校内维斯实验室部分协调的国际合作中发挥核心作用。随着CERN研究推进，哥伦比亚设计的组件研究推进，哥伦比亚设计的组件将通过数据采集系统，支持物理学家突破现有认知边界分析现象。