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

这些碰撞产生海量数据——以及足以干扰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）的物理学家们在尝试更深层次探索希格斯玻色子及其他基本粒子的奥秘时带来了挑战。商用现成组件根本无法在加速器内部的严酷环境中存活，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。

“工业界无法为此投入精力，因此学术界必须介入，”哥伦比亚大学工程学院Bernard J. Lechner冠名电气工程教授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设计的芯片触发，并由另一枚哥伦比亚芯片测量。”

Kinget领导设计了在粒子物理学最严酷且最重要的环境之一中收集数据的专用硅芯片团队。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至关重要，”哥伦比亚大学物理学教授、LHC大型探测器之一ATLAS探测器哥伦比亚团队负责人John Parsons表示。“开发最先进的仪器设备是我们取得成功的关键。”

抗辐射电路

该团队设计的器件称为模拟数字转换器（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数据。

在ATLAS探测器中，粒子碰撞产生的电脉冲通过一种称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穿过其中的每个粒子的电子轨迹。哥伦比亚大学的ADC芯片将这些微弱的模拟信号转换为精确的数字测量值，捕捉了现有器件无法可靠记录的细节。

“我们测试了标准的商用元件，它们根本无法工作。辐射太强了，”自德克萨斯大学本科阶段便参与该项目的哥伦比亚大学工程学院博士生Rui (Ray) Xu说道。“我们意识到，如果想要有效工作的东西，就必须自己设计。”

设计“高精度”可靠性

团队并未创建全新的制造工艺，而是采用了经CERN验证具有抗辐射性的商用半导体工艺，并运用创新的电路级技术。他们精心选择和确定元件尺寸，优化电路结构和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。其最终设计足够强健，可在LHC异常恶劣的条件下运行超过十年。

两枚哥伦比亚大学设计的ADC芯片预计将集成到ATLAS实验升级版电子设备中。第一枚名为触发ADC的芯片已在CERN运行。该芯片最初于2017年描述并于2022年验证，能使触发系统每秒筛选约十亿次碰撞，并即时选择仅具有最高科学价值的事件进行记录。它充当数字守门人，决定哪些值得深入研究。

第二枚芯片，即数据采集ADC，近期通过了最终测试并已投入全面生产。该芯片的描述发表于今年早些时候的一篇IEEE论文中，将作为LHC下一次升级的一部分安装。它将极其精确地数字化选定的信号，使物理学家能够探索诸如希格斯玻色子等粒子——2012年其在CERN的发现曾登上头条新闻，并导致2013年获得诺贝尔物理学奖——但其确切性质仍存在未解之谜。

这两枚芯片代表了基础物理学家与工程师之间直接合作的成果。

“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，”Xu说道。

这进一步创造了跨多个机构合作的机会。这些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，并与哥伦比亚大学内维斯实验室及德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家们紧密合作完成。

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，在部分由哥伦比亚大学内维斯实验室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，哥伦比亚大学设计的组件将支持数据采集系统，助力物理学家探索超越当前知识边界的现象。