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

这些碰撞产生了海量数据——以及足以扰乱几乎所有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。现成的商用组件根本无法在加速器内的严苛环境中存活，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资。

"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伯纳德·J·莱克纳电气工程讲席教授彼得·金吉特（Peter Kinget）表示。"大型强子对撞机（LHC）的下一个发现将由一枚哥伦比亚芯片触发，并由另一枚芯片进行测量。"

金吉特领导团队设计了专用硅芯片，可在粒子物理学中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大型仪器之一ATLAS探测器哥伦比亚团队负责人约翰·帕森斯（John Parsons）表示。"开发最先进的仪器是我们取得成功的关键。"

抗辐射电路

团队设计的器件称为模数转换器（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名为液氩热量计的装置进行测量。这个盛有超低温液氩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化为精确的数字化测量值，捕获了现有器件无法可靠记录的关键细节。

"我们测试过标准的商用元件，它们完全失效了。辐射强度实在太高，"哥伦比亚大学工程博士生徐瑞（Ray Xu）说（他从德克萨斯大学奥斯汀分校本科阶段就参与该项目）。"我们意识到，若要获得可用的器件，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CERN验证具有抗辐射能力的商用半导体制程，并应用创新的电路级技术。他们精心选择和设定元件规格，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校正错误的数字系统。最终设计具备足够韧性，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芯片将被集成到ATLAS实验升级版电子设备中。首枚名为触发ADC的芯片已在CERN运行。该芯片设计于2017年首次披露，2022年通过验证，能使触发系统每秒筛选约十亿次碰撞，并瞬时选择最具科研价值的事件进行记录，犹如决定哪些事件值得深入研究的数字守门人。

第二枚数据采集ADC芯片近期通过最终测试，现已全面投产。该芯片设计在今年早些时候发表于IEEE论文中，将作为LHC下一次升级的组成部分安装。它能极高精度地数字化选定的信号，助力物理学家探索诸如希格斯玻色子等粒子现象——2012年该粒子在CERN的发现曾轰动学界，并引发2013年诺贝尔物理学奖，但其精确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之间的直接协作。

"作为工程师能如此直接地为基础科学作贡献，正是这个项目的独特之处，"徐瑞表示。

项目还创造了跨机构合作契机。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联合设计，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紧密协作。

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更广泛国际合作中扮演核心角色。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提供支持，助力物理学家突破现有认知边界探索新现象。