新型芯片每秒捕捉15亿次粒子对撞，助力欧洲核子研究中心

一款新型专用抗辐射加固芯片已为欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）升级项目设计完成。

这款模数转换器（ADC）芯片由哥伦比亚大学的工程师研发。

这些定制设计的芯片将用于ATLAS探测器中，以每秒测量高达15亿次粒子碰撞。

这些芯片至关重要，因为大型强子对撞机的高能粒子碰撞会产生强烈的辐射，足以摧毁标准的商用电子设备。

用于ATLAS探测器的芯片

大型强子对撞机是位于法国和瑞士之间的一座巨大的地下设施。为了研究希格斯玻色子等基本粒子，物理学家在大型强子对撞机中以接近光速的速度碰撞粒子。

据报道，每秒大约发生4亿次粒子碰撞。随着大型强子对撞机即将进行的升级，碰撞次数将急剧增加至每秒15亿次甚至更多。

这些碰撞不仅产生海量数据，还会释放出强烈的辐射，其强度足以损坏或摧毁大多数电子设备。

由于抗辐射组件的市场规模太小，无法吸引商业投资，因此需要专门的解决方案来处理这些极端条件。

“工业界根本无法证明投入这些努力的合理性，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讲席教授彼得·金格特（Peter Kinget）表示。

他们设计了专用硅芯片，用于在极端粒子物理环境中收集数据。这些芯片将粒子碰撞的物理世界与科学家可分析的数字化数据连接起来。

模数转换器芯片的任务是捕捉粒子碰撞产生的电信号，并将其转换为数字格式。

ATLAS探测器使用液态氩热量计来测量粒子碰撞产生的电脉冲。该设备是一个装满超低温氩气的大型容器，能记录每个经过粒子的电子轨迹。

随后，定制设计的ADC芯片将这些模拟信号转换为精确的数字数据，捕捉其他组件无法捕捉的细节。

强韧的设计

研究团队无法使用现成的商用组件。

“我们测试了标准的商用组件，它们直接就失效了。辐射实在太强了，”哥伦比亚大学工程学院的博士生芮（雷）旭（Rui (Ray) Xu）说。

因此，团队自行设计了芯片。他们精心挑选并布置组件，并设计了能自动纠正错误的数字系统。虽然他们并未发明新的制造方法，但他们运用了现有的电路级技术来制造芯片。

有趣的是，这种方法造就了一种强韧的设计，能够承受大型强子对撞机（LHC）的恶劣环境超过十年。

“研究证明，该ADC专用集成电路（ASIC）能够有效抵御高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）实验环境中预期的高强度辐射影响，”研究人员在研究中写道。

如今，其中两款创新芯片已成为ATLAS实验的一部分。

其中一款触发ADC芯片已经投入使用，其功能相当于一个“数字守门人”。它的任务是在每秒十亿次碰撞中进行筛选，只挑选出最具科学价值的碰撞事件供进一步研究。

第二款芯片是数据采集ADC芯片，目前正在生产和安装中，作为即将到来的大型强子对撞机（LHC）升级的一部分。该芯片将“精确数字化选定的信号”，使物理学家能够更详细地研究希格斯玻色子等现象。

该研究成果已在《IEEE固态电路学会开放期刊》上发表。

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