一款新型專用抗輻射加固芯片已為歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）升級(jí)項(xiàng)目設(shè)計(jì)完成。

這款模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）芯片由哥倫比亞大學(xué)的工程師研發(fā)。

這些定制設(shè)計(jì)的芯片將用于ATLAS探測(cè)器中，以每秒測(cè)量高達(dá)15億次粒子碰撞。

這些芯片至關(guān)重要，因?yàn)榇笮蛷?qiáng)子對(duì)撞機(jī)的高能粒子碰撞會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射，足以摧毀標(biāo)準(zhǔn)的商用電子設(shè)備。

用于ATLAS探測(cè)器的芯片

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是位于法國(guó)和瑞士之間的一座巨大的地下設(shè)施。為了研究希格斯玻色子等基本粒子，物理學(xué)家在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中以接近光速的速度碰撞粒子。

據(jù)報(bào)道，每秒大約發(fā)生4億次粒子碰撞。隨著大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)即將進(jìn)行的升級(jí)，碰撞次數(shù)將急劇增加至每秒15億次甚至更多。

這些碰撞不僅產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，還會(huì)釋放出強(qiáng)烈的輻射，其強(qiáng)度足以損壞或摧毀大多數(shù)電子設(shè)備。

由于抗輻射組件的市場(chǎng)規(guī)模太小，無(wú)法吸引商業(yè)投資，因此需要專門(mén)的解決方案來(lái)處理這些極端條件。

“工業(yè)界根本無(wú)法證明投入這些努力的合理性，因此學(xué)術(shù)界必須介入，”哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院電氣工程Bernard J. Lechner講席教授彼得·金格特（Peter Kinget）表示。

他們?cè)O(shè)計(jì)了專用硅芯片，用于在極端粒子物理環(huán)境中收集數(shù)據(jù)。這些芯片將粒子碰撞的物理世界與科學(xué)家可分析的數(shù)字化數(shù)據(jù)連接起來(lái)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片的任務(wù)是捕捉粒子碰撞產(chǎn)生的電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。

ATLAS探測(cè)器使用液態(tài)氬熱量計(jì)來(lái)測(cè)量粒子碰撞產(chǎn)生的電脈沖。該設(shè)備是一個(gè)裝滿超低溫氬氣的大型容器，能記錄每個(gè)經(jīng)過(guò)粒子的電子軌跡。

隨后，定制設(shè)計(jì)的ADC芯片將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，捕捉其他組件無(wú)法捕捉的細(xì)節(jié)。

強(qiáng)韌的設(shè)計(jì)

研究團(tuán)隊(duì)無(wú)法使用現(xiàn)成的商用組件。

“我們測(cè)試了標(biāo)準(zhǔn)的商用組件，它們直接就失效了。輻射實(shí)在太強(qiáng)了，”哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院的博士生芮（雷）旭（Rui (Ray) Xu）說(shuō)。

因此，團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)了芯片。他們精心挑選并布置組件，并設(shè)計(jì)了能自動(dòng)糾正錯(cuò)誤的數(shù)字系統(tǒng)。雖然他們并未發(fā)明新的制造方法，但他們運(yùn)用了現(xiàn)有的電路級(jí)技術(shù)來(lái)制造芯片。

有趣的是，這種方法造就了一種強(qiáng)韌的設(shè)計(jì)，能夠承受大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的惡劣環(huán)境超過(guò)十年。

“研究證明，該ADC專用集成電路（ASIC）能夠有效抵御高亮度大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（HL-LHC）實(shí)驗(yàn)環(huán)境中預(yù)期的高強(qiáng)度輻射影響，”研究人員在研究中寫(xiě)道。

如今，其中兩款創(chuàng)新芯片已成為ATLAS實(shí)驗(yàn)的一部分。

其中一款觸發(fā)ADC芯片已經(jīng)投入使用，其功能相當(dāng)于一個(gè)“數(shù)字守門(mén)人”。它的任務(wù)是在每秒十億次碰撞中進(jìn)行篩選，只挑選出最具科學(xué)價(jià)值的碰撞事件供進(jìn)一步研究。

第二款芯片是數(shù)據(jù)采集ADC芯片，目前正在生產(chǎn)和安裝中，作為即將到來(lái)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）升級(jí)的一部分。該芯片將“精確數(shù)字化選定的信號(hào)”，使物理學(xué)家能夠更詳細(xì)地研究希格斯玻色子等現(xiàn)象。

該研究成果已在《IEEE固態(tài)電路學(xué)會(huì)開(kāi)放期刊》上發(fā)表。

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