Учёные создали радиационно-устойчивые чипы для Большого адронного коллайдера

Чип обрабатывает данные миллионов столкновений частиц каждую секунду. Автор: ATLAS Experiment 2025 CERN

Большой адронный коллайдер (БАК) — настоящее испытание для электроники. Расположенный в 27-километровом туннеле под границей Швейцарии и Франции, этот гигантский научный инструмент разгоняет частицы почти до скорости света, сталкивая их между собой. Эти столкновения создают миниатюрные вихри частиц и энергии, помогая учёным искать ответы на фундаментальные вопросы о строении материи.

Однако такие столкновения генерируют не только огромные объёмы данных, но и мощное радиационное излучение, способное повредить практически любую электронику.

«Промышленность не могла оправдать затраты на разработку, поэтому вмешалась академическая наука», — поясняет Питер Кинджет, профессор электротехники Колумбийского университета.

Команда под его руководством разработала специализированные кремниевые чипы, способные работать в одном из самых экстремальных условий физики элементарных частиц. Их последнее исследование было опубликовано 1 июля в IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society.

Новый чип, который скоро установят, точно оцифровывает сигналы, фиксируя детали, недоступные другим компонентам. Автор: Рэй Сюй и Питер Кинджет

Устойчивые к радиации схемы

Разработанные устройства — это аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Их задача — фиксировать электрические сигналы от столкновений частиц в детекторах ЦЕРНа и преобразовывать их в цифровые данные для анализа.

В детекторе ATLAS импульсы от столкновений регистрируются с помощью калориметра на жидком аргоне. Эта огромная ёмкость со сверхохлаждённым аргоном фиксирует след каждой проходящей частицы. Чипы Колумбийского университета преобразуют эти аналоговые сигналы в точные цифровые данные.

«Мы тестировали стандартные коммерческие компоненты — они просто выходили из строя. Радиация была слишком интенсивной», — говорит Руи (Рэй) Сюй, аспирант Колумбийского университета.

Инновационный подход

Вместо создания новых методов производства команда использовала проверенные ЦЕРНом технологии, добавив инновационные схемотехнические решения. Они тщательно подбирали компоненты, оптимизировали архитектуру и внедрили системы автоматической коррекции ошибок. Результат — чипы, способные работать в условиях БАК более 10 лет.

Детектор ATLAS фиксирует импульсы от столкновений частиц. Автор: 2014 CERN

Два чипа уже готовы к интеграции в модернизированную электронику ATLAS. Первый, «триггерный АЦП», уже работает в ЦЕРНе. Второй, «АЦП сбора данных», прошёл финальные испытания и скоро будет установлен в рамках следующего обновления БАК.

Эти разработки стали результатом тесного сотрудничества физиков и инженеров из Колумбийского университета и Университета Техаса. Как отмечают исследователи, такие проекты открывают новые возможности для изучения явлений вроде бозона Хиггса, открытого в 2012 году, но до сих пор хранящего множество загадок.

Дополнительная информация: Rui Xu et al, A Radiation-Hard 8-Channel 15-Bit 40-MSPS ADC for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Readout, IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society (2025). DOI: 10.1109/OJSSCS.2025.3573904