Колумбийские инженеры создали электронику, устойчивую к радиации в Большом адронном коллайдере

Новый чип, который скоро будет установлен, точно оцифровывает выбранные сигналы, фиксируя детали, которые не мог надежно записать ни один существующий компонент. Авторы: Рэй Сюй и Питер Кинджет

Большой адронный коллайдер (БАК) — это настоящее испытание для электроники. Расположенный в 27-километровом туннеле под границей Швейцарии и Франции, этот гигантский научный инструмент разгоняет частицы почти до скорости света, прежде чем сталкивать их друг с другом. Эти столкновения создают крошечные вихри частиц и энергии, которые помогают ученым искать ответы на фундаментальные вопросы о строении материи.

Однако столкновения производят огромное количество данных — и столько радиации, что она может повредить почти любую электронику.

Это создает серьезную проблему для физиков CERN, пытающихся глубже изучить тайны бозона Хиггса и других элементарных частиц. Обычные коммерческие компоненты не выдерживают жестких условий внутри ускорителя, а рынок радиационно-устойчивых микросхем слишком мал, чтобы привлекать инвестиции крупных производителей.

«Промышленность просто не могла оправдать усилия, поэтому вмешалась академическая наука», — говорит Питер Кинджет, профессор электротехники Колумбийского университета. «Следующие открытия на БАК будут запускаться одним колумбийским чипом и измеряться другим».

Кинджет возглавляет команду, разработавшую специализированные кремниевые чипы, которые собирают данные в одной из самых сложных и важных сред в физике частиц. Их последняя работа, посвященная этому проекту, была опубликована 1 июля в журнале IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society.

«Подобное сотрудничество между физиками и инженерами крайне важно для продвижения нашей способности исследовать фундаментальные вопросы о Вселенной», — отмечает Джон Парсонс, профессор физики Колумбийского университета. «Разработка передовых инструментов — ключ к нашему успеху».

Устойчивые к радиации микросхемы

Устройства, созданные командой, называются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Их задача — фиксировать электрические сигналы, возникающие при столкновении частиц внутри детекторов CERN, и преобразовывать их в цифровые данные для анализа.

В детекторе ATLAS импульсы от столкновений частиц измеряются с помощью жидкого аргонового калориметра — огромного резервуара с охлажденным аргоном, который фиксирует след каждой проходящей частицы. Чипы АЦП от Колумбийского университета преобразуют эти аналоговые сигналы в точные цифровые данные, фиксируя детали, которые раньше было невозможно надежно записать.

«Мы тестировали стандартные коммерческие компоненты, и они просто выходили из строя. Радиация была слишком сильной», — говорит Руи (Рэй) Сюй, аспирант Колумбийского университета, работающий над проектом. «Мы поняли, что если хотим что-то работоспособное, придется разрабатывать самим».

Инженерный подход к надежности

Вместо создания новых методов производства команда использовала коммерческие полупроводниковые процессы, проверенные CERN на радиационную устойчивость, и применила инновационные схемотехнические решения. Они тщательно подбирали компоненты, оптимизировали архитектуру схем и внедрили цифровые системы, автоматически исправляющие ошибки в реальном времени. В результате их разработка способна выдерживать экстремальные условия БАК более десяти лет.

Два чипа АЦП от Колумбийского университета будут интегрированы в модернизированную электронику эксперимента ATLAS. Первый, называемый «триггерным АЦП», уже работает в CERN. Этот чип, описанный в 2017 году и проверенный в 2022, позволяет системе отбирать около миллиарда столкновений в секунду, сохраняя только самые перспективные для науки события.

Второй чип, АЦП для сбора данных, недавно прошел финальные испытания и запущен в производство. Он будет установлен в рамках следующего обновления БАК и позволит физикам точнее изучать такие явления, как бозон Хиггса, открытый в CERN в 2012 году и принесший Нобелевскую премию по физике в 2013, но до сих пор хранящий загадки.

«Возможность как инженера напрямую вносить вклад в фундаментальную науку — вот что делает этот проект особенным», — говорит Сюй.

Проект также стал примером сотрудничества между университетами. Чипы разрабатывались инженерами Колумбийского университета и Университета Техаса в Остине совместно с физиками из лабораторий Невиса (Колумбия) и Техасского университета.

Финансируемые Национальным научным фондом и Министерством энергетики США, чипы Колумбийского университета играют ключевую роль в международном проекте, координируемом лабораториями Невиса. По мере развития исследований в CERN эти компоненты помогут физикам анализировать явления, выходящие за пределы современных знаний.