一款專為歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（LHC）升級而設計的專用輻射抗性晶片近日問世。這款類比轉數位轉換器（ADC）晶片由哥倫比亞大學的工程師們開發，將在ATLAS探測器中使用，以每秒測量高達 15 億次的粒子碰撞。這些專門設計的晶片至關重要，因為LHC的高能粒子碰撞會產生強烈的輻射，這種輻射會摧毀標準商業電子設備。大型強子對撞機是一個龐大的地下設施，位於法國和瑞士之間，科學家們在這裡以接近光速的速度碰撞基本粒子，如希格斯玻色子。據報導，每秒大約會發生 4 億次粒子碰撞，而隨著LHC即將進行的升級，碰撞次數將大幅增加至 15 億次或更多。這些碰撞產生了大量數據並且伴隨著強烈的輻射，這種輻射的強度足以損壞或摧毀大多數電子設備。
由於輻射抗性元件的市場規模過小，無法吸引商業投資，因此需要專門的解決方案來應對這些極端環境。哥倫比亞工程學院的伯納德·J·萊克納電氣工程教授彼得·金吉特表示：「業界根本無法合理化這種努力，因此學術界不得不介入。」他們設計了專門的矽晶片，以便在極端的粒子物理環境中收集數據。這些晶片將粒子碰撞的物理世界與科學家可以分析的數字數據連接起來。類比轉數位轉換器的任務是捕捉粒子碰撞產生的電信號並將其轉換為數字格式。ATLAS探測器使用液氬能量計來測量粒子碰撞產生的電脈衝，這是一個裝滿超冷氬氣的大型容器，會記錄每一個穿過粒子的電子跡象。然後，專門設計的ADC晶片將這些類比信號轉換為精確的數字數據，捕捉到其他元件無法捕捉的細節。
這些研究團隊無法使用現成的元件來滿足需求。哥倫比亞大學工程學院的博士生蕭瑞（Rui Xu）指出：「我們測試過標準商業元件，但它們無法存活，輻射強度過高。」因此，團隊設計了自己的晶片，選擇並排列元件，並構建了可以自動糾正錯誤的數字系統。雖然他們並未創造新的製造方法，但使用了現有的電路級技術來創建晶片。有趣的是，這種方法導致了一種耐用的設計，能夠在LHC的惡劣條件下堅持超過十年。研究人員在研究中寫道：「ADC ASIC在預期的HL-LHC實驗環境中的強烈輻射影響下表現出堅韌性。」這兩款創新的晶片目前已成為ATLAS實驗的一部分。其中一款觸發ADC已經投入使用，作為“數字守門人”過濾每秒十億次的碰撞，只選擇最具科學潛力的事件進行進一步研究。第二款數據獲取ADC目前正在生產中，並將作為即將進行的LHC升級的一部分進行安裝。這款晶片將“精確地數位化所選信號”，使物理學家能夠更詳細地研究希格斯玻色子等現象。相關研究成果已於IEEE開放期刊的固態電路學會報告中發表。
