在地球上环境最为极端的地方之一——大型强子对撞机中，普通电子设备几乎会立即失效。但哥伦比亚大学的工程师们研制出了定制微芯片，这种芯片不仅能在对撞机强烈的辐射中幸存下来，而且在揭开宇宙的秘密方面发挥着关键作用。

这些芯片将粒子碰撞产生的微弱电信号进行数字化，帮助物理学家从数十亿个事件中筛选出有关希格斯玻色子及更多现象的线索。这是科学前沿关于生存、精确性和人类才智的故事。

LHC：粒子碰撞的强力装置

大型强子对撞机 (LHC) 对电子设备的要求极高。它位于瑞士和法国边境下方、一条周长为 17 英里的圆形隧道内，这一庞大的科学仪器会将粒子加速到接近光速，然后使其对撞。对撞会产生粒子和能量的微小漩涡，其中隐含着物质构成基本问题的答案。

这些碰撞会产生大量的数据，并产生足够的辐射来扰乱几乎所有电子设备内部的数据位和逻辑。

这给欧洲核子研究组织 (CERN) 的物理学家们带来了挑战，因为他们试图更深入地探究希格斯玻色子 (Higgs boson) 和其他基本粒子的奥秘。现成的组件根本无法在加速器的恶劣环境中存活，而防辐射电路的市场规模又太小，无法吸引商业芯片制造商进行投资。

哥伦比亚大学工程师前来救援

“工业界无法证明其付出的努力是合理的，因此学术界必须介入，”哥伦比亚工程学院电气工程伯纳德·J·莱彻纳讲座教授彼得·金吉特说道。“ATLAS的下一步进展将由一块哥伦比亚芯片触发，并由另一块芯片进行测量。”

金格特（Kinget）领导了一个团队，该团队设计了专门用于在粒子物理学领域最严酷且最重要的环境之一中收集数据的硅芯片。描述该项目的最新论文已于7月1日发表在《IEEE固态电路学会开放期刊》上。

“物理学家和工程师之间的这类合作，对于提高我们探索宇宙基本问题的能力至关重要，”哥伦比亚大学物理学教授、哥伦比亚大学大型强子对撞机（LHC）巨型仪器之一ATLAS探测器研究团队负责人约翰·帕森斯说道，“开发最先进的仪器对于我们的成功至关重要。”

防辐射电路

该团队设计的设备被称为模数转换器（ADC）。它们的任务是捕获欧洲核子研究组织（CERN）探测器内部粒子碰撞产生的电信号，并将其转换为研究人员可以分析的数字数据。

在超环面仪器探测器（ATLAS）中，粒子碰撞产生的电脉冲是通过一种名为液氩量热器的装置进行测量的。这个盛有超冷氩气的巨大容器能够捕捉每个穿过它的粒子的电子轨迹。哥伦比亚大学的模数转换器芯片（ADC）可将这些微弱的模拟信号转换为精确的数字测量值，捕捉到现有任何组件都无法可靠记录的细节。

“我们测试了标准的商用元件，但它们根本承受不住。辐射太强了，”哥伦比亚大学工程学院博士生Rui（Ray）Xu说道。自他在德克萨斯大学攻读本科以来，他就一直参与这个项目。“我们意识到，如果我们想要可用的元件，就必须自己设计。”

制造抗辐射芯片

该团队没有创造全新的制造方法，而是采用了经欧洲核子研究组织 (CERN) 验证具有抗辐射性的商用半导体工艺，并应用了创新的电路级技术。他们精心挑选并确定了组件的尺寸，还安排了电路架构和布局，以最大程度地减少辐射造成的损害，并构建了能够实时自动检测和纠正错误的数字系统。他们的设计具有足够的复原力，能够在大型强子对撞机 (LHC) 中承受异常严酷的条件，且持续时间超过十年。

预计两款由哥伦比亚大学设计的模数转换器（ADC）芯片将被整合进大型强子对撞机（ATLAS）探测器实验的升级版电子设备中。第一款名为触发模数转换器，目前已在欧洲核子研究组织（CERN）投入运行。该芯片最初于2017年描述，并于2022年通过验证，它能够使触发系统每秒过滤约十亿次碰撞，并立即选出最具科学前景的事件进行记录。它充当数字守门员的角色，决定哪些数据值得深入研究。

希格斯粒子及其以外的精确性

第二块芯片，即数据采集模数转换器（ADC），最近通过了最终测试，现已投入批量生产。今年早些时候，IEEE的一篇论文对该芯片进行了描述，该芯片将成为大型强子对撞机（LHC）下一次升级的组成部分。该芯片能够以非常高的精度将选定信号数字化，从而使物理学家能够探索希格斯玻色子等现象。2012年，欧洲核子研究组织（CERN）发现了希格斯玻色子，这一发现当时轰动一时，并使相关研究人员获得了2013年的诺贝尔物理学奖，但其确切性质至今仍是个谜。

这两款芯片都是基础物理学家与工程师直接合作的产物。

徐表示：“作为一名工程师，能直接为基础科学做出贡献，这样的机会让这个项目显得与众不同。”

跨机构合作

这进一步为多家机构之间的合作创造了机会。芯片由哥伦比亚大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的电气工程师与哥伦比亚大学内维斯实验室和德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家紧密合作设计而成。

哥伦比亚大学的芯片由国家科学基金会和能源部资助，在由哥伦比亚大学内维斯实验室部分协调的更广泛的国际合作中发挥着核心作用。随着欧洲核子研究组织研究的推进，哥伦比亚大学设计的组件将有助于数据采集系统，支持物理学家分析当前知识范围之外的现象。

参考文献：许芮、雅罗斯拉夫·班、萨尔塔克·卡拉尼、徐辰凯、苏巴吉特·雷、布瑞恩·科比、加布里埃尔·马托斯、茱莉亚·贡斯基、安德鲁·C·史密斯、丹尼尔·M·威廉姆斯、凯利·E·肯尼迪、艾伦·卡恩、米歇尔·孔特雷拉斯-科西奥、劳伦·拉尔森、迈克尔·黑梅尔斯巴赫、德万舒·潘查尔、迈克尔·尤纳尼安、杨向星、孙楠、约翰·帕森斯、蒂莫西·R·安德林和彼得·R·金格特所著《面向ATLAS液氩量能器读出的耐辐射8通道15位40MSPS模数转换器》，发表于2025年5月28日，IEEE固态电路学会开放期刊。 DOI：10.1109/OJSSCS.2025.3573904

作者：徐锐、雅罗斯拉夫·班、萨尔塔克·卡拉尼、陈凯·许、苏巴吉特·雷、布瑞恩·科比、加布里埃尔·马托斯、茱莉亚·贡斯基、安德鲁·C·史密斯、丹尼尔·M·威廉姆斯、凯利·E·肯尼迪、艾伦·卡恩、米歇尔·孔特雷拉斯-科西奥、劳伦·拉森、迈克尔·希梅尔巴赫、德万舒·潘查尔、迈克尔·尤纳尼安、杨向星、孙楠、约翰·帕森斯、小蒂莫西·R·安德森和彼得·R·金格特

资金/致谢：本研究工作部分得到了美国国家科学基金会（Grant PHY 1948993和Grant PHY 2013070）以及美国能源部（Grant DE-SC0007890）的资助。许睿（Rui Xu）的工作部分得到了美国国家航空航天局太空技术研究生研究机会（Grant 80NSSC22K1176）的资助。

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