مرز‌های فیزیک ذرات با ساخت این تراشه جابجا شد!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،مهندسان دانشگاه کلمبیا تراشه مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) ویژه‌ای طراحی کرده‌اند که در ارتقای برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) در سازمان پژوهش‌های هسته‌ای اروپا (CERN) به کار گرفته خواهد شد. این تراشه‌های سیلیکونی مقاوم در برابر تابش، قابلیت ثبت و پردازش ۱.۵ میلیارد برخورد ذره‌ای در هر ثانیه را دارند و برای عملکرد در شرایط بسیار دشوار فیزیک ذرات طراحی شده‌اند.

به گزارش interestingengineering برخورددهنده بزرگ هادرونی یک تاسیسات عظیم زیرزمینی در مرز فرانسه و سوئیس با شتاب‌دهی ذرات تا نزدیکی سرعت نور و برخورد دادن آنها امکان مطالعه ذرات بنیادی همچون بوزون هیگز را فراهم می‌کند. در حال حاضر این شتاب‌دهنده حدود ۴۰۰ میلیون برخورد ذره‌ای در هر ثانیه ثبت می‌کند، اما با ارتقا‌های پیش‌رو این رقم به بیش از ۱.۵ میلیارد برخورد افزایش می‌یابد. چنین افزایش چشمگیری حجم عظیمی از داده تولید می‌کند و تابش شدیدی ایجاد می‌کند که می‌تواند تجهیزات الکترونیکی متداول را به سرعت تخریب کند.

از آنجا که بازار قطعات مقاوم در برابر تابش بسیار محدود است، شرکت‌های تجاری انگیزه‌ای برای سرمایه‌گذاری در این حوزه ندارند.

پیتر کینگت، استاد مهندسی برق دانشگاه کلمبیا می‌گوید: صنعت حاضر به ورود به این حوزه نبود، بنابراین دانشگاه‌ها وارد عمل شدند. تیم پژوهشی با استفاده از فناوری‌های موجود و روش‌های طراحی دقیق مدار تراشه‌هایی ساخت که توانایی جمع‌آوری و پردازش داده‌ها را در چنین محیطی دارند.

در آشکارساز ATLAS از کالریمتری با آرگون مایع برای ثبت پالس‌های الکتریکی ناشی از عبور ذرات استفاده می‌شود. این پالس‌ها به‌وسیله تراشه‌های ADC سفارشی به داده‌های دیجیتال دقیق تبدیل می‌شوند و امکان ثبت جزئیاتی را فراهم می‌آورند که با تجهیزات استاندارد قابل دستیابی نیست. آزمایش‌ها نشان داد که قطعات تجاری معمولی در برابر تابش شدید این محیط تاب‌آوری ندارند و به سرعت از کار می‌افتند.

تراشه‌های جدید با انتخاب دقیق قطعات، طراحی سامانه‌های اصلاح خودکار خطا و استفاده از روش‌های پیشرفته طراحی مدار به گونه‌ای ساخته شده‌اند که می‌توانند بیش از یک دهه در شرایط سخت HL-LHC دوام بیاورند. به گفته پژوهشگران این تراشه‌ها در برابر اثرات تابش شدید پیش‌بینی‌شده در محیط آزمایش‌های نسخه ارتقایافته LHC مقاوم هستند.

در حال حاضر دو مدل از این تراشه‌ها در پروژه ATLAS استفاده می‌شوند:

تراشه تریگر که نقش دروازه‌بان دیجیتال را دارد و از میان یک میلیارد برخورد در هر ثانیه تنها رویداد‌های علمی مهم و ارزشمند را برای بررسی بیشتر انتخاب می‌کند.

تراشه دریافت داده که در حال تولید و نصب است و وظیفه دارد سیگنال‌های انتخاب‌شده را با دقت بالا دیجیتال کند و امکان مطالعه پدیده‌هایی مانند بوزون هیگز را با جزئیات بیشتر فراهم سازد.

این نوآوری گامی اساسی در تضمین عملکرد پایدار برخورددهنده بزرگ هادرونی در دوران ارتقا و پیشبرد پژوهش‌های پیشرفته فیزیک ذرات به شمار می‌رود.