تراشه‌های نوین دانشگاه کلمبیا برای ارتقای برخورددهنده بزرگ هادرونی CERN

چالش‌های ارتقای LHC و نیاز به فناوری‌های نوین

برخورددهنده بزرگ هادرونی، تاسیساتی عظیم در مرز فرانسه و سوئیس، با شتاب‌دهی ذرات تا نزدیکی سرعت نور و برخورد دادن آن‌ها، امکان مطالعه ذرات بنیادی را فراهم می‌آورد. در حال حاضر، این شتاب‌دهنده حدود ۴۰۰ میلیون برخورد ذره‌ای در هر ثانیه را ثبت می‌کند. با این حال، ارتقاهای آتی این رقم را به بیش از ۱.۵ میلیارد برخورد در ثانیه افزایش خواهد داد.

این افزایش چشمگیر، چالش‌های متعددی را به همراه دارد:

• تولید حجم عظیمی از داده: نیاز به سیستم‌های پردازش داده با ظرفیت بالا.
• تابش شدید: محیطی با تابش بسیار بالا که می‌تواند تجهیزات الکترونیکی متداول را به سرعت تخریب کند.

بازار قطعات مقاوم در برابر تابش بسیار محدود است و شرکت‌های تجاری انگیزه کمی برای سرمایه‌گذاری در این حوزه دارند. پیتر کینگت، استاد مهندسی برق دانشگاه کلمبیا، در این باره می‌گوید:

«صنعت حاضر به ورود به این حوزه نبود، بنابراین دانشگاه‌ها وارد عمل شدند.»

طراحی و ویژگی‌های تراشه‌های مقاوم در برابر تابش

تیم پژوهشی دانشگاه کلمبیا با استفاده از فناوری‌های موجود و روش‌های طراحی دقیق مدار، تراشه‌هایی را توسعه داده‌اند که قادر به جمع‌آوری و پردازش داده‌ها در چنین محیط دشواری هستند. این تراشه‌های سیلیکونی مقاوم در برابر تابش، قابلیت ثبت و پردازش ۱.۵ میلیارد برخورد ذره‌ای در هر ثانیه را دارند.

در آشکارساز ATLAS، از کالریمتری با آرگون مایع برای ثبت پالس‌های الکتریکی ناشی از عبور ذرات استفاده می‌شود. این پالس‌ها توسط تراشه‌های ADC سفارشی به داده‌های دیجیتال دقیق تبدیل می‌شوند. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که قطعات تجاری معمولی در برابر تابش شدید این محیط تاب‌آوری ندارند و به سرعت از کار می‌افتند.

تراشه‌های جدید با ویژگی‌های زیر طراحی شده‌اند تا بیش از یک دهه در شرایط سخت HL-LHC دوام بیاورند:

• انتخاب دقیق قطعات
• طراحی سامانه‌های اصلاح خودکار خطا
• استفاده از روش‌های پیشرفته طراحی مدار

پژوهشگران تاکید کرده‌اند که این تراشه‌ها در برابر اثرات تابش شدید پیش‌بینی‌شده در محیط آزمایش‌های نسخه ارتقایافته LHC مقاوم هستند.

کاربرد دو مدل تراشه در پروژه ATLAS

در حال حاضر، دو مدل از این تراشه‌ها در پروژه ATLAS مورد استفاده قرار می‌گیرند:

• تراشه تریگر: این تراشه نقش دروازه‌بان دیجیتال را ایفا می‌کند و از میان میلیاردها برخورد در هر ثانیه، تنها رویدادهای علمی مهم و ارزشمند را برای بررسی بیشتر انتخاب می‌کند.
• تراشه دریافت داده: این تراشه که در حال تولید و نصب است، وظیفه دارد سیگنال‌های انتخاب‌شده را با دقت بالا دیجیتال کند و امکان مطالعه پدیده‌هایی مانند بوزون هیگز را با جزئیات بیشتر فراهم سازد.