Grant Currin, Kolumbiya Universiteti Mühəndislik və Tətbiqi Elmlər Məktəbi

Gaby Clark tərəfindən redaktə edilmişdir , Andrew Zinin tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləriKomandanın çipi hər saniyə milyonlarla toqquşmadan gələn məlumatları emal edir. Kredit: ATLAS Təcrübəsi 2025 CERN

Böyük Adron Kollayderi (LHC) elektronika üçün sərtdir. İsveçrə və Fransa sərhədinin altından dairəvi şəkildə keçən 17 mil uzunluğundakı tunelin içərisində yerləşən bu nəhəng elmi cihaz hissəcikləri parçalamadan əvvəl işıq sürətinə yaxın sürətləndirir. Toqquşmalar kiçik hissəciklər və enerji girdabları verir ki, bu da maddənin tikinti blokları ilə bağlı əsas suallara cavab verir.

Bu toqquşmalar böyük miqdarda məlumat və demək olar ki, hər hansı bir elektron avadanlığın içərisində bitləri və məntiqi qarışdırmaq üçün kifayət qədər radiasiya yaradır.

Bu, Higgs bozonunun və digər fundamental hissəciklərin sirlərini daha dərindən araşdırmağa cəhd edən CERN fiziklərinə problem yaradır. Hazır komponentlər sürətləndiricinin içərisindəki sərt şərtlərə dözə bilmir və radiasiyaya davamlı sxemlər bazarı kommersiya çip istehsalçılarının investisiyalarını cəlb etmək üçün çox kiçikdir.

Kolumbiya Mühəndisliyində Elektrik Mühəndisliyi professoru Bernard J. Lechner Peter Kinget-ə görə, “Sənaye sadəcə səyləri doğrulda bilmədi, ona görə də akademiya işə qarışmalı oldu”. “LHC ilə edilən növbəti kəşflər bir Kolumbiya çipi tərəfindən tetiklenecek və digəri ilə ölçüləcək.”

Kinget , hissəciklər fizikasının ən sərt və ən vacib mühitlərindən birində məlumat toplayan xüsusi silikon çiplər hazırlayan komandaya rəhbərlik edir . Onların bu layihəni təsvir edən ən son məqaləsi iyulun 1-də Solid-State Circuits Society IEEE Open Journal -da dərc olunub .

Kolumbiya Universitetinin fizika professoru və LHC-nin nəhəng alətlərindən biri olan ATLAS detektoru üzərində işləyən Kolumbiya komandasının lideri Con Parsonsa görə, “Fiziklər və mühəndislər arasında bu cür əməkdaşlıqlar kainat haqqında fundamental sualları araşdırmaq qabiliyyətimizi inkişaf etdirmək üçün çox vacibdir”. “Ən müasir alətlərin inkişafı uğurumuz üçün çox vacibdir.”Tezliklə quraşdırılacaq ən son çip seçilmiş siqnalları dəqiqliklə rəqəmsallaşdırır, heç bir mövcud komponentin etibarlı şəkildə qeyd edə bilmədiyi detalları çəkir. Kredit: Ray Xu və Peter Kinget

Radiasiyaya müqavimət göstərən dövrələr

Komandanın tərtib etdiyi cihazlara analoqdan rəqəmsal çeviricilər və ya ADC deyilir. Onların vəzifəsi CERN-in detektorları daxilində hissəciklərin toqquşması nəticəsində yaranan elektrik siqnallarını tutmaq və onları tədqiqatçıların təhlil edə biləcəyi rəqəmsal məlumatlara çevirməkdir.

ATLAS detektorunda hissəciklərin toqquşması nəticəsində yaranan elektrik impulsları maye arqon kalorimetri adlanan cihazdan istifadə etməklə ölçülür. Ultra soyuq arqondan ibarət bu nəhəng çən keçən hər bir hissəciyin elektron izini çəkir. Kolumbiyanın ADC çipləri bu incə analoq siqnalları dəqiq rəqəmsal ölçmələrə çevirərək, heç bir mövcud komponentin etibarlı şəkildə qeyd edə bilmədiyi detalları çəkir.

Kolumbiya mühəndisliyi üzrə fəlsəfə doktoru Rui (Ray) Xu deyir: “Biz standart, kommersiya komponentlərini sınaqdan keçirdik və onlar sadəcə öldülər. Radiasiya çox güclü idi”. Texas Universitetində bakalavr ikən layihə üzərində işləyən tələbə. “Biz başa düşdük ki, işləyən bir şey istəsək, onu özümüz dizayn etməliyik.”

“Yüksək dəqiqlik” etibarlılığının layihələndirilməsi

Tamamilə yeni istehsal üsulları yaratmaq əvəzinə, komanda radiasiya müqaviməti üçün CERN tərəfindən təsdiqlənmiş kommersiya yarımkeçirici proseslərindən istifadə etdi və innovativ dövrə səviyyəli üsulları tətbiq etdi. Onlar radiasiya zərərini minimuma endirmək üçün komponentləri diqqətlə seçib ölçüb-biçdilər, dövrə arxitekturasını və planlarını təşkil etdilər və real vaxt rejimində səhvləri avtomatik aşkarlayan və düzəldən rəqəmsal sistemlər qurdular. Onların ortaya çıxan dizaynı on ildən artıqdır ki, LHC-də qeyri-adi ağır şəraitə tab gətirə biləcək qədər möhkəmdir.

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklər əldə edin .

Kolumbiyada dizayn edilmiş iki ADC çipinin ATLAS təcrübəsinin təkmilləşdirilmiş elektronikasına inteqrasiya ediləcəyi gözlənilir. Birincisi, trigger ADC adlanır, artıq CERN-də işləyir. İlkin olaraq 2017-ci ildə təsvir edilmiş və 2022-ci ildə təsdiq edilmiş bu çip tətik sisteminə saniyədə bir milyard toqquşmanı süzgəcdən keçirməyə və qeyd etmək üçün yalnız elmi baxımdan ən perspektivli hadisələri dərhal seçməyə imkan verir. O, nəyin daha dərin araşdırmaya layiq olduğuna qərar verən rəqəmsal qapıçı kimi xidmət edir.Böyük Adron Kollayderinin ATLAS detektoru hissəciklərin toqquşması nəticəsində yaranan elektrik impulslarını ölçür. Onun ultra-soyuq arqon qabı keçən hər bir hissəciyin elektron izini çəkir. Kredit: 2014 CERN

İkinci çip, məlumatların toplanması ADC, bu yaxınlarda son sınaqlardan keçdi və hazırda tam istehsaldadır. Bu ilin əvvəlində IEEE sənədində təsvir edilən çip növbəti LHC təkmilləşdirməsinin bir hissəsi kimi quraşdırılacaq. O, seçilmiş siqnalları çox dəqiqliklə rəqəmsallaşdıracaq və fiziklərə 2012-ci ildə CERN-də kəşfi manşetlərə çıxan və 2013-cü ildə fizika üzrə Nobel mükafatına səbəb olan, lakin dəqiq xassələri hələ də sirləri saxlayan Hiqqs bozonu kimi hadisələri araşdırmaq imkanı verəcək.

Hər iki çip fundamental fiziklər və mühəndislər arasında birbaşa əməkdaşlığı təmsil edir.

“Bir mühəndis kimi fundamental elmə birbaşa töhfə vermək imkanı bu layihəni xüsusi edən şeydir” dedi Xu.

Bu, daha çox qurumlar arasında əməkdaşlıq imkanları yaratdı. Çiplər Kolumbiyanın Nevis Laboratoriyaları və Ostin Texas Universitetinin fizikləri ilə sıx əməkdaşlıqda Kolumbiyada və Texas Universitetində, Ostində elektrik mühəndisləri tərəfindən hazırlanmışdır.

Kolumbiyanın çipləri qismən Kolumbiyanın Nevis Laboratoriyaları tərəfindən koordinasiya edilən daha geniş beynəlxalq əməkdaşlıqda mərkəzi rol oynayır. CERN-də aparılan tədqiqatlar irəlilədikcə, Kolumbiya tərəfindən hazırlanmış komponentlər fiziklərə mövcud bilik hüdudlarından kənar hadisələri təhlil etməkdə dəstək verən məlumatların toplanması sistemlərinə töhfə verəcək.

Ətraflı məlumat: Rui Xu və başqaları, ATLAS Maye Arqon Kalorimetrinin Oxunu üçün Radiasiya Sərt 8 Kanallı 15 Bit 40 MSPS ADC, Bərk Dövlət Circuits Cəmiyyətinin IEEE Açıq Jurnalı (2025). DOI: 10.1109/OJSSCS.2025.3573904

Kolumbiya Universiteti Mühəndislik və Tətbiqi Elmlər Məktəbi tərəfindən təmin edilmişdir