ساخت تراشه مقاوم در برابر تشعشع برای ثبت ۱.۵ میلیارد برخورد ذرات

مهندسان دانشگاه کلمبیا تراشه مقاوم در برابر تشعشع برای شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی CERN طراحی کرده‌اند که قادر است در پروژه ATLAS تا ۱.۵ میلیارد برخورد ذره‌ای را در هر ثانیه ثبت و به داده‌های دقیق دیجیتال تبدیل کند.

به گزارش تک‌ناک، شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی، تأسیساتی عظیم در مرز فرانسه و سوئیس، برای مطالعه ذرات بنیادی از جمله بوزون هیگز، ذرات را با سرعتی نزدیک به نور به هم برخورد می‌دهد. در شرایط فعلی، تعداد برخوردها حدود ۴۰۰ میلیون بار در هر ثانیه است.

اما با ارتقای پیش رو و ۱.۵ میلیارد برخورد، چنین حجم عظیمی علاوه بر تولید داده‌های بسیار زیاد، تشعشعات شدیدی ایجاد می‌کند، که می‌تواند قطعات الکترونیکی متداول را تخریب نماید. به دلیل محدود بودن بازار قطعات مقاوم در برابر تشعشع، سرمایه‌گذاری صنعتی در این حوزه صرفه اقتصادی ندارد و این موضوع ضرورت توسعه راهکارهای دانشگاهی را پررنگ کرده است.

پروفسور پیتر کینگت، استاد مهندسی برق دانشگاه کلمبیا، با اشاره به چالش‌های موجود گفت: «صنعت، امکان سرمایه‌گذاری روی چنین فناوری خاصی را نداشت، بنابراین دانشگاه‌ها وارد عمل شدند.»

این تراشه‌ها وظیفه دارند سیگنال‌های الکتریکی حاصل از برخورد ذرات را دریافت و با تبدیل آنها به داده‌های دیجیتال، امکان تحلیل علمی دقیق‌تر را برای پژوهشگران فراهم کنند.

آشکارساز ATLAS از یک کالری‌متر آرگون مایع برای ثبت پالس‌های الکتریکی ناشی از برخوردها استفاده می‌کند. مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال سفارشی، این سیگنال‌ها را با دقت بالا دیجیتالی و جزئیاتی را ثبت می‌کنند که تجهیزات دیگر قادر به ثبت آن نیستند.

آزمایش تراشه‌های تجاری متداول در این شرایط نشان داد که آنها به‌سرعت از کار می‌افتند. روی (ری) شو، دانشجوی دکتری مهندسی کلمبیا، توضیح داد: «قطعات معمولی بلافاصله از بین می‌رفتند، شدت تشعشع بسیار زیاد بود.» تیم تحقیقاتی با استفاده از تکنیک‌های شناخته‌شده طراحی مدارات و سیستم‌های دیجیتال تصحیح خطا، تراشه مقاوم در برابر تشعشع ساختند که می‌تواند بیش از یک دهه در محیط سخت LHC کار کند.

در پروژه ATLAS دو مدل تراشه نقش کلیدی دارند؛ تراشه Trigger ADC که هم‌اکنون در حال فعالیت است، به‌ عنوان «دروازه‌بان دیجیتال» از میان میلیاردها برخورد ذره‌ای در هر ثانیه تنها رویدادهای علمی ارزشمند را شناسایی و برای تحلیل بیشتر انتخاب می‌کند، همچنین تراشه Data Acquisition ADC که در مرحله تولید و نصب قرار دارد، وظیفه دارد سیگنال‌های انتخاب‌شده را با بالاترین دقت ممکن به داده‌های دیجیتال تبدیل کند تا امکان بررسی دقیق و عمیق پدیده‌های بنیادی فیزیک ذرات، از جمله بوزون هیگز با جزئیاتی بی‌سابقه فراهم شود.

این پیشرفت گامی مهم در ارتقای توانایی‌های علمی شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی به حساب می‌آید و به فیزیک‌دانان امکان می‌دهد که با دقتی بی‌سابقه به کشف و مطالعه اسرار ذرات بنیادی بپردازند.