Chips são feitos para suportar radiação no interior do LHC

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/08/2025

Este é um dos chips projetados para sobreviver às condições extremas de radiação no interior do acelerador de partículas.
[Imagem: Rui Xu et al. - 10.1109/OJSSCS.2025.3573904]

Inferno da eletrônica

Aceleradores de partículas, como o LHC, aceleram partículas a velocidades próximas à da luz antes de fazê-las colidir, criando turbilhões de energia e novas partículas que imitam até mesmo as condições que só devem ter existido logo após o Big Bang.

Não é um bom lugar para colocar aparelhos eletrônicos, como computadores, muito sensíveis a condições muito mais amenas do que isso - se fabricar eletrônicos de nível espacial já é complicado e caro, imagine fazê-los resistir a níveis de radiação que não apenas detonam os bits e a lógica dentro de qualquer equipamento eletrônico, mas podem até mesmo torrar os próprios chips.

Mas não há outro jeito: As colisões produzem uma quantidade enorme de dados, e esses dados precisam ser coletados o mais próximo possível da colisão, antes que as partículas geradas decaiam em outras, conforme a energia se dissipa.

Os componentes eletrônicos comerciais, que podemos comprar no comércio prontos para uso, simplesmente não conseguem sobreviver às condições dentro do acelerador, e o mercado de circuitos resistentes a esse nível de radiação é pequeno demais para atrair investimentos dos grandes fabricantes de chips.

Então, os cientistas precisam fabricar seus próprios chips em seus laboratórios acadêmicos.

"A indústria simplesmente não consegue justificar o esforço, então a academia teve que intervir," disse o professor Peter Kinget, da Universidade de Colúmbia, nos EUA. "As próximas descobertas feitas com o LHC serão acionadas por um chip da Colúmbia e medidas por outro."

Detalhe do chip mais recente, que será instalado em breve. Ele digitaliza com precisão sinais selecionados, capturando detalhes que nenhum componente existente poderia registrar de forma confiável.
[Imagem: Ray Xu/Peter Kinget]

"Os chips comerciais torraram"

Os chips projetados pelos pesquisadores são chamados de conversores analógico-digitais, ou ADCs (analog-to-digital converters). Sua função é capturar sinais elétricos produzidos pelas colisões de partículas dentro dos detectores e traduzi-los em dados digitais que os pesquisadores podem analisar.

Dentro do detector ATLAS, por exemplo, um dos quatro grandes detectores do LHC, os pulsos elétricos gerados pelas colisões de partículas são medidos usando um dispositivo chamado calorímetro de argônio líquido. É um enorme tanque de argônio ultrafrio que captura um traço eletrônico de cada partícula que passa por ele. Os chips ADC convertem esses delicados sinais analógicos em medições digitais precisas, capturando detalhes que nenhum componente existente conseguiria registrar com confiabilidade.

"Nós testamos componentes comerciais padrão e eles simplesmente torraram. A radiação era muito intensa. Nós nos demos conta então que, se quiséssemos algo que funcionasse, teríamos que projetá-lo nós mesmos," disse Rui Xu, membro da equipe.

Em vez de criar métodos de fabricação inteiramente novos, a equipe usou processos comerciais de semicondutores e desenvolveu novas técnicas em nível de circuito. Isso envolveu escolher e dimensionar cuidadosamente os componentes e organizar as arquiteturas e leiautes dos circuitos para minimizar os danos causados pela radiação.

A equipe também construiu sistemas digitais que detectam e corrigem erros automaticamente em tempo real, produzindo chips que são resilientes o suficiente para suportar as condições excepcionalmente severas do LHC - e com uma vida útil estimada em mais de uma década.

Fluxo simplificado do sistema de leitura e registro de sinais do calorímetro do detector ATLAS (esquerda), destacando a cadeia analógica de sinais.
[Imagem: Rui Xu et al. - 10.1109/OJSSCS.2025.3573904]

Testes

O primeiro chip, chamado de gatilho do ADC, filtra cerca de um bilhão de colisões por segundo, selecionando instantaneamente apenas os eventos cientificamente mais promissores para registro. Ele serve como um guardião digital que decide o que merece uma investigação mais aprofundada. Ele já teve seu funcionamento validado no detector ATLAS.

O segundo chip, o ADC de aquisição de dados, faz a parte seguinte do trabalho, digitalizando com precisão os sinais selecionados pelo primeiro chip. O novo ADC passou recentemente nos testes finais e agora está em fase de produção, devendo ser instalado na próxima atualização do LHC.

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