Ubicado dentro del enorme detector MicroBooNE, parte de un nuevo experimento de neutrinos que acaba de comenzar en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, se encuentran 50 placas de circuitos llenas de microelectrónica personalizada. Estos circuitos fueron diseñados por ingenieros enEl Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE operará mientras está sumergido en argón líquido, un líquido criogénico que hierve a una temperatura de -186 grados Celsius o -303 grados Fahrenheit.
Los físicos han descubierto que un gran volumen de argón líquido denso e inerte proporciona el medio perfecto para detectar el esquivo neutrino, una partícula subatómica cuyas propiedades pueden proporcionar pistas sobre algunos de los misterios más desconcertantes de la física. Entonces, el corazón de MicroBooNE es uncámara de proyección de tiempo llena con 170 toneladas del fluido gélido. Los neutrinos que navegan a través de la cámara ocasionalmente interactúan con la densa red de átomos de argón, generando partículas cargadas como electrones y muones. Guiadas por un campo eléctrico, las partículas producidas a partir de estas interacciones generan pequeños electrodos.corrientes a medida que se desplazan hacia tres planos de electrodos de alambre que recubren una pared de la cámara de proyección de tiempo. Al mapear el momento en que se dispara cada electrodo, los científicos pueden determinar la trayectoria de estas partículas dentro de los tres milímetros del espacio, y utilizar esta información para deducir elenergía y "sabor" de los neutrinos que pasan con muy alta precisión.
Pero las temperaturas frías necesarias para mantener el argón en su estado líquido plantean muchos desafíos. Como cualquiera que haya tenido un accidente de teléfono en un clima invernal bajo cero sabe, la electrónica es muy quisquillosa con el frío.
"Brookhaven National Lab realmente ha estado impulsando el concepto de electrónica en frío", dijo Mary Bishai, una científica de Brookhaven especializada en física de neutrinos. "MicroBooNE es el primer instrumento en el que se logra el procesamiento de señales con electrónica en frío", señaló, perotambién se está utilizando como modelo tecnológico para la construcción de detectores de neutrinos de argón líquido de kilotones más grandes. "Este es un primer paso necesario para llegar a los detectores que son decenas de kilotones más grandes", agregó.
Llevando la electrónica al frío
Neena Nambiar y otros cinco ingenieros electrónicos en la División de Instrumentación de Brookhaven han estado trabajando para desarrollar estos electrónicos fríos especializados ". Las señales que emiten los electrodos son pequeñas, por lo que primero debemos amplificar estas pequeñas señales y luego convertirlas enun formato que una computadora puede leer ", dijo.
En detectores más pequeños, el procesamiento de la señal puede ocurrir fuera de la cámara criogénica gélida. Sin embargo, en detectores grandes como MicroBooNE, se requieren cables largos para transportar las señales desde los electrodos a los componentes electrónicos fuera de la cámara. Los cables más largos introducen un "ruido" excesivo- distorsión creada por el exceso de carga almacenada en el cable, que puede ahogar las pequeñas señales ". El objetivo era juntar todos los componentes electrónicos dentro del detector para que podamos evitar cables largos y el ruido que viene con ellos,"Dijo Nambiar.
El problema es que, a medida que se enfría un circuito electrónico, su resistencia al "flujo" de electrones disminuye. Disminuir la resistencia de un circuito cambia su corriente de funcionamiento y también hace que sus componentes sean más susceptibles al daño de los electrones que se mueven rápidamente.Además, la electrónica tiene que vivir dentro de una cámara cerrada y operar durante la duración de un experimento.
"Todos los circuitos integrados tienen una vida útil limitada", dijo Gianluigi De Geronimo, el ingeniero eléctrico en instrumentación que lidera el equipo que diseña la electrónica dentro de MicroBooNE ". Por ejemplo, los que usamos en nuestros teléfonos celulares generalmente tienen una vida útil en el pedidode 10 años. Cuando trabaja en entornos criogénicos, la vida útil se puede reducir considerablemente. Dado que estos detectores tienen que funcionar durante 15, 20 años, y no hay forma de que pueda entrar y reemplazar la electrónica, desarrollamos pautas de diseño paralos circuitos integrados que les permiten alcanzar una vida útil superior a 20 años "
Para simular las condiciones bajo las cuales los circuitos tienen que funcionar, De Geronimo y su grupo usan software de diseño asistido por computadora de alta gama, buscando formas de optimizar el rendimiento sin sacrificar la estabilidad o la longevidad ". Por lo general, requiere tres veces más recursos ytiempo de desarrollo para diseñar circuitos microelectrónicos para temperatura criogénica que para temperatura ambiente ", dijo De Geronimo.
En MicroBooNE, solo la primera etapa del procesamiento de la señal, la amplificación de las señales analógicas, se ha llevado al frío. Las señales amplificadas se llevan fuera del detector y se digitalizan utilizando la electrónica tradicional "cálida". Pero incluso estoEl avance ha contribuido a un aumento en la sensibilidad del detector MicroBooNE sobre el diseño del detector de neutrinos más antiguo.
"El ruido que medimos en MicroBooNE es un factor de tres más pequeño de lo que observamos con detectores similares que usan electrónica cálida", dice Hucheng Chen, un físico de Brookhaven que coordinó la integración de los sensores y la electrónica fría.
Pero a los físicos les gustaría impulsar estas mejoras aún más. Nambiar y sus colegas ahora están diseñando microelectrónica en frío de mucha mayor complejidad para la etapa de digitalización del procesamiento de señales, que se incorporará a los futuros detectores de neutrinos. La digitalización de la señal en frío podría conducir amejoras adicionales en la sensibilidad del detector, ya que una señal digital es menos susceptible a la interferencia que la analógica.
"Con una señal analógica puede introducir ruido y desordenar completamente la señal, pero con la digital solo tiene dos opciones, ceros y unas. Incluso si hay algo de ruido en una, todavía sabe que es una,"dice, por lo que la señal codificada digitalmente se conserva mejor cuando se transporta en cables largos.
Brookhaven volverá a estar a la vanguardia en el diseño de estas mejoras adicionales, posiblemente para su implementación en detectores para futuros experimentos, como el Experimento internacional de neutrinos subterráneos profundo alojado en EE. UU., Donde el detector lejano será más de 600 veces más grande que MicroBooNE.
"Independientemente de su tamaño y complejidad, el desarrollo de detectores especializados requiere una comprensión profunda de la física subyacente y el uso de una serie de tecnologías avanzadas, incluida la microelectrónica", dijo De Geronimo. "Brookhaven Laboratory ha construido un entorno casi óptimopor avanzar en este campo a través de décadas de desarrollos exitosos de detectores y una cuidadosa selección de científicos, ingenieros y técnicos talentosos "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Cite esta página :