美国布鲁克黑文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）物理学家Hucheng Chen手持MicroBooNE安装的50个电子板当中的一个。

图片来源：Brookhaven National Laboratory

在巨大的MicroBooNE检测器（美国能源部费米国家加速器实验室正在进行的新中微子实验之一）内部排满了50个定制微电子的电路板。这些电路板由美国能源部布鲁克黑文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）工程师设计而成，浸泡在-186℃（-303oF）极低温的液氩当中。

物理学家已经发现了大量密集的惰性液氩可作为寻找神秘中微子的良好介质，中微子是一种亚原子粒子，其性质可能会对物理学上的一些最令人费解的谜团提供线索。因此，MicroBooNE的核心是装有170吨这种极冷液体的时间投影室。中微子偶然间穿行该投影室时就会与致密的氩原子网格发生反应，产生类似于电子和介子的带电粒子。在电场作用下，这些粒子相互作用产生微小电流，漂移至时间投影室中那一面装有三个导线电极面的墙。通过映射每个电极起火的瞬间，科学家可以在三毫米范围内精确的确定这些粒子的轨迹，利用这些信息就可以非常精确的推断出穿行的中微子的能量和性质。

但是需要液氩来保持这种极低的温度，这也带来了诸多挑战。每个人都知道严寒的冬天电话都会死机，电子对冷特别挑剔。

专攻中微子物理的布鲁克黑文科学家Mary Bishai说：“布鲁克黑文国家实验室一直都在推冷电子概念。MicroBooNE是第一个利用冷电子处理信号的装置。”但她也指出这也只是大型数吨级液氩中微子检测器的一个技术样机而已。“首先一个必要的步骤是制得更大的、数十吨级的探测器。”

将电子带到极冷的环境当中（Bringing electronics into the cold）

布鲁克黑文仪表分部的NeenaNambiar等6名电子工程师一直在努力开发这些专门的冷电子学。“电极发出的信号很弱，因此我们首先需要将这些微小的信号放大，接着讲起转换成一种计算机能够读取的格式。”

较小的探测器当中，信号处理可以在极低温的投影室外进行。然而，像MicroBooNE这样的大型探测器需要很长的电缆才能将电极的信号带给投影室外的电子。电缆越长就意味着引入了越多的“噪音”——过量的电荷存储在导线当中引起失真——这将淹没微小的信号。“目标是将所有的电子聚集在探测器内部，以此来避免长电缆和噪音。”Nambiar如是说。

问题是，电路冷却之后，电阻将阻止电子“流动”。电路电阻的降低改变了工作电流，也使其元件更容易受快速移动、韧性的电子所破坏。此外，电子必须在封闭的投影室内，且在实验过程中持续有效。

MicroBooNE内部电子学设计团队负责人、仪表分部电气工程师Gianluigi De Geronimo说：“所有的集成电路都有一定的寿命。比如说，我们使用的手机寿命也就是十多年。如果在极低温度下工作，寿命就会大大缩短。因为这些探测器的寿命必须要有15年到20年，且没有任何方法可以更换其中的电子元件，因此我们设计这些集成电路的准则就是必须使其寿命达到20年以上。”

为了在电路功能完备的情况下模拟这种环境，De Geronimo带领团队采用高端计算机辅助设计软件来寻找在不牺牲稳定性和寿命情况下优化性能的方式。“相比于室温条件，在这种极低温度条件下，通常需要三倍的资源和开发时间来进行微电路的设计。” De Geronimo如是说。

MicroBooNE当中，只有信号的第一步处理，即信号的放大在这种低温下完成。接着，放大的信号被带到探测器以外，采用传统的“温和”电子学来进行数字化。但是即使这项改进已经由提高MicroBooNE探测器的灵敏度来实现，这也只是一个已经老化了的中微子探测器设计而已。

布鲁克黑文国家实验室协调传感器和冷电子一体化的物理学家Hucheng Chen说：“MicroBooNE当中检测到的噪音比采用温和电子的类似检测器观察到的噪音低了三个数量级。”

但是物理学家想进一步推动这些改进。Nambiar等人正在设计用于信号处理数字化阶段的更加复杂的冷微电子，这将是未来的中微子探测器的重要组成部分。在极低温度下对信号进行数字化可能进一步提高探测器的灵敏度，使得数字信号相比于模拟信号更不受干扰。

“对于模拟信号而言，你可以引入噪音，完全打乱信号，但是对于数字信号而言，你只有两个选择，0或者1。即使在1上有些噪音，你仍然可以知道那是1。”她这样说到，因此在长电缆输送过程中，数字编码的信号可以更好的保存。

布鲁克黑文再次走在了设计这些改进的前沿，可能为将来实验的探测器所实现，比如美国主导的国际地下中微子实验（U.S.-hosted international Deep Underground Neutrino Experiment），其中探测器将比MicroBooNE大600倍以上。

De Geronimo说：“与规模和复杂性无关，专门的探测器发展需要深入了解基本物理学以及一系列先进技术的使用，包括微电子。布鲁克黑文实验室通过几十年的成功探测器发展和优秀科学家、工程师及技术人员的精心培养，已经为该领域的发展建立了几近优化的环境。”

新材料在线编译整理——翻译：菠菜   校正：摩天轮