為了幫助解釋宇宙中星系等大尺度結(jié)構(gòu)的形成,、演化和行為,，科學(xué)家們預(yù)測(cè)了暗物質(zhì)的存在,。事實(shí)上,，理論表明，宇宙實(shí)際上可能包含比普通物質(zhì)多五倍的暗物質(zhì),！雖然暗物質(zhì)的實(shí)際構(gòu)成問(wèn)題仍未得到解答,，但科學(xué)家們已經(jīng)確定了許多候選粒子,。一些更有希望的是軸子,，可能只是電子質(zhì)量的十萬(wàn)億分之一,。在韓國(guó)的基礎(chǔ)科學(xué)研究所（IBS），他們組建了一個(gè)專(zhuān)家小組來(lái)研究并試圖尋找軸子Spectrum Instrumentation的快速PCIe數(shù)字化儀被選為最新和最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn),。

據(jù)預(yù)測(cè),，軸子將在強(qiáng)磁場(chǎng)存在下轉(zhuǎn)化為光子,。因此，韓國(guó)團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)室,，使用超強(qiáng)磁鐵來(lái)嘗試創(chuàng)建精確的場(chǎng)景,。使用光環(huán)鏡對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行成像,，而光環(huán)鏡又使用快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ）來(lái)捕獲,，分析和存儲(chǔ)結(jié)果。

在IBS軸向和精密物理研究中心CAPP,，計(jì)劃在未來(lái)十年內(nèi)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn),，以確認(rèn)軸子的存在并最終確定其性質(zhì),。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)出來(lái)了。CAPP的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)搜索了質(zhì)量在6.62和6.82μeV之間的軸子,，對(duì)應(yīng)于1.6和1.65GHz之間的頻率。使用上圖所示的CAPP設(shè)備進(jìn)行搜索,。研究人員以90%的置信水平通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明,，這是迄今為止質(zhì)量范圍內(nèi)最敏感的結(jié)果，在該范圍內(nèi)沒(méi)有軸子暗物質(zhì)或軸子狀粒子,。

實(shí)驗(yàn)室最近實(shí)施的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組件是型號(hào)為M4i.4470-x8的頻譜儀器PCIe數(shù)字化儀卡,。科學(xué)家們選擇了這個(gè)單元,，因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)對(duì)兩個(gè)通道上的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣,，速率高達(dá)180 MS / s，垂直分辨率為16位,。重要的是,，收集的數(shù)據(jù)可以通過(guò) PCIe 總線以超過(guò) 3 GB/s 的傳輸速度流式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。這意味著可以獲取所有數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到主機(jī),，而不會(huì)丟失任何數(shù)據(jù),。右側(cè)顯示了典型實(shí)驗(yàn)設(shè)置的框圖。

CAPP研究員ByeongRok Ko博士解釋說(shuō)：“我們的目標(biāo)是提高軸子光環(huán)鏡搜索的品質(zhì)因數(shù),，即掃描速率,。首先，我們 實(shí)現(xiàn) 單 通道 的 實(shí)際 DAQ 效率 超過(guò) 99%,， 其中 DAQ 過(guò)程包括在線快速傅里葉變換 （FFT）,。然后，使用IQ混頻器和兩個(gè)并行的DAQ 通道,， 我們實(shí)現(xiàn)了基于軟件的圖像抑制,， 而不會(huì)損失 DAQ 效率。這是早期設(shè)置效率的兩倍多,，早期設(shè)置基于使用傳統(tǒng)頻譜分析儀,。

圖像抑制很重要,，因?yàn)檩S子光環(huán)鏡搜索通常使用外差接收器，這會(huì)引入不需要的圖像背景,。因此,，鏡像抑制對(duì)于保持高掃描速率至關(guān)重要。在這種情況下,，快速DAQ系統(tǒng)在600至2200 MHz的頻率范圍內(nèi)提供約35 dB的鏡像抑制,。 “Spectrum數(shù)字化儀卡有兩個(gè)重要功能可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，這就是我們選擇它的原因,，”ByeongRok Ko博士說(shuō),。“首先,，2 GSamples的板載內(nèi)存可用作緩沖區(qū),，其次，通過(guò)PCI Express x8 Gen2接口的FIFO傳輸模式,，允許以大于3GB/s的速度連續(xù)數(shù)據(jù)流,。

DAQ 系統(tǒng)的另一 挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)的后處理。這包括單位轉(zhuǎn)換,、在線 FFT,、平均以及將功率譜寫(xiě)入磁盤(pán)存儲(chǔ)。在線FFT主導(dǎo)了后處理時(shí)間,。在大多數(shù)情況下,，軸子光環(huán)儀實(shí)驗(yàn)需要不同共振頻率的數(shù)據(jù)，因?yàn)檩S子質(zhì)量未知,。此外,，由于各種原因，每個(gè)諧振頻率的數(shù)據(jù)可以在不同的時(shí)間戳下分為幾個(gè)子集,。在這種情況下,，可以在采集下一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)并行執(zhí)行后處理。幸運(yùn)的是,，Spectrum Instrumentation數(shù)字化儀帶有支持各種編程語(yǔ)言的驅(qū)動(dòng)程序,，其中之一是Python。Python 的多處理模塊非常適合這種類(lèi)型的應(yīng)用程序,，隨后用于演示上述場(chǎng)景,。

CAPP主任兼KAIST（韓國(guó)科學(xué)技術(shù)高級(jí)研究所）教授Yannis K. Semertzidis解釋說(shuō)：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)不是100米短跑，而是馬拉松跑步的第一個(gè)目標(biāo),。我們?cè)趯?shí)踐中學(xué)習(xí),，并測(cè)試了未來(lái)在更高級(jí)別的系統(tǒng)中使用的新概念。該團(tuán)隊(duì)證明，他們可以達(dá)到比以前在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行的所有其他實(shí)驗(yàn)更好的靈敏度?，F(xiàn)在的計(jì)劃是用更大的系統(tǒng)擴(kuò)大他們的實(shí)驗(yàn)

為了加快搜索過(guò)程,，CAPP 的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在使用各種系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)。這允許并行針對(duì)不同的軸子質(zhì)量范圍,。圖 3 顯示了 CAPP 實(shí)驗(yàn)大廳及其多個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的全景圖,。有興趣的讀者可以在CAPP網(wǎng)站上關(guān)注實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。

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