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)量的十萬億分之一,。在韓國的基礎(chǔ)科學(xué)研究所（IBS），他們組建了一個專家小組來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,，軸子將在強(qiáng)磁場存在下轉(zhuǎn)化為光子。因此,，韓國團(tuán)隊(duì)建立了一個新的實(shí)驗(yàn)室,，使用超強(qiáng)磁鐵來嘗試創(chuàng)建精確的場景。使用光環(huán)鏡對現(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）來捕獲,，分析和存儲結(jié)果。

在IBS軸向和精密物理研究中心CAPP,，計劃在未來十年內(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),。第一個實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)出來了,。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)的一個關(guān)鍵組件是型號為M4i.4470-x8的頻譜儀器PCIe數(shù)字化儀卡?？茖W(xué)家們選擇了這個單元,，因?yàn)樗梢酝瑫r對兩個通道上的輸入信號進(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 PCIe 總線以超過 3 GB/s 的傳輸速度流式傳輸?shù)接嬎銠C(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：“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 99%,， 其中 DAQ 過程包括在線快速傅里葉變換 （FFT）,。然后，使用IQ混頻器和兩個并行的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,，這會引入不需要的圖像背景,。因此，鏡像抑制對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?！笆紫?，2 GSamples的板載內(nèi)存可用作緩沖區(qū)，其次,，通過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入磁盤存儲,。在線FFT主導(dǎo)了后處理時間,。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,，每個諧振頻率的數(shù)據(jù)可以在不同的時間戳下分為幾個子集,。在這種情況下，可以在采集下一個數(shù)據(jù)時并行執(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言的驅(qū)動程序,，其中之一是Python。Python 的多處理模塊非常適合這種類型的應(yīng)用程序,，隨后用于演示上述場景,。

CAPP主任兼KAIST（韓國科學(xué)技術(shù)高級研究所）教授Yannis K. Semertzidis解釋說：“這個實(shí)驗(yàn)不是100米短跑，而是馬拉松跑步的第一個目標(biāo),。我們在實(shí)踐中學(xué)習(xí),，并測試了未來在更高級別的系統(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。現(xiàn)在的計劃是用更大的系統(tǒng)擴(kuò)大他們的實(shí)驗(yàn)

為了加快搜索過程,，CAPP 的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在使用各種系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行多個實(shí)驗(yàn),。這允許并行針對不同的軸子質(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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