개요
ALPS(Any Light Particle Search)는 함부르크에 기반을 둔 세계적으로 유명한 기초 과학 연구 기관이자 독일 최대의 가속기 센터인 DESY(Deutsches Elektronen-Synchrotron)의 연구 그룹입니다(그림 1). 이 기관의 모토인 '물질의 해독'에 따라 박사후 연구원인 Todd Kozlowski는 우주의 암흑 물질과 같은 물리학 현상을 더 잘 이해하기 위해 액시온 탐지 프로젝트를 진행하고 있습니다. Todd와 Axel Lindner가 이끄는 나머지 ALPS 연구 그룹은 우주를 설명하기 위한 새로운 빛 입자를 포함한 이론을 개발하고 있으며, 적외선 간섭계와 극도로 약한 신호의 헤테로다인 감지를 사용하여 허용되는 입자 물리학 모델을 확장하고 있습니다. "벽을 통해 빛을 비추는 것"이라는 임무 목표를 세운 이 그룹은 약하게 상호 작용하는 하위 eV 입자(WISP), 더 구체적으로 액시온이라고 불리는 입자를 탐지하는 것을 목표로 합니다. 레이저 빛이 벽에 의해 차단되는 동안 액시온은 통과할 수 있습니다.
그림 1 : ALPS 팀원이 광학 테이블을 조정하고 있습니다.
4개 사용 Moku:Lab 장치와 하나 Moku:Pro 장치를 사용하여 Todd와 그의 팀은 연구 목표를 향해 놀라운 진전을 이루었습니다. Moku:Lab 및 Moku:Pro는 일반적인 벤치 필수 장비부터 14개 이상의 테스트 장비를 제공하는 올인원 FPGA 기반 장치입니다. 오실로스코프 및 스펙트럼 분석기, 다음과 같은 강력한 광학 장비에 락인 증폭기 및 레이저 락 박스.
난제
Todd의 그룹은 단위 이득 주파수가 매우 높고 선폭이 엄청나게 좁은 광학 공동에 대한 레이저의 주파수 안정화를 시도하고 있습니다. 실제로 이 공동은 특히 세계 광학 공동 중 가장 좁은 선폭을 갖고 있어 고정하기가 매우 어렵습니다(그림 2). 많은 광학 연구자들과 마찬가지로 팀은 실험의 유연성 요구 사항을 충족하지 못한다는 사실을 금방 깨달은 아날로그 시스템을 직접 구축하는 데 의지했습니다.
또한 팀은 공동 반사에 박자 음표로 각인된 축삭에서 재생된 광자의 신호를 찾고 있습니다. 이 분야는 엄청나게 약합니다. 등가 전력은 하루에 측정된 단일 광자 수준입니다. 이 외에도 빛의 입자는 단 1:10의 확률로 액시온으로 변환될 수 있습니다.14이는 팀이 귀중한 데이터를 잃어서는 안 된다는 의미입니다.
그림 2: 세계 기록 재생 공동(RC) 저장 시간, 즉 125m 길이의 XNUMX개 거울 광학 공동의 레이저 광이 거울 사이를 순환하는 시간입니다.
해법
Todd와 그의 팀은 Moku가 단순한 직관적인 사용자 인터페이스 그 이상이라는 것을 즉시 확인했습니다. 이는 최첨단 과학을 가속화하기 위한 고성능 기기 전체 제품군을 제공하는 전문가급 솔루션입니다. 아날로그 전자 장치를 Moku로 교체함으로써 팀은 유연성이 향상되고 설계를 빠르게 반복하는 동시에 데이터 로깅을 간소화하고 소프트웨어 정의 계측 채택과 관련된 모든 주저함을 신속하게 해소할 수 있는 능력을 확인했습니다. 실험과 쉽게 통합할 수 있을 뿐만 아니라 Moku는 맞춤 설계된 과학 등급 아날로그 기기의 정확성을 즉시 사용할 수 있었습니다. 그들은 Lock-in Amplifier, Digital Filter Box, Laser Lock Box 등을 활용하여 즉시 결과를 얻었습니다(그림 3).
그림 3 :DESY의 클린룸에서 작업 중인 ALPS 팀원들.
Moku:Lab 및 Moku:Pro로 전환함으로써 연구원들은 Pound-Drever-Hall(PDH) 기술을 사용하여 레이저 주파수를 캐비티에 즉시 고정하여 시스템을 효과적으로 교체하여 팀이 이를 더욱 최적화할 수 있는 시간을 확보할 수 있었습니다. Todd의 팀은 레이저 주파수를 광학 공동에 고정해야 할 뿐만 아니라 믿을 수 없을 정도로 약한 신호도 감지해야 했기 때문에 고정 증폭기를 찾을 때 다시 Moku 장비를 선택했습니다.
Todd는 “이 데이터를 수집하는 더 나은 방법을 생각해낼 수 있었는지 모르겠습니다.”라고 말했습니다. "Moku는 당연한 선택이었습니다."
두 개의 Moku 장치는 스펙트럼 분석기 장비를 사용하여 설정의 위상 잠금을 모니터링하고 µV 수준까지 신호를 분석하여 시스템이 모든 레이저가 서로 따라가는 "잠금" 상태를 유지하는지 확인합니다. 여기에서 두 개의 추가 Moku 장치가 Lock-in Amplifier 장비를 작동하여 헤테로다인 간섭계를 사용하여 sub-nV 범위의 일부 전압으로 해당 신호를 읽습니다.
결과
Todd와 그의 팀은 두 개의 빛 필드(하나는 강한 필드, 다른 하나는 매우 약한 필드) 사이에서 믿을 수 없을 정도로 약한 비트 노트 신호를 생성할 수 있습니다. 간섭으로 인해 발생하는 작은 비트 음표는 광 검출기에 입사된 후 Moku:Lab Lock-in Amplifier에 의해 측정됩니다(그림 4). 이 솔루션은 예상되는 발생 주파수에서 신호를 복조하므로 Todd는 헤테로다인 혼합의 약한 장에서 매우 낮은 신호 속도를 여러 시간에 걸쳐 단일 광자 정도까지 분해할 수 있습니다. 이러한 신호는 몇 시간의 데이터 로깅이 완료될 때까지 스스로 해결되지 않습니다. 이 데이터는 모두 Lock-in Amplifier에 내장된 데이터 로거 장비로 수집되므로 신호 정보를 SD 카드에 기록하기 위해 값비싼 추가 장비가 필요하지 않습니다. 데이터 로깅.
그림 4: 팀은 Moku:Lab 장치(오른쪽)를 사용하여 125미터 길이의 광학 공동에 대한 레이저의 주파수를 안정화합니다.
또한 연구원들은 Moku:Pro를 사용하여 실험 아키텍처에 작은 변화가 있어 PLL(위상 고정 루프)이 필요한 경우를 포함하여 예상치 못한 문제를 해결할 수 있었습니다. 그들은 즉시 Moku:Pro를 PLL로 신속하게 구현하고 요구 사항 변경으로 인한 장애물에 부딪히는 것을 방지할 수 있었습니다.
Todd는 "우리는 매우 빠른 속도로 솔루션이 필요했습니다."라고 말했습니다. "Moku:Pro를 삽입하고 클린룸에 가져온 후 루프가 작동하는 데까지 몇 시간이 걸렸습니다."
Moku:Pro를 사용하면 팀이 다중 악기 모드에서 레이저 잠금 상자와 스펙트럼 분석기 도구를 사용하여 잠금을 유지하면서 원하는 비트 음을 분석하는 것이 쉽습니다.
결론
연구를 발전시키기 위해 Todd와 그의 팀은 유연하고 여러 응용 분야에서 작동하며 클록 안정성, 아날로그-디지털 변환기(ADC) 잡음 및 디지털-아날로그(DAC)에 대한 사양 요구 사항을 충족하는 테스트 장비가 필요했습니다. 소음. Moku 플랫폼은 이러한 요구 사항을 충족하는 동시에 팀에 신호를 모니터링하고 데이터를 기록하며 물리학의 가장 큰 측정 문제를 해결할 수 있는 새로운 방법을 제공하는 중요한 계측기를 제공했습니다.
팀은 실험에서 Moku 장치를 계속 사용할 계획입니다. 현재 API를 통해 기기를 제어하려는 계획을 진행 중입니다. 지금까지 그들은 완전히 원격으로 제어되는 5개의 Moku 장치를 통합하여 측정하고 데이터를 스트리밍했습니다. 그들은 Moku Python API(그림 XNUMX)를 사용하여 XNUMX개의 Moku 장치와 XNUMX개의 다른 기기를 제어하는 DESY의 글로벌 제어 시스템을 통해 이를 달성했습니다.
그림 5: 연구 팀은 DESY의 글로벌 제어 시스템을 통해 여러 기구와 Moku 장치들을 관리하는 데에 파이선 GUI를 사용하고 있습니다.
DESY에서 Todd와 그의 팀의 연구에 대해 자세히 알아보려면 다음을 클릭하세요. 여기에서 지금 확인해 보세요.. 질문이 있으신가요? 우리에게 연락하세요 여기에서 지금 확인해 보세요..
