개요
Any Light Particle Search(ALPS)는 함부르크에 있는 기초 과학을 위한 세계적으로 유명한 연구 기관이자 독일 최대의 가속기 센터인 Deutsches Elektronen-Synchrotron(DESY)의 연구 그룹입니다(그림 1). 이 기관의 모토인 "물질의 해독"에 따라 박사후 연구원 토드 코즐로프스키 우주의 암흑 물질과 같은 물리 현상을 더 잘 이해하기 위한 액시온 감지 프로젝트를 진행하고 있습니다. Axel Lindner가 이끄는 Todd와 ALPS 연구 그룹의 나머지 구성원은 적외선 간섭법과 극히 약한 신호의 헤테로다인 감지를 사용하여 수용된 입자 물리학 모델을 확장하여 우주를 설명하는 새로운 빛 입자를 포함한 이론을 개발하고 있습니다. "벽을 통해 빛을 비추는 것"이라는 임무 목표를 정한 이 그룹은 약하게 상호 작용하는 하위 eV 입자(WISP) 또는 더 구체적으로 액시온이라고 하는 입자를 감지하는 것을 목표로 합니다. 레이저 빛은 벽에 의해 차단되지만 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 15개 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 연구 팀의 당면 과제는 단위 이득 진동수가 매우 높고 선폭이 엄청나게 좁은 광학 캐비티에 대한 레이저의 진동수 안정화입니다. 실제로 이 캐비티는 특히 전세계가 연구하는 광학 캐비티 중 가장 좁은 선폭을 갖고 있어 고정하기가 매우 어렵습니다(그림 2). 본래 그의 연구 팀은 많은 광학 연구자들과 마찬가지로 아날로그 시스템을 직접 구축해서 실험하려고 했으나 유연성 요구 사항을 충족하지 못한다는 사실을 금세 깨닫게 되었습니다.
그에 더해서 팀은 캐비티 반사에 박자 음표로 각인된 축삭에서 재생된 광자의 신호를 찾고 있습니다. 이 전기장은 엄청나게 미약합니다. 일일 기준 단일 광자가 검출되는 수준입니다. 이를 넘어서면 빛의 입자는 단 1:1014의 확률로 액시온으로 변환될 수 있습니다. 이 데이터는 너무 귀중해서 잃을 위험 부담을 절대 감수해선 안 된다는 의미입니다.
그림 2: 재생 캐비티(Regeneration Cavity, RC) 저장 시간 세계 기록, 혹은 125m 길이의 두 거울 광학 캐비티의 거울 사이를 레이저 빛이 오가는 데에 걸리는 시간을 뜻합니다.
해법
Todd와 그의 팀은 Moku가 단순한 직관적 사용자 인터페이스 이상이라는 것을 즉시 알아챘습니다. 최첨단 과학을 가속화하기 위한 고성능 계측기 전체를 제공하는 전문가급 솔루션입니다. 아날로그 전자 장치를 Moku로 교체함으로써 팀은 유연성이 향상되었고 데이터 로깅을 간소화하면서 설계를 빠르게 반복할 수 있는 능력이 향상되어 소프트웨어 정의 계측기를 채택하는 것과 관련된 모든 주저함이 빠르게 해소되었습니다. 실험과 쉽게 통합할 수 있다는 것 외에도 모쿠 맞춤형으로 설계된 과학 등급 아날로그 계측기의 정확도를 상자에서 꺼내자마자 바로 맞출 수 있었습니다. 그들은 다음을 활용하여 즉시 결과를 얻었습니다. 락인 증폭기, 디지털 필터 박스, 레이저 락 박스, 및 기타(그림 3).
그림 3 :DESY의 클린룸에서 작업 중인 ALPS 팀원들.
전환 위치 Moku:Lab 및 Moku:Pro연구원들은 레이저 주파수를 공동에 즉시 잠글 수 있었습니다. 파운드-드레버-홀(PDH) 기술, 팀이 추가로 최적화할 시간을 갖도록 시스템을 효과적으로 교체했습니다. Todd의 팀은 레이저 주파수를 광학 공동에 잠그는 것뿐만 아니라 매우 약한 신호도 감지해야 했기 때문에 잠금 증폭기를 찾을 때 다시 Moku 기기를 사용했습니다.
Todd는 “이 데이터를 수집하는 데에 Moku 보다 더 나은 선택지가 있었을지 모르겠습니다.”라고 말했습니다. "당연한 선택이었습니다."
두 개의 Moku 장치가 스펙트럼 분석기 장비를 통해 설정의 위상 락인을 모니터링하고 µV 수준까지 신호를 분석하여 시스템이 모든 레이저가 서로를 따라가는 "락" 상태를 유지하는지 확인합니다. 여기에서 두 개의 추가 Moku 장치가 락인 고정기 기구를 작동한 후 헤테로다인 간섭계를 사용하여 sub-nV 범위의 일부 전압으로 해당 신호를 읽습니다.
결과
Todd의 연구 팀은 두 개의 광자장(하나는 강한 장, 다른 하나는 매우 약한 장) 사이에서 믿을 수 없을 정도로 약한 비트 노트 신호를 생성할 수 있습니다. 간섭으로 인해 발생하는 작은 비트 노트는 광자 검출기에 입사된 후 Moku:Lab 락인 고정기에 의해 계측됩니다(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 락인 증폭기에 내장된 데이터 로거 장비로 수집되므로 신호 정보를 SD 카드에 기록하기 위해 값비싼 별도의 장비가 필요하지 않습니다.
그림 4: 팀은 Moku:Lab 장치(오른쪽)를 사용하여 125미터 길이의 광학 캐비티에 대한 레이저의 진동수를 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 인해 진행이 막히는 문제를 방지할 수 있었습니다.
Todd는 "꽤나 급하게 해법을 강구하던 중이었습니다."라고 말했습니다. "Moku:Pro를 클린룸에 가져온 후 루프가 작동하는 데까지 몇 시간도 채 걸리지 않았습니다."
Moku:Pro를 사용하면 팀이 멀티 악기 모드에서 레이저 잠금 상자와 스펙트럼 분석기 악기를 사용하여 잠금을 유지하면서 원하는 비트 노트를 분석하기가 쉽습니다.
맺음말
연구 과정에서 Todd의 연구팀은 유연하고 여러 응용 분야에서 작동하며 클록 안정성, 아날로그 투 디지털 (ADC) 노이즈 및 디지털 투 아날로그(DAC) 노이즈에 대한 요구 사항을 충족하는 테스트 장비가 필요했습니다. 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 파이선 API(그림 5)를 사용하여 여섯 개의 Moku 장치와 다섯 개의 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.
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