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デッドタイムフリーな暗黒物質探索用スペクトロメータ dSpec の開発研究

公募研究

研究領域ダークマターの正体は何か?- 広大なディスカバリースペースの網羅的研究
研究課題/領域番号 21H05460
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
研究機関京都大学

研究代表者

鈴木 惇也  京都大学, 理学研究科, 助教 (90795014)

研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2021年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
キーワードRFSoC / FPGA / ダークマター / ダークフォトン / アクシオン / 分光器 / WISP / DAQ
研究開始時の研究の概要

ダークマターの多角的な探索研究の認識が高まる中、アクシオンやダークフォトンなどの軽いボソンがダークマター候補として注目されている。一方で、それらの候補に対して μeV から meV にわたる質量領域では十分な探索がなされていない。
本研究は 5G 通信技術のために発展した製品を転用し、このディスカバリースペース開拓のための高効率な分光計の開発を行う。

研究実績の概要

本研究ではアクシオンやダークフォトンなどを広帯域に探索するためのスペクトロメータの開発を行う。従来マイクロ波共振空洞を用いた探索が行われていたが、球面鏡などを用いた新しい手法が提案されている。この新手法では広帯域の質量にわたってダークマター探索を行うことができるが、これを効率よく行うためには広い分光器を用いる必要がある。市販のシグナルアナライザーでは帯域が足りないため、本研究では ADC/DAC と FPGA が一体となった RFSoC を用いて独自に分光器を開発する。
本年度は開発したファームウェアを実際の RFSoC を搭載したボードに適用し、性能試験を行なった。実際のボードに適用する際には FPGA 内の各コンポーネントの量やそれぞれの間の配線に拘束されるため、目標となる動作周波数を達成するためには最適化が必要となる。分光部分では高速フーリエ変換を 16 並列で動かし最後に組み合わせる方式をとっているが、この最後の組み合わせの部分に問題が生じた。そこでこの組み合わせ部分のアルゴリズムの最適化を行い、必要なコンポーネントを最小化して解決することができた。
実際に RFSoC を搭載したボードに実装することができたので、性能試験を行なった。まずシグナルジェネレータを用いて単色の信号を入力し、想定通りの周波数に分光されて信号が得られることを確認した。また、温度の異なる黒体輻射源を2つ用いて分光計に入力し、時間あたりの性能の検証を行なった。その結果、設計通りほぼ 100 パーセントの効率でデータ取得が行えることが確認できた。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果発表報告書
  • 研究成果

    (5件)

すべて 2023 2022

すべて 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件) 産業財産権 (1件)

  • [学会発表] WISP探索のための高性能分光計dSpecの開発 -- RFSoC 2x2への実装と評価2023

    • 著者名/発表者名
      竹内広樹、鈴木惇也、安達俊介、田島治
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] dSpec, dead-time free spectrometer for WISP searches using 5G telecommunication technologies2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Takeuchi, Junya Suzuki, Shunsuke Adachi, Osamu Tajima
    • 学会等名
      1♪8^<th>♪ Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs
    • 関連する報告書
      研究成果発表報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of high performance spectrometer for WISP searches: dSpec2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Takeuchi, Junya Suzuki, Shunsuke Adachi, Osamu Tajima
    • 学会等名
      Kashiwa Dark Matter symposium 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] RFSoC の応用 -- 超伝導共振器と分光器2022

    • 著者名/発表者名
      鈴木惇也
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [産業財産権] フーリエ変換装置および無線通信装置2023

    • 発明者名
      竹内広樹・鈴木惇也・安達俊介
    • 権利者名
      国立大学法人京都大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2023-209086
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      研究成果発表報告書

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公開日: 2021-10-22   更新日: 2025-03-27  

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