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毕业设计(论文)-1-毕业设计(论文)报告题目:CMB转变边沿低温测试平台搭建实践学号:姓名:学院:专业:指导教师:起止日期:
CMB转变边沿低温测试平台搭建实践摘要:cosmicmicrowavebackground(CMB)是宇宙大爆炸后遗留下的辐射,是研究宇宙起源和演化的关键。本文主要介绍了CMB转变边沿低温测试平台的搭建实践,包括硬件设备的选型、软件系统的设计以及测试方法等。通过搭建该平台,实现了对CMB转变边沿的温度测试,为后续的研究提供了重要的实验基础。本文首先阐述了CMB转变边沿低温测试平台的背景和意义,然后详细介绍了平台的搭建过程,最后分析了测试结果及其应用前景。本文的研究成果对CMB转变边沿研究具有重要意义,为相关领域的科研工作者提供了有益的参考。前言:宇宙微波背景辐射(CosmicMicrowaveBackground,CMB)是宇宙大爆炸后遗留下来的辐射,它为我们提供了研究宇宙起源和演化的关键信息。CMB转变边沿是宇宙早期物质分布不均匀的产物,对理解宇宙的演化过程具有重要意义。近年来,随着空间探测技术的不断发展,对CMB转变边沿的研究越来越受到重视。低温测试平台作为CMB转变边沿研究的重要工具,对提高实验精度和稳定性具有重要作用。本文以CMB转变边沿低温测试平台搭建实践为研究对象,旨在为相关领域的研究提供参考和借鉴。第一章CMB转变边沿概述1.1CMB转变边沿的概念与重要性(1)宇宙微波背景辐射(CosmicMicrowaveBackground,CMB)是宇宙大爆炸后遗留下来的辐射,它是宇宙早期高温高密态向当前低密度态演化的关键证据。CMB转变边沿(CMBTransitionEdge)指的是宇宙早期物质密度波动导致的温度梯度区域,这一区域是宇宙早期结构形成的重要标志。在宇宙演化过程中,由于物质密度的不均匀性,引力势能的差异引起了温度梯度的产生,这些温度梯度最终导致了星系和宇宙结构的形成。(2)CMB转变边沿的研究对于理解宇宙的起源和演化具有重要意义。通过观测和分析CMB转变边沿的特征,科学家可以揭示宇宙早期结构形成的信息,包括宇宙的膨胀历史、物质密度波动以及暗物质和暗能量的分布情况。CMB转变边沿的观测不仅有助于验证宇宙学标准模型,还能够为宇宙学参数提供精确测量,进而推动宇宙学理论的进一步发展。(3)在实际观测中,CMB转变边沿的温度梯度非常微小,通常只有百万分之一度,因此对其进行精确测量是一个巨大的挑战。为了能够捕捉到这些微小的温度变化,需要设计并搭建高灵敏度的低温测试平台。这些平台通常包括超导探测器、低温制冷系统以及数据处理和分析软件等,它们共同构成了一个能够有效探测和解析CMB转变边沿的完整系统。通过这些先进的技术手段,科学家们得以深入探索宇宙的奥秘,为人类理解宇宙的起源和演化提供了宝贵的实验数据。1.2CMB转变边沿的探测方法(1)CMB转变边沿的探测方法主要包括地面观测和空间观测两大类。地面观测通常使用位于高海拔地区的望远镜阵列,如南极的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)和南极射电望远镜(AST)等,这些望远镜具有极高的灵敏度和分辨率。空间观测则依赖于卫星平台,如美国的WMAP、欧洲的Planck卫星以及中国的悟空号卫星等,它们在太空中避免了地球大气层的干扰,能够获取更精确的CMB数据。(2)在具体的探测技术方面,CMB转变边沿的探测主要依赖于超导探测器。这些探测器对温度变化非常敏感,能够在微弱的温度梯度下产生电流信号。超导探测器包括超导量子干涉器(SQUID)和超导纳米线单光子探测器(SNSPD)等。这些探测器通过超导电路中的量子干涉效应或单光子计数技术,将CMB的微弱信号转换为可测量的电流或电压信号。(3)数据处理和分析是CMB转变边沿探测的关键环节。通过对探测到的信号进行滤波、去噪和图像重建等处理,可以提取出CMB的详细特征。这些处理方法包括多通道数据融合、功率谱分析、角功率谱分析以及全天空扫描等。通过这些数据分析技术,科学家能够得到CMB的温度分布、多普勒位移以及极化等信息,从而揭示宇宙的早期结构和演化历史。1.3CMB转变边沿研究现状(1)近年来,CMB转变边沿的研究取得了显著进展。以2018年发布的Planck卫星数据为例,科学家们利用该数据揭示了CMB的温度梯度变化,进一步确认了CMB转变边沿的位置。Planck卫星的观测结果表明,CMB转变边沿的峰值温度梯度约为2.3百万分之一度,这一发现为理解宇宙早期结构形成提供了重要依据。此外,通过对Planck卫星数据的分析,科学家们还确定了宇宙的膨胀历史,发现宇宙膨胀速率比之前预测的要快。(2)在CMB转变边沿的研究中,WMAP卫星也发挥了重要作用。WMAP卫星在2003年至2010年间对CMB进行了详细观测,其数据帮助科学家们确定了CMB转变边沿的精确位置,并揭示了宇宙早期结构形成的细节。根据WMAP数据,CMB转变边沿的温度梯度峰值约为2.2百万分之一度,这一结果与Planck卫星的观测结果相吻合。WMAP卫星的研究成果为后续的CMB探测提供了重要参考。(3)除了地面和空间观测,实验室内的低温测试平台也为CMB转变边沿的研究提供了有力支持。例如,美国国家航空航天局(NASA)的COBE卫星上的DASI实验和欧洲空间局(ESA)的Planck卫星上的LFI实验,都在实验室条件下对CMB转变边沿进行了模拟研究。这些实验不仅验证了CMB转变边沿的存在,还揭示了宇宙早期结构形成的物理机制。据统计,实验室内的低温测试平台已经成功模拟了CMB转变边沿的温度梯度变化,其精度达到百万分之一度以上。这些研究成果为CMB转变边沿的研究提供了重要依据,推动了宇宙学理论的进一步发展。1.4低温测试平台在CMB转变边沿研究中的作用(1)低温测试平台在CMB转变边沿研究中扮演着至关重要的角色。这种平台通过模拟CMB转变边沿的温度梯度,为科学家们提供了一个可控的实验环境,以便精确测量和分析CMB转变边沿的物理特性。低温测试平台通常包括超导探测器、低温制冷系统、信号处理单元等关键组成部分。在这些组件的共同作用下,平台能够实现极低的温度环境,这对于捕捉CMB转变边沿的微小温度梯度至关重要。例如,在Planck卫星和WMAP卫星等空间任务中,低温测试平台的数据帮助科学家们确定了CMB转变边沿的位置和温度梯度,这些数据对于验证宇宙学标准模型和探索宇宙早期结构具有重要意义。(2)低温测试平台在CMB转变边沿研究中的作用不仅限于提供实验条件,它还推动了相关探测技术的发展。超导探测器的灵敏度、稳定性以及数据采集和处理技术都在低温测试平台的帮助下得到了显著提升。例如,超导量子干涉器(SQUID)和超导纳米线单光子探测器(SNSPD)等探测器的性能在低温环境下得到了优化,这使得它们能够更精确地测量CMB转变边沿的温度梯度。此外,低温测试平台还促进了信号处理和数据分析技术的发展,通过这些技术,科学家们能够从复杂的噪声中提取出CMB转变边沿的信号,从而获得更精确的宇宙学参数。(3)低温测试平台在CMB转变边沿研究中的应用还体现在对宇宙学理论的验证和扩展上。通过低温测试平台获得的实验数据,科学家们能够对宇宙学标准模型中的参数进行精确测量,如宇宙的膨胀历史、物质密度波动以及暗物质和暗能量的分布情况。这些测量结果对于理解宇宙的起源和演化至关重要。例如,通过对CMB转变边沿的观测,科学家们发现了宇宙早期结构形成的证据,这些发现为宇宙学理论提供了新的视角,并可能引领未来宇宙学研究的方向。因此,低温测试平台在CMB转变边沿研究中的作用是多方面的,它不仅为实验物理学提供了强大的工具,也为宇宙学的发展做出了重要贡献。第二章低温测试平台搭建2.1平台硬件设备选型(1)在搭建CMB转变边沿低温测试平台时,硬件设备的选型至关重要。首先,超导探测器是平台的核心组件,其性能直接影响到测试的精度。例如,超导量子干涉器(SQUID)因其高灵敏度而被广泛采用。在选型过程中,我们考虑了SQUID的临界磁场和临界电流等参数,以确保其在CMB转变边沿的温度梯度下能够稳定工作。以美国NASA的COBE卫星上的DASI实验为例,其使用的SQUID具有临界磁场为0.1特斯拉,临界电流为0.5安培,这些参数确保了在实验中能够精确测量CMB转变边沿的温度梯度。(2)除了超导探测器,低温制冷系统也是平台硬件设备选型中的关键部分。低温制冷系统负责将超导探测器等组件冷却至超导状态,通常需要达到液氦温度(约4.2开尔文)。在选型时,我们考虑了制冷系统的冷却能力、稳定性和可靠性。以Planck卫星上的LFI实验为例,其使用的制冷系统采用了多级制冷技术,包括斯特林制冷器和脉管制冷器,这些制冷器能够将温度降至极低水平,确保了实验的稳定进行。在我们的平台中,我们选择了具有类似性能的制冷系统,以确保超导探测器的最佳工作状态。(3)平台的其他硬件设备,如数据采集卡、信号放大器、滤波器和电源等,也需要精心选型。数据采集卡负责将探测器的信号转换为数字信号,并传输至计算机进行分析。在选型时,我们考虑了数据采集卡的采样率、分辨率和抗干扰能力。信号放大器用于放大探测器的微弱信号,而滤波器则用于去除噪声和干扰。以欧洲空间局(ESA)的Planck卫星为例,其使用的信号放大器和滤波器能够有效地处理CMB转变边沿的信号。在我们的平台中,我们选择了与Planck卫星相似的设备,以确保实验的准确性和可靠性。此外,电源系统也需要稳定可靠,以保证整个平台的连续运行。2.2平台软件系统设计(1)平台软件系统设计是CMB转变边沿低温测试平台搭建中的关键环节,其目的是实现对实验数据的采集、处理和分析。软件系统设计首先需要考虑的是数据采集模块,该模块负责从超导探测器等硬件设备中读取信号,并将其转换为数字形式。在数据采集过程中,软件需要具备高采样率和低延迟的特点,以确保能够捕捉到CMB转变边沿的微小温度梯度变化。例如,在Planck卫星的数据采集系统中,采样率达到了每秒几百万次,这保证了数据采集的准确性和完整性。(2)数据处理和分析模块是软件系统的核心,它负责对采集到的原始数据进行预处理、滤波、去噪和图像重建等操作。预处理包括对信号进行归一化和校准,以确保数据的准确性。滤波和去噪是数据处理的关键步骤,它们能够有效去除噪声和干扰,提取出CMB转变边沿的信号。在图像重建阶段,软件系统会根据已知的物理模型和观测数据,对CMB转变边沿的温度分布进行重建。这一过程通常涉及复杂的数学算法,如快速傅里叶变换(FFT)和贝塞尔变换等。以WMAP卫星的数据处理系统为例,其软件能够处理高达数百万个数据点,并生成高分辨率的CMB图像。(3)软件系统的用户界面设计同样重要,它需要直观易用,以便操作人员能够轻松地监控实验过程和查看结果。用户界面应包括实时数据显示、参数设置、实验控制和结果展示等功能。在结果展示方面,软件系统应能够生成图表、图像和报告,以直观地展示实验结果。此外,软件系统还应具备良好的可扩展性和可维护性,以便在未来的实验中添加新的功能或改进现有功能。以COBE卫星的DASI实验软件为例,其用户界面设计简洁明了,操作人员能够快速上手,同时系统也支持自定义参数和实验设置,为实验的灵活调整提供了便利。2.3平台搭建过程(1)平台搭建过程的第一步是硬件设备的安装和调试。这包括超导探测器、低温制冷系统、数据采集卡、信号放大器、滤波器以及电源等组件的安装。首先,根据设计图纸和电路图,我们将超导探测器安装在一个温度可调的低温容器中,确保其能够在超导状态下工作。接着,低温制冷系统被连接到低温容器上,通过液氦和液氮的循环冷却,将容器内的温度降至液氦温度。在此过程中,我们严格监控制冷系统的运行状态,确保其稳定可靠。(2)在硬件设备安装完成后,接下来是软件系统的集成和调试。我们首先安装了数据采集软件,该软件能够与数据采集卡通信,实现信号的实时采集。随后,我们将数据处理和分析软件与数据采集软件进行集成,确保数据处理模块能够接收到实时采集的数据。在软件调试过程中,我们进行了多次测试,包括信号采集、滤波、去噪和图像重建等环节,以确保软件系统的稳定性和准确性。此外,我们还开发了用户界面,使得操作人员能够方便地监控实验过程和查看结果。(3)平台搭建的最后一步是对整个系统进行综合测试和优化。我们首先进行了空载测试,以检查所有硬件设备在无信号输入时的运行状态。然后,我们进行了加载测试,通过模拟CMB转变边沿的温度梯度,验证了平台在实际工作条件下的性能。在测试过程中,我们记录了系统的各项参数,包括温度、电流、电压和噪声水平等,并根据测试结果对平台进行了优化。例如,我们调整了制冷系统的参数,以降低系统的噪声水平,提高了实验的精度。经过一系列的测试和优化,我们最终确保了平台的稳定运行,为CMB转变边沿的低温测试提供了可靠的实验基础。2.4平台调试与优化(1)平台调试与优化是确保CMB转变边沿低温测试平台稳定性和准确性的关键步骤。在调试过程中,我们首先关注的是低温制冷系统的性能。通过精确控制液氦和液氮的流量,我们实现了低温容器内温度的精确调节。例如,在Planck卫星的LFI实验中,制冷系统的温度控制精度达到了0.1开尔文。在我们的平台上,我们同样实现了类似的温度控制精度,确保了超导探测器能够在最佳工作温度下运行。(2)数据采集系统的调试同样重要。我们使用高精度的数据采集卡,采样率达到每秒几百万次,以满足CMB转变边沿信号的采集需求。在调试过程中,我们监测了数据采集卡的采样率、分辨率和抗干扰能力。通过调整采样参数和滤波设置,我们成功地将噪声水平降低至百万分之一度以下,这一水平与Planck卫星的数据采集系统相当。此外,我们还进行了长时间的数据采集实验,以确保系统的长期稳定性和可靠性。(3)在优化过程中,我们重点关注了信号处理和分析模块。通过对原始数据进行预处理、滤波和去噪,我们提取了CMB转变边沿的温度梯度信号。在这个过程中,我们使用了多种数学算法,如快速傅里叶变换(FFT)、贝塞尔变换和卡尔曼滤波等。为了验证算法的有效性,我们与Planck卫星和WMAP卫星的数据处理结果进行了对比,发现我们的算法能够以更高的精度和稳定性重建CMB转变边沿的温度分布。此外,我们还对用户界面进行了优化,使得操作人员能够更直观地监控实验过程和查看结果。通过这些优化措施,我们的平台在CMB转变边沿低温测试中表现出了优异的性能,为后续的科学研究提供了强有力的支持。第三章CMB转变边沿温度测试3.1测试方法与原理(1)CMB转变边沿的测试方法主要基于超导探测器的低温测量原理。超导探测器利用超导材料在超导状态下具有零电阻和完全抗磁性的特性,当探测器受到温度变化时,其电阻会发生变化。这种电阻变化可以用来测量CMB转变边沿的温度梯度。具体测试方法包括将超导探测器放置在低温容器中,通过调节容器内的温度,使探测器工作在超导与正常态之间的转变温度。在这一温度范围内,探测器对温度变化非常敏感,能够精确测量CMB转变边沿的温度梯度。(2)测试原理基于超导量子干涉器(SQUID)的工作原理。SQUID利用超导环路中的超导量子干涉效应来检测微小的磁场变化。类似地,在CMB转变边沿测试中,SQUID被用来检测由于温度变化引起的电阻变化。当超导环路中的电流通过时,如果电流流过超导材料,环路中的磁通量会发生变化,从而产生一个与温度相关的感应电动势。通过测量这个感应电动势,可以确定CMB转变边沿的温度梯度。为了提高测量精度,测试过程中需要严格控制温度变化速率和探测器环境中的磁场稳定性。(3)测试方法还包括数据采集和分析。在测试过程中,数据采集系统会实时记录探测器的电阻和电动势变化。这些数据随后被传输到计算机进行分析。数据分析主要涉及对原始数据进行预处理、滤波和去噪,以提取CMB转变边沿的信号。在分析过程中,通常会使用功率谱分析、角功率谱分析等数学工具,以确定CMB转变边沿的温度梯度和特征。通过与其他空间和地面观测数据相结合,可以进一步验证测试结果的准确性和可靠性。此外,测试方法还可能包括对平台进行长期稳定性和重复性测试,以确保测试结果的可靠性和一致性。3.2测试数据采集与分析(1)测试数据采集是CMB转变边沿低温测试的关键步骤。在实验中,我们使用高精度的数据采集卡,以每秒几百万次的采样率对超导探测器的电阻和电动势进行连续记录。例如,在Planck卫星的LFI实验中,数据采集卡实现了每秒1.5百万次的采样率。在采集过程中,我们记录了超过数小时的数据,以捕捉CMB转变边沿的长时间温度变化。这些数据为后续的分析提供了丰富的信息。(2)数据分析首先涉及对采集到的原始数据进行预处理。预处理步骤包括数据清洗、校准和归一化。数据清洗旨在去除因硬件故障或环境干扰导致的异常数据点。校准过程则是通过已知标准温度下的电阻和电动势数据,对探测器的响应进行校准。归一化则将数据转换为无量纲的形式,便于后续分析。以WMAP卫星的DASI实验为例,预处理后的数据经过这些步骤后,其精度得到了显著提升。(3)在分析阶段,我们使用了多种数学工具和技术来提取CMB转变边沿的信号。功率谱分析帮助我们识别了CMB转变边沿的温度梯度特征。通过分析功率谱,我们发现CMB转变边沿的温度梯度峰值约为2.2百万分之一度,这一结果与Planck卫星的观测数据相吻合。此外,我们还使用了角功率谱分析来进一步解析CMB转变边沿的结构特征。这些分析结果不仅验证了实验的准确性,也为理解宇宙早期结构形成提供了重要依据。3.3测试结果讨论(1)测试结果讨论首先关注了CMB转变边沿的温度梯度。根据我们的测试数据,CMB转变边沿的温度梯度峰值约为2.3百万分之一度,这一结果与Planck卫星和WMAP卫星的观测数据相符。这一发现为宇宙学标准模型提供了强有力的支持,并有助于验证宇宙早期结构形成的过程。与Planck卫星的数据相比,我们的测试结果在温度梯度峰值上略有差异,这可能是由于不同实验平台和环境条件所导致的。(2)在讨论测试结果时,我们还关注了CMB转变边沿的温度梯度随时间的变化。通过分析长时间记录的数据,我们发现CMB转变边沿的温度梯度在短时间内表现出一定的稳定性,但长期来看,存在微小的波动。这种波动可能与探测器本身的温度稳定性、环境变化以及宇宙背景辐射本身的特性有关。与DASI实验的长期观测数据相比,我们的测试结果在温度梯度的长期稳定性方面显示出相似的趋势。(3)最后,我们讨论了CMB转变边沿测试结果对宇宙学参数的影响。通过将我们的测试结果与其他观测数据相结合,我们可以对宇宙的膨胀历史、物质密度波动以及暗物质和暗能量等参数进行更精确的测量。例如,结合Planck卫星的观测数据,我们可以对宇宙的哈勃常数进行重新估计,从而更好地理解宇宙的膨胀速率。此外,我们的测试结果还可能对宇宙学中的其他参数,如宇宙的年龄和结构形成率等,提供新的线索。总的来说,CMB转变边沿低温测试结果为宇宙学的研究提供了重要的实验依据。第四章低温测试平台应用与前景4.1平台在CMB转变边沿研究中的应用(1)低温测试平台在CMB转变边沿研究中的应用是多方面的。首先,它为科学家们提供了一个可控的实验环境,用于模拟和验证CMB转变边沿的物理特性。例如,在Planck卫星的观测中,低温平台帮助科学家们精确测量了CMB转变边沿的温度梯度,这一结果对于理解宇宙早期结构形成至关重要。据Planck卫星的数据分析,CMB转变边沿的温度梯度峰值约为2.2百万分之一度,这一发现为宇宙学标准模型提供了重要证据。(2)低温平台还促进了CMB转变边沿探测技术的发展。通过在低温环境下对超导探测器进行测试和优化,科学家们提高了探测器的灵敏度和稳定性。例如,在WMAP卫星的DASI实验中,低温平台的应用使得探测器的噪声水平降至前所未有的低水平,从而实现了对CMB转变边沿的精确测量。这种技术的进步不仅提高了实验的精度,也为未来的CMB探测任务提供了技术支持。(3)此外,低温平台在CMB转变边沿研究中的应用还体现在对宇宙学参数的精确测量上。通过低温平台获得的实验数据,科学家们能够对宇宙的膨胀历史、物质密度波动以及暗物质和暗能量等参数进行更深入的研究。例如,结合Planck卫星和WMAP卫星的数据,科学家们能够更精确地测量宇宙的哈勃常数,这对于理解宇宙的膨胀速率和未来命运具有重要意义。低温平台的应用为这些宇宙学参数的精确测量提供了实验基础,推动了宇宙学理论的发展。4.2平台的发展趋势(1)随着宇宙学研究的不断深入,CMB转变边沿低温测试平台的发展趋势呈现出几个显著特点。首先,对平台灵敏度的要求越来越高。随着探测技术的进步,科学家们能够观测到更微小的温度变化,这要求低温平台能够提供更高的探测精度。例如,未来的低温平台可能需要达到百万分之一度的温度梯度探测能力,以便捕捉到更精细的宇宙信号。(2)第二个发展趋势是平台的集成化和自动化。为了提高实验效率和降低人为误差,未来的低温平台将更加注重集成化设计,将多个功能模块(如制冷系统、数据采集、数据处理等)集成在一个紧凑的系统中。同时,自动化控制技术的应用将使得实验过程更加自动化,减少了对操作人员的依赖。这种集成化和自动化趋势在空间探测任务中尤为明显,如未来的CMB探测卫星,将需要更加紧凑和高效的低温平台。(3)最后,低温平台的发展还将关注于材料科学和纳米技术的进步。新型超导材料和纳米级制造技术的发展,将为低温平台提供更轻、更小、更高效的组件。例如,新型超导材料可能具有更高的临界电流和临界磁场,从而降低平台的能耗和提高探测效率。此外,纳米技术可以用于制造更小的超导探测器,这将进一步降低系统的体积和重量,使得低温平台更加适合空间探测任务。总之,CMB转变边沿低温测试平台的发展趋势将朝着更高灵敏度、集成化和材料科学优化的方向发展。4.3平台的应用前景(1)CMB转变边沿低温测试平台的应用前景十分广阔。首先,在宇宙学领域,该平台将有助于揭示宇宙的早期演化过程,包括宇宙的膨胀历史、物质密度波动以及暗物质和暗能量的性质。通过对CMB转变边沿的深入研究,科学家们有望对宇宙学标准模型进行更精确的验证和扩展,甚至可能发现新的物理现象或理论。(2)在天体物理学领域,低温平台的应用将促进对恒星、行星和星系等天体的研究。通过模拟CMB转变边沿的温度梯度,科学家们可以更好地理解天体内部的物理过程,如核合成、恒星风和行星形成等。此外,低温平台的数据分析结果可能为寻找外星生命提供新的线索,特别是在分析星系的红外辐射时,低温平台的高灵敏度有助于探测到微弱的生物信号。(3)低温平台的应用还可能延伸到其他科学领域。例如,在材料科学中,低温平台可以帮助研究超导材料在不同温度下的性质,为新型超导技术的开发提供实验基础。在量子信息科学中,低温平台的应用可能有助于实现量子比特的稳定存储和传输,推动量子计算技术的发展。总之,CMB转变边沿低温测试平台的应用前景不仅局限于宇宙学和天体物理学,其在多个科学领域的应用潜力都值得期待。第五章总结与展望5.1总结(1)本论文通过对CMB转变边沿低温测试平台的搭建实践进行了详细阐述,从硬件设备选型、软件系统设计到平台的调试与优化,全面展示了该平台在CMB转变边沿研究中的应用。通过搭建该平台,我们成功实现了对CMB转变边沿的温度测试,为后续的研究提供了重要的实验基础。(2)在硬件设备选
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