Et gennembrud i studiet af laser/plasma-interaktioner

Et nyt 3-D partikel-i-celle (PIC) simuleringsværktøj udviklet af forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory og CEA Saclay muliggør banebrydende simuleringer af laser/plasma-koblingsmekanismer, der tidligere var uden for rækkevidde af standard PIC-koder, der blev brugt i plasma forskning. Mere detaljeret forståelse af disse mekanismer er afgørende for udviklingen af ​​ultrakompakte partikelacceleratorer og lyskilder, der kan løse mangeårige udfordringer inden for medicin, industri, og grundlæggende videnskab mere effektivt og omkostningseffektivt.

I laser-plasma-eksperimenter, såsom dem på Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center og på CEA Saclay – en international forskningsfacilitet i Frankrig, der er en del af den franske atomenergikommission – meget store elektriske felter i plasmaer, der accelererer partikelstråler til høj energi over meget kortere afstande sammenlignet med eksisterende acceleratorteknologier. Det langsigtede mål med disse laserplasmaacceleratorer (LPA'er) er en dag at bygge kollidere til højenergiforskning, men mange spin-offs er allerede ved at blive udviklet. For eksempel, LPA'er kan hurtigt afsætte store mængder energi i faste materialer, skabe tætte plasmaer og udsætte dette stof for ekstreme temperaturer og tryk. De rummer også potentialet til at drive fri-elektronlasere, der genererer lysimpulser, der varer kun attosekunder. Sådanne ekstremt korte impulser kunne gøre det muligt for forskere at observere interaktioner mellem molekyler, atomer, og endda subatomære partikler på ekstremt korte tidsskalaer.

Supercomputersimuleringer er blevet mere og mere kritiske for denne forskning, og Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) er blevet en vigtig ressource i denne indsats. Ved at give forskere adgang til fysiske observerbare ting såsom partikelbaner og udstrålede felter, der er svære at få i eksperimenter på ekstremt små tids- og længdeskalaer, PIC-simuleringer har spillet en stor rolle i forståelsen af, modellering, og vejlede højintensive fysikeksperimenter. Men en mangel på PIC-koder, der har tilstrækkelig beregningsnøjagtighed til at modellere laser-stof-interaktion ved ultrahøje intensiteter, har hindret udviklingen af ​​nye partikel- og lyskilder produceret af denne interaktion.

Denne udfordring fik Berkeley Lab/CEA Saclay-teamet til at udvikle deres nye simuleringsværktøj, døbt Warp+PXR, en indsats startet under den første runde af NERSC Exascale Science Applications Program (NESAP). Koden kombinerer den meget brugte 3-D PIC-kode Warp med det højtydende bibliotek PICSAR, der er udviklet i fællesskab af Berkeley Lab og CEA Saclay. Det udnytter også en ny type massivt parallel pseudo-spektral solver, der er udviklet i fællesskab af Berkeley Lab og CEA Saclay, der dramatisk forbedrer nøjagtigheden af ​​simuleringerne sammenlignet med de løsere, der typisk bruges i plasmaforskning.

Faktisk, uden dette nye, meget skalerbar solver, "de simuleringer, vi laver nu, ville ikke være mulige, sagde Jean-Luc Vay, en seniorfysiker ved Berkeley Lab, der leder Accelerator Modeling Program i laboratoriets Applied Physics and Accelerator Technologies Division. "Som vores team viste i en tidligere undersøgelse, denne nye FFT spektral solver muliggør meget højere præcision, end det kan gøres med finite difference time domain (FDTD) solvers, så vi var i stand til at nå nogle parameterrum, som ikke ville have været tilgængelige med standard FDTD-løsere." Denne nye type spektralløsere er også kernen i næste generations PIC-algoritme med adaptiv mesh-forfining, som Vay og kolleger udvikler i den nye Warp-X kode som en del af det amerikanske energiministeriums Exascale Computing Project.

2-D- og 3-D-simuleringer, begge kritiske

Vay er også medforfatter på et papir udgivet 21. marts i Fysisk gennemgang X der rapporterer om den første omfattende undersøgelse af laser-plasma-koblingsmekanismerne ved hjælp af Warp+PXR. Denne undersøgelse kombinerede state-of-the-art eksperimentelle målinger udført på UHI100-laseranlægget ved CEA Saclay med banebrydende 2-D og 3-D simuleringer kørt på Cori-supercomputeren på NERSC og Mira og Theta-systemerne på Argonne Leadership Computing Facility ved Argonne National Laboratory. Disse simuleringer gjorde det muligt for holdet bedre at forstå koblingsmekanismerne mellem det ultra-intense laserlys og det tætte plasma, det skabte, giver ny indsigt i, hvordan man optimerer ultrakompakte partikel- og lyskilder. Benchmarks med Warp+PXR viste, at koden er skalerbar på op til 400, 000 kerner på Cori og 800, 000 kerner på Mira og kan fremskynde tiden til løsning med så meget som tre størrelsesordener på problemer relateret til fysikeksperimenter med ultrahøj intensitet.

"Vi kan ikke konsekvent gentage eller gengive, hvad der skete i eksperimentet med 2-D-simuleringer - vi har brug for 3-D til dette, " sagde medforfatter Henri Vincenti, en videnskabsmand i højintensitetsfysikgruppen ved CEA Saclay. Vincenti ledede det teoretiske/simuleringsarbejde for det nye studie og var Marie Curie postdoc ved Berkeley Lab i Vays gruppe, hvor han først begyndte at arbejde på den nye kode og løser. "3D-simuleringerne var også virkelig vigtige for at kunne benchmarke nøjagtigheden fra den nye kode i forhold til eksperimenter."

For forsøget skitseret i Fysisk gennemgang X papir, CEA Saclay-forskerne brugte en højeffekt (100TW) femtosekund-laserstråle på CEA's UHI100-anlæg med fokus på et silica-mål for at skabe et tæt plasma. Ud over, to diagnostik - en Lanex scintillerende skærm og et ekstremt ultraviolet spektrometer - blev anvendt til at studere laser-plasma-interaktionen under eksperimentet. De diagnostiske værktøjer gav yderligere udfordringer, når det kom til at studere tids- og længdeskalaer, mens eksperimentet kørte, igen gør simuleringerne kritiske for forskernes resultater.

"I denne form for eksperiment kan du ofte ikke få adgang til de involverede tids- og længdeskalaer, især fordi du i eksperimenterne har et meget intenst laserfelt på dit mål, så du kan ikke placere nogen diagnostik tæt på målet, " sagde Fabien Quéré, en forsker, der leder det eksperimentelle program på CEA og er medforfatter til PRX-oplægget. "I denne form for eksperiment ser vi på ting, der udsendes af målet, der er langt væk - 10, 20 cm – og sker i realtid, i det væsentlige, mens fysikken er på mikron- eller submikronskalaen og subfemtosekundens skala i tid. Så vi har brug for simuleringerne til at tyde, hvad der foregår i eksperimentet."

"De første principsimuleringer, vi brugte til denne forskning, gav os adgang til den komplekse dynamik i laserfeltinteraktionen, med det faste mål på detaljeringsniveauet for individuelle partikelbaner, giver os mulighed for bedre at forstå, hvad der skete i eksperimentet, " tilføjede Vincenti.

Disse meget store simuleringer med en spektral FFT-løser med ultrahøj præcision var mulige takket være et paradigmeskift introduceret i 2013 af Vay og samarbejdspartnere. I en undersøgelse offentliggjort i Journal of Computational Physics, de bemærkede, at når man løser de tidsafhængige Maxwells ligninger, standard FFT-paralleliseringsmetoden (som er global og kræver kommunikation mellem processorer på tværs af hele simuleringsdomænet) kunne erstattes med en domænedekomponering med lokale FFT'er og kommunikation begrænset til naboprocessorer. Ud over at muliggøre meget mere fordelagtig stærk og svag skalering på tværs af et stort antal computerknudepunkter, den nye metode er også mere energieffektiv, fordi den reducerer kommunikationen.

"Med standard FFT-algoritmer skal du kommunikere på tværs af hele maskinen, " sagde Vay. "Men den nye spektrale FFT-løser muliggør besparelser i både computertid og energi, hvilket er en stor ting for de nye supercomputing-arkitekturer, der introduceres."