Kunstig intelligens forbedrer kontrollen med kraftige plasmacceleratorer

Forskere har brugt AI til at styre bjælker til den næste generation af mindre, billigere acceleratorer til forskning, medicinske og industrielle applikationer.

Eksperimenter ledet af Imperial College London -forskere, ved hjælp af Science and Technology Facilities Council's Central Laser Facility (CLF), viste, at en algoritme var i stand til at tune de komplekse parametre, der er involveret i styring af den næste generation af plasma-baserede partikelacceleratorer.

Algoritmen var i stand til at optimere acceleratoren meget hurtigere end en menneskelig operatør, og kunne endda udkonkurrere eksperimenter på lignende lasersystemer.

Disse acceleratorer fokuserer energien fra verdens mest kraftfulde lasere ned til et sted på størrelse med en hudcelle, producerer elektroner og røntgenstråler med udstyr en brøkdel af størrelsen på konventionelle acceleratorer.

Elektronerne og røntgenstrålerne kan bruges til videnskabelig forskning, såsom undersøgelse af materialers atomstruktur; i industrielle applikationer, f.eks. til fremstilling af forbrugerelektronik og vulkaniseret gummi til bildæk; og kan også bruges i medicinske applikationer, såsom kræftbehandlinger og medicinsk billeddannelse.

Flere faciliteter, der bruger disse nye acceleratorer, er i forskellige stadier af planlægning og konstruktion rundt om i verden, herunder CLF's Extreme Photonics Applications Center (EPAC) i Storbritannien, og den nye opdagelse kunne hjælpe dem med at arbejde bedst muligt i fremtiden. Resultaterne offentliggøres i dag i Naturkommunikation .

Første forfatter Dr. Rob Shalloo, der afsluttede arbejdet på Imperial og nu er i acceleratorcentret DESY, sagde:"De teknikker, vi har udviklet, vil være med til at få mest muligt ud af en ny generation af avancerede plasmaacceleratorfaciliteter under opførelse i Storbritannien og verden over.

"Plasma accelerator teknologi giver unikt korte udbrud af elektroner og røntgenstråler, som allerede finder anvendelser på mange videnskabelige undersøgelsesområder. Med vores udvikling, vi håber at udvide tilgængeligheden til disse kompakte acceleratorer, tillader forskere inden for andre discipliner og dem, der ønsker at bruge disse maskiner til applikationer, at drage fordel af teknologien uden at være ekspert i plasmacceleratorer. "

Teamet arbejdede med laserwakefield -acceleratorer. Disse kombinerer verdens mest kraftfulde lasere med en kilde til plasma (ioniseret gas) til at skabe koncentrerede stråler af elektroner og røntgenstråler. Traditionelle acceleratorer har brug for hundredvis af meter til kilometer for at accelerere elektroner, men wakefield -acceleratorer kan klare den samme acceleration inden for millimeter, reducerer udstyrets størrelse og omkostninger drastisk.

Imidlertid, fordi wakefield -acceleratorer fungerer under de ekstreme forhold, der skabes, når lasere kombineres med plasma, de kan være svære at kontrollere og optimere for at få den bedste ydelse. Ved wakefield -acceleration, en ultrakort laserpuls drives ind i plasma, skaber en bølge, der bruges til at accelerere elektroner. Både laser og plasma har flere parametre, der kan justeres for at kontrollere interaktionen, såsom formen og intensiteten af ​​laserpulsen, eller densiteten og længden af ​​plasmaet.

Mens en menneskelig operatør kan justere disse parametre, det er svært at vide, hvordan man optimerer så mange parametre på én gang. I stedet, holdet vendte sig til kunstig intelligens, at oprette en machine learning -algoritme for at optimere acceleratorens ydeevne.

Algoritmen opstillede op til seks parametre, der styrer laser og plasma, affyrede laseren, analyseret data, og genindstil parametrene, udfører denne sløjfe mange gange i træk, indtil den optimale parameterkonfiguration blev nået.

Lederforsker Dr. Matthew Streeter, der afsluttede arbejdet på Imperial og nu er på Queen's University Belfast, sagde:"Vores arbejde resulterede i en autonom plasmaccelerator, den første af slagsen. Udover at vi effektivt kan optimere speederen, det forenkler også deres drift og giver os mulighed for at bruge flere af vores bestræbelser på at udforske den grundlæggende fysik bag disse ekstreme maskiner. "

Holdet demonstrerede deres teknik ved hjælp af Gemini -lasersystemet på CLF, og er allerede begyndt at bruge det i yderligere eksperimenter til at undersøge atomernes struktur af materialer under ekstreme forhold og til at studere antimateriale og kvantefysik.

De data, der blev indsamlet under optimeringsprocessen, gav også ny indsigt i dynamikken i laser-plasma-interaktionen inde i acceleratoren, potentielt informere fremtidige designs for yderligere at forbedre acceleratorens ydeevne.