Plasmaacceleration:Det hele er med i blandingen

LUX-teamet hos DESY fejrer ikke kun én, men to milepæle i udviklingen af ​​innovative plasmaacceleratorer. Forskerne fra Universitetet i Hamburg og DESY brugte deres accelerator til at teste en teknik, der gør det muligt at holde energifordelingen af ​​de producerede elektronstråler særligt snæver. De brugte også kunstig intelligens til at give acceleratoren mulighed for at optimere sin egen drift. Forskerne rapporterer om deres eksperimenter i to artikler offentliggjort kort efter hinanden i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . "Det er fantastisk at se den hastighed, hvormed den nye teknologi til plasmaacceleration når et modenhedsniveau, hvor den kan bruges i en bred vifte af applikationer, "tillykke Wim Leemans, Direktør for Accelerator Division hos DESY.

Plasmaacceleration er en innovativ teknologi, der giver anledning til en ny generation af partikelacceleratorer, som ikke kun er bemærkelsesværdigt kompakte, men også ekstremt alsidige. Målet er at gøre de accelererede elektroner tilgængelige for applikationer inden for forskellige industriområder, videnskab og medicin.

Accelerationen foregår i en lille kanal, kun et par millimeter lang, fyldt med en ioniseret gas kaldet plasma. En intens laserpuls genererer en bølge i kanalen, som kan fange og accelerere elektroner fra plasmaet. "Som en surfer, elektronerne føres med af plasmabølgen, som accelererer dem til høje energier, " forklarer Manuel Kirchen, hovedforfatter på et af artiklerne. "Ved at bruge denne teknik, plasmaacceleratorer er i stand til at opnå accelerationer, der er op til tusind gange højere end de mest kraftfulde maskiner i brug i dag, " tilføjer Sören Jalas, forfatter til det andet papir.

Imidlertid, denne kompakthed er både en forbandelse og en velsignelse:da accelerationsprocessen er koncentreret i et lille rum, der er op til 1000 gange mindre end konventionelt, store maskiner, accelerationen foregår under virkelig ekstreme forhold. Derfor, en række udfordringer mangler stadig at blive overvundet, før den nye teknologi er klar til at gå i serieproduktion.

Forskerholdet ledet af Andreas Maier, en acceleratorfysiker hos DESY, har nu nået to kritiske milepæle på LUX-testfaciliteten – i fællesskab drevet af DESY og University of Hamburg:de har fundet en måde at reducere energifordelingen af ​​de accelererede elektronbundter væsentligt – en af ​​de mest essentielle egenskaber for mange potentielle anvendelser. At gøre dette, de programmerede en selvlærende autopilot til speederen, som automatisk optimerer LUX for maksimal ydeevne.

Gruppen udførte sine eksperimenter med en ny type plasmacelle, specielt udviklet til formålet, hvis plasmakanal er opdelt i to regioner. Plasmaet dannes fra en blanding af brint og nitrogen i den forreste del af cellen, som er omkring 10 millimeter lang, mens området bagved er fyldt med rent brint. Som resultat, forskerne var i stand til at få elektronerne til deres partikelbundt fra den forreste del af plasmacellen, som derefter blev accelereret over hele den bagerste del af cellen. "Ved at være tættere bundet, elektronerne i nitrogenet frigives lidt senere, og det gør dem ideelle til at blive accelereret af plasmabølgen, " forklarer Manuel Kirchen. Elektronbunken absorberer også energi fra plasmabølgen, at ændre formen på bølgen. "Vi var i stand til at udnytte denne effekt og justere formen på bølgen, så elektronerne når den samme energi uanset deres position langs bølgen, " tilføjer Kirchen.

Baseret på denne opskrift for at opnå høj elektronstrålekvalitet, holdet opnåede derefter en anden forskningssucces:Sören Jalas og hans kolleger var i stand til at bruge kunstig intelligens (IA) til at modificere en algoritme, der styrer og optimerer plasmaacceleratorens komplekse system. For at gøre det, forskerne forsynede algoritmen med en funktionel model af plasmaacceleratoren og et sæt justerbare parametre, som algoritmen derefter optimerede på egen hånd. I det væsentlige, systemet ændrede fem hovedparametre, herunder koncentrationen og tætheden af ​​gasserne og laserens energi og fokus, og brugte de resulterende målinger til at søge efter et arbejdspunkt, hvor elektronstrålen har den optimale kvalitet. "I løbet af sin balancegang i det 5-dimensionelle rum, Algoritmen lærte konstant og forfinede meget hurtigt modellen af ​​acceleratoren yderligere og længere, " siger Jalas. "AI'en tager omkring en time at finde et stabilt optimalt driftspunkt for acceleratoren; til sammenligning, vi vurderer, at mennesker ville have brug for mere end en uge."

En yderligere fordel er, at alle parametre og målte variabler fortsætter med at træne acceleratorens AI-model, gør optimeringsprocessen hurtigere, mere systematisk og mere målrettet. "De seneste fremskridt hos LUX betyder, at vi er godt på vej til at afprøve de første applikationer til testformål, " forklarer Andreas Maier, der står for udvikling af lasere til plasmaacceleratorer hos DESY. "Ultimativt, vi ønsker også at bruge plasmaaccelererede elektronbundter til at betjene en frielektronlaser."