Плазменное ускорение: все в миксе

Команда LUX в DESY отмечает не одну, а две вехи в разработке инновационных плазменных ускорителей. Ученые из Гамбургского университета и DESY использовали свой ускоритель для тестирования метода, который позволяет сохранять особенно узкое распределение энергии создаваемых электронных пучков. Они также использовали искусственный интеллект, чтобы ускоритель мог оптимизировать свою работу. Ученые сообщают о своих экспериментах в двух статьях, вскоре опубликованных одна за другой в журнале. Письма с физическими проверками. «Замечательно видеть, с какой скоростью новая технология плазменного ускорения достигает уровня зрелости, когда ее можно использовать в широком спектре приложений», – поздравляет Вим Лиманс, директор подразделения ускорителей DESY.


Плазменное ускорение – это инновационная технология, которая дает начало новому поколению ускорителей частиц, которые не только удивительно компактны, но и чрезвычайно универсальны. Цель состоит в том, чтобы сделать ускоренные электроны доступными для применения в различных областях промышленности, науки и медицины.

Ускорение происходит в крошечном канале длиной всего несколько миллиметров, заполненном ионизированным газом, называемым плазмой. Интенсивный лазерный импульс генерирует в канале волну, которая может захватывать и ускорять электроны из плазмы. «Как серфер, электроны уносятся плазменной волной, которая ускоряет их до высоких энергий», – объясняет Мануэль Кирхен, ведущий автор одной из статей. «Используя эту технику, плазменные ускорители могут достигать ускорений, которые в тысячу раз превышают ускорения самых мощных машин, используемых сегодня», – добавляет Сорен Ялас, автор второй статьи.

Однако такая компактность является одновременно и проклятием, и благословением: поскольку процесс ускорения сосредоточен в крошечном пространстве, которое в 1000 раз меньше, чем у обычных крупномасштабных машин, ускорение происходит в действительно экстремальных условиях. Таким образом, перед запуском новой технологии в серийное производство необходимо решить ряд проблем.

Исследовательская группа во главе с Андреасом Майером, физиком-ускорителем из DESY, достигла двух важных этапов на испытательном стенде LUX, совместно управляемом DESY и Гамбургским университетом: они нашли способ значительно уменьшить распределение энергии сгустки ускоренных электронов – одно из важнейших свойств для многих потенциальных приложений. Для этого они запрограммировали самообучающийся для ускорителя, который автоматически оптимизирует LUX для максимальной производительности.

Группа проводила свои эксперименты с использованием плазменной ячейки нового типа, специально разработанной для этой цели, плазменный канал которой разделен на две области. Плазма создается из смеси водорода и азота в передней части ячейки, длина которой составляет около 10 миллиметров, а область позади нее заполнена чистым водородом. В результате исследователи смогли получить электроны для своего сгустка частиц из передней части плазменной ячейки, которые затем ускорялись по всей задней части ячейки. «Будучи более тесно связанными, электроны в азоте высвобождаются немного позже, и это делает их идеальными для ускорения плазменной волной», – объясняет Мануэль Кирхен. Электронный сгусток также поглощает энергию плазменной волны, изменяя форму волны. «Мы смогли воспользоваться этим эффектом и отрегулировать форму волны так, чтобы электроны достигли одинаковой энергии независимо от их положения вдоль волны», – добавляет Кирхен.

Основываясь на этом рецепте достижения высокого качества электронного пучка, команда затем добилась второго успеха в исследовании: Сорен Ялас и его коллеги смогли использовать искусственный интеллект (ИА) для изменения алгоритма, который управляет и оптимизирует сложную систему плазменного ускорителя. Для этого ученые предоставили алгоритму функциональную модель плазменного ускорителя и набор настраиваемых параметров, которые затем алгоритм оптимизировал самостоятельно. По сути, система изменила пять основных параметров, включая концентрацию и плотность газов, а также энергию и фокус лазера, и использовала полученные измерения для поиска рабочей точки, в которой электронный луч имеет оптимальное качество. «В процессе балансировки в 5-мерном пространстве алгоритм постоянно обучался и очень быстро совершенствовал модель ускорителя, – говорит Джалас. « требуется около часа, чтобы найти стабильную оптимальную рабочую точку для ускорителя; для сравнения, по нашим оценкам, людям потребуется больше недели».

Еще одним преимуществом является то, что все параметры и измеряемые переменные продолжают обучать -модель ускорителя, делая процесс оптимизации более быстрым, систематическим и целенаправленным. «Последние достижения LUX означают, что мы находимся на пути к опробованию начальных приложений для целей тестирования», – объясняет Андреас Майер, отвечающий за разработку лазеров для плазменных ускорителей в DESY. «В конечном счете, мы также хотим использовать ускоренные плазмой электронные сгустки для работы лазера на свободных электронах».

Эксперименты проводились исследователями из Центра лазерных исследований на свободных электронах (CFEL), в сотрудничестве между DESY, Гамбургским университетом и Обществом Макса Планка, а также коллегой из лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments