Gascellen som används som plasmakälla. Lasern kommer från höger om dessa bilder genom metallkonen och går in i den lilla kuben, som är fylld med gas. Lasern joniserar gasen och förvandlar den till en plasma och skapar acceleratorn. Upphovsman:Rob Shalloo
Forskare har använt AI för att styra strålar för nästa generation av mindre, billigare acceleratorer för forskning, medicinska och industriella tillämpningar.
Experiment ledda av Imperial College London -forskare, med hjälp av Science and Technology Facilities Council's Central Laser Facility (CLF), visade att en algoritm kunde justera de komplexa parametrar som är involverade i att styra nästa generation av plasmabaserade partikelacceleratorer.
Algoritmen kunde optimera acceleratorn mycket snabbare än en mänsklig operatör, och kan till och med överträffa experiment på liknande lasersystem.
Dessa acceleratorer fokuserar energin i världens mest kraftfulla lasrar till en plats som är stor som en hudcell, producerar elektroner och röntgenstrålar med utrustning en bråkdel av storleken på konventionella acceleratorer.
Elektronerna och röntgenstrålarna kan användas för vetenskaplig forskning, såsom undersökning av materialets atomstruktur; i industriella tillämpningar, såsom för tillverkning av konsumentelektronik och vulkaniserat gummi för bildäck; och kan också användas i medicinska applikationer, såsom cancerbehandlingar och medicinsk bildbehandling.
Flera anläggningar som använder dessa nya acceleratorer befinner sig i olika stadier av planering och konstruktion runt om i världen, inklusive CLF:s Extreme Photonics Applications Center (EPAC) i Storbritannien, och den nya upptäckten kan hjälpa dem att arbeta som bäst i framtiden. Resultaten publiceras idag i Naturkommunikation .
Elektroner matas ut från plasmacceleratorn med nästan ljusets hastighet, innan de passeras genom ett magnetfält som separerar partiklarna med sin energi. De avfyras sedan mot en fluorescerande skärm, visas här. Upphovsman:Rob Shalloo
Förste författaren Dr Rob Shalloo, som slutförde arbetet på Imperial och nu är på acceleratorcentret DESY, sade:"Teknikerna vi har utvecklat kommer att vara avgörande för att få ut det mesta av en ny generation av avancerade plasmaacceleratoranläggningar under uppbyggnad i Storbritannien och världen över.
"Plasmacceleratorteknologi ger unikt korta utbrott av elektroner och röntgenstrålar, som redan hittar användningsområden inom många vetenskapliga studier. Med vår utveckling, vi hoppas kunna utöka tillgängligheten till dessa kompakta acceleratorer, tillåter forskare inom andra discipliner och de som vill använda dessa maskiner för applikationer, att dra nytta av tekniken utan att vara expert på plasmacceleratorer. "
Teamet arbetade med laser wakefield -acceleratorer. Dessa kombinerar världens mest kraftfulla lasrar med en källa till plasma (joniserad gas) för att skapa koncentrerade strålar av elektroner och röntgenstrålar. Traditionella acceleratorer behöver hundratals meter till kilometer för att accelerera elektroner, men wakefield -acceleratorer kan hantera samma acceleration inom millimeterområdet, drastiskt minska utrustningens storlek och kostnad.
Dock, eftersom wakefield -acceleratorer fungerar under de extrema förhållanden som skapas när lasrar kombineras med plasma, de kan vara svåra att kontrollera och optimera för att få bästa prestanda. Vid wakefield -acceleration, en ultrakort laserpuls drivs in i plasma, skapa en våg som används för att accelerera elektroner. Både laser och plasma har flera parametrar som kan justeras för att styra interaktionen, såsom laserpulsens form och intensitet, eller densiteten och längden på plasma.
Medan en mänsklig operatör kan justera dessa parametrar, Det är svårt att veta hur man optimerar så många parametrar samtidigt. Istället, laget vände sig till artificiell intelligens, skapa en maskininlärningsalgoritm för att optimera acceleratorns prestanda.
Detta foto visar utsidan av vakuumkammaren som är helt omgiven av målade blystenar. Ledningen är för strålskydd och metallramen gör att blyväggarna kan rullas in och ut ur vägen för att möjliggöra åtkomst till kammaren. De är målade eftersom bly är mycket giftigt och att måla dem förhindrar att de genererar skadligt blydamm. Upphovsman:Rob Shalloo
Algoritmen satte upp till sex parametrar som styr laser och plasma, sköt lasern, analyserat data, och ställ in parametrarna igen, utför denna slinga många gånger i följd tills den optimala parameterkonfigurationen nåddes.
Ledande forskare Dr Matthew Streeter, som avslutade arbetet på Imperial och nu är på Queen's University Belfast, sade:"Vårt arbete resulterade i en autonom plasmaccelerator, den första i sitt slag. Förutom att vi effektivt kan optimera gaspedalen, det förenklar också deras funktion och gör att vi kan lägga mer av våra ansträngningar på att utforska den grundläggande fysiken bakom dessa extrema maskiner. "
Teamet demonstrerade sin teknik med Gemini -lasersystemet vid CLF, och har redan börjat använda den i ytterligare experiment för att undersöka atomstrukturen för material under extrema förhållanden och för att studera antimateria och kvantfysik.
Data som samlats in under optimeringsprocessen gav också ny inblick i dynamiken i laser-plasma-interaktionen inuti acceleratorn, potentiellt informera framtida konstruktioner för att ytterligare förbättra acceleratorns prestanda.
