LUX-teamet på DESY firar inte bara en utan två milstolpar i utvecklingen av innovativa plasmaacceleratorer. Forskarna från universitetet i Hamburg och DESY använde sin accelerator för att testa en teknik som gör att energifördelningen av de producerade elektronstrålarna kan hållas särskilt smal. De använde också artificiell intelligens för att tillåta acceleratorn att optimera sin egen funktion. Forskarna rapporterar sina experiment i två artiklar publicerade kort efter varandra i tidskriften Fysiska granskningsbrev . "Det är fantastiskt att se hastigheten med vilken den nya tekniken för plasmaacceleration når en mognadsnivå där den kan användas i ett brett spektrum av applikationer, " gratulerar Wim Leemans, Direktör för Accelerator Division på DESY.

Plasmaacceleration är en innovativ teknik som ger upphov till en ny generation av partikelacceleratorer som inte bara är anmärkningsvärt kompakta utan också extremt mångsidiga. Syftet är att göra de accelererade elektronerna tillgängliga för tillämpningar inom olika industriområden, vetenskap och medicin.

Accelerationen sker i en liten kanal, bara några millimeter lång, fylld med en joniserad gas som kallas plasma. En intensiv laserpuls genererar en våg i kanalen, som kan fånga och accelerera elektroner från plasman. "Som en surfare, elektronerna bärs med av plasmavågen, som accelererar dem till höga energier, " förklarar Manuel Kirchen, huvudförfattare till en av tidningarna. "Med den här tekniken, plasmaacceleratorer kan uppnå accelerationer som är upp till tusen gånger högre än de för de mest kraftfulla maskinerna som används idag, tillägger Sören Jalas, författare till den andra uppsatsen.

Dock, denna kompakthet är både en förbannelse och en välsignelse:eftersom accelerationsprocessen är koncentrerad till ett litet utrymme som är upp till 1000 gånger mindre än konventionellt, storskaliga maskiner, accelerationen sker under verkligt extrema förhållanden. Därför, ett antal utmaningar måste fortfarande övervinnas innan den nya tekniken är redo att gå i serieproduktion.

Forskargruppen ledd av Andreas Maier, en acceleratorfysiker på DESY, har nu nått två kritiska milstolpar vid LUX-testanläggningen – som drivs gemensamt av DESY och universitetet i Hamburg:de har hittat ett sätt att avsevärt minska energifördelningen för de accelererade elektronknippena – en av de mest väsentliga egenskaperna för många potentiella tillämpningar. Att göra detta, de programmerade en självlärande autopilot för gaspedalen, som automatiskt optimerar LUX för maximal prestanda.

Gruppen genomförde sina experiment med en ny typ av plasmaceller, speciellt framtagen för ändamålet, vars plasmakanal är uppdelad i två regioner. Plasman genereras från en blandning av väte och kväve i den främre delen av cellen, som är cirka 10 millimeter lång, medan regionen bakom den är fylld med rent väte. Som ett resultat, forskarna kunde få fram elektronerna för deras partikelgäng från den främre delen av plasmacellen, som sedan accelererades över hela den bakre delen av cellen. "Att vara hårdare bunden, elektronerna i kvävet frigörs lite senare, och det gör dem idealiska för att accelereras av plasmavågen, " förklarar Manuel Kirchen. Elektrongänget absorberar också energi från plasmavågen, ändra formen på vågen. "Vi kunde dra fördel av denna effekt och justera vågens form så att elektronerna når samma energi oavsett deras position längs vågen, tillägger Kirchen.

Baserat på detta recept för att uppnå hög elektronstrålekvalitet, teamet gjorde sedan en andra forskningsframgång:Sören Jalas och hans kollegor kunde använda artificiell intelligens (IA) för att modifiera en algoritm som styr och optimerar plasmaacceleratorns komplexa system. Att göra så, forskarna försåg algoritmen med en funktionell modell av plasmaacceleratorn och en uppsättning justerbara parametrar, som algoritmen sedan optimerade på egen hand. Väsentligen, systemet ändrade fem huvudparametrar, inklusive koncentrationen och densiteten hos gaserna och laserns energi och fokus, och använde de resulterande mätningarna för att söka efter en arbetspunkt där elektronstrålen har den optimala kvaliteten. "Under sin balansgång i det 5-dimensionella rummet, Algoritmen lärde sig hela tiden och förfinade snabbt modellen av acceleratorn mer och mer, " säger Jalas. "AI:n tar ungefär en timme att hitta en stabil optimal driftpunkt för gaspedalen; i jämförelse, vi uppskattar att människor skulle behöva över en vecka."

En ytterligare fördel är att alla parametrar och uppmätta variabler fortsätter att träna acceleratorns AI-modell, göra optimeringsprocessen snabbare, mer systematiska och mer målinriktade. "De senaste framstegen hos LUX betyder att vi är på god väg att testa initiala applikationer för teständamål, " förklarar Andreas Maier, som är ansvarig för att utveckla lasrar för plasmaacceleratorer på DESY. "I sista hand, vi vill också använda plasmaaccelererade elektronknippen för att driva en frielektronlaser."