A célula de gás usada como fonte de plasma. O laser chega da direita dessas imagens através do cone de metal e entra no pequeno cubo, que é preenchido com gás. O laser ioniza o gás e o transforma em plasma e cria o acelerador. Crédito:Rob Shalloo
Os pesquisadores usaram IA para controlar feixes para a próxima geração de pequenos, aceleradores mais baratos para pesquisa, aplicações médicas e industriais.
Experimentos liderados por pesquisadores do Imperial College London, usando o Centro de Laser (CLF) do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia, mostraram que um algoritmo foi capaz de ajustar os parâmetros complexos envolvidos no controle da próxima geração de aceleradores de partículas baseados em plasma.
O algoritmo foi capaz de otimizar o acelerador muito mais rapidamente do que um operador humano, e poderia até superar experimentos em sistemas de laser semelhantes.
Esses aceleradores concentram a energia dos lasers mais poderosos do mundo em um ponto do tamanho de uma célula da pele, produzindo elétrons e raios-X com equipamentos uma fração do tamanho dos aceleradores convencionais.
Os elétrons e raios-X podem ser usados para pesquisas científicas, tais como sondar a estrutura atômica dos materiais; em aplicações industriais, como para a produção de eletrônicos de consumo e borracha vulcanizada para pneus de automóveis; e também pode ser usado em aplicações médicas, como tratamentos de câncer e imagens médicas.
Várias instalações que usam esses novos aceleradores estão em vários estágios de planejamento e construção em todo o mundo, incluindo o Extreme Photonics Applications Center (EPAC) do CLF no Reino Unido, e a nova descoberta pode ajudá-los a dar o melhor de si no futuro. Os resultados são publicados hoje em Nature Communications .
Os elétrons são ejetados do acelerador de plasma quase à velocidade da luz, antes de passar por um campo magnético que separa as partículas por sua energia. Eles são então disparados contra uma tela fluorescente, mostrado aqui. Crédito:Rob Shalloo
Primeiro autor, Dr. Rob Shalloo, que completou a obra na Imperial e agora está no centro acelerador DESY, disse:"As técnicas que desenvolvemos serão fundamentais para obter o máximo de uma nova geração de instalações avançadas de aceleradores de plasma em construção no Reino Unido e no mundo todo.
"A tecnologia do acelerador de plasma fornece rajadas curtas de elétrons e raios-X com exclusividade, que já estão encontrando usos em muitas áreas do estudo científico. Com nossos desenvolvimentos, esperamos ampliar a acessibilidade a esses aceleradores compactos, permitindo que cientistas em outras disciplinas e aqueles que desejam usar essas máquinas para aplicações, para se beneficiar da tecnologia sem ser um especialista em aceleradores de plasma. "
A equipe trabalhou com aceleradores wakefield a laser. Estes combinam os lasers mais poderosos do mundo com uma fonte de plasma (gás ionizado) para criar feixes concentrados de elétrons e raios-X. Os aceleradores tradicionais precisam de centenas de metros a quilômetros para acelerar os elétrons, mas os aceleradores wakefield podem gerenciar a mesma aceleração no espaço de milímetros, reduzindo drasticamente o tamanho e o custo do equipamento.
Contudo, porque os aceleradores de wakefield operam em condições extremas criadas quando os lasers são combinados com o plasma, eles podem ser difíceis de controlar e otimizar para obter o melhor desempenho. Na aceleração de wakefield, um pulso de laser ultracurto é conduzido ao plasma, criando uma onda que é usada para acelerar elétrons. Tanto o laser quanto o plasma têm vários parâmetros que podem ser ajustados para controlar a interação, como a forma e a intensidade do pulso de laser, ou a densidade e o comprimento do plasma.
Embora um operador humano possa ajustar esses parâmetros, é difícil saber como otimizar tantos parâmetros de uma vez. Em vez de, a equipe recorreu à inteligência artificial, criar um algoritmo de aprendizado de máquina para otimizar o desempenho do acelerador.
Esta foto mostra a parte externa da câmara de vácuo, completamente cercada por tijolos de chumbo pintados. O chumbo é para proteção contra radiação e a estrutura de metal permite que as paredes de chumbo sejam enroladas para dentro e para fora do caminho para permitir o acesso à câmara. Eles são pintados porque o chumbo é altamente tóxico e, portanto, pintá-los evita que gerem poeira de chumbo prejudicial. Crédito:Rob Shalloo
O algoritmo configurou até seis parâmetros que controlam o laser e plasma, disparou o laser, analisou os dados, e redefinir os parâmetros, executar este loop muitas vezes em sucessão até que a configuração de parâmetro ideal seja alcançada.
Pesquisador principal, Dr. Matthew Streeter, que completou o trabalho na Imperial e agora está na Queen's University Belfast, disse:"Nosso trabalho resultou em um acelerador de plasma autônomo, O primeiro de sua espécie. Além de nos permitir otimizar o acelerador de forma eficiente, também simplifica sua operação e nos permite dedicar mais esforços à exploração da física fundamental por trás dessas máquinas extremas. "
A equipe demonstrou sua técnica usando o sistema de laser Gemini no CLF, e já começaram a usá-lo em novos experimentos para sondar a estrutura atômica de materiais em condições extremas e no estudo da antimatéria e da física quântica.
Os dados coletados durante o processo de otimização também forneceram novos insights sobre a dinâmica da interação laser-plasma dentro do acelerador, potencialmente informando projetos futuros para melhorar ainda mais o desempenho do acelerador.
