La cellule à gaz utilisée comme source de plasma. Le laser arrive par la droite de ces images à travers le cône métallique et pénètre dans le petit cube, qui est rempli de gaz. Le laser ionise le gaz et le transforme en plasma et crée l'accélérateur. Crédit :Rob Shalloo
Les chercheurs ont utilisé l'IA pour contrôler les faisceaux de la prochaine génération de plus petits, des accélérateurs moins chers pour la recherche, applications médicales et industrielles.
Des expériences menées par des chercheurs de l'Imperial College de Londres, en utilisant la Central Laser Facility (CLF) du Science and Technology Facilities Council, ont montré qu'un algorithme était capable de régler les paramètres complexes impliqués dans le contrôle de la prochaine génération d'accélérateurs de particules à plasma.
L'algorithme a pu optimiser l'accélérateur beaucoup plus rapidement qu'un opérateur humain, et pourrait même surpasser les expériences sur des systèmes laser similaires.
Ces accélérateurs concentrent l'énergie des lasers les plus puissants au monde jusqu'à un point de la taille d'une cellule de la peau, produisant des électrons et des rayons X avec un équipement d'une fraction de la taille des accélérateurs conventionnels.
Les électrons et les rayons X peuvent être utilisés pour la recherche scientifique, comme sonder la structure atomique des matériaux; dans les applications industrielles, comme pour la production d'électronique grand public et de caoutchouc vulcanisé pour pneus de voiture ; et pourrait également être utilisé dans des applications médicales, comme les traitements contre le cancer et l'imagerie médicale.
Plusieurs installations utilisant ces nouveaux accélérateurs sont à divers stades de planification et de construction dans le monde, y compris l'Extreme Photonics Applications Center (EPAC) de la CLF au Royaume-Uni, et la nouvelle découverte pourrait les aider à travailler au mieux à l'avenir. Les résultats sont publiés aujourd'hui dans Communication Nature .
Les électrons sont éjectés de l'accélérateur à plasma presque à la vitesse de la lumière, avant de traverser un champ magnétique qui sépare les particules par leur énergie. Ils sont ensuite tirés sur un écran fluorescent, montré ici. Crédit :Rob Shalloo
Premier auteur Dr Rob Shalloo, qui a terminé les travaux à l'Impériale et est maintenant au centre d'accélération DESY, a déclaré :« Les techniques que nous avons développées seront déterminantes pour tirer le meilleur parti d'une nouvelle génération d'installations d'accélérateurs de plasma avancées en construction au Royaume-Uni et dans le monde.
"La technologie des accélérateurs plasma fournit des rafales uniques d'électrons et de rayons X, qui trouvent déjà des utilisations dans de nombreux domaines d'études scientifiques. Avec nos développements, nous espérons élargir l'accessibilité à ces accélérateurs compacts, permettant aux scientifiques d'autres disciplines et à ceux qui souhaitent utiliser ces machines pour des applications, de bénéficier de la technologie sans être un expert des accélérateurs de plasma."
L'équipe a travaillé avec des accélérateurs de champ de sillage laser. Ceux-ci combinent les lasers les plus puissants au monde avec une source de plasma (gaz ionisé) pour créer des faisceaux concentrés d'électrons et de rayons X. Les accélérateurs traditionnels ont besoin de centaines de mètres voire de kilomètres pour accélérer les électrons, mais les accélérateurs de wakefield peuvent gérer la même accélération en l'espace de quelques millimètres, réduisant considérablement la taille et le coût de l'équipement.
Cependant, parce que les accélérateurs de champ de sillage fonctionnent dans les conditions extrêmes créées lorsque les lasers sont combinés avec du plasma, ils peuvent être difficiles à contrôler et à optimiser pour obtenir les meilleures performances. En accélération de champ de sillage, une impulsion laser ultracourte est entraînée dans le plasma, créant une onde qui est utilisée pour accélérer les électrons. Le laser et le plasma ont plusieurs paramètres qui peuvent être ajustés pour contrôler l'interaction, tels que la forme et l'intensité de l'impulsion laser, ou la densité et la longueur du plasma.
Alors qu'un opérateur humain peut modifier ces paramètres, il est difficile de savoir comment optimiser autant de paramètres à la fois. Au lieu, l'équipe s'est tournée vers l'intelligence artificielle, créer un algorithme d'apprentissage automatique pour optimiser les performances de l'accélérateur.
Cette photo vous montre l'extérieur de la chambre à vide qui est complètement entourée de briques de plomb peintes. Le plomb est destiné à la radioprotection et le cadre métallique permet d'enrouler et d'écarter les parois en plomb pour permettre l'accès à la chambre. Ils sont peints parce que le plomb est hautement toxique et donc les peindre les empêche de générer de la poussière de plomb nocive. Crédit :Rob Shalloo
L'algorithme mis en place jusqu'à six paramètres contrôlant le laser et le plasma, a tiré le laser, analysé les données, et réinitialiser les paramètres, effectuer cette boucle plusieurs fois de suite jusqu'à ce que la configuration optimale des paramètres soit atteinte.
Chercheur principal, le Dr Matthew Streeter, qui a terminé le travail à l'Imperial et est maintenant à l'Université Queen's de Belfast, a déclaré :« Notre travail a abouti à un accélérateur de plasma autonome, le premier du genre. En plus de nous permettre d'optimiser efficacement l'accélérateur, cela simplifie également leur fonctionnement et nous permet de consacrer plus d'efforts à l'exploration de la physique fondamentale derrière ces machines extrêmes."
L'équipe a démontré sa technique à l'aide du système laser Gemini au CLF, et ont déjà commencé à l'utiliser dans d'autres expériences pour sonder la structure atomique des matériaux dans des conditions extrêmes et pour étudier l'antimatière et la physique quantique.
Les données recueillies au cours du processus d'optimisation ont également fourni de nouvelles informations sur la dynamique de l'interaction laser-plasma à l'intérieur de l'accélérateur, potentiellement informer les futures conceptions pour améliorer encore les performances de l'accélérateur.
