L'équipe LUX de DESY célèbre non pas une mais deux étapes importantes dans le développement d'accélérateurs de plasma innovants. Les scientifiques de l'université de Hambourg et de DESY ont utilisé leur accélérateur pour tester une technique qui permet de maintenir la distribution d'énergie des faisceaux d'électrons produits particulièrement étroite. Ils ont également utilisé l'intelligence artificielle pour permettre à l'accélérateur d'optimiser son propre fonctionnement. Les scientifiques rapportent leurs expériences dans deux articles publiés peu de temps après dans la revue Lettres d'examen physique . "C'est fantastique de voir la vitesse à laquelle la nouvelle technologie d'accélération plasma atteint un niveau de maturité où elle peut être utilisée dans un large éventail d'applications, " félicite Wim Leemans, Directeur de la Division Accélérateur de DESY.

L'accélération plasma est une technologie innovante qui donne naissance à une nouvelle génération d'accélérateurs de particules non seulement remarquablement compacts mais aussi extrêmement polyvalents. L'objectif est de rendre les électrons accélérés disponibles pour des applications dans différents domaines de l'industrie, sciences et médecine.

L'accélération se fait dans un petit canal, quelques millimètres de long, rempli d'un gaz ionisé appelé plasma. Une impulsion laser intense génère une onde dans le canal, qui peut capturer et accélérer les électrons du plasma. "Comme un surfeur, les électrons sont entraînés par l'onde plasma, qui les accélère vers les hautes énergies, " explique Manuel Kirchen, auteur principal de l'un des articles. « En utilisant cette technique, les accélérateurs à plasma sont capables d'atteindre des accélérations jusqu'à mille fois supérieures à celles des machines les plus puissantes utilisées aujourd'hui, " ajoute Sören Jalas, auteur du deuxième article.

Cependant, cette compacité est à la fois une malédiction et une bénédiction :puisque le processus d'accélération est concentré dans un espace minuscule qui est jusqu'à 1000 fois plus petit que conventionnel, machines à grande échelle, l'accélération a lieu dans des conditions vraiment extrêmes. Par conséquent, un certain nombre de défis doivent encore être surmontés avant que la nouvelle technologie ne soit prête à entrer en production en série.

L'équipe de recherche dirigée par Andreas Maier, un physicien des accélérateurs à DESY, a maintenant atteint deux étapes critiques dans l'installation d'essai LUX - exploitée conjointement par DESY et l'Université de Hambourg :ils ont trouvé un moyen de réduire considérablement la distribution d'énergie des paquets d'électrons accélérés - l'une des propriétés les plus essentielles pour de nombreuses applications potentielles. Pour faire ça, ils ont programmé un pilote automatique d'auto-apprentissage pour l'accélérateur, qui optimise automatiquement LUX pour des performances maximales.

Le groupe a mené ses expériences en utilisant un nouveau type de plasmocyte, spécialement développé à cet effet, dont le canal plasma est divisé en deux régions. Le plasma est généré à partir d'un mélange d'hydrogène et d'azote dans la partie avant de la cellule, qui mesure environ 10 millimètres de long, tandis que la région derrière elle est remplie d'hydrogène pur. Par conséquent, les chercheurs ont pu obtenir les électrons de leur paquet de particules à partir de la partie avant de la cellule plasma, qui ont ensuite été accélérés sur toute la partie arrière de la cellule. "Être plus étroitement lié, les électrons dans l'azote sont libérés un peu plus tard, et cela les rend idéales pour être accélérées par l'onde plasma, " explique Manuel Kirchen. Le paquet d'électrons absorbe également l'énergie de l'onde plasma, changer la forme de la vague. "Nous avons pu profiter de cet effet et ajuster la forme de l'onde pour que les électrons atteignent la même énergie quelle que soit leur position le long de l'onde, " ajoute Kirchen.

Sur la base de cette recette pour obtenir une haute qualité de faisceau d'électrons, l'équipe a ensuite remporté un deuxième succès de recherche :Sören Jalas et ses collègues ont pu utiliser l'intelligence artificielle (IA) pour modifier un algorithme qui contrôle et optimise le système complexe de l'accélérateur à plasma. Faire cela, les scientifiques ont fourni à l'algorithme un modèle fonctionnel de l'accélérateur à plasma et un ensemble de paramètres réglables, que l'algorithme a ensuite optimisé de lui-même. Essentiellement, le système a modifié cinq paramètres principaux, y compris la concentration et la densité des gaz et l'énergie et la focalisation du laser, et utilisé les mesures résultantes pour rechercher un point de fonctionnement auquel le faisceau d'électrons a la qualité optimale. "Au cours de son équilibre dans l'espace à 5 dimensions, l'algorithme apprenait constamment et affinait très rapidement le modèle de l'accélérateur de plus en plus, " dit Jalas. " L'IA prend environ une heure pour trouver un point de fonctionnement optimal stable pour l'accélérateur; par comparaison, nous estimons que les êtres humains auraient besoin de plus d'une semaine."

Un autre avantage est que tous les paramètres et variables mesurées continuent d'entraîner le modèle d'IA de l'accélérateur, accélérer le processus d'optimisation, plus systématique et plus ciblé. "Les derniers progrès de LUX signifient que nous sommes en bonne voie pour tester les premières applications à des fins de test, " explique Andreas Maier, qui est en charge du développement des lasers pour les accélérateurs plasma à DESY. "Finalement, nous voulons également utiliser des paquets d'électrons accélérés par plasma pour faire fonctionner un laser à électrons libres."