Het LUX-team van DESY viert niet één maar twee mijlpalen in de ontwikkeling van innovatieve plasmaversnellers. De wetenschappers van de Universiteit van Hamburg en DESY gebruikten hun versneller om een ​​techniek te testen waarmee de energieverdeling van de geproduceerde elektronenbundels bijzonder smal kan worden gehouden. Ook gebruikten ze kunstmatige intelligentie om het gaspedaal zijn eigen werking te laten optimaliseren. De wetenschappers rapporteren hun experimenten in twee artikelen die kort na elkaar in het tijdschrift zijn gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven . "Het is fantastisch om te zien met welke snelheid de nieuwe technologie van plasmaversnelling een niveau van volwassenheid bereikt waar het kan worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, " feliciteert Wim Leemans, Directeur van de Accelerator Division bij DESY.

Plasmaversnelling is een innovatieve technologie die aanleiding geeft tot een nieuwe generatie deeltjesversnellers die niet alleen opmerkelijk compact maar ook uiterst veelzijdig zijn. Het doel is om de versnelde elektronen beschikbaar te maken voor toepassingen in verschillende industrietakken, wetenschap en geneeskunde.

De versnelling vindt plaats in een klein kanaal, slechts een paar millimeter lang, gevuld met een geïoniseerd gas dat plasma wordt genoemd. Een intense laserpuls genereert een golf in het kanaal, die elektronen uit het plasma kan vangen en versnellen. "Als een surfer, de elektronen worden meegevoerd door de plasmagolf, die hen versnelt tot hoge energieën, " legt Manuel Kirchen uit, hoofdauteur van een van de papers. "Door deze techniek te gebruiken, plasmaversnellers kunnen versnellingen bereiken die tot duizend keer hoger zijn dan die van de krachtigste machines die momenteel in gebruik zijn, " voegt Sören Jalas toe, auteur van het tweede artikel.

Echter, deze compactheid is zowel een vloek als een zegen:aangezien het versnellingsproces zich concentreert in een kleine ruimte die tot 1000 keer kleiner is dan conventioneel, grootschalige machines, de acceleratie vindt plaats onder werkelijk extreme omstandigheden. Daarom, er moeten nog een aantal uitdagingen worden overwonnen voordat de nieuwe technologie klaar is om in serieproductie te gaan.

Het onderzoeksteam onder leiding van Andreas Maier, een versnellerfysicus bij DESY, heeft nu twee cruciale mijlpalen bereikt in de LUX-testfaciliteit - gezamenlijk beheerd door DESY en de Universiteit van Hamburg:ze hebben een manier gevonden om de energieverdeling van de versnelde elektronenbundels aanzienlijk te verminderen - een van de meest essentiële eigenschappen voor veel potentiële toepassingen. Om dit te doen, ze programmeerden een zelflerende stuurautomaat voor het gaspedaal, die LUX automatisch optimaliseert voor maximale prestaties.

De groep voerde zijn experimenten uit met een nieuw type plasmacel, speciaal hiervoor ontwikkeld, waarvan het plasmakanaal is verdeeld in twee regio's. Het plasma wordt gegenereerd uit een mengsel van waterstof en stikstof in het voorste deel van de cel, die ongeveer 10 millimeter lang is, terwijl het gebied erachter is gevuld met pure waterstof. Als resultaat, de onderzoekers konden de elektronen voor hun deeltjesbundel uit het voorste deel van de plasmacel halen, die vervolgens over het gehele achterste deel van de cel werden versneld. "Sterker gebonden zijn, de elektronen in de stikstof komen iets later vrij, en dat maakt ze ideaal om te worden versneld door de plasmagolf, " legt Manuel Kirchen uit. De elektronenbundel absorbeert ook energie van de plasmagolf, het veranderen van de vorm van de golf. "We konden profiteren van dit effect en de vorm van de golf aanpassen zodat de elektronen dezelfde energie bereiken, ongeacht hun positie langs de golf, ", voegt Kirchen toe.

Op basis van dit recept voor het bereiken van een hoge elektronenstraalkwaliteit, het team scoorde vervolgens een tweede onderzoekssucces:Sören Jalas en zijn collega's konden kunstmatige intelligentie (IA) gebruiken om een ​​algoritme aan te passen dat het complexe systeem van de plasmaversneller regelt en optimaliseert. Om dit te doen, de wetenschappers voorzagen het algoritme van een functioneel model van de plasmaversneller en een set instelbare parameters, die het algoritme vervolgens zelf heeft geoptimaliseerd. Eigenlijk, het systeem wijzigde vijf hoofdparameters, inclusief de concentratie en dichtheid van de gassen en de energie en focus van de laser, en gebruikte de resulterende metingen om te zoeken naar een werkpunt waarop de elektronenbundel de optimale kwaliteit heeft. "Tijdens zijn evenwichtsoefening in de 5-dimensionale ruimte, het algoritme was constant aan het leren en verfijnde heel snel het model van de versneller steeds verder, " zegt Jalas. "De AI heeft ongeveer een uur nodig om een ​​stabiel optimaal werkpunt voor het gaspedaal te vinden; ter vergelijking, we schatten dat mensen meer dan een week nodig hebben."

Een bijkomend voordeel is dat alle parameters en gemeten variabelen het AI-model van de versneller blijven trainen, het optimalisatieproces sneller maken, systematischer en doelgerichter. "De laatste vooruitgang bij LUX betekent dat we goed op weg zijn om de eerste toepassingen voor testdoeleinden uit te proberen, " legt Andreas Maier uit, die verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van lasers voor plasmaversnellers bij DESY. "Uiteindelijk, we willen ook plasma-versnelde elektronenbundels gebruiken om een ​​vrije-elektronenlaser te bedienen."