AIによるプラズマ加速器の制御効率化

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AIによるプラズマ加速器の制御効率化

インペリアル大学ロンドン校が主導した実験で、プラズマベースの粒子加速器の複雑なパラメータを調整を必要とする制御を効率よく行われる事が判明しました。

医療や様々な産業への用途が期待されます。

Experiments led by Imperial College London researchers, using the Science and Technology Facilities Council’s Central Laser Facility (CLF), showed that an algorithm was able to tune the complex parameters involved in controlling the next generation of plasma-based particle accelerators.

参照元:https://www.imperial.ac.uk/news/210313/artificial-intelligence-improves-control-powerful-plasma/
– インペリアルカレッジロンドン Imperial College London. 11 December 2020

研究者はAIを使用して、研究、医療、および産業用途向けの次世代の小型で安価な加速器のビームを制御しています。

科学技術施設研究会議の中央レーザー施設(CLF)を使用して、インペリアルカレッジロンドンの研究者が主導した実験では、AIアルゴリズムが次世代のプラズマベースの粒子加速器の制御に関係する複雑なパラメーターを調整できることが示されました。

このアルゴリズムは、人間のオペレーターよりもはるかに迅速に加速器を最適化することができ、同様のレーザーシステムでの実験よりも優れた性能を発揮することさえできました。

これらの加速器は、世界で最も強力なレーザーのエネルギーを皮膚細胞のサイズのスポットに集中させ、従来の加速器の数分の1のサイズの装置で電子とX線を生成します。

電子とX線は、材料の原子構造の調査などの科学研究に使用できます。

家庭用電化製品や自動車タイヤ用の加硫ゴムの製造などの産業用途。

また、癌治療や医用画像などの医療用途にも使用できます。

これらの新しい加速器を使用するいくつかの施設は、英国のCLFのExtreme Photonics Applications Center(EPAC)を含め、世界中で計画と建設のさまざまな段階にあり、新しい発見はそれらが将来最高の状態で機能するのに役立つ可能性があります。

結果は本日ネイチャーコミュニケーションズに掲載されました。

インペリアルでの作業を完了し、現在はアクセラレータセンターDESYにいる筆頭著者のロブシャルー博士は話します。

「私たちが開発した技術は、建設中の新世代の高度なプラズマアクセラレータ施設を最大限に活用するのに英国および世界中で役立ちます。プラズマ加速器技術は、科学研究の多くの分野ですでに使用されている、独自の短い電子とX線のバーストを提供します。私たちの開発により、これらのコンパクトな加速器へのアクセスを拡大し、他の分野の科学者やプラズマ加速器の専門家でなくても技術の恩恵を受けるために、これらの機械をアプリケーションに使用してください。」

チームはレーザー航跡場加速器を使用しました。

これらは、世界で最も強力なレーザーとプラズマ源(イオン化ガス)を組み合わせて、電子とX線の集中ビームを生成します。

従来の加速器は、電子を加速するために数百メートルからキロメートルを必要としますが、航跡場加速器はミリメートルのスペース内で同じ加速を管理でき、機器のサイズとコストを大幅に削減します。

ただし、航跡場加速器は、レーザーをプラズマと組み合わせたときに発生する極端な条件で動作するため、最高のパフォーマンスを得るために制御および最適化することが難しい場合があります。

航跡場加速では、超短レーザーパルスがプラズマに打ち込まれ、電子を加速するために使用される波を生成します。

レーザーとプラズマの両方には、レーザーパルスの形状と強度、プラズマの密度と長さなど、相互作用を制御するために調整できるいくつかのパラメーターがあります。

人間のオペレーターはこれらのパラメーターを微調整できますが、一度に非常に多くのパラメーターを最適化する方法を知ることは困難です。

代わりに、チームは人工知能に目を向け、加速器のパフォーマンスを最適化するための機械学習アルゴリズムを作成しました。

アルゴリズムは、レーザーとプラズマを制御する最大6つのパラメーターを設定し、レーザーを発射し、データを分析し、パラメーターを再設定し、最適なパラメーター構成に達するまでこのループを連続して何度も実行します。

インペリアルでの作業を完了し、現在はクイーンズ大学ベルファストにいる主任研究員のマシュー・ストリーター博士は話します。

「操作が簡素化され、これらの極端なマシンの背後にある基本的な物理学の調査により多くの努力を費やすことができます。」

チームは、CLFでジェミニレーザーシステムを使用して技術を実証し、極限状態での材料の原子構造を調べるためのさらなる実験や、反物質および量子物理学の研究ですでにそれを使用し始めています。

最適化プロセス中に収集されたデータは、加速器内のレーザーとプラズマの相互作用のダイナミクスに対する新しい洞察も提供し、加速器の性能をさらに改善するための将来の設計に役立つ可能性があります。

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