A equipe LUX da DESY está comemorando não apenas um, mas dois marcos no desenvolvimento de aceleradores de plasma inovadores. Os cientistas da Universidade de Hamburgo e do DESY usaram seu acelerador para testar uma técnica que permite que a distribuição de energia dos feixes de elétrons produzidos seja mantida particularmente estreita. Eles também usaram inteligência artificial para permitir que o acelerador otimizasse sua própria operação. Os cientistas estão relatando seus experimentos em dois artigos publicados logo após um na revista Physical Review Letters. “É fantástico ver a velocidade com que a nova tecnologia de aceleração de plasma está atingindo um nível de maturidade onde pode ser usada em uma ampla gama de aplicações”, parabeniza Wim Leemans, Diretor da Divisão de Aceleradores da DESY.
A aceleração de plasma é uma tecnologia inovadora que está dando origem a uma nova geração de aceleradores de partículas, que não são apenas extremamente compactos, mas também extremamente versáteis. O objetivo é disponibilizar os elétrons acelerados para aplicações em diversos campos da indústria, ciência e medicina.
A aceleração ocorre em um canal minúsculo, com apenas alguns milímetros de comprimento, preenchido com um gás ionizado chamado plasma. Um pulso de laser intenso gera uma onda dentro do canal, que pode capturar e acelerar os elétrons do plasma. “Como um surfista, os elétrons são carregados pela onda de plasma, que os acelera a altas energias”, explica Manuel Kirchen, principal autor de um dos artigos. “Usando essa técnica, os aceleradores de plasma são capazes de atingir acelerações até mil vezes maiores do que as das máquinas mais potentes em uso hoje”, acrescenta Sören Jalas, autor do segundo artigo.
No entanto, essa compactação é uma maldição e uma bênção: como o processo de aceleração está concentrado em um espaço minúsculo que é até 1000 vezes menor do que as máquinas convencionais de grande escala, a aceleração ocorre em condições verdadeiramente extremas. Portanto, uma série de desafios ainda precisam ser superados antes que a nova tecnologia esteja pronta para entrar em produção em série.
A equipe de pesquisa liderada por Andreas Maier, um físico acelerador do DESY, atingiu agora dois marcos críticos na instalação de teste do LUX – operada em conjunto pelo DESY e a Universidade de Hamburgo: eles encontraram uma maneira de reduzir significativamente a distribuição de energia do acelerador feixes de elétrons – uma das propriedades mais essenciais para muitas aplicações potenciais. Para fazer isso, eles programaram um piloto automático de autoaprendizagem para o acelerador, que otimiza automaticamente o LUX para desempenho máximo.
O grupo conduziu seus experimentos com um novo tipo de célula de plasma, especialmente desenvolvida para esse fim, cujo canal de plasma é dividido em duas regiões. O plasma é gerado a partir de uma mistura de hidrogênio e nitrogênio na parte frontal da célula, que tem cerca de 10 milímetros de comprimento, enquanto a região atrás dela é preenchida com hidrogênio puro. Como resultado, os pesquisadores foram capazes de obter os elétrons para seu feixe de partículas da parte frontal da célula de plasma, que foram então acelerados em toda a seção posterior da célula. “Por estarem mais fortemente ligados, os elétrons do nitrogênio são liberados um pouco mais tarde, o que os torna ideais para serem acelerados pela onda de plasma”, explica Manuel Kirchen. O feixe de elétrons também absorve energia da onda de plasma, mudando a forma da onda. “Pudemos tirar proveito desse efeito e ajustar o formato da onda para que os elétrons atinjam a mesma energia independentemente de sua posição ao longo da onda”, acrescenta Kirchen.
Com base nesta receita para alcançar alta qualidade de feixe de elétrons, a equipe obteve um segundo sucesso de pesquisa: Sören Jalas e seus colegas foram capazes de usar inteligência artificial (IA) para modificar um algoritmo que controla e otimiza o complexo sistema do acelerador de plasma. Para fazer isso, os cientistas forneceram ao algoritmo um modelo funcional do acelerador de plasma e um conjunto de parâmetros ajustáveis, que o algoritmo otimizou por conta própria. Essencialmente, o sistema modificou cinco parâmetros principais, incluindo a concentração e densidade dos gases e a energia e foco do laser, e usou as medições resultantes para procurar um ponto operacional no qual o feixe de elétrons tenha a qualidade ideal. “No curso de seu ato de equilíbrio no espaço 5-dimensional, o algoritmo estava constantemente aprendendo e muito rapidamente refinou o modelo do acelerador cada vez mais”, diz Jalas. “A IA leva cerca de uma hora para encontrar um ponto de operação estável ideal para o acelerador; em comparação, estimamos que os seres humanos precisariam de mais de uma semana.”
Outra vantagem é que todos os parâmetros e variáveis medidas continuam a treinar o modelo de IA do acelerador, tornando o processo de otimização mais rápido, sistemático e direcionado. “O progresso mais recente no LUX significa que estamos no bom caminho para experimentar os aplicativos iniciais para fins de teste”, explica Andreas Maier, que é responsável pelo desenvolvimento de lasers para aceleradores de plasma no DESY. “Em última análise, também queremos usar feixes de elétrons acelerados por plasma para operar um laser de elétrons livres.”
Publicado em 28/04/2021 12h57
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