Aceleración del plasma: Todo está en la mezcla
Una pizca de nitrógeno y la inteligencia artificial acercan la aceleración del plasma por láser a las aplicaciones prácticas
El equipo LUX del DESY celebra no sólo uno, sino dos hitos en el desarrollo de innovadores aceleradores de plasma. Los científicos de la Universidad de Hamburgo y del DESY utilizaron su acelerador para probar una técnica que permite mantener especialmente estrecha la distribución de energía de los haces de electrones producidos. También utilizaron la inteligencia artificial para que el acelerador optimizara su propio funcionamiento. Los científicos informan de sus experimentos en dos artículos publicados poco después en la revista Physical Review Letters. "Es fantástico ver la velocidad con la que la nueva tecnología de aceleración de plasma está alcanzando un nivel de madurez que permite utilizarla en una amplia gama de aplicaciones", se felicita Wim Leemans, Director de la División de Aceleradores del DESY.
En la aceleración de plasma por láser, un pulso láser intenso (rojo) en un gas ionizado impulsa una onda de plasma en forma de burbuja formada por electrones (blanco). Un grupo de electrones (centro) que cabalga sobre esta onda como un surfista es así acelerado hasta alcanzar altas energías en distancias muy cortas. La representación se basa en datos de simulación reales del experimento LUX.
DESY/SciComLab
La aceleración por plasma es una tecnología innovadora que está dando lugar a una nueva generación de aceleradores de partículas que no sólo son notablemente compactos, sino también extremadamente versátiles. El objetivo es que los electrones acelerados estén disponibles para aplicaciones en diferentes campos de la industria, la ciencia y la medicina.
La aceleración tiene lugar en un canal minúsculo, de unos pocos milímetros de longitud, lleno de un gas ionizado llamado plasma. Un pulso láser intenso genera una onda dentro del canal, que puede capturar y acelerar los electrones del plasma. "Como un surfista, los electrones son arrastrados por la onda de plasma, que los acelera hasta alcanzar altas energías", explica Manuel Kirchen, autor principal de uno de los trabajos. "Con esta técnica, los aceleradores de plasma pueden alcanzar aceleraciones hasta mil veces superiores a las de las máquinas más potentes que se utilizan actualmente", añade Sören Jalas, autor del segundo trabajo.
Sin embargo, esta compacidad es a la vez una maldición y una bendición: dado que el proceso de aceleración se concentra en un espacio minúsculo que es hasta 1.000 veces menor que el de las máquinas convencionales a gran escala, la aceleración tiene lugar en condiciones realmente extremas. Por lo tanto, todavía hay que superar una serie de retos antes de que la nueva tecnología esté lista para entrar en la producción en serie.
El equipo de investigación dirigido por Andreas Maier, físico de aceleradores del DESY, ha alcanzado ahora dos hitos críticos en la instalación de pruebas LUX, operada conjuntamente por el DESY y la Universidad de Hamburgo: han encontrado una forma de reducir significativamente la distribución de energía de los racimos de electrones acelerados, una de las propiedades más esenciales para muchas aplicaciones potenciales. Para ello, programaron un piloto automático de autoaprendizaje para el acelerador, que optimiza automáticamente LUX para obtener el máximo rendimiento.
El grupo llevó a cabo sus experimentos utilizando un nuevo tipo de célula de plasma, desarrollada especialmente para este fin, cuyo canal de plasma está dividido en dos regiones. El plasma se genera a partir de una mezcla de hidrógeno y nitrógeno en la parte delantera de la célula, de unos 10 milímetros de longitud, mientras que la región de detrás está llena de hidrógeno puro. Como resultado, los investigadores pudieron obtener los electrones para su racimo de partículas de la parte delantera de la célula de plasma, que luego fueron acelerados sobre toda la sección trasera de la célula. "Al estar más unidos, los electrones del nitrógeno se liberan un poco más tarde, y eso los hace ideales para ser acelerados por la onda de plasma", explica Manuel Kirchen. El grupo de electrones también absorbe energía de la onda de plasma, cambiando la forma de la misma. "Pudimos aprovechar este efecto y ajustar la forma de la onda para que los electrones alcancen la misma energía independientemente de su posición a lo largo de la onda", añade Kirchen.
Basándose en esta receta para conseguir un haz de electrones de alta calidad, el equipo consiguió un segundo éxito de investigación: Sören Jalas y sus colegas fueron capaces de utilizar la inteligencia artificial (IA) para modificar un algoritmo que controla y optimiza el complejo sistema del acelerador de plasma. Para ello, los científicos proporcionaron al algoritmo un modelo funcional del acelerador de plasma y un conjunto de parámetros ajustables, que el algoritmo optimizó por sí mismo. Básicamente, el sistema modificó cinco parámetros principales, entre ellos la concentración y la densidad de los gases y la energía y el enfoque del láser, y utilizó las mediciones resultantes para buscar un punto de funcionamiento en el que el haz de electrones tuviera la calidad óptima. "En el curso de su acto de equilibrio en un espacio de 5 dimensiones, el algoritmo aprendía constantemente y refinaba muy rápidamente el modelo del acelerador cada vez más", dice Jalas. "La IA tarda aproximadamente una hora en encontrar un punto de funcionamiento óptimo estable para el acelerador; en comparación, calculamos que los seres humanos necesitarían más de una semana".
Otra ventaja es que todos los parámetros y variables medidos siguen entrenando el modelo de IA del acelerador, lo que hace que el proceso de optimización sea más rápido, sistemático y específico. "Los últimos avances en LUX significan que estamos bien encaminados para probar las aplicaciones iniciales con fines de ensayo", explica Andreas Maier, encargado del desarrollo de láseres para aceleradores de plasma en DESY. "En última instancia, también queremos utilizar racimos de electrones acelerados por plasma para operar un láser de electrones libres".
Los experimentos fueron realizados por investigadores del Centro para la Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL), una colaboración entre el DESY, la Universidad de Hamburgo y la Sociedad Max Planck, así como por un colega del Laboratorio Lawrence Berkeley de California.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Manuel Kirchen, Sören Jalas, Philipp Messner, Paul Winkler, Timo Eichner, Lars Hübner, Thomas Hülsenbusch, Laurids Jeppe, Trupen Parikh, Matthias Schnepp, and Andreas R. Maier; "Optimal beam loading in a laser-plasma accelerator"; Phys. Rev. Lett. 126, 174801 (2021).
Sören Jalas, Manuel Kirchen, Philipp Messner, Paul Winkler, Lars Hübner, Julian Dirkwinkel, Matthias Schnepp, Remi Lehe, and Andreas R. Maier; "Bayesian optimization of a laser-plasma accelerator"; Phys. Rev. Lett. 126, 104801 (2021).
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