?2021 年 6 月 3 日消息，加利福尼亞州利弗莫爾，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室 (LLNL) 的研究人員已將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于高強(qiáng)度短脈沖激光等離子體加速的研究，特別是針對(duì)固體目標(biāo)的離子加速。在大多數(shù)情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于研究數(shù)據(jù)集。在當(dāng)前的工作中，LLNL 團(tuán)隊(duì)使用它們來探索稀疏采樣的參數(shù)空間，作為完整模擬或?qū)嶒?yàn)的替代品。



LLNL 博士后任命者 Blagoje Djordjevic 說：“這項(xiàng)工作主要是為了展示我們?nèi)绾问褂蒙窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來增強(qiáng)我們已有的工具。計(jì)算成本高昂的模擬，例如細(xì)胞內(nèi)粒子代碼，仍然是我們工作的一個(gè)必要方面，但即使是一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，我們也能夠訓(xùn)練一個(gè)代理模型，該模型可以可靠地填充有趣的相空間帶?！?/span>





該圖像顯示了最大離子能量的參數(shù)掃描，作為由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代模型生成的激光脈沖持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度的函數(shù)。疊加的是來自模擬集成的數(shù)據(jù)點(diǎn)，用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室提供



在這項(xiàng)工作中，Djordjevic 能夠使用 EPOCH（可擴(kuò)展 PIC 開放協(xié)作）代碼（一種激光等離子體多光子電離 (MPI) 模擬代碼）生成超過 1000 個(gè)粒子內(nèi)粒子模擬的集合。模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集涵蓋了幾個(gè)數(shù)量級(jí)的廣泛實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并且可以提取離子能量和電子溫度等值。然后使用該數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練多層全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)代理模型。



代理能夠在幾個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)繪制離子能量對(duì)激光強(qiáng)度和脈沖持續(xù)時(shí)間的依賴性。研究人員注意到對(duì) preplasma 梯度長(zhǎng)度尺度依賴性的一個(gè)有趣行為，他們用更復(fù)雜的技術(shù)（如集成代理和轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)）進(jìn)一步探索了這一行為。發(fā)現(xiàn)加速的離子能量非線性地取決于激光在擊中主要目標(biāo)之前與之相互作用的低密度前等離子體的輪廓。盡管人們可以期望在相對(duì)論等離子體趨膚深度附近找到共振值，但值得注意的是，盡管數(shù)據(jù)稀少，網(wǎng)絡(luò)仍能夠可靠地生成結(jié)果。



最后，在概念驗(yàn)證中，研究人員展示了如何使用代理從難以直接觀察的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取重要的物理信息，例如梯度長(zhǎng)度尺度。



Djordjevic 說：“使用稀疏但廣泛的模擬數(shù)據(jù)集，我們能夠訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以可靠地再現(xiàn)訓(xùn)練結(jié)果，并以合理的置信度為參數(shù)空間的未采樣區(qū)域生成結(jié)果。這產(chǎn)生了一個(gè)替代模型，我們用它來快速探索感興趣的區(qū)域?！?/span>



據(jù) Djordjevic 的導(dǎo)師 Derek Mariscal 稱，這項(xiàng)工作概述了一種全新的方法來研究短脈沖高強(qiáng)度激光相互作用的物理學(xué)。研究人員認(rèn)為，機(jī)器學(xué)習(xí)方法在科學(xué)中得到廣泛采用，這是在發(fā)展高速、高精度、高能量密度科學(xué)方面向前邁出的重要一步。



Mariscal 說，在過去的 20 年里，大多數(shù)短脈沖激光實(shí)驗(yàn)都假設(shè)所傳遞的激光脈沖基本上是高斯形狀的，盡管這在很大程度上是一個(gè)未經(jīng)證實(shí)的假設(shè)。



“[實(shí)驗(yàn)室定向研究與開發(fā) (LDRD)] 項(xiàng)目旨在從成形的高強(qiáng)度激光短脈沖中提供定制的光源，同時(shí)密切關(guān)注所提供的激光脈沖，”他說：“我們通過建模和一組有限的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這些脈沖細(xì)節(jié)會(huì)對(duì)產(chǎn)生的電子和離子源產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。”



在短期內(nèi)，這項(xiàng)工作的實(shí)施將使兩個(gè) LLNL 項(xiàng)目受益，一個(gè)由 Mariscal 領(lǐng)導(dǎo)的 LDRD 項(xiàng)目，其中大型集合將用于模擬離子加速對(duì)成形激光脈沖的依賴性，以及一個(gè)由 LLNL 物理學(xué)家 Tammy Ma 領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目和Timo Bremer 將使用這些集成來訓(xùn)練用于虛擬診斷和操作控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。



激光等離子體加速已經(jīng)在慣性約束聚變?nèi)蝿?wù)中具有重要應(yīng)用，因?yàn)閲尹c(diǎn)火裝置 (NIF) 使用相對(duì)較短、皮秒長(zhǎng)的激光脈沖來加速熱電子，進(jìn)而產(chǎn)生 X 射線，用于在設(shè)施的中心。



Djordjevic 說：“在不久的將來，我們將生成一組新的模擬，以支持我們團(tuán)隊(duì)今年夏天將在高重復(fù)率激光系統(tǒng)上進(jìn)行的兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。這個(gè)項(xiàng)目最重要的方面是我們將形成短的飛秒級(jí)激光脈沖，其中 NIF 的激光在納秒級(jí)進(jìn)行整形。這將需要我們進(jìn)行更多的模擬，我們不僅要改變目標(biāo)箔厚度、激光強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間等標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，還要改變光譜對(duì)激光輪廓的相位貢獻(xiàn)。”



該研究發(fā)表在《等離子體物理學(xué)》上。

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來源：賢集網(wǎng)
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