?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驗室 (LLNL) 的研究人員已將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于高強度短脈沖激光等離子體加速的研究，特別是針對固體目標(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)嶒灥奶娲贰?/span>



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





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)時間和強度的函數(shù)。疊加的是來自模擬集成的數(shù)據(jù)點，用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室提供



在這項工作中，Djordjevic 能夠使用 EPOCH（可擴展 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)集涵蓋了幾個數(shù)量級的廣泛實驗參數(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。



代理能夠在幾個數(shù)量級內(nèi)繪制離子能量對激光強度和脈沖持續(xù)時間的依賴性。研究人員注意到對 preplasma 梯度長度尺度依賴性的一個有趣行為，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，在概念驗證中，研究人員展示了如何使用代理從難以直接觀察的實驗數(shù)據(jù)中提取重要的物理信息，例如梯度長度尺度。



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)生了一個替代模型，我們用它來快速探索感興趣的區(qū)域。”



據(jù) Djordjevic 的導(dǎo)師 Derek Mariscal 稱，這項工作概述了一種全新的方法來研究短脈沖高強度激光相互作用的物理學(xué)。研究人員認(rèn)為，機器學(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)短脈沖激光實驗都假設(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未經(jīng)證實的假設(shè)。



“[實驗室定向研究與開發(fā) (LDRD)] 項目旨在從成形的高強度激光短脈沖中提供定制的光源，同時密切關(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驗發(fā)現(xiàn)，這些脈沖細(xì)節(jié)會對產(chǎn)生的電子和離子源產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。”



在短期內(nèi)，這項工作的實施將使兩個 LLNL 項目受益，一個由 Mariscal 領(lǐng)導(dǎo)的 LDRD 項目，其中大型集合將用于模擬離子加速對成形激光脈沖的依賴性，以及一個由 LLNL 物理學(xué)家 Tammy Ma 領(lǐng)導(dǎo)的項目和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，因為國家點火裝置 (NIF) 使用相對較短、皮秒長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)隊今年夏天將在高重復(fù)率激光系統(tǒng)上進(jìn)行的兩項實驗。這個項目最重要的方面是我們將形成短的飛秒級激光脈沖，其中 NIF 的激光在納秒級進(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、激光強度和持續(xù)時間等標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，還要改變光譜對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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