Физики из США разработали нейросеть, которая рассчитывает высоту пучка излучения синхротрона с точностью около 0,4 процента и при этом ограничивается мощностями обычного домашнего компьютера. Более того, нейросеть советует, как нужно скорректировать параметры установки, чтобы колебания высоты были минимальны.

Используя этот алгоритм на реальном синхротроне ALS, ученые почти на порядок снизили амплитуду колебаний полученного пучка (от 1,5 до 0,2 микрометра).

Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Когда заряженные релятивистские частицы движутся по круговым траекториям в постоянном магнитном поле, они испускают электромагнитное синхротронное излучение. Из-за релятивистских эффектов практически все испускаемое излучение лежит в узком конусе, ось которого направлена вдоль скорости частицы, а угол раствора обратно пропорционален гамма-фактору.

Поэтому стороннему наблюдателю, который смотрит на траекторию частицы, кажется, будто частица испускает излучение узкими вспышками с фиксированной частотой (поскольку частица движется по кругу, она периодически проходит узкие участки траектории, в которых ее скорость направлена на наблюдателя). Кроме того, мощность и частота синхротронного излучения быстро растут с увеличением магнитного поля и скорости частица.

Например, синхротроны четвертого поколения испускают рентгеновское излучение (длина волны от 0,001 до 10 нанометров), яркость которого в сотни триллионов раз превышает яркость рентгеновской трубки.

Благодаря этим свойствам с помощью синхротронного излучения очень удобно исследовать строение вещества на масштабах нескольких нанометров. В частности, с помощью источников синхротронного излучения ученые восстанавливают строение сложных молекул (например, белков и нуклеиновых кислот) и в реальном времени следят за химическими реакциями (например, за разрядкой аккумулятора).

Все практические приложения синхротронного излучения ограничены его стабильностью — стабильностью направления, в котором испускается пучок, ширины и высоты пучка, его интенсивности и длины волны. Чем слабее колеблются эти величины, тем выше разрешение картинки, которую можно получить с помощью синхротрона.

В современных синхротронах основным источником погрешности являются колебания высоты пучка, связанные с несовершенством ондуляторов и вигглеров. Шум, который эти колебания вносят в конечные данные, находится на уровне нескольких процентов от интенсивности сигнала и в десятки раз превышает шум от колебаний всех остальных величин, вместе взятых.

Поскольку среднее время измерений на источнике синхротронного излучения редко превышает одну миллисекунду, этот шум нельзя убрать с помощью усреднения по большому числу повторяющихся измерений. Поэтому ученые пытаются предсказать возможные изменения высоты пучка и корректируют их, подстраивая орбиту заряженных частиц и оптику, сквозь которую проходит излучение.

Группа физиков под руководством Саймона Лимана (Simon Leemann) разработала алгоритм на основе нейронных сетей, который быстро рассчитывает магнитное поле установки с относительной погрешностью порядка 0,5 процента. С помощью этого алгоритма ученые скорректировали магнитное поле синхротрона ALS (Advanced Light Source). В результате ученым удалось на порядок снизить амплитуду колебаний высоты пучка.