Nach einem langen Arbeitstag fühlen Sie sich vielleicht müde oder erheitert. In jedem Fall sind Sie von dem betroffen, was Ihnen in der Vergangenheit passiert ist.
Beschleunigermagnete sind nicht anders. Was sie durchgemacht haben – oder was durch sie gegangen ist, wie ein elektrischer Strom – beeinflusst, wie sie in Zukunft funktionieren werden.
Ohne die Vergangenheit eines Magneten zu verstehen, müssen Forscher ihn möglicherweise vollständig zurücksetzen, bevor sie ein neues Experiment beginnen, ein Vorgang, der 10 oder 15 Minuten dauern kann. Einige Beschleuniger haben Hunderte von Magneten, und der Prozess kann schnell zeitaufwändig und kostspielig werden.
Jetzt hat ein Forscherteam des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und anderer Institutionen eine leistungsstarke mathematische Technik entwickelt, die Konzepte des maschinellen Lernens verwendet, um die früheren Zustände eines Magneten zu modellieren und Vorhersagen über zukünftige Zustände zu treffen. Dieser neue Ansatz eliminiert die Notwendigkeit, die Magnete zurückzusetzen und führt zu sofortigen Verbesserungen der Beschleunigerleistung.
„Unsere Technik verändert grundlegend die Art und Weise, wie wir Magnetfelder in Beschleunigern vorhersagen, was die Leistung von Beschleunigern auf der ganzen Welt verbessern könnte“, sagte SLAC-Wissenschaftler Ryan Roussel. „Wenn die Geschichte eines Magneten nicht bekannt ist, wird es schwierig, zukünftige Kontrollentscheidungen zu treffen, um den spezifischen Strahl zu erzeugen, den Sie für ein Experiment benötigen.“
Das Modell des Teams untersucht eine wichtige Eigenschaft von Magneten, die als Hysterese bekannt ist und als Restmagnetismus (oder Restmagnetismus) angesehen werden kann. Hysterese ist wie das übrig gebliebene heiße Wasser in Ihren Duschrohren, nachdem Sie das heiße Wasser abgestellt haben. Ihre Dusche wird nicht sofort kalt – das heiße Wasser, das in den Rohren verblieben ist, muss aus dem Duschkopf fließen, bevor nur noch kaltes Wasser übrig bleibt.
„Hysterese macht das Abstimmen von Magneten zu einer Herausforderung“, sagte SLAC-Wissenschaftlerin Auralee Edelen. „Die gleichen Einstellungen in einem Magneten, die gestern zu einer Strahlgröße geführt haben, könnten heute aufgrund des Effekts der Hysterese zu einer anderen Strahlgröße führen.“
Das neue Modell des Teams beseitigt die Notwendigkeit, Magnete so oft zurückzusetzen, und kann es sowohl Maschinenbedienern als auch automatisierten Abstimmungsalgorithmen ermöglichen, ihren aktuellen Zustand schnell zu erkennen, wodurch das, was einst unsichtbar war, sichtbar wird, sagte Edelen.
Vor zehn Jahren mussten viele Beschleuniger die Empfindlichkeit gegenüber Hysteresefehlern nicht berücksichtigen, aber mit präziseren Einrichtungen wie dem LCLS-II von SLAC, die online gehen, ist die Vorhersage des Restmagnetismus wichtiger denn je, sagte Roussel.
Das Hysteresemodell könnte auch kleineren Beschleunigeranlagen helfen, die möglicherweise nicht so viele Forscher und Ingenieure zum Zurücksetzen von Magneten haben, um Experimente mit höherer Präzision durchzuführen. Das Team hofft, die Methode über einen vollständigen Satz von Magneten in einer Beschleunigeranlage implementieren und eine Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit an einem in Betrieb befindlichen Beschleuniger demonstrieren zu können.
R. Roussel et al, Differentiable Preisach Modeling for Characterization and Optimization of Particle Accelerator Systems with Hysteresis, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.204801