2015年，相干光源粒子加速器(Linac coherence Light Source particle accelerator)的操作人員調(diào)查了他們?nèi)绾位〞r(shí)間管理這臺(tái)機(jī)器。他們跟蹤了他們?cè)谡{(diào)查問(wèn)題和為不同的實(shí)驗(yàn)安排粒子束的新結(jié)構(gòu)等任務(wù)上花費(fèi)的時(shí)間。
他們發(fā)現(xiàn)，如果他們能自動(dòng)調(diào)整束流，調(diào)整磁鐵使LCLS粒子束在機(jī)器中正常運(yùn)行，每年就能節(jié)省幾百個(gè)小時(shí)。
自上世紀(jì)80年代以來(lái)，科學(xué)家們一直致力于使加速器的不同操作環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在當(dāng)今無(wú)人駕駛汽車和吸塵機(jī)器人更加自動(dòng)化的時(shí)代，相關(guān)努力仍在繼續(xù)，下一代粒子加速器有望比以往任何時(shí)候都更加自動(dòng)化。科學(xué)家們正在使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)更有效地優(yōu)化波束，更有效地檢測(cè)問(wèn)題，并實(shí)時(shí)創(chuàng)建他們所需要的模擬。
快速修復(fù)
任何機(jī)器都有部件發(fā)生故障或損壞的可能。就加速器而言，這部分可能是引導(dǎo)粒子束的眾多磁鐵之一。
如果一個(gè)磁鐵停止工作，有一些方法可以繞過(guò)這個(gè)問(wèn)題，使用周圍的磁鐵。但這并不容易。粒子加速器是一個(gè)非線性系統(tǒng);當(dāng)操作員對(duì)其進(jìn)行更改時(shí)，所有可能對(duì)下游的影響都很難預(yù)測(cè)。
美國(guó)能源部位于加州的SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室機(jī)器學(xué)習(xí)戰(zhàn)略計(jì)劃負(fù)責(zé)人丹•拉特納表示:“人腦并不擅長(zhǎng)這種優(yōu)化。”
操作員可以通過(guò)嘗試和錯(cuò)誤找到解決方案，但這可能需要一些時(shí)間。有了機(jī)器學(xué)習(xí)，自主加速器可以更快地完成相同的任務(wù)。
2018年12月，SLAC的LCL操作員成功地測(cè)試了一種算法，該算法通過(guò)對(duì)機(jī)器的模擬和實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行培訓(xùn)來(lái)調(diào)整光束。
拉特納預(yù)計(jì)LCLS及其升級(jí)版LCLS-II都不會(huì)在沒(méi)有人工操作的情況下運(yùn)行。LCLS- II 計(jì)劃于2021年上線。他說(shuō):“最終，我們將努力解放操作員，讓他們完成真正需要人手的任務(wù)。”
實(shí)際預(yù)測(cè)
在伊利諾斯州費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室，物理學(xué)家讓·保羅·卡內(nèi)羅正在對(duì)實(shí)驗(yàn)室的加速器進(jìn)行升級(jí)，希望有一天它能在幾乎沒(méi)有人類干預(yù)的情況下運(yùn)行。
最近，他通過(guò)芝加哥大學(xué)的法國(guó)和芝加哥在科學(xué)領(lǐng)域的合作(FACCTS)項(xiàng)目，獲得了為期兩年的資助。他正在將法國(guó)薩克萊核研究中心的科學(xué)家迪德·烏里奧特開發(fā)的代碼集成到實(shí)驗(yàn)室的PIP-II注入機(jī)測(cè)試(PIP2IT)裝置中。
PIP2IT是PIP-II技術(shù)的試驗(yàn)場(chǎng)，PIP-II是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室加速器的升級(jí)版，將為國(guó)際深地下中微子實(shí)驗(yàn)提供世界上最強(qiáng)的中微子束。
卡內(nèi)羅說(shuō)，自主加速器操作將大大減少加速器的停機(jī)時(shí)間，從而提高束流用于實(shí)驗(yàn)的可用性。他說(shuō)，目前加速器的平均可用性有望達(dá)到90%左右。“如果你想達(dá)到98%或99%的可用性，唯一的方法就是使用計(jì)算機(jī)代碼。”
除了快速修復(fù)調(diào)優(yōu)問(wèn)題之外，提高束流可用性的另一種方法是在潛在的問(wèn)題發(fā)生之前進(jìn)行檢測(cè)。
即使在相對(duì)穩(wěn)定的地區(qū)，地球也在不斷地在我們腳下移動(dòng)——同時(shí)也在移動(dòng)地下粒子加速器。人們感覺(jué)不到這些運(yùn)動(dòng)，但加速器的束流肯定能感覺(jué)到。在幾天的過(guò)程中，這些變化會(huì)導(dǎo)致束流開始偏離預(yù)定的方向。一個(gè)自主加速器可以在人類注意到這個(gè)問(wèn)題之前糾正束流的路徑。
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室PIP-II項(xiàng)目主任莉亞·梅明加說(shuō)，她認(rèn)為與CEA Saclay的聯(lián)合項(xiàng)目對(duì)實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)是一個(gè)極好的機(jī)會(huì)。“我們實(shí)驗(yàn)室的部分任務(wù)是推進(jìn)粒子加速器的科學(xué)和技術(shù)。這些進(jìn)步將解放加速器物理學(xué)家，讓他們的才能更多地集中于開發(fā)新的想法和概念，同時(shí)為用戶提供更高的可靠性和更高效的束流傳輸，最終提高科學(xué)產(chǎn)出。”
快速的模擬
加速器操作員不會(huì)把所有的時(shí)間都花在解決問(wèn)題上;他們還對(duì)束流進(jìn)行了修改，為特定的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化束流。科學(xué)家可以申請(qǐng)使用加速器進(jìn)行研究。當(dāng)他們開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，他們最初想要的參數(shù)有時(shí)會(huì)改變。尋找自動(dòng)化這一過(guò)程的方法可以為操作員和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家節(jié)省無(wú)數(shù)小時(shí)的時(shí)間。
SLAC的研究助理奧拉利 埃德琳正在通過(guò)探索科學(xué)家如何改進(jìn)他們不同束流構(gòu)型的模型，以及如何最好地實(shí)現(xiàn)這些模型來(lái)做到這一點(diǎn)。
為了從頭到尾映射整個(gè)束流線的許多參數(shù)，科學(xué)家迄今為止需要在超級(jí)計(jì)算機(jī)上使用數(shù)千小時(shí)，并不總是理想的在線調(diào)整或找到獲得特定束流配置的最佳方法。另一方面，機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以被訓(xùn)練以模擬變量在一秒鐘內(nèi)發(fā)生變化時(shí)會(huì)發(fā)生什么。
“這是我們想要利用的機(jī)器學(xué)習(xí)的新功能之一，”埃德琳說(shuō)。“我們現(xiàn)在正處于一個(gè)階段，可以將這些模型集成到控制系統(tǒng)中，供操作員使用。”
2016年，一種旨在識(shí)別模式的機(jī)器學(xué)習(xí)算法——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的加速器科學(xué)與技術(shù)裝置中對(duì)這一想法進(jìn)行了測(cè)試。它在不到一毫秒的時(shí)間內(nèi)完成了一個(gè)20分鐘的過(guò)程來(lái)比較幾個(gè)不同的模擬。埃德琳正在擴(kuò)大她在LCLS的FAST研究，挑戰(zhàn)目前可能的極限。
當(dāng)科學(xué)家不可能因?yàn)楦蓴_束流而進(jìn)行他們想要的測(cè)量時(shí)，模擬就派上用場(chǎng)了，為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們可以使用一種算法將測(cè)量結(jié)果與其它不影響束流的測(cè)量結(jié)果關(guān)聯(lián)起來(lái)，并推斷出所需的測(cè)量結(jié)果。
FAST的初步研究表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以使用這種技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)需求。現(xiàn)在，SLAC的先進(jìn)加速器和實(shí)驗(yàn)測(cè)試(FACET)設(shè)備，以及它的繼任者FACET—II，正在領(lǐng)導(dǎo)SLAC為使用他們的束流線的科學(xué)家改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)。
“這是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，”梅明加說(shuō)。“這些改進(jìn)中的任何一個(gè)都將有助于推進(jìn)加速器物理學(xué)領(lǐng)域。我很高興PIP2IT被用于測(cè)試加速器運(yùn)行中的新概念。”
誰(shuí)知道呢——在接下來(lái)的幾十年里，自主加速器可能會(huì)像漫游的機(jī)器人、真空吸塵器一樣平淡無(wú)奇。
