（文章來源：百家號(hào)）

同步輻射光源是強(qiáng)大的設(shè)施，通過加速電子在受控光束中發(fā)射光，產(chǎn)生各種“顏色”或波長(zhǎng)的光（從紅外到X射線）。像能源部勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)高級(jí)光源這樣的同步加速器，能讓科學(xué)家使用這種光以各種方式探索樣品，范圍從材料科學(xué)、生物學(xué)和化學(xué)到物理和環(huán)境科學(xué)。研究人員已經(jīng)找到了升級(jí)這些機(jī)器的方法，以產(chǎn)生更強(qiáng)、更聚焦、更一致的光束，從而能夠在廣泛的樣本類型中進(jìn)行新的、更復(fù)雜和詳細(xì)的研究。

但是一些光束特性仍然表現(xiàn)出性能的波動(dòng)，這對(duì)某些實(shí)驗(yàn)提出了挑戰(zhàn)。其中許多同步加速器設(shè)備為數(shù)十個(gè)同時(shí)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)提供不同類型的光。并且在這些單獨(dú)的光束線上增強(qiáng)光束屬性的小調(diào)整可以反饋到整個(gè)設(shè)施整體光束性能中。同步加速器的設(shè)計(jì)者和操作員幾十年來一直在與各種方法搏斗，以補(bǔ)償這些波動(dòng)中最頑固的部分?，F(xiàn)在，伯克利實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校的一個(gè)大型研究團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)成功地證明了機(jī)器學(xué)習(xí)工具如何通過調(diào)整來提高實(shí)驗(yàn)光束大小的穩(wěn)定性。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別該數(shù)據(jù)中的模式，并確定不同的器件參數(shù)如何影響電子束的寬度，機(jī)器學(xué)習(xí)算法還建議對(duì)磁鐵進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化電子束。由于電子束的大小反映了磁鐵產(chǎn)生的光束，因此該算法還優(yōu)化了用于研究ALS材料特性的光束。

在ALS上的成功演示表明，該技術(shù)一般也可以應(yīng)用于其他光源，并且將特別有利于通過升級(jí)ALS(稱為ALS-U項(xiàng)目)而實(shí)現(xiàn)的專業(yè)研究。伯克利實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)下屬機(jī)構(gòu)西村博史(Hiroshi Nishimura)說：這就是它的美妙之處，無論加速器是什么，無論傳統(tǒng)解決方案是什么，這個(gè)解決方案都可以在此之上。

今年早些時(shí)候，研究人員在ALS環(huán)周圍的兩個(gè)不同地點(diǎn)成功測(cè)試了該算法，ALS其他用戶進(jìn)行新算法測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并要求對(duì)任何意想不到的性能問題提供反饋。ALS的博士后研究員C·內(nèi)森·梅爾頓(C.Nathan Melton)說：在用戶操作方面進(jìn)行了一致的測(cè)試。機(jī)器學(xué)習(xí)研究首席研究員、ALS加速器運(yùn)營(yíng)與開發(fā)的副手西蒙·利曼(Simon Leemann)說：對(duì)測(cè)試沒有任何負(fù)面反饋，研究團(tuán)隊(duì)使用其中一條監(jiān)測(cè)光束線是不斷測(cè)量加速器性能的診斷光束線，另一條是實(shí)驗(yàn)正在積極運(yùn)行的光束線。

具有活躍實(shí)驗(yàn)的光束線(beamline 5.3.2.2)使用了一種被稱為掃描透射X射線顯微鏡(STXM)的技術(shù)，那里的科學(xué)家報(bào)告說在實(shí)驗(yàn)中改善了光束性能。機(jī)器學(xué)習(xí)小組注意到，增強(qiáng)的光束性能也非常適合先進(jìn)的X射線技術(shù)，如排版印刷，它可以將樣品的結(jié)構(gòu)分解到納米級(jí)；以及X射線光子相關(guān)光譜(XPCS)，這對(duì)于研究沒有均勻結(jié)構(gòu)高濃度材料的快速變化非常有用。其他需要可靠、高度聚焦恒定強(qiáng)度光束與樣品相互作用的實(shí)驗(yàn)也可以從機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)中受益。

隨著對(duì)樣品的小面積掃描，實(shí)驗(yàn)要求變得越來越苛刻，所以必須找到新的方法來糾正這些不完美之處。光源是一直在努力解決的核心問題，以及機(jī)器學(xué)習(xí)工具所解決的問題，是在光束線源點(diǎn)處波動(dòng)的垂直電子束尺寸。源點(diǎn)是光源處的電子束發(fā)射，到特定光束線實(shí)驗(yàn)光的點(diǎn)，雖然電子束在這一點(diǎn)上的寬度是自然穩(wěn)定，但它的高度(或垂直源大小)可以波動(dòng)。這一努力克服了最初對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)提高加速器性能可行性的懷疑，并打開了此類工具如何產(chǎn)生真正效益的“黑匣子”。

這不是一個(gè)傳統(tǒng)上屬于加速器社區(qū)的工具，研究成功地將來自兩個(gè)不同社區(qū)的人聚集在一起，解決了一個(gè)非常棘手的問題。機(jī)器學(xué)習(xí)從根本上需要兩件事：?jiǎn)栴}需要可重現(xiàn)，需要大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)在各個(gè)光束線上進(jìn)行調(diào)整時(shí)，電子束性能中出現(xiàn)了微小光點(diǎn)，并且該算法找到了一種方法來調(diào)整電子束，使其比傳統(tǒng)方法更好地抵消了這種影響這個(gè)問題由大約35個(gè)參數(shù)組成，這真的太復(fù)雜了，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一旦被訓(xùn)練就做了什么，它能提供了一個(gè)預(yù)測(cè)，如果它根本不做任何事情來糾正它，那么機(jī)器中的源大小會(huì)發(fā)生什么情況。

在這個(gè)模型中有一個(gè)額外參數(shù)，描述了在某種類型磁鐵中所做的改變?nèi)绾斡绊懺闯叽?。所以下來要做的就是選擇參數(shù)，根據(jù)這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)，產(chǎn)生研究想要?jiǎng)?chuàng)建的光束尺寸，并將其應(yīng)用到機(jī)器上。算法指導(dǎo)的系統(tǒng)現(xiàn)在可以以每秒10次的速率進(jìn)行校正，盡管每秒三次似乎足以提高這個(gè)階段的性能。機(jī)器學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)從能源部獲得了兩年資金，以便與SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的斯坦福同步輻射光源合作，開展這個(gè)和其他機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目。研究人員表示：人工智能這個(gè)流行詞似乎已經(jīng)在研究界流行了很多年，不過，這一次它似乎終于變成了真實(shí)的東西。
（責(zé)任編輯：fqj）