Reale senza supervisione

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20783 (2022) Citare questo articolo

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Presentiamo l'elaborazione dei dati del mondo reale sui dati del tempo di volo degli elettroni misurati tramite reti neurali. Nello specifico, l'uso di autocodificatori variazionali districati sui dati provenienti da uno strumento diagnostico per il monitoraggio online della lunghezza d'onda presso il laser a elettroni liberi FLASH ad Amburgo. Senza una conoscenza a priori, la rete è in grado di trovare rappresentazioni di spettri FEL a colpo singolo, che hanno un basso rapporto segnale-rumore. Ciò rivela, in modo direttamente interpretabile dall’uomo, informazioni cruciali sulle proprietà dei fotoni. Vengono identificate l'energia del fotone centrale, l'intensità e le caratteristiche molto specifiche del rivelatore. La rete è anche in grado di effettuare la pulizia dei dati, ovvero il denoising, nonché la rimozione degli artefatti. Ciò consente nella ricostruzione di individuare segnature di intensità molto bassa difficilmente riconoscibili nei dati grezzi. In questo caso particolare, la rete migliora la qualità dell'analisi diagnostica presso FLASH. Tuttavia, questo metodo non supervisionato ha anche il potenziale per migliorare l'analisi di altri tipi simili di dati spettroscopici.

I laser a elettroni liberi (FEL) consentono la scienza atomica e molecolare nel regime da femtosecondi ad attosecondi creando impulsi fotonici altamente intensi su quella scala temporale. Tuttavia, i FEL che si basano sul principio dell'emissione spontanea autoamplificata (SASE)1,2, come FLASH3, producono proprietà dell'impulso spaziali, spettrali e temporali che fluttuano fortemente da un impulso all'altro. Pertanto, una diagnostica fotonica affidabile su base single-shot è essenziale per l’analisi dei dati validi degli esperimenti scientifici condotti presso tali strutture. L'ordinamento post-esperimento dei dati registrati rispetto a diverse proprietà, come l'intensità o la lunghezza d'onda, può rivelare firme di processi fisici altrimenti oscurati o addirittura nascosti nei set di dati. Presso i FEL vengono utilizzati numerosi strumenti diagnostici per misurare la fotoionizzazione dei bersagli di gas, come il rilevatore di monitoraggio dei gas (GMD)4,5 per la misurazione dell'energia assoluta dell'impulso, lo striscio di THz6,7 per la determinazione della struttura temporale dell'impulso fotonico8, così come lo spettrometro di fotoionizzazione online OPIS9,10 (vedi Fig. 1) e il cosiddetto cookie-box8,11 che utilizza la spettroscopia fotoelettronica per ottenere informazioni sulla distribuzione spettrale della radiazione FEL. Questi metodi diagnostici hanno il vantaggio di poter essere progettati per essere quasi completamente non invasivi. In un processo di fotoionizzazione, a causa dell'elevata intensità FEL, si può creare una significativa carica spaziale10 nel bersaglio di gas ionizzato nella regione di interazione degli strumenti. Questa carica spaziale si accumula anche per elevate velocità di ripetizione dell'impulso FEL, poiché gli ioni del gas bersaglio creati non possono dissiparsi abbastanza velocemente dalla repulsione di Coulomb o essere riempiti con atomi freschi e non uniti prima che arrivi il successivo impulso FEL. Per gli strumenti basati sulla spettroscopia fotoelettronica, come OPIS, la carica spaziale può distorcere la misurazione diagnostica perché altera la distribuzione dell'energia cinetica dei fotoelettroni. Per ridurre al minimo tali effetti dannosi indotti dalla carica spaziale, OPIS funziona a basse pressioni del gas target. Per questo motivo, gli spettri a scatto singolo di OPIS mostrano solitamente tassi di conteggio bassi e di conseguenza le fotolinee comprendono solo un piccolo numero di eventi a singolo elettrone, che appaiono come picchi nello spettro, che non sono chiaramente distinguibili dai picchi di rumore casuale (vedere Fig. 1 ). Per ottenere risultati significativi sulla lunghezza d'onda, viene solitamente applicato uno schema di media mobile su intervalli di tempo variabili. Pertanto, in passato, nella maggior parte dei casi, non era possibile fornire informazioni attendibili da un'inquadratura all'altra, importanti per gli esperimenti. Presentiamo qui un metodo per rivelare le proprietà dei fotoni in modalità risolta single-shot, nonostante le basse statistiche, impiegando l'intelligenza artificiale che sfrutta un tipo speciale di autoencoder, che rappresenta i dati ottenuti dal dispositivo diagnostico in un formato compresso e comprensibile modo.