Al sol y otros plasmas de fusión, los átomos de hidrógeno y sus isótopos son el combustible. Los plasmas son gases que están tan calientes que los electrones se liberan del átomo, haciendo que los átomos sean iones cargados eléctricamente. Los átomos no ionizados se denominan neutros. En la tierra, medir con precisión la concentración de hidrógeno neutro en plasmas podría ofrecer información sobre futuros experimentos de fusión e impactar el diseño de una futura fuente de energía basada en la fusión. Para medir la densidad del hidrógeno, los científicos deben utilizar un método de medición calibrado. Usaron gas kriptón, que absorbe dos trozos de energía luminosa al mismo tiempo (fotones) y, a su vez, emite otro fotón. El problema es que la luz emitida no tiene la longitud de onda adecuada para realizar mediciones precisas de la densidad del hidrógeno. En este estudio, Los científicos descubrieron que los átomos de xenón emiten luz en una longitud de onda que se calibra bien con el hidrógeno y mejora las mediciones de la densidad neutra del hidrógeno.

Conocer la concentración y la ubicación de los átomos de hidrógeno neutros dentro del plasma supercaliente nos ayudará a comprender y modelar el comportamiento del plasma cerca de la pared de la cámara. Esto ayudará a controlar mejor el plasma para crear energía de fusión en el laboratorio. El descubrimiento de la secuencia de eventos de dos fotones en los átomos de xenón mejora significativamente la forma en que los científicos calibran las mediciones de la densidad del hidrógeno neutro en experimentos con plasma.

La fusión termonuclear controlada es el proceso de fusionar elementos ligeros en elementos más pesados ​​para liberar energía para aplicaciones no armamentísticas. Los elementos típicos para usar como combustible son el hidrógeno y sus isótopos, deuterio y tritio. Debido a que la temperatura en los plasmas creados en estos experimentos varía de decenas de miles a millones de grados Kelvin, es difícil medir la ubicación y concentración de los átomos de hidrógeno neutros. Si bien los científicos han obtenido medidas relativas de la densidad neutra del hidrógeno o sus isótopos en experimentos con plasma de fusión, Las mediciones de fluorescencia inducida por láser de dos fotones de hidrógeno (TALIF) calibradas con TALIF en xenón proporcionan valores absolutos de densidad y una resolución espacial y temporal muy alta.

La fluorescencia inducida por láser utiliza un rayo láser intenso enfocado a un punto diminuto en el plasma. En el punto focal del láser, la luz es tan intensa que los átomos de hidrógeno, deuterio, y el tritio absorben dos fotones (paquetes de energía de luz) en lugar del típico fotón único. Después de que los átomos absorben los dos fotones, emiten (fluorescen) un solo fotón de un color diferente. La medición de la luz emitida informa a los científicos sobre la densidad de los átomos de hidrógeno neutros en el plasma. Si los científicos realizan la misma medición en una densidad conocida de un gas como el criptón cuando se apaga el experimento de fusión, pueden calibrar absolutamente la medición y así medir la densidad absoluta de los isótopos de hidrógeno dentro del plasma supercaliente. El gas de calibración también debe poder absorber dos fotones en casi la misma longitud de onda del láser que los átomos de hidrógeno. Un problema importante al realizar una medición de este tipo es que el punto desde el que surge la emisión debe estar ubicado con precisión en la óptica que recoge la luz.

Históricamente, Los científicos utilizaron el criptón como gas de calibración porque era el único gas conocido por absorber fotones ultravioleta profundos en casi la misma longitud de onda que el hidrógeno. Sin embargo, la longitud de onda de la luz emitida por el criptón es tan diferente a la del hidrógeno que las lentes del experimento enfocan la luz del criptón a un punto diferente al de la luz del hidrógeno. Por lo tanto, cuando los investigadores ajustan las lentes para obtener las mejores medidas de calibración de criptón, reducen o eliminan la señal de hidrógeno. Este estudio identifica un nuevo esquema de calibración que utiliza xenón para el que la longitud de onda de la luz emitida es casi idéntica a la longitud de onda de la emisión de hidrógeno.

Con este nuevo esquema identificado, Los investigadores pueden llenar la cámara del experimento de fusión con gas xenón frío y optimizar el experimento para obtener la mejor señal de emisión del xenón, al mismo tiempo que optimizan el experimento para las siguientes mediciones de hidrógeno. Este descubrimiento es un avance importante en la realización de mediciones de densidad neutra calibradas en experimentos de fusión termonuclear.