I solen och andra fusionsplasma, väteatomer och dess isotoper är bränslet. Plasma är gaser som är så heta att elektroner slås fri från atomen, gör atomerna till elektriskt laddade joner. De ojoniserade atomerna kallas neutrala. På jorden, att noggrant mäta den neutrala vätekoncentrationen i plasma kan ge insikter i framtida fusionsexperiment och påverka utformningen av en framtida fusionsbaserad energikälla. För att mäta vätedensiteten, forskare måste använda en kalibrerad mätmetod. De använde krypton gas, som absorberar två bitar av ljusenergi samtidigt (fotoner) och i sin tur avger ytterligare en foton. Problemet är att det avgivna ljuset inte har rätt våglängd för noggranna mätningar av vätetäthet. I den här studien, forskare upptäckte att xenonatomer avger ljus vid en våglängd som kalibrerar bra med väte och förbättrar mätningarna av neutral vätetäthet.

Att känna till koncentrationen och placeringen av de neutrala väteatomerna i den överhettade plasman hjälper oss att förstå och modellera plasmaets beteende nära kammarens vägg. Detta kommer att hjälpa till att bättre kontrollera plasma för att skapa fusionsenergi i laboratoriet. Att upptäcka tvåfotonsekvenserna av händelser i xenonatomer förbättrar avsevärt hur forskare kalibrerar mätningar av neutral vätetäthet i plasmaförsök.

Kontrollerad termonukleär fusion är processen att smälta lätta element till tyngre element för att frigöra energi för icke-vapenapplikationer. Typiska element att använda som bränsle är väte och dess isotoper, deuterium och tritium. Eftersom temperaturen i de plasma som skapades i dessa experiment varierar från tiotusentals till miljoner grader Kelvin, det är svårt att mäta placeringen och koncentrationen av de neutrala väteatomerna. Medan forskare har erhållit relativa mätningar av neutral densitet av väte eller dess isotoper i fusionsplasmaförsök, väte två-foton laser-inducerad fluorescens (TALIF) mätningar kalibrerade med TALIF i xenon ger absoluta värden på densitet och mycket hög rumslig och tidsupplösning.

Laserinducerad fluorescens använder en intensiv laserstråle fokuserad på en liten fläck i plasma. Vid laserns fokuspunkt, ljuset är så intensivt att väteatomer, deuterium, och tritium absorberar två fotoner (energipaket med ljus) istället för den typiska enstaka fotonen. Efter att atomerna har absorberat de två fotonerna, de avger (fluorescerar) en enda foton med en annan färg. Mätning av det utsända ljuset berättar för forskare om densiteten hos de neutrala väteatomerna i plasma. Om forskare utför samma mätning i en känd densitet av en gas som krypton när fusionsexperimentet stängs av, de kan absolut kalibrera mätningen och därigenom mäta den absoluta densiteten för väteisotoperna inuti den heta plasma. Kalibreringsgasen måste också kunna absorbera två fotoner vid nästan samma laservåglängd som väteatomerna. Ett stort problem vid en sådan mätning är att den plats från vilken utsläppet uppstår måste vara exakt placerad i optiken som samlar ljuset.

Historiskt sett forskare använde krypton som kalibreringsgas eftersom det var den enda gas som är känd för att absorbera djupa ultravioletta fotoner vid nästan samma våglängd som väte. Dock, ljusets våglängd som avges av krypton är så annorlunda från vätgas att linserna i experimentet fokuserar kryptonljuset till en annan plats än väteljuset. Därför, när forskare justerar linserna för att få de bästa krypton -kalibreringsmätningarna, de reducerar eller eliminerar vätesignalen. Denna studie identifierar ett nytt kalibreringsschema med xenon för vilket våglängden för det utsända ljuset är nästan identiskt med våglängden för väteemissionen.

Med detta nya system identifierat, forskare kan fylla fusionsexperimentets kammare med kall xenongas och optimera experimentet för att erhålla den bästa emissionssignalen från xenon och samtidigt optimera experimentet för efterföljande vätgasmätningar. Denna upptäckt är ett stort framsteg när det gäller att göra kalibrerade mätningar av neutral densitet i termonukleära fusionsexperiment.