Om du jagar det svårfångade målet med kärnfusion och tror att du behöver en större reaktor för att göra jobbet, du kanske först vill veta exakt hur mycket ingångsenergi som kommer från väggkontakten som gör det till hjärtat av din maskin.

Om du någonstans under resan skulle kunna minska interna förluster, du kanske inte behöver en så stor maskin som du trodde.

För att bättre bestämma energiläckage vid Sandias kraftfulla Z -maskin - där anmärkningsvärda vinster i fusionsutgångar har skett under de senaste två och ett halvt decenniet, inklusive en tredubbling av produktionen 2018 - ett gemensamt team från de nationella laboratorierna i Sandia och Lawrence Livermore har installerat ett uppgraderat laserdiagnostiksystem.

Strävan efter att exakt förstå hur mycket kraft som gör det till Z:s fusionsreaktion har blivit mer pressande när Z går in i att producera det enorma antalet neutroner som nu bara är en faktor 40 under milstolpen där energiproduktion är lika med energi, ett önskvärt tillstånd som kallas vetenskaplig break-even. Z -maskinens exceptionellt stora strömmar - cirka 26 megaparameter - komprimerar direkt fusionsbränsle till de extrema förhållanden som krävs för att fusionsreaktioner ska uppstå.

Laboratoriefusionsreaktioner - sammanfogning av atomkärnor - har både civila och militära syften. Data som används i superdatorsimuleringar ger information om kärnvapen utan underjordiska tester, en miljö, ekonomiskt och politiskt plus. Ju starkare reaktion, desto bättre data.

Och, på längre sikt, visionen om att uppnå en utomordentligt hög avkastning, en stabil och relativt ren energikälla är ambitionen för många forskare inom fusionsområdet.

Lite hjälp från våra lasrar

Laserdiagnostiksystemet som Sandia utvecklade för att uppnå dessa förbättringar kallades ursprungligen VISAR, för hastighetsinterferometersystem för valfri reflektor. VISAR tar information om tillgänglig ström som samlats in från ett område med storleken på en penna.

Det nya systemet, kallad Line VISAR, utvecklades senare på Lawrence Livermore. Den analyserar information som samlats in inom den större omfattningen som görs tillgänglig via en rad, istället för en poäng, källa.

Båda innovationerna studsar en laserstråle från ett rörligt mål i mitten av Z. Men det är en stor skillnad mellan de två teknikerna.

VISAR använder en fiberkabel för att skicka en laserpuls från en stabil yttre plats till mitten av maskinen. Där, pulsen reflekteras från en punkt på en metallbit ungefär lika stor som en krona som kallas en flygblad. Reklambladet, fungerar som en spegel, studsar lasersignalen tillbaka längs kabeln. Men eftersom reklambladet drivs framåt av Z:s enorma elektromagnetiska puls med ett avstånd på ungefär en millimeter på några hundra nanosekunder, returpulsen är något ur fas med ingångsversionen.

Att mäta fasskillnaden mellan de två vågorna bestämmer hastigheten som flygplattan uppnådde under den perioden. Den hastigheten, matematiskt kombinerat med massan på flygbladet, används sedan för att uppskatta hur mycket energi som har drivit plattan. Eftersom plattan sitter i maskinens hjärta, denna siffra är nästan identisk med den energi som orsakar fusionsreaktioner i mitten av maskinen. Denna observation var syftet med VISAR.

Men punktmålet kunde inte ta hänsyn till störningar i själva flygbladet som orsakas av det enorma tryck som skapas av det elektromagnetiska fältet som driver dess rörelse.

Prova optik

Lawrence Livermores förbättring av enheten, nu installerad på Z, skulle skicka en laserstråle längs en optisk strålväg istället för en fiberkabel. Passerar genom linser och studsar av speglar, Line VISAR returnerar en visuell bild av pulsen som träffar hela flygbladet, snarare än att returnera en enda elektrisk signal från en enda punkt på flygbladet.

Forskare studerar kontrasten mellan den fasförändrade Line VISAR-bilden och en oförändrad referensbild och skärs sedan längs en linje så att en ultrahöghastighetsfilm med minskad men användbar mängd data kan spelas in. Genom att analysera filmen, som visar expansionen och deformationen av flygbladet längs linjen, forskare avslöjar en sannare bild av mängden energi som finns tillgänglig i maskinens hjärta.

"Eftersom du har rumslig upplösning, det berättar mer exakt var nuvarande förlust inträffar, "sa Clayton Myers, som ansvarar för experiment på Z med Line VISAR.

Sandia och Lawrence Livermore -tekniker modifierade Line VISAR för att arbeta på Z, där allt hektiskt händer i hjärtat av en maskin som skakar kaffekoppar i byggnader som ligger flera hundra meter bort när den eldar, jämfört med det relativa lugnet vid avfyrningarna vid National Ignition Facility i Lawrence Livermore, där banker av lasrar sitter borttagna från den annars lugna sfären där avfyrningar äger rum.

"Sandia -teamet fick i uppgift att integrera de olika Line VISAR -komponenterna i Z -maskinens befintliga infrastruktur, "Sa Myers." Det innebar, bland annat, konstruera ett 50-meters stråltransportsystem som gav en buffert mellan instrumentet och dess Z-mål. "

Ändå, den sista optiken för Line VISAR på Z måste bytas ut för varje skott eftersom den står inför omedelbar förstörelse från energin som levereras när Z skjuter.

Hur fungerar det nya detektionssystemet? "Underbart, "sa Myers." Jag kan knappt tro noggrannheten i de data vi får. "