p Ao sol e outros plasmas de fusão, átomos de hidrogênio e seus isótopos são o combustível. Plasmas são gases tão quentes que os elétrons são liberados do átomo, tornando os átomos íons eletricamente carregados. Os átomos não ionizados são chamados de neutros. Na terra, medir com precisão a concentração de hidrogênio neutro em plasmas pode oferecer insights sobre futuros experimentos de fusão e impactar o projeto de uma futura fonte de energia baseada em fusão. Para medir a densidade do hidrogênio, os cientistas precisam usar um método de medição calibrado. Eles usaram gás criptônio, que absorve dois blocos de energia luminosa ao mesmo tempo (fótons) e, por sua vez, emite outro fóton. O problema é que a luz emitida não está no comprimento de onda correto para medições precisas da densidade do hidrogênio. Neste estudo, os cientistas descobriram que os átomos de xenônio emitem luz em um comprimento de onda que se calibra bem com o hidrogênio e melhora as medições da densidade do hidrogênio neutro. p Saber a concentração e a localização dos átomos de hidrogênio neutros dentro do plasma superaquecido nos ajudará a entender e modelar o comportamento do plasma próximo à parede da câmara. Isso ajudará a controlar melhor o plasma para criar energia de fusão no laboratório. Descobrir a sequência de eventos de dois fótons em átomos de xenônio melhora significativamente a forma como os cientistas calibram as medições da densidade do hidrogênio neutro em experimentos de plasma.

p A fusão termonuclear controlada é o processo de fusão de elementos leves em elementos mais pesados ​​para liberar energia para aplicações não relacionadas a armas. Elementos típicos para usar como combustível são hidrogênio e seus isótopos, deutério e trítio. Como a temperatura nos plasmas criados nesses experimentos varia de dezenas de milhares a milhões de graus Kelvin, é difícil medir a localização e a concentração dos átomos neutros de hidrogênio. Enquanto os cientistas obtiveram medições relativas da densidade neutra do hidrogênio ou seus isótopos em experimentos de plasma de fusão, Medições de fluorescência induzida por laser de dois fótons de hidrogênio (TALIF) calibradas com TALIF em xenônio fornecem valores absolutos de densidade e resolução espacial e temporal muito alta.

p A fluorescência induzida por laser usa um feixe de laser intenso focado em um ponto minúsculo no plasma. No ponto focal do laser, a luz é tão intensa que átomos de hidrogênio, deutério, e o trítio absorve dois fótons (pacotes de energia de luz) em vez do fóton único típico. Depois que os átomos absorvem os dois fótons, eles emitem (fluorescem) um único fóton de uma cor diferente. Medir a luz emitida informa aos cientistas sobre a densidade dos átomos de hidrogênio neutros no plasma. Se os cientistas realizarem a mesma medição em uma densidade conhecida de um gás, como o criptônio, quando o experimento de fusão for desligado, eles podem calibrar absolutamente a medição e, assim, medir a densidade absoluta dos isótopos de hidrogênio dentro do plasma superaquecido. O gás de calibração também deve ser capaz de absorver dois fótons quase no mesmo comprimento de onda do laser que os átomos de hidrogênio. Um grande problema em realizar tal medição é que o ponto de onde surge a emissão deve estar precisamente localizado na óptica que coleta a luz.

p Historicamente, os cientistas usaram o criptônio como gás de calibração porque era o único gás conhecido por absorver fótons ultravioleta profundos com quase o mesmo comprimento de onda do hidrogênio. Contudo, o comprimento de onda da luz emitida pelo criptônio é tão diferente daquele do hidrogênio que as lentes do experimento focalizam a luz do criptônio em um ponto diferente do da luz do hidrogênio. Portanto, quando os pesquisadores ajustam as lentes para obter as melhores medições de calibração de criptônio, eles reduzem ou eliminam o sinal de hidrogênio. Este estudo identifica um novo esquema de calibração usando xenônio para o qual o comprimento de onda da luz emitida é quase idêntico ao comprimento de onda da emissão de hidrogênio.

p Com este novo esquema identificado, os pesquisadores podem preencher a câmara do experimento de fusão com gás xenônio frio e otimizar o experimento para obter o melhor sinal de emissão do xenônio enquanto otimizam simultaneamente o experimento para medições subsequentes de hidrogênio. Esta descoberta é um grande avanço na realização de medições calibradas de densidade neutra em experimentos de fusão termonuclear.