Dans le soleil et d'autres plasmas de fusion, les atomes d'hydrogène et ses isotopes sont le carburant. Les plasmas sont des gaz si chauds que les électrons sont libérés de l'atome, faire des atomes des ions chargés électriquement. Les atomes non ionisés sont appelés neutres. Sur Terre, mesurer avec précision la concentration d'hydrogène neutre dans les plasmas pourrait offrir un aperçu des futures expériences de fusion et avoir un impact sur la conception d'une future source d'énergie basée sur la fusion. Pour mesurer la densité d'hydrogène, les scientifiques doivent utiliser une méthode de mesure calibrée. Ils ont utilisé du gaz krypton, qui absorbe deux morceaux d'énergie lumineuse en même temps (photons) et émet à son tour un autre photon. Le problème est que la lumière émise n'est pas à la bonne longueur d'onde pour des mesures précises de la densité de l'hydrogène. Dans cette étude, les scientifiques ont découvert que les atomes de xénon émettent de la lumière à une longueur d'onde qui se calibre bien avec l'hydrogène et améliore les mesures de la densité d'hydrogène neutre.

Connaître la concentration et l'emplacement des atomes d'hydrogène neutres dans le plasma super chaud nous aidera à comprendre et à modéliser le comportement du plasma près de la paroi de la chambre. Cela aidera à mieux contrôler le plasma pour créer de l'énergie de fusion en laboratoire. La découverte de la séquence d'événements à deux photons dans les atomes de xénon améliore considérablement la façon dont les scientifiques étalonnent les mesures de la densité d'hydrogène neutre dans les expériences sur le plasma.

La fusion thermonucléaire contrôlée est le processus de fusion d'éléments légers en éléments plus lourds pour libérer de l'énergie pour des applications autres que les armes. Les éléments typiques à utiliser comme combustible sont l'hydrogène et ses isotopes, deutérium et tritium. Parce que la température dans les plasmas créés dans ces expériences varie de dizaines de milliers à des millions de degrés Kelvin, il est difficile de mesurer l'emplacement et la concentration des atomes d'hydrogène neutres. Alors que les scientifiques ont obtenu des mesures relatives de la densité neutre de l'hydrogène ou de ses isotopes dans des expériences de plasma de fusion, Les mesures de fluorescence induite par laser à deux photons à hydrogène (TALIF) calibrées avec TALIF dans le xénon fournissent des valeurs absolues de densité et une très haute résolution spatiale et temporelle.

La fluorescence induite par laser utilise un faisceau laser intense focalisé sur un minuscule point du plasma. Au foyer du laser, la lumière est si intense que les atomes d'hydrogène, deutérium, et le tritium absorbe deux photons (paquets d'énergie de lumière) au lieu du photon unique typique. Une fois que les atomes ont absorbé les deux photons, ils émettent (fluorescent) un seul photon d'une couleur différente. La mesure de la lumière émise renseigne les scientifiques sur la densité des atomes d'hydrogène neutres dans le plasma. Si les scientifiques effectuent la même mesure dans une densité connue d'un gaz tel que le krypton lorsque l'expérience de fusion est désactivée, ils peuvent calibrer absolument la mesure et ainsi mesurer la densité absolue des isotopes d'hydrogène à l'intérieur du plasma super chaud. Le gaz d'étalonnage doit également être capable d'absorber deux photons à presque la même longueur d'onde laser que les atomes d'hydrogène. Un problème majeur dans la réalisation d'une telle mesure est que le spot d'où provient l'émission doit être précisément localisé dans l'optique qui capte la lumière.

Historiquement, les scientifiques ont utilisé le krypton comme gaz d'étalonnage car c'était le seul gaz connu pour absorber les photons ultraviolets profonds à presque la même longueur d'onde que l'hydrogène. Cependant, la longueur d'onde de la lumière émise par le krypton est si différente de celle de l'hydrogène que les lentilles de l'expérience concentrent la lumière du krypton sur un point différent de celui de l'hydrogène. Par conséquent, lorsque les chercheurs ajustent les lentilles pour obtenir les meilleures mesures d'étalonnage du krypton, ils réduisent ou éliminent le signal d'hydrogène. Cette étude identifie un nouveau schéma d'étalonnage utilisant du xénon pour lequel la longueur d'onde de la lumière émise est presque identique à la longueur d'onde de l'émission d'hydrogène.

Avec ce nouveau schéma identifié, les chercheurs peuvent remplir la chambre expérimentale de fusion avec du gaz xénon froid et optimiser l'expérience pour obtenir le meilleur signal d'émission du xénon tout en optimisant simultanément l'expérience pour les mesures d'hydrogène ultérieures. Cette découverte est une avancée majeure dans la réalisation de mesures de densité neutre calibrées dans les expériences de fusion thermonucléaire.