In de zon en andere fusieplasma's, waterstofatomen en zijn isotopen zijn de brandstof. Plasma's zijn gassen die zo heet zijn dat elektronen uit het atoom worden geslagen, waardoor de atomen elektrisch geladen ionen worden. De niet-geïoniseerde atomen worden neutralen genoemd. Op aarde, het nauwkeurig meten van de neutrale waterstofconcentratie in plasma's zou inzicht kunnen bieden in toekomstige fusie-experimenten en het ontwerp van een toekomstige op fusie gebaseerde energiebron kunnen beïnvloeden. Om de waterstofdichtheid te meten, wetenschappers moeten een gekalibreerde meetmethode gebruiken. Ze gebruikten kryptongas, die tegelijkertijd twee brokken lichtenergie (fotonen) absorbeert en op zijn beurt een ander foton uitstraalt. Het probleem is dat het uitgestraalde licht niet de juiste golflengte heeft voor nauwkeurige metingen van de waterstofdichtheid. In dit onderzoek, wetenschappers ontdekten dat xenon-atomen licht uitstralen met een golflengte die goed kalibreert met waterstof en de metingen van neutrale waterstofdichtheid verbetert.

Het kennen van de concentratie en locatie van de neutrale waterstofatomen in het superhete plasma zal ons helpen het gedrag van het plasma nabij de wand van de kamer te begrijpen en te modelleren. Dit zal helpen bij het beter beheersen van het plasma om fusie-energie in het laboratorium te creëren. Het ontdekken van de twee-fotonvolgorde van gebeurtenissen in xenon-atomen verbetert aanzienlijk hoe wetenschappers metingen van neutrale waterstofdichtheid in plasma-experimenten kalibreren.

Gecontroleerde thermonucleaire fusie is het proces van het samensmelten van lichte elementen tot zwaardere elementen om energie vrij te maken voor niet-wapentoepassingen. Typische elementen om als brandstof te gebruiken zijn waterstof en zijn isotopen, deuterium en tritium. Omdat de temperatuur in de plasma's die in deze experimenten worden gecreëerd, varieert van tienduizenden tot miljoenen graden Kelvin, het is moeilijk om de locatie en concentratie van de neutrale waterstofatomen te meten. Terwijl wetenschappers relatieve metingen van de neutrale dichtheid van waterstof of zijn isotopen hebben verkregen in fusieplasma-experimenten, waterstof twee-foton laser-geïnduceerde fluorescentie (TALIF) metingen gekalibreerd met TALIF in xenon leveren absolute waarden van dichtheid en zeer hoge ruimtelijke en temporele resolutie.

Laser-geïnduceerde fluorescentie maakt gebruik van een intense laserstraal gericht op een kleine plek in het plasma. In het brandpunt van de laser, het licht is zo intens dat waterstofatomen, deuterium, en tritium absorberen twee fotonen (energiepakketten van licht) in plaats van het typische enkele foton. Nadat de atomen de twee fotonen hebben geabsorbeerd, ze zenden (fluoresceren) een enkel foton van een andere kleur uit. Het meten van het uitgestraalde licht vertelt wetenschappers over de dichtheid van de neutrale waterstofatomen in het plasma. Als wetenschappers dezelfde meting uitvoeren in een bekende dichtheid van een gas zoals krypton wanneer het fusie-experiment is uitgeschakeld, ze kunnen de meting absoluut kalibreren en daarmee de absolute dichtheid van de waterstofisotopen in het superhete plasma meten. Het kalibratiegas moet ook twee fotonen kunnen absorberen met bijna dezelfde lasergolflengte als de waterstofatomen. Een groot probleem bij het uitvoeren van een dergelijke meting is dat de plek van waaruit de emissie ontstaat precies in de optica die het licht opvangt moet liggen.

historisch, wetenschappers gebruikten krypton als kalibratiegas omdat het het enige gas was waarvan bekend was dat het diepe ultraviolette fotonen absorbeerde met bijna dezelfde golflengte als waterstof. Echter, de golflengte van het door krypton uitgestraalde licht is zo verschillend van dat van waterstof dat de lenzen in het experiment het kryptonlicht op een andere plek focussen dan het waterstoflicht. Daarom, wanneer onderzoekers de lenzen aanpassen om de beste krypton-kalibratiemetingen te verkrijgen, ze verminderen of elimineren het waterstofsignaal. Deze studie identificeert een nieuw kalibratieschema met behulp van xenon waarvoor de golflengte van het uitgezonden licht bijna identiek is aan de golflengte van de waterstofemissie.

Met deze nieuwe regeling geïdentificeerd, onderzoekers kunnen de fusie-experimentkamer vullen met koud xenongas en het experiment optimaliseren om het beste emissiesignaal van xenon te verkrijgen, terwijl tegelijkertijd het experiment wordt geoptimaliseerd voor daaropvolgende waterstofmetingen. Deze ontdekking is een grote vooruitgang bij het maken van gekalibreerde neutrale dichtheidsmetingen in thermonucleaire fusie-experimenten.