Diagnostik for super-varme plasmaer i fusionsreaktorer

I solen og andre fusionsplasmaer, hydrogenatomer og dets isotoper er brændstoffet. Plasma er gasser, der er så varme, at elektroner slås fri af atomet, at lave atomerne elektrisk ladede ioner. De ikke-ioniserede atomer kaldes neutrale. På jorden, nøjagtig måling af neutral brintkoncentration i plasma kan give indsigt i fremtidige fusionsforsøg og påvirke designet af en fremtidig fusionsbaseret energikilde. For at måle brintdensiteten, forskere skal bruge en kalibreret målemetode. De brugte krypton gas, som absorberer to bidder af lysenergi på samme tid (fotoner) og til gengæld udsender en anden foton. Problemet er, at det udsendte lys ikke har den rigtige bølgelængde til nøjagtige hydrogendensitetsmålinger. I dette studie, forskere opdagede, at xenonatomer udsender lys ved en bølgelængde, der kalibrerer godt med brint og forbedrer målingerne af neutral hydrogentæthed.

At kende koncentrationen og placeringen af ​​de neutrale brintatomer i det super-varme plasma hjælper os med at forstå og modellere plasmaets adfærd nær væggen i kammeret. Dette vil hjælpe med bedre at kontrollere plasmaet for at skabe fusionsenergi i laboratoriet. At opdage hændelsen i to-foton-hændelser i xenonatomer forbedrer betydeligt, hvordan forskere kalibrerer målinger af neutral hydrogentæthed i plasmaforsøg.

Kontrolleret termonuklear fusion er processen med at fusionere lette elementer til tungere elementer for at frigive energi til ikke-våbenapplikationer. Typiske elementer til brug som brændstof er brint og dets isotoper, deuterium og tritium. Fordi temperaturen i plasmaerne, der blev skabt i disse forsøg, spænder fra titusinder til millioner af grader Kelvin, det er svært at måle placeringen og koncentrationen af ​​de neutrale brintatomer. Mens forskere har opnået relative målinger af neutral densitet af brint eller dets isotoper i fusionsplasmaforsøg, hydrogen to-foton laserinduceret fluorescens (TALIF) målinger kalibreret med TALIF i xenon giver absolutte værdier af tæthed og meget høj rumlig og tidsmæssig opløsning.

Laserinduceret fluorescens bruger en intens laserstråle fokuseret på et lille sted i plasmaet. Ved laserens fokuspunkt, lyset er så intenst, at atomer af brint, deuterium, og tritium absorberer to fotoner (energipakker med lys) i stedet for den typiske enkelt foton. Efter at atomerne har absorberet de to fotoner, de udsender (fluorescerer) en enkelt foton i en anden farve. Måling af det udsendte lys fortæller forskere om tætheden af ​​de neutrale brintatomer i plasmaet. Hvis forskere udfører den samme måling i en kendt densitet af en gas, såsom krypton, når fusionsforsøget er slået fra, de kan absolut kalibrere målingen og derved måle den absolutte densitet af hydrogenisotoper inde i det superhete plasma. Kalibreringsgassen skal også kunne absorbere to fotoner ved næsten samme laserbølgelængde som hydrogenatomerne. Et stort problem ved at udføre en sådan måling er, at det sted, hvorfra emissionen opstår, skal være præcist placeret i den optik, der samler lyset.

Historisk set forskere brugte krypton som kalibreringsgas, fordi det var den eneste gas, man kendte til at absorbere dybe ultraviolette fotoner ved næsten samme bølgelængde som brint. Imidlertid, bølgelængden af ​​lys udsendt af krypton er så forskellig fra hydrogen, at linserne i eksperimentet fokuserer kryptonlyset til et andet sted end brintlyset. Derfor, når forskere justerer linserne for at opnå de bedste krypton -kalibreringsmålinger, de reducerer eller eliminerer brintsignalet. Denne undersøgelse identificerer et nyt kalibreringsskema ved hjælp af xenon, for hvilket bølgelængden af ​​det udsendte lys er næsten identisk med bølgelængden af ​​brintemissionen.

Med denne nye ordning identificeret, forskere kan fylde fusionseksperimentkammeret med kold xenongas og optimere eksperimentet for at opnå det bedste emissionssignal fra xenon og samtidig optimere eksperimentet til efterfølgende brintmålinger. Denne opdagelse er et stort fremskridt i at foretage kalibrerede målinger af neutral densitet i termonukleære fusionsforsøg.