Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Локальные диагностики на основе рассеяния электромагнитного излучения в термоядерных установках (обзор литературы)
1.1. Коллективное рассеяние электромагнитного излучения 10
1.2. Волны ншкнегибридиого диапазона частот и их исследование с помощью коллективного рассеяния 18
1.3. Основы рефлектометрической методики 24
1.4. Усиленное рассеяние 37
1.5. Кросс-поляризационное рассеяние 53
1.6. Выводы и постановка задачи 61
ГЛАВА 2 Микроволновое рассеяние с времяпролетным разрешением для токамака: методика измерений и диагностические комплексы
2.1. Методика времяпролетных измерений на токамаке 63
2.2. Токамак ФТ-1 69
2.3. СВЧ антенны для микроволнового рассеяния на токамаке ФТ-1 72
2.4. Комплекс стробоскопического радарного усиленного рассеяния на ФТ-1 . 73
2.5. Времяпролетная диагностика на основе гармонической амплитудной модуляции зондирующего излучения на токамаке ФТ-1 81
2.6. Токамак ФТ-2 95
2.7. СВЧ антенны для микроволнового рассеяния на токамаке ФТ-2 99
2.8. Модификация времяпролетпой диагностики на основе гармонической модуляции для токамака ФТ-2 101
2.9. Стробоскопическая радарная диагностика Доплеровской рефлектометрии на токамаке ФТ-2 102
2.10. Оценка циклотронного поглощения мощности зондирующей волны 105
2.11. Пространственное разрешение при рассеянии в верхнем гибридном резонансе 108
ГЛАВА 3 Исследование замедленной компоненты нижнегибридных волн
3.1. Исследование линейной трансформации ншкнегибридных волн при доминирующем взаимодействии с ионной компонентой на токамаке ФТ-1 110
3.2. Исследование распространения нижнегибридных волн при взаимодействии с электронной компонентой на токамаке ФТ-1 133
3.3. Наблюдение резонансного конуса нижнегибридной волны па токамаке ФТ-2 141
ГЛАВА 4 Формирование спектров микроволнового рассеяния на спонтанных флуктуациях в токамаке
4.1. Наблюдение спектров усиленного рассеяния на колебаниях плотности с разрешением по волновым числам на токамаке ФТ-1 147
4.2. Моделирование спектров усиленного рассеяния 154
4.3. Наблюдение кросс-поляризационного рассеяния в верхнем гибридном резонансе на токамаке ФТ-1 170
4.4. Оценка уровня магнитных флуктуации 181
4.5. Сравнение динамики формирования спектров традиционной и Доплеровской флуктуационной рефлектометрии на токамаке ФТ-2 184
Заключение 194
Благодарности 200
Список литературы 201
- Волны ншкнегибридиого диапазона частот и их исследование с помощью коллективного рассеяния
- Времяпролетная диагностика на основе гармонической амплитудной модуляции зондирующего излучения на токамаке ФТ-1
- Исследование распространения нижнегибридных волн при взаимодействии с электронной компонентой на токамаке ФТ-1
- Наблюдение кросс-поляризационного рассеяния в верхнем гибридном резонансе на токамаке ФТ-1
Введение к работе
Изучение низкочастотной турбулентности плазмы, в частности колебаний плотности и магнитного поля, весьма актуально в настоящее время в исследованиях по управляемому термоядер но му синтезу. Та роль, которую коротковолновые флуктуации плотности могут играть в аномальном переносе энергии и частиц [1] в горячей плазме токамаков, до сих пор остается выясненной не полностью. Несмотря на то, что перенос в ионном канале удаётся существенно снизить за счёт увеличения шира вращения плазмы и снижения магнитного шира, ведущих к подавлению относительно длинноволновой компоненты турбулентности, возникающей из-за неустойчивости дрейфового типа при наличии сильного градиента ионной температуры или влияния затухания на запертых электронах [2], перенос в электронном канале при этом остается аномальным. В некоторых работах, основанных на дрейфово-кинетической теории, эта остаточная аномальная электронная теплопроводность связывается с коротковолновой дрейфовой неустойчивостью, развивающейся в условиях сильного градиента электронной температуры [3, 4]. На нелинейной стадии развития эта неустойчивость может приводить к образованию крупномасштабных зональных потоков и стримеров, ухудшающих удержание. В то же время в других работах [5, 6, 7], основанных на прямом моделировании плазмы методом частиц в ячейках, предсказывается значительно меньший уровень насыщения этой неустойчивости и соответственно меньший уровень потоков тепла в электронной компоненте, не способный объяснить наблюдаемый аномальный электронный перенос. Такое состояние проблемы аномального электронного переноса во многом связано с тем, что несмотря на обилие различных методик исследования турбулентности с помощью рассеяния
электромагнитного излучения, позволяющих изучать параметры флуктуации плотности в горячей плазме, существующие диагностики зачастую не могут обеспечить необходимую локальность измерений, либо недостаточно чувствительны к коротковолновым колебаниям, либо не позволяют адекватно интерпретировать экспериментальные данные в условиях развитой длинноволновой турбулентности. Исследование магнитных флуктуации, которые таюке могут приводить к аномальному электронному переносу [8] вследствие разрушения структуры замкнутых магнитных поверхностей, осложняется их невысоким уровнем. Надежных локальных методов изучения магнитной турбулентности во внутренних областях плазменного шнура до сих пор не создано. Наконец, исследования распространения коротковолновых высокочастотных волн в плазме, используемых и для нагрева ионной компоненты, и для обеспечения генерации безындукционного тока, встречаются с теми же диагностическими проблемами.
В данной работе для создания локальной диагностики низкочастотных флуктуации плотности и волн нижнегибридного диапазона частот предлагается использование микроволнового рассеяния в окрестности верхнего гибридного резонанса, которое утке использовалось ранее и на линейных установках, и на токамаках, и получило название усиленного рассеяния. Несмотря на высокую локальность метода при рассеянии на коротковолновых колебаниях и усиление эффекта по сравнению с традиционным коллективным рассеянием, диагностика обладает существенным недостатком; вклад в сигнал дают флуктуации с разными пространственными масштабами. Между тем, в экспериментах в холодной стационарной плазме лабораторных установок была апробирована времяпролетная методика усиленного рассеяния, позволяющая улучшить разрешение по волновым
числам рассеивающих колебаний. Разработка времяпролетной модификации усиленного рассеяния для токамака является одной из целей настоящей диссертации.
В последнее время были предложены варианты реализации микроволновой диагностики магнитной турбулентности при исследовании рассеяния со сменой поляризации. Обнаружение теоретически предсказанного эффекта кросс-поляризационного рассеяния в верхнем гибридном резонансе и изучение возможностей создания диагностики на его основе является другой задачей работы.
Последняя цель диссертации связана с перспективной методикой Доплеровской рефлектометрии, развиваемой для исследования флуктуации плотности и полоидального вращения плазмы, неоднородность которого может вызвать декорреляцию колебаний в смежных пространственных слоях и привести к возникновению транспортного барьера, улучшающего удержание. Времяпролетная модификация диагностики, предлагаемая в работе, могла бы не только экспериментально проверить локальность Доплеровской рефлектометрии по сравнению с обычной, использующей нормальное по отношению к магнитным поверхностям зондирование, но и открыть путь для ее дальнейшего развития.
На защиту выносятся следующие положения:
Развитие методики времяпролетных измерений сигналов рассеяния в верхнем гибридном резонансе для токамаков на основе радарной стробоскопической схемы и схемы, основанной на анализе фазовой задержки гармонически амплитудно-модулированного зондирующего излучения.
Эффекты сильной задержки сигналов усиленного и кросс-поляризационного рассеяния в верхнем гибридном резонансе в токамаке.
Экспериментальные результаты по наблюдению линейной картины распространения и трансформации нижнегибридных волн в условиях существования нижнего гибридного резонанса в плазме токамака ФТ-1. Первые в экспериментах на токамаках наблюдения мелкомасштабных бернштейновских волн высоких гармоник ионной циклотронной частоты, образовавшихся благодаря линейной трансформации в нижнем гибридном резонансе.
Наблюдение в токамаке ФТ-1 сильно-замедленной шумовой компоненты нижнегибридной волны.
Наблюдение резонансного конуса замедленных нижнегибридных волн, возбуждаемых гриллом в плазме токамака ФТ-2.
Результаты исследований низкочастотных коротковолновых спонтанных флуктуации плотности с разрешением по радиальным волновым числам. Выявление доминирующих механизмов формирования спектров усиленного рассеяния на токамаке ФТ-1,
Времяпролетные исследования сигнала кросс-поляризационного рассеяния в верхнем гибридном резонансе на коротковолновых флуктуациях магнитного поля. Демонстрация возможности реализации диагностики магнитной турбулентности в горячей плазме токамака.
Радарная стробоскопическая модификация Доплеровской рефлектометрии и результаты сравнения временной динамики формирования спектров традиционной флуктуационной рефлектометрии с нормальным по отношению к магнитным поверхностям зондированием и Доплеровской рефлектометрии.
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на Всероссийской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в
Звенигороде с 1998 по 2004 гг. [9, 10, 11, 12, 13, 14, 15,], на конференциях Европейского физического общества с 1998 по 2003 гг. [16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25], а также на других международных конференциях и совещаниях [26, 27, 28, 29]. По материалам диссертации опубликовано 27 печатных работ, в том числе 6 статей в реферируемых їкурналах [30, 31, 32, 33, 34, 35], 13 статей в сборниках трудов международных конференций и 8 аннотаций докладов.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. В первой главе приведен литературный обзор, посвященный диагностикам на основе рассеяния электромагнитного излучения в плазме. Особое внимание уделено проблемам локальности рефлектометрических диагностик, природе нижнегибридных волн, усиленному рассеянию и кросс-поляризационному эффекту. Во второй главе, помимо методики времяпролетных измерений на токамаке и особенностей усиленного рассеяния на спонтанных колебаниях и нижнегибридных волнах, представлены описания разработанных времяпролетных схем усиленного рассеяния, кросс-поляризационного рассеяния в верхнем гибридном резонансе и Доплеровской рефлектометрии, а также дано краткое описание токамаков ФТ-1 и ФТ-2, на которых проводились измерения. В третьей главе содержатся результаты экспериментов по исследованию распространения нижнегибридных волн в режимах взаимодействия с ионной и электронной компонентами плазмы. В четвертой - результаты изучения спонтанных флуктуации плотности методом усиленного рассеяния, демонстрация возможности применения кросс-поляризационной диагностики для исследования магнитных флуктуации, а также сравнение временной динамики формирования спектров Доплеровской и традиционной рефлектометрии с нормальным зондированием.
Волны ншкнегибридиого диапазона частот и их исследование с помощью коллективного рассеяния
Методика рассеяния электромагнитного излучения плазмой [36, 37, 38, 39, 40] широко используется для диагностических целей в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу. Среди основных исследуемых параметров, на которые нацелены подобные диагностики, можно назвать ионную и электронную температуры, электронную плотность, пространственные и временные масштабы флуктуации электронной температуры и плотности, их относительный уровень и фазовую скорость, а также частотные и пространственные спектры высокочастотных волн, используемых для дополнительного нагрева плазмы. Особую ценность диагностики рассеяния приобретают, когда удается пространственно локализовать измерения, благодаря чему становится возможным изучение профилей параметров плазмы.
Спектр рассеяния монохроматического электромагнитного излучения в плазме в основном формируется за счет переизлучения на электронах. Мощность рассеяния на ионах меньше в квадрат соотношения их масс (1.4), поэтому ионным вкладом в рассеяние можно пренебречь [38]. Рассеяние падающей волны на ансамбле электронов зависит не только от числа частиц, но и от взаимодействия между частицами. Чтобы найти полную рассеянную мощность необходимо учитывать и сечение рассеяния на отдельных электронах, и фазовые соотношения между рассеянными волнами. Коррелированные взаимодействия между электронами плазмы происходят на расстояниях больше Дебаевского радиуса: где Те, пе - электронная температура и плотность, е - заряд электрона. Возможность влияния коллективных электронных эффектов зависит от соотношения между Дебаевским радиусом и длиной волны зондирующего электромагнитного излучения Ло, которое удобно представить с помощью параметра Солпитера: где 0 - угол между направлениями зондирования и рассеяния, q - абсолютная величина волнового вектора, соответствующего разнице волновых векторов рассеянной ks и зондирующей ki волн. В зависимости от значения а, могут реализовываться три различных режима, в которых спектр рассеяния характеризуется разными плазменными параметрами.
Если а « 1 спектр рассеяния формируется за счет рассеяния на индивидуальных электронах (случайно распределенных внутри Дебаевской сферы), следовательно, определяется их функцией распределения по скоростям, т.е. электронной температурой. Этот тип рассеяния в литературе называют некогерентным рассеянием, либо просто Томсоновским рассеянием. Первая демонстрация возможности применения Томсоновского рассеяния в токамаке была осуществлена в 1969 году группой английских ученых, измеривших электронную температуру на советском токамаке Т-3 [41]. Дальнейшее развитие этой методики привело к созданию современных систем [42, 43, 44, 45], измеряющих электрошгую температуру и плотность вдоль всего плазменного диаметра с высоким пространственным и временным разрешением, без чего немыслимо проведение исследований на термоядерной установке.
В случае а 1 вклады в рассеяние от различных электронов, участвующих в экранировании зарядов, будут складываться когерентно, так как фазовое различие между ними пренебрежимо. В этих условиях, появляется возможность извлечь информацию о функции распределения по скоростям ионов (экранирующее облако состоит приблизительно из 50% электронов и 50% ионов), перемещающихся вместе с экранирующими сферами и приводящих к Доштеровскому смещению [46].
Третья экспериментальная ситуация возникает, когда а» 1. В этом случае величина ,lo/sin(G/2) может быть такого же порядка, что и корреляционная длина флуктуации плотности в плазме. В результате рассеянная мощность пропорциональна квадрату амплитуды флуктуации плотности, и могут изучаться коллективные движения электронной плотности. Подобный подход называют коллективным рассеянием и используют для изучения спектров колебаний электронной плотности в плазме. Методикам, нацеленным в основном на эти колебания, и будет посвящена глава 1.
Традиционная постановка эксперимента по коллективному рассеянию изображена на рис. 1. Пучок зондирующего излучения с частотой й и волновым вектором kj распространяется в плазме, рассеиваясь на колебаниях плотности с частотой Q и волновым вектором q. Область рассеяния определяется пересечением диаграмм зондирующей и приемной антенн, а частота ( и волновой вектор к3 рассеянной волны могут быть найдены из условий, имеющих смысл законов сохранения энергии и импульса:
Времяпролетная диагностика на основе гармонической амплитудной модуляции зондирующего излучения на токамаке ФТ-1
Первые попытки прямых экспериментальных наблюдений НГ-волн с помощью экспериментов по лазерному рассеянгао были предприняты па установке ALCATOR [68, 69, 70]. Однако предсказываемой теорией локализации НГ-волны в резонансных конусах обнаружено не было, что, по мнению авторов, могло быть связано с рассеянием НГ-волны на низкочастотной дрейфовой турбулентности, о чем свидетельствовали частотные спектры, сильно уширенные по сравнению с волной накачки.
Подробные исследования НГ-нагрева были выполнены на токамаке FT [71, 72]. С помощью лазерного рассеяния удалось зарегистрировать сигналы, инициируемые НГ-накачкой в диапазоне волновых векторов, предсказанном теоретическими расчетами по методу лучевых траекторий. При низкой плотности НГ-волны нагревали электронную компоненту плазмы. С ростом плотности электронный нагрев пропадал, сменяясь ионным, начинающимся с ускорения надтепловых ионов из хвоста максвелловской функции распределения. При дальнейшем увеличении плотности ионный нагрев уменьшался и пропадал, сменяясь появлением параметрической распадной неустойчивости греющей волны. Пороговая мощность развития неустойчивости определялась отношением концентрации электронов к их температуре на периферии: Plh (Tjn) , таким образом, подавление распадной неустойчивости может быть достигнуто при увеличении периферийной температуры.
Во время НГ-нагрева на установке ALCATOR С [73, 74] с помощью лазерного рассеяния (в двух полоидальных сечениях токамака) на периферии плазмы наблюдалась сильно развитая параметрическая неустойчивость: кроме частоты греющего излучения наблюдались ионно-циклотронные гармоники, при этом первая была наиболее интенсивной. Рассеяние показало, что НГ-волна не проникает в центральные области плазменного шнура, а поглощается на периферии. Поскольку появление ионно-циклотронных мод коррелировало с образованием потоков высокоэнергичных ионов на краю плазмы, происхождение последних естественно связали с периферийным поглощением распадных волн по механизму Ландау.
Трудности наблюдения НГ-волн связаны как с относительно небольшим уровнем возникающих колебаний 6п!пе Ш3, так и с их пространственной локализацией. Довольно узкий спектр НГ-волн по углам распространения таюке является дополнительным обстоятельством, мешающим их обнаружению при использовании методики коллективного рассеяния. В то время как НГ-волны, возбуждаемые ВЧ-антенной и распространяющиеся в резонансном конусе, удавалось наблюдать в некоторых экспериментах, то проследить динамику формирования замедленных волн, заполняющих спектральную щель между исходными волнами и волнами, взаимодействующими с электронной компонентой, до сих пор не удалось. Следует особо подчеркнуть, что ионные бернштейновские волны, образовавшиеся в результате процесса линейной трансформации в НГР, предсказаны теоретически, но экспериментально на токамаках не наблюдались, что, возможно, связано с их чрезвычайно большим поперечным волновым числом.
Среди диагностик, использующих зондирование плазмы электромагнитным излучением, сформировалось обширное направление, называемое рефлектометрией, которое основано на анализе либо отраженного, либо обратно рассеянного сигнала из окрестности отсечки. Истоки этой методики лежат в первых ионосферных экспериментах [75, 76, 77], проведенных в 40 - 60-х годах прошлого века. В исследованиях по термоядерной тематике диагностика впервые применялась на установке Альфа [78]. В современных термоядерных исследованиях рефлектометрия используется для измерения профилей электронной плотности (в особых случаях и полного магнитного поля) [79, 80, 81, 82, 83, 84], а также параметров флуктуации плотности [80, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91] и профиля скорости полоидального вращения плазмы [92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99].
Положение и форма отсечки [62, 67, 77] зависят от типа поляризации зондирующей СВЧ волны. При поперечном к магнитному полю распространении различают обыкновенную (О-м ода) и необыкновешгуго (Х-мода) волны, у которых вектор электрического поля ориентирован, соответственно, либо вдоль магнитного поля, либо поперек. Положение отсечки для обыкновенной волны при этом соответствует геометрическому месту точек, где выполняется равенство:
Исследование распространения нижнегибридных волн при взаимодействии с электронной компонентой на токамаке ФТ-1
Распространяясь поперек внешнего магнитного поля, волна пересекает область электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), испытывая, согласно (1.35) и (1.37), незначительное затухание. В окрестности ВГР может происходить КПР зондирующей волны на коротковолновых флуктуациях с широким спектром радиальных волновых чисел u ce/c qx pce K В предлагаемой схеме сигнал КПР в обыкновенной поляризации принимается со стороны слабого магнитного поля антенной, расположенной также на экваторе. Область непрозрачности с шириной существенно больше длины волны зондирующего излучения защищает приемную антенну от прямого попадания необыкновенной волны.
Теория КПР в ВГР [156] показала, что в отличие от устоявшейся точки зрения [152, 153, 154], нелинейная пондеромоторная сила в диапазоне электронно-циклотронной частоты не мала, по сравнению с силой Лоренца, Более того, в ВГР она доминирует, так что к эффекту КПР в основном приводят именно флуктуации продольной электронной скорости электронного тока, связанные с флуктуациями магнитного поля законом Ампера (1,45). Расчет, выполненный в модели плоскослоистой плазмы в предположении узких диаграмм направленности зондирующей и приемной антенн, показал, что эффективность КПР из ВГР пропорциональна квадрату радиального волнового числа флуктуации [qxc/G)Ce(xufi)]2 Поскольку в диаграмме направленности зондирующей антенны существуют волны, распространяющиеся наклонно по отношению ,к магнитному полю, всегда возможно появление ложного 0-модового сигнала КПР на флуктуациях плотности. Однако особенностью рассеяния в ВГР, является ориентация падающего пучка микроволн в направлении перпендикулярном поверхности ВГР и соответственно магнитному полю, что автоматичесьш приводит к подавлению сигнала КПР на флуктуациях плотности. Кроме того, одномерный анализ, выполненный для распространения волн под углом к полю, продемонстрировал значительное подавление в ВГР паразитного сигнала КПР благодаря малому в традиционных токамаках множителю.
Резюмируя сказанное, можно перечислить ожидаемые преимущества предложенной схемы диагностики флуктуации магнитного поля методом КПР в ВГР: 1. Хорошая локализация КПР на коротковолновых флуктуациях. 2. Возможность исследования широкого диапазона флуктуации по волновым числам при использовании простой одномерной схемы зондирования. 3. Рост эффективности КПР из-за вклада флуктуации продольной скорости электронов в ВГР, 4. Авто-подавление КПР на флуктуациях плотности в ВГР из-за поперечного распространения зондирующей волны в ВГР. 5. Поглощение в ВГР излучения необыкновенной поляризации, рассеянного на малые углы. 6. Электронно-циклотронное поглощение (1.35-36) паразитной примеси обыкновенной волны, содержащейся в зондирующем пучке, и продуктов ее малоуглового рассеяния. В заключении, хочется отметить, что возможность разработки времяпролетной модификации диагностики КПР в ВГР на основе линейной зависимости id от qx (1.33) открывает принципиальную возможность для локальных измерений волновых чисел магнитных флуктуации. Написание литературного обзора, представленного выше, преследовало три основных цели. Первая заключалась в демонстрации того, что несмотря на широкое применение традиционного коллективного рассеяния (1.1) и флуктуационной рефлектометрии (1.3) для изучения турбулентности в современных исследованиях по термоядерному синтезу, эти диагностики обладают серьезными ограничениями по локальности измерений. Для лазерного рассеяния объем локализации сигнала существенно вытянут вдоль хорды зондирования. Применение Доплеровской методики в принципе улучшает локальность рефлектометр ического подхода в условиях малоуглового рассеяния на интенсивной длинноволновой турбулентности. При этом аккуратный анализ сигнала с учетом благоприятной формы профиля плотности может позволить адекватно интерпретировать информацию о параметрах флуктуации даже в условиях нелинейного режима малоуглового рассеяния. Однако даже в этом случае, локализация измерений будет не лучше нескольких сантиметров. Дальнейшее улучшение возможно благодаря использованию времяпролетной диагностики обратного рассеяния в ВГР, апробированной в экспериментах на лабораторной плазме. Следует отметить, что времяпролетная модификация могла бы способствовать и улучшению локализации измерений флуктуационной рефлектометрии, за счет временной фильтрации первого отклика, пришедшего из отсечки. Второй целью обзора являлось представление нового, разработанного теоретически, метода исследования флуктуации магнитного поля с помощью кросс поляризационного рассеяния в ВГР (1.5), а также преимуществ диагностики, которую можно было бы создать на его основе. І Третья цель состояла в вынесении за рамки основных разделов известной из литературы информации, необходимой, как для разработки рассматриваемых в диссертации диагностик (1.3, 1.4), так и для понимания природы исследуемых объектов (1.2), и интерпретации экспериментальных данных. Задачами диссертационной работы являлось следующее: 1. Обнаружение эффекта задержки сигнала обратного рассеяния в ВГР в токамаке. Создание времяпролетной диагностики усиленного рассеяния для исследования замедленной компоненты НГ-волн и спонтанных колебаний плотности в токамаке. 2. Изучение распространения НГ-волн в режимах взаимодействия с ионной и электронной компонентами плазмы, исследование механизмов формирования спектров усиленного рассеяния. 3. Демонстрация возможности создания времяпролетной диагностики кросс-поляризационного рассеяния для изучения флуктуации магнитного поля. 4. Разработка времяпролетной модификации Доплеровской рефлектометрии, и экспериментальное сравнительное изучение динамики формирования спектров рассеяния при нормальном и наклонном (по отношению к поверхности отсечки) зондировании.
Наблюдение кросс-поляризационного рассеяния в верхнем гибридном резонансе на токамаке ФТ-1
Естественно, сигнал рассеяния для разных зондирующих частот приходит из разных точек пространства, определяемых положением ВГР. Однако для разных гармоник зондирующей частоты, отстоящих всего на 14 МГц, раздвижка резонансов составляет сотые доли миллиметра. Коэффициент когерентности между флуктуациями, измеренными на таком расстоянии, близок к единице [17, 18], и возникающей раздвижкой можно пренебречь. Исходя из этого, для дальнейшего анализа, можно выбрать спектр рассеяния вокруг центральной линии или одной из соседних гармоник, не слишком далеко отстоящих от основной частоты зондирования ft. При этом на практике приходится руководствоваться соображениями борьбы с внешними наводками или отстройки от паразитных отражений в СВЧ тракте на зондирующей частоте. В экспериментах, представленных в настоящей работе, как правило, осуществлялась настройка на центральную линию. Поскольку отклик зондирующего сигнала растянут во времени (пунктирная линия на рис. 17а), можно организовать анализ его небольшой части, соответствующей некому времени задержки tj. В схеме на рис. 15 подобная процедура осуществляется путем использования быстродействующего стробирующего модулятора, управляемого вторым генератором импульсов Г5-72 (ГИ), который вырезает из каждого рассеянного отклика часть с данным временем задержки, показанную черным цветом на рис. 17а. Следует отметить, что для формирования импульсов стробирования использовались те же параметры, что и для создания последовательности импульсов, модулирующих зондирующее излучение. Генераторы Г5-72 могут работать в режиме «ведущий-ведомый», используемом для создания необходимого временного сдвига между импульсами зондирования и строба. После супергетеродинного приема и усиления сигнал подавался на анализатор спектра, где соответствующим подбором рабочей полосы частот осуществлялся выбор конкретного спектра рассеяния. В результате на анализаторе спектра за время около 2 мс осуществлялось построение усредненного частотного спектра только тех колебаний, время задержки которых попадало в заданный временной интервал, а тем самым и в заданный интервал радиальных волновых чисел (2.1,2.3).
При калибровке схемы устанавливалось начало отсчета времени задержки. Для этого в отсутствии плазмы, при зондировании на просвет из рупора Х і в рупор XQ, время открытия строба выставлялось таким образом, чтобы импульсы, модулирующие СВЧ излучение на частоте , свободно проходили на смеситель.
Рассмотренная методика применима практически для любого типа спектров, при условиях, что спектры от соседних гармоник зондирующей частоты не перекрываются, и сигнал рассеяния достаточно превышает уровень шумов.
Первое ограничение не является принципиальным, поскольку расстояние между соседними гармониками задается периодом повторения зондирующих импульсов. Однако при выборе оптимальных параметров для формирования последовательности импульсов нельзя забывать, что минимальный период повторения модулирующих импульсов определяется максимальным временем задержки рассеянного сигнала.
Второе ограничение является более серьезным. Чувствительность рассмотренной схемы оказывается ниже, чем в случае непрерывного зондирования. При переходе от непрерывного режима зондирования к импульсному, средняя мощность зондирования уменьшается в количество раз, равное скважности импульсов Tit»20. Кроме того, мощность центральной гармоники спектра будет меньше суммарной мощности в число раз, также примерно равное скважности. Благодаря этому уменьшение чувствительности схемы пропорционально квадрату скважности импульсов зондирования (77 tf. Уровень шумов при приеме полезного сигнала в экспериментах с открытой на пути следования волн поверхностью ЭЦР определялся уровнем электронного циклотронного излучения. Поэтому стробирование принимаемого сигнала не меняло чувствительность, одинаково уменьшая мощность и полезного сигнала и шума. Если рассеянный отклик оказывается шире строба, то естественно также будет происходить и дополнительное уменьшение сигнала, определяемое формой спектра по волновым числам рассеивающих флуктуации.
Несмотря на потери мощности при амплитудной модуляции зондирующего излучения короткими импульсами, уровень рассеянного сигнала в разряде на токамаке ФТ-1 был достаточно велик для проведения радарного исследования низкочастотных спонтанных колебаний. Причиной этого является значительное усиление эффективности рассеяния (рис. 13, кривая 1). При работе с НГ-волнами рассеяние происходит с большим сдвигом частоты, определяемым частотой ВЧ-накачки ,/іл= 360 МГц шт/ш= 935 МГц, из-за чего эффективность рассеяния резко снижается (рис. 13, кривые 2, 3). Небольшой уровень сигнала делает невозможным исследование НГ-БОЛН при использовании малых мощностей зондирования. Если для наблюдения сигнала УР без применения времяпролетной модификации было достаточно ввести в камеру мощность в (5-Ю) мВт, то для получения сигнала рассеяния на НГ-волнах требуется не меньше 400 мВт. При попытке использовать радарную методику для изучения спектров волновых векторов у НГ-волн необходимо иметь на выходе зондирующей антенны при непрерывном зондировании мощность в 160 Вт.
