ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 10, с. 867-876
= ТОКАМАКИ
УДК 533.9.082.74
ФОРМИРОВАНИЕ СПЕКТРОВ УСИЛЕННОГО РАССЕЯНИЯ НА СПОНТАННЫХ ФЛУКТУАЦИЯХ ПЛОТНОСТИ В ТОКАМАКЕ
© 2004 г. А. Д. Гурченко, Е. 3. Гусаков, М. М. Ларионов, К. М. Новик, А. Н. Савельев, В. Л. Селенин, А. Ю. Степанов
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Поступила в редакцию 10.09.2003 г.
Окончательный вариант получен 09.12.2003 г.
Диагностика радарного рассеяния назад в верхнем гибридном резонансе с разрешением по волновым векторам была применена для исследования низкочастотной коротковолновой турбулентности в плазме токамака ФТ-1. Спектры рассеяния измерены с разрешением по временам задержки рассеянного сигнала. Показана пропорциональность ширины спектра усиленного рассеяния на спонтанных флуктуациях времени задержки измерений. Предложены и обсуждены возможные механизмы формирования спектров. В результате моделирования и проведения дополнительных экспериментов определены доминирующие механизмы формирования спектра на токамаке ФТ-1, основанные на многократном малоугловом рассеянии на длинноволновых флуктуациях как зондирующей, так и обратно рассеянной в верхнем гибридном резонансе волн, а также на эффекте доплеровского уширения спектра коротковолновых флуктуаций, переносимых потоком интенсивной крупномасштабной турбулентности.
1. ВВЕДЕНИЕ
Развитие новых локальных методов диагностики плазменной турбулентности привлекает в последнее время внимание исследователей в связи с проблемой аномального переноса тепла и частиц в токамаке. Подходящим инструментом для исследования коротковолновых флуктуаций плотности, удовлетворяющим условию высокой локальности, является рассеяние микроволнового излучения в верхнем гибридном резонансе (ВГР) [1-3]. С помощью этого метода можно изучать как нижнегибридные, ионные бернштейновские и ион-но-звуковые волны, так и дрейфовые ЕТв-моды и коротковолновую компоненту 1Тв- и ТЕМ-тур-булентности. В диагностике ВГР-рассеяния зондирование осуществляется волной необыкновенной поляризации со стороны сильного магнитного поля, а детектируется излучение, обратно рассеянное на низкочастотных флуктуациях электронной плотности в ВГР, положение которого в экваториальной плоскости Яин определяется условием
ю2 = Юсе( Яин) + ю2( Яин),
(1)
где Ю; - частота зондирования, а юсе и юре - электронные циклотронная и плазменная частоты. В окрестности ВГР проекция волнового вектора зондирующей волны на направление неоднородности диэлектрической проницаемости £ =
= 1 - ю^,е /(ю2 - юСе) резко возрастает, принимая значения существенно выше вакуумного уровня
к0 = ю/с, что делает возможным измерения мелкомасштабных флуктуаций. Амплитуды зондирующей и рассеянной волн также возрастают при приближении к ВГР, благодаря чему значительно усиливается сигнал обратного рассеяния. Поскольку эффект усиленного рассеяния сосредоточен в узкой области ВГР, диагностика обладает высоким пространственным разрешением. Важным достоинством метода является принципиальная возможность использовать всего одну антенну и для зондирования, и для приема, проводя сканирование плазменного объема с помощью перемещения поверхности ВГР при изменении частоты зондирования или магнитного поля.
Вследствие сильной вариации волновых векторов зондирующей кш и рассеянной к.К волн в узкой окрестности точки ВГР Яин, условие Брэгга для обратного рассеяния на низкочастотных флуктуациях кж(К.) - к.к(К.) ~ 2кш(Я5) = выполняется там для широкого диапазона волновых чисел флуктуаций В силу этого флуктуации в широком диапазоне волновых векторов вносят вклад в сигнал рассеяния, что значительно упрощает разработку диагностики, поскольку требуется меньше априорной информации об исследуемой турбулентности. В то же время интегральность вклада флуктуаций различного пространственного масштаба в сигнал рассеяния в ВГР приводила к тому, что информация, извлекаемая о колебаниях в лабораторной плазме линейных установок или в горячей плазме токамаков [3], долгое время оставалась лишь качественной из-за плохого разрешения по волновым векторам.
В [4] была указана принципиальная возможность преодоления этого недостатка диагностики усиленного рассеяния, основанная на использовании эффекта замедления распространения необыкновенной волны в окрестности ВГР. Как было показано в [4, 5], время задержки сигнала рассеяния назад в ВГР зависит от волнового вектора флуктуаций вызвавших рассеяние, и связано с ним простой зависимостью
дюре дас
ре
+ ■
дя дя
+ к>
(2)
иня
где - задержка, связанная с распространением зондирующего излучения в волноводных трактах и в плазме вдали от ВГР. Выражение (2) было получено в предположении £ ~ (Я - Яин), верном в непосредственной окрестности ВГР для флуктуаций, удовлетворяющих условию 2к0 < < р-1, где рсе - электронный циклотронный радиус. При
рассеянии на колебаниях 2ксопу < qR < рсе, где
ксопу = к07 с / УТе - волновой вектор, соответствующий точке линейной трансформации зондирующей волны в сильно замедленную электронную берштейновскую волну, линейная зависимость (2) нарушается. Причиной этого является постепенный отход точки рассеяния от ВГР. Описанный эффект принимался во внимание в настоящей работе при определении волновых векторов (путем численного расчета времени задержки с учетом тепловых поправок к дисперсионному уравнению для необыкновенной волны). Зависимость (2) была проверена в модельных экспериментах [6-8], а основанная на ней времяпролетная модификация диагностики усиленного рассеяния применялась для исследования коротковолновых ионно-звуковых колебаний и нижнегибридных волн на линейных плазменных установках [9], а также для исследования распространения нижнегибридных волн в плазме токамака ФТ-1 [10]. В настоящей работе излагаются результаты экспериментов по исследованию с помощью этой методики коротковолновой компоненты спонтанной турбулентности на токамаке ФТ-1.
2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО РАДАРНОМУ УСИЛЕННОМУ РАССЕЯНИЮ
Эксперименты выполнялись на токамаке ФТ-1
[11] с большим радиусом Я0 = 62.5 см и малым ра-
диусом а = 15 см, в квазистационарной части раз-
ряда с тороидальным магнитным полем в центре
камеры ВТ ~ 1 Тл, плазменным током 1Р ~ 30 кА, электронной концентрацией пе(0) ~ 1013 см3, электронной температурой Те(0) ~ 400 эВ.
Для измерений использовалась радарная схема
[12-14], позволяющая определять волновые чис-
ла qR флуктуаций в терминах времен задержек рассеянного импульса излучения относительно зондирующего. Зондирующая волна на частоте 28 ГГц модулировалась по амплитуде последовательностью коротких импульсов шириной 3.5 нс (на уровне половинной мощности) с периодом повторения до 70 нс и вводилась в плазму через рупорную антенну. Мощность на выходе антенны при отключенной модуляции составляла не более 20 Вт. Применение методики стробирования принятого излучения аналогичной последовательностью импульсов позволяло выделять в рассеянном сигнале вклад, соответствующий определенному времени задержки. Это время определялось сдвигом между импульсами модуляции и стробирования, который выставлялся равным нулю при калибровке схемы без плазмы, - для компенсации задержки ^ вдали от ВГР. После супергетеродинного приема и усиления осуществлялось изучение частотных спектров, вырезанной части сигнала, анализатором спектра со временем анализа 2 мс.
Для зондирования и приема использовались идентичные, стоящие рядом в экваториальной плоскости тора со стороны сильного магнитного поля рупора, позволяющие получать волны в необыкновенной поляризации с примесью обыкновенной моды меньше 1%. Ширина диаграмм направленности этих антенн по уровню 3 дБ в вертикальном направлении составляла 16° (±8°).
Уровень шума в описываемых экспериментах определялся электронным циклотронным излучением.
При калибровке схемы без плазмы принимался отраженный от лайнера токамака сигнал на частоте, равной частоте зондирования. В спектре сигнала наблюдалась только узкая линия на частоте £ - £ = 0, где £ и £ - частоты зондирующего и рассеянного излучения в МГц. В плазме спектр принимаемого сигнала уширялся за счет рассеяния на низкочастотных флуктуациях плотности.
Спектр излучения рассеянного назад в ВГР, полученный без разрешения по волновым векторам (непрерывный прием) при поле ВТ = 1 Тл (гин = Яин - Я0 = 13 см), изображен верхней кривой 1 на рис. 1а, выполненном в логарифмическом масштабе по оси ординат. Центральная узкая линия в нем на частоте £ - £ = 0 отвечает прямой связи передающей и приемной антенн, а собственно спектр рассеяния состоит из широких крыльев, простирающихся от 0.3 МГц до 4 МГц в обе стороны. При изучении спектра с помощью методики разрешения по временам задержки оказалось, что его крылья очень малы при гл = 0 нс (кривая 2 на рис. 1а), но становятся больше для ^ = 5 нс (кривая 3), в то время как амплитуда центральной линии быстро спадает. Центральная линия, оставшаяся неподавленной при ^ > 5 нс, соответствует непрерывной зондирующей мощности,
Ре, Вт/Гц
10
10-
10-
-13
10
-16
10
10-
10-
-17
10
-15
(а)
(в)
0 100 200 300 дк, см"1
-16
10-
£ 10-15 т
РР
£
10-
10
-17
15
30
45 гф нс
10
100 2 4 Л - Л МГц
Рис. 1. а), б) - Спектры радарного усиленного рассеяния (1 - при непрерывном приеме; 2 - для строба на 0 нс; 3 - 5 нс; 4 - 10 нс); 5 - 20 нс; в) - зависимость эффективности рассеяния от волнового числа рассеивающих колебаний - 6. Временные зависимости сигнала: 7 - для компоненты сигнала при 330 кГц; 8 - 600 кГц; 9 - 1 МГц; 10 - 1.5 МГц; 11 - 3 МГц.
0
ослабленной стробирующим модулятором на 20 дБ. При времени задержки измерения ^ = 10 нс (кривая 4 на рис. 16) крылья спектра поднимаются до максимального уровня, а ширина спектра возрастает. Под шириной спектра удобно понимать величину размаха его крыльев (в Гц) на одном и том же уровне мощности (например, - 3 дБ), отсчитываемом от вершины спектра рассеяния. Вершину спектра, обычно замаскированную центральной линией на несмещенной частоте, можно определить экстраполяцией крыльев спектра до их пересечения. При дальнейшем росте времени задержки сигнал рассеяния уменьшается, как это продемонст
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.