Физика плазмы, 2022, T. 48, № 8, стр. 731-746

2.1. Выбор рабочих частот в рефрактометрии

Для начала, необходимо определить диапазон рабочих частот для рефрактометрии.

На рис. 1 представлены радиальные профили основных параметров TRT, определяющих диапазон возможных рабочих частот рефрактометрии (вверху), на том же рисунке внизу представлены характеристические частоты плазмы TRT в рассматриваемом сценарии (сценарий № 1).

Из приведенных графиков видно, что окна прозрачности плазмы TRT располагаются в диапазонах от 67 до 182 ГГц для необыкновенной волны и от 134 до 182 ГГц для обыкновенной волны.

При выборе рабочих частот рефрактометрии мы должны учитывать, что диагностика должна работать не только на стационарной стадии, и не только в рассматриваемом сценарии № 1, но и на стадии запуска установки в работу, когда тороидальное магнитное поле будет меньше (сценарий № 2); соответственно и характеристические частоты плазмы изменятся, что видно из рис. 2, на котором для иллюстрации показаны профили основных физических параметров плазмы и установки для такой фазы, а также характеристические частоты плазмы TRT. Частоты рассчитаны для режима с магнитным полем 5 Тл и со средней электронной плотностью ${{N}_{{e{\text{\_}}av}}} = 1 \times {{10}^{{20}}}$ м^–3. Профили электронной плотности и температуры при этом предполагались такими же, что в сценарии № 1.

Видно, что в этом режиме окна прозрачности плазмы TRT будут расположены в частотных диапазонах от 51 до 113 ГГц для необыкновенной волны и от 95 до 113 ГГц для обыкновенной волны (возможное поглощение плазмы на частотах ниже циклотронной пока не учитываем).

С учетом всего вышесказанного, выбор рабочих частот рефрактометрии предлагается выбрать следующие частотные диапазоны: V – 50–75 (WR-15), W – 75–110 (WR-10), D – 110–170 (WR‑6) ГГц на необыкновенной волне и 75–110 (WR-10), 110–170 (WR-6) ГГц на обыкновенной волне. Естественно, что при этом частоты меньше 95 и меньше 134 ГГц на обыкновенной волне будут использоваться только в режимах низкой плотности соответствующих сценариев (с пониженным полем 5 Тл и с высоким полем 8 Тл), в которых плазма будет прозрачна.

Второй вариант выбора рабочих частот – диапазоны E (60–90 ГГц, WR-12), F (90–140 ГГц, WR-8) ГГц на необыкновенной волне и диапазоны F (90–140 ГГц, WR-8), G (140–220 ГГц, WR-5) на обыкновенной волне.

На данный момент, первый вариант выбора волноводных диапазонов для рефрактометрии представляется более предпочтительным, поскольку он лучше согласуется с окном прозрачности плазмы, к тому же диапазон WR-6 предпочтительнее диапазона WR-5 с точки зрения коммерческой доступности СВЧ-компонент и выходной мощности активных элементов. Если же исключить диапазон WR-5 (140–220 ГГц) из второго варианта, ограничившись зондированием в диапазоне F (90–140 ГГц) на обыкновенной волне, то в этом варианте будут доступны только режимы со средней плотностью ${{N}_{{e\_av}}}$ не выше 1.6 × 10²⁰ м^–3 (точнее, с максимальной плотностью не выше 1.9 × 10²⁰ м^–3), и точность определения средней плотности будет составлять несколько процентов в области ее максимальных значений. Окончательный выбор волноводных диапазонов будет сделан на более позднем этапе разработки, с учетом данных о параметрах плазмы для других возможных сценариев разряда и после детального анализа выходных параметров СВЧ-компонент, имеющихся в коммерческом доступе на тот момент.

Первый вариант мы рассматриваем как базовый, и в дальнейшем более подробно будем анализировать именно этот вариант. При таком выборе рабочих частот, система диагностики будет способна измерять среднюю плотность плазмы во всех сценариях работы установки¹¹.

При сужении полосы рабочих частот рефрактометрии соответственно сузится и диапазон измерений плотности плазмы, например, если ограничиться диапазоном 90–140 ГГц (WR-8) на обыкновенной волне.

Отметим также, что возможен выбор рабочих частот рефрактометрии на необыкновенной волне в частотных диапазонах 50–75 (WR-15), 75–110 ГГц (WR-10). В этом случае несколько снизится точность измерений средней плотности плазмы в режимах с ее низкой плотностью, пределы измерения средней плотности плазмы при этом не изменятся: не менее $(0.02{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 2) \times {{10}^{{20}}}$ м^–3, система диагностики в этом случае будет проще в проектировании и изготовлении, соответственно, понизится также ее стоимость (стоимость СВЧ-компонент с более высокими несущими частотами существенно выше стоимости аналогичных компонент для более низкочастотных диапазонов).

Следует также заметить, что при зондировании на обыкновенной волне результаты измерений не будут зависеть от магнитного поля, что весьма положительно скажется на скорости обработки данных измерений, и, соответственно, на временном лаге онлайн-измерений плотности с помощью рефрактометрии. Однако для решения о возможности проведения таких измерений на обыкновенной волне необходимо проведение оценок поглощения и излучения плазмы, что выходит за пределы данной работы, такие оценки будут проведены на следующей стадии работ.

В процессе разработки системы рефрактометрической диагностики в TRT также необходимо провести анализ работы этой системы на этапе пробоя плазмы [7].

На рис. 3а показана конфигурация плазмы в моменты ввода тока плазмы ${{I}_{p}}$ до 5 МА (фиолетовая линия – лимитер). Плато тока плазмы (${{I}_{p}} \approx 5$ МA) начинается в момент времени t = 30 с. На рис. 3б показана эволюция средних по объему плазмы величин электронной и ионной температур и концентрации электронов в процессе ввода тока [7]. Антенны диагностической системы будут располагаться со стороны слабого магнитного поля, (и, при наличии такой возможности, также на стороне сильного магнитного поля) в экваториальной плоскости плазменного шнура (на уровне z = 0.5), зондирование должно проводиться по направлению градиента плотности плазмы для минимизации эффектов рефракции. Из рис. 3 видно, что на стадии пробоя рефрактометрия не “увидит” плазму, плазма появляется в зоне видимости системы диагностики на момент времени t = 7.25 с. Из этого следует, что рефрактометричекая диагностика должна работать в “бессбойном” режиме, т.е. необходимо проводить непосредственные измерения времени задержки, или проводить измерения времени задержки посредством измерений фазового набега на частоте АМ, или на разностной частоте, причем измеряемые фазовые набеги не должны превышать величи-ну 2π [8].

Энергетически более выгодными (по сравнению с импульсными измерениями) являются именно измерения фазового набега на разностной частоте (дифференциальная рефрактометрия [8]), или же применение метода амплитудной модуляции (АМ), как это предлагается в ИТЭР. Кроме того, очевидно, что для определения средней плотности плазмы в условиях TRT, по аналогии с проектом диагностики рефрактометрии в ИТЭР, будет необходимо многочастотное зондирование [9] чтобы исключить зависимость результатов измерений от профиля электронной плотности. На данном этапе работ делать окончательный вывод о преимуществах выбора АМ-схемы или схемы ДР (дифференциальной рефрактометрии) преждевременно, это будет сделано на более поздней стадии работ. Здесь же можно только отметить, что АМ-схема будет проще и дешевле, а схема ДР позволяет в принципе измерять не только среднюю плотность плазмы, но и проводить измерения флуктуаций плотности плазмы, при достаточном уровне соотношения сигнал/шум, но более затратна.

2.2. Расчеты ожидаемого времени задержки (фазового набега) в системе рефрактометрической диагностики TRT

Далее, для определенности, все предварительные оценки будут проводиться для зондирующих частот f_ix = 50, 75, 100, 110, 140, 170 ГГц на необыкновенной волне и частот f_io = 75, 100, 110, 140, 170 ГГц на обыкновенной волне.

Проведем оценки ожидаемого фазового набега (временной задержки) микроволнового сигнала в плазме TRT для рефрактометра [10, 11]

где Δτ( f ) – временная задержка, f – несущая частота зондирующего сигнала, μ(x,  f ) – коэффициент преломления, с – скорость света, x – горизонтальная координата, вдоль которой происходит зондирование плазмы.

На рис. 4 для примера представлены результаты расчетов для частот из области зондирования на обыкновенной волне для сценария с максимальной электронной плотностью (с магнитным полем 8 Тл) – зависимость фазового набега/времени задержки сигнала от средней плотности плазмы по хорде зондирования для разных частот. В качестве иллюстрации приведены зависимости для частот диапазонов окон прозрачности для сценариев с максимальной плотностью ${{N}_{{e{\text{\_}}av}}}$ = 2 × 10²⁰ м^–3 (170, 140 ГГц) и ${{N}_{{e{\text{\_}}av}}}$ = (1.2, 1, 0.57) × 10²⁰ м^–3 (110, 100 и 75 ГГц соответственно). Зондирование предполагалось в горизонтальной плоскости симметрии плазменного шнура, вдоль градиента электронной плотности. Расчеты проведены для одного прохода сигнала через плазму, высокотемпературные эффекты не учитывались. Видно, что эта зависимость не линейна, особенно для частот близких к частотам отсечки.

Предполагая, что минимальный измеримый фазовый набег в условиях TRT будет около 1°, легко установить, что зондирование на частоте 75 ГГц в условиях TRT позволит измерять минимальную среднюю плотность, не превышающую ${{N}_{{e{\text{\_}}av}}} = 1 \times {{10}^{{18}}}$ м^–3, а на частоте 100 ГГц, – не превышающую ${{N}_{{e{\text{\_}}av}}} = 1.7 \times {{10}^{{18}}}$ м^–3, т.е. динамический диапазон рефрактометрии будет более 100 как в сценарии № 1, так и в сценарии № 2.

2.3. Чувствительность методики к профилю электронной плотности

Посмотрим, насколько чувствительна рефрактометрическая диагностика к профилю электронной плотности. Для этого представим профиль электронной плотности параболой вида ${{N}_{e}}(\rho ) = {{N}_{e}}\left( 0 \right){{(1 - {{\rho }^{2}})}^{\alpha }}$ , где ρ = r/a, нормированный малый радиус плазмы, α – показатель параболы. На рис. 5а представлены различные профили электронной плотности, а также соответствующие им зависимости набега фазы от средней плотности плазмы, при зондировании на обыкновенной волне на частотах 170, 140 и 75 ГГц (рис. 5б–г соответственно).

Из рисунка видно, что в случае более плоских профилей, чем профиль в заданном сценарии, зависимость измеряемого набега фазы от $\alpha $ более слабая, чем в случае более острых профилей. При этом (если профиль электронной плотности более плоский, чем в заданном сценарии) ошибка в определении средней плотности плазмы не превысит ±3.5% независимо от α, или не превысит ±0.6% независимо α, если средняя плотность плазмы не превышает 1.0 × 10²⁰ м^–3 (предполагается, что средняя плотность плазмы определяется из данных только одного частотного канала 170 ГГц).

Если не ограничиваться рассмотрением только плоских профилей, тогда ошибка в определении средней плотности плазмы не превысит ±4% независимо от α, если средняя плотность плазмы не превышает 1.0 × 10²⁰ м^–3 (при определении средней плотности плазмы из данных только одного частотного канала 170 ГГц).

Проведем аналогичные оценки зависимости фазового набега от средней плотности плазмы для зондирования плазмы на необыкновенной волне для разных профилей плотности плазмы.

Видно, что для сохранения чувствительности фазовых измерений необходимо вместе с изменением зондирующей частоты изменять также и разностную частоту частотного канала, это также справедливо для зондирования на обыкновенной волне (см. рис. 5).

При зондировании на необыкновенной волне только на частоте 140 ГГц результаты измерений будут практически не зависимы от параметра α, если этот параметр меняется от 0.1 до 1 и средняя плотность плазмы не превышает 1.55 × 10²⁰ м^–3, ошибки в измерении этой плотности будут в пределах ±2.0%; если же предположить, что параметр α меняется в пределах 0.1–1.5, то ошибки в измерении средней плотности плазмы будут в пределах ±3.5% при условии что сама величина средней плотности плазмы не будет превышать 1.3 × 10²⁰ м^–3.

2.4. Определение оптимальной разностной частоты в зависимости от зондирующей частоты

Чтобы получить оценку сверху на разность частот, находим зависимость фазы несущего сигнала после прохождения через плазму от частоты сигнала согласно (1), а затем находим необходимую минимальную разность частот, чтобы набег фазы ΔΦ₁₂ = φ₂ – φ₁ не превышал 2π, т.е.

На рис. 7а приведены зависимости предельного значения разности фаз при зондировании на обыкновенной волне и при зондировании на необыкновенной волне (рис. 7б), при которых измерения будут однозначными (разность фаз меньше 2π).

Видно, что в интересующей нас области частот набег фазы ΔΦ не превышает 2π, если разностная частота биения зондирующего сигнала не превышает предельную частоту df_max = 50–500 МГц при зондировании на обыкновенной волне и 300–800 МГц при зондировании на необыкновенной волне, в зависимости от несущей частоты зондирующего излучения.

С уменьшением разностной частоты уменьшается измеряемая фаза сигнала биений, и как следствие, соотношение сигнал/шум, поэтому разностную частоту целесообразно принимать близкой к максимальной (2π), как это было сделано при проведении расчетов в предыдущем разделе.

Для схемы с АМ-модуляцией, проведенный анализ тоже применим, если учесть в этом случае, что разностная частота равна удвоенной частоте АМ-модуляции, т.е. в случае использования схемы с АМ-модуляцией частота модуляции должна быть не более df_max/2.

Поскольку разностная частота (частота АМ‑модуляции) будет находиться в диапазоне сотен МГц, очевидно, что полоса частот приемного канала может быть порядка МГц, что позволит обеспечить временное разрешение сигнала на уровне мкс. Даже с учетом возможного усреднения данных и времени, необходимого для онлайн-обработки и определения интегральной плотности, временное разрешение онлайн определения интегральной плотности плазмы для рефрактометрической диагностики будет порядка 1–5 мс, как это показывает опыт разработки подобной системы диагностики в ИТЭР.

2.5. Определение минимальной измеримой средней плотности плазмы для рефрактометрической диагностики и динамического диапазона прибора

Как показывает детальный анализ (см. также разд. 2.2), зондирование на обыкновенной волне на частоте 75 ГГц в условиях TRT позволит измерять минимальную среднюю плотность плазмы²², не превышающую ${{N}_{{e{\text{\_}}av}}} = 1 \times $ 10¹⁸ м^–3, на частоте 100 ГГц – не превышающую ${{N}_{{e{\text{\_}}av}}} = 1.8 \times $ 10¹⁸ м^–3, на частоте 110 ГГц – не превышающую ${{N}_{{e{\text{\_}}av}}}$ = = 0.6 × 10¹⁸ м^–3, на частоте 140 ГГц – не превышающую ${{N}_{{e{\text{\_}}av}}} = 3.6 \times $ 10¹⁸ м^–3. Верхний предел для измеряемой средней плотности плазмы будет при этом 0.57 × 10²⁰, 1 × 10²⁰, 1.2 × 10²⁰, 2.0 × 10²⁰ м^–3 соответственно, т.е. многочастотное зондирование позволяет не только компенсировать влияние профиля электронной плотности на интерпретацию результатов измерений, но и обеспечивает динамический диапазон рефрактометрической диагностики более 100 как в сценарии № 1, так и в сценарии № 2.

Аналогично, зондирование на необыкновенной волне на частоте 50 ГГц в условиях TRT позволит измерять минимальную среднюю плотность плазмы, не превышающую ${{N}_{{e{\text{\_}}av}}} = 2.3 \times $ × 10¹⁸ м^–3, на частоте 75 ГГц – минимальную среднюю плотность плазмы, не превышающую ${{N}_{{e{\text{\_}}av}}} = 2.2 \times $ 10¹⁸ м^–3, а на частоте 110 ГГц – не превышающую ${{N}_{{e{\text{\_}}av}}} = 0.6 \times $ 10¹⁸ м^–3. Верхний предел для измеряемой средней плотности плазмы будет при этом 1.2 × 10²⁰, 2 × 10²⁰ м^–3, 2 × × 10²⁰ м^–3 соответственно, т.е. динамический диапазон рефрактометрической диагностики будет более 100 как в сценарии № 1, так и в сценарии № 2. Мы видим, что на необыкновенной волне достаточно использовать зондирующие частоты в диапазоне 50–75 и 75–110 ГГц, при этом будет обеспечен динамический диапазон измерений по плотности плазмы не менее 100 и рефрактометрический метод диагностики плазмы будет работоспособен во всех режимах работы установки.

2.6. Влияние ошибок измерения магнитного поля, температуры на определение средней электронной плотности

Пусть нам известны времена задержки Δτ_exp.i = = 1, …, N, полученные из измерений для некоторых частот ${{F}_{i}}$. Предположим, что известны также распределение магнитного поля B, температуры электронов T_e и нормализованного тороидального потока ψ(R), вдоль хорды зондирования. В свою очередь, зависимость профиля плотности от ψ может быть описана в виде функции n_e(ψ(α_j)) с параметрами α_j, j = 1, …, M. Из известного распределения ψ(R), зная n_e(ψ), можно определить профиль плотности и среднюю плотность плазмы. И наоборот, предположив зависимость n_e(ψ), можно вычислить времена задержки $\Delta {{\tau }_{i}}$ для тех же частот ${{F}_{i}}$.

Таким образом, задача определения средней электронной плотности плазмы из измеренных экспериментально времен задержки сводится к минимизации функционала

путем подбора значений α_j. Из этих значений затем восстанавливается профиль электронной плотности n_e(ψ), и далее определяются профиль плотности n_e(R), и средняя плотность плазмы $\left\langle {{{n}_{e}}} \right\rangle $ [9].

В качестве примера рассмотрим основной сценарий TRT с полем 8 Тл. В качестве функции ψ(α_j) выберем четырехпараметрическую функцию вида $3 \times {{10}^{{20}}}{{\alpha }_{1}}\exp [ - {{(\psi {\text{/}}{{\alpha }_{2}})}^{2}}]\exp [ - (\psi {\text{/}}{{\alpha }_{3}})_{{}}^{{{{\alpha }_{4}}}}]$, использованную ранее для аппроксимации профилей электронной плотности на ИТЭР.

На рис. 8 приведен пример аппроксимации профиля плотности плазмы данной функцией. Представлены профиль n_e(ψ) в TRT и аппроксимированный профиль (оранжевый и синий соответственно) на левом графике. Справа показана относительная ошибка аппроксимации профиля n_e(ψ), она меньше 2% в центральной части шнура и достигает 4% на периферии.

Поскольку для оценки интегральной плотности плазмы необходимы начальные значения коэффициентов α_j, от которых также зависит точность полученной оценки, данный алгоритм предполагает использование коэффициентов с предыдущих моментов измерения плотности плазмы; за неимением временной эволюции плазменного шнура, возьмем функцию, полученную на рис. 8 и уменьшим все коэффициенты α_j на 10–50%. В табл. 2 представлены полученные результаты, показывающие, как зависит относительная ошибка определения интегральной электронной плотности от числа зондирующих частот. Видно, что при использовании трех или четырех частот относительная ошибка измерения интегральной плотности намного меньше ошибки аппроксимации профиля плазмы 4% даже при значительных отличиях коэффициентов α_j от оптимальных значений.

Из этих оценок можно сделать вывод, что для стабильно точной работы системы диагностики требуется использование 3–4 частот одновременно; в то же время, при небольшой скорости изменения профиля плотности плазмы, – например, при работе в квазистационарном режиме, когда параметры α_j изменяются слабо с момента предыдущего измерения (1–5 мс) – использование 1–2 частот дает удовлетворительную точность определения интегральной плотности плазмы.

Таким образом, на квазистационарной стадии разряда, можно ожидать вполне удовлетворительной точности определения средней электронной плотности даже при использовании одной, или двух зондирующих частот, что, несомненно, должно улучшить быстродействие онлайн-измерений. Подобный анализ будет продолжен в будущем, алгоритм усовершенствован.

2.7. Влияние рефракции зондирующего луча на сигнал

Проведем оценки влияния рефракции зондирующего луча на траектории лучей в приближении геометрической оптики, при этом поглощение луча в плазме не учитываем, предполагая его малым в диапазоне рабочих частот.

Для оценки максимального смещения зондирующего луча для упрощения расчетов обычно используют простую формулу [12] sin Θ₀ = n_max/n_reflect, где Θ₀ – максимальный угол отклонения зондирующего луча, ${{n}_{{\max }}}$, ${{n}_{{reflect}}}$ – максимальная электронная плотность плазмы по хорде зондирования и электронная плотность, при которой происходит отражение для зондирующей частоты (критическая плотность), соответственно. Однако следует иметь ввиду, что это оценка максимально возможного отклонения зондирующего пучка при параболическом распределении плотности плазмы (для круглых токамаков) и такое отклонение наблюдается при существенном расстоянии от центра плазмы или при нестабильности удержания плазмы в плоскости, перпендикулярной хорде зондирования, к тому же эта оценка справедлива при условии n_max ≪ n_reflect, что в нашем случае, вообще говоря, не выполняется. Поэтому проведем более точные оценки, и определим угол рефракции Θ, используя уравнение эйконала [13–15]

где ${{\mu }_{{o,e}}}$ – показатель преломления плазмы на обыкновенной (o) и необыкновенной (e) волнах соответственно; x – координата по направлению большого радиуса (по горизонтали), z – координата по вертикали. Производная под знаком интеграла берется по направлению нормали n, перпендикулярному к траектории луча l. Интеграл по dl вычисляется вдоль траектории луча l.

На рис. 9 в качестве иллюстрации представлены результаты расчетов для обыкновенной волны с частотой 160 ГГц при зондировании со стороны слабого магнитного поля в экваториальной плоскости вдоль магнитной оси (z = 0.5 м) и при вертикальном смещении плазменного шнура на ±5 см (z = 0.55 м и z = 0.45 м). Показаны зависимости от большого радиуса: показателя преломления плазмы (рис. 9а); изменения направления луча (приращения Θ) после прохождения лучом ячейки размером 1 × 1 см в плазме (рис. 9б); угла рефракции луча (рис. 9в); траектории лучей в плазме; также на нижнем графике показана зависимость набега фазы в плазме от вертикального положения зондирующего луча (рис. 9г). Направление луча на входе в плазму горизонтальное, параллельно большому радиусу токамака R. Расчеты проведены для сценария с высоким магнитным полем 8 Тл. Показаны случаи, когда центр плазменного шнура находится на оси зондирующего луча (z = 0.5 м), и когда имеется вертикальное смещение ±5 см плазменного шнура относительно зондирующего канала.

Из приведенных графиков видно, что смещение луча на $ \pm 5$ см от оси плазменного шнура приводит к незначительному изменению набега фазы, не превышающему сотых долей градуса. Очевидно, что в нашем случае такие изменения фазы находятся за пределами измерений. Соответственно, можно утверждать, что изменение вертикального положения плазменного шнура в этих пределах несущественно для рефрактометрии, и приводит только к уменьшению уровня сигнала на детекторе примерно на 3 дБ. Проведение более точных оценок на этой стадии нецелесообразно, поскольку конфигурация электромагнитной системы TRT еще не заморожена и будет меняться.

В табл. 3 представлены результаты расчетов. Расчеты проводились для частоты 160 ГГц, апертура передающей и приемной антенн 4 × 6 см (высота к ширине), передающая и приемная антенны расположены на радиусах 2.91 и 1.53 м соответственно. Видно, что при вертикальном смещении плазмы в пределах от –9 до +5 см мощность сигнала на приемной антенне уменьшится примерно в 2 раза, т.е. на 3 дБ. Более точные оценки будут проведены на более поздней стадии, когда будут более точно определены различные сценарии разряда в TRT и параметры плазмы в этих сценариях, и заморожена конфигурация электромагнитной системы TRT. Тогда же будет проведен анализ для зондирования на необыкновенной волне.

2.8. Оценки ослабления сигнала в плазме и в волноводном тракте, соотношение сигнал/шум в рефрактометрии

Оценки минимальной измеримой средней плотности, проведенные ранее, очевидно, будут справедливы только в том случае, если соотношение сигнал/шум в рефрактометрии будет достаточно высоким. В свою очередь, это соотношение сильно зависит от уровня потерь в измерительном тракте, начиная от передающей антенны и до квадратурного фазового детектора, измеряющего фазовый набег. Полный анализ потерь возможен только после разработки всех компонент рефрактометрии. Поэтому в этом разделе проведены оценки потерь в плазме и в волноводном тракте, и оценки общих потерь в предположении, что схемотехника рефрактометрии TRT аналогична таковой в ИТЭР – будут использованы приемники и излучатели СВЧ-сигнала, аналогичные И-ТЭРу, т.е. генераторы, управляемые напряжением (ГУН) в качестве источников СВЧ-излучения в диапазоне частот от 8 до 20 ГГц (или синтезаторы частот примерно с такой же выходной мощностью) и активные умножители частоты для получения зондирующего излучения требуемого частотного диапазона.

Для оценки потери сигнала в плазме, предположим, что рефракция луча отсутствует, приемная антенна расположена со стороны сильного магнитного поля, длина хорды зондирования – 1.4 м. Грубую оценку потерь в плазме (без учета поглощения) в рефрактометрии можно провести, используя результаты расчетов, проведенных в работе [16]. Указанные расчеты не учитывают особенности работы антенн в ближней зоне, но рефрактометрия работает в дальней зоне, и мы можем эти результаты использовать для первоначальных оценок. В нашем случае (работа на просвет) мы должны ориентироваться на предельные значения связи антенн для максимальных частот рефлектометрии (поскольку рабочие частоты в рефрактометрии начинаются там, где рефлектометрия приближается к отсечке, эффективное расстояние между приемной и передающей антеннами в рефрактометрии примерно такое же, что и в рефлектометрии, с учетом двойного прохода луча в рефлектометрии и одного прохода – в рефрактометрии), т.е. для обыкновенной волны это будет –16 дБ, а для необыкновенной волны – тоже около –16 дБ (рис. 5 из [16]). Учитывая, что в этой работе апертура антенн принималась равной 40 × 40 мм, а в рефрактометрии она предполагается чуть больше – 40 × 60 мм, приведенную выше оценку потерь в –16 дБ можно принять как консервативную (для сведения, в ИТЭР эти потери оцениваются в 37 дБ в максимуме).

Для оценки потерь в волноводной системе, можно воспользоваться оценками, проведенными для установки ИТЭР [17, 18], полагая, что они будут в TRT в любом случае не больше, чем в И-ТЭР, где они составляют 13 дБ в самих волноводах и 13 дБ в объединителях-разветвителях частотных каналов и в блоке приемо-передатчиков, т.е. в сумме не более 26 дБ. С учетом всего сказанного, суммарные потери в рефрактометрии TRT будут около 42 дБ против ожидаемых в ИТЭР 76 дБ. Соответственно, больших проблем с соотношением сигнал/шум в рефрактометрии TRT не ожидается при использовании аналогичных компонент в диагностике TRT и при однопроходном зондировании на просвет.