В токамаке геометрия СВЧ-луча меняет чувствительность до десяти раз

В плазме сферического токамака луч не летит по линейке. Его преломляет профиль электронной плотности, а магнитные силовые линии по ходу траектории меняют наклон. Для доплеровского обратного рассеяния это решает, какая доля флуктуаций вообще попадёт в приёмный канал. Авторы эксперимента на QUEST показали, что рассчитанная поправка чувствительности между центральной областью и краем меняется до порядка величины.

Doppler backscattering работает как очень избирательный СВЧ-радар. Зондирующая волна входит в плазму, достигает области отсечки и рассеивается на флуктуациях электронной плотности. Доплеровский сдвиг возвращённого сигнала несёт скорость движущихся неоднородностей, мощность сигнала связана с их амплитудой. Связь эта зависит от того, насколько волновой вектор зонда перпендикулярен локальному магнитному полю. Малый mismatch угла способен резко ослабить обратное рассеяние.

На QUEST для этого собрали трёхканальную X/Ku-диапазонную систему: фиксированный генератор на 10 GHz и два перестраиваемых VCO на 7–18 GHz. В представленных разрядах использовали 8, 9, 10, 13 и 14 GHz. Каждый канал имеет собственную LO-ветвь и I/Q-смеситель; зондирующие сигналы объединяются перед квазиоптическим трактом. Полосовой фильтр 8–19 GHz защищает приём от паразитного излучения 28-GHz ECRH. Два зеркала с фокусными расстояниями 350 и 400 mm формируют пучок; при 14 GHz в фокальной плоскости измерили перетяжку около 120 mm.

Дальше измеренная мощность прошла через расчётную калибровку SCOTTY. Программа трассирует луч в восстановленном профиле плотности и собирает response function из формы пучка, геометрии луча, Airy-фактора вблизи отсечки, поляризации и подавления от углового mismatch. Эту функцию затем инвертируют в амплитуду флуктуаций. В конкретном разряде на Figure 6 поправочный коэффициент вырос примерно в четыре раза при движении от ρ≈0.6 к ρ≈0.95. В abstract авторы описывают полный разброс между core и edge как достигающий порядка величины.

Есть и другой масштабный эффект, который легко перепутать с радиальной поправкой. Интеграл функции чувствительности в расчёте SCOTTY вырос с 1.61×10⁻² на 8 GHz до 2.40×10⁻¹ на 15 GHz, примерно в 15 раз. Это частотный расчёт отклика, а не серия измеренных каналов: экспериментальные данные статьи заканчиваются на 14 GHz.

После коррекции у края плазмы проявился рост амплитуды флуктуаций. Там же авторы получили отрицательный доплеровский сдвиг и конечное отрицательное радиальное электрическое поле. Результат относится к одному представительному состоянию плазмы в момент 2.5 s и пока опубликован препринтом arXiv:2608.18444.

Ограничения здесь содержательны. Профиль плотности для трассировки восстановлен по немногим доступным точкам Thomson-диагностики через Gaussian-process regression; неопределённость оценили на 50 выборках профиля. Мощность, запущенную в плазму, во время разряда напрямую не мониторили: в бюджет ошибки внесён диапазон 250–350 mW, измеренный позднее на стенде. Модель также принимает единичный polarization factor для O-mode и игнорирует O–X mode conversion. Но сам вывод от этого не исчезает: точный приёмник не спасает измерение, если чувствительность пути «антенна — плазма — антенна» не была рассчитана.

Источники
Первичная работа: arXiv:2608.18444, Beam-Tracing-Based Quantitative Reconstruction of Density Fluctuations in QUEST Using Doppler Backscattering — arXiv:2608.18444
Полный текст и схемы тракта: arXiv:2608.18444
Модель DBS и SCOTTY: arXiv:2109.10973 — arXiv:2109.10973