Лев Валентинович Лубяко

Кандидат физико-математических наук,
старший научный сотрудник отдела физики атмосферы и микроволновой диагностики

Родился 19 января 1942 года

Фрагмент из воспоминаний. Полная версия

Следующий «взлёт» (с 1991 года и до сего дня) связан с тем, что я был вовлечён в исследование возможности создания диагностики плазмы на установках управляемого термоядерного синтеза (УТС), основанной на анализе спектра рассеяния мощного миллиметрового излучения на флуктациях электронной плотности плазмы при выполнении условия коллективности рассеяния. Ценность такой диагностики в том, что она по спектру рассеянного излучения позволяет определить ионную функцию распределения, а в случае максвеловской плазмы – ионную температуры плазмы. Коэффициент рассеяния мал и, чтобы увидеть рассеянный сигнал, нужны мощный источник зондирующего излучения и высокочувствительный приёмник-анализатор спектра. Первые попытки исследования спектров коллективного томсоновского рассеяния на установках УТС проводились с использованием мощных импульсных лазеров. Однако, при малой длительности лазерных импульсов необходимой чувствительности и, соответственно, точности измерения спектра получить не удалось.

В литературе того времени широко обсуждалась возможность постановки эксперимента по коллективному томсоновскому рассеянию (CTS) с использованием микроволнового излучения. С появлением гиротронов – мощных генераторов миллиметрового излучения, работающих в квазинепрерывном режиме, открывалась возможность проблему решить радикально. Кроме того, переход в коротковолновую часть миллиметрового диапазона волн существенно расширял область углов зондирования плазмы, для которых выполняется условие коллективности рассеяния, что упрощало выбор геометрии рассеяния. Радиометрическая чувствительность приёмника при требуемом времени усреднения (от 1 до 10 мс) позволяла наблюдать спектры рассеяния с высоким отношением сигнал/шум.

Наиболее решительно здесь выступали британцы, начавшие подготовку эксперимента на токомаке JET. Они подготовили приёмник – многоканальный анализатор спектра – и договорились с ИПФ насчёт предоставления гиротрона. Так что время нас подгоняло. В институте одним из лидеров в теоретических вопросах проблеммы CTS-диагностики являлся руководитель нашего отдела Евгений Васильевич Суворов. На рабочем семинаре он обсудил возможность постановки эксперимента.

Я никогда не занимался диагностикой плазмы, но имел опыт работы с доплеровским радиолокатором, в котором использовался мощный источник зондирующего сигнала в сочетании с высокочувствительным приёмником – анализатором спектра. Эксперимент по коллективному рассеянию – это некий случай радиолокации в особых условиях. В локации зондирование объекта происходит в свободной атмосфере, а зондирование плазмы – в замкнутом объёме металлической камеры. Характерные величины: мощность гиротрона 5×10⁵ Вт, частота 140 ГГц, длительность импульса – до нескольких сот миллисекунд, коэффициент рассеяния на флуктуациях электронной плотности ~1×10^-221/Гц.

Казалось, что известные нам супергетеродинные приёмники с лихвой обеспечивают прекрасный приём и анализ. Но каковы шумы гиротрона? Это то, что реально ограничивает чувствительность. Вот с этим-то вопросом я и вылез. Сравнимы ли они по величине с рассеянным сигналом? Тут мы многого не знали. С измерения шумов гиротрона всё и началось. Вклад этих шумов зависит от уровня паразитного сигнала на частоте гиротрона, попадающего в приёмный канал и, помимо всего прочего, надо было знать развязку между входным и выходным каналами. С подачи Анатолия Фраймана мы провели эксперимент по оценке величины развязки при нескольких геометриях. Измерения выполнялись на макете – трубе диаметром 600 мм, в которой насверлили соответствующие дыры.

Для предварительной оценки шумов гиротрона подготовили аппаратуру и измерили шумы импульсного 8 мм гиротрона (Лучинин Алексей Григорьевич. Скалыга Наталья Константиновна. Нусинович Григорий Семенович). Позже открылась возможность работы с 140 ГГц гиротроном. Мы измерили спектр рассеянного излучения, соорудив 10-канальный анализатор спектра (тут нас пожалел и помог с фильтрами Юрий Алексеевич Дрягин). Гиротроном руководил Андрей Куфтин, а «мериловкой» – мы с Наташей Скалыгой.

Времена были трудные, и наши начинания в CTS-диагностике не получили поддержки на отечественных установках УТС. Даже там, где была плазма, не было денег. Мы с Юрием Яковлевичем Бродским посетили Курчатовский институт – «нет денег», но с сожалением. А вот более удачливый Евгений Васильевич Суворов, будучи на конференции в Италии, сумел договориться с доктором Франческо Пабло Орсито (ENEA, Италия) о постановке эксперимента на токомаке FTU во Фраскати. Денег на тот момент тоже не было, но вмешался случай.

Работа ИПФ РАН с Max Plank IPP Institute по ЭЦ нагреву плазмы на стеллараторе W7-AS в городе Гархинг (Германия) дала настолько отличные результаты, что наши немецкие коллеги добились некоторой премии для поддержания дальнейших совместных работ. И, так как деньги были внеплановые, доктор Фолкер Эркман, возглавлявший ЭЦ нагрев на W7-AS, предложил истратить их на какой-либо внеплановый эксперимент. Вот тут-то наш директор Александр Григорьевич Литвак и предложил исследовать коллективное томсоновское рассеяние (CTS), используя установленный в системе ЭЦ нагрева 140 ГГц гиротрон в качестве источника зондирующего излучения и разработанную нами аппаратуру для изучения спектра рассеянного излучения. (Прошло много времени, и может я упустил какие-нибудь детали, так я их и не знал).

Это всё было в 1992 году, а в мае 1993 года мы уже начали устанавливать аппаратуру в Гархинге. Научным руководителем работы стал Суворов. На меня же были возложены руководство проектированием и изготовлением двух комплектов аппаратуры, монтаж и размещение CTS-аппаратуры на рабочих площадках и проведение эксперимента на стеллараторе W7-AS (Германия), а потом с 1996 года – на токамаке FTU (Италия). Круг исполнителей существенно расширился. Конечно, всё сделанное прошло через меня, но было результатом творческой мысли большого авторского коллектива. Список публикаций того времени приведён в приложении.

Я никогда до того времени не был за границей, как говорится «первый раз в первый класс». Первые впечатление о Германии, что к нашему приезду всё почистили и помыли. Поселились мы в Гархинге (от Мюнхена 15 км), а от стелларатора 10 минут на велосипеде. Был конец мая, всё цвело, но было не до того. Аппаратура пришла, но задержалась на таможне, так как один ящик развалился. Нас с Суворовым в аэропорту встретил доктор Фолкер Эркманн, и по пути в Гархинг мы завернули на таможню, где нас попросили опознать все расположенные на деревянной подставке вещи из ящика. Выглядело это солидно и даже немного комично, но нерасторопно. Вот тут-то доктор Эркман и объяснил чиновнику, что он приехал собственной персоной показать важность работы, и попросил, чтобы не было никаких проволочек. Это впечатлило таможенников, и груз быстро доставили на другой день. По-видимому, статус работы, освящённый правительственным решением, был высок.

Первое впечатление от стелларатора – этакое нарядное создание, мощное и красивое, к которому и подойти-то трудно из-за изобилия всяческих труб и линий передач, приборов многообразных диагностик. Тут же вблизи стелларатора разместили и наше чудо. О, наша наивность! Конечно мы не думали, что магнитное поле существует только в учебниках, но высокочастотную часть приёмной системы разместили практически между катушек мощных магнитов. Пришлось отодвигаться. В конце концов добились, что в отсутствие гиротрона всё работает – тепловое излучение плазмы мы видим с хорошим запасом отношения сигнал/шум. А вот с гиротроном – всё забито паразитным сигналом на частоте гиротрона. Чтобы подавлять такой паразитный сигнал (а при работе не в свободном пространстве он просто обязан существовать), был изготовлен квазиоптический узкополосный режекторный фильтр или, «по-импортному», нотч-фильтр. С ним пришлось повозиться. Предварительно он был настроен на нужную частоту, а вот в холле стелларатора частота изменилась. Из-за разницы температур в помещениях. Второе, что вылезло при работе с гиротроном – в холле обнаружили значительный уровень фонового излучения на частоте гиротрона. Оказалось, его источник – неэкранированная зеркальная линия для транспортировки излучения гиротрона (450 кВт) к стелларатору. Часть передаваемого в линии излучения рассеивается и поступает в открытое пространство холла. После многократного рассеяния на расположенных в холле конструкциях оно становится изотропным и частично попадает на вход приемника, минуя нотч-фильтр. Впрочем, поведение таких паразитных сигналов неконтролируемо. В частности, наш гиротрон сумел поджечь тряпку, которой прикрыли оптический диагностический аппарат, находившийся в стороне, в нескольких метрах от линии. Паразитные сигналы таких уровней смертельны для приёмника, но на первое время нас выручило то, что наши немецкие коллеги разработали нотч-фильтр на волноводе основного сечения. Малые размеры фильтра позволили хорошо заэкранировать весь входной тракт и снизить паразитный сигнал до допустимого уровня.

Вот тут-то и выплыла наша спесь наружу. Наш приёмник был выполнен по компенсационной схеме, то есть без модуляции принимаемого сигнала. Дело в том, что предполагалось, что яркостные температуры ожидаемых сигналов на порядок выше шумовой температуры приёмника, и мы это «шапками закидаем». Однако, все нестабильности вылезли, и собственные шумы не только были видны, но видны их вариации при изменении аттенюации сигнала. Это привело меня к уверенности в целесообразности использования схемы модуляционного радиометра. Наши первые эксперименты на стеллараторе, таким образом, позволили понять необходимость модернизации как отдельных компонент, так и принципиальных решений.

В 1994 году состоялась вторая кампания с новым модуляционным радиометром, и, действительно, мы полностью устранили влияние изменения температуры в помещении. Аппаратура стала работать стабильней. Улучшили систему излучающей и приёмной антенн. Самое главное, созданные Юрием Алексеевичем Дрягиным режекторные фильтры обеспечили глубокое подавление паразитного сигнала на частоте гиротрона и радикально решили проблему. Теперь мы могли работать при максимальной чувствительности приёмника, не боясь сжечь расположенный непосредственно на его входе смеситель. Тем не менее, к нашему недоумению, мы не видели рассеянного сигнала. Все приуныли, и перед отъездом Фолкер устроил опрос – какие версии. Мы – это: доктор Фолкер Эркман, доктор Евгений Суворов, доктор Вальтер Каспарек, Томас Гайст, Хенрик Лаква и Лев Лубяко. Так как я детально проверил работу приёмника и был в нём уверен, то предположил, что, возможно, у нас нарушена юстировка антенн и нет пересечения зондирующего и приёмного пучков. Всё равно мы уезжали на каникулы с повешенными носами. И, о радость: Томас Гайст через неделю сообщил, что они проверили антенны и обнаружили, что пучки разошлись более чем на диаметр пучка.

К осенней кампании всё поправили, и когда мы с Александром Костровым приехали в Гархинг и включили аппаратуру, то первое, что мы получили – это спектр рассеянного излучения. Вот так всё и началось. И спасибо творцам: Саше Штанюку – созданная им аппаратура работала как часы на протяжении многих лет; Сергею Фильченкову, который за три дня сумел преодолеть все сложности постановки программного обеспечения (немецкие коллеги были уверены, что без их помощи мы вообще не справимся, а с помощью – уйдёт месяц); Володе Исаеву, с которым мы проходили труд монтажа аппаратуры на стеллараторе; Наташе Скалыге – за измерение шумов и спектральных характеристик гиротронов; Саше Бурову, создавшему систему ZOOM, существенно расширившую наши возможности в анализе спектров рассеянных сигналов; Юрию Алексеевичу Дрягину, чьи многорезонаторные режекторные фильтры сыграли решающую роль в борьбе с пролезающим в приёмный тракт излучением гиротрона; Лёве Кукину – за приёмник, Михаилу Фельману и Эдуарду Приверу – за 32-канальную фильтровую систему анализатора спектра; Саше Шкаеву – за систему фазовой автоподстройки частоты гетеродина приёмника; Валере Воронову – за помощь при отработке узлов приёмника, Саше Кострову, который смог оживить «нижнегибридную турбулентность».

После того как мы убедились в жизнеспособности нашей аппаратуры, наступила эра большого эксперимента, которым руководил Евгений Васильевич Суворов. Первые убедительные результаты были получены осенью 1994 года и обнародованы в 1995 году. Британцам же не повезло с техникой. Деталей я не знаю, но подвёл блок питания гиротрона, и гиротрон вышел из строя, а второго не было. К эксперименту на JET они, если и вернулись, то многое время спустя. Получилось, что мы опередили всех в подобном эксперименте, но чепчиков никто не бросал, и литавры не играли. Так и состарились. Многих уж нет. Почти вся немецкая команда достигла пенсии, а у них это строго, хотя лазейки тоже есть.

Продолжительность совместной работы с Евгением Васильевичем Суворовым у меня измеряется годами: только в Германии мы проработали вместе более года. Мало того, мы прожили это время в одной квартире. Мне хотелось бы как-то отдельно сказать о его роли на пути к успеху, которого мы достигли, если не в создании, то в утверждении новой диагностики плазмы. Безусловно, в постановке эксперимента и проведении исследований на W7-AS у Евгения Васильевича были свои трудности, ему приходилось влезать в целый ряд технических проблем, о которых он и не думал. Человек он был сложный, на мой взгляд, но это не ново. В каждом человеке сосуществует единство противоположностей. Мы сработались и научились друг друга понимать и доверять.

В заключение отметим основные результаты нашей совместной с немецкими коллегами работы на W7-AS. Во-первых, была разработана методика измерений спектров коллективного рассеяния для стелларатора W7-AS с учётом характеристик реальных гиротронов и изготовленной системы регистрации спектров, основанная на её абсолютной или относительной калибровке по собственному излучению плазмы и использовании системы стробирования подаваемого на вход регистрирующей аппаратуры сигнала. Во-вторых, впервые получены спектры коллективного рассеяния излучения на тепловых равновесных флуктуациях электронной плотности плазмы с использованием гиротрона в качестве источника зондирующего излучения. Спектры характеризуются высоким частотным разрешением и малой погрешностью. Результаты определения ионной температуры по спектрам коллективного рассеяния хорошо согласуются с данными независимой диагностики. Пространственная локализация рассеивающего объёма, достигнутая в геометрии рассеяния на 900, позволяет даже в установках средних размеров получить несколько точек радиального профиля ионной температуры. И последнее: методом коллективного рассеяния проведены детальные исследования характеристик обнаруженной нижнегибридной турбулентности, возбуждаемой при инжекции поперёк тороидального магнитного поля диагностического пучка нейтральных атомов. В теоретической интерпретации возникновения, развития и жизни этой неустойчивости значительный вклад наряду с Евгением Васильевичем Суворовым и Дмитрием Рындыком внёс Александр Геннадьевич Шалашов. Более того, мы с Шалашовым сделали попытку пронаблюдать НГ-турбулентность на токамаке ASDEX (Гархинг, Германия) по приглашению доктора Фрица Лойтера. Развернуть CTS диагностику на токамаке мы успели, а вот провести измерения – нет, так как прекратилось финансирование продолжения совместных работ.

Всю историю можно прочитать по ссылке.