The problem of power exhaust is one of the grand challenges of nuclear fusion research today. In order to understand the physics phenomena occurring in the scrape-off layer and the divertor regions of tokamaks, it is essential to correctly determine the divertor plasma parameters, which are often measured by swept Langmuir probes (LPs). While the construction and operation of this diagnostic can be straightforward, the data analysis using three- or four-parameter fits presents a challenge and can potentially lead to erroneous values of electron temperature and ion saturation current. In this work, we present modelling and experiments aimed at determination of conditions for proper analysis of swept LPs using these two fitting models. Particle-in-cell modelling was employed to evaluate the sheath-expansion effects for particular probe geometry and plasma conditions, yielding a semi-empirical rule capable of predicting its magnitude. Experiments with unusually wide range of swept voltage in the divertor of the COMPASS tokamak explored the magnitude of voltage range required for successful analysis with either three or four-parameter fitting. With the use of our new semi-empirical rule, it is possible to improve the four-parameter fit reliability in situations where the available voltage range is limited. In addition, we introduce the tangent method—an independent and fast method of electron temperature estimation, which allows to reliably determine the available voltage range and as such assist more complex methods of probe analysis.
パワー排気の問題は、今日の核融合研究における大きな課題の一つである。トカマクのスクレイプオフ層およびダイバータ領域で生じる物理現象を理解するためには、ダイバータプラズマパラメータを正確に決定することが不可欠であり、それらはしばしば掃引ラングミュアプローブ（LP）によって測定される。この診断装置の構築と運用は簡単であり得る一方で、3パラメータまたは4パラメータのフィッティングを用いたデータ解析は課題をもたらし、電子温度とイオン飽和電流の誤った値につながる可能性がある。本研究では、これら2つのフィッティングモデルを用いた掃引LPの適切な解析のための条件を決定することを目的としたモデリングと実験を提示する。パーティクルインセルモデリングを用いて、特定のプローブ形状とプラズマ条件に対するシース膨張効果を評価し、その大きさを予測できる半経験則を得た。COMPASSトカマクのダイバータにおける異例に広い掃引電圧範囲を用いた実験により、3パラメータまたは4パラメータのフィッティングのいずれかで解析を成功させるために必要な電圧範囲の大きさを調査した。我々の新しい半経験則を用いることで、利用可能な電圧範囲が限られている状況において、4パラメータフィットの信頼性を向上させることが可能である。さらに、我々は電子温度推定の独立した高速な方法であるタンジェント法を導入する。これにより、利用可能な電圧範囲を確実に決定でき、その結果としてより複雑なプローブ解析手法を支援することができる。