Langmuir probes are a widespread tool for measurement of important plasma parameters such as electron temperature Te, plasma electron density ne, ion saturation current Isat and the floating potential Vfl, which are obtained from a fit to the current–voltage (I–V) characteristic of the probe. In magnetized plasmas, the measurements can be affected by sheath expansion due to large negative bias voltages, which is addressed by the introduction of a fourth parameter to the fitting function correcting the values of all measured quantities. In order to derive the plasma density from Isat, the understanding of probe ion collection is needed. In magnetized plasmas, the collecting area may not correspond to the real geometrical probe surface due to ion finite Larmor effects and so the derivation of Isat (and hence n) can be rather complicated. In this work, the influence of magnetic fields on the probe effective collecting area is studied by the means of fully 3D3V particle-in-cell model SPICE3. A parameter scan based on properties of scrape-off layer plasmas at COMPASS tokamak as well as a particular probe pin used on a horizontal reciprocating manipulator is performed. The results reveal that the presence of the probe head has a substantial effect on the outcome of the measurement as it forms a magnetic presheath at the probe location. An approximate formula for addressing the change of effective collecting area is presented and the data from the simulations are compared to measurements of COMPASS reciprocating probes and lithium beam emission spectroscopy.
ラングミュアプローブは、電子温度Te、プラズマ電子密度ne、イオン飽和電流Isat、浮遊電位Vflなどの重要なプラズマパラメータを測定するための広く用いられるツールであり、これらはプローブの電流-電圧（I-V）特性から得られる。磁化プラズマでは、大きな負のバイアス電圧によるシース膨張の影響を受ける可能性があり、これは全測定値の補正を行うフィッティング関数に第4のパラメータを導入することで対処される。プラズマ密度をIsatから導出するには、プローブによるイオン捕集の理解が必要である。磁化プラズマでは、捕集面積がプローブの実際の幾何学的表面積と一致しない場合があり、イオンの有限ラーモア半径効果により、Isat（したがってn）の導出はかなり複雑になり得る。本研究では、完全3D3V粒子インセルモデルSPICE3を用いて、磁場がプローブの実効捕集面積に及ぼす影響を調査する。COMPASSトカマクのスクレイプオフ層プラズマの特性と、水平往復マニピュレータに取り付けられた特定のプローブピンに基づいてパラメータスキャンを実施する。その結果、プローブヘッドの存在が測定結果に大きな影響を及ぼすことが明らかになり、これはプローブ位置における磁気シースの形成によるものである。実効捕集面積の変化を補正するための近似式を提示し、シミュレーションデータをCOMPASSの往復プローブおよびリチウムビーム発光分光法による測定結果と比較する。