The magnetic pre-sheath (MPS) length, LMPS, is a critical parameter to define the sheath potential, which controls the ion trajectory of low-Z species (D, T, He, and C), as well as the prompt re-deposition of high-Z species. To determine LMPS, we fabricated micro-trenches (30 × 30 × 4 μm) via focused ion beam milling on a silicon surface and exposed them to L-mode deuterium plasmas in DIII-D via the divertor material evaluation system (DiMES) removable sample exposure probe. The areal distribution of impurity depositions, mainly consisting of carbon, was measured by energy-dispersive x-ray spectroscopy (EDS) to reveal the deuterium ion shadowing effect on the trench floors. The carbon deposition profiles showed that the erosion was maximized for the azimuthal direction of φ = −40° (referenced to the toroidal magnetic field direction) as well as the polar angle of θ = 80°. A Monte Carlo equation-of-motion (EOM) model, based on a collisionless MPS, was used to calculate the azimuthal and polar deuterium ion angle distributions (IADs) at the surface for a range of LMPS = k × ρi, where ρi is the ion gyro radius and k = 0.5–4. Then, gross erosion profiles were calculated by a Monte Carlo micro-patterning and roughness (MPR) code for ion sputtering using as input the calculated azimuthal and polar IADs for each value of k. Good agreement with the experimental C deposition profiles was obtained for the case k = 2.5–3.5. This result is consistent with a previous kinetic modeling prediction of k ∼ 3, as well as previous analytical investigations that predicted the LMPS to be several ion gyro radii. A validation of theoretical sheath models supports its applicability to ITER and pilot plant divertors to successfully predict plasma–materials interactions.
磁気プレシース長さLMPSは、シース電位を定義するための臨界パラメータであり、低Z種（D、He、C）のイオン軌道と、高Z種の即時再堆積を制御する。LMPSを決定するため、集束イオンビーム加工によりシリコン表面に微細トレンチ（30×30×4 μm）を作製し、DIII-Dにおけるダイバータ材料評価システム（DiMES）の取り外し可能なプローブを用いて、これらをLモード重水素プラズマに曝露した。エネルギー分散型X線分光法（EDS）による不純物堆積（主に炭素）の面分布測定から、トレンチ底面における重水素イオンのシャドウイング効果が明らかになった。炭素堆積プロファイルは、トロイダル磁場方向を基準とした方位角φ＝−40°および極角θ＝80°において侵食が最大となることを示した。無衝突磁気プレシースに基づくモンテカルロ運動方程式（EOM）モデルを用いて、LMPS＝k×ρi（ρiはイオンジャイロ半径、k＝0.5〜4）の範囲で、表面における方位角および極角方向の重水素イオン角度分布（IAD）を計算した。次に、モンテカルロ微細パターニング・粗面化（MPR）コードを用いて、各k値に対して計算された方位角・極角IADを入力として、総侵食プロファイルを算出した。実験で得られた炭素堆積プロファイルは、k＝2.5〜3.5の場合に良好な一致を示した。この結果は、LMPSが数イオンジャイロ半径であると予測した先行の運動論的モデリング（k≒3）および解析的考察と整合する。理論シースモデルの検証により、ITERおよびパイロットプラントのダイバータにおけるプラズマ–材料相互作用の予測への適用可能性が支持される。