超伝導磁気シールドに関する数値的研究

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本研究では、第二種超伝導体製遮蔽板の磁気シールド効果を数値シミュレーションを用いて解析することを目的とし,超伝導特性を記述するモデルとして低透磁率モデルと修正Beanモデルの2つを採用した。前者を用いた解析では,超伝導特性が透磁率にのみ反映されると仮定し、静磁界に対する多層板の磁気遮蔽効果を検討した。その際,数値解を得るための手法としては,超伝導体外部,内部でそれぞれ境界要素法、有限要素法を適用し,超伝導体表面で界面条件を考慮した。同手法を用いて,第二種超伝導体と強磁性体の多層構造をもつ遮蔽板の磁気遮蔽効果を調べた結果,観測点側に超伝導層がある多層板が他と比較して高い磁気シールド効果をもつことが判明し,磁気遮蔽装置設計の有効な指針を与えた。一方、修正Beanモデルを用いた解析では,磁界の過渡的変化に対応するためにシールド電流の時間発展を解析する手法を開発した。即ち,臨界状態モデルとして修正Beanモデルを導入し,薄板近似を採用することにより,シールド電流の振舞いを電流ベクトル・ポテンシャルを従属変数とする放物型偏微分方程式によって記述した。さらに,有限要素法を用いて同方程式を数値的の解く数値シミュレーション・コードを開発し,同コードを用いて超伝導板の磁気遮蔽効果を調査し,シールド電流が超伝導体の境界近傍にのみ局在化することが判明した。さらに,磁気遮蔽の尺度である磁気シールド係数が0〜1000Hzの低周波領域において時刻と周波数に依存しないことが分かった。一般に,遮蔽装置の設計検討には多大な時間と費用を必要とするのに対し,数値シミュレーションを用いた解析はコストは比較的小さく,装置の設計変更などによる再検討は容易である。この点で,本研究で開発された数値シミュレーション・コードの意義は絶大なものがある。