Verfahren zur Erzeugung kurzzeitiger elektrischer Impulse und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung kurzzeitiger elektrischer Impulse mit grosser Flankensteilheit sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist bekannt, mittels Elektronenröhren- oder Halbleiterstromkreisen, z. B. unter Verwendung von Transistoren relativ kurzzeitige Impulse in der Grössenordnung von Mikrosekunden (1 ,cis = 10-6 s) zu erzeugen. Allerdings bedarf es bei diesen Verfahren eines verhältnismässig grossen schaltungstechnischen Aufwands. Ein anderes bekanntes Verfahren zur Erzeugung kurzer und steiler Impulse besteht z. B. darin, ein Leiterstück eines Koaxialkabels über einen Widerstand aufzuladen und über ein koaxial angeord netes Hg-Relais zu entladen. Man erzielt auf diese Weise Impulse, deren Dauer Bruchteile von Mikro sekunden beträgt. Impulserzeuger der letztgenannten Art besitzen aber je nach Ausbildung des Relais Repetitionsfrequenzen bis höchstens 100 Hz.
Es ist deshalb mit solchen Vorrichtungen nicht möglich, kurzzeitige Impulse in einer für viele Steuerzwecke erwünschten raschen Aufeinanderfolge von z. B. eini gen Kilohertz oder Megahertz zu erzeugen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird von den Schalteigenschaften dünner magnetischer Schichtele mente mit uniaxialer Anisotropie, d. h. einachsiger Vorzugsrichtung für die Magnetisierung Gebrauch gemacht.
Es ist bekannt, dass dünne Schichten aus magne- tisierbarem Material, deren Dicke grössenordnungs mässig weniger als etwa 30 000 A (1 A = 10-S cm) beträgt, mit einer uniaxialen magnetischen Anisotropie, d. h. mit einer einachsigen Vorzugsrichtung der Magnetisierung hergestellt werden können. Bei diesen Schichten hat die Magnetisierung die Tendenz, bei Nichtvorhandensein eines äusseren Magnetfeldes sich parallel zu einer bestimmten Vorzugsrichtung, der sogenannten leichten Richtung einzustellen. Die in der Schichtebene senkrecht zur leichten Richtung lie gende Richtung bezeichnet man üblicherweise als harte Richtung .
Für die Magnetisierung einer dünnen magneti schen Schicht mit uniaxialer Anisotropie gibt es ohne äusseres Magnetfeld grundsätzlich zwei stabile Gleich gewichts- oder Ausgangslagen, nämlich -die von 0 und die von 180 bezüglich der leichten Richtung.
Wird eine dünne magnetische Schicht mit uniaxia ler Anisotropie einem äusseren Magnetfeld ausgesetzt, dessen Kraftlinien nicht parallel zur leichten Richtung verlaufen und dessen Amplitude grösser ist als eine gewisse kritische Feldstärke, so dreht sich die Magne- tisierung der Schicht in einem grösstenteils kohärent erfolgenden Umschaltprozess aus der leichten Rich tung heraus. Allgemein wird diese Art des Umschal tens der Magnetisierung in dünnen magnetischen Schichten auch mit Rotationsschalten (rotational switching) bezeichnet.
Wird das äussere Magnetfeld wieder abgeschaltet, so dreht sich die vorher ausgelenk- te Magnetisierung von selbst wieder in die nächst be nachbarte Lage (0 oder 180 ) parallel zur leichten Richtung zurück. Das Rotationsschalten der Magneti- sierung einer dünnen Schicht beim Anlegen eines äusseren Magnetfeldes erfolgt ausserordentlich rasch mit Schaltzeiten in der Grössenordnung von Nano- sekunden oder Bruchteilen hiervon.
Es ist ein Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung kurzzeitiger elektrischer Impulse anzugeben, wobei die Dauer der Impulse einige Nanosekunden (1 ns = 10-9 s) beträgt.
Es ist ein weiterer Zweck dieser Erfindung, Fol gen kurzzeitiger Impulse mit einer hohen Repetitions- frequenz zu erzeugen. Ferner wird mit dieser Erfindung bezweckt, Im pulse oder Potentialänderungen mit ausserordentlich grosser Flankensteilheit zu erzielen.
Weiterhin ist es ein Zweck dieser Erfindung, eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemä ssen Verfahrens anzugeben, die einfach und billig herzustellen und mit geringem schaltungstechnischem Aufwand zu realisieren ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich nun dadurch aus, dass die Magnetisierung einer dün nen magnetischen Schicht mit uniaxialer Anisotropie einem zeitlich veränderlichen, äusseren Magnetfeld mit parallel zur Schichtebene und spitzwinklig zur Achse der leichten Richtung der Schicht verlaufenden Kraftlinien und einer Amplitude, die grösser ist als die zu dem betreffenden spitzen Winkel gehörende kritische Feldstärke für Rotationsschalten, ausgesetzt wird, welches Magnetfeld eine solche Polarität auf weist, dass eine Umschaltung der Magnetisierung um mehr als 90 zustandekommt,
und dass die durch das Umschalten der Magnetisierung bedingte Änderung des magnetischen Flusses durch einen Signaldetektor erfasst wird.
Die ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfin dung bildende Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein aus einer dünnen magnetischen Schicht bestehendes Schaltelement mit uniaxialer Anisotropie vorgesehen ist, welches mit ersten Mitteln zur Er zeugung eines zeitlich veränderlichen magnetischen Feldes in Wirkungsverbindung steht, wobei diese Mittel so angeordnet sind, dass die Kraftlinien des magnetischen Feldes parallel zur Schichtebene und spitzwinklig zur Achse der leichten Richtung des Schichtelements verlaufen, und dass zweite Mittel vorgesehen sind, welche in der Lage sind, die durch das Umschalten der Magnetisierung des Schicht elements bedingte Änderung des magnetischen Flusses in der Art eines Signaldetektors zu erfassen.
Die in der beschriebenen Weise erhaltenen Im pulse lassen sich mit besonderem Vorteil zur Steue rung von und auch zum Informationsauslesen aus durch dünne magnetische Schichtkörper gebildeten Schalt- und Speicherelementen verwenden. Um von solchen, dem Fachmann bekannten magnetischen Schalt- und Speicherelementen genügend starke Aus gangssignale zu erhalten, muss das zur Signalgabe bzw. Speicherung angewendete Umschalten der Magneti- sierung in die oder aus der harten Richtung in der kürzest möglichen Zeit erfolgen.
Die für diese Schaltzwecke, insbesondere zur Erzeugung der Treib- felder, erforderlichen kurzzeitigen Impulse lassen sich vorteilhafterweise mittels des erfindungsgemässen Verfahrens erzeugen.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Er findung werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnung weiter ausgeführt und erläutert, wobei jedoch darauf hingewiesen sei, dass die gezeigte Ausführungsform lediglich der Ver anschaulichung des allgemeinen Erfindungsgedan- kens dient, und dass natürlich noch andere Ausfüh rungsformen und Anwendungsbeispiele dieser Erfin dung möglich sind und konzipiert werden können, die auf demselben Grundgedanken beruhen.
Es zeigen: Fig. 1 eine kritische Kurve , durch welche das Schaltverhalten von Magnetschichtelementen, wie sie in der Erfindung benutzt werden, gekennzeichnet ist; Fig. 2 schematisch ein Beispiel einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Erzeugung kurzzeitiger elektrischer Impulse; Fig.3a und 36 Diagramme eines durch einen Treiberstrom erzeugten äusseren Wechselfeldes und der in der Signaldetektorleitung erhaltenen kurzzei tigen Impulse; Fig.4 eine Ausführungsform einer Einrichtung zur Erzeugung kurzzeitiger elektrischer Impulse ge mäss der Erfindung;
Fig. 5 schematisch die Anwendung des erfindungs gemässen Verfahrens zur Erzeugung impulsförmiger Treibfelder für die Steuerung von magnetischen Schalt- und Speicherelementen und Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung der in der Signaldetektorleitung erhaltenen impuls- förmigen Spannungsstösse.
Es wird nun auf die Fig. 1 Bezug genommen, in welcher eine sogenannte kritische Kurve 11 einer dünnen magnetischen Schicht mit uniaxialer magne tischer Anisotropie dargestellt ist. Die kritische Kurve begrenzt denjenigen Feldstärkebereich, in dem Rota tionsschalten erfolgt gegenüber dem Bereich, in dem kein Umschalten der Magnetisierung bzw. wesent lich langsamer verlaufende sogenannte Wandschalt- prozesse auftreten, welch letztere in diesem Zusam menhang ohne Interesse sind.
Die durch die kritische Kurve definierte Feldstärke heisst kritische Feldstärke für Rotationsschalten. Bekanntlich kann man mit Hilfe der aus der Literatur bekannten kritischen Kurve die Auslenkungsrichtung ermitteln, in die sich die Magnetisierung oder der Magnetisierungsvektor M der Schicht bei Anlegen eines äusseren Magnet feldes H einstellt. Wie bereits erwähnt, wird diejenige Richtung, zu welcher sich der Magnetisierungsvektor M der Schicht bei Nichtvorhandensein eines äusseren Feldes parallel stellt, als leichte Richtung 12 und die dazu senkrechte Richtung als harte Richtung 13 be zeichnet.
Die Achsen der kritischen Kurve, die eine Asteroide darstellt, fallen mit der leichten bzw. har ten Richtung (H_,- bzw.<I>H,:</I> Achse) zusammen. Aus Gründen der Eindeutigkeit der Darstellung soll eine Winkelzählung eingeführt werden, wonach die 0 -Lage der Magnetisierung der +H,- und die 180 -Lage der Magnetisierung der -H,-Achse entsprechen. Ohne äusseres Magnetfeld gibt es somit für den Magneti- sierungsvektor M die beiden stabilen Gleichgewichts- oder Ausgangslagen von 0 und l80 .
Wenn jedoch in der Schichtebene ein äusseres Magnetfeld H vorhanden ist, das um einen Winkel <B>0</B> von der leichten Richtung abweicht, so wird - wie bereits erwähnt - der Magnetisierungsvektor aus seiner leichten Richtung herausgedreht oder ausge- lenkt. Die Auslenkungsrichtung des Magnetisierungs- vektors M für ein beliebiges äusseres Magnetfeld H kann - wie dem Fachmann bekannt ist und wie sich durch mathematisch-physikalische Überlegungen zei gen lässt - aus der kritischen Kurve allgemein ermit telt werden,
indem man den H-Vektor vom Koordi- natenursprung aus aufträgt und von der Spitze des H-Vektors die Tangente bzw. Tangenten an die jenigen Teile der kritischen Kurve zeichnet, die in derselben Halbebene (obere bzw. untere) liegen wie die Spitze des H-Vektors. Durch Betrachten der in Fig. 1 dargestellten kritischen Kurve 11 erkennt man, dass in Abhängigkeit von der Lage der Spitze eines H-Vektors in bezug auf die kritische Kurve eine oder zwei energetisch stabile Auslenkungs- oder Gleich gewichtslagen für M vorhanden sind.
Liegt die Spitze 14 eines H-Vektors innerhalb der kritischen Kurve, z. B. in der oberen Halbebene, so lassen sich zwei, ein solches energetisch stabiles Gleichgewicht für M kennzeichnende Tangenten 15 und 16 an die in der oberen Halbebene verlaufende kritische Kurve zeich nen, und es gibt also für den Magnetisierungsvektor M zwei, durch die Tangentenrichtungen angezeigte, stabile Gleichgewichtslagen M 15 und M 16.
Liegt die Spitze 17 eines H-Vektors ausserhalb der kriti schen Kurve (in der oberen Halbebene), so lässt sich nur eine, ein energetisch stabiles Gleichgewicht für M kennzeichnende Tangente 18 an die kritische Kurve in der oberen Halbebene zeichnen, und es gibt für M nur eine einzige, durch die entsprechende Tangentenrichtung angezeigte, stabile Gleichgewichts lage M 18. überschreitet die Spitze eines H-Vektors bei entsprechender Vergrösserung des äusseren Ma gnetfeldes H die kritische Kurve in einem kritischen Punkt 19, d.
h., wird das äussere Feld grösser als die zu dem betreffenden Winkel 0 gehörende kri tische Feldstärke Hi"it. für Rotationsschalten, so ver schwindet eine der vorher bestehenden zwei Gleich gewichtslagen für den Magnetisierungsvektor M, was gegebenenfalls verbunden ist mit einer sprunghaften Umschaltung von M in die neue Lage, in dem gezeig ten Beispiel nämlich dann, wenn die Ausgangslage für M die 180 -Lage war und somit ein übergang von<I>M</I> 15 nach<I>M</I> 18 erfolgen muss.
Dieser ausserordentlich rasch erfolgende Dreh schaltprozess wird erfindungsgemäss zur Erzeugung kurzzeitiger Impulse ausgenützt.
Zur Erläuterung des erfindungsgemässen Verfah rens wird auf Fig. 2 verwiesen, wo in schematischer Darstellung eine Ausführungsform zur Durchführung des Verfahrens gezeigt ist. Es ist eine dünne magne tische Schicht 21 mit uniaxialer magnetischer Aniso- tropie vorhanden, deren leichte Richtung durch einen Doppelpfeil angegeben ist.
Die Windungen einer Spule 22 symbolisieren die Mittel zur Erzeugung eines äusseren, parallel zur Ebene der Schicht 21 verlaufenden Magnetfeldes H, dessen Kraftlinien 23 unter einem Winkel<B>0</B> in bezug auf die leichte Rich- tung verlaufen, und zwar möge der Winkel O spitz winklig sein in bezug auf die 0 -Lage oder +H Achse (vgl. Fig. 1).
Der Winkel O ist nicht kritisch: Man wird ihn vorteilhafterweise jedoch so wählen, dass eine möglichst grosse Änderung des magnetischen Flusses beim sprunghaften Umschalten des Magneti- sierungsvektors in die neue Lage auftritt. Es ist günstig, wenn man den Winkel 0 zwischen 10 und 45 wählt.
Die durch das Umschalten der Magnetisie- rung bedingte Änderung des magnetischen Flusses wird durch einen geeigneten Signaldetektor, der in Fig. 2 symbolisch durch die Windungen einer zweiten Spule 24 repräsentiert wird, erfasst. Die Achsen der beiden Spulen 22 und 24 können miteinander einen beliebigen Winkel bilden. Falls ihre Achsen senk recht zueinander verlaufen, besteht zwischen den beiden Spulen eine optimale magnetische Entkopp- lung.
Die Spule 22 ist über einen Schalter 25 an ein Stromerzeugungsmittel 26, z. B. einen Wechselstrom generator, angeschlossen, während die Spule 24 über die Klemmen 61, 62 mit einem Spannungsanzeiger, einem Verbraucher oder Verstärker 27 verbunden ist. Es sei angenommen, dass sich der Magnetisierungs- vektor des Magnetschichtelements ursprünglich in der 180 -Ausgangslage befindet, dargestellt durch den Vektor M 28.
Wenn beim Schliessen des Schalters 25 der Wechselstromgenerator 26 beispielsweise eine positive Halbwelle erzeugt, so entsteht infolge des Stromflusses durch die Spule 22 in bezug auf das Magnetschichtelement 21 ein äusseres Magnetfeld H, welches den Magnetisierungsvektor aus seiner 180 - Ausgangslage M 28 im Uhrzeigersinn auslenkt, so dass er durch die durch die Richtung von M 15 (vgl. Fig. 1) gekennzeichnete Lage geht.
Mit zunehmendem Strom nimmt natürlich auch die Feldstärke des äusse ren Magnetfeldes zu, bis schliesslich die kritische Feldstärke für Rotationsschalten, d. h. der in Fig. 1 gezeichnete kritische Punkt 19 überschritten wird. In diesem Augenblick schaltet der Magnetisierungsvektor M sprungartig in die neue, angenähert durch die Richtung von M 18 (vgl. Fig. 1) gekennzeichnete Gleichgewichtslage um, was mit einer rasch erfolgen den, beträchtlichen, zeitlichen Änderung des magneti schen Flusses d@ in der Detektorspule 24 ver bunden ist.
Dies wiederum bedingt das Induzieren eines Spannungsimpulses in der Spule 24, welcher durch den Spannungsmesser 27 angezeigt oder dem Verbraucher zugeführt wird. Beim Abklingen der positiven Halbwelle des Wechselstromes geht der Magnetisierungsvektor M schliesslich in die 0 -Gleich- gewichtslage M 29 über. Beim Auftreten der negativen Halbwelle wird der Magnetisierungsvektor aus der 0 -Lage M 29 im Uhrzeigersinn ausgelenkt, so dass er durch die durch die Richtung von M 35 (vgl. Fig. 1) gekennzeichnete Lage geht.
Mit zunehmen dem negativem Strom wird schliesslich ebenfalls wie der die kritische Feldstärke Hkr;t. überschritten (jetzt natürlich mit entgegengesetzter Polarität als vorhin), wobei ein sprungartiges Umschalten des Magnetisie- rungsvektors M in die neue, etwa durch die Richtung von M 3 8 (vgl. Fig. 1) gekennzeichnete Gleichge wichtslage erfolgt.
Dies ist wieder mit einer rasch erfolgenden, beträchtlichen, zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses (grosses
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) in bezug auf die Detektorspule 24 verbunden, was erneut das Induzieren eines (jetzt negativen) Spannungsimpul ses in der Spule 24 zur Folge hat. Beim Abklingen der negativen Halbwelle des Wechselstromes geht der Magnetisierungsvektor schliesslich in die 180 - Gleichgewichtslage M 28 über, von der in der obigen Betrachtung ausgegangen wurde, und es wiederholt sich die bereits beschriebene Wirkungsweise.
Der zeitliche Verlauf des durch den Treiberstrom in der Spule 22 auf das Magnetschichtelement wirk samen äusseren magnetischen Wechselfeldes ist in Fig.3a dargestellt. Der Wert der kritischen Feld stärke HI";,. sei hier wenigstens grössenordnungs mässig angegeben; er beträgt bei heute gebräuchlichen Magnetschichten einige, etwa 2 bis 8 Örsted. HI";,.
ist in dem Diagramm eingezeichnet. Fig. 3b zeigt die in die Detektorspule 24 jeweils beim Überschreiten der kritischen Feldstärke Hhr;c. durch das äussere Wechselfeld, infolge des Umschaltens des Magnetisie- rungsvektors in eine neue Richtung, induzierten, im- pulsförmigen Spannungsstösse, wie es weiter oben unter Bezugnahme auf Fig.2 ausführlich erläutert wurde.
Die auf diese Weise erhaltenen, steilflankigen Spannungsstösse haben eine Dauer in der Grössenord nung von Nanosekunden oder darunter. Sie wieder holen sich mit einer Repetitionsfrequenz, die gleich ist der Frequenz des äusseren Wechselfeldes. Es ist nach diesem Verfahren möglich, Repetitionsfrequen- zen bis hinauf zu 100 MHz und darüber zu erhalten. Eine untere Frequenzgrenze gibt es nicht; man kann mit diesem Verfahren selbstverständlich auch Einzel impulse erzeugen.
Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es bei Beginn des Impulserzeugungsprozesses nicht unbedingt notwendig ist, dass sich der Magnetisie- rungsvektor M in einer bestimmten Ausgangslage befindet, z. B. wie oben angenommen, in der 180 - Lage M 28 beim Beginn der positiven Halbwelle des Treiberstromes.
Wenn sich der Magnetisierungsvektor zu Beginn der positiven Halbwelle in der 0 -Aus- gangslage M 29 befindet, so bekommt man zwar nicht den ersten Spannungsimpuls, da in diesem Fall nur ein Übergang von M 16 nach Ml 8 (vgl.
Fig. 1) statt findet, wobei keine wesentliche Änderung des magne tischen Flusses in bezug auf die Detektorspule 24 zustandekommt. Beim Abklingen der positiven Halb welle kehrt der Magnetisierungsvektor jedoch wieder in die 0 -Lage M 29 zurück, welche - wie aus obiger Beschreibung hervorgeht - die erwünschte Ausgangs lage für den Beginn der negativen Halbwelle dar stellt. Von nun an geht der Impulserzeugungsprozess in der oben erläuterten Weise vonstatten. Der Treiberstrom zur Erzeugung des äusseren Ma gnetfeldes braucht keineswegs - wie bisher angenom men wurde - ein z.
B. sinusförmiger Wechselstrom zu sein. Man kann die Impulserzeugungsvorrichtung auch mit impulsförmigen Treiberströmen betreiben. Solange die Anstiegszeit der Treibimpulse länger dauert als das Rotationsschalten des Magnetisierungs- vektors des Schichtelements, kann man jedenfalls mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens eine wün schenswerte Impulsformung im Hinblick auf kürzere Impulsdauer und grössere Flankensteilheit erzielen.
Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen, wo ein praktisches Ausführungsbeispiel einer Impulserzeu- gungseinrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Das als Impulsgenerator wirkende magnetische Schichtelement besteht aus einer dünnen magnetischen Schicht 41, die durch einen Aufdampf- prozess oder ein Elektroplattierungsverfahren auf einen Träger 43 aufgebracht ist. Die Dicke der Ma gnetschicht 41 kann einige 100 oder 1000 A betra gen, wird im allgemeinen jedoch nicht über 30 000 A hinausgehen.
Die Schicht weist eine uniaxiale Aniso- tropie auf; die leichte Richtung ist durch einen Pfeil 45 bezeichnet. Der Träger 43 besteht aus einem dün nen Glasplättchen von einigen Zehntel Millimetern Dicke. Man kann jedoch auch anderes Trägermate rial verwenden, z. B. Kunststoff oder Tantal. In dem Beispiel von Fig. 4 wurde für das Schichtelement eine annähernd quadratische Form gewählt; die Kanten länge kann einige Millimeter bis etwa einen Zenti meter oder auch darüber betragen. Selbstverständlich sind auch andere Formen, z. B. runde, für das Schicht element zulässig.
Das Schichtelement ist von zwei, parallel zur Schichtebene angebrachten, schleifenför- migen und bandartigen Windungen, sogenannten Bandleitungen oder striplines umgeben. Die Band leitung 42 wirkt als Treiberleitung zur Aufbringung des äusseren Magnetfeldes; in ihrer Funktion ent spricht sie somit der Spule 22 in Fig. 2. Die Band leitung 44 wirkt als Signaldetektormittel, in welcher die kurzzeitigen Impulse induziert werden; in ihrer Funktion entspricht sie somit der Spule 24 in Fig. 2.
Die Achse der Bandleitung 42 bildet mit der leichten Richtung 45 der Magnetschicht einen Winkel von 90 - HO. Dieser Winkel ist nicht kritisch. Er beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 45 bis 80 unter Zu grundelegung des weiter oben als günstig bezeichne ten Winkels OH zwischen 10 und 45 . Es ist zur Erzielung eines guten Wirkungsgrads vorteilhaft, wenn die Bandleitungen das Schichtelement in seiner gan zen Kantenlänge umfassen und vollständig über decken.
Die Bandleitungen können auf dem Schicht element durch ein Aufdampfungs- oder Elektroplat- tierungsverfahren angebracht werden, um die Ab stände zwischen diesen Teilen auf ein Minimum zu beschränken und somit den Leistungsgrad auf ein Maximum zu bringen. Geeignete elektrische Isolie rungen, z. B. Siliziumoxydschichten, müssen selbst verständlich zwischen Bandleitern 42, 44 und der Magnetschicht 41 vorgesehen werden. Das erfindungsgemässe Impulserzeugungsverfah- ren hat ein weites Feld von Anwendungsmöglichkei ten.
Von besonderem Interesse ist hierbei die Impuls steuerung von durch dünne magnetische Schichten gebildeten Schalt- und Speicherelementen, die von ähnlicher Beschaffenheit sein mögen wie das zur Impulserzeugung verwendete Magnetschichtelement. Eine entsprechende Anordnung ist in Fig. 5 schema tisch dargestellt. Mittels eines Stromgenerators 51 wird über eine Bandleitung 52 einem als Impuls erzeuger wirkenden, dünnen magnetischen Schicht element 53 mit uniaxialer Anisotropie ein äusseres Magnetfeld überlagert, dessen Kraftlinien - wie bereits erwähnt - in der Ebene des Schichtelements unter einem spitzen Winkel von z. B. 10 bis 45 zur leichten Richtung 55 des Schichtelements ver laufen.
Die Amplitude des äusseren Magnetfeldes übersteigt dabei den durch die kritische Kurve fest gelegten Wert Hl;rit., so dass jeder Stromstoss des Generators 51 im Schichtelement ein Rotationsschal ten der Magnetisierung hervorruft, wodurch in der Bandleitung 54 ein extrem kurzer Spannungsimpuls verhältnismässig hoher Amplitude erzeugt wird. Die zu steuernden Schalt- oder Speicherelemente 56 sind kleine, dünne, magnetische Schichtelemente.
Die Achse der Bandleitung 54 verläuft parallel zur leich ten Richtung der Schichtelemente 56, so dass ein Impuls in der Leitung 54 die Magnetisierung der Elemente 56 in die harte Richtung auslenkt. Die Impulse in der Leitung 54 dienen somit zur Erzeu gung kurzzeitig wirksamer, magnetischer Treibfelder in bezug auf die zu steuernden Schalt- bzw. Speicher elemente 56.
Das erfindungsgemässe Impulserzeugungsverfah- ren kann auch vorteilhaft zum Informationauslesen aus dünnen Magnetschichtspeicherelementen benutzt werden. Wie vorhin erwähnt wurde, tritt ein Span nungsstoss auf, wenn sich der Magnetisierungsvektor M in der einen, z. B. in der 180 -Ausgangslage, und es tritt kein Spannungsstoss auf, wenn er sich in der anderen, also z. B. der 0 -Ausgangslage, befindet. Der Spannungsstoss oder Ausleseimpuls, der in der Signaldetektorwicklung auftritt, ist von hoher Ampli tude und kurzer Dauer.
Im allgemeinen ist es not wendig, ein Auslesesignal zur Weiterverarbeitung, z. B. in einem Rechenautomaten, zu verstärken; an statt an die Signaldetektorwicklung einen Lesever stärker direkt anzuschliessen, der den scharfen Lese impuls nur verflachen und somit in seiner Wirksam keit beeinträchtigen würde, ist es zweckmässig, die Schaltung nach Fig. 6 zu verwenden; diese wird an die beiden Anschlüsse 61, 62 am Ausgang der Signaldetektorwicklung 24 (Fig.2), angeschlossen. Mittels einer Hochfrequenzdiode 63, die z.
B. vom Avalanche-Typ sein kann, wird eine Spitzengleich richtung durchgeführt und eine Kapazität 64 aufge laden. Man erhält auf diese Weise eine sehr steil- flankige Potentialerhöhung an der Kapazität, und eine unerwünschte Verflachung des von der Signal detektorwicklung erhaltenen scharfen Impulses wird vermieden. Die an der Kapazität 64 erhaltene Span nung kann dann ohne weitere Schwierigkeiten durch eine gewöhnliche elektronische Verstärkereinrichtung 65 weiter verstärkt und an den Ausgangsklemmen 66, 67 des Verstärkers abgenommen werden.
Die Kapazität 64 hat im allgemeinen einen kleinen Wert und ist praktisch gegeben durch die Eingangskapazität eines hochohmigen Verstärkers.
Obgleich die grundsätzlichen und neuen Merk male der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungs- und Anwendungsformen eines neuen Impulserzeugungsverfahrens dargestellt und beschrieben wurden, können mannigfaltige Ände rungen in der Form und in Einzelheiten der hier dargestellten Ausführungs- und Anwendungsbeispiele sowie auch deren Wirkungsweise vorgenommen wer den, ohne dadurch den nachfolgend beanspruchten Geltungsbereich der Erfindung zu verlassen.
Method for generating short-term electrical pulses and a device for carrying out the method The present invention relates to a method for generating short-term electrical pulses with a steep edge as well as a device for carrying out the method.
It is known to use electron tube or semiconductor circuits, e.g. B. using transistors to generate relatively short-term pulses in the order of magnitude of microseconds (1, cis = 10-6 s). However, these methods require a relatively large amount of circuitry. Another known method of generating short and steep pulses is e.g. B. in charging a conductor piece of a coaxial cable through a resistor and discharging it through a coaxially angeord netes Hg relay. In this way, pulses are obtained whose duration is fractions of microseconds. However, pulse generators of the last-mentioned type have repetition frequencies up to a maximum of 100 Hz, depending on the design of the relay.
It is therefore not possible with such devices to generate short-term pulses in a rapid succession of e.g. B. to generate some kilohertz or megahertz conditions.
In the present invention, the switching properties of thin magnetic film elements having uniaxial anisotropy, i.e. H. uniaxial preferred direction made use of for the magnetization.
It is known that thin layers of magnetizable material, the thickness of which is on the order of magnitude less than about 30,000 Å (1 A = 10-S cm), have a uniaxial magnetic anisotropy, ie. H. can be produced with a uniaxial preferred direction of magnetization. In the case of these layers, the magnetization has the tendency, in the absence of an external magnetic field, to set itself parallel to a certain preferred direction, the so-called easy direction. The direction perpendicular to the easy direction in the layer plane is usually referred to as the hard direction.
For the magnetization of a thin magnetic layer with uniaxial anisotropy, there are basically two stable equilibrium or starting positions without an external magnetic field, namely the one of 0 and that of 180 with respect to the easy direction.
If a thin magnetic layer with uniaxial anisotropy is exposed to an external magnetic field whose lines of force do not run parallel to the easy direction and whose amplitude is greater than a certain critical field strength, the magnetization of the layer rotates in a largely coherent switching process easy direction out. In general, this type of switching over of the magnetization in thin magnetic layers is also referred to as rotational switching.
If the external magnetic field is switched off again, the previously deflected magnetization automatically turns back into the next adjacent position (0 or 180) parallel to the easy direction. The rotational switching of the magnetization of a thin layer when an external magnetic field is applied takes place extremely quickly with switching times in the order of magnitude of nanoseconds or fractions thereof.
It is an aim of the present invention to provide a method for generating short-term electrical pulses, the duration of the pulses being a few nanoseconds (1 ns = 10-9 s).
It is a further purpose of this invention to generate sequences of short-term pulses with a high repetition frequency. Furthermore, the purpose of this invention is to achieve pulses or potential changes with an extraordinarily large edge steepness.
Furthermore, it is a purpose of this invention to specify a device for carrying out the method according to the invention, which is simple and cheap to manufacture and can be implemented with little complexity in terms of circuitry.
The method according to the invention is characterized in that the magnetization of a thin magnetic layer with uniaxial anisotropy has a time-variable, external magnetic field with lines of force running parallel to the plane of the layer and at an acute angle to the axis of the easy direction of the layer and an amplitude that is greater than the the critical field strength for rotary switching belonging to the acute angle in question is exposed, which magnetic field has such a polarity that the magnetization is switched by more than 90,
and that the change in the magnetic flux caused by the switching of the magnetization is detected by a signal detector.
The device for carrying out the method according to the invention, which is also the subject of the present invention, is characterized in that a switching element consisting of a thin magnetic layer with uniaxial anisotropy is provided, which is operatively connected to first means for generating a temporally variable magnetic field, These means are arranged so that the lines of force of the magnetic field run parallel to the plane of the layer and at an acute angle to the axis of the easy direction of the layer element, and that second means are provided which are capable of switching over the magnetization of the layer element Detect changes in the magnetic flux in the manner of a signal detector.
The pulses obtained in the manner described can be used with particular advantage for controlling and also for reading out information from switching and storage elements formed by thin magnetic layers. In order to obtain sufficiently strong output signals from such magnetic switching and storage elements known to those skilled in the art, the switching of the magnetization into or out of the hard direction used for signaling or storage must take place in the shortest possible time.
The brief pulses required for these switching purposes, in particular for generating the driving fields, can advantageously be generated by means of the method according to the invention.
Further objectives and advantages of the present invention are further elaborated and explained in the following description with reference to the accompanying drawings, it being pointed out, however, that the embodiment shown only serves to illustrate the general inventive concept and that of course other embodiments and examples of use of this invention are possible and can be designed based on the same basic idea.
1 shows a critical curve which characterizes the switching behavior of magnetic layer elements as used in the invention; 2 schematically shows an example of a device for carrying out the method according to the invention for generating short-term electrical pulses; 3a and 36 diagrams of an external alternating field generated by a driver current and the short-term pulses obtained in the signal detector line; 4 shows an embodiment of a device for generating brief electrical pulses according to the invention;
5 schematically shows the application of the method according to the invention for generating pulse-shaped driving fields for the control of magnetic switching and storage elements, and FIG. 6 shows a circuit arrangement for amplifying the pulse-shaped voltage surges obtained in the signal detector line.
Reference is now made to FIG. 1, in which a so-called critical curve 11 of a thin magnetic layer with uniaxial magnetic anisotropy is shown. The critical curve limits the field strength range in which rotary switching takes place compared to the range in which no switching of the magnetization or significantly slower so-called wall switching processes occur, which the latter are of no interest in this context.
The field strength defined by the critical curve is called the critical field strength for rotary switching. As is known, the critical curve known from the literature can be used to determine the direction of deflection in which the magnetization or the magnetization vector M of the layer is established when an external magnetic field H is applied. As already mentioned, the direction to which the magnetization vector M of the layer is parallel in the absence of an external field is designated as the easy direction 12 and the direction perpendicular thereto as the hard direction 13.
The axes of the critical curve, which represents an asteroid, coincide with the easy or hard direction (H _, - or <I> H ,: </I> axis). For the sake of clarity of the illustration, an angle counting should be introduced, according to which the 0 position corresponds to the magnetization of the + H, axis and the 180 position corresponds to the magnetization of the -H, axis. Without an external magnetic field, the two stable equilibrium or initial positions of 0 and 180 exist for the magnetization vector M.
If, however, an external magnetic field H is present in the layer plane which deviates from the easy direction by an angle <B> 0 </B>, then - as already mentioned - the magnetization vector is rotated or deflected from its easy direction. The direction of deflection of the magnetization vector M for any external magnetic field H can - as is known to the person skilled in the art and as can be shown by mathematical-physical considerations - be generally determined from the critical curve,
by plotting the H vector from the origin of the coordinates and drawing the tangent or tangents from the tip of the H vector to those parts of the critical curve that lie in the same half-plane (upper or lower) as the tip of the H -Vector. By looking at the critical curve 11 shown in FIG. 1, it can be seen that, depending on the position of the tip of an H vector with respect to the critical curve, one or two energetically stable deflection or equilibrium positions are present for M.
If the tip 14 of an H-vector lies within the critical curve, e.g. B. in the upper half-plane, two, such an energetically stable equilibrium for M characterizing tangents 15 and 16 to the critical curve running in the upper half-plane draw NEN, and there are so for the magnetization vector M two, indicated by the tangent directions , stable equilibrium positions M 15 and M 16.
If the tip 17 of an H vector lies outside the critical curve (in the upper half-plane), only one tangent 18, which characterizes an energetically stable equilibrium for M, can be drawn to the critical curve in the upper half-plane, and there is for M only a single stable equilibrium position M 18, indicated by the corresponding tangent direction, exceeds the tip of an H vector with a corresponding increase in the external magnetic field H, the critical curve at a critical point 19, i.e.
That is, if the external field becomes greater than the critical field strength Hi "it. belonging to the relevant angle 0 for rotary switching, one of the previously existing two equilibrium positions for the magnetization vector M disappears, which is possibly associated with a sudden switch from M into the new position, namely in the example shown when the starting position for M was the 180 position and thus a transition from <I> M </I> 15 to <I> M </I> 18 must take place .
According to the invention, this extremely rapid rotary switching process is used to generate brief pulses.
To explain the method according to the invention, reference is made to FIG. 2, where an embodiment for carrying out the method is shown in a schematic representation. There is a thin magnetic layer 21 with uniaxial magnetic anisotropy, the easy direction of which is indicated by a double arrow.
The turns of a coil 22 symbolize the means for generating an external magnetic field H running parallel to the plane of the layer 21, the lines of force 23 of which run at an angle <B> 0 </B> with respect to the easy direction, namely may the angle O be at an acute angle with respect to the 0 position or + H axis (see. Fig. 1).
The angle O is not critical: however, it will advantageously be chosen so that the greatest possible change in the magnetic flux occurs when the magnetization vector suddenly switches to the new position. It is beneficial to choose angle 0 between 10 and 45.
The change in the magnetic flux caused by switching the magnetization is detected by a suitable signal detector, which is symbolically represented in FIG. 2 by the turns of a second coil 24. The axes of the two coils 22 and 24 can form any angle with one another. If their axes are perpendicular to each other, there is an optimal magnetic decoupling between the two coils.
The coil 22 is via a switch 25 to a power generating means 26, for. B. an alternating current generator, while the coil 24 is connected to a voltage indicator, a consumer or amplifier 27 via the terminals 61, 62. It is assumed that the magnetization vector of the magnetic layer element is originally in the 180 ° starting position, represented by the vector M 28.
If, when the switch 25 is closed, the alternating current generator 26 generates a positive half-wave, for example, an external magnetic field H arises as a result of the current flow through the coil 22 with respect to the magnetic layer element 21, which deflects the magnetization vector from its 180 - starting position M 28 clockwise, see above that it goes through the position indicated by the direction of M 15 (see. Fig. 1).
With increasing current, of course, the field strength of the external magnetic field also increases, until finally the critical field strength for rotary switching, i.e. H. the critical point 19 drawn in FIG. 1 is exceeded. At this moment, the magnetization vector M switches abruptly into the new, approximately by the direction of M 18 (see. Fig. 1) characterized equilibrium position, which takes place quickly, the considerable, temporal change in the magnetic flux d @ in the detector coil 24 is connected.
This in turn causes the induction of a voltage pulse in the coil 24, which is indicated by the voltmeter 27 or fed to the consumer. When the positive half-wave of the alternating current subsides, the magnetization vector M finally changes into the 0 equilibrium position M 29. When the negative half-wave occurs, the magnetization vector is deflected clockwise from the 0 position M 29, so that it passes through the position indicated by the direction of M 35 (cf. FIG. 1).
As the negative current increases, the critical field strength Hkr; t also finally becomes like that. exceeded (now, of course, with opposite polarity than before), with a sudden switchover of the magnetization vector M into the new equilibrium position characterized approximately by the direction of M 3 8 (see FIG. 1).
This is again with a rapid, considerable change in the magnetic flux over time (large
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) connected with respect to the detector coil 24, which again induces a (now negative) voltage pulse in the coil 24 results. When the negative half-wave of the alternating current subsides, the magnetization vector finally changes to the 180 - equilibrium position M 28, which was assumed in the above consideration, and the mode of operation already described is repeated.
The time course of the external alternating magnetic field acting on the magnetic layer element due to the driver current in the coil 22 is shown in FIG. The value of the critical field strength HI ";,. Is given here at least in the order of magnitude; it is a few, about 2 to 8 Örsted. HI";,.
is shown in the diagram. Fig. 3b shows the in the detector coil 24 when the critical field strength Hhr is exceeded; c. pulsed voltage surges induced by the external alternating field as a result of the switching of the magnetization vector in a new direction, as was explained in detail above with reference to FIG.
The steep-edged voltage surges obtained in this way have a duration in the order of magnitude of nanoseconds or less. They pick themselves up again with a repetition frequency that is the same as the frequency of the external alternating field. With this method it is possible to obtain repetition frequencies of up to 100 MHz and above. There is no lower frequency limit; this process can of course also be used to generate individual pulses.
One advantage of this method is that at the beginning of the pulse generation process it is not absolutely necessary for the magnetization vector M to be in a certain starting position, e.g. B. as assumed above, in the 180 - position M 28 at the beginning of the positive half-wave of the driver current.
If the magnetization vector is in the 0 starting position M 29 at the beginning of the positive half-wave, the first voltage pulse is not received, since in this case only a transition from M 16 to Ml 8 (cf.
Fig. 1) takes place, with no significant change in the magnetic flow tables with respect to the detector coil 24 comes about. When the positive half-wave subsides, however, the magnetization vector returns to the 0 position M 29, which - as can be seen from the above description - represents the desired starting position for the start of the negative half-wave. From now on, the pulse generation process proceeds as explained above. The driver current to generate the external Ma gnetfeldes by no means - as previously assumed men - a z.
B. to be sinusoidal alternating current. The pulse generating device can also be operated with pulse-shaped drive currents. As long as the rise time of the drive pulses lasts longer than the rotational switching of the magnetization vector of the layer element, the method according to the invention can be used to achieve a desirable pulse shaping with regard to shorter pulse duration and greater edge steepness.
Reference is now made to FIG. 4, which shows a practical embodiment of a pulse generating device according to the present invention. The magnetic layer element acting as a pulse generator consists of a thin magnetic layer 41 which is applied to a carrier 43 by a vapor deposition process or an electroplating process. The thickness of the magnetic layer 41 can be a few 100 or 1000 Å, but will generally not exceed 30,000 Å.
The layer has a uniaxial anisotropy; the easy direction is indicated by an arrow 45. The carrier 43 consists of a thin glass plate a few tenths of a millimeter thick. However, you can also use other carrier mate rial, for. B. plastic or tantalum. In the example of FIG. 4, an approximately square shape was chosen for the layer element; the edge length can be a few millimeters to about a centimeter or more. Of course, other forms are also possible, e.g. B. round, allowed for the layer element.
The layer element is surrounded by two loop-shaped and ribbon-like windings, so-called ribbon conductors or striplines, attached parallel to the layer plane. The ribbon line 42 acts as a driver line for applying the external magnetic field; in its function it thus corresponds to the coil 22 in Fig. 2. The tape line 44 acts as a signal detector means in which the short-term pulses are induced; in its function it thus corresponds to the coil 24 in FIG. 2.
The axis of the ribbon line 42 forms an angle of 90 - HO with the easy direction 45 of the magnetic layer. This angle is not critical. In the exemplary embodiment, it is approximately 45 to 80 based on the angle OH between 10 and 45 which was described above as being favorable. To achieve good efficiency, it is advantageous if the strip lines encompass the layer element in its entire edge length and completely cover it.
The ribbon cables can be attached to the layer element by a vapor deposition or electroplating process in order to limit the distances between these parts to a minimum and thus to maximize the level of performance. Suitable electrical Isolie ments, z. B. silicon oxide layers must of course be provided between strip conductors 42, 44 and the magnetic layer 41. The pulse generation method according to the invention has a wide range of possible uses.
Of particular interest here is the pulse control of switching and storage elements formed by thin magnetic layers, which may be of a similar nature to the magnetic layer element used for pulse generation. A corresponding arrangement is shown schematically in FIG. 5. By means of a current generator 51 an external magnetic field is superimposed over a ribbon line 52 acting as a pulse generator, thin magnetic layer element 53 with uniaxial anisotropy, the lines of force - as already mentioned - in the plane of the layer element at an acute angle of z. B. 10 to 45 to the easy direction 55 of the layer element run ver.
The amplitude of the external magnetic field exceeds the value Hl; rit determined by the critical curve, so that every current surge of the generator 51 in the layer element causes a rotational switching of the magnetization, whereby an extremely short voltage pulse of relatively high amplitude is generated in the ribbon line 54 . The switching or memory elements 56 to be controlled are small, thin, magnetic layer elements.
The axis of the ribbon line 54 runs parallel to the easy direction of the layer elements 56, so that a pulse in the line 54 deflects the magnetization of the elements 56 in the hard direction. The pulses in the line 54 thus serve to generate briefly effective magnetic driving fields with respect to the switching or storage elements 56 to be controlled.
The pulse generation method according to the invention can also be used advantageously for reading out information from thin magnetic layer storage elements. As mentioned earlier, a voltage surge occurs when the magnetization vector M in the one, z. B. in the 180 starting position, and there is no voltage surge when he is in the other, so z. B. the 0 starting position is located. The voltage surge or readout pulse that occurs in the signal detector winding is of high amplitude and short duration.
In general, it is not agile, a read signal for further processing, z. B. in a computer to amplify; instead of directly connecting a reader to the signal detector winding, which would only flatten the sharp read pulse and thus impair its effectiveness, it is useful to use the circuit according to FIG. 6; this is connected to the two connections 61, 62 at the output of the signal detector winding 24 (FIG. 2). By means of a high frequency diode 63, the z.
B. may be of the avalanche type, a peak rectification is carried out and a capacity 64 load up. In this way, a very steep-edged increase in potential at the capacitance is obtained, and an undesirable flattening of the sharp pulse received from the signal detector winding is avoided. The voltage obtained at the capacitance 64 can then be further amplified without further difficulties by an ordinary electronic amplifier device 65 and taken from the output terminals 66, 67 of the amplifier.
The capacitance 64 generally has a small value and is practically given by the input capacitance of a high-impedance amplifier.
Although the basic and new features of the present invention with reference to preferred embodiments and application forms of a new pulse generation method have been shown and described, various changes in the form and details of the embodiments and application examples shown here as well as their mode of action can be made to who without thereby leaving the scope of the invention claimed below.