Schaltelement mit einem Supraleiter Es ist bekannt, dass bei Abkühlung gewisser Lei termaterialien, beispielsweise Zinn, Blei, Tantal oder Niob auf eine tiefe Temperatur, die für das betref fende Material charakteristische sogenannte Sprung- temperatur, der Zustand der Supraleitfähigkeit ein tritt, bei dem der elektrische Widerstand vollständig verschwindet.
Wird jedoch der elektrische Strom im betreffenden Leiter, welcher beispielsweise draht- oder schichtförmig ausgebildet sein kann, über einen bestimmten, von der Temperatur abhängigen Wert, den sogenannten kritischen Strom, erhöht, so zeigt der Leiter wieder einen elektrischen Widerstand, wel cher dem Normalleitzustand entspricht. Die erwähnte Tatsache, dass der elektrische Widerstand im Supra- leitzustand absolut Null ist, hat auch zur Folge, dass ein einmal in einem supraleitenden Körper zum Zir kulieren gebrachter Strom andauernd weiterfliesst.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Nutzanwendung dieser bekannten Erscheinungen.- Sie betrifft ein Schaltelement, welches gekennzeichnet ist durch einen Supraleiter mit mindestens einer elek trischen Symmetrieachse, einem Signal-Klemmenpaar und einem auf der Symmetrieachse angeordneten Erreger-Klemmenpaar, wobei die genannten Klem men den Supraleiter nach Art einer Brückenschal tung in vier Abschnitte teilen, so dass der übergang zwischen Supraleitzustand und Normalleitzustand im Supraleiter durch den Erregungsstrom und den Si gnalstrom steuerbar ist.
Auf dieser Grundlage lassen sich Schaltelemente bauen, welche sowohl die logischen Operationen Und , Oder und Nicht als auch Speicher funktionen auszuführen imstande sind. Solche Schalt elemente sind leicht herstellbar, können sehr klein ausgebildet werden und zeichnen sich durch hohe Stabilität und grosse Wirkungsgeschwindigkeit aus. Deren niedriger Leistungskonsum macht sie vor allem für die Anwendung in elektronischen Rechenma schinen, Schalteinrichtungen und Regelgeräten ge eignet.
Verschiedene Ausführungsbeispiele sollen nach stehend anhand der Zeichnung beschrieben werden. Fig. 1 und 2 sind graphische Darstellungen zur Erläuterung des Supraleitzustandes.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung zur Erläu terung der Wirkungsweise.
Fig.5 und 6 zeigen schematisch zwei verschie dene Rechenkreise unter Verwendung mehrerer er findungsgemässer Schaltelemente.
Fig.7 ist das Diagramm einer Impulsfolge zur Steuerung der Rechenkreise nach Fig. 5 und 6.
Fig. 8a und 8b zeigen Beispiele von Rechenkrei sen mit mehreren Eingängen.
Fig.9a und 9b stellen sogenannte Nicht - oder Umkehrkreise dar.
Fig.10 zeigt einen Oder -Kreis. Fig.ll zeigt einen Und -Kreis.
Fig. 12 bis 17 veranschaulichen weitere Gestal tungsmöglichkeiten des Schaltelementes.
Fig.18 und 19 zeigen Beispiele des Schaltele mentes in der Ausgestaltung als Speicherelement. Fig. 20 bis 24 dienen zur Erläuterung der- Wir kungsweise des Speicherelementes.
Fig. 25a und 25b veranschaulichen die Form der Ausgangsimpulse des Speicherelementes.
Fig.26 zeigt eine Ausführung des Speicherele mentes mit separaten Leseanschlüssen.
Fig. 27 zeigt schematisch mehrere Schaltelemente in Matrizenanordnung, und Fig.28 ist das Schaltschema einer Kombination eines Rechenelementes und eines Speicherelementes.
Bei Abkühlung eines Leiters, beispielsweise in Draht- oder Schichtform aus supraleitfähigem Mate rial, beispielsweise Zinn, Blei, Tantal oder Niob auf eine Temperatur TI, welche unterhalb der Sprung temperatur Tc liegt, tritt bekanntlich der Supraleit- zustand ein, welcher sich durch das Fehlen jeglichen elektrischen Widerstandes auszeichnet.
Übersteigt je doch ein in einem solchen Leiter fliessender Strom einen bestimmten Wert 1c (kritischer Strom), welcher eine Funktion der Temperatur ist, so stellt sich ein elektrischer Widerstand entsprechend dem Normal- leitzustand des Materials ein. Zwischen dem kriti schen Strom Ic und der Temperatur T1 besteht im allgemeinen ein Zusammenhang, wie er in Fig.l dar gestellt ist. Die Abhängigkeit des elektrischen Wider standes vom Strom zeigt einen typischen Verlauf, wie er aus Fig. 2 hervorgeht.
Der reversible Übergang zwischen Supraleitzu- stand und Normalleitzustand kann nun für die Wir kungsweise von logischen Schaltelementen oder Spei cherelementen ausgenützt werden. In Fig.3 ist ein ringförmiger Leiter aus supraleitfähigem Material dargestellt. Die dargestellte Form ist jedoch nicht massgebend, sondern es kann auch beispielsweise ein Rechteck oder irgend eine andere Form mit zwei einander rechtwinklig kreuzenden elektrischen Sym metrieachsen für ein Rechenelement in Frage kom men.
An vier auf den genannten Symmetrieachsen liegenden Punkten<I>A, B, C, D</I> sind elektrische An schlussklemmen vorgesehen. Diese Klemmen unter teilen den Ring nach Art einer Brückenschaltung in vier gleiche Abschnitte <B><I>A -D,</I></B><I> B -D,</I> B-C und C-A, welche mit<I>a, b,</I> c und<I>d</I> bezeichnet sind.
Fliesst nun über die Klemmen A-B ein Strom 2 1o und über die Klemmen C-D ein Strom 2 Il in der eingezeich neten Richtung, so fliesst durch die Abschnitte a und c der Strom 1o <I>+</I> h und über die Abschnitte b und<I>d</I> der Strom Iah. Es sei nun angenommen, dass die Werte für die Ströme 1, 1o und Il gemäss Fig.4 eingestellt sind, das heisst,
dass 1o etwas klei ner und die Summe 1o <I>+</I> Il beträchtlich grösser seien als der kritische Strom I, Fliesst nun zunächst nur der Strom 2<B>10</B> von der Klemme A nach der Klemme B, so verteilt sich die ser gleichmässig auf die beiden Zweige ACB und ADB, durch alle vier Abschnitte <I>a, b, c,
d</I> fliesst somit der Strom 1o und jeder Abschnitt ist supra- leitend. Fliesst jedoch zusätzlich der Strom 2 Il von der Klemme C nach der Klemme D, so stellen sich in jedem Abschnitt die Stromwerte gemäss Fig. 3 ein, und die Abschnitte a und c nehmen den Normal- leitzustand an, während die Abschnitte <I>b</I> und<I>d</I> im Supraleitzustand verharren.
Sobald einer der beiden zugeleiteten Ströme unterbrochen wird, kehren na türlich alle vier Abschnitte in den Supraleitzustand zurück. Wird ferner die Richtung des einen oder des anderen Stromes gegenüber Fig.3 gewechselt, so werden die Abschnitte b und d normalleitend und die Abschnitte a und c supraleitend, währenddem bei Richtungsumkehr beider Ströme die Verhältnisse gegenüber Fig.3 unverändert bleiben.
Ist die Über gangscharakteristik zwischen dem Supraleitzustand und dem Normalleitzustand sehr steil, so kann der Strom Il entsprechend klein gehalten werden, und die Umschaltung zwischen den beiden Leitungszu ständen lässt sich durch einen sehr schwachen Strom 2 Il zwischen den Klemmen C und D steuern.
Die zwischen den Klemmen<I>A</I> und<I>D</I> in Fig.3 entstehende Spannung kann als Ausgangsspannung benützt werden. Zwischen diesen Klemmen besteht ein Widerstand R" im Falle des Normalleitzustan- des, und die Ausgangsspannung ist dann gleich (I. -I-11) Rn 5:z#- Ie, R. .@' I. <I>R..</I>
Soll ein gleiches Schaltelement der nachfolgen den Stufe durch diese Ausgangsspannung gesteuert werden, so kann der Belastungswiderstand, falls dieses Element sich im Supraleitzustand befindet, als Null angenommen werden, und der Ausgangsstrom ist dann:
EMI0002.0089
Da der erforderliche Eingangs- oder Signalstrom 2 h beträgt, so wird eine Stromverstärkung
EMI0002.0092
erreicht. Da nun, wie oben beschrieben, 1o <I>></I> Il, so lässt sich eine sehr hohe Stromverstärkung erzielen.
Diese Stromverstärkung lässt nun das beschrie bene Schaltelement mit Vorteil einsetzen für ver schiedene übliche Schaltoperationen, beispielsweise in Flip-Flop- und Binär-Zählkreisen und als majori tätsgesteuerte Rechenelemente, wie nachstehend be schrieben.
Fig.5 ist das Schaltschema eines Rechenkreises mit mehreren Schaltelementen gemäss Fig.3. Wird ein Steuerstrom 2 h über die Signalklemmen 1 und 2 zugeführt, so wird zunächst das Schaltelement I wie beschrieben in den Normalleitzustand versetzt. Der von links in Fig.5 zugeführte Signalstrom wird dabei durch die Widerstände R., vom Element 1I und den nachfolgenden Elementen ferngehalten.
Es entstehen im Element I Spannungen zwischen den Klemmen<I>A</I> und<I>D</I> sowie zwischen den Klemmen C und B, welche Spannungen als Ausgangsspannung zwischen den Klemmen C und D erscheinen, da die Abschnitte A-C und B -D supraleitend und deren Widerstand deshalb Null ist. Dieser Ausgang bewirkt einen Steuerstrom, welcher über die Widerstände R, das Element<B>11</B> beeinflusst. Es ist von Vorteil, die Widerstände R2 innerhalb der durch die Stromverstärkung gegebenen Grenze möglichst gross zu wählen, wodurch die Rückwir kung auf das Element I vermindert wird.
Der Schalt zustand kann fortschreitend auf die nachfolgenden Rechenelemente weitergegeben werden. Hierfür ist eine Dreiphasen-Impulsfolge gemäss Fig.7 für den Erregerstrom 2 1,, besonders geeignet, wobei die Phase I auf die Erregerklemmen der Elemente I, IV, VII..., die Phase 1I auf die Erregerklemmen der Elemente 1I, V, VIII... und die Phase III auf die Erregerklemmen der Elemente 11I, VI, IX<B>...</B> geschaltet wird.
In gewissen Fällen ist es vorteilhaft, die aufein anderfolgenden Stufen bzw. Rechenelemente elektro magnetisch zu koppeln, wie in Fig.6 schematisch dargestellt. Eine sehr einfache und dabei praktisch ideale Kopplung wird durch zwei einander benach barte, einzelne Windungen eines Supraleiters bewirkt.
Werden die Signalklemmen mit mehreren Ein gängen versehen (Fig.8a und 8b), so ist für die zustandekommende Steuerung die Majorität der Signale massgebend. Ein sogenannter Nicht - oder Umkehrkreis lässt sich sehr einfach durch Vertau schen der die Kopplung zwischen äufeinanderfolgen- den Stufen bewirkenden Leiter verwirklichen (Fig. 9a und 9b).
Ein Oder - bzw. Und -Rechenkreis l'ässt sich ferner durch ein majoritätsgesteuertes Rechen element mit nachgeschaltetem normalem Ausgangs element gemäss Fig.10 und 11 darstellen.
Das Rechenelement 1'ässt sich nicht nur, wie be schrieben, durch einen Kreisring darstellen, sondern auch durch andere Formen, beispielsweise ein Qua drat, Rechteck, Kreis, Quadratring usw., wobei je doch immer zwei einander rechtwinklig schneidende Symmetrieachsen vorhanden sein müssen.
Es braucht jedoch nicht unbedingt Symmetrie im geometrischen Sinne, sondern nur in. bezug auf die elektrischen Eigenschaften vorzuliegen. So kann beispielsweise der Zweig ACB kurz und dünn und der Zweig ADB entsprechend länger und dicker sein (Fig. 17), wobei die Wirkungsweise dieselbe ist wie beschrieben, obwohl die Klemmen<I>A</I> und<I>B</I> nicht auf einer geometrischen Symmetrieachse liegen.
Im Gegensatz zu den beschriebenen Rechenele menten kann das Schaltelement auch als Speicher element ausgebildet werden. Hierfür wird die Tat sache ausgenutzt, dass ein in einem Supraleiter her vorgerufener Kreisstrom dauernd erhalten bleibt, da sich ein elektrischer Widerstand im Supraleitzustand nicht bemerkbar macht. Bei den beschriebenen Rechenelementen waren sowohl das Signal-Klem- menpaar als auch das Erreger-Klemmenpaar auf einer elektrischen Symmetrieachse angeordnet.
Beim nachstehend beschriebenen Speicherelement liegt hin gegen nur das Erreger-Klemmenpaar auf einer Sym metrieachse, währenddem das Eingabe- bzw. Lese- Klemmenpaar gegenüber der zweiten Symmetrieachse verschoben angebracht ist. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Speicher elementes ist in Fig.18 dargestellt. Die Erreger klemmen sind an Punkten<I>A</I> und<I>B</I> eines ring- förmigen Supraleiters angeordnet, durch welche der Ring in zwei gleiche Zweige zwischen den Klemmen A und B aufgeteilt wird.
Die geo metrische Form des Supraleiters braucht jedoch nicht ein Kreisring zu sein, wenn nur ein geschlos sener Stromkreis mit einer elektrischen Symme trieachse gegeben ist. Eine beispielsweise weitere Ausführungsform zeigt Fig.19. Ferner sind zwei Klemmen C und D vorgesehen, welche bezüglich der Klemmen<I>A</I> und<I>B</I> unsymmetrisch liegen.
Ein zwischen den Klemmen<I>A</I> und<I>B</I> fliessender Strom 2 1o verteilt sich zu gleichen Teilen auf dieZweige ACB undADB, welche somit je den Strom 1o führen.
Ist der Strom 1" kleiner als der kritische Strom 1, so blei ben beide Zweige supraleitend. Fliesst ferner zwischen den Klemmen C und D ein. Strom 1, so verzweigt sich dieser in einen Teilstrom Il über den Zweig <I>CAD</I> und einen Teilstrom 12 über den Zweig CBD. Es ist also<I>1=</I> Il <I>+ 12,</I> wobei die Teilströme zu einander im umgekehrten Verhältnis der Induktivi- täten der beiden Zweige stehen.
Bezeichnet also L1 die Induktivität des Zweiges<I>CAD</I> und L2 die In duktivität des Zweiges CBD, so ist
EMI0003.0074
Wird der Einfachheit halber L1 <I> < </I> L2 angenom men, so ist Il <I>> 12.</I> Bei den in. Fig. 20 eingetragenen Stromrichtungen fliessen über die einzelnen Ab schnitte die folgenden Ströme:
Abschnitt A-D: Io+ll, Abschnitt<I>A - C:</I> 10-11, Abschnitt C-B: 10+12 und Abschnitt D-B: I.-I..
Der Strom 1o+11 ist in diesem Fall am grössten. Dieser Strom, welcher im Abschnitt A-D fliesst, wird somit bei ansteigenden Strömen als erster den kritischen Strom I" erreichen, und dieser Abschnitt wird als erster den Normalleitzustand annehmen. Bei weiterem Ansteigen des Stromes 1 wird nur der Strom 12 grösser werden, da die andern drei Abschnitte noch supraleitend sind.
Von diesen Abschnitten wird also der Abschnitt C-B als nächster den Normal leitzustand annehmen, nämlich dann, wenn der in ihm fliessende Strom 10+12 den kritischen Strom 1', erreicht. Es soll nun aber der Fall näher betrachtet werden, wenn gerade der Abschnitt A -D in den Normalleitzustand übergegangen ist, der Abschnitt C-B aber noch nicht.
In diesem Fall gilt 1o+11= I, <I>und</I> <I>1" 1-11</I> Somit ist Il -1,-1o und <I>12</I> =1.-1,+1o Dieser Zustand ist aber gleichwertig mit dem Vor handensein der nachstehenden in Fig.21 eingetra genen Ströme:
EMI0004.0003
falls man setzt h = Ii <I>-</I> Iä L, <I>=</I> 12'+I3 Wird nun in diesem Zustand der Strom I unter brochen, so verschwindet der Strom
EMI0004.0011
vom Zweig<I>CAD</I> und der Strom
EMI0004.0013
vom Zweig CBD, hingegen fliesst der Kreisstrom 1'3 weiter, so dass der in Fig. 22 dargestellte Zustand herrscht.
In diesem Zustand kehrt jeder der Zweige in den Supraleitzustand zu rück und der Kreisstrom 1'3 bleibt bestehen. Wird ferner auch der Strom 2 1o zwischen den Klemmen <I>A</I> und<I>B</I> unterbrochen, so fliesst nur noch der Kreis strom 1'3 (Fig. 23).
Es ist klar, dass bei Umkehr der Stromrichtung zwischen den Klemmen C und D auch die Richtung des Stromes 1'; umgekehrt ist. Die Zirkulationsrich- tung dieses Kreisstromes im Supraleitzustand ist also charakteristisch für die Polarität des Stromes I, welche Tatsache dem beschriebenen Schaltelement die Eigenschaften eines Speicherelementes verleiht. Liegt ferner der Strom 1o nur wenig unter dem kri tischen Wert I, so kann die beschriebene Erschei nung bereits durch einen schwachen Signalimpuls 1 hervorgerufen werden.
Der beschriebene Vorgang entspricht der Ein gabe einer Information in das Speicherelement. Nach stehend soll der Vorgang des Lesens der gespeicher ten Information erläutert werden. Nach erfolgter Ein gabe im Speicherelement sind nur die beiden Zu stände möglich, dass der Kreisstrom entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn zirkuliert. Es sei der Einfachheit halber angenommen, dass der Strom, wie in Fig. 23 dargestellt, im Gegenuhrzeiger sinn zirkuliert.
In diesem Fall ist beim Vorhanden sein eines Stromes 2 1o von der Klemme A nach der Klemme B der Zustand nach Fig.22 gegeben. Es fliesst dann über den Zweig ACB der Strom Io+F3 und über den Zweig ADB der Strom l0-1'3, und da 1o+1'3 <I> < 1,</I> sind sämtliche Abschnitte supra- leitend.
Es gilt aber
EMI0004.0049
und es ist deshalb erforderlich, dass die Grösse des Stromes I bei der Eingabe so gewählt wird, dass die Bedingung
EMI0004.0051
erfüllt ist.
Fliesst nun ein Lesestrom i zwischen den Klem men C und D, so verzweigt sich dieser in einen Teilstrom
EMI0004.0053
über den Zweig<I>CAD</I> und einen Teilstrom
EMI0004.0054
über den Zweig CBD, so dass der Zustand nach Fig.24 herrscht. Der Strom Io-f-F_,+i, im Abschnitt C-B ist dann der grösste und wird zuerst den kri tischen Wert 1" erreichen. Ist dieser Wert einmal erreicht, so kann der Strom im Abschnitt C-B nicht weiter ansteigen.
Für den Fall, dass der bei der Klemme C zufliessende Lesestrom linear mit der Zeit zunimmt, so wird im Augenblick, da der Strom I"+1'3+i@ den Wert I, erreicht, der Strom durch den Zweig CBD nicht weiter ansteigen, sondern kon stant bleiben. Gleichzeitig wird hingegen der Strom durch den Zweig<I>CAD</I> eine hohe Anstiegsgeschwin digkeit annehmen. Da aber die beiden Zweige zwei Induktivitäten darstellen, in denen verschiedene An stiegsgeschwindigkeiten des Stromes herrschen, ent steht zwischen den Klemmen<I>A</I> und<I>B</I> ein Spannungs impuls gemäss Fig.25a.
Im Falle, dass die Richtungen der an den Klem men A und C zufliessenden Ströme gleich belassen werden, der Strom 1'3 hingegen umgekehrt, also im Uhrzeigersinne zirkuliert, weist auch der an den Klemmen <I>A</I> und<I>B</I> auftretende Spannungsimpuls die gegenüber Fig.25a umgekehrte Polarität auf (Fig.25b). Es wird also ein Lesesignal gewonnen, dessen Polarität der Zirkulationsrichtung des Stro mes I'3 und damit der Polarität des gespeicherten Signals entspricht.
Wird beim beschriebenen Speicherelement der Strom 2 1o über das Erreger-Klemmenpaar auf einen geeigneten Wert eingestellt, so arbeitet das Speicher element auch mit kleinem Speicherstrom 1 bzw. Lese- Strom i zwischen dem Signal-Klemmenpaar einwand frei.
Bei den beschriebenen Speicherelementen wurde das Lesesignal zwischen den Klemmen<I>A</I> und<I>B</I> ab- genommen. Es können jedoch für diesen Zweck nötigenfalls auch separate Leseklemmen E und F, etwa gemäss Fig.26, vorgesehen sein.
Das beschriebene Speicherelement kann natür lich einzeln verwendet werden; im Falle einer Viel zahl von Speicherelementen werden diese zweckmässi- gerweise gemäss Fig.27 in Form einer Matrix in einer Ebene angeordnet.
Wie für das Rechenelement, sind auch für das Speicherelement verschiedene geometrische Formen möglich, beispielsweise ein Kreisring, Quadrat oder Rechteck.
Das Rechenelement und das Speicherelement können auch miteinander kombiniert werden, wobei die Anwendung einer dreiphasigen Fortschalt-Impuls- folge an den Erregerklemmen besonders vorteilhaft ist. Fig.28 ist das Schaltbild einer solchen Kombi nation. Wird ein Eingangs-Signalimpuls 2 Il auf das Rechenelement X gegeben, so wird das Ausgangs signal verstärkt auf das Speicherelement Y übertra gen, in welchem sich die Eingabe abspielt. Ist ferner im Element Y bereits eine Information gespeichert (Kreisstrom), so tritt an den Ausgangsklemmen 0 und 0' ein Spannungsimpuls auf, das heisst, es spielt sich gleichzeitig ein Lesevorgang ab.