DE1049960B

DE1049960B - Anordnung, in welcher der Leitfaehigkeitszustand eines Leiters umsteuerbar ist

Info

Publication number: DE1049960B
Application number: DEI14047A
Authority: DE
Inventors: Richard Lawrence Garwin
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1956-11-30
Filing date: 1957-11-30
Publication date: 1959-02-05
Also published as: DE1162406B; GB935208A; FR1194454A; DE1120502B; GB995140A; DE1144335B; NL251185A; GB990297A; GB935209A; GB862178A

Description

Von K am e r 1i η gh-O η η es ist im Jahre 1913, also 2 Jahre nach der Entdeckung der Supraleitfähigkeit gewisser Metalle und Metallegierungen, gefunden worden, daß ein im supraleitenden Zustand befindlicher Körper durch ein Magnetfeld bestimmter Mindestfeldstärke wieder in den normalleitenden Zustand zurückversetzbar ist. Die hierzu benötigte Feldstärke — der sogenannte kritische Feldstiirkewert — hängt von der Temperatur sowie vom Material des Yersuchskörpers ab.

Eine technische Verwertung Iiat diese Erscheinung bei Schaltuiigsanordiuingen gefunden, die unter der Bezeichnung »Cryotronschaltungen« bekanntgeworden sind. Das Grundbauelenient von Cryotronschaltungen ist in der Regel ein von einer Zylinderspule umgebener geradliniger Leiter in Form eines Drahtes, der bei Feldstärken des Magnetfeldes der Spule unterhalb des kritischen Feldstärkewertes Supraleitfähigkeit zeigt und der bei Spulenströnieu, durch die der kritische Feldstärkewert erreicht bzw. überschritten wird, vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand zurückkehrt. Wird die Feldstärke des Magnetfeldes der Spule wieder auf Werte unter den kritischen Feldstärkewert vermindert, so hat dies wiederum den Leitfähigkeitswechsel des geradlinigen Drahtes vom nonuaUeitenden Zustand zum supraleitenden Zustand zur Folge. Ein von einer Stromquelle passend bemessenen Inneinvidcrstarides gelieferter Strom ist somit durch ein Grundbauelement der oben beschriebenen Art in meiner Größe durch das Magnetfeld der SjHiIe sprunghaft umschaltbar. Ein einfacher Cryotronkreis zeigt also im wesentlichen das gleiche elektrische Verhalten wie die sogenannten Torschaltungen, deren Realisierung im allgemeinen durch Vakuumröhren oder Halbleiter-Schaltelemente erfolgt. Es ist bereits bekannt, aus einer Mehrzahl einfacher Cryotronkreisc Schaltungen aufzubauen, die hinsichtlich ihrer Wirkungsweise denjenigen Schaltungsanordnungen im wesentlichen entsprechen, die auf der Kombination von Torkreisen beruhen, die Röhren und bzw. oder Halbleiter-Schaltelemente enthalten. Aus Cryotronkreisen gebildete Schaltungen erscheinen auf Grund ihres geringen Raumbedarfs dann von besonderem Vorteil, wenn eine große Anzahl von Torkreisen aufzuwenden ist. Dies trifft beispielsweise bei digitalen Rechenmaschinen zu. Verschiedene logische Schaltungen für solche Maschinen setzen in großer Menge bereitzustellende Torkreise bzw. Kombinationen von Torkreisen voraus, deren Realisierung durch Cryotronkreise bereits angeregt wurde. In Anbetracht der Fortschritte, die im letzten Jahrzehnt hinsichtlich der Schaffung leistungsfähiger Heliumverrlüssiger zu verzeichnen waren, fallen bei Cryotronschaltungen die erforderlichen Kiihleinrichtungen Anordnung, in welcher der Leitfähigkeitszustand eines Leiters umsteuerbar ist

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Anmelder:

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen

Gesellschaft m. b. H., Sindelfingen (Württ), Tübinger Allee 49

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 30. November 1956

Richard Lawrence Garwin, Scarsdale, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

durchaus nicht als ein Xachteil ins Gewicht, der die ansonsten mit solchen Schaltungen verknüpften Vorteile wieder aufheben würde. Als Vorteil der Cryotronkreise wären im übrigen noch die günstigen Voraus-Setzungen zu nennen, die auf tiefem Temperaturniveau arbeitende Schaltungen ganz zwangläutig bezüglich der durch das Wännerauschen verursachten Störspannungen mit sich bringen.

Die Erfindung betrifft nun eine derartige Anordnung, in welcher der Leitfähigkeitszustand eines Leiters bei tiefer Temperatur durch die Feldstärkeänderung eines auf den Leiter einwirkenden Magnetfeldes zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umsteuerbar ist.

Derartige Torschal tungen oder Cryotronkreise weisen jedoch einen Nachteil auf, der ihrer Verwendung in schnell arbeitenden Geräten zur Daten- und Informationsverarbeitung bisher im Wege stand. Da die Zeit, die benötigt wird, um einen supraleitfähigen Körper von seinem supraleitenden in den normalleitenden Zustand zu bringen, in den bisher bekannten Anordnungen sehr viel größer ist als die mit Vakuumröhren und Halbleiter-Schaltelementen erreichbare Umschaltzeit, würde eine Verwendung derartiger An-Ordnungen in den genannten Geräten deren Arbeitsgeschwindigkeit beträchtlich herabsetzen.

Wie sich herausgestellt hat, ist die relativ lange Umschaltzeit der Schaltungsanordnungen, in welchen der Leitfähigkeitszustatid eines Leiters bei niedriger

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Temperatur durch die Feldstärkeänderung eines auf den Leiter einwirkenden Magnetfeldes zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umsteuerbar ist, in der relativ hohen Zeitkonstante LIR soldier Anordnungen begründet, welche von der Induktivität L der das steuernde Magnetfeld erzeugenden Spule und dem Widerstand R des in seinem Leitfähigkeitszustand umsteuerbaren Leiters im normalleitenden Zustand abhängt. Aufgabe der Frtindung ist es nun, diese Zeitkonstante durch Verkleinern der Induktivität und Erhöhen des Widerstandes zu erniedrigen.

Die Induktivität der das steuernde Magnetfeld erzeugenden Spule wird dadurch vermindert, daß eründuugsgcmäß in unmittelbarer Nähe des in seinem Leitfähigkeitszustand umsteuerbaren Leiters auf der von der das steuernde Magnetfeld erzeugenden Anordnung abgewandten Seite eine magnetische Abschirmung vorgesehen ist. Daun wird nämlich das Volumen, welches von dem steuernden Magnetfeld erfüllt ist, verringert, ohne dessen magnetische Energie zu ändern, so dall die Induktivität der Spule einen geringeren Wert annimmt. Besonders vorteilhaft kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die magnetische Abschirmung als llächenhaftcr Leiter aus supraleitfähigem Material ausgebildet und parallel zu einer durch den in seinem Leitfidiigkeitszustand umsteuerbaren Leiter gelegten Ebene angeordnet sein, weil ein Magnetfeld nicht in eine supraleitende Fläche eindringen kann, so daß diese als magnetische Abschirim ι ng wirkt.

Eine weitere ,Vusgestaltung der Ertindung bestellt darin, daß eier Widerstand des in seinem Leitfähigkeitszustand umsteuerbaren Leiters im normalleitenden Zustand dadurch beträchtlich vergrößert wird, daß dieser Leiter als dünner Film supraleitfähigen Materials ausgebildet ist.

Im folgenden wird die Ertiinlung an IFand von zwei Aiisfühnuigsbei.spielcu, in denen die Anordnung zylinderförmig oder lläehcnhaft ausgebildet ist, näher beschrieben. [11 den zur Erläuterung der Beschreibung dienenden Zeichnungen zeigt

Fig. I eine graphische Darstellung des Verhaltens einiger siipraleitfähiger Materialien in Abhängigkeit von der auf sie einwirkenden magnetischen Feldstärke und der Temperatur,

Fig. 2 das erste und

Fig. 3 und 4 das zweite Ausfülmtngsbeispiel.

Fig. 1 ist die graphische Darstellung der Eigenschaften einiger siipraleitfähiger Stoffe in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke und der Temperatur. Die Kurven 10, 11 und 12 kennzeichnen das Verhalten von Blei, Niobium und Tantal. Ein Material befindet sich im supraleitenden Zustand, wenn die beiden zu der auf das Material einwirkenden Feldstärke ö5 und zu der Temperatur des Materials gehörenden Geraden sich in einem Bereich unterhalb der für das Material geltenden Kurve schneiden, und im normalleitenden Zustand, wenn die beiden Geraden sich oberhalb der Kurve schneiden. Die Kurven haben für alle supraleitfähigen Materialien etwa die Form einer Parabel, welche in der NiUie des absoluten Nullpunktes waagerecht verläuft.

Es sei z. B. angenommen, daß es sich bei dem supraleitfähigen Stoff um Blei handelt, das auf die in Fig. 1 gezeigte Temperatur T abgekühlt ist. Das Material beiludet sich nur dann im supraleitenden Zustand, wenn das angelegte Feld kleiner als der Wert H₁(T) ist. Wenn das Magnetfeld über den Wert II_c(T) liinaus verstärkt wird, geht der Stoff in den nörmalleitenden

Zustand über. Die Feldstärke ff,., die einer bestimmten Temperatur entspricht, bei der eier Übergang vom supraleitenden in den nörmalleitenden Zustand eintritt, wird das kritische Feld genannt. Wenn die Temperatur eines supraleitfähigen Materials konstant gehalten wird, steuert ein Verstärken und Abschwächen der Feldstärke den Widerstand des Leiters. LJm den Leitfähigkeitszustand eines supraleitfähigen Stoffes durch Veränderung' des Alagnetfehles steuern zu können, muß seine Temperatur auf einem Wert gehalten werden, der niedriger ist als die dem Magnetfeld Xull entsprechende L^vIiergaugstemperatur T₁..

Man beachte, daß die in Fig. I aufgetragene Feldstärke das Gesamtfeld darstellt, das durch den das supraleittähige Material durchlließeinlen Strom und ein etwaiges äußerlich angelegtes Feld erzeugt wird. Das einer bestimmten Temperatur entsprechende kritische Magnetfeld II₁-(T) begrenzt den Strom, der durch das Material geschickt werden kann, ohne den supraleitenden Zustand zu zerstören. Die Feldstärke des Eigenfehles an der Oberfläche eines zylindrischen Leiters infolge des diesen durchlließeiiden Stromes ist gleich 2 I_cl\0r, wobei r der Radius des Drahtes in cm und I_c der dem kritischen FeldZf₁(T) entsprechende kritische Strom ist.

Der Zustand eines Elements kann (lurch ein Magnetfeld gesteuert werden, ohne den supraleitenden Zustand anderer nahegelegener Elemente mit höherem kritischem Fehl zu beeinflussen. Aus den Kurven 10 und 11 in Fig. I geht z. B. hervor, daß, wenn das System l>ei etwa 4° K betrieben wird, das kritische Fehlff_c(V). das ausreicht, um Blei uormalleilend zu machen, nicht genügt, um Niobium uormalleitend zu machen, weil das kritische Feld für Niobiunt bei -I¹K mehrfach so groß ist wie das für Blei. Bei Verwendung verschiedener siipraleitfähiger Stoffe im selben Bereich, die sehr verschiedene kritische Frld.stärkcn haben, wird der StolT mit dem niedrigeren kritischen Feld ein »weicher« Supraleiter und der Stoff mit dein größeren kritischen Feld ein »harter < Supraleiter genannt. Im allgemeinen gibt mau dem Magnetfeld eine solche Größe, daß der »weiche·« Supraleiter normal leitend gemacht wird, ohne den supraleitenden Zustand des »Iiartcil·« Supraleiters zu verändern.

Häufig wird eine homogene Legierung von zwei supraleitfähigen StolTen verwendet, um ein Material mit einem vorherbestimmten kritischen Feldwert zu erhalten. Zum Beispiel würde die Ubergangskurve für Zinn unterhalb der Kurve 10 in ['"ig. 1 liegen. Es kann also ein Material mit einem bestimmten mittleren kritischen Feldwert durch Verwendung einer Legierung von Zinn und Blei geschaffen werden.

Wie schon erklärt, ist es häutig erwünscht, daß ein supraleitfähiges Material im normalen Zustand einen hohen Widerstand hat. Man kann durch Aufgalvanisieren eines supraleitfähigen Materials auf eine leitende Unterlage einen hfiheren Widerstand erreichen. Der erhöhte Widerstand zeigt sich nur dann, wenn das Material normalleitend ist, da es im supraleitenden Zustand durch den Widerstand Null des supraleitenden Materials kurzgeschlossen ist. Man kann einen hohen Widerstand auch durch Verwendung eines dünnen Films aus supraleitfähigen! Material auf einer isolierenden Unterlage erreichen. Der dünne Film kann aufgedampft oder durch Vakuummetallisierung aufgebracht werden. Weiter kann man einen hohen Widerstand dadurch herbeiführen, daß man eleu supraleitfähigen Leiter als Hohlkörper ausführt, da der Strom in einem supraleitenden Element stets auf

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• lossen Oberfläche fließt. Man erhält also durch Autjialvanisiereti oder Aufdampfeit eines dünnen BlcifiInis /.. 15. auf einen Isolierkern einen höheren Widerstand im Xormalzustand infolge des verkleinerten Querschnitts des supraleitfähigen Materials.

Durch den supraleitenden und den liormalleitenden Zustand eines supraleitfähigen Stoffes !«Minen binäre Informationen dargestellt werden. Zum Beispiel kann man bei einem Element mit supraleitfähigen Eigenschaften willkürlich sagen, daß es eine binäre »0« darstelle, wenn es im supraleitenden Zustand ist, und eine binäre »L<. wenn es im Normalzustand ist. Die in einem supraleitfähigen Element gespeicherte Information kann durch Bestimmung des Widerstandes des Elements nach einem beliebigen bekannten Verfahren abgelesen worden.

In Fig. 2 ist die erste Ausfiihrungsform einer Torschaltung nach der Erfindung, in welcher der Leitfähigkcitszustand eines Schaltlettors aus supraleitfähigen! Material gesteuert wird, veranschaulicht. Pie gesamte in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung muß auf einer Temperatur im Supraleitfähigkeitsbereich gehalten worden, z. B. auf einer Temperatur zwischen 2 und 5° K.

Pii· Vorrichtung von Fig. 2 umfaßt einen Stab 20. der als Kern der Vorrichtung dient. Der Stab 20 kanu massiv oder ein Hohlzylinde.r sein und aus Isoliermaterial oder thermisch leitendem Material. /.. B. Kupfer oiler Wolfram, bestehen. VorzugswiTse besteht der Slab 20 aus Kupfei'. damit er einen thermischen Pfad zur Ableitung der in dem Aggregat erzeugten Wärme au ein äußeres Kühlmittel bildet. Iiin dünner Film 22 aus einem »harten« supraleitfähigen Stoff, /.. B. Blei oiler Niobium, ist auf die Außenfläche des Stabes 20 aufgebracht. Der Film 22 muß aus einem Material bestehen, dessen kritischer Fohlwcrt hoch genug ist, um stets im supraleitenden "Zustand zu bleiben, ("bor dem Film 22 liegt ein dünner Film 24 aus Isolier- oder dielektrischem Material.

Per Stab 20 kann auch weggelassen werden. Iu diesem Falle muß der Film 22 dick genug sein, um die äußeren Teile der Vorrichtung, die nachstehend beschrieben sind, zu tragen.

Per Sclialtleiter der Vorrichtung von Fig. 2 beuteln aus einem über der Isolierschicht 24 angebrachten dünnen Film 26, der durchgehend ist und die Außenseite der Isolierschicht völlig umgibt. Obwohl der SchaItIeitiT 26 als Zylinder mit durchgehender (Iberlläche dargestellt ist. kann er jede beliebige Form !iahen. Er kann z. B. mit einer Mehrzahl von länglichen Öffnungen versehen sein, um den Widerstand des Films im Normalzustand zu erhöhen. Um nun eine Schaltleitunj,'· mit einem bestimmten kritischen Feldwert zu schatten und einen hohen Widerstand im normalen Zustand zu erhalten, kann der Schaltleiter 26 .'ms einer homogenen Legierung von zwei supraleitfähigen Stoffen oder auch aus einem supraleitfähigen Material, z. B. Tantal, das mit einem Material hohen spezifischen Widerstandes gemischt ist. bestehen.

Der Schaltleiter 26 ist mit Anschlußstreifen 28 und 30 versehen. Diese Streifen haben den Zweck, eine elektrische Verbindung über den ganzen Umfang jedes Endes des Schaltleiters 26 herzustellen. Wie unten erklärt wird, ist der Widerstand des Schaltleiters 26 zwischen den Streifen 28 und 30 gleich Null, wenn der Leiter 26 im supraleitenden Zustand ist, und hat einen bestimmten anderen Wert als Null, wenn er im Normalzustand ist.

Auf dem Schaltleiter 26 kann eine zweite Schicht aus isolierendem oder dielektrischem Material ähnlich

der Schicht 24 aufgebracht sein. Wenn jedoch die Wicklung 32 aus isoliertem Draht besteht, kanu diese Isolierschicht weggelassen werden.

Eine spiralförmige Steuerwicklung 32 umgibt die Außenseite der Schaltleitung 26. Die Steuerwicklung i.st normalerweise mit konstanter Ganghöhe gewickelt, aber die (janghöhe kann auch an verschiedenen Stellen verändert werden, um so ein vorherbestimmtes, die Spule umgebendes Magnetfeld zu erzeugen. Pie

ίο Steuerwickluiig 32 besteht aus einem »harten« supraleitfähigen Material, z. B. Niobium, damit sie stets im supraleitenden Zustand bleibt. Dadurch sollen Energieverluste vermieden werden. Wenn die Spule stets supraleitend ist. ist ihr Widerstand gleich Null.

und es entstehen beim Fließen eines Stromes keine Energioverlusto. Die die Spule 32 bildende Leitung kann aus massivem supraleitfähigen! Material oder auch aus einem mit Niobium oder Blei überzogenen Draht bestehen, da nur in der Oberfläche eines supraleitfähigen Stoites Strom Hießt.

An die Steuerwicklung 32 wird ein Steuerstrom I_c augelegt, welcher ein Magnetfeld bildet, dessen Stärke größer als das kritische Fold des Schaltleiters 26, aber geringer als das kritische Feld des Films 22 sein muß.

Unter dem Einfluß dieses Steuerstromes I_c wird der SeIiaItleiler 26 normalleiiond. so daß sein normaler Widerstand zwischen den Klemmen 28 und 30 erscheint. Beim Aufhören des Stromes I_c kehrt die Leitung 26 in den supraleitenden Zustand zurück, und der Widerstand verschwindet.

Man sieht also, daß durch Π ineiuschicken von Slrom in die Steuerwickluug 32 der in dem Sehaltloitei'26 fließende Strom/, gesteuert werden kann. Beim Fließen des Stroines/,. in der Sleuerwicklung wird der SchaltIeitor 26 normalleitend, so daß ein Spannungsabfall zwischen den Kleminon 28 und 30 durch den Strom /_s. verursach! wird.

Wenn der Sehaltleiler 26 durch !'"ließen des Stromes aus dem supraleitenden in den normalleitenileti Zustand umgeschaltet wird, erscheint plötzlich der Widerstand des I.eilers 26, und es wird Energie erzeugt, die zur ErhiIzuiig der Vorrichtung führt. Diese Energie ist unerwünscht, da sie das kritische Feld, bei dem der Übergang eintritt, senkt und dadurch •lit· LTnsehaltfrei|uenz des Schaltleiters 26 begrenzt. Eine unerwünschte Erwärmung wird wesentlich herabgesetzt, wenn der Mittelstab aus Kupfer oder einem anderen Material mit großer thermischer Leitfähigkeit hergestellt wird. Per Kupforstab 20 kann /.. B. thermisch mit einem Kühlmittel verbunden werden, um die Energie von der Vorrichtung nach Fig. 2 wogzuleiten.

Pas M; ignetfeld, das den Sehaltleiter 26 aus seinem supraleitenden in den noruialleitenden Ztistand bringt, besteht aus der Wktoreiisumnie der Fehler, die durch den durch den Leiter 26 fließenden StromZ_s und den durch die Steuerwick-Iung fließenden Strom I_c erzeugt werden. Die Hichtuiig des resultierenden Fehles beeinflußt die Geschwindigkeit, mit der die Schaltleitung aus dem einen Zustand in den anderen geschaltet wer-

6" den kanu, nicht. Daher spielt die Richtung der Ströme /, und I_c keine Rolle.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 besitzt die Zeitkonstaiiti' Ij'R. Dabei ist L die Induktivität der Steuerwicklung und R der Widerstand des Schaltleiters 26.

Die Zeitkonstante ist nahezu unabhängig von der Länge der Speichervorrichtung von Fig. 2, da bei Zunahme der Länge Widerstand und Induktivität sich gleichzeitig erhöhen.

Damit die Vorrichtung von Fig. 2 in den Speicher- und Steuerschaltungen. z. B. eines Rechensystems. vor-

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ι U4y you

teilhaft verwendet werden kann, muß ihre Zeitkonstante sehr klein sein. Um also eine Zeitkonstante von einer Mikrosekunde oder darunter zu bilden, muß die Speichervorrichtung so ausgelegt werden, daß sie minimale Induktivität und maximalen Widerstand hat.

Eines der neuartigen Merkmale der Speichervorrichtung von Fig. 2 besteht darin, daß sie einen dünnen Film 22 aus »hartem« supraleitfähigen! Material enthält; da der Kraftlinienfluß eines Magnetfeldes, dessen Stärke geringer als das kritische Feld eines supra- ίο leitfäliigen Stoftes ist, dessen Oberfläche nicht durchdringen kann, wird durch den Film 22 der Fluß auf den zwischen dem Film und der Steuerwicklung 32 liegenden Raum beschränkt. Durch die Begrenzung eines Magnetfeldes auf ein kleineres Volumen, als es normalerweise einnehmen würde, wird die Induktivität der Steuerwicklung 32 herabgesetzt. Dies geht aus dem Verhältnis hervor, das besagt, daß die magnetische Energie, LI'-I'Z eines Feldes gleich ίί-1'/8π. ist, wenn Il die Feldstärke und V das von dem Feld ein- ao genommene Volumen ist. Durch Verkleinerung des Volumens des Fehles wird also die Induktivität so verkleinert, daß die Gleichheit in dem beschriebenen Verhältnis besteheubleibt.

Die Zeitkoustante der V^rOrrichtung nach Fig. 2 wird außerdem durch Erhöhung des Widerstandes des Schaltleiters 26 verkleinert. Der Widerstand des Leiters 26 wird durch Verwendung eines dünnen Films mit kleinem Querschnitt so groß wie möglich gemacht. Der normale Wiclerstand pro Längeneinheit ist dann beträchtlich größer als der Widerstand einer massiven Leitung desselben Materials mit demselben Durchmesser.

[n einer praktischen Ausführung der Vorrichtung nach Fig. 2 betrug die Länge der Steuerwicklung 32 und der Abstand zwischen den LClenunen 28 und 30 etwa lern. Der Kupferkern 20 hatte einen Durchmesser von etwa 23 · IO^-"' cm. der supraleitfähigen Film 22 war etwa I · 10~' cm, der Isoliertilm 24 etwa 3- !(>-' cm und der Schaltleiter 26 etwa 5· IO ^-iCin dick. Mit diesen Abmessungen besitzt die Vorrichtung nach Fig. 2 eine Induktivität von etwa 5 · IO—'·' Henry. Wenn der Schaltleiter 26 aus einer homogenen Legierung supraleitfähiger Stolie mit einem spezifischen Widerstand von etwa 50 Mikroohm ■ cm l>esteht, be- +5 trägt der Widerstand im Normalzustand etwa 20 (Ihm. Dann besitzt die. Zeitkonstante IJR der Vorrichtung einen Wert von etwa 2.5 · IO—"¹ Sekunden. Die vorstehenden Dimensionen stellen nur ein Beispiel für eine praktische Ausführung dar und sollen die Eilindung in keiner Weise einschränken.

Die Vorrichtung nach Eig. 2 besitzt eine Stromverstärkung, da das durch einen in dem Schaltleiter 26 lließenden Strom bestimmter Größe erzeugte Eigenfeld beträchtlich kleiner ist als das Feld, welches durch einen in der Steuerwicklung 32 lließenden Strom gleicher Größe erzeugt wird. Unter Stromverstärkung versteht man das Verhältnis des Stromes I_li, der nötig ist, um ilen Schaltleiter uorrnalleitend zu machen, zu dem Strom l_c, der nötig ist, um die gleiche Wirkung zu erzielen. Dies geht aus der Tatsache hervor, daß das Eigenfeld gleich 2 [/IOR ist, während das Feld der Steuerwicklunggleich 4.τ»//IO its, wenn η die Anzahl von Windungen pro cm der Länge der Steuerwicklung ist. Da die Vorrichtung nach Fig. 2 eine Stromverstärkung aufweist, kann der in dem Schaltleiter 26 fließende StromZ_s als Steuerstrom /,. einer anderen, gleichen Vorrichtung verwendet werden. Auf diese Weise entsteht eine bistabile Speichervorrichtung. Der Schaltleiter 26 der ersten

Vorrichtung ist im supraleitenden Zustand, wenn der Schaltleiter der zweiten Vorrichtung durch den die Steuerwicklung der letztgenannten Vorrichtung durchfließenden Strom normalleitend gemacht wird. Durch Reihenschaltung des Schaltlciters der zweiten Vorrichtung mit der Steuerwicklung der ersten Vorrichtung entsteht ein zweiter Stromweg, der dazu benutzt werden kann, um das bistabile Element in einem zweiten stabilen Zustand ztt halten, in dem der Schaltleiter der ersten Vorrichtung im normalleitenden und derjenige der zweiten Vorrichtung im supraleitenden Zustand ist.

Obwohl darstellungsgemäß die Speichervorrichtung von Fig. 2 einen kreisförmigen Querschnitt hat, kann sie nach der Erfindung auch rechteckige, quadratische, elliptische und andere Querschnitte besitzen, solange die Anordnung der Teile zueinander erhalten bleibt.

Die Steuerwickluug 32 kann auch durch Schleifen oder Atzen einer Niobiumschicht in die Form einer Spirale gebracht werden. Dazu wird auf der Isolierschicht auf dem Schaltleiter 26 ein Niobiuuifilm aufgebracht, und zwar aufgalvanisiert oder aufgedampft, der die Isolierschicht vollkommen überzieht. Dann wird die äußere Niobiumschicht derart geätzt oder geschnitten, daß sie zu der spiralförmigen Steuerwicklung ähnlich Wicklung 32 wird. Bei Anwendung dieses Herstellungsverfahrens kann die Vorrichtung von Fig. 2 vollständig durch Gal vanisicrungs-, Aufdanipfungs- oder Ablagerungsvcrfahren bekannter Art hergestellt werden.

Fig. 3 zeigt nun ein zweites Ausfiihruiigsbeisptcl der Erfindung. Die Vorrichtung nach Fig. 3 arbeitet ähnlich wie die nach Fig. 2, ist jedoch wegen ihres ebenen Aufbaues leichter herzustellen.

Die Vorrichtung nach Fig. 3 umfaßt eine Stiitzplatte40 aus einem »harten« supraleitfähigen Material. /.. B. Blei oder Niobium, und bleibt stets im supraleitenden Zustand. Die Funktion der supraleitenden Stützplatte 40 ist ähnlich der des dünnen Films 22 von fig.-'.

Eine Schicht aus isolierendem oder dielektrischem Material 42 trennt die Platte 40 von einem leitenden Element 44. Das leitende Element 44 Iiestehtauseinem dünnen Film oder Band aus einem »weichen« supraleitfähigen Material und arbeitet ähnlich wie der Schaltleiter 26 von Fig. 2. Ein Teil der Schaltleituug 44 wird durch die Anlegung eines Magnetfehles, das stärker als das kritische Feld der Leituntr ist, uorrnalleitend gemacht. Ein Strom/,, wird au die Leitung 44 angelegt. Wenn diese vollständig supraleitend ist, erscheint an ihr kein Spannungsabfall, da der XViderstand der Leitung gleich Null ist. Wenn jedoch ein Segment der Leitung normalleitend geworden ist. so daß dessen Widerstatnl wieder erscheint, erzeugt der Strom /_s einen Spannungsabfall au dem normalleitenden Teil.

Ein weiterer Isolierfilm 46 ist über die Leitung 44 gelegt, um sie von der Leitung 48 zu isolieren. Dann wird die Leitung 48 auf die Oberfläche der Isolierschicht 46 aufgelagert, aufgalvanisiert oder aufgedampft.

Die Leitung 48 besteht aus einem -»harten« supraleitfähigen Material, z. B. Blei oder Niobium, und bleibt stets im supraleitenden Zustand. Die Leitung liegt derart neben der Leitung 44 und der supraleitenden Fläche40, daß eine magnetische Kopplung zwischen den Leitungen 44 und 48 an der Stelle besteht, wo ihre Längsachsen einander schneiden. Die Leitung 48 wird hier als Steuerleitung bezeichnet und erfüllt eine ähnliche Funktion wie die Steuerwicklung 32 von

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Claims

Figf. 2. Ein Steuerstrom Ic wird an die Steuerleitung 48 angelegt und erzeugt dadurch ein Magnetfeld um die Leitung herum. Bei Einwirkung dieses Feldes auf die Sehaltleitung 44 wird ein Segment dieser Leitung nornialleitend. ähnlich wie die Steuetwicklung 32 von Fig. 2 den Schaltleiter 26 normalleitend macht. Durch die wahlweise Anlegung eines Steuer-StnnnesZt. an die Steuerleitung 48 von Fig. 3 kann die Leitung 44 aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand umgeschaltet werden. Das heißt also, cIaLi der durch die Leitung 48 !ließende Strom Ic den durch die Leitung 44 HielJeuden Strom Is steuert. Die Steuerleitung 48 ist hier so angeordnet, daß ihre Längsachse nicht mit der Längsachse der Leitung 44 zusammenfällt. Die Leitungen 44 und 48 können iedoch beliebig angeordnet Mein, solange das von der Leiluug 48 erzeugte Feld auf mindestens ein Segment der Leitung 44 einwirkt und dieses nornialleitend macht. I >ie Schaltvorrichluiig nach Fig. .J weist eine S t i'i »in verstärkung auf, die etwa gleich dem Verhältnis ILvIfi. der Breite der Schallleitung /.ur Ilreite der Steucrleituug. ist. Dabei ist die Stromverstärkung hier in derselben Weise definiert, wie oben für die \ orrichttmg nach Fig. 2 angegeben. Wenn daher die Iireile W1. der Sleuerleilung sehr klein im Vergleich /.ti der IireilefFs der gesteuerten Leitung ist. kanu mau einen sehr grol.ien Sirom erlangen. Wenn /.. Ii. li\ etwa I · IO - em und W1. etwa 2 ■ IfM1Cin beträgt, ist die Stromverstärkung gleich 5. Die Anlegung des durch die Steuerleilung 48 erzeugten Maguetfi-Ides macht ein Segment der Schalt leiliiiig 44 nornialleitend. so daß dessen Widerstand wieder erscheint. Der nornialleitende Teil der Leitung 44 besieht dabei nur in der (legend, wo die Sieuerleiiung 48 die Leitung 44 schneidet. Der Widerstand, ιIer in Serie mit der Leiluilg 44 auflritt. ist also lediglich der Widersland der Länge des Segments, welches iiormalleitend ist. I'm diesen Wider stand zu erhöhen, kann die Steuerleiluug 48 so augeordnet sein, dal.! sie die Längsachse der Leitung 44 Iiielirere Male kreuzt. ICiiie solche Ausführung ist in Fig. 4 dargestellt. Fig. 4 zeigt ein Aiisführungsbeispiel. das nach dem Prinzip von Fig. .J arbeitet. Dm die Bestandteile von Fig. 4 in Iieziehung zu den entsprechenden Bestandteilen von Fig. .3 zu bringen, werden gleiche Bezugszifferu mit nachgestelltem α verwendet. Die Xorrichttmg nach Fig. 4 ist bis zum zweiten Isolierfilm 46a genauso aufgebaut wie die nach Fig. .3. Die Steuerleitung 48(i besitzt die Form eines schmalen Bandes, dessen Breite Wc beträgt und das die Längsachse der Sclialtbandleitimg 44ti au mehreren Punkten schneidet und daher magnetisch mit dieser gekoppelt ist. Wenn also ein Steuerstrom Ic durch die Steuerleitung 48t/ Hießt, wird das unmittelbar unter [iUiiktSl liegende Segment der Leitung 44a nornialleitend gemacht. Ähnlich werden die Segmente der gesteuerten Leitung 44a an den Punkten 52. 53 und 54 durch das vom Strom Ic erzeugte Magnetfeld normalleitend gemacht. Wenn eier an Punkt 51 der Leitung 44'/ erscheinende Widerstand gleich R, ist und au jedem der Punkte 52. 53 und 54 ein gleicher Widerstand erscheint, ist der (lesamtwiderstand. der in Leitung44a auftritt, gleich μ A71, wenn η die Anzahl der Kreuzungen der Leitung 48a mit der Leitung 44a ist. Line praktische Ausführung der Vorrichtung von big. 4 hatte folgende Abmessungen, die jedoch nur al- Bei-piele dienen und eleu Bereich der Eiiliiidung nicht beschränken sollen. Die Schaltleitung 44a war ein dünner Film mit einer Dicke von etwa 1 · IO-4Cm und einer Breite von I-IO-2Cm, die Steuerleitung 48a ein dünner Film mit einer Dicke von etwa I-IO-4Ctn und einer Breite von etwa 2 · IO-3 cm. Der Tsolierhlm 46 a zwischen den Leitungen 44 a und 48 a war etwa 3 · IO-4Cm dick. Der Abstand zwischen benachbarten Segmenten tier Steuerleitung 48a. z. B. der -/.wischen den Punkten 53 und 54. betrug etwa 1 ■ IO-'- cm. Unter Verwendung der Anordnung nach Fig. 4 kann eine Speichervorrichtung mit kleiner Zeitkonstante hergestellt werden. Die Zeitkonstante der Schaltung beträgt !JR. wenn I. die Induktivität der Steuerleitung 48a und R der Widerstand der Schaltleitiuig 44ti im normalleitcndcn Zustand ist. Da die Steuerleituiig 48a die Leitung 44a mehrere Male kreuzt, wird der Desauitwiderstaud R erhöht. Wie oben erklärt, wird durch Beschränkung des von der Sfeuerleitung 48a erzeugten Magnetfeldes auf ein sehr kleines Voluinen deren Induktivität gegenüber dem Wert herabgesetzt, die sie hätte, wenn die Leitung' im freien Kaum angeordnet wäre. Da die Stützplatte 40a von Fig. 4 und die Stül/.platte 40 von Fig. 3 aus -diartem < sup rale i ι fähigem Material bestehen, um stets im supraleitenden Zustand zu bleiben, kann der von dein Magnetfeld erzeugte Fluß nicht die Oberlläehe der Slützplalte durchsetzen. Daher ist das z. Ii. au die Leitung 44a von Fig. 4 angelegte Magnetfebi durch die Stützpiaitc räumlich begrenzt mit dem Ergebnis, dall die Induktivität eier SIetierleilung 48α beträchtlich verringert ist. .Auf einer Stfttzplatte können mehrere Vorrichtungen ähnlich der nach Fig. 4 angeordnet sein. Weiter können mehrere derartige- Stützplatten übereinandergestapclt werden, so daß eine grolle Anzahl solcher Xorrichtungeii auf relativ geringem Raum untergebracht ist. Die ganze Konstruktion kann dann in ein Bail mit Ihissigem I Ieliuiu eingetaucht werden, um die erforderliche Arbeitsteuiperatur zu erhalten. Ρλ τ ι·: ν τ ansi' it r 1:111;

1. Anordnung, in welcher der Leitfäiiigkeitszusland eines Leiters bei tiefer Temperatur durch die Feldstärkeändcrung eines auf den Leiter einwirkenden Magnetfeldes zwischen dem supraleitenden und dem normalleitcndcn Zustand umsteuerbar ist. dadurch gekennzeichnet, daß in unmittelbarer N'ähe des in seinem Leitfiihigkeits-Ziistaud umsteuerbaren Leiters (26, 44. 44α 1 auf der von der das steuernde Magnetfeld erzeugenden Anordnung (32. 48. 48a) abgewandten Seite eine magnetische Abschirmung (22. 40, 40cn vorgesehen ist.

2. Aiiordnuiig nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Abschirmung (22.40.40a) ein Hächenhaft ausgebildeter Leiter aus supraleitfähigen! Material ist, der vorzugsweise parallel zu einer durch den in seinem Leitfälügkeitszustaiid umsteuerbaren Leiter (26. 44. 44α ι gelegten Ebene verläuft.

.3. Anordnung nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der in seinem Leittähigkeitszustand umsteuerbare Leiter (26. 44. 44a) als dünner Film supraleitfähigen Materials ausgebildet ist.

4. Anordnung nach den Atispriicheu 1. 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Abschirmung (22) und der in seinem Leitfähigkeitzustand umsteuerbare Leiter (2βΤ ^_ΤΠ~ Rolire und

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die das steuernde Magnetfeld erzeugende Anordnung (32) als Zylinderspule ausgebildet und vorzugsweise auf einem Kern aus einem Material mit guter thermischer Leitfähigkeit in der angegebenen Reihenfolge konzentrisch angeordnet sind.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Abschirmung (40, 40a), der in seinem Leitfähigkeitszustand umsteuerbare Leiter (44, 44a) und die da.s steuernde Magnetfeld erzeugende Anordnung (48.

48a) flächenhaft ausgebildet und vorzugsweise auf einer ebenen Unterlage aus einem Material mit guter thermischer Leitfähigkeit in der angegebenen Reihenfolge übereinander angeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die das steuernde Magnetfeld erzeugende Anordnung (48a) müanderförmig ausgebildet und derart über dem streifenförmig ausgebildeten, in seinem Leitfähigkeitszustand umsteuerbaren Leiter (44a) angeordnet ist. daß sie diesen an mehreren Stellen kreuzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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