DE1094495B - Analog-Digital-Wandler mit supraleitender Leiterschleife - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Zur Eingabe von Analogwerten in eine digitale Anlage zur Datenverarbeitung, z. B. in einen programmgesteuerten Digitalrechner, benötigt man sogenannte Analog-Digital-Wandler. Ein solcher Wandler kann z. B. die stetig veränderbare Eingangsgröße derart durch eine entsprechende Anzahl von Impulsen darstellen, daß er immer dann einen Ausgangsimpuls abgibt, wenn der Wert des Eingangsstroms ein ganzzahliges Vielfaches der gewählten Einheit überschreitet und durch die Polarität des Ausgangsimpulses anzeigt, in welcher Richtung das Überschreiten erfolgt.

Gegenstand der Erfindung ist ein solcher Wandler, der für die Zusammenarbeit mit Schaltungsanordnungen geeignet ist, welche in ihrem Leitfähigkeitszustand umsteuerbare Supraleiter zu Speicher- und Rechenzwecken verwenden, der wie diese aus Supraleitern aufgebaut ist und dadurch die gleichen Vorteile — geringer Platz- und Energiebedarf, einfacher Aufbau und große Betriebssicherheit — gegenüber derartigen Wandlern mit den bisher allgemein verwendeten Bauelementen aufweist.

Ein Supraleiter ist ein Metall, eine Legierung oder eine Verbindung, die widerstandslos wird, wenn sie auf sehr niedrigen Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes gehalten wird und dadurch dem darin fließenden Strom keinen Widerstand entgegensetzt. Es ist entdeckt worden, daß bei Quecksilber, dessen elektrischer Widerstand mit abnehmender Temperatur sinkt, bei einer bestimmten Temperatur (etwa 4,12°K) der Widerstand sehr plötzlich verschwand oder zu klein wurde, um gemessen werden zu können. Die Temperatur, bei der der Übergang auf den widerstandslosen Zustand in Quecksilber stattfand, wurde als dessen kritische Temperatur bezeichnet.

Die kritische Temperatur sinkt bei Erhöhung der Feldstärke des auf das Material einwirkenden Magnetfeldes. Wenn ein Körper einmal supraleitend gemacht worden ist, kann er in den mit Widerstand behafteten oder normalen Zustand durch die Anlegung eines magnetischen Feldes bestimmter Stärke zurückgebracht werden. Die zur Zerstörung der Supraleitfähigkeit nötige magnetische Feldstärke wird als kritische Feldstärke bezeichnet. Man kann also die Supraleitfähigkeit in einem bestimmten Material beseitigen, indem man Energie in Form von Wärme zuführt, damit das Material seine kritische Temperatur erreicht, oder in Form eines magnetischen Feldes, damit es seine kritische Feldstärke erreicht.

Ein Magnetfeld, das an eine supraleitende Ebene oder einen von einer supraleitenden Schleife umgebenen Bereich angelegt wird, kann keine nutzbare Änderung im Kraftfluß durch eine solche Ebene oder Schleife bewirken. Im Falle einer supraleitenden Schleife würde der nutzbare Kraftfluß durch die Schleife durch gleich-

Analog - Digital -Wandler
mit supraleitender Leiterschleife

Anmelder:

IBM Deutschland
Internationale Büro-Maschinen

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

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 11. April 1958

James William Crowe, Hyde PaTk, N. Y. (V. St. Α.),
ist als ErfindeT genannt worden

große und entgegengerichtete Flußlinien auf Null gehalten, die durch einen in der Schleife zirkulierenden Strom erzeugt werden. Wenn die Feldstärke des durch den zirkulierenden Strom erzeugten Magnetfeldes den kritischen Wert irgendeines Teils des die Schleife bildenden Supraleiters überschreitet, wird die Supraleitfähigkeit zerstört, und die zirkulierenden Ströme werden durch die ohmschen Verluste in der Schleife aufgezehrt.

Ein magnetisches Feld werde senkrecht zu der Ebene eines ringförmigen Supraleiters angelegt, durch den anfangs der Kraftfluß gleich Null ist. Wenn das angelegte Feld verstärkt wird, bleibt der Kraftfluß gleich Null, bis der kritische Wert erreicht ist und die Schleife in den mit Widerstand behafteten Zustand getrieben wird. Wenn das angelegte Feld weiter verstärkt wird, während die Schleife im normalleitenden Zustand ist, durchsetzt das Feld den Ring, und kehrt bei seiner Ab-Schwächung auf seinen kritischen Wert zurück. Die Schleife wird ganz supraleitend, und der Kraftfluß verbleibt auf dem kritischen Wert. Obwohl das äußere Feld jetzt gleich Null ist, ist ein Kraftfluß in dem Ring vorhanden, der durch einen zirkulierenden Strom in der Supraleiterschleife aufrechterhalten wird. Wenn die Richtung des angelegten magnetischen Feldes umgekehrt und seine Stärke über den kritischen Wert des Supraleiters erhöht und dann wieder auf Null herabgesetzt wird, wird ein Kraftfluß der entgegengesetzten

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Polarität »eingefangen«, der das Fließen eines Stroms in einer der oben angegebenen entgegengesetzten Richtung bewirkt.

Die vorgenannten Eigenschaften von Supraleitern werden für die Bildung eines Analog-Digital-Wandlers verwendet. Dazu werden erfindungsgemäß in einem Analog-Digital-Wandler der beschriebenen Art der stetig veränderbare Eingangsstrom (über Klemme 18) transformatorisch (über Spulen 16 und 4) in eine bei allen Betriebsverhältnissen widerstandslose Leiterschleife eingekoppelt, welche jedoch einen Abschnitt aufweist, der durch die Feldstärkeänderung des von dem in der Schleife fließenden Strom erzeugten Magnetfeldes zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umsteuerbar ist, der zum Umsteuern des Abschnittes erforderliche Strom in der Schleife ·— bezogen auf die Primärseite des zum Einkoppeln verwendeten Transformators — gleich der gewählten Einheit des Eingangsstroms gemacht und die Ausgangsimpulse transformatorisch (über Spulen 6 und 12) aus der Schleife ausgekoppelt. Das Material des genannten Abschnitts ist ein sogenannter »weicher«, das der übrigen Schleife ein sogenannter »harter« Supraleiter.

Beim Hineinschicken eines bestimmten Mindeststroms Ic in die Antriebsspule findet eine Kraftflußverkettung zwischen der Antriebsspule und dem harten Supraleiter statt. In die Schleife dringt jedoch kein Fluß ein, solange sie im supraleitenden Zustand ist. Als Folge dieser Flußverkettung wird in der Schleife ein Strom induziert, der mit zunehmendem Treiberstrom zunimmt, bis der kritische Strom des weichen Supraleiters erreicht ist. Jetzt wird der weiche Supraleiter normalleitend und erwärmt sich, wodurch der induzierte Strom als ohmscher Verlust beseitigt wird. Beim Übergang des weichen Supraleiters in den Normalzustand fällt das magnetische Feld, das ihn umgibt, zusammen. Dieser Feldzusammenbruch kann in einer dem weichen Supraleiter zugeordneten Abfühlwicklung festgestellt werden.

Während des Übergangs des weichen Supraleiters aus dem supraleitenden in den normalen Zustand, kann der Treiberstrom immer noch angelegt werden, er kann aber den harten Supraleiter in der Schleife nicht in den Normalzustand bringen. Wenn der weiche Supraleiter bei Rückkehr seiner Temperatur auf die Höhe der Umgebungstemperatur in den supraleitenden Zustand zurückkehrt, bringt er die Schleife wieder in den supraleitenden Zustand, wodurch der Kraftfluß, der die Antriebsspule mit dem harten Supraleiter verkettet, »eingefangen« wird. Wenn nun der Strom in der Antriebsspule weiter auf den Wert 21c ansteigt, wird durch diesen zunehmenden Treiberstrom während der Zeit des Anstiegs des Treiberstroms von Ic auf lic ein Strom in der supraleitenden Schleife erzeugt. Dieser Strom nimmt gleichzeitig mit dem Anstieg des Treiberstroms von Ic auf 21c zu, bis in der Nähe von 21c der weiche Supraleiter in den Normalzustand übergeht, sich erwärmt und einen weiteren Ausgangsimpuls in dem mit ihm gekoppelten Ausgangskreis erzeugt. Bei der Erhöhung des Treiberstroms in bestimmten Schritten erhält man ein Ausgangssignal. Die Zahl der beobachteten oder abgefühlten einzelnen Ausgangssignale kann als Maß für den Stromeingang der Antriebsspule benutzt werden. Bei Verringerung des Treiberstroms wird der Fluß in der oben beschriebenen entgegengesetzten Reihenfolge aus der harten Supraleiterspule in Teilschritten entfernt. Die so erhaltenen Ausgangsimpulse haben umgekehrte Vorzeichen und können zum Zählen einer symmetrischen abnehmenden Ziffern folge dienen. Der Zähler zeigt also einen zunehmenden Stand für steigende Ströme und einen abnehmenden Stand für sinkende Ströme.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben. In den Zeichnungen ist

Fig. 1 eine schematische Darstellung des supraleitfähige Elemente verwendenden Analog-Digital-Wandlers, und

Fig. 2 die Darstellung der Abhängigkeit der Ausgangsimpulse vom Eingangsstrom.

In Fig. 1 ist eine Schleife 2 dargestellt, die einen harten Supraleiter 4 und einen weichen Supraleiter 6 umfaßt, ein harter Supraleiter ist ein Supraleiter, der bei einer bestimmten Arbeitstemperatur ein relativ starkes Feld oder einen relativ starken Strom benötigt, um normalleitend zu werden, während ein weicher Supraleiter ein relativ schwaches Feld oder einen relativ schwachen Strom braucht, um normalleitend zu werden. Daher könnte der harte Supraleiter 4 aus einem eutektischen Wismut-Blei-Gemisch, Vanadium, Columbium oder Tantal bestehen, während der weiche Supraleiter 6 eine Bleilegierung sein könnte, z. B. Bleiindium.
Die verbindenden Teile 8 und 10 der Schleife könnten aus demselben Material wie die Spule 4 bestehen. Die ganze Schleife ist als äußerst dünner Film in der Größenordnung von 1000 Angströmeinheiten auf eine geeignete Unterlage, wie Saphir, Aluminiumoxyd, Magnesiumfluorid, Siliziummonoxyd, Glimmer, Quarz oder ein anderes Material aufgebracht, das ein elektrischer Isolator, aber ein relativ guter Wärmeleiter ist. Die Unterlage hat eine Dicke in derselben Größenordnung wie die der Supraleiter 4 und 6.

Direkt an den weichen Supraleiter 6 angrenzend, aber elektrisch gegen ihn isoliert, ist eine Abfühlwicklung 12 angeordnet, über die eine Spannung erzeugt wird, wenn der weiche Supraleiter normalleitend wird. Sie ist an einen Abfühlverstärker 14 angeschlossen, der die an ihr erscheinenden schwachen Signale verstärkt.

Mit dem harten Supraleiter 4 ist eine Eingangswicklung 16 gekoppelt. Die Spule 16 ist ein harter Supraleiter, der im ganzen Betriebsbereich des vorliegenden Analog-Digital-Wandlers supraleitend bleibt. Der Strom zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in der Eingangswicklung 16 wird an die Eingangsklemme 18 angelegt. Alle Schaltungselemente von Fig. 1 mit Ausnahme des Abfühlverstärkers 14 können in einem Plastikgehäuse untergebracht werden, um die ganze Vorrichtung selbsttragend zu machen, bevor die Gesamtschaltung beispielsweise in ein Bad aus flüssigem Helium gebracht wird.

Eine physikalische Größe, ein Merkmal, ein Ergebnis od. dgl. sei durch einen stetig veränderlichen Gleichstrom dargestellt. Dieser wird als Eingangssignal an die Eingangsklemme 18 der Eingangswicklung 16 angelegt. Es sei angenommen, daß der veränderliche Gleichstrom von Null ausgeht und in bestimmten mit Ic bezeichneten Teilschritten ansteigt (Fig. 2). Beim Anstieg des Stroms von Null auf Ic findet eine Flußverkettung zwischen den Spulen 16 und 4 statt. Eine supraleitende Schleife widersteht aber dem Durchgang eines angelegten Feldes, solange sie im supraleitenden Zustand ist, so daß der Ring als Abschirmung gegen magnetische Kraftlinien wirksam ist. Das beruht wahrscheinlich darauf, daß ein Strom in dem geschlossenen Supraleiterring induziert wird, wenn der Kraftfluß versucht, den geschlossenen Ring zu durchsetzen. Dieser Strom erzeugt sein eigenes Kraftlinienfeld, das einem Teil des Kraftflusses des angelegten Feldes entgegenwirkt und ihn neutralisiert. Der Strom erhöht sich so

lange, bis er einen Wert erreicht, der über dem kritischen Strom des weichen Supraleiters 6 liegt. Ein solcher kritischer Strom ist bei Punkt A in Fig. 2 dargestellt.

Wenn der kritische Strom des weichen Supraleiters 6 erreicht wird, wird dieser normalleitend, und der Kraftfluß kann die Ebene des Ringes durchdringen und einen Ausgangsimpuls O_A über die Wicklung 12 erzeugen, der durch den Abfühlverstärker 14 verstärkt werden kann. Der weiche Supraleiter 6 erwärmt sich bei seinem Übergang in den Normalzustand, und der Strom in ihm verschwindet als ohmscher Verlust im jetzt normalen Zustand des weichen Supraleiters 6. Der Fluß in dem harten Supraleiter 4 nimmt zu, während der Strom in der Schleife ansteigt, aber wenn der weiche Supraleiter 6 normal wird, wird er kurzzeitig erwärmt, wodurch er regenerativ weiter in den normalen Zustand getrieben wird. Während dieses Übergangs kann sich der Strom Ic immer noch in Richtung auf 21c erhöhen, der Strom in der Schleife dagegen fällt auf Null ab. Durch diesen ständig angelegten Strom wird der harte Supraleiter 4 nicht in den Normalzustand gebracht. Sobald der weiche Supraleiter 6 auf eine Temperatur abkühlt, bei der er in den supraleitenden Zustand zurückkehrt, wird eine Flußeinheit in dem harten Supraleiter 4 eingefangen.

Wenn der Strom in der Antriebsspule 16 in Richtung auf 21c ansteigt, erhöht sich der Strom in der Schleife wieder bis zu Punkt B, zu welchem Zeitpunkt der weiche Supraleiter 6 wieder normalleitend, ein Ausgangsimpuls O^B abgefühlt und eine weitere Flußeinheit in dem harten Supraleiter 4 eingefangen wird. Der Zyklus wird wiederholt, solange der Treiberstrom zunimmt, und es werden, Ausgangsimpulse Oe und Od für die durch die Punkte C und D dargestellten Teilwerte des Treiberstroms erzeugt. Wenn der Treiberstrom abnimmt, werden die Ströme in der Schleife in einer Richtung aufgebaut, die der in Fig. 1 gezeigten entgegengesetzt ist. Sie machen den weichen Supraleiter 6 normalleitend, um Ausgangsimpulse O& Op, O₀ usw. zu erzeugen. Die Polarität dieser Ausgangsimpulse ist der Polarität derjenigen entgegengesetzt, die bei Zunahme des Treiberstroms erzeugt worden sind. Während des Abfalls des Treiberstroms Ic werden Einheiten des eingefangenen Magnetflusses aus dem harten Supraleiter 4 freigegeben.

Die oben beschriebene Schaltung dient als Analog-Digital-Wandler, weil sie eine sich ständig verändernde Größe in diskrete Impulse umwandelt, und die Zahl der beobachteten Impulse wird ein Maß für die Höhe, die diese veränderliche Größe erreicht. Nach Wunsch könnten die Ausgangsimpulse O₀, 0_F usw., die während der Rückkehr des Treiberstroms Ic auf Null erlangt worden sind, durch die Verwendung einer unipolaren Abfüllvorrichtung in Verbindung mit dem Abfühlverstärker 14 ausgeschaltet werden.

Es müssen bestimmte Bedingungen eingehalten werden, damit die Erfindung richtig arbeitet. Zunächst muß die Abkühlzeit des weichen Supraleiters kurz sein

im Verhältnis zur Anstiegszeit des Treiberstroms Ic. Der weiche Supraleiter 6 wird so gewählt, daß er eine geringe Masse hat, und wird auf einen elektrischen Isolator mit sehr guten wärmeleitenden Eigenschaften aufgebracht, damit die Rückkehr des weichen Supraleiters auf die Umgebungstemperatur des flüssigen Heliums schell erfolgt, ζ .B. in etwa 100 Nanosekunden. Der Treiberstrom Ic muß eine Anstiegszeit haben, die genügend weit über der Abkühlungszeit des weichen Supraleiters 6 liegt, damit dieser in den supraleitenden Zustand zurückkehren und den nächsten Teilwert des Treiberstroms wirksam werden lassen kann.

Das von der Treiberspule 16 erzeugte Feld darf niemals so hoch sein, daß der harte Supraleiter 4 in den Normalzustand gebracht wird. Diese Bedingung kann aber dadurch erfüllt werden, daß für den harten Supraleiter 4 ein Stoff gewählt wird, z. B. eutektisches Wismut-Blei-Gemisch, für den über 10000 Gauss nötig sind, um ihn normalleitend zu machen. Die Treiberspule 16 besteht ebenfalls aus einem harten Supraleiter, dessen kritischer Strom sehr hoch ist, so daß er auch während des höchsten zu erwartenden Stromwerts NIc nicht normalleitend wird.

Die Erfindung hat zu einem neuartigen Analog-Digital-Wandler geführt, der bei sehr niedrigen Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes betrieben wird. Er eignet sich besonders zur Anwendung auf dem ständig wachsenden Gebiet der Kryotrons, auf dem die Verwendung von Schaltungen sehr erwünscht ist, die den den Supraleitern eigenen Problemen gewachsen sind.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH:

   Analog-Digital-Wandler zum Darstellen eines stetig veränderbaren Stromes durch eine entsprechende Anzahl von Impulsen, welcher immer dann einen Ausgangsimpuls abgibt, wenn der Wert des Eingangsstromes ein ganzzahliges Vielfaches der gewählten Einheit überschreitet und durch die Polarität des Ausgangsimpulses anzeigt, in welcher Richtung das Überschreiten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der stetig veränderbare Eingangsstrom (über Klemme 18) transformatorisch (über Spulen 16 und 4) in eine bei allen Betriebsverhältnissen widerstandslose Leiterschleife (2) eingekoppelt wird, welche jedoch einen Abschnitt (6) aufweist, der durch die Feldstärkeänderung des von dem in der Schleife (2) fließenden Strom erzeugten Magnetfeldes zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umsteuerbar ist, daß der zum Umsteuern des Abschnittes (6) erforderliche Strom in der Schleife (2) — bezogen auf die Primärseite (16) des zum Einkoppeln verwendeten Transformators (16,4) — gleich der gewählten Einheit des Eingangsstromes ist, und daß die Ausgangsimpulse transformatorisch (über Spulen 6 und 12) aus der Schleife (2) ausgekoppelt werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen