DE1098539B - Verfahren und Anordnung zum Betrieb einer elektronischen Cryotron-Vorrichtung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte elektronische Cryotron-Vorrichtung und eine bevorzugte Arbeitsweise dafür.

Einige Elemente und einige Metallegierungen haben die Eigenschaft, daß bei Abkühlung bis zu Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ihr Widerstand plötzlich Null wird. Dieses Phänomen nennt man Supraleitung, d. h., man nennt diese Stoffe supraleitend, wenn ihr Widerstand Null geworden ist. 22 Elemente sowie viele Metallegierungen, von denen einige nicht aus Stoffen gebildet sind, die diesen 22 Elementen angehören, sind supraleitend. Alle diese 22 Elemente werden bei einer Temperatur unterhalb 11,2° K supraleitend. Die spezielle kritische Temperatur ist je nach dem Element verschieden. Die höchste kritische Temperatur für eine bekannte supraleitende Legierung ist 20° K.

Die supraleitenden Stoffe besitzen in dem Zustand der Supraleitung außer dem Verschwinden des Widerstandes noch weitere interessante Eigenschaften. In ihnen kann sich für Feldstärken, die unter einem bestimmten sogenannten kritischen Wert liegen, kein Magnetfeld ausbilden. Die kritische Feldstärke hängt von dem betreffenden supraleitenden Stoff und seiner Temperatur ab. Wenn an einen supraleitenden Stoff ein Magnetfeld angelegt wird, dessen Feldstärke größer ist als die kritische Feldstärke, nimmt der Stoff wieder seinen normalen Widerstand an, obwohl er unter der kritischen Temperatur gehalten wird. Die Ursache hierfür ist nicht vollständig bekannt. Die Supraleitung kann ebenfalls durch einen den supraleitenden Stoff durchfließenden Strom vernichtet werden, der größer ist als ein gewisser kritischer Strom, d. h. die kleinste Stromstärke, bei der das Material wieder seinen normalen Widerstand annimmt. Dieses Phänomen kann man teilweise durch das von diesem Strom erzeugte Magnetfeld erklären, welches natürlich die Supraleitfähigkeit in dem Stoff beseitigt, wenn es die kritische Feldstärke erreicht. Seit kurzer Zeit sind elektronische Tieftemperaturvorrichtungen, die auch als Cryotron-Vorrichtungen bezeichnet werden, entwickelt worden, bei welchen die obenerwähnten Erscheinungen in elektronischen Schaltungen benutzt werden. Eine elektronische Cryotron-Vorrichtung ist ein elektronisches Element, bei dem die Supraleitung einer sogenannten Torschaltung von einem Strom gesteuert wird, der durch einen dem supraleitenden Element benachbarten Steuerkreis fließt. In früheren Cryotron-Vorrichtungen wurde diese Steuerung durch das Magnetfeld erzielt, welches von dem durch den Steuerkreis fließenden Strom erzeugt wird, aber die obige Definition erfaßt auch andere Arten der Steuerung.
Eine Anwendung dieser Cryotron-Vorrichtungen Verfahren und Anordnung

zum Betrieb einer elektronischen

Cryotron -Vorrichtung

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter; Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 2. September 1958

Vernon Leopold Newhouse, Scotia, N. Y.,

und John Wood Bremer, Schenectady, N. Y. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

ist die Steuerung des Stromes in einem Belastungswiderstand, der parallel zu der Torschaltung und einer Stromquelle geschaltet ist. Wenn die Torschaltung supraleitend ist, wird der Belastungswiderstand durch den Widerstand Null überbrückt, und der gesamte von der Stromquelle kommende Strom fließt durch die Torschaltung. Wenn hingegen die Torschaltung einen Widerstand besitzt, dadurch, daß in dem Steuerkreis ein Strom fließt, teilt sich der von der Stromquelle gelieferte Strom gemäß dem Verhältnis ihrer Widerstände oder Induktivitäten zwischen dem Belastungswiderstand und der Torschaltung auf.

Man kann zeigen, daß die obere Grenze für die Betriebsfrequenz von Cryotron-Vorrichtungen von dem Ausdruck RIL abhängt, wobei R der Widerstand der Torschaltung und L die Induktivität des Steuerkreises ist. In vielen Anwendungen, z. B. in Rechenmaschinen, sind elektronische Vorrichtungen mit einer sehr hohen maximalen Betriebsfrequenz erwünscht. Demgemäß ist es ein Ziel der Erfindung, einer elektronischen Cryotron-Vorrichtung eine hohe maximale Betriebsfrequenz zu geben.

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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist* es, eine Cryotron-Vorrichtung anzugeben, deren Steuerkreis eine niedrige Induktivität und deren Torschaltung einen hohen Widerstand besitzt.

Bei einigen Anwendungen, besonders bei Rechenmaschinen, hat die Größe der Cryotron-Vorrichtung und ihr Preis eine große Bedeutung, da viele solcher Vorrichtungen verwendet werden müssen.

Daher ist ein weiteres Ziel, eine kleine Cryotron-Vorrichtung herzustellen.

Ein weiteres Ziel ist es, den Preis einer Cryotron-Vorrichtung niedrig zu halten.

Ein weiteres Ziel ist die Herstellung einer Croytron-Vorrichtung mit Hilfe von gedruckten Schaltungen.

Ein weiteres Ziel ist eine bestimmte Arbeitsweise für eine Cryotron-Vorrichtung.

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer elektronischen Cryotron-Vorrichtung, die aus einem länglichen Teil supraleitenden Materials und einem quer dazu angeordneten Steuerleiter besteht, werden die genannten Ziele erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß an den Steuerleiter ein Steuerstrom angelegt wird und daß, während der Steuerstrom durch den Steuerleiter fließt, ein Strom an das supraleitende Teil angelegt wird, der so groß ist, daß der durch den Steuerstrom über der Breite des supraleitenden Materials ausgebildete schmale Bereich normalleitenden Materials sich über das gesamte Volumen des supraleitenden Teils ausdehnt. Es wird ferner eine bevorzugte Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagen.

Bei dieser Anordnung ist eine längliche dünne Schicht eines supraleitenden Materials auf einer Unterlage aufgetragen und bildet die Torschaltung. Diese Torschaltung wird von einer anderen dünnen Schicht eines supraleitenden Materials gesteuert, welches eine höhere kritische Feldstärke aufweist und quer zu der Schicht der Torschaltung angeordnet ist. Diese zweite dünne Schicht bildet den Steuerkreis. Wenn der Steuerkreis von einem Strom durchflossen wird, kehrt ein schmaler Streifen der dünnen Schicht der Torschaltung unterhalb des Steuerkreises zu dem normalen Widerstand zurück. Dann bewirkt ein Strom von genügender Größe durch die Torschaltung, daß sich diese kleine Flache von normalem Widerstand in kurzer Zeit über das gesamte Volumen der Torschaltung ausbreitet, womit die gesamte Torschaltung in den Normalzustand zurückgebracht wird.

Fig. 1 ist die perspektivische Ansicht einer Cryotron-Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Teilansicht im Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 ist ein Diagramm der Temperaturverteilung in dem Querschnitt der Fig. 2;

Fig. 4 ist ein Diagramm der typischen Betriebsströme der Vorrichtung von Fig. 1;

Fig- 5 ist eitle schematische Darstellung der Apparaturen, welche eine geeignete Umgebung für die Tieftemperaturvorrichtung der Fig. 1 darstellen;

Fig. 6 ist ein Blockschema für die Arbeitsweise der Cryotron-Vorrichtung von Fig. 1.

Die elektronische Cryotron-Vorrichtung der Fig. 1 besteht aus einer Unterlage 1, auf der eine supraleitende Schicht 2 aufgebracht ist, die eine Verengung 3 besitzt. Die Verengung 3 bildet die Torschaltung für die Cryotron-Vorrichtung. Quer über die Verengung 3 ist eine supraleitende Schicht 4 gelegt, die den Steuerkreis der Cryotron-Vorrichtung darstellt. Sie ist durch eine Isolierung 5 von der Schicht 3 getrennt. Die beiden Enden der Schicht 2 sind von zwei Klemmen 6 bedeckt, die viel dicker sind als die Schicht 2, so daß an sie an den Lötstellen 8 zwei Klemmstifte 7 angebracht werden können. Die Schicht 4 besitzt ebenfalls zwei Klemmen 9, an welche zwei Änsctilußstifte 10 mit Hilfe von Lötstellen 11 angebracht sind.

Vor einer ins einzelne gehenden Erläuterung der Bestandteile der Cryotron -Vorrichtung der Fig. 1 wird die Wirkungsweise dieser Vorrichtung kurz erläutert,

ίο damit die Bedeutung der Bestandteile besser verstanden werden kann. Wenn die Cryotron-Vorrichtung der Fig. 1 in Betrieb ist, sendet eine an die Anschlußklemmen 10 angeschlossene Stromquelle einen Strom durch die Schicht 4. Dieser Strom erzeugt ein Magnetfeld, dessen Stärke größer ist als die kritische Feldstärke der Schicht 2, wodurch der unter der Schicht 4 liegende Teil der Schicht 2 in seinen Normalzustand zurückgeführt wird. Danach erstreckt sich also über die ganze Breite der Verengung 3 der Schicht 2 ein schmaler Streifen von Material, welches sich im Normalzustand befindet. Wenn während der Ausbildung dieses normalen Gebietes an die Anschlußklemmen 7 eine Stromquelle angeschlossen wird, so daß ein genügend großer Strom durch die Verengung 3 fließt, wächst das in den Normalzustand übergeführte Gebiet der Verengung 3 rasch und breitet sich über das gesamte Volumen der Verengung 3 aus, wodurch die supraleitende Schicht 2 wieder in den Normalzustand übergeführt wird. Die Ausbreitung des normalen Gebietes wird durch die Ausbreitung der Jouleschen Wärme hervorgerufen, welche die Temperatur in der Verengung 3 über die kritische Temperatur anhebt.

Aus dieser Erklärung geht hervor, daß die Unterlage 1 eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben muß, damit sie so wenig wie möglich die Geschwindigkeit der Wärmeausbreitung· durch die Verengung 3 der Schicht 2 behindert. Andererseits muß die Unterlage 1 eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, damit die Schicht 2 sich so schnell wie möglich durch Wärmeableitung in die Unterlage 1 abkühlt, sobald der Strom in der Torschaltung abgeschnitten wird, und so rasch in den Zustand der Supraleitung zurückkehren kann. Da jedoch die Stoffe mit der höchsten thermischen Diffusionskonstante nicht unbedingt auch die höchste Wärmeleitfähigkeit haben, muß man einen Kompromiß suchen. Für die Unterlage 1 eignen sich z. B. die folgenden Stoffe: Saphir, Quarz, Glas und Aluminium mit einer dünnen Isolierschicht aus Al₂ O₃.

Die Unterlage 1 muß nicht nur dick genug sein, um die Wärme aus der Schicht 2 in genügendem Maße abzuleiten, sondern auch dick genug, um der Schicht 2 als Stütze dienen zu können. In vielen Anwendungen ist die Unterlage 1 mindestens hundertmal so dick wie die Dicke der Schicht 2-

Die Schicht 2 sollte aus einem supraleitenden Material bestehen, welches sich leicht in Form einer Schicht auftragen läßt, sich leicht handhaben läßt und dessen kritische Temperatur nahe der Temperatur des flüssigen Heliums bei Atmosphärendruck liegt. Zinn erfüllt als supraleitendes Material unter anderen diese Erfordernisse.

Die Forderung bezüglich der kritischen Temperatur rührt von der Verwendung des flüssigen Heliums als Kühlmittel für die Cryotron-Vorrichtung her und daher, daß die Cryotron-Vorrichtung bei einer Temperatur betrieben wird, die nur wenig unterhalb der kritischen Temperatur der Torschaltung liegt. Dadurch, daß man die kritische Temperatur der Schicht 2 so wählt, daß sie in der Nähe der Temperatur des flüssi-

gen Heliums bei Atmosphärendruck liegt, kann man durch einfache Vakuumdichtungen und Druck- oder Vakuumpumpen einen solchen auf dem flüssigen Helium erzeugen, daß die Temperatur des flüssigen Heliums gleich der gewünschten Betriebstemperatur für die Cryotron-Vorrichtung ist.

Die Zeit, innerhalb derer sich das in den Normalzustand übergeführte Material über die ganze Verengung 3 ausbreitet, ist um so kürzer, je kürzer die Verengung 3 der Schicht 2 ist. Andererseits darf die Verengung 3 nicht so kurz sein, daß ihr normaler Widerstand zu klein wird. Wenn die Schicht 2 aus Zinn besteht, können sich die Längen der Verengung 3 in dem Bereich von 1 bis 10 mm bewegen.

Die Verengung 3 der Schicht 2 muß eng genug sein, damit der Widerstand der Verengung 3 hoch ist, doch auch für die Breite der Verengung 3 gibt es eine untere Grenze, da die kritische Stromstärke mit der Breite abnimmt.

Da in manchen Anwendungen die Schicht 2 in ihrem Zustand der Supraleitung einen hohen Strom übertragen muß, darf der kritische Strom nicht zu klein gewählt werden. Bei vielen Anwendungen, bei denen die Schicht 2 aus Zinn besteht, liegt daher die Breite der Verengung 3 zwischen 1 und 4 mm.

Die Schicht 2 muß so dünn gemacht werden, wie es sich mit der gewünschten kritischen Stromstärke vereinbaren läßt, da der Widerstand mit abnehmender Dicke zunimmt. Für eine Zinnschicht 2 kann z. B. die Dicke zwischen V10 und 1 Mikron liegen. 3"

Das Material, aus der die Schicht 4 besteht, muß eine höhere kritische Temperatur haben als die Schicht 2, damit die Schicht 4 bei der Betriebstemperatur supraleitend ist. Dann gibt es in dem Steuerkreis keinen Widerstand und somit keinen Leistungsverlust. Die Schicht 4 muß außerdem eine höhere kritische Feldstärke haben als die Schicht 2, damit ein von der Schicht 4 geführter Strom, der in einem Teil der Verengung 3 ein kritisches Feld erzeugt, nicht auch den Film 4 in den Normalzustand zurückführt. Wenn die Schicht 2 aus Zinn besteht, kann die Schicht 4 aus Blei gemacht sein.

Wenn die Schicht 4 schmal und dünn ist, erzeugt der in der Schicht 4 fließende Strom auf der Oberfläche der Schicht 2 ein Magnetfeld von maximaler Intensität. Die Dicke der Schicht 4 kann von der Größenordnung der Dicke der Schicht 2 sein und die Breite ein Zehntel bis ein Tausendstel der Länge der Verengung 3 der Schicht 2.

Die Isolierung 5 kann aus fast jedem Material hergestellt sein, das sich auf die Schicht 2 aufbringen läßt. Siliziummonoxyd ist z. B. ein geeignetes Material.

Bei manchen Anwendungen kann die Schicht 4 auch nicht gegen die Schicht 2 isoliert sein und kann praktisch nur eine Fortsetzung von Schicht 2 darstellen. Aber in den meisten Anwendungen muß die Torschaltung gegenüber der Steuerschaltung isoliert sein, und deswegen wird eine Isolierung 5 verwendet.

Die Achse der Schicht 4 muß nicht unbedingt wie in der Figur einen rechten Winkel mit der Achse der Verengung 3 der Schicht 2 bilden. Die geringste Induktivität ergibt sich jedoch für die Kopplung zwischen der Schicht 4 und der Schicht 2, wenn die beiden Achsen im rechten Winkel zueinander stehen und die Schicht 4 sich in der Mitte der Verengung 3 befindet.

Da die beiden Schichten 2 und 4 sehr dünn sind, können die Anschlußstifte 7 und 10 nicht unmittelbar mit ihnen verbunden werden, daher sind an den Enden der Schichten 2 und 4 die Klemmen 6 bzw. 9 vorgesehen, mit deren Hilfe die Anschlußstifte daran befestigt werden. Die Klemmen 6 und 9 sowie die Anschlußstifte 7 und 10 müssen immer supraleitend sein und können daher aus demselben Material bestehen wie die Schicht 4.

Die Betriebstemperatur) d. h. die Temperatur der Umgebung der Tieftemperaturvorrichtung, hängt von der Größe des in der Schicht 2 fließenden Stromes ab, da der durch die Schicht 2 fließende Strom etwas kleiner sein soll als der kritische Strom. Der kritische Strom ist eine Funktion der Betriebstemperatur. Wenn die Schicht 2 aus Zinn besteht, wird die Betriebstemperatur für die meisten Anwendungen zwischen 3,5 und 3,8° K liegen. Für niedrigere Temperaturen ist der kritische Strom zu groß und für höhere Temperaturen zu klein.

Die Arbeitsweise der Tieftemperaturvorrichtung der Fig. 1 kann man besser aus den Fig. 2 und 3 ersehen. In Fig. 2 zerfällt die Schicht 2 durch die Wirkung des in der Schicht 4 fließenden Stromes und der damit verketteten magnetischen Kraftlinien in ein supraleitendes Teil 12 und ein Teil 13 im Normalzustand.

Die Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Temperaturverteilung, die durch den Strom entsteht, welcher in dem normalen Teil 13 der Schicht 2 fließt. Auf der Abszissenachse 15 ist die Länge der Verengung 3 der Schicht 2 aufgetragen, auf der Ordinatenachse 16 die Temperatur der Schicht 2. In der Mitte des Gebietes 13 ist die Temperatur am größten, da dort die Wärmeableitung am kleinsten ist. Die Temperatur nimmt nach den Seiten hin bis auf einen Wert T_b an den Randpunkten 17 des Gebietes 13 ab. Wenn die Temperatur T_b größer ist als die kritische Temperatur des Materials der Schicht 2, breitet sich das normale Gebiet 13 mit einer Geschwindigkeit nach den beiden Enden der Verengung 3 hin aus, die von der Diffusionskonstante der Schicht 2 und der Unterlage 1 bestimmt wird. Wenn die Temperatur T_b kleiner ist als die kritische Temperatur, breitet sich das normale Gebiet 13 nicht aus, und der Widerstand der Schicht 2 ist, wenn auch nicht Null, so doch nur gleich dem Widerstand des normalen Gebietes 13, der etwa ein Tausendstel des Widerstandes bei vollständiger Umwandlung der Verengung 3 in den Normalzustand ist. Anders ausgedrückt tritt eine Ausbreitung dann ein, wenn für einen bestimmten Zuwachs des normalen Gebietes 13 der dadurch hervorgerufene Zuwachs an Stromwärme größer ist als die Zunahme der abgeleiteten Wärme.

Wenn der in dem Steuerkreis fließende Strom entweder allein oder gleichzeitig mit einem Strom durch die Torschaltung, ein kleines, schmales Gebiet von normalleitendem Material quer über die ganze Breite der Verengung 3 erzeugt, muß der in der Verengung 3 fließende Strom durch das normalleitende Material hindurchfließen. Dadurch entsteht in dem normalleitenden Material 13 Wärme, und wenn der Strom groß genug ist, ruft er eine schnelle Ausbreitung des normalleitenden Gebietes über das gesamte Volumen der Verengung 3 hervor, wodurch die gesamte Verengung 3 wieder den normalen Widerstand zurückerhält. Wenn der durch die Schicht 2 fließende Strom aufhört, kühlt sich die Verengung 3 durch den Wärmeverlust an die Unterlage 1 ab, und nach kurzer Zeit ist ihre Temperatur unter den kritischen Punkt abgesunken, so daß die Supraleitung wieder hergestellt wird.

Die Fig. 4 zeigt einen typischen Zusammenhang zwischen dem Strom im Steuerkreis und dem Strom

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in der Torschaltung für die Ausbreitung des normalleitenden Gebietes 13, wenn die Schicht 2 aus Zinn und die Schicht 4 aus Blei besteht. Auf der Abszisse 18 ist der Torstrom in Milliampere aufgetragen und auf der Ordinate 19 der Steuerstrom ebenfalls in Milliampere. Die punktierte Linie für einen Torstrom von etwa 70 Milliampere deutet an, daß für diese spezielle Tieftemperaturvorrichtung keine Ausbreitung des normalleitenden Gebietes 13 eintritt, wenn der Torstrom kleiner ist als 70 mA, unabhängig von der Größe des Steuerstromes. Aus der Kurve ersieht man, daß für Stromverstärkung, d. h. wenn der gesteuerte Torstrom kleiner ist als der Steuerstrom, der Torstrom sehr nahe an dem kritischen Strom von 10OmA liegen muß. Da bei den meisten Anwendungen eine Stromverstärkung erwünscht ist, wird die Tieftemperaturvorrichtung bei einem Strom in der Torschaltung betrieben, der sehr nahe an dem kritischen Strom liegt.

Die Kurve der Fig. 4 gilt nur für eine einzige spezielle Tieftemperaturvorrichtung. Die Form dieser Kurve hängt von vielen Faktoren ab, z. B. von den für die Schichten 2 und 4 verwendeten Materialien, der Reinheit dieser Materialien, der Regelmäßigkeit der Schichten 2 und 4 u. a. Gegenwärtig kann man Kurven wie die der Fig. 4 noch nicht berechnen. Man kann sie nur empirisch bestimmen.

Obwohl, wie oben erwähnt, die Schicht 4 in den meisten Anwendungen immer supraleitend bleibt, damit in dem Steuerkreis keine Energie verbraucht wird, arbeitet die Tief temperaturvorrichtung der Fig. 1 auch dann noch, wenn die Schicht 4 ein gewöhnlicher Leiter ist, ja selbst sie einen hohen Widerstand besitzt. In diesen Fällen erniedrigt der Wärmeverlust in der Schicht 4 die kritische Feldstärke für den Teil der Schicht 2, der sich unmittelbar unter der Schicht 4 befindet. Dann genügt ein kleinerer Strom in Schicht 4, um das aus normalleitendem Material bestehende Gebiet 13 auszubilden. Bei einer Anwendung, bei der die Schicht 4 einen hohen Widerstand besitzt, kann die Umwandlung in den Normalzustand in dem Gebiet 13 schon allein durch die Wärme hervorgerufen werden.

Die Fig. 5 zeigt eine Apparatur, mit der man die geeignete Umgebung für die Tieftemperaturvorrichtung der Fig. 1 erzeugt. Die Fig. 5 zeigt einen isolierenden Behälter 20, der aus zwei metallischen Hohlkugeln 21 besteht, zwischen denen sich eine geeignete Isolierung 22 befindet. Die Kugeln 21 können an den Flanschen 23 geöffnet werden, damit man gedruckte Schaltungen 24 in den Behälter 20 einführen kann, die etwa ein Volumen von 1 Kubikfuß (etwa 0,027 m³) haben. Auf die Schaltungsplatten 24 können eine große Anzahl, z. B. ¹A Million Cryotron-Vorrichtungen gedruckt sein. Diese Cryotron-Vorrichtungen sind mit Drähten 25 an die Steuerapparatur 26 eines Rechners angeschlossen, dessen Hauptteil von den Platten 24 gebildet wird. Die Steuerapparatur 26 umfaßt auch die Energiequellen für den Rechner. Die Schaltungsplatten 24 sind von flüssigem Helium 27 umgeben, um die Cryotron-Vorrichtungen auf der gewünschten Betriebstemperatur zu halten.

Die Temperatur des flüssigen Heliums ist eine Funktion seines Druckes. Für Betriebstemperaturen zwischen 3,5 und 3,8° K ist dieser Druck etwas weniger als der atmosphärische Druck. Darum benötigt man eine Vakuumapparatur.

Die abgebildete Vakuumapparatur besteht aus einer Vakuumpumpe 28, welche die Luft von einem Manostat 30 durch eine Leitung 29 abpumpt, der seinerseits durch eine andere Leitung 31 mit dem Hals des Isolierbehälters 20 verbunden ist. Der Manostat 30 reguliert den Druck über dem flüssigen Helium 27.

Vor der Erläuterung der neuartigen Arbeitsweise, wie sie in Fig. 6 gezeigt wird, werden einige allgemeine Betriebseigenschaften betrachtet. Zunächst unterscheidet sich die Cryotron-Vorrichtung dieser Erfindung insbesondere dadurch von früheren Cryotron-Vorrichtungen, daß der Steuerstrom in der vorliegenden Vorrichtung niemals die gesamte Verengung 3 in den Normalzustand zurückversetzt, sondern nur ein sehr schmales Gebiet der Verengung 3. In manchen Betriebszuständen reicht der Strom in dem Steuerkreis allein nicht aus, um das normalleitende Gebiet 13 zu erzeugen, sondern muß von einem Strom durch die Torschaltung unterstützt werden. Hierin liegt der Unterschied zu früheren Cryotron-Vorrichtungen, bei welchen der Steuerstrom allein die gesamte Torschaltung in den normalleitenden Zustand zurückversetzt. Weiterhin muß in der vorliegenden Cryotron-Vorrichtung der Torstrom das erste Mal eingeschaltet werden, wenn gleichzeitig ein Steuerstrom vorhanden ist, um, wenn notwendig, die Ausbildung des Gebietes 13 von normalleitendem Material zu unterstützen, und muß außerdem groß genug sein, um die Ausbreitung dieses Gebietes hervorzurufen.

Wie oben erwähnt, ist die Torschaltung bei einer Betriebsart parallel zu einer Belastung geschaltet und regelt den Strom durch den Belastungskreis. Wenn die Torschaltung supraleitend ist, fließt kein Strom in den Belastungskreis. Wenn dagegen die Torschaltung in den Zustand ihres normalen Widerstandes versetzt ist, fließt ein gewisser Strom in der Belastung, dessen Größe von den Widerständen und Induktivitäten der Torschaltung und der Belastung abhängt. Wenn der Belastungsstrom fortgesetzt werden soll, muß der Strom in der Torschaltung so groß sein, daß er genügend Wärme erzeugt, um .die Temperatur der Torschaltung oberhalb der kritischen Temperatur zu halten. Dieser Strom verursacht einen .Energieverlust und vermindert den maximal möglichen Wirkungsgrad der Anordnung. Die Fig. 6 zeigt nun eine Arbeitsweise, bei der ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird.

Die Fig. 6 zeigt eine Stromquelle 32, die durch zwei Leitungen 33 parallel zu einer Cryotron-Vorrichtung, wie. sie in Fig. 1 abgebildet war, und zu einer Belastung 34 angeschlossen ist. Die Stromquelle 32 erzeugt Stromstöße, deren Dauer nicht länger ist als die thermische Zeitkonstante der Torschaltung, d. h. der Schicht 2. Unter der thermischen Zeitkonstante versteht man die Zeit, welche die Schicht 2 benötigt um. sich unter die kritische Temperatur abzukühlen, wenn der Strom .durch die Schicht 2 nicht ausreicht, um sie oberhalb des kritischen Punktes zu halten. Eine Stromquelle 35 erzeugt Stromstöße, die durch die Leitungen 36 dem Steuerkreis, d. h. der Schicht 4, zugeführt werden. Normalerweise, d. h. wenn keine Stromstöße von der Quelle 35 her geliefert werden, fließt der Strom der Quelle 32 nicht durch die Belastung 34, sondern wird durch die Torschaltung 2 kurzgeschlossen. Wenn in. der Belastung 34 ein Strom fließen soll, muß die Stromquelle 35 einen Stromstoß erzeugen und ihn der Steuerschalrung 4 zuführen, der lang genug ist, daß er mit Sicherheit mit dem Einsetzen des Stromstoßes von der Stromquelle 32 zusammenfällt. Der Anfang des Stromstoßes der. Quelle 32, der gleichzeitig mit dem Stromstoß der Quelle 35 auftritt, ruft die Ausbildung eines Kerns 13 von normalleitendem Material über

der ganzen Breite der Schicht 2 hervor. Dann breitet der Strom der Quelle 32 dieses normalleitende Gebiet über das gesamte Volumen der Schicht 2 aus, wodurch die Torschaltung in den normalleitenden Zustand zurückversetzt wird.

Dann fließt ein Teil des Stromes desselben Impulses von der Quelle 32 durch die Belastung 34, da sich der Widerstand der Torschaltung erhöht hat. Wenn in der Belastung 34 ein Strom fließt, sinkt der Strom durch die Schicht 2, und sie beginnt sich abzukühlen und kehrt nach Ablauf der thermischen Zeitkonstante in den Zustand der Supraleitung zurück. Wenn der Stromstoß der Quelle 32 nicht langer andauert als die thermische Zeitkonstante des Materials der Schicht 2, wird kein Teil dieses Stromes benötigt, um die Temperatur der Schicht 2 oberhalb des kritischen Punktes zu halten, da die Temperatur der Schicht 2 erst nach Beendigung des Stromstoßes unter den kritischen Punkt absinkt, und in diesem Zeitpunkt kann die Schicht 2 sich in den Zustand der Supraleitung umwandeln, ohne daß dadurch der Belastungsstrom beeinflußt wird. Folglich kann durch Verwendung von Stromstößen der Quelle 32, deren Dauer nicht größer ist als die thermische Zeitkonstante der Schicht 2, die Schaltung auf einen maximalen Wirkungsgrad gebracht werden, d. h. daß durch die Schicht 2 praktisch der Strom Null fließt, solange sie sich im normalleitenden Zustand befindet, da der Strom, der von der Quelle 32 herkommt, die Schicht 2 nicht in ihrem normalleitenden Zustand halten muß. Natürlich kann diese Arbeitsweise nur für solche Anwendungen bevorzugt werden, bei denen ein gepulster Belastungsstrom erwünscht ist.

Die Stromstöße der Quelle 32 können größer ge macht werden, ohne daß sich die Verengung 3 in normalleitendes Material verwandelt, wenn nur ihre Länge kleiner bleibt als die Zeit, die benötigt wird, um die kleinen normalleitenden Gebiete über den kritischen Punkt zu erwärmen, die, wie man glaubt, durch den Ansturm des Torstromes entstehen. Diese Gebiete sind so klein, daß sie sich nie über die ganze Breite der Verengung 3 erstrecken, und beeinträchtigen daher nicht die Supraleitung der Schicht 2. Die obere Grenze für die Höhe der Stromstöße ist die Stromstärke, welche das kritische Magnetfeld erzeugt.

Die Arbeitsweise mit kurzen Stromstößen bietet mehrere Vorteile. Die Breite der Torschaltung kann für dieselbe Stromkapazität verringert und somit der Widerstand vergrößert werden, wenn diese kurzen Stromstöße an Stelle von längeren Impulsen verwendet werden. Andererseits kann man die Impulse stärker machen, wenn man die Breite der Torschaltung beibehält. Die stärkeren Stromstöße beschleunigen die Ausbreitung des normalleitenden Gebietes, das vom Steuerkreis erzeugt worden ist, auch wenn ihre Länge für die Ausbreitung der sehr kleinen Kerne normalleitenden Materials nicht ausreicht. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß in dem Steuerkreis der Cryotron-Vorrichtung gemäß der Erfindung eine niedrige Induktivität erzielt wird, indem man einen Steuerkreis in Form einer geraden kurzen leitenden Strecke verwendet. Obwohl diese Strecke ein einfacher Draht sein kann, führt man sie vorzugsweise in Form einer Schicht supraleitenden Materials aus, da eine Schicht sich mit Drucktechniken herstellen läßt. Ein hoher Widerstand wird in der Torschaltung durch die Verwendung einer dünnen länglichen Schicht supraleitfähigen Materials erzielt. Die Vorteile der Abnahme der Induktivität des Steuerkreises erhält man auch dann, wenn die Torschaltung nicht aus einer

dünnen Schicht besteht. Die Ausführung der Torschaltung in Form einer Schicht ist aber von Vorteil, wenn man die vereinigte Wirkung einer niedrigen Induktivität im Steuerkreis und eines hohen Widerstandes in der Torschaltung erzielen will, um eine kleine Zeitkonstante und damit eine hohe maximale Betriebsfrequenz zu erhalten. Außerdem kann man Schichten leicht durch Druckschaltungen verarbeiten. Diese Vorrichtung ist billig, da sie klein ist, jedoch nicht so klein, daß sie schwierig herzustellen ist, und da sie aus billigem Material hergestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Cryotron-Vorrichtung liegt in der Verwendung dieser Vorrichtung bei solchen Anwendungen, bei denen der Torstrom die Umwandlung der Torschaltung von dem Zustand der Supraleitung in den Normalzustand hervorruft. Wenn frühere Cryotron-Vorrichtungen in solchen Anwendungen verwendet werden, verstreicht eine merkliche Zeit zwischen dem Einsetzen des Torstroms und der Bildung eines Widerstandes in der ganzen Torschaltung. Das rührt daher, daß eine gewisse Zeit nötig ist, um die kleinen Gebiete normalleitenden Materials über die ganze Breite der Torschaltung auszudehnen. Solange sich dieses Material nicht über die gesamte Breite ausgedehnt hat, ist kein Widerstand vorhanden, da bis dahin immer supraleitendes Material mit dem normalleitenden Material parallel liegt. Bei der vorliegenden Cryotron-Vorrichtung jedoch ruft der Steuerkreis einen solchen Zustand über der gesamten Breite der Torschaltung hervor, daß sich bei Einsetzen eines Torstromes unmittelbar ein Kern von normalleitendem Material bildet, der sich über die ganze Breite der Torschaltung erstreckt. Auf diese Weise gewinnt die Torschaltung ihren Widerstand schneller als frühere Cryotron-Vorrichtungen.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Betrieb einer elektronischen Cryotron-Vorrichtung, die aus einem länglichen Teil supraleitenden Materials und einem quer dazu angeordneten Steuerleiter besteht, dadurch gekennzeichnet, daß an den Steuerleiter ein Steuerstrom angelegt wird und daß, während der Steuerstrom durch den Steuerleiter fließt, ein Strom an das supraleitende Teil angelegt wird, der so groß ist, daß der durch den Steuerstrom über der Breite des supraleitenden Materials ausgebildete schmale Bereich normalleitenden Materials sich über das gesamte Volumen des supraleitenden Teils ausdehnt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrom und der Arbeitsstrom in Form von Impulsen zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der an das supraleitende Teil angelegte Arbeitsstromimpuls eine kürzere Dauer hat, als die thermische Zeitkonstante des supraleitenden Materials beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der an das supraleitende Teil angelegte Arbeitsstromimpuls eine kürzere Dauer hat, als notwendig ist, um kleine Kerne normalleitenden Materials über den kritischen Punkt zu erhitzen, die sich in kleinen Bereichen bilden und deren kritische Stromstärke niedriger ist als die durchschnittliche kritische Stromstärke des supraleitenden Materials.

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5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine isolierende Unterlage von hoher thermischer Diffusionskonstante, eine längliche dünne Schicht von supraleitendem Material auf dieser Unterlage, eine

zweite längliche dünne Schicht von supraleitendem Material, die quer zu der ersten Schicht angeordnet ist und deren kritische Temperatur und kritische Feldstärke höher ist als die kritische Temperatur und Feldstärke der ersten Schicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen