DE1120502B - Schaltungsanordnung mit mehreren in einer Ebene angeordneten Supraleitern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit mehreren in einer Ebene angeordneten Supraleitern, deren Leitfähigkeit bei tiefer Temperatur durch die Feldstärkeänderung eines auf sie einwirkenden Magnetfeldes zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umsteuerbar ist, und mindestens einer parallel zu dieser Ebene verlaufenden supraleitenden Abschirmung.

Die für die Verwendung in den Rechen-, Steuer- und Speichereinrichtungen elektronischer Geräte zur automatischen Datenverarbeitung entwickelten Supraleiter-Schaltungen enthalten gewöhnlich eine Anzahl von parallel an eine Stromquelle angeschlossenen Supraleiter-Stromzweigen, zwischen welchen der Strom durch Supraleiter-Torschaltungen wahlweise umgeschaltet werden kann. Die Geschwindigkeit, mit der diese Umschaltung erfolgt, und damit die Arbeitsgeschwindigkeit einer solchen Schaltung, hängt im wesentlichen von der Induktivität der Schaltung und dem Widerstand ab, der durch die Torschaltungen in die Schaltung eingeführt werden kann. Für eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit müssen solche Schaltungen daher eine niedrige Induktivität aufweisen und die verwendeten Torschaltungen einen relativ hohen Widerstand in die Schaltungen einführen können. Damit diese Schaltungen einander steuern können, müssen die Torschaltungen einen Stromverstärkungsfaktor aufweisen, welcher den Wert Eins übersteigt. Weiterhin müssen diese Schaltungen in sehr großer Anzahl und mit relativ niedrigen Kosten herstellbar sein.

Eine Schaltungsanordnung, die alle diese Forderungen erfüllt, ist bekannt. Sie verwendet für die Torschaltungen und Steuerleitungen dünne Filme aus Supraleitermaterial, die auf eine ebene Unterlage aufgebracht sind. Außerdem ist auf die Unterlage noch ein Film aus einem harten Supraleitermaterial aufgebracht, welcher zunächst als Abschirmung dient, darüber hinaus aber noch die Induktivität der durch die Supraleiterfilme gebildeten Vorrichtung verringert und den Silsbee-Strom der Filme und damit auch den Stromverstärkungsfaktor erhöht. Durch die Ausbildung als dünne Filme weisen die Torschaltungen einen relativ hohen Widerstand auf, und da die Schaltungsanordnung zweckmäßigerweise durch Aufdampfen im Vakuum oder anch ähnlichen bekannten Verfahren aufgebaut wird, kann sie in großer Stückzahl und mit relativ niedrigen Kosten hergestellt werden.

Eine Schwierigkeit bei der Herstellung dieser bekannten Schaltungsanordnung ergibt sich jedoch aus der Art und Weise, in der die abschirmenden Supra-Schaltungsanordnung

mit mehreren in einer Ebene

angeordneten Supraleitern

Anmelder:

International Business Machines Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,
Böblingen (Württ), Sindelfinger Str. 49

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. April 1959 (Nr. 809 815)

John Jacob Lentz, Chappaqua, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

leiterschichten ihre Funktion ausüben. Wenn an die unter der Abschirmungsschicht angeordneten Leiter der Schaltungsanordnung ein Strom angelegt wird, werden in der Abschirmungsschicht Ströme induziert, die verhindern, daß die durch den Strom in der Schaltung erzeugten magnetischen Felder die Abschirmungsschicht durchdringen. Diese in der Abschirmungsschicht induzierten Ströme fließen in geschlossenen Strompfaden, und es wird dabei für jeden Strom in einem Leiter ein Kreisstrom in der Abschirmungsschicht induziert. Diese Kreisströme können nun nachteilige Wirkungen auf die Arbeitsweise der Schaltung haben, insbesondere dann, wenn viele Leiter unter einer Abschirmungsschicht angeordnet sind und in vielen dieser Leiter gleichzeitig Ströme fließen. In einem solchen Fall besteht die Möglichkeit, daß sich einige Kreisströme überlagern und in der Abschirmungsschicht einen Strom erzeugen, der größer als ihr Silsbee-Strom ist, so daß sie dort in ihren normalleitenden Zustand übergeht und ihre Abschirmwirkung verliert. Außerdem besteht die Möglichkeit, daß die Kreisströme in der Abschirmungsschicht eine Kopplung zwischen den einzelnen Leitern bewerkstelligen. Die Kreisströme in der Abschirmungsschicht bilden für den Konstrukteur ein schwerwiegendes Problem, da es sehr schwierig ist, mit Bestimmtheit den genauen Verlauf

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aller solcher Ströme für jeden möglichen Schaltungszustand vorauszusagen.

Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art, in welcher unter Verwirklichung aller Vorteile der bekannten S Schaltungsanordnung die Möglichkeit nachteiliger Wirkungen durch Kreisströme in der Abschirmungsschicht stark verringert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Supraleiter der Schaltungsanordnung an ihren beiden Enden entweder unmittelbar oder mittelbar über eine Stromquelle oder auch einen Verbraucher mit den Abschirmungen verbunden sind, so daß die Abschirmungen als allen Supraleitern gemeinsame Rückleitung dienen, und daß der Abstand der Abschirmung von den Supraleitren klein ist gegen die Breite der Supraleiter.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einiger in den Zeichnungen erläuterter Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

In Fig. 1 ist ein aus dünnen Filmen aufgebautes Kryotron bekannter Art dargestellt. Die Vorrichtung von Fig. 1 ist jedoch gemäß der Erfindung dahingehend abgeändert worden, daß Verbindungen zwischen der Supraleiter-Abschirmungsschicht, auf der die Schaltung ruht, und den verschiedenen Leitern, die die Schaltung bilden, bestehen. Das gezeigte Kryotron enthält eine Steuerleitung 10 und eine Torleitung 12, die übereinanderliegen und bei denen die Steuerleitung die Torleitung kreuzt. In dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht mindestens der Teil der Torleitung, der von der Steuerleitung gekreuzt wird, aus einem »weichen« Supraleitermaterial, und der restliche Teil der Torleitung besteht aus einem »harten« Supraleitermaterial. Die Ausdrücke »hart« und »weich« sind relativ, und zwar ist »hart« ein Material, das ein relativ starkes magnetisches Feld benötigt, um bei der Betriebstemperatur der Schaltung normalleitend zu werden, während »weich« ein Material ist, das bei dieser Temperatur von einem viel schwächeren magnetischen Feld normalleitend gemacht wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das weiche Supraleitermaterial Zinn und das harte Supraleitermaterial Blei, und die Betriebstemperatur der Schaltung liegt unter der Übergangstemperatur für die Torleitung aus Zinn. In dem Kryotron nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sowie in den anderen Ausführungsbeispielen ist die Kryotron-Steuerleitung schmäler als die Torleitung dort, wo sie die Torleitung kreuzt, und die Achsen dieser Leitungen stehen am Schnittpunkt senkrecht aufeinander, da dies eine Art der Herstellung von dünne Filme verwendenden Kryotrons ist, welche einen Stromverstärkungsfaktor haben.

Die Vorrichtung wird hergestellt, indem nacheinander auf eine Unterlage 14 in einem Hochvakuum Schichten aus Isolier- und hartem und weichem Supraleitermaterial aufgedampft werden. Zuerst wird die Unterlage 14 mit Inseln 16, 18, 20 und 22 versehen, zu denen Anschlüsse zu den externen Schaltungen geführt werden. Als erster Schritt in der Aufdampfungsoperation wird eine aus hartem Supraleitermaterial bestehende Abschirmungsschicht 24 auf die Unterlage 16 aufgedampft. Diese Abschirmungsschicht 24 ist etwa rechteckig, ist aber mit einem Segment 24« versehen, das von ihrer linken Kante aus zu der insel 20 verläuft, sowie mit einem Segment 24 b, das von der oberen Kante aus zur Insel 16 verläuft. Als nächster Schritt wird eine Schicht aus Isoliermaterial 26 aufgedampft, die die ganze Oberfläche der Abschirmungsschicht 24 mit Ausnahme eines schmalen Streifens entlang ihrer unteren und ihrer rechten Kante bedeckt. Danach wird die Torleitung 12 aufgedampft, und zwar erstreckt sie sich von der Insel 22 aus zur rechten Kante der Abschirmungsschicht, wo sie bei 12« mit ihr Kontakt macht. Wie schon erwähnt, besteht die ganze Torleitung mit Ausnahme des unter der Steuerleitung 10 liegenden Teils aus einem harten Supraleitermaterial, und der Teil direkt unter der Steuerleitung 10 besteht aus einem weichen Supraleitermaterial. Nach Aufbringung der Torleitung wird eine Schicht aus Isoliermaterial 28 auf denjenigen Teil der Torleitung aufgedampft, über den später die Steuerleitung 10 hinweggeht. Dann wird die Steuerleitung 10 so aufgedampft, daß sie von der Insel 18 aus zu einem Punkt 10« verläuft, wo sie mit der Abschirmungsschicht 24 Kontakt macht. Die Insel 18 ist mit der Stromquelle 30 verbunden, die die Steuerleitung 10 mit Strom versorgt, und der Rückkehrpfad für diesen Strom verläuft durch die Abschirmungsschicht zur Insel 16 und von dort aus zur Erde, wie noch genauer erklärt wird. Die Torleitung 12 ist über die Insel 22 mit einer Stromquelle 32 verbunden, und ihre andere Klemme wird durch den Erdanschluß an die Insel 20 gebildet.

Durch eine Supraleiter-Abschirmungsschicht wie die bei 24 gezeigte wird die Induktivität der die Schaltung auf der Abschirmungsschicht bildenden Leitungen reduziert. Außerdem macht sie die Stromverteilung in diesen Leitungen und vor allem in der aus weichem Supraleitermaterial bestehenden Torleitung einheitlicher. Dadurch erhöht sie tatsächlich den Silsbee-Strom für die Torleitung. Ohne Verbindung zwischen den Leitungen und der Abschirmungsschicht, auf der sie montiert sind, erreicht man diese Vorteile als Folge der induzierten Abschirmungsströme, welche magnetische Felder in einer den von den Strömen in den Leitungen erzeugten magnetischen Feldern entgegengesetzten Richtung erzeugen. Diese in der Abschirmungsschicht induzierten Ströme müssen notwendigerweise in einem geschlossenen Pfad fließen, und es wird angenommen, daß solche Ströme, nachdem sie direkt unterhalb der stromführenden Leitung geflossen sind, gewöhnlich entlang der Kante der Abschirmungsschicht zurückkehren. Wenn eine große Zahl von Leitungen auf einer einzigen Abschirmungsschicht angeordnet ist und Strom gleichzeitig an eine Gruppe dieser Leitungen angelegt wird, werden mehrere solcher umlaufender Ströme in der Abschirmungsschicht induziert, deren genaue Orte nicht immer bekannt sind. Daher kann an bestimmten Stellen in der Abschirmungsschicht und insbesondere entlang ihrer Kanten die Stromdichte eine solche Größe erreichen, daß die Operation der Schaltung nachteilig beeinflußt wird, und außerdem können diese umlaufenden Ströme eine Kupplung zwischen den Leitungen auf der Abschirmungsschicht bewirken.

In der Anordnung von Fig. 1 sind die Leitungen selbst tatsächlich an die Abschirmungsschicht angeschlossen, so daß diese einen Rückstrompfad für den von den Leitungen geführten Strom bildet. Wenn also z. B. ein Strom der Steuerleitung 10 dieser Schaltung durch die Stromquelle 30 zugeführt wird, fließt er von

der Insel 18 aus durch die Leitung 10 auf der Abschirmungsschicht zu dem Verbindungspunkt 10 a, wo diese Leitung mit der Abschirmungsschicht verbunden ist. Dann kehrt der Strom in der Abschirmungsschicht zurück entlang eines Pfades direkt unter der Leitung 10 und durch das Segment 24 a zur Insel 16, die geerdet ist. Obwohl es so aussieht, als könne der durch die Quelle 30 gelieferte Strom jeden von mehreren Pfaden vom Punkt 10 a zur Insel 16 oder möglicherweise selbst zu einer anderen Insel, wie z. B. 20, die an die Abschirmungsschicht angeschlossen ist, nehmen, kehrt in allen Fällen der Strom in dem direkt unter der Leitung 10 liegenden Pfad zurück. Der Strom kehrt notwendigerweise auf diesem Wege zurück, da er der Pfad mit dem niedrigsten Widerstand ist, der ihm zur Verfügung steht. Durch das Durchfließen dieses Pfades erzeugt weiterhin der Rückstrom ein Feld, das den durch den Strom in der Leitung selbst erzeugten Feld entgegenwirkt, womit die Forderung erfüllt wird, daß kein Magnetfluß die supraleitfähige Abschirmungsschicht durchdringen darf oder, anders ausgedrückt, daß keine reine Änderung in dem Magnetfluß stattfinden darf, der eine beliebige von der Abschirmungsschicht gebildete geschlossene Schleife durchfließt. Bei einer Leitung, die auf einer Abschirmungsschicht angeordnet, aber mit ihr nicht verbunden ist, wird ein Strom in der Abschirmungsschicht induziert durch das magnetische Feld, welches durch Strom in der Leitung erzeugt wird und versucht, die Abschimungsschicht zu durchdringen. Dieser induzierte Strom bildet ein magnetisches Feld, das dem angelegten Feld der Leitung entgegengesetzt ist. In der Anordnung von Fig. 1 wird dieselbe Funktion erreicht durch Rückführung des Stromes aus der Leitung durch die Abschirmungsschicht hindurch in einem Pfad, der direkt unterhalb der Leitung liegt, und gleichzeitig werden in anderen Teilen der Abschirmungsschicht keine kreisenden Ströme erzeugt. In ähnlicher Weise erstreckt sich der Strompfad für den von der Quelle 32 gelieferten Strom von der Insel 22 aus entlang der Torleitung 12 zum Verbindungspunkt 12 α, wo dieser Strom in die Abschirmungsschicht eintritt und in einem direkt unter der Leitung 12 verlaufenden Pfad durch das Segment 24 α zu der geerdeten Insel 20 zurückkehrt. Man beachte, daß diese Rückkehrpfade für die Leitungen 10 und 12 in der Abschirmungsschicht 24 durch die dargestellte Anordnung selbst dann gebildet werden, wenn diese Leitungen einander überkreuzen.

Obwohl in der Schaltung von Fig. 1 nur eine einzige Steuer- und eine einzige Torleitung gezeigt sind, um die Darstellung zu vereinfachen, kann natürlich das Kryotron gemäß Fig. 1 eines von mehreren auf einer einzigen Abschirmungsschicht angeordneten sein. Ein Beispiel für eine einfache Kryotronschaltung, in der die Anschlüsse für mehrere Steuer- und Torleitungen genau dargestellt sind, zeigt das Ausführungsbeispiel von Fig. 2. Die Funktion der Schaltung von Fig. 2 besteht darin, den von einer Stromquelle 40 gelieferten Strom zu einem oder dem anderen von zwei Auswertungs-Ausgangskreisen 42 oder 44 zu lenken. Die Schaltung gleicht insofern der von Fig. 1, als sie mehrere Supraleiterstreifen enthält, die auf eine Unterlage 46 aufgedampft sind und die gegeneinander isoliert und jeder mit einer Abschirmungsschicht 48 verbunden sind, welche auf die Unterlage aufgedampft ist. Die Auswertungskreise 42 und 44, die auf eine andere Unterlage aufgebracht sein können, verlaufen parallel von einer Klemme der Quelle 40 aus zu Inseln 56 bzw. 58. Eine Leitung 52 verläuft von der Insel 56 quer über die Breite der Unterlage zu einem Punkt 52 a, wo sie an eine Abschirmungsschicht 48 angeschlossen ist. Ein Rückkehrpfad für diese Leitung erstreckt sich direkt unter ihr in der Schicht 48 zu einem Segment 48 a der Schicht. Dieses Segment ist an die Klemme an der Insel 50 angeschlossen, die mit der anderen Klemme der Quelle 40

ίο verbunden ist. Ähnlich verläuft eine andere Leitung 54 von der Insel 58 aus quer über die Unterlage zu einem Verbindungspunkt 54 a mit der Schicht 48 und von dort zurück durch die Abschirmungsschicht durch ein Segment 48 b zu einer Insel 50. Durch eine Schicht aus Isoliermaterial 60 werden die Leitung 52 und 54 gegenüber der Abschirmungsschicht 48 isoliert, mit Ausnahme der Punkte 52 a und 54 a. Der Pfad 52 wird von einer Steuerleitung in Form einer Supraleiterleiste 62 und der Pfad 54 von einer Steuerleitung in Form einer Supraleiterleiste 64 überquert. Die Steuerleitungen sind gegen die Pfade durch Isolierschichten 68 isoliert, und der Torteil jedes der Pfade 52 und 64, über den die zugeordneten Steuerleitungen hinweggehen, besteht aus einem weichen Supraleitermaterial, so daß er wahlweise zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand durch der Steuerleitung zugeführte Stromsignale gesteuert werden kann.

Steuersignale werden der Steuerleitung 62 durch eine an die Insel 72 angeschlossene Stromquelle 70 zugeführt. Die Steuerleitung 62 verläuft von dieser Insel aus zu einer Öffnung 75 in der Isolierschicht 60, wo diese Leitung Kontakt mit der Abschirmungsschicht 48 macht, so daß jeder den Leitungen zuge- führte Strom in der Schicht 48 zu deren Segment 48 c zurückgeführt wird. Das Segment 48 c ist an die Insel

74 angeschlossen, die ihrerseits mit der anderen Klemme der Quelle 30. hier als Erde dargestellt, verbunden ist. Ähnlich werden Stromsignale der Steuerleitung 64 durch eine Signalquelle 76 zugeführt, deren eine Klemme an eine Insel 78 und deren Erdklemme an eine Insel 82 angeschlossen ist. Diese Steuerleitung verläuft zu einer Öffnung 80 in der Isolierschicht 60, wo sie mit der Abschirmungsschicht 48 Kontakt macht. Der Rückkehrpfad für die Steuerleitung 64 erstreckt sich direkt darunter in der Schicht 48 durch ein Segment 48 J zu einer Insel 82, die geerdet ist. Im Betriebszustand wird der Strom von der Quelle 40 aus zu einem der Auswertkreise 42 oder 44 gelenkt, indem die Stromquellen 70 und 76 wahlweise erregt werden. Wenn z. B. die Quelle 76 erregt wird, wird der Torteil der Leitung 54 normalleitend, so daß der ganze Strom aus der Quelle 40 durch die Leitung 52 zum Verbindungspunkt 52 a und von dort aus zurück durch einen Pfad in der Abschirmungsschicht 48 direkt unter dieser Leitung durch ein Segment 48 α hindurch zu der Insel 56 gelenkt wird und weiter zu der Auswertschaltung 42. Obwohl eigene Verbindungen an den Punkten 52 a und 54 a zwischen den Leitungen 52 und 54 und der Abschirmungsschicht 48 vorgesehen sind, kehrt ein Strom, der eine dieser beiden Leitungen durchfließt, in der Abschirmungsschicht über einen Pfad direkt unter der betreffenden Leitung zu der entsprechenden Insel 56 bzw. 58 zurück. Bei Anlegung eines Stromsignals an eine der Steuerleitungen 62 oder 64 wird dieser Strom zu der Abschirmungsschicht an der entsprechenden Öffnung

75 bzw. 80 in der Isolierschicht 60 und von dort

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zurück direkt unter der Steuerleitung, der der Strom den Leitungen 103, 111 und 112 vorgesehen, die die

zugeführt wird, zu der entsprechenden Erdanschluß- aufeinanderfolgenden bistabilen Schaltungen mitein-

insel 80 bzw. 82 gelenkt. ander und mit der Abschirmungsschicht bei 124 ver-

Die durch Blocks 42 und 44 dargestellten Aus- binden. Die Induktivität des nicht abgeschirmten gangskreise sind vollständig supraleitend, so daß nach 5 Teils jeder dieser Leitungen ist relativ hoch. Auf diese Hinleitung des Stromes zu einem der Pfade 52 oder Weise werden induktive Drosseln zwischen den bista-54 der Strom in dem betreffenden Pfad bleibt, bis die bilen Schaltungen gebildet, die eine Stromänderung in zugeordnete Steuerleitung erregt wird. Wenn daher, einer der bistabilen Schaltungen daran hindern, die wie oben beschrieben, die Steuerleitung 64 erregt wird anderen bistabilen Schaltungen entweder zu beeinflus- und damit den Strom aus der Quelle 40 durch den io sen oder von ihnen beeinflußt zu werden außer durch Pfad 52 zu der Auswertschaltung 42 fließen läßt, die Einwirkung der speziell für diesen Zweck vorgebleibt die Schaltung stabil in diesem Zustand, in dem sehenen Steuerleitungen.

der ganze Strom in der Leitung fließt, selbst nach Wenn die Schaltung von Fig. 3 im Betrieb ist, wird

Abschaltung der Steuerleitung 64. Die Schaltung kann der der Insel 90 zugeführte Speisestrom zu einem der

in ihren anderen stabilen Zustand, in dem der ganze 15 Parallelpfade jeder der in Reihe geschalteten bistabi-

Strom durch den Pfad 54 zu der Auswertschaltung 44 len Schaltungen und nach Verlassen des Verbindungs-

gelenkt wird, geschaltet werden durch Erregung der punktes 121 durch die Leitung 122 zu der Abschir-

Steuerleitung 62 mit einem von der Quelle 70 gelie- mungsschicht geleitet. Der Strom fließt in der Ab-

ferten Signal. schirmungsschicht von diesem Verbindungspunkt aus

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 3 zeigt eine 2° ⁱⁿ einem Pfad, der genau den Pfad widerspiegelt, in Supraleiterschaltung mit mehreren Leitungen, die so- dem der Strom in den die bistabilen Schaltungen auf wohl in Reihe als auch parallel mit jedem der Strom- der Abschirmungsschicht bildenden Leitungen fließt, pfade geschaltet sind, welche durch die am Ende des ^nur meßt ^der Strom unter den Leitungen 103,111 und Pfades in der Abschirmungsschicht endenden Leitun- 122 um die Öffnungen in der Abschirmungsschicht 94 gen gebildet werden, so daß ein Rückkehrpfad in der 25 herum. Die Abschirmungsschicht 94 ist mit einem Abschirmungsschicht selbst für den jeder der Leitun- Segment 94 a versehen, das an eine Insel 126 angegen auf der Abschirmungsschicht zugeführten Strom schlossen ist, die ihrerseits entweder direkt oder über entsteht. Diese Schaltung enthält mehrere bistabile eine weitere Supraleiterschaltung mit der Erdklemme Supraleiterschaltungen, die in Reihe mit einer (nicht für den Speisestrom verbunden ist. Jede der bistabilen gezeigten) Stromquelle geschaltet sind. Diese ist an 30 Schaltungen ist mit Steuerleitern versehen, die aneine Insel 90 an der oberen Kante einer Unterlage 92 grenzend an Tore in der nächsten bistabilen Schaltung angeschlossen, auf die die Schaltung aufgebracht ist. in der Reihe angeordnet sind, so daß jede bistabile Wie in den anderen Ausführungen ist eine hier mit 94 Schaltung die nächste bistabile Schaltung auf der Abbezeichnete Abschirmungsschicht auf die Unterlage schirmungsschicht steuert. In Fig. 3 sind diejenigen 92 aufgedampft, und diese Abschirmungsschicht ist 35 Teile der Supraleiterleisten, die aus weichem Supramit Segmenten versehen, die zu Inseln verlaufen, leitermaterial bestehen und daher als Torleitungen welche entlang der Seiten der Unterlage angeordnet dienen, schraffiert, und die Steuerabschnitte der sind und von denen Klemmenanschlüsse zu äußer- Supraleiterleisten sind schmäler als die anderen Ablichen Schaltungen hergestellt werden. Eine Schicht schnitte dieser Leisten. Der Pfad 102 der bistabilen aus Isoliermaterial 96 ist auf die Abschirmungs- 40 Schaltung 98 enthält z. B. eine Steuerleitung, die das schicht 94 aufgedampft. In dem Isoliermaterial beim- im Pfad 108 der bistabilen Schaltung 110 enthaltene den sich Öffnungen an solchen Stellen, wo die die Tor steuert, und ähnlich enthält der Pfad 100 der verschiedenen, nachträglich aufzudampfenden Schal- bistabilen Schaltung 98 eine Steuerleitung für ein im tungen bildenden Leitungen mit der Abschimungs- Pfad 106 der bistabilen Schaltung 110 liegendes Tor. schicht Kontakt machen sollen. Öffnungen in der Ab- 45 Bei dieser Art der Schaltung ist der Strom, der der schirmungsschicht sind außerhalb unterhalb der Insel 90 zugeführt und in den Pfad 100 der bistabilen Stellen vorgesehen, wo die die aufeinanderfolgenden Schaltung 98 gelenkt wird, wirksam, um einen Widerbistabilen Schaltungen später aufgedampft werden stand in dem Pfad 106 der bistabilen Schaltung 110 sollen. Die erste der bistabilen Schaltungen, die an die zu erzeugen, und daher wird der Speisestrom in den Insel 90 angeschlossen ist, ist mit 98 bezeichnet und 50 anderen Pfad 107 dieser bistabilen Schaltung gelenkt, umfaßt zwei parallele Leitungen 100 und 102. Diese Zur Verdeutlichung der Darstellung ist jede bistabile Leitungen sind am Punkt 104 vereinigt, von wo aus Schaltung so dargestellt, als steuerte sie nur die sie zu einem weiteren Paar paralleler Leitungen 106 nächste bistabile Schaltung in der Reihenanordnung, und 108 verlaufen, die eine zweite bistabile Schaltung Gemäß der Erfindung kann eine Schaltungsanordnung 110 bilden. Ähnlich sind Leitungen 106 und 108 am 55 aufgebaut werden, in der jede bistabile Schaltung eine Punkt 112 vereinigt und verlaufen von dort aus zu oder mehrere bistabile Schaltungen steuert, die an einem Paar paralleler Leitungen 114 und 116, die jeden beliebigen Punkt in der Reihe solcher Schaltuneine dritte bistabile Schaltung bilden. Wie durch die gen angeschlossen sein können,
gestrichelten Linien in den Zeichnungen angedeutet Die Gesamtsteuerung der Schaltung von Fig. 3 ist, kann eine beliebige Zahl von parallelen Schaltun- 60 erfolgt durch Stromsignale, welche an die eine oder gen in Reihe mit der Stromquelle geschaltet werden. die andere von zwei Inseln 130 und 132 angelegt Die letzte dieser parallelen Schaltungen besteht aus werden.

zwei Leitungen 118 und 120, die am Punkt 121 ver- Die Insel 130 ist an eine Leitung 143 angeschlossen, einigt sind und von dort aus in Form einer Leitung welche die Steuerleitung für ein im Pfad 102 liegendes 122 zu einer Öffnung 124 in der Isolierschicht 96 65 Tor bildet, und die Insel 132 ist an den Pfad 136 anverlaufen. Die Leitung 122 macht hier mit der Ab- geschlossen, der die Steuerleitung für eine im Pfad schirmungsschicht 94 Kontakt, öffnungen 103a, lila 100 enthaltene Torleitung bildet. Die Leitungen 134 und 122 a sind in der Abschirmungsschicht 94 unter und 136 sind an den Verbindungspunkten 138 bzw.

140 an die Abschirmungsschicht 94 angeschlossen. Außerdem ist die Schicht 94 mit zwei Segmenten 94 & und 94 c versehen, die an die Insel 142 angeschlossen sind. Wenn daher ein Stromsignal einer der Inseln 130 oder 132 zugeleitet wird, fließt es durch die zügeordnete Leitung 134 oder 136 zu dem Verbindungspunkt 138 oder 140. An diesem Verbindungspunkt wird der Strom zu der Abschirmungsschicht geleitet und fließt in einem Pfad direkt unter derjenigen Leitung, die den Strom führt, zu dem entsprechenden Segment 94 a oder 94 b und von dort aus zu der Insel 142, die entweder direkt oder über eine weitere Supraleiterschaltung geerdet ist.

Jede der bistabilen Schaltungen ist außerdem mit einem Ausgangskreis versehen. Der Ausgangskreis für die bistabile Schaltung 98 besteht aus zwei Leitungen 144 und 146. Die Leitung 144 umfaßt einen Torabschnitt, der durch ein im Pfad 102 enthaltenes Steuerelement gesteuert wird, und die Leitung 146 enthält einen Torabschnitt, der durch ein im Pfad 100 enthaltenes Steuerelement gesteuert wird. Es ist also jeweils einer der Pfade 144 und 146 supraleitend und der andere normalleitend, je nachdem, welcher der Pfade der bistabilen Schaltung 98 den Strom aus der Quelle 90 enthält. Der Abfühlstrom für die aus den Leitungen 144 und 146 bestehende Schaltung wird von einer Stromquelle 149 geliefert, die hier durch eine Batterie und einen Widerstand dargestellt ist. Der Strom aus dieser Quelle wird demjenigen der Pfade 144 und 146 zugeleitet, der gerade supraleitend ist, und von dort aus zu der in dem betreffenden Pfad enthaltenen Auswertschaltung. Die Pfade 144 und 146 sind parallel an die Quelle 149 über die Inseln 154 und 156 geschaltet und an den Punkten 150 und 152 durch Öffnungen in der Isolierschicht 96 mit der Abschirmungsschicht 94 verbunden. Wenn also der Strom einer dieser Leitungen zugeführt wird, wird dieser Strom in einem direkt unter der betreffenden Leitung in der Abschirmungsschicht liegenden Pfad zurückgeführt und von dort aus durch eines der Segmente 94 d oder 94 c einer Insel 148 zugeführt, die an die andere Klemme der Quelle 149 angeschlossen ist. Ein ähnlicher Ausgangskreis, der zwei Pfade 160 und 162 umfaßt, ist vorgesehen, um den Zustand der bistabilen Schaltung 100 abzufühlen. Diese Pfade verlaufen von den Inseln 172 und 174 aus zu Verbindungspunkten 164 bzw. 168 mit der Abschirmungsschicht 94. Der Abfühlstrom für diesen Ausgangskreis wird von einer Quelle 171 geliefert und einem der Pfade zugeführt und von dort aus in einem Rückkehrpfad in der Abschirmungsschicht zu der Rückstromklemme an der Insel 170 zurückgeleitet.

Die Wirkungsweise der Schaltung und die Art und Weise, in der die Ströme sowohl in den Supraleiterpfaden als auch in der Abschirmungsschicht unter diesen Pfaden verteilt werden, wird verständlich durch Betrachtung des Zustandes der Schaltung bei Anlegung eines Eingangsstromsignals an die Insel 130. Dieses Signal wird durch den Pfad 134 dem Verbindungspunkt 138 zugeleitet und von dort durch die Abschirmungsschicht und das Segment 94 b zu der Insel 142 zurückgeführt. Durch das Stromsignal wird in den Pfad 102 ein Widerstand eingeführt, so daß der Strom aus der Quelle 90 in den anderen Pfad 100 der bistabilen Schaltung 98 gelenkt wird. Da nun der Quellenstrom im Pfad 100 fließt, wird der Abfühlstrom aus der Quelle 149 durch die Leitung 144 zu dem Verbindungspunkt 150 und von dort aus durch die Abschirmungsschicht zurück zur Insel 148 gelenkt. Außerdem wird wegen des Stromes im Pfad 100 der bistabilen Schaltung 98 der Quellenstrom am Verbindungspunkt 104 zu dem Pfad 108 der bistabilen Schaltung 110 und ähnlich vom Verbindungspunkt 112 aus zum Pfad 114 der nächstfolgenden bistabilen Schaltung gelenkt. Wenn der Pfad 108 der bistabilen Schaltung 110 Strom enthält, wird der Abfühlstrom aus der Quelle 171 durch den Pfad 160 zum Verbindungspunkt 164 und von dort zurück in einem Pfad in der Abschirmungsschicht direkt unterhalb der Leitung 160 zu der Klemme an der Insel 170 gelenkt.

Wie schon erwähnt, steuert jede der bistabilen Schaltungen, die mit der Quelle 90 in Reihe geschaltet sind, die nachfolgende bistabile Schaltung in der Reihe. Bei Anlegung eines Eingangsimpulses an die Insel 130 wird der Strom in der dritten dieser bistabilen Schaltungen von der Klemme 112 aus durch den Pfad 114 geleitet. Wenn angenommen wird, daß der von den Pfaden 114 und 116 gebildete Stromkreis den von den Pfaden 118 und 120 gebildeten steuert, wird der Quellenstrom durch den Pfad 120 der letztgenannten Schaltung zum Verbindungspunkt 121 gelenkt. Von diesem Verbindungspunkt aus fließt der Quellenstrom über die Leitung 122 zu dem Verbindungspunkt 124 mit der Abschirmungsschicht 94 und fließt in der Abschirmungsschicht in einem Pfad unter jeder der Leitungen der bistabilen Schaltungen, in denen dann der Quellenstrom fließt, zurück. Der Strom kehrt also in der Abschirmungsschicht in einem Pfad unter den Leitungen 122,120,144,108 und 100 zum Segment 94 α zurück, das an die Erdklemme an der Insel 126 angeschlossen ist. In der Abschirmungsschicht entsteht also eine Abbildung des Stromes, der in den die bistabilen Schaltungen bildenden Leitungen fließt. Durch diese Verbindung der auf der Abschirmungsschicht angeordneten Schaltungen mit der Abschirmungsschicht, durch die ein Rückkehrpfad für den Strom entsteht, bleiben also die Vorteile der Verwendung einer Supraleiter-Abschirmungsschicht erhalten, d. h., die Induktivitäten der verschiedenen die Schaltung bildenden Leitungen werden gesenkt, und die Silsbee-Stromkurven der Tore werden erhöht, ohne eine große Menge von kreisenden Strömen in der Abschirmungsschicht zu induzieren.

Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von den vorstehenden Ausführungsbeispielen dadurch, daß sowohl eine obere als auch eine untere Abschirmungsschicht darin vorgesehen ist. Verbindungen sind von den stromführenden Leitungen, die die Schaltung bilden, zu beiden Abschirmungsschichten hergestellt, so daß die Rückstrompfade sowohl oberhalb als auch unterhalb der stromführenden Leitungen entstehen. Durch die obere Abschirmungsschicht wird die Induktivität der die Schaltungen bildenden Leitungen noch weiter gesenkt, und die doppelte Abschirmung reduziert die Möglichkeit der Kopplung von Signalen zwischen den Leitungen, die parallel auf der Unterlage verlaufen, mit Leitungen, die die parallel verlaufenden Leitungen überqueren. Diese Art der Kopplung stellt eine reelle Schwierigkeit bei der Konstruktion von Supraleiter-Schaltungstafeln dar, in denen eine große Menge von Schaltungspfaden sehr nahe aneinander angeordnet sind. In der Schaltung von Fig. 4 sind die Torleitungsabschnitte schraffiert, und die Steuerleitungs-

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abschnitte sind schmäler als die Torleitungsabschnitte dargestellt. Um die Schaltung sowie die verschiedenen Schichten aus Supraleiter- und Isoliermaterial klar darzustellen, sind außerdem Teile der Anordnung abgebrochen, um die Innenkonstruktion genau zu zeigen.

Die Schaltung von Fig. 4 ist auf eine Unterlage 186 montiert, auf die eine Supraleiter-Abschirmungsschicht 188 aufgedampft ist. Die Abschirmungsschicht 188 ist mit mehreren Segmenten 188 a, 188 δ usw. versehen, von denen jedes zu einer von mehreren Inseln oder Klemmen auf der Unterlage 186 verläuft. Auf die Abschirmungsschicht 188 ist eine Schicht aus Isoliermaterial 190 aufgedampft, wonach die verschiedenen die Schaltungen bildenden Leitungen aufgedampft sind, die durch Schichten aus Isoliermaterial, z. B. 193, voneinander getrennt sind. Nach Aufdampfung der letzten die Schaltung bildenden Leitung wird eine Isolierschicht 192 aufgebracht, und dann wird schließlich die obere Abschirmungsschicht 194 aufgedampft. Diese obere Abschirmungsschicht 194 ist ebenfalls mit mehreren Segmenten 194 a, 194 6 usw. versehen, die zu Klemmen auf der Unterlage 186 führen. Die Schichten aus Isoliermaterial sind so aufgebracht, daß die obere und die untere Abschirmungsschicht 188 und 194 sich entlang zweier Kanten 196 und 199 der Schaltung berühren.

Die Funktion der Schaltung von Fig. 4 besteht darin, einen Strom aus einer Stromquelle 201 zu einer von vier parallelen Ausgangs- oder Auswertschaltungen 203 α, 2036, 203 c und 203 d zu leiten, die an Klemmen 198 a, 198 b, 198 c bzw. 198 d angeschlossen sind. Eine weitere Klemme 198 ist an die andere Klemme der Quelle 201 und über die Segmente 188a bis 188 a" und 194 a bis 194 d an die obere und die untere Abschirmungsschicht 188 und 194 angeschlossen. Vier parallele Supraleiterleisten 202 a, 2026, 202 c und 202 d sind an Inseln 198 α, 1986, 198 c bzw. 198 d angeschlossen. Der Quellenstrom wird wahlweise durch einen dieser Pfade in einer später zu erklärenden Weise zu einem Verbindungspunkt 204 und von dort aus über eine Leitung 206 zu einem Verbindungspunkt 208 geleitet, von wo aus zwei parallele Pfade 210 und 212 zu einem Verbindungspunkt 214 verlaufen. Die Schaltung erstreckt sich von diesem Verbindungspunkt aus zu einem Verbindungspunkt 216, von wo aus zwei parallele Pfade 218 und 220 zu einem Verbindungspunkt 222 verlaufen. Dieser ist über die Leitung 224 an einen Verbindungspunkt 226 mit der oberen und der unteren Supraleiter-Abschirmungsschicht 188 und 194 angeschlossen. Hier dringt der Quellenstrom in beide Abschirmungsschichten ein und fließt in den Abschirmungsschichten oberhalb und unterhalb jeder der gerade Quellenstrom führenden parallel geschalteten Leitungen zurück durch das entsprechende Segment 188 a, 188 b, 188 c oder 188 a" und das entsprechende Segment 194 a, 194 ft, 194 c oder 194 a" zu der Insel 198.

Die Schaltung wird gesteuert durch Signale, die einer oder der anderen eines ersten Paares von Eingangsklemmen in Form von Inseln 230 und 232 oder einer oder der anderen eines zweiten Paares von Eingangsklemmen in Form von Inseln 234 und 236 zugeführt werden. Diese Eingangskreise gleichen einander, und aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Inseln 230 und 232 an Leitungen 238 bzw. 240 angeschlossen sind, die über die Schaltungstafel hinweg zu Verbindungspunkten 242 bzw. 244 führen, wo sie mit der oberen und der unteren Abschirmungsschicht 188 und 194 Kontakt machen. Wenn also einer der Eingangsklemmen 230 und 232 ein Strom zugeleitet wird, gelangt er durch die zugeordnete Leitung 238 oder 240 zu einem der Verbindungspunkte 242 oder 244, von wo er sowohl in der oberen als auch in der unteren Abschirmungsschicht zur Ausgangsinsel 246 zurückfließt. Der Stromkreis von den oberen und unteren Abschirmungsschichten zur Klemme 246 wird dann durch die Segmente 188 h und 194 h geschlossen, wenn der Strom in der Leitung 238 fließt, und durch ein entsprechendes Segmentpaar 188 £ und 194 g, wenn der Strom in der Leitung 140 fließt. Entsprechende Verbindungen sind für die an die Klemmen 234 und 236 angeschlossenen Leitungen vorgesehen (Teile der oberen Segmente 194 e und 194/ sind abgebrochen, um die Einzelheiten des Aufbaues zu zeigen), so daß bei Anlegung eines Stromes an eine dieser Klemmen der Strom durch denjenigen von zwei Pfaden 248 und 250, der an die betreffende Klemme angeschlossen ist, und von dort aus am Verbindungspunkt 252 oder 254 zu der oberen und der unteren Abschirmungsschicht 188 und 194 geleitet wird. Dann wir der Strom durch diese Abschirmungsschichten hindurch zurück zu der Ausgangsinsel 256 in einem Pfad geleitet, der den Strom in der betreffenden Leitung 248 oder 250 widerspiegelt.

Jede der Leitungen 238, 240, 248 und 250 hat einen Steuerteil für ein Tor einer der Leitungen 210, 212, 218 und 220. Wenn also z. B. Eingangssignale, wie durch die Pfeile angedeutet ist, den Klemmen 230 und 236 zugeführt werden, wird in die Pfade 218 und 212 Widerstand eingeführt. Infolgedessen fließt der zwischen den Klemmen 208 und 214 fließende Strom im Pfad 220. Jeder der Pfade 210, 212, 218 und 220 enthält zwei Steuerteile, die so angeordnet sind, daß sie zwei Torabschnitte in der durch die Pfade 202 a, 2026, 202 c und 202 d gebildeten Parallelschaltung steuern. Wenn nun Quellenstrom aus der Quelle 201 in den Leitungen 210 und 220 fließt, wird Widerstand in die Pfade 202a, 202c und 202ä* eingeführt, und nur 2026 bleibt vollständig supraleitend. Daher wird der Strom aus der Quelle 201 durch die Auswertschaltung 203 b zu der Insel 198 b und von dort aus durch die Leiste 2026 zu der Klemme 204 gelenkt. Von dieser Klemme aus fließt der Strom durch die Leitung 206 zu der Klemme 208 und wird von dort aus durch den Pfad 210 zum Verbindungspunkt 214 geleitet. Von diesem Punkt aus fließt der Strom zum Verbindungspunkt 216, durch die Leitung 220 zum Verbindungspunkt 222 und weiter durch die Leitung 224 zum Verbindungspunkt mit der oberen und der unteren Abschirmungsschicht bei 226. Dann wird der Quellenstrom durch die obere und die untere Abschirmungsschicht zurückgeleitet, und zwar so, daß er direkt oberhalb und unterhalb jeder Leitung in der Schaltung, in der gerade Quellenstrom fließt, fließt. Der Strom fließt also direkt oberhalb und unterhalb der Leitungen 220, 210 und 2026, durch das an die untere Abschirmungsschicht angeschlossene Segment 1886 und das an die obere Abschirmungsschicht angeschlossene Segment 1946 zu der Stromrückkehrklemme an der Insel 198.

Der Strom kann wahlweise zu einer der vier Auswertschaltungen geleitet werden durch die Anlegung

von Stromsignalen an die entsprechende Kombination von Eingangsklemmen 230, 232, 234 und 236. In jedem Falle gleicht die Operation der oben beschriebenen, und schließlich ist jede der Leitungen in der Schaltung sowohl an die obere als auch an die untere Abschirmungsschicht angeschlossen, so daß ein Rückkehrpfad in den Abschirmungsschichten entsteht, in dem ein Strom fließt, der den in den Leitungen fließenden Strom widerspiegelt. Besonders sei darauf hingewiesen, daß die an die Klemme 198, die mit der Stromquelle verbunden ist, angeschlossene Schaltung eine Schaltung ist, in der vier parallele Leitungen mit zwei anderen Schaltungen, die jede zwei parallel geschaltete Leitungen enthalten, in Reihe geschaltet sind.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltungsanordnung mit mehreren in einer Ebene angeordneten Supraleitern, deren Leit-

fähigkeit bei tiefer Temperatur durch die Feldstärkeänderung eines auf sie einwirkenden Magnetfeldes zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umsteuerbar ist, und mindestens einer parallel zu dieser Ebene verlaufenden supraleitenden Abschirmung, dadurch gekennzeichnet, daß die Supraleiter (12, 52, 238) an ihren beiden Enden unmittelbar (12 α, 52 α, 242) oder mittelbar über eine Stromquelle (32, 40) oder auch einen Verbraucher (42) mit den Abschirmungen (24, 48; 194 und 188) verbunden sind, so daß die Abschirmungen als allen Supraleitern gemeinsame Rückleitung dienen, und daß der Abstand der Abschirmungen von den Supraleitern klein ist gegen die Breite der Supraleiter.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gegekennzeichnet, daß sowohl die Supraleiter als auch die supraleitenden Abschirmungen und die dazwischen angeordneten Isolierschichten als dünne Filme ausgebildet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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