DE1243292B

DE1243292B - Anordnung unter Verwendung eines elektronischen Bauelementes mit zwei Supraleitern und Verfahren zur Anwendung der Anordnung als Verstaerker, Magnetometer und Multiplikator

Info

Publication number: DE1243292B
Application number: DEF45140A
Authority: DE
Inventors: Robert C Jaklevic; John J Lambe; James E Mercereau; Arnold H Silver
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1964-02-17
Filing date: 1965-02-04
Publication date: 1967-06-29
Also published as: US3363200A; GB1028484A; NL6501111A; FR1424103A

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KL: 21 g - 35

Nummer: 1243 292

Aktenzeichen: F 45140 VIII c/21 g

J 243 292 Anmeldetag: 4. Februar 1965

Auslegetag: 29. Juni 1967

Die Erfindung betrifft eine Anordnung unter Verwendung eines elektronischen Bauelements mit zwei in geringem Abstand voneinander angeordneten Supraleitern, insbesondere zur Anwendung als Verstärker, Magnetometer und Multiplikator, und besteht darin, daß diese beiden Supraleiter an zwei voneinander entfernten Stellen unter Zwischenschaltung einer dünnen, den Durchtritt von Elektronen ermöglichenden Isolierschicht zu einer geschlossenen Schleife verbunden sind, deren Querschnittsfläche von einem veränderlichen magnetischen Kraftfluß durchsetzt ist, und daß die beiden Supraleiter an einen äußeren Stromkreis derart angeschlossen sind, daß die unter Zwischenschaltung der Isolierschichten gebildeten Verbindungsstellen der Supraleiter innerhalb des äußeren Stromkreises parallel geschaltet sind.

Die Erfindung baut auf der Feststellung auf, daß der leistungslose Stromfluß durch eine solche Anordnung eine Funktion des magnetischen Flusses innerhalb der von der Schleife umschlossenen Querschnittsfläche ist. Dieser Strom, der gleichbedeutend mit dem Stromfluß durch die Verbindungsstellen der Supraleiter ist, ist eine periodische Funktion des die Querschnittsfläche durchsetzenden magnetischen Feldes. Wenn die magnetische Feldstärke vergrößert wird, steigt und fällt dieser Stromfluß durch die Supraleiter und folglich auch der Strom in dem die Supraleiter verbindenden äußeren Stromkreis periodisch als eine Funktion des magnetischen Feldes, und jede Periode entspricht einer kleinen Einheit des magnetischen Flusses in der Größenordnung von 2 · 10^-7Gaußcm². Die Periodengröße für das angewandte magnetische Feld ist umgekehrt proportional der von der obenerwähnten Schleife umschlossenen Fläche. Mit einer umschlossenen Fläche innerhalb der Schleife von wenigen hundertstel Quadratmillimeter wird die Periodengröße einige Milligauß betragen. Bei Veränderung des magnetischen Flusses können hunderte von Perioden beobachtet werden. Diese neue Erscheinung ermöglicht eine Anzahl von Anwendungsmöglichkeiten, die nachstehend beschrieben werden.

Da der für jede Modulationsperiode notwendige magnetische Fluß durch eine entsprechend kleine umschlossene Fläche ziemlich klein gehalten werden kann, kann das supraleitende Bauelement in vorteilhafter Anwendung als Verstärker dienen. Eingangsgröße ist der den magnetischen Fluß erzeugende Spulenstrom und Ausgangsgröße der modulierte Strom, der durch die beiden miteinander verbundenen Supraleiter und den äußeren Stromkreis fließt. Es sind Stromverstärkungen bis zu 10* gemessen worden.

Anordnung unter Verwendung eines
elektronischen Bauelementes mit
zwei Supraleitern und Verfahren zur Anwendung der Anordnung als Verstärker, Magnetometer
und Multiplikator

Anmelder:

ίο Ford-Werke Aktiengesellschaft,
Köln, Ottoplatz 2

Als Erfinder benannt:

Robert C Jaklevic, Detroit, Mich.;
John J. Lambe, Birmingham, Mich.;
James E. Mercereau, Dearborn, Mich.;
Arnold H. Silver, Farmington, Mich. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 17. Februar 1964
(345257)

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung wird der veränderliche magnetische Kraftfluß durch eine Drahtspule erzeugt. Diese ist zweckmäßig so angeordnet, daß das magnetische Feld lotrecht zu der Querschnittsfläche der von den Supraleitern umschlossenen Schleife verläuft.

Wegen der außerordentlichen großen Ansprechempfindlichkeit gegenüber dem angewandten magnetischen Feld kann die erfindungsgemäße Anordnung auch als sehr empfindliches Magnetometer arbeiten.

Schließlich kann die erfindungsgemäße Anordnung auch als Rechenelement Verwendung finden, z.B. als Multiplikator, dem ein sinusförmiges Magnetfeld mit der Amplitude H und der Frequenz / aufgegeben wird. Die Anzahl der Perioden pro Sekunde, d. h. also die Frequenz des modulierten Stromes in den beiden Supraleitern und dem daran angeschlossenen äußeren Stromkreis, ist proportional der Amplitude der magnetischen Feldstärke und deren Frequenz.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Stromkreis mit der erfindungsgemäßen Anordnung,

F i g. 2 einen Querschnitt, teilweise im Aufriß, mit Einzelheiten des Stromkreises nach Fig. 1,

709 608/337

F i g. 3 einen Querschnitt durch ein supraleitendes Bauelement,

F i g. 4 ein Strom-Feldstärke-Diagramm, das den Stromfluß / durch die erfindungsgemäße Anordnung in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke H innerhalb der von den Supraleitern gebildete Schleife zeigt,

F i g. 5 ein Feldstärke-Zeit-Diagramm, das die Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke// innerhalb der von der Schleife umschlossenen Querschnittsfläche von der Zeit t zeigt und

F i g. 6 ein Strom-Zeit-Diagramm, das die Abhängigkeit des Stromes / im äußeren Stromkreis in Abhängigkeit von der Zeit t als Ergebnis des in F i g. 5 dargestellten Verlaufs der magnetischen Feldstärke zeigt.

In der Zeichnung beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf die gleichen Teile in den verschiedenen Darstellungen. In Fig. 1 sind eine erste Verbindungsstelle 11 und eine zweite Verbindungsstelle 12 parallel zueinander mit Hilfe eines ersten Supraleiters 13 und eines zweiten Supraleiters 14 geschaltet. Die Leiterverbindungen an den Verbindungsstellen 11 und 12 sind von der Art der bekannten Josephsonschen Verbindungen, wie sie in Physics-Letters, Bd. 1, Nr. 7 vom 1. Juli 1962, beschrieben sind. Jede dieser Verbindungen ist durch die Einlage eines sehr dünnen Isolierfilms zwischen zwei Supraleitern gebildet. Die Supraleiter können ebenfalls die Form dünner Filme haben, wie im einzelnen weiter unten in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 beschrieben wird.

Die Verbindungsstellen 11 und 12 und die Supraleiter 13 und 14 bilden eine Schleife, die eine Querschnittsfläche 15 umschließt. Die Querschnittsfläche 15 muß von einem magnetischen Feld durchdrungen werden können und wird deshalb von Isoliermaterial, wie beispielsweise Luft oder Kunststoff, ausgefüllt. Die Supraleiter 13 und 14 sind an einen äußeren Stromkreis 16 angeschlossen, der eine elektrische Energiequelle 17 und einen Widerstand 18 zur Strombegrenzung enthält. Die elektrische Energiequelle 17 läßt einen Stromfluß durch die Supraleiter 13 und 14 und die Verbindungsstellen 11 und 12 fließen. Ein Strommesser 20 dient zur Messung des leistungslosen Stromflusses.

Zur Erzeugung eines magnetischen Feldes durch die von den Verbindungsstellen 11 und 12 und den Supraleitern 13 und 14 umschlossene Querschnittsfläche dient eine Spule 21, die an eine elektrische Energiequelle 22 angeschlossen ist. Diese Energiequelle 22 kann eine Stromquelle mit zeitlich sich änderndem Ausgangsstrom sein. Vorzugsweise verlaufen die magnetischen Kraftlinien lotrecht durch die von den Verbindungsstellen 11 und 12 und den Supraleitern 13 und 14 umschlossene Querschnittsfläche 15. Um diesen Verlauf zu erzielen, muß die Achse der Spule 21 parallel zur Achse der Stromschleife gerichtet sein. Ein Lösungsweg zur Erfüllung dieser Bedingung ist in F i g. 2 dargestellt. Dort umgibt die Spule 21 die aus den beiden Verbindungsstellen 11, 12 und den Supraleitern 13, 14 gebildete Stromschleife. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist diese Spule so angeordnet, daß ihr magnetischer Kraftfluß lotrecht zur Ebene der Stromschleife verläuft.

Ein praktisches Ausführungsbeispiel für eine aus den Verbindungsstellen 11 und 12 und den Supra-

leitern 13 und 14 gebildete Stromschleife geht aus F i g. 3 hervor. Dort ist die Stromschleife im Vakuum auf Quarz oder einer anderen geeigneten Unterlage 25 angeordnet. Eine dünne Oxydschicht 26 trennt die Supraleiter 13 und 14 voneinander und verursacht den Leiterabstand an den Verbindungsstellen 11 und 12. Die Supraleiter 13 und 14 können beispielsweise aus dünnen Zinnstreifen von angenähert 1000 Angstrom Dicke bestehen. Die dünne Oxydschicht 26 wird durch Zinnoxyd gebildet und kann eine Dicke von angenähert 25 Ä besitzen. Zwischen den Verbindungsstellen 11, 12 ist der Abstand zwischen den Supraleitern 13, 14 vergrößert und mit einem Isoliermaterial ausgefüllt, um eine klare Trennung zwischen den Zinn-Zinnoxyd-Zinn-Verbindungen 11 und 12 zu bilden und eine die Querschnittsfläche 15 umschließende Schleife zu erhalten. Auf diese Weise sind die Verbindungsstellen 11 und 12 durch die Supraleiter 13, 14 bildenden dünnen Belänge 13 und 14 parallel zueinander geschaltet. Selbstverständlich können diese Verbindungen auch aus anderen supraleitenden Materialien und anderem Isoliermaterial hergestellt werden.

Die vorstehend erläuterte Doppelverbindung nach F i g. 3 hatte bei einer praktischen Ausführung einen Normalwiderstand an den Verbindungsstellen 11 und 12 von angenähert 0,5 Ohm. Die Verbindungsstellen 11 und 12 befanden sich in einem Abstand von 3,5 cm voneinander und schlossen eine Querschnittsfläche 15 zwischen IO^-4 und IO^-5 cm² zwischen sich ein, wie sich aus Kapazitätsmessungen an einer großen Anzahl von hergestellten Elementen nach F i g. 3 unter Zugrundelegung einer Dielektrizitätskonstante von 3,2 rechnerisch ergeben hat. Auf Grund dieser Querschnittsfläche und anderer Versuchsergebnisse betrug der magnetische Fluß, wie weiter unten in bezug auf F i g. 4 erläutert wird, zwischen 2,5 · IO-⁷ und 1,9 · 10-? Gaußcm².

In F i g. 4 ist der Verlauf des leistungslosen Stromes / in den Leiterverbindungen 11 und 12 als Funktion der magnetischen Feldstärke H in dem Spalt 15 dargestellt. Wenn die Feldstärke H zunimmt, geht der leistungslose Strom / zu den beiden Verbindungsstellen 11 und 12 abwechselnd durch ein Maximum und ein Minimum. Wenn sich die magnetische Feldstärke H in Übereinstimmung mit einer gegebenen Funktion, wie beispielsweise einer Sinusfunktion gemäß der Darstellung in Fig. 5, periodisch ändert, ist die Anzahl der Perioden pro Sekunde, d. h. also die Frequenz dieses Stromfiusses durch die Verbindungsstellen 11 und 12, als Funktion der Zeit proportional dem Produkt aus der Amplitude der sich verändernden magnetischen Feldstärke nach F i g. 5 und der Frequenz dieser Änderung. Wenn z. B. eine solche Sinusweile, wie sie Fig. 5 zeigt, von dem Schwingungsgenerator 22 der Spule 21 aufgegeben wird, dann ist die Anzahl der Perioden pro Sekunde, also die Frequenz des leistungslosen Stromes durch die Verbindungsstellen 11 und 12 proportional dem Produkt aus der Amplitude der magnetischen Feldstärke und der Frequenz der aufgegebenen Sinusschwingung.

Zum Verständnis dieser Wirkung trägt am besten das Diagramm in F i g. 4 bei. Dort ist die Amplitude der Feldstärke H als Abszisse aufgetragen, und diese Amplitude bewegt sich dem sinusförmigen Verlauf der Feldstärke entsprechend in Richtung der dargestellten Pfeilspitzen vor und zurück, wobei die Fre-

Claims

quenz des leistungslosen Stromes / an den Verbindungsstellen 11 und 12 als Produkt der Frequenz der von der Energiequelle 22 erzeugten Sinusschwingung nach F i g. 5 und deren Amplitude dieser Schwingung variiert. Die Amplitude von H bestimmt somit die Anzahl der Minimalstellen der Schwingung nach F i g. 4 innerhalb eines gegebenen Zeitintervalls. Der leistungslose Stromfluß durch die Verbindungsstellen 11 und 12 ist in F i g. 6 dargestellt, und es ist ersichtlich, daß seine Frequenz tatsächlich ein Vielfaches der Frequenz der vom Generator 22 aufgegebenen Schwingung und der Amplitude dieser Schwingung beträgt. Mit der in F i g. 3 dargestellten und oben im einzelnen erläuterten Anordnung innerhalb eines Stromkreises nach Fig. 1 wurden Stromverstärkungen innerhalb der von den Supraleitern gebildeten Schleife bis zum 10*fachen beobachtet. Bei der Bestimmung dieser Stromverstärkung wurden als Eingangsstrom der Strom in der Spule 21, der das magnetische Feld im Querschnitt 15 erzeugt, und als Ausgangsstrom der leistungslose Stromfluß durch die beiden Verbindungsstellen 11 und 12 bewertet. Es sind eine Anzahl von derartigen supraleitenden Stromkreiselementen hergestellt und vermessen worden, bei denen sich stets eine Verstärkung in der Größenordnung von IO4 ergeben hat. Wie oben bereits angedeutet, kann das supraleitende Stromkreiselement nach der vorstehenden Beschreibung auch als extrem empfindliches Magnetometer und ebenso als multiplizierende Recheneinheit verwendet werden. Im Betrieb dieses supraleitenden Stromkreiselementes muß die in F i g. 3 abgebildete Einrichtung bei einer Temperatur betrieben werden, bei welcher die Supraleitfähigkeit der Leiter 13 und 14 auch tatsächlich vorhanden ist. Es ist dem Fachmann bekannt, daß dieser Temperaturbereich zwischen 2 und 18° Kelvin liegt. Auf diese Weise wird durch die Erfindung ein neues supraleitendes elektronisches Bauelement geschaffen, das als Verstärker, als Magnetometer und als Rechenelement Verwendung finden kann. Patentansprüche:

1. Anordnung unter Verwendung eines elektronischen Bauelements mit zwei in geringem Abstand voneinander angeordneten Supraleitern, dadurchgekennzeichnet, daß diese beiden Supraleiter (13,14) an zwei voneinander entfernten Stellen (11,12) unter Zwischenschaltung

einer dünnen, den Durchtritt von Elektronen ermöglichenden Isolierschicht (26) zu einer geschlossenen Schleife verbunden sind, deren Querschnittsfläche (15) von einem veränderlichen magnetischen Kraftfluß durchsetzt ist, und daß die beiden Supraleiter (13, 14) an einem äußeren Stromkreis (16) derart angeschlossen sind, daß die unter Zwischenschaltung der Isolierschichten (26) gebildeten Verbindungsstellen (11,12) der Supraleiter (13,14) innerhalb des äußeren Stromkreises parallel geschaltet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche magnetische Kraftfluß durch eine Drahtspule (21) erzeugt wird.

3. Verfahren zur Anwendung der Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 als Verstärker, dadurch gekennzeichnet, daß an die Supraleiter (13,14) eine Gleichspannung angelegt wird, daß der veränderliche magnetische Kraftfluß durch die zu verstärkende Eingangsgröße gesteuert wird und daß der innerhalb der Schleife fließende Strom als verstärkte Ausgangsgröße abgegriffen wird.

4. Verfahren zur Anwendung der Anordnung nach Anspruch 1 als Magnetometer, dadurch gekennzeichnet, daß an die Supraleiter (13, 14) eine Gleichspannung angelegt wird, daß die Schleife so in das zu messende zeitlich veränderliche Feld gebracht wird, daß dessen Richtung senkrecht zur Querschnittsfläche (15) der Schleife verläuft und daß die Frequenz des im Gleichspannungskreis fließenden, sich periodisch ändernden Stromes als Maß für die Änderung des gemessenen magnetischen Feldes benutzt wird.

5. Verfahren zur Anwendung einer Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2 als Multiplikator, dadurch gekennzeichnet, daß an die Supraleiter (13,14) eine Gleichspannung angelegt wird, daß das zeitlich veränderliche magnetische Feld in seiner Amplitude durch die eine zu multiplizierende Größe und die Frequenz des magnetischen Feldes durch die andere zu multiplizierende Größe gesteuert wird und daß die Frequenz des im Gleichspanungskreis fließenden, sich periodisch ändernden Stromes als Maß für das Produkt der beiden zu multiplizierenden Größen abgegriffen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 861281;
USA.-Patentschrift Nr. 3 059 196.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen