DE1466089B1

DE1466089B1 - modulator

Info

Publication number: DE1466089B1
Application number: DE1965F0047826
Authority: DE
Inventors: Robert Charles Jaklevic; John Joseph Lambe; James Edgar Mercereau; Arnold Herbert Silver
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1964-12-02
Filing date: 1965-11-17
Publication date: 1970-07-23
Also published as: GB1084149A; NL6515705A; SE322563B

Description

Die Erfindung betrifft einen Modulator für einen Strom, der durch zwei parallele Leitungszweige an einen Verbraucher angeschlossen ist, wobei in wenigstens einem der Leitungszweige ein von einem Modulationssignal gesteuerter Phasenschieber vorgesehen ist.The invention relates to a modulator for a current flowing through two parallel branches a consumer is connected, with a modulation signal in at least one of the line branches controlled phase shifter is provided.

Es sind bereits Anordnungen der vorerwähnten Art nach der deutschen Patentschrift 727 559 mit auf Normaltemperatur befindlichen Leitungszweigen bekannt, welche an eine Wechselspannung angeschlossen sind, die durch den Phasenschieber moduliert wird.There are already arrangements of the aforementioned type according to German patent specification 727 559 with Known normal temperature branches, which are connected to an alternating voltage which is modulated by the phase shifter.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist demgegenüber die Schaffung eines Modulators für Materiewellen. Nach deBroglie kommt jedem Körper, also auch jedem Elektron, eine Wellenlänge zu, welche der Geschwindigkeit umgekehrt proportional ist. Derartige Materiewellen können in einem oberhalb der Supraleittemperatur befindlichen Metall wegen der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen nicht nachgewiesen werden, auch wenn den Elektronen durch eine aufgedrückte Spannung ein zusätzlicher Geschwindigkeitsvektor überlagert wird. Im Supraleitzustand weichen indessen die Geschwindigkeiten der einzelnen Elektronen nur noch unerheblich voneinander ab, so daß, da jedes Elektron praktisch die gleiche Geschwindigkeit aufweist, Materiewellen feststellbar sind, deren Wellenlänge von der Geschwindigkeit der Elektronen bzw. der angelegten Spannung abhängt. Demzufolge wird die der Erfindung zugrunde liegende Problemstellung der Schaffung eines Modulators für Materiewellen dadurch gelöst, daß die beiden Leitungszweige und der Phasenschieber auf Supraleittemperatur abgekühlt sind und der Phasenschieber, der eine Phasenver-Schiebung der Materiewellen der Elektronen des elektrischen Stromes bewirkt, eine sehr dünne Isolierschicht, einen Kontakt sehr kleiner Fläche oder einen Leiter stark verringerten Querschnittes enthält.In contrast, the purpose of the present invention is to create a modulator for matter waves. According to deBroglie, every body, including every electron, has a wavelength, which is inversely proportional to the speed. Such matter waves can be in an above the metal located at the superconducting temperature because of the velocity distribution of the electrons cannot be detected, even if an additional voltage is applied to the electrons Velocity vector is superimposed. In the superconducting state, however, the speeds give way of the individual electrons differ only insignificantly from one another, so that every electron has practically the same speed, matter waves can be determined, the wavelength of which is the speed of the electrons or the applied voltage depends. As a result, the Invention underlying problem of creating a modulator for matter waves thereby solved that the two branches and the phase shifter cooled to superconducting temperature and the phase shifter, which shifts the phase of the matter waves of the electrons of the electric current causes a very thin layer of insulation, a very small area or contact contains a conductor with a greatly reduced cross-section.

In einem derartigen Modulator kann eine Modulation dadurch erfolgen, daß entweder die beiden Leitungszweige und der Phasenschieber in einem magnetischen Feld angeordnet sind oder daß die beiden Leitungszweige und der Phasenschieber eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit aufweisen oder daß an den beiden Leitungszweigen eine Modulationsspannung liegt. In such a modulator, a modulation can take place in that either the two Line branches and the phase shifter are arranged in a magnetic field or that the both branch lines and the phase shifter have a certain angular velocity or that a modulation voltage is applied to the two branches of the line.

Nach der USA.-Patentschrift 2 914 736 sind bereits supraleitende Modulatoren mit einem Hohlraumresonator bekannt, bei denen die Modulation eines Eingangssignals durch Aufdrücken eines Steuersignals auf den Hohlraumresonator erfolgt, welcher aus supraleitfähigem Material aufgebaut ist, das auf Supraleittemperatur gekühlt wird. Derartige Modulatoren arbeiten nicht nach dem Prinzip von Modulatoren nach der eingangs erwähnten deutschen Patentschrift 727 559.According to US Pat. No. 2,914,736, there are already superconducting modulators with a cavity resonator known in which the modulation of an input signal by applying a control signal takes place on the cavity resonator, which is made up of superconductive material on Superconducting temperature is cooled. Such modulators do not work on the principle of modulators according to the German patent 727 559 mentioned at the beginning.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It shows

Fig. 1 eine Maschenschaltung zweier Leitungszweige, welche nachfolgend zur Erläuterung einiger theoretischer Überlegungen dient,1 shows a mesh circuit of two line branches, which is used below to explain some theoretical considerations,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Modulators in schematischer Darstellung,F i g. 2 an exemplary embodiment of a modulator according to the invention in a schematic representation,

F i g. 3 ein praktisches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Modulators im Schnitt,F i g. 3 shows a practical embodiment of a modulator according to the invention in section,

F i g. 4 den Modulatorstrom als Funktion des Magnetflusses in einem erfindungsgemäßen Modulator bei Verwendung einer Modulation durch ein magnetisches Feld,F i g. 4 shows the modulator current as a function of the magnetic flux in a modulator according to the invention when using a modulation by a magnetic field,

F i g. 5 eine gegenüber F i g. 3 abgewandelte Ausbildungsform von in einem erfindungsgemäßen Modulator zu verwendenden Trennebenen,F i g. 5 one opposite FIG. 3 modified embodiment of a modulator according to the invention the dividing lines to be used,

F i g. 6 den Strom als Funktion der Spannung bei Verwendung einer Modulationsspannung an Stelle eines modulierenden Magnetfeldes in einem erfindungsgemäßen Modulator.F i g. 6 shows the current as a function of voltage when using a modulation voltage instead of a modulating magnetic field in a modulator according to the invention.

Nach F i g. 1 verläuft eine Materiewelle eines Elektronenstromes durch eine Leitung A, welche sich an einer Stelle α in zwei Wellen, auf zwei supraleitende Leitungszweige 1, 2 verteilt. Die Wellen werden an einer Stelle b wieder vereinigt. Die Phasenänderung ^₁ einer Welle von der Wellenlänge λ in dem Leitungszweig 1 ergibt sich als: According to FIG. 1, a matter wave of an electron flow runs through a line A, which at a point α is distributed in two waves over two superconducting line branches 1, 2. The waves are reunited at a point b. The phase change ^ _{1 of} a wave of wavelength λ in branch 1 results as:

Y₁ = 2η \~ . Y ₁ = 2η \ ~.

In gleicher Weise ist die Phasenänderung y₂ der Welle der Wellenlänge in dem Leiter 2:In the same way, the phase change y _{2 of} the wave of the wavelength in the conductor 2 is:

1 I ^d/ 1 I ^{d /}

Yi = 2,-T — . Yi = 2, -T -.

Die Phasendifferenz an der Stelle von Trennebenen (la, la, in Fig. 2) zweier Wellen, die sich durch die Leitungszweige 1 und 2 fortbewegen, wird als Ay bezeichnet und ergibt sich aus:The phase difference at the point of parting planes (la, la, in Fig. 2) of two waves that travel through the line branches 1 and 2 is referred to as Ay and results from:

-Γ - "Τ" ■ (3) -Γ - "Τ" ■ (3)

Eine dritte Gleichung entsteht durch Subtraktion der Gleichung (2) von der Gleichung (1):A third equation is obtained by subtracting equation (2) from equation (1):

Ay = Ay =

(4)(4)

wobei eine Ringintegration über die Leitungszweige 1,2 erfolgt. Die Welle, die durch einen jeden dieser Leitungszweige verläuft, besitzt eine Frequenz v, und die Phase schreitet mit der Zeit nach dem Ausdrucka ring integration takes place via the line branches 1, 2. The wave that passes through each of these branches has a frequency v, and the phase advances with time after the expression

2.7 V df2.7 V df

(5)(5)

Dadurch ist der gesamte PhasenunterschiedThis makes the total phase difference

Ay = 2πϊ(ί)~ + J ν at - J ν dij . (6) Ay = 2πϊ (ί) ~ + J ν at - J ν dij. (6)

Die Amplitude (/) der Welle, die sich aus der überlagerung der beiden Wellen in den Leitungszweigen 1 und 2 ergibt, muß abhängen von cos Ay. The amplitude (/) of the wave, which results from the superposition of the two waves in the line branches 1 and 2, must depend on cos Ay.

Dadurch istThis is

/ = Z₀COs 2.-7/ = Z ₀ COs 2nd-7th

■(7)■ (7)

Diese Gleichung betrifft nur reine Welleneigenschaften und kann auf jede Wellenform angewendet werden. Die Erfindung ist indessen auf die Anwendung von Materiewellen abgestellt. Insbesondere hängtThis equation only applies to pure wave properties and can be applied to any waveform will. The invention, however, is directed to the application of matter waves. In particular, depends

die Wellenlänge λ mit dem Teilchenimpuls P durch die Gleichungthe wavelength λ with the particle momentum P by the equation

wird, so kann der Strom folgendermaßen angesetzt werden:the current can be applied as follows:

Aaleel

- e [ ν at\.- e [ν at \.

zusammen, wo h die Plancksche Konstante ist. In gleicher Weise hängt die Frequenz r mit der Energie E durch die Gleichung:together, where h is Planck's constant. In the same way, the frequency r with the energy E depends on the equation:

Der AusdruckThe expression

Aaleel

^r~ τ- ^r ~ τ-

Für die de-Broglie-Wellen istFor the de Broglie waves it is

¹ = ^IoCOS ¹ = ^IoCOS

ifra + lifra + l

Eat-Eat-

(10)(10)

wobei die Amplitude / jetzt die Stromstärke ist. Demnach ist eine Steuerung des Stromes / möglich, und zwar durch die Modulation vonwhere the amplitude / is now the current strength. Accordingly, a control of the current / is possible, namely by modulating

oder Edt or Edt

Die Natur eines Supraleiters ist indessen derart, daß die Summierung der Energien in dem Leiter 1 und dem Leiter 2 in Abwesenheit von Widerstand identisch ist. Dieses drückt sich mathematisch aus als:The nature of a superconductor, however, is such that the summation of the energies in the conductor 1 and is identical to conductor 2 in the absence of resistance. This is expressed mathematically as:

= Edt = Edt

PdI = Nh,PdI = Nh,

N = eine konstante Zahl. N = a constant number.

Hieraus folgt, daß / gleich ist /₀ und daß keine Modulation möglich ist.It follows from this that / equals / ₀ and that no modulation is possible.

Die Modulation des Elektronenstromes wird dadurch möglich, daß eine oder mehrere Trennebenen in der Anordnung nach F i g. 1 vorgesehen werden, wie dies in F i g. 2 dargestellt ist. Diese Trennebenen la, 2a sind so ausgelegt, daß sie den Durchtritt von Supraströmen gestatten und ermöglichen, daß die Gleichung (12) in folgender Weise verändert wird:The modulation of the electron flow is made possible by the fact that one or more parting planes in the arrangement according to FIG. 1 can be provided, as shown in FIG. 2 is shown. These dividing planes la, 2a are designed in such a way that they allow the passage of supercurrents and enable equation (12) to be changed in the following way:

PdI = Nh.PdI = Nh.

Unter diesen Umständen muß an jeder oder beiden Trennebenen la, 2 a eine Energiedifferenz Λ Ε entstehen, und der resultierende Suprastrom ergibt sich zuUnder these circumstances, an energy difference Λ Ε must arise at each or both dividing planes la, 2 a , and the resulting supercurrent results in

ist der magnetische Fluß (Φ). Aus der Gleichung (15) folgt, daß der Strom explizit als moduliert erscheint durchis the magnetic flux (Φ). From equation (15) it follows that the current appears explicitly as being modulated by

1. eine Partikelgeschwindigkeit (v), 1. a particle velocity (v),

2. einen magnetischen Fluß (Φ), 2. a magnetic flux (Φ),

3. eine Spannung (V). 3. a voltage (V).

Eine Modulation kann nach jeder dieser drei Methoden erfolgen. Die Trennebenen 1 α, 2 α bestanden bei praktischen Versuchen aus typischen Josephson-Trennschichten, die im wesentlichen eine dünne isolierende Filmtrennschicht oder eine Trennschicht aus einem sehr schmalen supraleitenden Bindeglied umfassen.Modulation can be done using any of these three methods. The parting lines 1 α, 2 α passed in practical experiments from typical Josephson separating layers, which are essentially one thin insulating film release layer or a release layer made from a very narrow superconducting link include.

Der zweite Ausdruck innerhalb der eckigen Klammern der Gleichung (15) kann auch als e Φ geschrieben werden, was bedeutet, daß die Modulation des Suprastromes durch Veränderung des durch die Trennebene oder die Trennebenen verlaufenden magnetischen Flusses erreichbar ist. Diese Wirkung wurde experimentell erreicht, indem eine als Interferometer wirkende Schichtstruktur benutzt wurde, welche schematisch in F i g. 3 dargestellt ist.The second expression within the square brackets of equation (15) can also be written as e Φ , which means that the modulation of the supercurrent can be achieved by changing the magnetic flux running through the parting plane or planes. This effect was achieved experimentally by using a layer structure acting as an interferometer, which is shown schematically in FIG. 3 is shown.

Die Struktur nach F i g. 3 wurde hergestellt, indem eine dünne Schicht Snb aus Zinn von etwa lOOOÄ Dicke auf eine Quarzunterlage Q aufgedampft wurde. Die Oberfläche dieser dünnen Zinnschicht Snb wurde in einer mäßig erhitzten Sauerstoffatmosphäre unter Bildung einer Zinnoxidschicht SnOx behandelt. Der mittlere Teil der Zinnschicht Snb wurde mit einem Isolierbelag Is abgedeckt. Alsdann wurde eine zweite dünne Zinnschicht Sna auf den Isolierbelag Is sowie die Zinnoxidschicht SnOx aufgedampft. Die beiden Zinnschichten Sna, Snb bilden die beiden Leitungszweige 1 und 2 der Anordnung nach F i g. 2. Strom wird der Struktur durch Drähte A, B zugeleitet, die an den Schichten Sna, Snb befestigt sind. Die Zinnoxidschicht SnOx (bzw. beide Schichten) wirken als Trennebenen.The structure according to FIG. 3 was made by evaporating a thin layer of tin Snb about 1000 Å thick on a quartz pad Q. The surface of this tin thin film Snb was treated in a moderately heated oxygen atmosphere to form a tin oxide film SnOx . The middle part of the tin layer Snb was covered with an insulating covering Is. A second thin layer of tin Sna was then vapor-deposited onto the insulating coating Is and the tin oxide layer SnOx. The two tin layers Sna, Snb form the two line branches 1 and 2 of the arrangement according to FIG. 2. Current is supplied to the structure through wires A, B attached to layers Sna, Snb . The tin oxide layer SnOx (or both layers) act as parting planes.

Diese Anordnung wurde in flüssigem Helium abgekühlt, um das Zinn supraleitfähig zu machen, und (13) alsdann wurde die Vorrichtung einem sich änderndenThis arrangement was cooled in liquid helium, to make the tin superconductive, and (13) then the device became a changing

Magnetfluß ausgesetzt.Exposed to magnetic flux.

Der erzielbare, maximale Suprastrom ergibt sichThe maximum supercurrent that can be achieved results

(H)(H)

(12)(12)

coscos

y T(J)Pd/- f/lEdii. (14)y T (J) Pd / - f / lEdii. (14)

Der Teilchenimpuls P setzt sich zusammen aus einem mechanischen Impuls (mv) und einem elektromagnetischen Anteil (eA). Sofern die durch AE dargestellte Energie als zugehörig zu einer Spannung (V) (indessen nicht darauf beschränkt) angenommen p
hierbei aus F i g. 4, welche eine Flußperiode vonThe particle pulse P is composed of a mechanical pulse (mv) and an electromagnetic component (eA). If the energy represented by AE is assumed to belong to a voltage (V) (but not limited to it) p
here from FIG. 4, which has a flow period of

h/e = 2,07 · ΙΟ"⁷ Gauß/cm² h / e = 2.07 * ΙΟ " ⁷ Gauss / cm ²

erkennen läßt. Diese Flußperiode scheint vollkommen zu sein und ist allen Supraleitern, die untersucht wurden, gemeinsam. Die Gesamtamplitudenmodulation des Suprastromes entsteht aus einem Diffraktionseffekt im Zusammenhang mit den Trennebenen selbst und ist belanglos für die Entstehung des Interferenzeffektes. Die besondere Wellenform, wie sie in der F i g. 4 dargestellt ist, ergibt sich lediglich aus der besonderen Versuchsanordnung und besitzt keine Allgemeingültigkeit.reveals. This flux period seems to be perfect and is common to all superconductors that have been studied were, together. The total amplitude modulation of the supercurrent arises from a diffraction effect in connection with the parting planes themselves and is irrelevant for the origin of the interference effect. The particular waveform as shown in FIG. 4 is shown only from the special test arrangement and has no general validity.

Der erste Ausdruck innerhalb der eckigen Klammern der Gleichung (15) ist der Ausdruck einer Geschwindigkeit und zeigt an, daß eine Strommodulierung auch durch Überlagerung einer Geschwindigkeit möglich sein muß. Die Geschwindigkeitsmodulation für eine Winkelgeschwindigkeit W verringert sich auf:The first expression within the square brackets of equation (15) is the expression of a speed and indicates that a current modulation can also be achieved by superimposing a speed must be possible. The speed modulation for an angular speed W is reduced to:

2m2m

• Αω , • Αω,

wenn das Integral ausgewertet wird. Die Gleichung (15) ist dadurch eine explizite Funktion der Winkelgeschwindigkeit ω, und eine periodische Suprastrommodulation kann als Funktion der Winkelgeschwindigkeit in ähnlicher Weise erwartet werden, wie es oben mit Bezug auf die Magnetflußmodulation beschrieben wurde. Diese Voraussage wurde experimentell vollständig bestätigt. Die Struktur gemäß F i g. 3 wurde um eine Symmetrieachse senkrecht zu der Fläche Sna bzw. Snb gedreht. Die vorausgesagte periodische Modulation der Supraströme wurde hierbei erreicht.when the integral is evaluated. Equation (15) is thereby an explicit function of angular velocity ω, and periodic supercurrent modulation can be expected as a function of angular velocity in a manner similar to that described above with reference to magnetic flux modulation. This prediction has been fully confirmed experimentally. The structure according to FIG. 3 was rotated about an axis of symmetry perpendicular to the surface Sna or Snb. The predicted periodic modulation of the supercurrents was achieved.

Der letzte Ausdruck innerhalb der eckigen Klammern der Gleichung (15) gibt an, daß eine von der Zeit abhängige Modulation des Stromes infolge einer Spannung erreichbar ist. Sofern eine Wechselspannung einer Frequenz ω zugeleitet wird und diese die Form besitzt:The last expression within the square brackets in equation (15) indicates that a time-dependent modulation of the current can be achieved as a result of a voltage. Provided that an alternating voltage of a frequency ω is supplied and this has the form:

V₀ sin ω t, V ₀ sin ω t,

kann der Suprastrom dieser Frequenz so berechnet werden, daß er von der Form ist:the supercurrent of this frequency can be calculated so that it is of the form:

3030th

3535

wobei J₁ eine Besselfunktion ist. Diese Voraussage ergab sich ebenfalls als experimentell bestätigt.where J _{1 is} a Bessel function. This prediction was also found to be experimentally confirmed.

Ein Interferometer wurde dadurch hergestellt, daß ein Zinnfilm 11 von etwa lOOOÄ Dicke auf eine Quarzunterlage aufgedampft wurde. Dieser aufgedampfte Zinnfilm wurde alsdann in die Form gemäß F i g. 5 graviert. Reduzierte Abschnitte 12, 13 des Zinnfilmes 11 bilden Trennebenen, wenn sie durch einen eingeleiteten Strom aus dem supraleitenden Zustand in den normalen Zustand getrieben werden. Die Abmessungen der reduzierten Abschnitte 12, 13 der Zinnschicht 11 waren 10 Mikron zu 10 Mikron zu 1000Ä.An interferometer was made by placing a tin film 11 about 1000 ohm in thickness on a Quartz pad was vapor-deposited. This vapor-deposited tin film was then given the shape shown in FIG F i g. 5 engraved. Reduced sections 12, 13 of the tin film 11 form parting planes when they go through an introduced current can be driven from the superconducting state into the normal state. The dimensions of the reduced portions 12, 13 of the tin layer 11 were 10 microns by 10 microns to 1000Ä.

Dieses Interferometer wurde auf einen supraleitfähigen Temperaturbereich abgeschreckt und in den Hohlraum einer Mikrowellenvorrichtung eingebracht. Hierselbst induzierten die Mikrowellen Supraströme durch das Interferometer. Wenn diese induzierten Ströme einen ausreichend großen Wert erreichen, so leiten sie einen Durchschlag der dünnen Abschnitte ein, um Trennebenen zu schaffen. Nunmehr tritt eine Interferenz auf, wobei die Supraströme durch die Mikrowellenspannung an den Trennebenen moduliert werden. Dies ergibt sich aus F i g. 6 und ist typisch für eine Besselfunktion.This interferometer was quenched to a superconductive temperature range and put into the Introduced cavity of a microwave device. Here the microwaves induced supercurrents through the interferometer. When these induced currents reach a sufficiently large value, so initiate a puncture of the thin sections to create parting lines. Now comes one Interference, the supercurrents being modulated by the microwave voltage at the dividing planes will. This can be seen from FIG. 6 and is typical for a Bessel function.

Die oben beschriebenen Trennebenen waren entweder eine dünne Lage aus Isoliermaterial (Zinnoxid) oder ein sehr dünnes Bindeglied, welches zwei supraleitende Massen trennt. Es sind dies keineswegs die einzigen Arten möglicher Trennebene. Das dünne Bindeglied für die Trennebene kann so ausgedehnt werden, daß es eine sehr schmale Verbindung zwischen supraleitenden Massen umfaßt, z. B. wurde eine Kontaktart, die durch Aufdrücken einer spitzen Schraube auf eine supraleitende Masse erhalten wurde, in dieser Weise betrieben. Es ist nicht wesentlich, daß das dünne Bindeglied aus supraleitfähigen! Material besteht. Jedes mäßig leitende Material würde funktionieren.The parting lines described above were either a thin layer of insulating material (tin oxide) or a very thin link that separates two superconducting masses. It is by no means that only types of possible parting plane. The thin link for the parting line can thus be expanded be that it comprises a very narrow connection between superconducting grounds, e.g. B. was a contact type, which was obtained by pressing a pointed screw onto a superconducting mass, in this Operated wisely. It is not essential that the thin link be made of superconductive! Material consists. Any moderately conductive material would work.

Claims

Patent claims:

1. Modulator for a current that is connected to a consumer by two parallel branches is, wherein in at least one of the branch lines one of a modulation signal controlled phase shifter is provided, characterized in that the two Line branches (1, 2) and the phase shifter have cooled to superconducting temperature and the phase shifter, which causes a phase shift of the matter waves of the electrons of the electric current, a very thin insulating layer, contains a contact with a very small area or a conductor with a greatly reduced cross-section.

2. Modulator according to claim 1, characterized in that the two line branches (1,2) and the phase shifter (la or 2a) are arranged in a magnetic field.

3. Modulator according to claim 1, characterized in that the two line branches (1,2) and the phase shifter (la or 2a) have a certain angular velocity.

4. Modulator according to claim 1, characterized in that on the two line branches (1, 2) a modulation voltage is present.

1 sheet of drawings