DE1564639C3

DE1564639C3 - Disc-shaped superconducting rectifier

Info

Publication number: DE1564639C3
Application number: DE1564639A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Ing. 8521 Tennenlohe Kafka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-06-24
Filing date: 1966-06-24
Publication date: 1974-07-04
Also published as: DE1564639B2; DE1564639A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen scheibenförmigen supraleitenden Gleichrichter.The invention relates to a disk-shaped superconducting rectifier.

Das Prinzip supraleitender Gleichrichter ist seit langer Zeit bekannt (vgl. z.B. USA.-Patentschrift 666 884). Es beruht darauf, daß ein Supraleiter durch ein Magnetfeld jeweils während der einen Polarität des Wechselstromes in den normalleitenden Zustand übergeführt wird und dann im Gegensatz zum supraleitenden Zustand einen endlichen Widerstand besitzt. Während die Ströme der einen Richtung den Supraleiter ungehindert passieren, finden die Ströme der anderen Richtung einen Widerstand vor und werden gedämpft. Das magnetische Gleichfeld, dem bei diesen bekannten supraleitenden Gleichrichtern das Eisenmagnetfeld des stromdurchflossenen Supraleiters überlagert wird, kann durch Magnetspulen oder Permanentmagnete erzeugt werden. Ein Gleichrichter kann dabei auch mehrere Gleichrichtereinheiten enthalten. The principle of superconducting rectifiers has been known for a long time (see e.g. USA patent specification 666 884). It is based on the fact that a superconductor is driven by a magnetic field during one polarity of the alternating current is transferred to the normally conducting state and then in contrast to the superconducting state has a finite resistance. While the currents of one direction If superconductors pass unhindered, the currents in the other direction find resistance and become muffled. The constant magnetic field, which in these known superconducting rectifiers The iron magnetic field of the superconductor through which current flows can be superimposed by means of magnetic coils or Permanent magnets are generated. A rectifier can also contain several rectifier units.

Bei besonders kleinen Anordnungen, wie sie in der Kryotechnik häufig verlangt werden, ist es schwierig, die bei dem bekannten supraleitenden Gleichrichter erforderliche wechsclstromdurchflossene supraleitende Spule aus gewickelten Drähten zu realisieren und auch die erwähnten Mittel zur Erzeugung des magnetischen Gleichfeldcs hinreichend klein auszubilden. Man wünscht insbesondere bei supraleitenden Schaltungsanordnungen der Schwachstromtechnik, die nach der Aufdampftechnik hergestellt sind, auch flach ausgebildete supraleitende Gleichrichter. Bei den erwähnten supraleitenden Schaltungsanordnungen (Kryotrons) in Aufdampftechnik, die sich durchIn the case of particularly small arrangements, as are often required in cryogenics, it is difficult to the superconducting one through which alternating current flows, which is required in the known superconducting rectifier Realize coil from wound wires and also the means mentioned for generating the magnetic Train equal field sufficiently small. It is particularly desirable in the case of superconducting Circuit arrangements of the low-voltage technology, which are manufactured according to the vapor deposition technique, too flat superconducting rectifiers. In the aforementioned superconducting circuit arrangements (Cryotrons) in vapor deposition, which are through

ίο eine flache Bauart auszeichnen, ist es bereits bekannt, zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das zum Schalten einer supraleitenden Schaltstrecke vom supraleitenden in den normalleitcnden Zustand dient, eine Schleife aus schichtförmigem Supraleitermaterial vorzusehen, das eine höhere kritische Feldstärke besitzt als das Material der ebenfalls schichtförmig ausgebildeten Schaltstrecke (USA.-Patentschrift 3 174 124; »Die Naturwissenschaften« 48 [1961], Seiten 636 bis 640).ίο characterize a flat design, it is already known to generate a magnetic field that is used to switch a superconducting switching path from the superconducting in the normally conducting state serves to provide a loop of layered superconductor material, which has a higher critical field strength than the material which is also formed in layer form Switching path (USA.-Patent 3 174 124; "Die Naturwissenschaften" 48 [1961], pages 636 bis 640).

Ein in seinem Aufbau auf die bekannten, in Aufdampftechnik hergestellten supraleitenden Schaltungsanordnungen abgestimmter scheibenförmiger supraleitender Gleichrichter wurde bereits vorgeschlagen (deutsche Offenlegungsschrift 1 538 105).Its structure is based on the known superconducting circuit arrangements manufactured using vapor deposition technology tuned disk-shaped superconducting rectifiers have already been proposed (German Offenlegungsschrift 1 538 105).

Bei diesem supraleitenden Gleichrichter, bei dem ein von dem gleichzurichtenden Wechselstrom durchflossener schichtförmiger Supraleiter in einem magnetischen Gleichfeld so angeordnet ist, daß das auf den Supraleiter einwirkende Magnetfeld durch das Eigenfeld des Supraleiters je nach Polarität des Wechselstromes geschwächt bzw. bis über die kritische Feldstärke hinaus verstärkt wird, dient zur Erzeugung des magnetischen Gleichfeldes ein von einem Dauerstrom durchflossener supraleitender Stromkreis, der ein zu dem bereits erwähnten, im wesentlichen geradlinigen schichtförmigen Supraleiter benachbartes und parallelverlaufendes, im wesentlichen ebenfalls geradliniges schichtförmiges Supraleiterelement enthält.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine andere Bauform eines in seinem Aufbau auf die bekannten, in Aufdampftechnik hergestellten supraleitenden Schaltungsanordnungcn abgestimmten supraleitenden Gleichrichters anzugeben, bei dem ebenfalls ein von dem gleichzurichtenden Wechselstrom durchflossener schichtförmiger Supraleiter in einem magnetischen Gleichfeld so angeordnet ist, daß das auf den Supraleiter einwirkende Magnetfeld durch das Eigenfeld des Supraleiters je nach der Polarität des Wechselstromes geschwächt bzw. bis über die kritische FeIdstärke hinaus verstärkt wird.In this superconducting rectifier, in which a layered superconductor through which the alternating current to be rectified flows is arranged in a direct magnetic field in such a way that the magnetic field acting on the superconductor is weakened by the superconductor's own field, depending on the polarity of the alternating current, or amplified beyond the critical field strength A superconducting circuit through which a continuous current flows and which contains a layered superconductor element which is parallel to and adjacent to the above-mentioned, essentially straight-line superconductor, is used to generate the constant magnetic field.
The object of the invention is to provide a different type of construction of a superconducting rectifier which is matched in its structure to the known superconducting circuit arrangements produced using vapor deposition technology, in which a layered superconductor through which the alternating current to be rectified is also passed is arranged in a direct magnetic field in such a way that the The magnetic field acting on the superconductor is weakened by the superconductor's own field, depending on the polarity of the alternating current, or is amplified beyond the critical field strength.

. Erfindungsgemäß ist ein solcher scheibenförmiger supraleitender Gleichrichter derart ausgebildet, daß wenigstens eine Schleife aus einer Supraleiterschicht isoliert zwischen Folien aus magnetischem Material angeordnet ist, die Teile eines magnetischen Kreises sind und das Gleichfcld quer zur Schleife bilden.. According to the invention, such a disk-shaped superconducting rectifier is designed such that at least one loop made of a superconductor layer insulated between foils made of magnetic material is arranged, which are parts of a magnetic circuit and form the equality across the loop.

Gegenüber den bekannten supraleitenden Gleichrichtern zeichnet sich der erfindungsgemäße Gleichrichter insbesondere durch seine flache Bauweise aus.The rectifier according to the invention is distinguished from the known superconducting rectifiers especially due to its flat design.

Gegenüber dem bereits vorgeschlagenen, ebenfalls flachen supraleitenden Gleichrichter hat der erfindungsgemäße Gleichrichter insbesondere den Vorteil, daß zur Erzeugung des magnetischen Gleichfeldes überhaupt kein eigener Stromkreis bzw. bei der Veres wendung von Folien aus weichmagnetischem Material nur ein verhältnismäßig kleiner Strom erforderlich ist. An Hand von drei Figuren und zwei Ausführungsbeispielen soll die Erfindung noch näher erläutert Compared to the previously proposed, likewise flat superconducting rectifier, the rectifier according to the invention has Rectifiers in particular have the advantage that they are used to generate the constant magnetic field No circuit of its own at all or when using foils made of soft magnetic material only a relatively small current is required. The invention will be explained in more detail using three figures and two exemplary embodiments

werden. Es zeigtwill. It shows

Fig. 1 einen scheibenförmigen supraleitenden Gleichrichter, bei dem das magnetische Gleichfeld durch Folien aus magnetischem Material erzeugt wird,Fig. 1 shows a disk-shaped superconducting Rectifier in which the constant magnetic field is generated by foils made of magnetic material,

Fig. 2 einen scheibenförmigen supraleitenden Gleichrichter, bei dem zur Erzeugung des magnetischen Gleichfeldes zusätzlich eine zweite supraleitende Schleife vorgesehen ist, undFig. 2 shows a disk-shaped superconducting rectifier in which to generate the magnetic DC field is additionally provided a second superconducting loop, and

F i g. 3 einen Stapel aus mehreren Gleichrichtereinheiten nach Fig. 2.F i g. 3 shows a stack of several rectifier units according to FIG. 2.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist eine Schleife 1 aus einem weichen oder harten schichtförmigen Supraleiter zwischen Folien 2 und 3 aus magnetischem Material angeordnet. Innerhalb der Supraleiterschleife befindet sich eine weitere Folie 4 aus magnetischem Material. In dem mit den Ziffern 2 bis 4 bezeichneten Eisenrückschluß wird ein remanentes magnetisches Gleichfeld der durch die Symbole S und N angegebenen Polarität erzeugt. Der Supraleiter ist von einer elektrischen Isolierhülle 5 umgeben. Ein in die Supraleiterschleife eingespeister Wechselstrom erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das einmal dem Gleichfeld gleichgerichtet und einmal entgegengesetzt gerichtet ist. Die Feldstärke des remanenten Feldes ist so groß, daß bei der gewählten Betriebstemperatur das auf den Supraleiter wirkende Feld fast die kritische Feldstärke des Supraleiters erreicht. Es genügt dann bereits eine kleine Stromstärke, um ein Feld hervorzurufen, das oberhalb der kritischen Feldstärke liegt und den Supraleiter in den normalleitenden Zustand überführt.In the embodiment according to FIG. 1, a loop 1 made of a soft or hard layered superconductor is arranged between foils 2 and 3 made of magnetic material. Another film 4 made of magnetic material is located within the superconductor loop. A remanent DC magnetic field of the polarity indicated by the symbols S and N is generated in the iron yoke marked with the numbers 2 to 4. The superconductor is surrounded by an electrical insulating sheath 5. An alternating current fed into the superconductor loop generates an alternating magnetic field that is once rectified to the direct field and once directed in the opposite direction. The field strength of the remanent field is so great that at the selected operating temperature the field acting on the superconductor almost reaches the critical field strength of the superconductor. A small current is then sufficient to generate a field that is above the critical field strength and converts the superconductor into the normally conducting state.

Der in Fig. 1 dargestellte Gleichrichter hat eine Gesamtlänge von etwa 200 mm, eine Breite von etwa 4 mm und eine Dicke von etwa 120 μπι. Die Supraleiterschicht hat eine Breite von etwa 1 mm und eine Dicke von etwa 0,1 μπι. Die Schlitzbreite des Eisenschlusses beträgt etwa 20 μπι. Bei diesen Abmessungen beträgt der Durchlaßstrom etwa 1 A, der Sperrstrom weniger als 0,1 A und die Sperrspannung etwa 100 mV. Der Eisenrückschluß besteht vorzugsweise aus einem Material mit annähernd rechteckförmiger Magnetisierungskurve. Er läßt sich dann durch einen Stromstoß in der supraleitenden Schleife so weit vormagnetisieren, daß seine Remanenz an der Schleife eine Feldstärke von 500 Oe aufrechterhält. Bei dieser Feldstärke ist eine Bleischicht von 0,1 μπι Stärke und 4,2° K gerade noch nicht normalleitend.The rectifier shown in Fig. 1 has a Total length of about 200 mm, a width of about 4 mm and a thickness of about 120 μm. The superconductor layer has a width of about 1 mm and a thickness of about 0.1 μm. The slot width of the iron lock is about 20 μπι. With these dimensions, the forward current is approximately 1 A, the reverse current less than 0.1 A and the reverse voltage about 100 mV. The iron back yoke is preferably made of a material with an approximately rectangular magnetization curve. He can then go through one Pre-magnetize the current surge in the superconducting loop to such an extent that its remanence on the loop maintains a field strength of 500 Oe. At this field strength, a lead layer of 0.1 μπι strength and 4.2 ° K just not yet normally conducting.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist für die Vormagnetisierung eine zweite supraleitende Schleife 6 vorgesehen, die innerhalb der erstenIn the embodiment according to FIG. 2, a second superconducting is used for the premagnetization Loop 6 provided within the first

ίο Schleife angeordnet ist und eine höhere kritische Feldstärke als diese besitzt. Der Eisenschluß kann hier aus weichmagnetischem Material ohne nennenswerte Remanenz bestehen. Zur Vormagnetisierung wird die Supraleiterschicht 6 mit einem Gleichstrom beschickt, der für die Supraleiterschicht 1 das gewünschte Feld erzeugt.ίο loop is arranged and a higher critical Field strength than this. The iron connection can be made of soft magnetic material without any significant Remanence exist. For the premagnetization, the superconductor layer 6 is charged with a direct current, which generates the desired field for the superconductor layer 1.

Die geringe Dicke der supraleitenden Gleichrichter nach den Fig. 1 und 2 erlaubt es, eine große Anzahl solcher Bauelemente übereinander anzuordnen. In Fig. 3 ist ein Stapel aus mehreren Einheiten dargestellt. Zwischen den Einheiten sind Kühlkanäle 7 vorgesehen, die die beim Sperren des Gleichrichters entstehende Wärme abführen. Die Schleifen der einzelnen Einheiten können elektrisch in Reihe geschaltet sein oder einzeln in verschiedenen Schaltungskreisen liegen.The small thickness of the superconducting rectifier according to FIGS. 1 and 2 allows a large number to arrange such components one above the other. In Fig. 3, a stack of several units is shown. Cooling ducts 7 are provided between the units, which pass through when the rectifier is blocked Dissipate heat. The loops of the individual units can be connected electrically in series be or individually in different circuits.

Die Herstellung des Eisenschlusses in Form von dünnen Folien kann durch photochemische Ätzverfahren aus dünnen gewalzten Folien erfolgen, wobei zur Bildung des H-förmigen Querschnitts drei Folien aufeinandergelegt werden. Das Eisen kann aber auch auf galvanischem Wege oder durch Aufdampfen in dünnen Schichten auf einer geeigneten isolierenden Unterlage aufgebracht werden. Die Isolationsschichten können aus Folien bestehen oder aufgedampft werden. Die als Supraleiter dienenden besonders dünnen Metallschichten werden zweckmäßigerweise aufgedampft. Als Supraleiter können Blei, Zinn und Niob sowie Metallegierungen mit niedriger kritischer Feldstärke oder supraleitende Halbleiter, wie Bleitellurid mit Bleidotierung, verwendet werden.The production of the iron connection in the form of thin foils can be done by photochemical etching processes made of thin rolled foils, three foils to form the H-shaped cross-section are placed on top of each other. The iron can also be galvanically or by vapor deposition in thin layers on a suitable insulating base. The insulation layers can consist of foils or be vapor-deposited. Especially those used as superconductors thin metal layers are expediently vapor-deposited. Lead, tin and Niobium and metal alloys with a low critical field strength or superconducting semiconductors such as lead telluride with lead doping.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Disc-shaped superconducting rectifier in which one of the rectified Layered superconductors through which alternating current flows are arranged in a constant magnetic field is that the magnetic field acting on the superconductor is caused by the superconductor's own field depending on the polarity of the alternating current is weakened or strengthened beyond the critical field strength, characterized in that that at least one loop (1) made of a superconductor layer insulates between foils made of magnetic material (2, 3), which are parts of a magnetic circuit and the Form a constant field across the loop.

2. Rectifier according to claim 1, characterized in that the foils (2, 3) made of soft magnetic Material without significant remanence exist and to generate the magnetic Equal field in addition to the foils (2, 3) within the loop (1) made of the superconductor layer with another loop (6) made of a superconductor layer through which direct current flows a higher critical field strength than that of the first loop (1) is arranged.

3. Rectifier according to claim 1 or 2, characterized in that between the films (2, 3) made of magnetic material another such film (4) is arranged so that a Iron connection is formed with an H-shaped cross section.

4. Rectifier according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least two rectifier units are arranged one above the other, with cooling channels (7) in between are provided and the superconductor loops are electrically connected in series or in separate Circuits lie.