Supraleitendes Schaltelement
Ein wesentliches Problem beider
Anwendung tiefer Temperaturen in der Elektronik stellt die Verbindung der supraleitenden
Schaltung mit den Schaltkreisen dar, die bei Zimmertemperatur betrieben werden (z.B.
Ein- und Ausgabegeräte bei einer Rechenspeicheranlage). Durch die Verbindung soll
dem Heliumbad möglichst wenig Wärme zugeführt werden, um die auch ohne diese Belastung
bereits sehr teueren und technisch sehr schwer zu verwirklichenden Kühlaggregate
noch in einem wirtschaftlich und technisch vertretbaren Rahmen halten zu können.
Die
Zahl der 'lerbindungsleitungen zwischen den bei verschiedenen Temperaturen arbeitenden
Schaltungen kann n'cat beliebig reduziert :re@-ien und führ., soweit Überhaupt möglich,
Nu einem En±szrecaen; größeren Aufwand bei Jen Dekodierern. Auch durch lie Nahl
schlecht wärnelei Lender ätof fe für dic Verbindungsleitungen karr das P r oblem
nicht, zufriedenstellend gelöst werden, cla n@:ch Jen ''=ie,ler.ann--@ranz'sclien
seoc:tz mit sinken derl@ärmeleitang auch Iie elektrische Zeitfähigkeit abfällt.
Lrfindungsgemäß soll. deshalb auf eine ohm'sche Verbindung der supralei Lenden -caaltung
mit, den bei Zimmertemperatur arbeitenclen Schaltkreisen gänzlich verzichtet werden.
Zu diesem Zweck dient gemäß der Erfindung ein licht- oder elektronenstrahlgesteuertes
supraleitendes Schaltelement, bei dem ein supraleitfähiger Steg zwischen einem normalleitenden
und einem supralei-Lenden Zus Land umgeschaltet vierden kann (Fig. 1). Der
zu steuernie ;;Leg : ist auf eine gut wärmeleitende, elektrisch isolierende Unterlage
2 (mit einer Isolierschicht überzogenes Metall oler Keramik; aufgebracht und kann
von einer steuerbaren Lichto:ler Elek`ronenstrahlquelle 3 zeitweise über seine Sprungtemperatur
erer:är^@t werden, wobei mindestens im Falle der Steuerung durch einer. Lichtstrahl
der Steg in dein zu schaltenden Abschnitt einer dünnen Schicht 4 eines iflateribls
bedeckt ist, welches :lät ;verwendete Strahlung stark absorbiert. Die Umgebungstemperatur
T (und damit auch normalerweise die Temperatur des Schaltelementes] liegt etwas
unterhalb der Sprungtemperatur
1'0 des ategmaterials T < Ts.
Durch die auftreffende Strahlung wird -ler S1 eg an der Auftreffstelle über die
Sprung-'eraperaturT@@, eil-Wärmt- und daiait in dieseia Aboclini-'Lnorraalleiten,i,
J iiz der Steg in einer. supralei-Genden Stromkreis ge:rchaltet einen endlichen
'Niderstand darstellt. Dieser Z.us Land hält ati9 so:iange die tralilung den Steg
r1.ff L (die zugeführte und vom K ülilaggrcgai: üti bewältigende Wärme ist außerordentlich
klein) , um beir:i :ibc.@cii@ili-en rai t: Zcii.kons-üanten i<10 nee in den supralei+enden
Zustand zurückzukehren. Ein die Strahlungsquelle steuernder äußerer. ;:chalikreis
(Arbeil:stemperatur, --_D. Zimmer---teriperatur,i kann eine ein. solches Schaltolemeiit
enthaltende supraleitende Jchal tung also wärmelei tungsfrei beeinflussen. Noch
deutlicher wird diese Tatsache der Nichterwärmung der suprüleitenden °chaltung bei
diese- Art, der Ansteuerung im Falle, daß wahlweise einer aus einem ganzen Satz
von supraleitenden Schaltkreisen arges 4euert werden soll. Mit nur einem E'iektronenstrahl-=
sys üerii läßt sich Sie: e Aufgabe leicht erfüllen, da die hochentwickelte Llektronens
trahl i-.echilik außerordentliche Ablenkgeschvrinaigkeiten :°rie auch feinste Lokalisierung
des Strahles ermöglicht. Auer -der geringer. @fär:aemetige, die der Strahl :dem
jeweils angesteuerten erfindungsgemäßen Schaltelement notwendigerweise zuführen
wird, sind alle anderen supraleitenden Kreise völlig wärmeisoliert und ohne Kontakt
mit der Außentemperatur, während bei Steuerung über einen elektrischen Impuls von
außen jeder mit mindestens je einen Draht reit der bei- 2immertemp-eratur- arbötenden
;-#teuerarlage verbunden sein raüßte@
Als Beispiel soll die Ansteuerung
eines supraleitenden Speichers nach diesen Prinzip näher erläutert werden. In Fig.
2 ist ein schematischer Ausschnitt aus einem Speicher mit einer Anzahl von sog.
Schreib- oder Ansteuerleitungen gezeigt. An den Kreuzungsstellen dieser Zeitungen
mit einer zweiten nichtgezeichneten (analog angesteuerten,) Schar von Schreibleitungen
sind die einzelnen Zellen zu denken (z.B. supraltitender Schiehtspeicher),in die
durch Koinzidenz der Sträne auf den zwei sich hier kreuzenden Schreibleitungen die
Information "1" eingespeichert wird<.Superconducting switching element A major problem when using low temperatures in electronics is the connection between the superconducting circuit and the circuits that are operated at room temperature (eg input and output devices in a computer storage system). The connection is intended to supply the helium bath with as little heat as possible in order to be able to keep the cooling units, which are already very expensive and technically very difficult to implement, within an economically and technically justifiable framework, even without this load. The number of connection lines between the circuits operating at different temperatures can be reduced as desired: re @ -ien and lead, as far as possible, to only one en ± szrecaen; greater effort with Jen decoders. Even by leaving Nahl badly warmed up, the problem could not be solved satisfactorily for the connecting lines, cla n @: ch Jen '' = ie, ler.ann - @ ranz'sclien seoc: tz with sinking derl @ In the long run, the electrical time capacity also decreases. According to the invention. therefore an ohmic connection between the superconductive lumbar circuit and the circuits that work at room temperature are completely dispensed with. For this purpose, according to the invention, a light or electron beam controlled superconducting switching element is used, in which a superconducting bar can be switched between a normally conducting and a superconducting lumbar Zus Land (Fig. 1). The to be controlled ;; Leg: is applied to a highly thermally conductive, electrically insulating base 2 (metal or ceramic coated with an insulating layer; and can be temporarily ered by a controllable light-oil electron beam source 3 via its critical temperature , wherein at least in the case of control by a light beam, the web in the section to be switched is covered by a thin layer 4 of a material which: laten; strongly absorbs radiation used. The ambient temperature T (and thus normally also the temperature of the switching element) is slightly below the transition temperature 1'0 of the ateg material T <Ts. The incident radiation causes -ler S1 eg at the point of impact via the jump-'eraperaturT @@, eil-warms- and daiait into this Aboclini-'Lnorraalleiten, i, J If the bridge is connected in a superconducting circuit, it represents a finite resistance (The heat supplied and managed by the K ülilaggrcgai: üti is extraordinarily small) to return to the supralei + ending state atir: i: ibc. @ cii @ ili-en rai t: Zcii.kons-üanten i <10 nee. An external one that controls the radiation source. ;: chalikreis (Arbeil: temperature, --_ D. Zimmer --- temperature, i can influence a superconducting circuit containing such a circuit olemeiite without heat conduction. This fact that the superconducting circuit is not heated becomes even clearer with this type, The control in the event that one of a whole set of superconducting circuits should be controlled arges. With just one electron beam, you can easily accomplish this task, since the highly developed electron beam technology has extraordinary deflection speeds : ° rie also enables the finest localization of the beam. Except - the lower. @ Fär: aemetige that the beam: will necessarily feed the respective controlled switching element according to the invention, all other superconducting circuits are completely heat-insulated and without contact with the outside temperature, while in control Via an electrical impulse from the outside, everyone with at least one wire each rides the two mmertemp-eratur- arbötenden; - # expensivearlage be connected raüßte @ As an example, the control of a superconducting storage system according to this principle will be explained in more detail. FIG. 2 shows a schematic section from a memory with a number of so-called write or control lines. At the intersection of these newspapers with a second, unsigned (analogue controlled) set of write lines, think of the individual cells (e.g. supraltitender record memory) in which the information "1" is stored through the coincidence of the lines on the two write lines that cross here .
Eei Halbimpulsen (nur eine der Zeitungen führt Strom) möge sich der
Zustand der Zellen nicht ändern ("0"). Die Schreibleitungen 11 sind an zwei getrennte,
mit je einem Pol 7e-^ Spannungsquelle verbundene, supraleitende Stege
17, 16 angeschlosien. Zwischen je zwei Kreuzungsstellen eines Steges 15,
lr mit den .Schreibleitungen 11 befindet sich ein erfindungsgemäßes Schaltelement
17, `:8. Dieses kann gegebenenfalls durch eine Verengung des Steges 15, 16
(geringere Wärmeträgheit) verwirklicht sein, auf die eventuell noch eine dünne gut
wärmeleitende Absorptionsschicht aufgebracht ist. Für die beiden Stege 15, 16 ist
je eine nichtgezeichnete Elektronenkanone vorgesehen, die beispielsweise.durch Wahl,
verschiedener Ablenkspannungen (gesteuert von den Eingabegeräten des Speichers)
eines der Schaltelemente 17, 18 im zugehUrignn Steg 15e 16 sperrt. Ist dies bei
den beiden Schaltelementen 117 bzw. 118 der Fall, so kann der Strom von der Spannungsquelle
nur
durch die Schreibleitung 111 fließen. Nimmt man das gleiche für eine Zeitung der
zweiten nichtgezeichneten Schreibleitungsschar dazu, so sieht man, daß mit vier
Elektronenstrahlen genau eine Zelle angesteuert werden kann, und dies unabhängig
von der Zahl der Einzelzellen, die auf einer Platte eines supraleitenden Schichtspeichers
in der,Grüßenordnung von 109 - i06 liegen soll. Den großen Vorteil dieser Art der
Ansteuerung eines supraleitender. Speichers von den bei Zimmertemperatur arbeitenden
äußeren Schaltkreisen zeigt am deutlichsten der folgende Größenvergleiche Ein Cu-Draht
mit einem Durchmesser d := 100/um und einer Länge vcn 2ri, der den vollen Temperaturunterschied
von Zimmertemperatur zur Temperatur des flüssigen Heliums überbrückt, führt dem
"eliumbad in der Zeiteinheit eine Wärmemenge von 0,5.10-r4W7züs
Arbeitet man finit einer Vorkühlanlage, so daß am Draht nur ein Temperaturabfall
von 250G entsteht, so beträgt die zugeführte Wärmemenge bei einer Drahtlänge von
10 cm wiederum den Wert 0,5 010-1't ^ec . Um einen Bereich des supraleitenden (Zinn
-)Steges des erfindungsgemäßen Schaltelementes von 4100 x 100/ um gegen die Wärmeableitung
zum Kühlbad auf einer Temperatur zu halten,=die um 1/2°C höher liegt aldie Umgebungstemperatur,
die nätürlich ihrerseits um weniger als 1/200 tiefer liegt als die Sprungtemperatur
des zu schaltenden Steges, ist dagegen nur eine durch
'
r
IN die Strahlung lokalisiert zugeführte Leistung von 0,5.1Q-5
erforderlich.
Bedenkt man zu diesem Faktor 10 noch, wieviele Drähte (abhängig von der Zahl der
Zellen pro Platte) die Speichermatrix mit der Zimmertemperatur verbinden, während
hier nur jeweils vier erfindungsgemäße Schaltelemente betätigt ::erden müssen, 3o
ersieh-ü :man die große kühltechnische Bedeutung dieser Art der Speicheransteuerung:With half-pulses (only one of the newspapers is live) the state of the cells may not change ("0"). The write lines 11 are connected to two separate superconducting webs 17, 16, each connected to a pole 7e ^ voltage source. A switching element 17, 8 according to the invention is located between each two crossing points of a web 15, 1r with the writing lines 11. This can optionally be achieved by narrowing the web 15, 16 (lower thermal inertia), on which a thin, highly thermally conductive absorption layer may also be applied. An electron gun, not shown, is provided for each of the two webs 15, 16, which blocks one of the switching elements 17, 18 in the associated web 15e 16, for example by selecting different deflection voltages (controlled by the input devices of the memory). If this is the case with the two switching elements 117 and 118, the current from the voltage source can only flow through the write line 111. If you add the same for a newspaper of the second group of writing lines, not shown, you can see that exactly one cell can be controlled with four electron beams, regardless of the number of individual cells, which are on a plate of a superconducting layer memory in the order of magnitude of 109 - i06 should be. The great advantage of this type of control of a superconducting. The memory of the external circuits operating at room temperature is shown most clearly by the following size comparison.A Cu wire with a diameter d: = 100 μm and a length of 2ri, which bridges the full temperature difference between room temperature and the temperature of liquid helium, leads to this "elium bath in the unit of time an amount of heat of 0.5.10-r4W7züs
If one works finitely with a pre-cooling system, so that there is only a temperature drop of 250G on the wire, the amount of heat supplied is again 0.5 010-1't ^ ec for a wire length of 10 cm. In order to keep an area of the superconducting (tin) bar of the switching element according to the invention of 4100 x 100 / um against the heat dissipation to the cooling bath at a temperature = 1/2 ° C higher than the ambient temperature, which of course is in turn less than 1 / 200 is lower than the transition temperature of the web to be switched, however, is only one of 'r IN locates the radiation power supplied from 0,5.1Q -5 required. If you consider in addition to this factor 10 how many wires (depending on the number of cells per plate) connect the memory matrix with the room temperature, while here only four switching elements according to the invention have to be actuated: grounding, you can see the great importance for cooling this type of storage control: