DE1639427A1 - Starkstrom-Kryotron - Google Patents

Description

Supraleiter verlieren bei einer gewissen magnetischen Feldstärke ihre Supraleitfähigkeit, auch wenn die Temperatur noch weit unter dem kritischen Wert für den Eintritt der Supraleiter liegt (vgl. Zeitschrift "Elektrie", Heft 12, 1964, Seiten 401 bis 407).

Man hat diese Tatsache bereits ausgenutzt, um eine Art von Schaltern, sog. Kryotrone, zu bauen (vgl. Zeitschrift "Cryogenics", August 1964, Seiten 212 bis 217). Unter dem Begriff "Kryotron" versteht man ein Bauelement mit einem Torleiter aus Supraleitungsmaterial, der durch ein Magnetfeld vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand schaltbar ist. Bauelemente dieser Art werden in der Schwachstromtechnik, vorzugsweise in Rechenmaschinen, als logische Bausteine verwendet (vgl. Zeitschrift "Forschungen und Fortschritte", Band 35, 1961, Seiten 138 bis 142).

In einem Kryotron kann ein Strom bis zu einer gewissen Höhe widerstandslos fließen, so lange der Torleiter supraleitend ist. Durch eine Spule, die einen Steuerstrom führt - im einfachsten Fall genügt ein gerader, genügend nah angeordneter Leiter, der "Steuerleiter" -, wird ein Feld erzeugt, das sich zum Eigenfeld des stromdurchflossenen Torleiters addiert. Wenn die Summe beider Felder den kritischen Wert H des Torleiters übersteigt, wird dieser normalleitend. Da in praktisch rein supraleitenden Stromkreisen nur Spannungen in der Größenordnung von Millivolt auftreten, schaltet der normalleitend gewordene Torleiter infolge Beines "Ohm'sehen" Widerstandes den Strom praktisch ab. Solche Kryotrone fanden auch schon versuchsweise Verwendungen bei Gleichrichtern in supraleitenden Stromkreisen ("Cryogenics" a.a.O.). In vielen Fällen ist der zweite Leiter, also der Steuerleiter, der einen Steuerstrom führt, nicht unbedingt notwendig. Der Eintritt von ITonnalleitUng kann auch vom eigenen Feld des Torleiters

009843/0681

' _ 2 _ ^PA 68/1266

allein oder von einem zusätzlich durch diesen geleiteten Strom von einem zweiten Stromkreis aus erfolgen.

Bei Verwendung von Kryotrons in der Schwachstromtechnik steht das Problem der Schaltgeschwindigkeit im Vordergrund (Banosec-Bereich). Bei der Verwendung in der Starkstromtechnik werden darüber hinausgehende Anforderungen an Kryotrons gestellt. Sie sollen hier "bei großer Strombelastbarkeit im supraleitenden Zustand eine hohe Spannung ohne untragbare Verluste im normalleitenden Zustand sperren können. Dies bedeutet, daß der Torleiter des Kryotrons ein möglichst großes Produkt aus kritischer Stromdichte im supraleitenden Zustand und spezifischem Widerstand im normalleitenden Zustand bei der tiefen Arbeitstemperatur besitzen muß. Man kann zwar durch Vervielfachung der Schaltstreckenlänge die Verluste bei gegebener Schaltleistung herabsetzen. Bei einem bekannten Starkstrom-Kryotron ist ein entsprechend langes supraleitendes Band im Innern einer Spule bifilar angeordnet und gefaltet (vgl. "Cryogenics" a.a.O.). Diese Lösung ist aber nicht befriedigend, da sie viel Material und Platz erfordert. Außerdem ist die kritische Stromstärke so niedrig, daß keine wirtschaftliche Leistung erzielbar ist.

Der Erfindung liegt allgemein die Aufgabe zugrunde, ein Kryotron für Starkstromkreise der konventionellen Elektrotechnik, insbesondere der Energieübertragung zur Schaltung großer Ströme und Spannungen, zu schaffen.

Bei einem solchen Kryotron ist eine sehr beträchtliche Torleiterlänge nötig, um zu gewährleisten, daß nach dem Normalleitend-' werden des Kryoleiters der Reststrom so klein ist, daß der Leiter nicht zerstört wird. Um die Länge in tragbaren Grenzen zu halten, i3t eine äußerst dünne Schicht des Supraleitermaterials nötig, die zweckmäßig nicht viel dicker ist als die Eindringtiefe des Magnetfeldes in das Leitermaterial im supraleitenden Zustand. Schichten dieser Dicke, die in der Regel unter 0,1 /um liegen, können auf einer isolierenden Unterlage aufgebracht sein, wozu Glas, Porzellan oder auch Kunststoffe geeignet sind. Es soll dabei die weitere Aufgabe gelöst werden, die Kryoleiter so auszuführen und anzuordnen, daß an jeder Stelle des Leiters die

009843/06 81.

gleiche magnetische Feldstärke herrscht. Andernfalls würde lokal bei ansteigendem Feld die lormalleit_wung zu früh und damit evtl. Leiterzerstörung eintreten.

Bei einem Starkstrom-Kryotron mit schichtförmigem, supraleitendem Torleiter, dessen Schichtdicke in der Größenordnung der Magnetfeldeindringtiefe in das Supraleitermaterial liegt, besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, daß der Torleiter in fortlaufenden, flachen Wendeln nebeneinander gewickelt und auf einem isolierenden Trägermaterial angeordnet ist, derart, daß für den ganz überwiegenden Teil der Torleiterlänge bei Stromdurchgang an jeder Stelle die gleiche magnetische Feldstärke herrscht.

Gemäß weiterer Erfindung haben die nebeneinanderliegenden Wendelstreifen einen solchen Abstand voneinander, daß die Konfiguration des Gesamtfeldes noch nicht so gestört ist, daß die Strombelastbarkeit des Torleiters wesentlich absinkt. Eine besonders günstige erfindungsgemäße Ausführungsform besteht darin, daß der Torleiter eine 'aus flachen Streifen bestehende Wendel rechteckigen Querschnitts mit gegenüber der Breite sehr großer Länge ist und daß die den längeren Eechteckseiten des Querschnitts entsprechenden Streifenteile von isolierenden Stützwänden gehalten sind. Die Wendel ist dabei mit einer aus einem Band gewickelten Spule zu vergleichen, wobei die Bandfläche parallel zur Spulenachse liegt.

Gemäß weiterer Erfindung können als isolierende Stützwände der Spalt zwischen zwei Wänden oder die Seiten einer Wand vorgesehen sein. Die Wände können ebene Platten und mit großem Vorteil auch, insbesondere konzentrische, Zylindermäntel sein. Das supraleitende Material der streifenförmiges Torlei.ter kann zweckmäßig auf isolierenden Bändern, z.B. aus Kunststoff, aufgebracht sein, die dann in der gewünschten Wendelform bzw. Spulenform angeordnet sind. Es ist auch günstig, das Supraleitermaterial unmittelbar als Streifen auf die Stützwände aufzubringen, z.B. durch Aufsprühen oder Aufdampfen. Bei Anordnung des Torleiters in einem Spalt sind zweckmäßig für die den Spalt überbrückenden (kürzeren) Streifenteile Widerlager vorzusehen, die auf den Spalt aufgelegt sind und an die sich das den Supraleiter tragende Band anschmie-

0098Λ3/063 1

gen kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Kryotron für Starkstromzwecke ist zur Führung des Hauptstromes (Torleiter) Supraleitermaterial, wie z.B. Blei oder Niob oder ähnliches, mit ausgeprägten Werten für die kritische magnetische Feldstärke in äußerst dünnen Schichten, im allgemeinen von weniger als 1 /um, auf einem isolierenden Trägermaterial benutzt. Dabei wirken entweder das magnetische Eigenfeld, herrührend vom Hauptstrom (Torleiter) allein, oder die Summe von Eigenfeld und fremden Feldern, letztere herrührend von benachbarten Leitern, die entweder ebenfalls vom Hauptstrom oder ganz oder teilweise von einem vom Hauptstrom unabhängigen, gegebenenfalls steuerbaren Strom (Steuerleiter) durchflossen sind, Ψ auf die den Hauptstrom führenden Torleiter ein. Dadurch wird erreicht, daß beim Überschreiten des kritischen Feldstärkewertes der Torleiter normalleitend wird und einen so hohen Widerstand erhält, daß eine starke Herabsetzung des Hauptstromes auftritt. Die Steuerleiter werden zweckmäßig möglichst nahe und parallel zu den Hauptstromleitern (Torleiter), aber von diesen isoliert, angeordnet. Beim erfindungsgemäßen Kryotron können die Torleiterstreifen mit Vorteil auch auf Platten aus Kunststoff montiert sein.

Erfindungsgemäß sind als Torleiter Streifen aus Supraleitermaterial vorgesehen, die zur Führung des Kryotronhauptstromes dienen. Die Streifen können in Wendeln bzw. Windungen um die Wand eines Zylinders aus Isoliermaterial gelegt sein, derart, daß sie auf den Zylindermantelflächen annähernd parallel zur Zylinderachse verlaufen und über die Zylinderstirnflachen zu aufeinanderfolgenden Windungen verbunden sind. Alle Streifen liegen dann in Serie und haben auf einer Mantelfläche sämtlich die gleiche Stromrichtung. Dabei ist die Gesamtdurchflutung aller Streifen so auf die Länge des magnetischen Flusses längs des Zylinderumfangs abgestimmt, daß bei einem gewünschten Ansprechstrom des Kryotrons gerade der kritische Wert der magnetischen Feldstärke an allen Streifen auftritt.

Es ist erfindungsgemäß auch sehr günstig, wenn die Torleiterstreifen aus Supraleitermaterial auf den einander zugekehrten

0098 4 3/0681

Mantelflächen zweier, möglichst konzentrischer Zylinder aus Isoliermaterial aufgebracht sind und durch Bügel aus Supraleitermaterial verbunden sind, so daß im felderfüllten Raum sich keine festen Isolierstoffe befinden, und dieser Raum vom Kühlmittel durchströmt sein kann. Dieses Ausführungsbeispiel ist technisch besonders vorteilhaft, da sich die Wendelstreifen bei Stromdurchfluß wegen des sich im Spalt zwischen den Zylindern ausbildenden Magnetfeldes fest an die Zylinderwände anlegen und sich deshalb nicht aufweiten können. Eine solche Anordnung ist also sehr stabil. Den gleichen Vorteil erhält man auch bei Anordnung der Wendel im Spalt zwischen ebenen Platten (oder im Spalt zwischen anders geformten Wänden wie angegeben).

Anhand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen werden weitere erfindungsgemäße Einzelheiten erläutert; es zeigen:

Pig. 1 und 1a einen Ausschnitt aus einem Kryotron, bei dem der Torleiter im Spalt zwischen zwei Wänden angeordnet ist.

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Kryotron auf eine Zylinderwand wendelförmig aufgewickelten supraleitenden Torleiterstreifen und

Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem Kryotron, entsprechend Fig. 2, aber mit einer ebenen Wand.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in Fig. 1 dargestellt. Dabei sind (Torleiter-)Streifen 1 aus Supraleitermaterial mit Dicken möglichst unter 1 /um auf Außen- und Innenseite zweier konzentrischer Zylinder 2 und 3 aus Isoliermaterial angeordnet, von denen die äußeren Leiterstreifen vom Kryotronhauptstrom (Torleiterstrom) in einer, die inneren in entgegengesetzter Richtung durchflossen werden. Bei dieser Anordnung der Torleiter verläuft das magnetische Feld nur im Raum zwischen den Streifen und an jeder Stelle tangential zu ihrer Oberfläche. Im felderfüllten Raum befindet sich nur flüssiges Kühlmittel (z.B. Helium), das bei den ohnehin niedrigen elektrischen Feldstärken nur geringfügige dielektrische Verluste aufweist. Der Torleiterstreifen gemäß Fig. 1 kann vorteilhaft auf ein Band aufgebracht

009843/068 1

sein. Es eignet sich dazu beispielsweise ein Kunststoffband, wobei wenigstens eine Fläche des Bandes mit einer Schicht aus Supraleitermaterial bedeckt ist.

Es ist günstig, auch die den Spalt überbrückenden Teile des Torleiterstreifens abzustützen. Dazu eignet sich beispielsweise eine auf den Spalt aufgesetzte ebene Platte oder aber ein Abschlußstück 4 gemäß Pig. 1a mit einer Hohlkehle, in die sich das Band 1 ohne Knick einschmiegen kann. Die Hohlkehle des AbschlußStücks 4 kann bei Anwendung im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 etwa die Form eines parallel zur Torusachse aufgeschnittenen (halben) Torus haben.

Es ist erfindungsgemäß für die Herstellung auch günstig, als Träger für die supraleitenden Streifen 10 an Stelle der Zylinder 2 und 3 nach Fig. 1 einen einzigen Zylinder 11 aus Isoliermaterial zu verwenden, der den felderfüllten Raum ausfüllt. In diesem Fall ergeben sich bei den meisten festen Isoliermaterialien etwas höhere dielektrische Verluste und geringfügig stärkere Heliumverdampfung als in dem Fall, in dem der Raum mit flüssigem Helium gefüllt ist. Jedoch können die Torleiterstreifen 10 nach Fig. 2 einfacher als diejenigen gemäß Fig. 1 hergestellt werden.

Sowohl den Zylindermantel 11 gemäß Fig. 2 als auch die beiden Zylindermäntel 2 und 3 gemäß Fig. 1 kann man sich achsenparallel

aufgeschnitten und in die Ebene gebogen denken. In Fig. 3 ist ein solches erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel schematisch gezeichnet. Der Torleiterstreifen 20, der vorteilhaft auf ein Kunststoffband (oder sonstigem Isolierband) aufgebracht ist, ist hier um eine ebene Platte 21 wendelförmig gelegt; er kann aber auch unmittelbar durch Aufdampfen, Aufsprühen usw. oder elektrolytisch aufgebracht sein. Ein Kryotron gemäß Fig. 1 kann ebenso mit ebenen Wänden ausgestattet sein wie das aus Fig. 2 hervorgegangene Kryotron gemäß Fig. 3· In allen Fällen, entsprechend Fig. 3, ist es sehr vorteilhaft, an beiden Enden der Platte(n) wenigstens die letzte Torleiterschleife als Rohr 22 auszubilden, welches mit einer supraleitenden Schicht versehen ist und einen solchen Durchmesser besitzt, daß ein vorzeitiges Normalleitendwerden mit Sicherheit verhindert wird. Deshalb wird für die rohr-

009843/0681

förmigen Supraleiterschleifen vorteilhaft ein Material verwendet, das einen höheren kritischen Feldstärkewert hat als das übrige Streifenmaterial. An den Enden der plattenförmigen Anordnung wird das Magnetfeld nämlich umgelenkt, so daß die jeweilige letzte Torleiterschleife an Stellen starker Feldkrümmung höheren Feldstärken ausgesetzt ist.

In allen Ausführungsbeispielen ist bei den in Betracht kommenden Streifenabständen die Deformation des magnetischen Feldes zwischen den Streifen vernachlässigbar klein. Die kritische Feldstärke H₀ in Fällen mit Kreissymmetrie gemäß Fig. 1 und 2 ist durch die
Zahl der Windungen z/2 und die Gesamtlänge des magnetischen
Umlaufs D·Τ£ gegeben, wenn ζ die Gesamtzahl der Streifen ist.
Damit ist

^Hc = 5TD^Jr

wobei einigermaßen gleichmäßige Verteilung der Torleiterstreifen vorausgesetzt ist. Bei auf geraden Flächen aufgebrachtem Torleiter (vgl. Fig. 3) wird die kritische Feldstärke bei einem viel
(ca. 20 bis 50 #) höheren Strom als bei Anordnungen gemäß Fig. 1 und 2 erreicht, weil sich die Magnetfeldlinien über den Außenraum schließen.

Bei den zylindrischen Anordnungen ist den Zuführungen des Stroms (Kryotronende 12, Fig. 2) der gegenseitige Abstand nebeneinanderliegender Streifen zweckmäßig größer als an den übrigen Stellen mit Rücksicht auf die notwendige Sicherheit gegen Spannungsüberschlag. TJm ein vorzeitiges Eintreten der Normalleitung am Kryotron ende zu verhindern, wird dort zweckmäßig ein Rohr 12 mit
supraleitender Außenschicht vorgesehen, in das der supraleitende Streifen 10 einmündet. Eine solche Ausbildung des Kryotronendes
ist vorteilhaft auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorgesehen.

Falls eine Steuerung des Kryotronansprechens notwendig ist, sind Steuerleiter 5 in Fig. 1 außerhalb des äußeren Zylinders 2 und
(nicht gezeichnet) innerhalb des inneren Zylinders 3 auf den entsprechenden Mantelflächen angeordnet, vorteilhaft in der Weise,

009843/068 1

daß benachbarte Steuerleiter entgegengesetzte Stromrichtung aufweisen, um kleine Selbstinduktion und damit schnellen Steuerstromanstieg zu erzielen. Die Steuerleiter selbst können aus supraleitendem Material bestehen und sind dann zweckmäßig als Röhren auszubilden oder aus normalleitendem Material mit besonders kleinem Widerstand bei Tieftemperatur, wie z.B. Aluminium hoher Reinheit. Auf prinzipiell gleiche Weise können die Anordnungen gemäß Pig. 2 und 3» falls erforderlich, mit Steuerüeitern versehen werden.

13 Patentansprüche
3 Figuren

009843/0681

Claims (12)

1. Patentansprüche

   1 . Starkstrom-Kryotron mit schichtförmigem, supraleitendem Torleiter, dessen Schichtdicke in der Größenordnung der Magnetfeld-Eindringtiefe in das Supraleitermaterial liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Torleiter in fortlaufenden flachen Wendeln nebeneinander gewickelt und auf einem isolierenden Trägermaterial angeordnet ist, derart, daß für den überwiegenden Teil der Torleiterlänge bei Stromdurchgang an jeder Stelle die gleiche magnetische Feldstärke herrscht.
2. 2. Kryotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen YTendelschleifen einen aolchen Abstand voneinander haben, daß die Konfiguration des Gesamtmagnetfeldes gerade noch nicht zu Lasten der Strombelastbarkeit des Torleiters gestört 1st.
3. 3. Kryotron, insbesondere nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Torleiter (10) eine aus flachen Streifen bestehende Wendel rechteckigen Querschnitts mit gegenüber der Breite sehr großer Länge ist und daß die den längeren Rechteckseiten des Querschnitts entsprechenden Streifenteile von isolie renden Stützwänden (11) gehalten sind.
4. 4. Kryotron nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Torleiterstreifen auf einem isolierenden Band aufgebracht ist.
5. 5. Kryotron nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierenden Stützwände (2, 3) als Spalt zwischen zwei Wänden ausgebildet sind.
6. 6. Kryotron nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den kürzeren Rechteckaeiten des Querschnitts entsprechen den Streifenteile aus Material mit höherer kritischer Feldstärke bestehen als die längeren Streifenteile.
7. 7. Kryotron nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die

   009843/0681

   isolierenden Stützwände die Seitenwände einer Wand (11) sind.
8. 8. Kryotron nach den Ansprüchen 3 "bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände ebene Platten (21) sind.
9. 9. Kryotron nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Torleiter (20) an beiden Enden der Platte (21) mindestens auf einem Wendelumfang als mit einer supraleitenden Außenschicht bedecktes Rohr (22) ausgebildet ist.
10. 10. Kryotron nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Supraleitermaterial des Rohres eine höhere kritische Magnetfeldstärke besitzt als das Material der übrigen Wendelteile.
11. 11. Kryotron nach den Ansprüchen 8 und 9» dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr parallele Platten mit zugehöriger Torleiteranordnung vorgesehen sind.
12. 12. Kryotron nach den Ansprüchen 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände als Zylinder-Mantel (2, 3, 11) ausgebildet sind.

    13· Kryotron nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr konzentrische Zylindermäntel mit zugehöriger Torleiteranordnung vorgesehen sind.

    009843/0 6 81