DE1671022B1

DE1671022B1 - Verwendung von lithiumferriten

Info

Publication number: DE1671022B1
Application number: DE19661671022
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl-Phys Maiwald
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-03-17
Filing date: 1966-03-17
Publication date: 1971-05-19
Also published as: GB1186226A; NL6617441A; FR1514678A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Lithiumferrite mit einer rechteckförmigen Hystereseschleife. Derartige Ferrite werden als ferromagnetische Kerne für Schaltoder Speicherelemente verwendet.

Die Art der Rechteckcharakteristik bestimmt im wesentlichen die Güte der Schalteigenschaften derartiger Schalt- bzw. Speicherelemente. Bei Schaltkernen beispielsweise wird ein großes Verhältnis UV₁JdV₂ erwünscht. Dabei bedeuten

IiV₁ den Maximalwert des Signals der ungestörten »1« und

dV_z den Maximalwert des Signals der gestörten »0«.

Außerdem ist ein rasches Ansprechen der Schaltkerne auf die Stromimpulse, die diesen auferlegt werden, erwünscht. Die Schaltzeit wird mit t_os bezeichnet. Unter der Schaltzeit t_os versteht man die Zeit zwischen den Werten von 10% der Maximalspannung des wKj-Signals im ansteigenden und im abfallenden Ast. Die Schaltzeit hängt von der Schaltkonstante S des ferromagnetischen Materials sowie von der angelegten Feldstärke H und der Startfeldstärke H₀ nach folgender Beziehung ab:

S =

A^H

bei festem I_w·
Dabei bedeuten

Ir der Vollstrom in Leserichtung,
Iw der Vollstrom in Schreibrichtung,
d_m der mittlere Durchmesser.

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Die Startfeldstärke H₀ entspricht etwa der Koerzitivfeldstärke H_c. Es wird von derartigen Schaltkernen aus Ferrit verlangt, daß die Schaltkonstante und auch die Temperaturabhängigkeit der Koerzitivfeldstärke und der Remanenzinduktion im Betriebstemperaturbereich klein sind.

An Schaltkerne werden daher folgende Hauptanforderungen gestellt. Das ferromagnetische Material soll eine kleine Koerzitivfeldstärke, eine große Remanenzinduktion und eine geringe Temperaturabhängigkeit der magnetischen Werte in einem möglichst großen Betriebstemperaturbereich aufweisen.

Als Ferromagnetika mit rechteckförmiger Hystereseschleife, die die obengenannten Hauptanforderungen mehr oder weniger gut erfüllen, sind'einerseits die sog. spontanen Rechteckferrite bekannt, bei denen die rechteckförmige Hystereseschleife bereits nach der auf die Sinterung folgenden Abkühlung spontan auftritt. Derartige Ferrite setzen sich insbesondere aus Magnesium-, Mangan-, gegebenenfalls Zink- und aus Eisenoxid zusammen. Infolge des Manganoxidanteiles werden derartige Ferrite nach der Sinterung, insbesondere in Stickstoff, rasch abgekühlt. Diese Kerne zeichnen sich durch eine verhältnismäßig kleine Koerzitivfeldstärke von beispielsweise 0,65 Oe und eine kleine Schaltkonstante aus und finden deshalb besonders vorteilhaft in Schaltungen mit hoher Betriebsfrequenz Verwendung. Ihr Nachteil ist die verhältnismäßiggroße Temperaturabhängigkeit derSchaltdaten, so daß derartige Schaltelemente mit zusätzlichen Temperaturkompensationseinrichtungen versehen werden müssen, wenn eine exakte Wiederholbarkeit bestimmter Schaltvorgänge in einem größeren Temperaturbereich von beispielsweise —20 bis +100⁰C erforderlich ist. Diese Rechteckferrite werden daher als sogenannte NTB-Ferrite bezeichnet. Diese Buchstabenfolge ist die Bezeichnung für »Normaler-Temperatur-Bereich«.

Zum anderen sind sog. magnetfeldgetemperte Perminvarferrite bekannt, die ihre Rechteckcharakteristik erst durch Temperung in einem zum späteren Betriebsfeld parallelen Magnetfeld erhalten. Diese Magnetfeldtemperung erfolgt nach einem älteren Vorschlag bei Temperaturen unterhalb der Curietemperatur. Diese Art von Ferriten beinhaltet im wesentlichen Eisenoxid neben geringen Anteilen von Kobaltoxid und anderen Oxiden, wie Nickeloxid, Zinkoxid od. dgl. Die Vorzüge dieser magnetfeldgetemperten Rechteckferrite bestehen vor allem in der verhältnismäßiggeringenTemperaturabhängigkeit ihrer magnetischen Daten in relativ großen Temperaturbereichen von etwa —40 bis +100⁰C. Nachteilig erwies sich die große Schaltkonstante dieser magnetfeldgetemperten Rechteckferrite, die ihren Einsatz in schnellarbeitenden Zähl- und Schalteinrichtungen in vielen Fällen untersagte. Derartige Rechteckferrite sind auch unter der Bezeichnung STB-Kerne als Abkürzung für den »Sehr-weiten-Temperatur-Bereich« bekannt.

Es ist jedoch auch bereits bekannt, durch besondere Führung des Feldtempervorganges die Schaltkonstante derartiger Ferrite so weit zu vermindern, daß sie den sogenannten spontanen Rechteckferriten auf Magnesium-Mangan-Basis in etwa entsprechen. In der »Siemens-Zeitsehrift«, 1962, S. 60 bis 67, sind die Eigenschaften derart verbesserter magnetfeldgetemperter Rechteckferrite beschrieben.

Unter diesen verschiedenen Gattungen von Rechteckferriten sind eine Vielzahl verschiedener Zusammensetzungen bekannt. So sind Rechteckferrite mit folgenden Hauptkomponenten neben Eisen und Sauerstoff bekanntgeworden: _;

Ni-Zn-Co, Ni-Mg-Zn, Ni-Cu, Ni-Mn-Mg,
Ni-Mn-Zn, Li-Ni, Li-Ni-Mn, Li-Cu, Mg-Mn,
Co-Mn, Cu-Mn, Mn-Co-Zn.

Zur Klasse der WTBi-Kerne (»Weit-Temperatur-Bereich«), deren Temperaturabhängigkeit etwa zwischen den NTB- und STB-Kernen liegt, gehören einige Lithium enthaltende Rechteckferrite. Darunter sind Ferrite mit 14 bis 15 Molprozent Li₂O, 5 bis 7 Molprozent NiO und 78 bis 81 Molprozent Fe₂O₃ bekannt, deren Schaltzeit kleiner als 0,25 μβ ist und deren Nutz-Störspannungs-Verhältnis uVJdVz mehr als 3 beträgt,

Für verschiedene Anwendungsfälle bei extrem niedrigen Temperaturen, insbesondere in der Supraleitungstechnik, werden ebetrf»Ils Schalt- und Speicherelemente verwendet, die möglichst rasch schalten, einen möglichst hohen Energieinhalt speichern und ein hohes Nutz-Störspannungs-Verhältnis aufweisen sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, geeignete Rechteckferrite zu finden, die weit abseits der allgemein üblichen Betriebstemperaturen, nämlich bei sehr niedrigen Temperaturen von weniger als etwa —70 bis —50°C, insbesondere weniger als 100" K, den obengenannten Anforderungen genügen. Für dieses Betriebstemperaturgebiet kommen nach den der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen die schon erwähnten STB-Werkstoffe nicht in Frage. Ihr gutes

3 4

Temperaturverhalten zwischen —50 und +100⁰C dessen Ferrite im Sinne der Erfindung bei tiefen Temberuht auf einer Anomalie der Abhängigkeit der peraturen die Schalt- und Speicheraufgaben zu lösen Koerzitivfeldstärke von der Temperatur in diesem vermögen. Der Bereich B umschließt Ferritzusammen-Bereich. Unterhalb etwa -5O⁰C nimmt aber die Setzungen, die besonders günstig für die obengenannten Rechteckigkeit der Hystereseschleife immer mehr ab. 5 Aufgaben geeignet sind.

Sie können daher nicht als Speicherkerne für sehr In der F i g. 3 sind die Koerzitivfeldstärke H₀ und

tiefe Temperaturen eingesetzt werden. die Remanenzinduktion B_r in Abhängigkeit von der

Überraschenderweise wurde gefunden, daß sich Temperatur Γ von zwei verschiedenen Rechteckdagegen Lithiumferrite mit 70 bis 82 Molprozent Fe₂O₃, ferriten aufgetragen. Dabei gelten die durchgezogenen 10 bis 17 Molprozent Li₂O und dem Rest MnO, NiO io Kurven B_n und H_C1 für sogenannte NTB-Kerne mit und/oder ZnO, die bezüglich ihres Temperaturver- bei Zimmertemperatur geringer Schaltkonstante. Ein haltens im Zimmertemperaturgebiet als sogenannte Ferrit dieser Art weist folgende Zusammensetzung auf: WTB-Werkstoffe zwischen den STB- und den NTB-

Feiriten liegen, für die genannte Aufgabe außerordent- 40,5 Molprozent Fe₂O₃,
Hch gut eignen. Sehr überraschend ist, daß diese 15 30 Molprozent MgO,
Ferrite sogar einen kleineren Schaltkoeffizienten unter- 22 Molprozent MnO,
halb etwa 100⁰K aufweisen als die bisher bekannten 7,5 Molprozent ZnO.
NTB-Werkstoffe auf Magnesium-Mangan-Zink-Ferrit-Basis, die sich bekanntlich durch einen sehr kleinen Die unterbrochenen Linien gelten für Lithium-Schaltkoeffizienten auszeichnen. . ao Nickel-Ferrite, die erfindungsgemäß bei tiefen Tempe-

Die erfindungsgemäß bei sehr tiefen Temperaturen raturen verwendet werden. Ein diesen Messungen verwendeten Lithiumferrite zeichnen sich in diesen zugrunde gelegter Ferritkern ist folgendermaßen zuTemperaturbereichen daher nicht nur durch einen sammengesetzt:
relativ kleinen Temperaturkoeffizienten der maßgeblichen magnetischen Daten, sondern auch durch einen 35 79 Molprozent Fe₂O₃,
sehr geringen Schaltkoeffizienten aus. Man hätte ver- 15,9 Molprozent Li₂O,
muten können, daß die bisher in einem »sehr weiten 5,1 Molprozent NiO.
Temperatur-Bereich« günstige Eigenschaften aufweisenden STB-Ferritkerne auch der obengenannten Auf- Es ist erstaunlich, daß die Koerzitivfeldstärke erfingabenstellung am besten genügen. Auf Grund umfang- 30 dungsgemäß verwendeter Lithium-Nickel-Ferrite bei reicher Untersuchungen zeigte sich jedoch, daß dies sehr tiefen Temperaturen nur geringfügig ansteigt und nicht zutrifft, sondern daß von der Vielzahl der bisher selbst im Gebiet von etwa 4° K noch weniger als 5 Oe bekannten Ferrite die erwähnten Ferrite auf Li-Basis aufweist. Auch der Anstieg der Remanenzinduktion am besten geeignet sind. bei tiefen Temperaturen ist außerordentlich gering.

An dieser Stelle sei auf die britische Patentschrift 35 Die hierbei verwendeten Ferritkerne weisen einen

994 240 hingewiesen, die ebenfalls als Schalt- oder Außendurchmesser von 0,8 mm, einen Innendurch-

Speicherelemente verwendbare Mangan-Lithium-Fer- messer von 0,5 mm und eine Kernhöhe von 0,2 mm

rite beinhaltet, die gegebenenfalls mit Nickeloxid ver- auf. Während bei der Abkühlung von 300° auf 4,2° K

setzt sind. Dieser Patentschrift ist nicht die Erkenntnis die Koerzitivfeldstärke bzw. Remanenzinduktion der

entnehmbar, daß Ferrite der erfindungsgemäß ge- 40 Mangan-Magnesium-Zink-Ferrite auf das 5- bzw.

wählten Zusammensetzung in Temperaturbereichen l,8fache ansteigt, beträgt die Zunahme dieser Werte

einwandfrei verwendbar sind, in denen beispielsweise bei den erfindungsgemäß verwendeten Lithium-Nickel-

Kryotrons, also aus Supraleitern gefertigte logische Ferriten nur 40 bzw. 20 °/₀.

Schaltelemente und hieraus bestehende supraleitende In der F i g. 4 ist die Schaltkonstante der beiden

Speicher, betrieben werden. Diese britische Patent- 45 obengenannten Ferrite in Abhängigkeit von der Tem-

schrift enthält lediglich den Hinweis, daß nur in einem peratur aufgetragen. Aus diesen beiden Kurven geht

Temperaturbereich zwischen —40 und +125⁰C die hervor, daß die an sich für schnellschaltende Elemente

Temperaturabhängigkeit der Rechteckform der Hyste- für günstiger erachteten NTB-Kerne aus Mangan-

resisschleife, der Ausgangsspannung und der Impuls- Magnesium-Zink-Ferrit im Tieftemperaturbereich

anstiegszeit und damit der Schaltzeit weitgehend ver- 50 nicht nur einen hohen Temperaturkoeffizienten der

schwindet. Schaltkonstante aufweisen, sondern auch einen hohen

An Hand der Figuren und nachfolgend angegebenen Absolutwert der Schaltkonstante erreichen. Für die

Beispiele ist die Erfindung im folgenden noch näher erfindungsgemäß verwendeten Lithium-Nickel-Ferrite

erläutert: beträgt die Schaltkonstante selbst bei etwa 4° K noch

In der F i g. 1 ist schematisch ein magnetisches 55 eindeutig weniger als 1 Oe · μβ. Den Messungen wurde Schaltelement dargestellt, das aus einem Ferritring- ein Stromverhältnis /«,//* von 1,6 zugrunde gelegt, kern 1 besteht, dessen Hystereseschleife im wesent- Dabei ist der Knickstrom mit h bezeichnet. Dieses liehen eine Rechteckform aufweist. Durch das Loch Verhältnis entspricht etwa der im Koinzidenzbetrieb des Ringkernes sind drei verschiedene Leitungen, verwendeten Aussteuerung. Die Anstiegszeit beträgt in nämlich die Schaltleitung 2, die Leseleitung 3 und 60 beiden Fällen t_r = 40 ns. Der Temperaturkoeffizient Schreibleitung 4 geführt. Derartige Schaltelemente der Schaltkonstante des erfindungsgemäßen Lithiumwerden in der Regel matrizenartig in einer Vielzahl Nickel-Ferrits beträgt gemäß F i g. 4 zwischen 0 und neben- und hintereinander angeordnet, so daß größere 400⁰K etwa 1,15 · 10-³/grd.

Rechenprogramme mit Hilfe dieser Schaltelemente In der F i g. 5 sind die Werte für die Spitzenspan-

bewältigt werden können. 65 nungen der Sekundärsignale — u\\ und dV_z — und

In der F i g. 2 ist ein Dreistoffdiagramm mit den die Schaltzeit einerseits bei 300° K (durchgezogene

Hauptkomponenten Fe₂O₃, Li₂O und MnO, NiO bzw. Kurven) und andererseits bei 4,2° K (unterbrochene

ZnO dargestellt. Mit A ist derjenige Bereich bezeichnet, Kurven) in Abhängigkeit vom Vollstrom(//) darge-

stellt. Beim Vergleich der durchgezogenen mit den durchbrochenen Kurven ist ersichtlich, daß sich sowohl die Spitzenspannungen der genannten Sekundärsignale als auch die Schaltzeit bei 4,2° K nur geringfügig von den bei 300⁰K gemessenen Werten unterscheiden, wenn der Betriebsstrom um etwa 40% erhöht wird. Diese Betriebsstromvergrößerung ist ohne aufwendige Hilfsmittel möglich. Den Messungen liegen folgende Bedingungen zugrunde: U = 0,1 μβ und Ip/Jf = 0,55.

Sehr ähnlich günstige Eigenschaften bei sehr tiefen Temperaturen können auch an Lithiumferriten erzielt werden, bei denen das Nickel durch Zink und Mangan ersetzt ist. So entspricht ein Ringkern mit 0,5 mm Außendurchmesser und folgender Zusammensetzung relativ etwa den Werten wie im oben dargestellten und beschriebenen Beispiel.

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so

80,3 Molprozent FegO₃,
16,3 Molprozent Li₂O,
1,4 Molprozent MnO,
2,0 Molprozent ZnO.

Es ist vorteilhaft, auch derartige, Mangan und Zink enthaltende Lithiumferrite im Sinne der Erfindung zu verwenden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung von Lithiumferrit mit einer rechteckförmigen Hystereseschleife und der Zusammensetzung

70 bis 82 Molprozent Fe₂O₃,
10 bis 17 Molprozent Li₂O,
Rest MnO, NiO und/oder ZnO

als magnetisches Schalt- oder Speicherelement im Tieftemperaturbereich von weniger als etwa —70 bis -50⁰C.

2. Verwendung von Lithiumferriten nach Patentanspruch 1 für schnellschaltende magnetische Bauelemente mit einem Schaltkoeffizienten von weniger als S = 1 Oe · μβ unterhalb 100° K.

3. Verwendung von Lithiumferriten nach Anspruch 1 oder 2, die 75 bis 82 Molprozent Fe₂O₃ und 12 bis 17 Molprozent LiO aufweisen.

4. Verwendung von Lithiumferriten nach Anspruch 3, die etwa 79 Molprozent Fe₂O₃, etwa 16 Molprozent LiO und etwa 5 Molprozent NiO aufweisen.

5. Verwendung von Lithiumferriten nach Anspruch 3, die etwa 80 Molprozent Fe₂O₃, etwa 16 Molprozent LiO, etwa 2 Molprozent MnO und etwa 2 Molprozent ZnO aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen