DE2150494A1

DE2150494A1 - Parametrischer Verstaerker

Info

Publication number: DE2150494A1
Application number: DE19712150494
Authority: DE
Inventors: Morse Arthur Lyle
Original assignee: MACROQUAN DATA SYSTEMS Inc
Current assignee: MACROQUAN DATA SYSTEMS Inc
Priority date: 1970-10-12
Filing date: 1971-10-09
Publication date: 1972-04-13
Also published as: GB1370647A; NL7114012A; US3723755A; FR2111259A5; CA966199A; SU651735A3

Description

DIPL.-IN«. QONTKfea EISENFÜHR DIPL.-INQ. Dl ETER K. SPEISER

Aktenzeichen: Neuanmeldung - 28 BREMEN 1

_ . BORaERMElSTER-SMlDT-STH. M

Anmeldername: MacroQuan Data Sys tens, Inc· itrinioad-hausi

TELEFON: (0421) SI Jt77 TELEGRAMME: FERROPAT

BREMER BANK 1001072

_M ^Qf POST8CHECK HAMBURQ 255717

UNS. ZEICHEN: " J-^Öt>

datum: 8. Oktober 1971

MacroQuan Data Systems, Inc., eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Californien, 3107 Beverly Boulevard, Los Angeles. Californien (V. St. A.)

Parametrischer Verstärker

Die Erfindung befaßt sich mit Supraleitungs-Übergängen zwischen makroskopischen Quantenzuständen; insbesondere befaßt sie sich mit gekoppelten, mehrfach-verbundenen, supraleitenden Interferenzeinrichtungen, die als Schaltungskomponenten für die Verstärkung und/oder Messung elektrischer Ströme, Potentiale und Magnetfelder Verwendung finden.

Die Verwendung von Interferenztechniken, die lediglich auf der Wellenfunktion eines Elektronenflusses in einem stromführenden Supraleiter basiert, um eine Steuerung oder Modulationsfunktion zu erhalten, wurde bereits früher, beispielsweise in dem US-Patent 3 363 211, erkannt. Im einzelnen wird die Steuerung oder Modulation des gesamten Stromes, der zwischen zwei Supraleitern über zwei supraleitende Verbindungsstellen fließt, dadurch gewonnen, daß eine relative Phasenverschiebung der Wellenfunktion zwischen den Verbindungsstellen erzeugt wird, so daß der

209816/1037

Stromfluß durch die einzelnen Verbindungsstellen gesteuert wird. In Abhängigkeit von dieser Phasenverschiebung erzeugt die Verknüpfung der beiden Ströme normalerweise einen Strom geringerer Stromstärke gegenüber dem Fall, daß die Wellenfunktionen nicht gekoppelt sind. Um diese Kopplung (oder Interferenz) der Wellenfunktionen zu erhalten, müssen die beiden Verbindungsstellen integrale Teile von zwei zusammenhängenden Supraleitern sein, deren Wellenfunktion-Kohärenzlänge größer als der Abstand der Verbin- ^ dungssteilen ist.

In speziellen Anwendungen fanden die supraleitenden Interferenzanordnungen Verwendung bei Präzisionsmessungen von hoher Empfindlichkeit für Ströme, Spannungen und Magnetflüsse. In einem Beispiel werden zwei Supraleiter in solcher Weise zusammengebracht, daß zwei supraleitende Verbindungsstellen (schwache Kopplungen, Josephson-Verbindungen) gebildet werden, wobei die Supraleiter und die Verbindungsstellen eine einen speziellen Magnetfluß umschliessende Schleife bilden. Eine Quelle elektrischer Energie wird mit den Supraleitern verbunden und sorgt für einen Stromfluß durch die Verbindungsstellen. In einer derartigen Anordnung ist der Suprastrom (auch verlustloser Strom genannt) eine Funktion des Magnetflusses innerhalb des umschlossenen Bereichs. Vergrößern oder Verkleinern dieses Peldes erzeugt eine entsprechende Veränderung des Stromes durch die Anordnung. Diese Wechselwirkung von Magnetfluß und Strom wird in Verstärkern, Magnetometern und Rechner-Elementen verwendet.

Wie schon in dem Ausdruck "Verlustloser Strom" zum Aus- . druck kommt, hat man bislang geglaubt, daß die SuprastrS-me (verlustlose Ströme) bestehen und steuerbar sind nur dann, wenn die Stromstärke des durch die Anordnung fliesenden Stromes geeignet gewählt wird, unterhalb einer kritischen Stromstärke fließt der Gleich-Suprastrom ote* 209816/1037

Spannungsabfall Über die Verbindungsstellen. Oberhalb einer kritischen Stromstärke hören derartige Ströme, so nimmt man an, auf, und über der Verbindungsstelle wird ein endlicher Spannungsabfall festgestellt. Die Betriebsbereiche oberhalb und unterhalb der kritischen Stromstärke werden gewöhnlich als das DC-Josephson-Gebiet und das AC-Josephson-Gebiet benannt. Bei den bislang bekannten Anordnungen war für den Betrieb eine häufige Bestimmung der Grenzen des DC-Josephson-Bereichs notwendig.

Die vorliegende Erfindung basiert theoretisch auf elektromagnetischen Interferenz-Effekten, die zwischen Quanten-Oszillatoren auftreten, das heißt zwischen supraleitenden Verbindungsstellen, die dauernd in dem AC-Josephson-Bereich gehalten werden, wodurch eine kontinuierliche Kette von elektromagnetischen Schwingungen erzeugt wird.

Nach der Josephson'sehen Theorie wird eine derartige Oszillation erzeugt, wenn spinkorrelierte Elektronen einen Übergang über eine spezielle Art von Verbindungsstellen zwischen zwei Supraleitern ausführen. Die zwei Supraleiter und die Verbindungsstelle zwischen ihnen liefern zwei Quantenzustände, zwischen denen Übergänge in beiden Richtungen stattfinden können. Es wird jedoch kein Stromfluß erzeugt, bis ein Teil der mit den Übergängen verbundenen Energie absorbiert wird oder verschwindet. Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Einrichtung zur Absorption eines Teiles dieser Energie vorgesehen, um damit einen meßbaren makroskopischen Stromfluß zu erzeugen. Weiterhin kann gezeigt werden, daß eine Steuerung des Absorptions ausreaßes der Energie eine Veränderung in der Größe des makroskopischen Stromflusses über die Verbindungsstelle erzeugt. Inde» aus einer außerhalb der Supraleiter befindlichen Quelle Strahlung eingeführt wird, wird ein Anstieg oder ein Abfall des Stromes bei Anwesenheit nicht linearer Energieabsorption erzeugt, was davon ab-209816/1037

hängt, ob die externe Strahlung in Phase oder außer Phase mit der internen Strahlung steht. Ferner wurde ein "Zieh-Effekt" gefunden, der sich auf die Frequenz der inneren Strahlung auswirkt, wenn die Frequenz der von außen angewandten Strahlung ungefähr gleich oder gleich einem Harmonischen der Eigenfrequenz der Strahlung der Verbindungsstelle ist. Der Zieh-Effekt hat zur Folge, daß die innere Frequenz in Richtung auf die Außenfrequenz gezogen und an sie gekoppelt wird. Eine Steuerung der Strahlungsfrequenz einer supraleitenden Verbindungsstelle wird in der vorliegendenErfindung mit Hilfe des Zi-eh-Effektes bewirkt, um die notwendigen Bedingungen herzustellen, durch die die von außen aufgegebenen Signale relative Phasenveränderungen in der Strahlung erzeugen, die über die supraleitenden Verbindungsstellen gekoppelt ist, die ihrerseits eine Messung oder Verstärkung des äußeren Signals erlaubt.

Prinzipiell sieht der Betrieb nach der Erfindung vor, daß ein Teil der Energie eines Quantenoszillators in einer geeigneten Einrichtung absorbiert wird. In Falle einer einzelnen supraleitenden Verbindungsstelle wird dies durch einen endlichen Ohm¹sehen Widerstand als integraler Teil der Verbindungsstelle bewirkt. Unter einer derartigen Bedingung fließt ein resultierender Strom über die Verbindungsstelle, dessen Größe durch die relative Einfachheit oder Schwierigkeit der Strahlungsabsorption bestimmt ist. Erfindungsgemäß wird die Energieabsorption durch Ohm'sche Verluste realisiert, die mit dem Betrieb in dem AC-Josephson-Gebiet verbunden sind. Dadurch ist es möglich, feststellbare Einflüsse auf einen Quantenoszillator (supraleitende Verbindungsstelle) auf einen anderen oder auf andere Quellen zu koppeln, die äußere Strahlung anregen.

Durch die Kopplung einer zweiten supraleitenden Verbindungs· stelle an eine erste supraleitende Verbindungsstelle in

209 816/1037

Parallelschaltung und durch das Betreiben der beiden in dem AC-Josephson-Gebiet wird der Energie- oder Strahlungs-Absorptions—Mechanismus durch das Zusammenwirken einer Verbindungsstelle relativ zur anderen ermöglicht. Die zweite, an die erste gekoppelte Verbindungsstelle übt ferner den Zieh—Effekt aus, wodurch die Schwingungsfrequenz der ersten Verbindungsstelle an die der zweiten Verbindungsstelle gekoppelt wird. Nach Einstellen der richtigen Betriebsbedingungen ergibt die Parallelschaltung der supraleitenden Verbindungsstellen an eine äußere Signalquelle und ein entsprechender Ausgang aus der Schaltung eine supraleitende Schaltungskomponente von außerordentlich hohem Verstärkungsfaktor.

Die Verstärkung wird auf folgende Weise erreicht; Wenn die Strahlung aus einer Verbindungsstelle in Phase ist, ist die resultierende HF—Spannung in der Schleife ein Maximum, der resultierende Stromfluß ein Maximum, die resultierende Impedanz der Verbindungsstellen ist relativ niedrig. Wenn die Strahlung außer Phase ist, findet das Entgegengesetzte statt, die Spannung, der Leistungsverlust und der Strom sind minimal, und die resultierende Impedanz ist relativ hoch. Die Veränderung der resultierenden Impedanz bei Strahlungsänderungen von Phasengleichheit zu dem Zustand des außer—Phase—Seins kann bis zu mehreren Ohm betragen, was von dem Auemaß der Überkreuz-Kopplung der Strahlung abhängt, wodurch sich Signalpegel bis zu 50 χ 10"⁶ Volt ergeben.

Betrachtet man die Angelegenheit von einem anderen Standpunkt aus, wird ein Signal aus einer äußeren Quelle auf die Anordnung gegeben, um eine Änderung der relativen Phase der Strahlung aus einem Paar überkreuz gekoppelter Verbindungsstellen und eine entsprechende Impedanzveränderung zu erzeugen. Die Spannung oder der Pegel des ex-

209816/1037

ternen Signals, die nötig sind, um ein Paar von Quantenoszillatoren ihre relative Phase um 180 ° verändern zu lassen, hat sich als eine differentielle Spannung von

10 Volt, eine Sekunde lang angelegt, ergeben. Für eine Bandbreiteneinheit führt dies zu einem Verstärkungsfaktor in der Größenordnung von 10 , und selbst bei wesentlich höheren Frequenzen werden Verstärkungsfaktoren

in der Größenordnung von 10 erhalten.

Die vorliegende Erfindung schlägt eine makroskopische Quantenschaltungskomponente vor, die einen ersten und zweiten Supraleiter umfaßt, die eine supraleitende Verbindungsstelle definieren. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, die eine Potentialdifferenz zwischen den Supraleitern aufbaut, um oszillierende Strahlung über der Verbindungsstelle zu erzeugen; weiterhin ist eine Einrichtung zur Steuerung der Amplitude der Schwingungen der Strahlung vorgesehen. Schließlich wird ein Teil dieser Strahlung auf eine Weise selektiv absorbiert, die proportional zum Quadrat der Amplitude der Schwingung ist.

In einer weiteren Ausführung sieht die Erfindung eine supraleitende Stromkomponente vor, die eine erste supraleitende Verbindungsstelle mit einer ersten und einer zweiten Seite und eine zweite supraleitende Verbindungsstelle mit einer ersten und einer zweiten Seite umfaßt. Es ist eine Einrichtung betroffen, die eine Seite jeder dieser Verbindungen koppelt,und weiterhin ist eine Impedanz vorgesehen, die die verbleibenden beiden Seiten jeder Verbindungsstellen koppelt.

Wenn die erfindungsgemäße Einrichtung über einen parametrischen Verstärker hohen Verstärkungsgrades hinaus direkt als Vorverstärker eingesetzt wird, stellt sie eine Einrichtung dar, mit deren Hilfe elektrische Spannungen oder

209816/1037

Ströme mit großer Empfindlichkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit sehr schnell gemessen werden können. Ein erfindungsgemäßer Verstärker zeitigt zusätzliche Eigen- . schäften, die sich aus dem Umstand ergeben, daß er in seinem Betrieb fundamentale quantenmechanische Phänomene ausnutzt. Oa die supraleitenden Quantenoszillatoren auf einer Frequenz von genau f « ■ mit -rr » 2TTf arbeiten, kann die Geschwindigkeit der Phasenänderung (0) zur Bestimmung der Spannung mit extremer Zuverlässigkeit benutzt werden. Weil der Ausgang derartiger Oszillatoren ( sich genau mit jeder Periode wiederholt, kann eine kleine Änderung in einem großen Eingangssignal so leicht wie das Signal selbst festgestellt werden.

Durch geeignete Veränderung der grundsätzlichen Schaltungskomponente nach der Erfindung, wie sie beispielsweise durcl Verwenden eines endlichen Widerstands in Reihe mit einer widerstandslosen (supraleitenden) Induktivität realisierbar ist, kann die Spannungsempfindlichkeit wirkungsvoll integriert werden, so daß die Phase selbst statt der Änderungsgeschwindigkeit der Phase proportional der angewandten Spannung ist. In ähnlicher Weise kann die Phase streng proportional zu dem Stromfluß gemacht werden, indem ™ eine Ausgangsspannung durch einen Strom durch eine widerstandslose Induktivität erzeugt wird. Allgemein kann eine Kombination innerer und äußerer Impedanzelemente (Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten), nicht linearer Elemente (Dioden, Funktionsgeneratoren) und verteilter Elemente (Verzögerungsleitungen, Wellenleiter) dazu benutzt werden, eine außerordentlich große Vielfalt von Eingangssignalen einen feststellbaren Einfluß auf die Phase oder die Änderungsgeschwindigkeit der Phase in der Anordnung ausführen zu lassen, was durch die Ausgangsspannung aus der Anordnung festgestellt werden kann. In allen Fällen ergibt sich der Vorteil sehr hoher Empfindlichkeit,

selbst bei großen Eingangssignalen, und hoher Genauigkeit, 209816/1037

— 8 —

was beides darauf zurückzuführen ist, daß die Messung in einfacher Weise fundamentale Naturkonstanten, die inhärente Stabilität und den driftfreien Betrieb der Anordnung ausnutzt.

Nachfolgend wird die Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird.

Es zeigen:

Fig. 1 graphische Darstellungen für die Bezie-Fig. 1 B hung der verschiedenen Parameter zueinander ;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der supraleitenden Schaltungskomponente in einer Galvanometer-Konfiguration;

Fig. 3 eine spezielle Ausführungsform der Komponente nach Fig. 2;

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Komponente nach Flg. 3;

Fig. 5 ein schematisehes Diagramm eines erfindungsgemäßen Galvanometers, bei dem die Supraleiter über diskrete Impedanzen gekoppelt sind;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer speziellen Ausführung«form der Supraleiter aus Fig. 5; und

Fig. 7 ,ein schematisches Diagramm eines surpaleitenden, harmonischen Amperemeters.

Wenn ein Elektron einen Übergang zwischen zwei Zuständen mit der Potentialdifferenz &V ausführt, wird gemäß der

Quantentheorie ein einzelnes Photon von einer Frequenz

e Δν f . .... erzeugt, wobei h die Planck'sehe Konstante und e die Ladung 4es Elektrons ist. Bei Supraleitern sind die Elektronen äußerst stark zu Paaren gekoppelt; wie von

Josephson angegeben, beträgt die Freqenz beim Übergang 209816/1037

eines derartigen EleJctronenpaares zwischen zwei Supraleitern, zwischen denen das Potentialgefälle Δ V besteht,

'■V

Bei zeitabhängigem AV muß diese Gleichung umgeschrieben werden zu

A0 . (Gleichung 1)

Al

wobei 0 die Phasenänderung der Wellenfunktion beim Übergang vom ersten zum zweiten Supraleiter, M » jrg, und Λ 0 die zeitliche Änderung der Phasenänderung der Wellenfunktion ist·

Wenn ein einzelnes Elektronenpaar den Übergang ausfuhrt, ist diese Frequenz fest,und 2βΔν ist genau die Energiedifferenz derjenigen Energien, die in dem Elektronenpaar und dem Elektronengitter kurz vor und nach der Wechselwirkung Mit den Elektronen des zweiten Supraleiters enthalten sind. Das resultierende elektromagnetische Feld regt die kohärente Emission, den übergang, die Absorption und Strahlung zusätzlicher Elektronenpaare so an, daß ein makroskopische« Stromfluß zwischen den beiden Supraleitern sich einstellt, der in erster Näherung gegeben ist durch

¹S "

wo I der Augenblickswert des Suprastromes und i_-a| ein Stromparameter ist, der von der räumlichen Kopplung der Supraleiter an der Josephson-Verbindungsstelle abhängt. Diese beiden Gleichungen reichen, wenn sie mit den geeigneten Gleichungen der konventionellen elektromagneti schen Theorie verknüpft werden, aus, um den Betrieb der

209816/1037

- IO -

verschiedenen Systeme und Konfigurationen gemäß der Erfindung zu beschreiben. -

Wenn ein konstanter Strom I plötzlich durch eine einseine schwach gekoppelte Verbindungsstelle fließen soll, und wenn I kleiner als I_8m ist, wird die Phasenverschiebung Δ 0, wie sie in der Gleichung 1 gegeben ist, sich so ändern, daß sie sich dem neuen Strom anpaßt. Wenn jedoch ein konstanter Strom (I - I + I„), der größer als I_- ist,

η s sä *

durch die Tunnelverbindung fließen soll, zeigt das Verhalten normalen Widerstand oder einen normalen Tunnelstrom der Verbindungsstelle (der ohmisch ist), und Gleichung 1 wird dann zu

(i . i_sm wobei R der Normalwiderstand der Verbindungsstelle ist.

Die Wichtigkeit dieser Gleichung wird in den Fig. IA und IB dargestellt. Wenn&0 Tt/2, 5ΤΓ/2, usw. ist, wird Δ0 ein Minimum, und der Suprastrom wird ein merkbarer Teil des Gesamtstromes für eine relativ lange Zeitspanne. Wenn Jedoch Δ0 gleich 3ΊΓ/2, 7 Tt/2, usw. ist, wird &0 ein Maximum, und das Intervall, in dem der Suprastrom de» gesamten Strom entgegengesetzt ist, wird relativ schnell durchlaufen. Im Endergebnis ist die mittlere Spannung (^v _av#> gemäß Fig. IB über der Verbindungsstelle wesentlich kleiner als sie sein würde, wenn A0 konstant wäre. In diesem Fall würde der positive und negative Beitrag von I sich gegenseitig genau aufheben,und die über die Zeit gemittelte Spannung würde betragen V-IR.

Die Steuerung der Amplitude der Schwingungen über der Verbindungsstelle ist wie folgt zu beschreibenι

209816/1037

215049A

- li -

Durch Hinzufügen einer äußeren HF-Spannung, die in Phase ■it der obigen oszillierenden Spannung ist» werden die Einflüsse, die zu einem verkleinerten mittleren Spannungsabfall über der Verbindungsstelle führen, vergrößert,und die über die Zeit gemittelte Spannung reduziert sich weiterhin. Hinzufügen eines äußeren HF-Signals außer Phase Bit der Schwingspannung läßt die Amplitude der Schwingung von Δ0 kleiner werden, so daß der über die Zeit gemittelte Suprastrom relativ weniger beiträgt und der mittlere Spannungsabfall zunimmt. Die gleiche Analyse ist anwendbar, wenn die Frequenz der äußeren HF eine genaue Subharmonische der Grundfrequenz der Verbindungsstelle ist. Wenn eine zweite Verbindungsstelle mit der ersten HF gekoppelt ist, hängt die mittlere Spannung, die zu einem gegebenen Steuerstrom gehört, von der relativen Phase der Schwingung der beiden Verbindungsstellen ab, und es ist ein Mechanismus für die wahlweise Absorption eines Teiles der Strahlungsenergie über der ersten Verbindungsstelle vorgesehen, der proportional zum Quadrat der Schwingungsamplitude absorbiert. Die Spannungsveränderung mit der Schwingungsphase kann sehr groß gemacht werden, wenn das gewünscht wird, indem der Normalwiderstand der Verbindungsstellen und 4er Steuerstrom und I_8m geeignet geregelt werden· Die vorliegende Erfindung bedient sich einer derartigen phasenabhängigen Spannung oder allgemeiner der veränderung der Impedanz der Verbindungsstelle mit der Amplitude der Radiofrequenzenergie über der Verbindungsstelle, um letztlich das Verhalten der verschiedenen Systeme makroskopischer Quantenzustände an die üblichen Laborateriumsinstrumente zu koppeln. Wie bereits angedeutet, laufen die Quantenoszillatoren bei einer Frequenz von f - 2f& . Somit ist 0 - |A"J V4t, : mit f - H und, wie bereits angedeutet, ein differentieller Spannungsstoß von 10"" Voltsekunden verursachte eine relative Phasenänderung um 180 °. Weiterhin warden Phaaenänderungen von

Bruchteilen eines Grades beobachtet, die einer Empfiftd-

209816/1037

lichleit von 1O~¹⁸ Volt in Bandbreiteneinheit entspricht.

Fig. 2 zeigt' eine Galvanometer-Schaltung 10 mit einer makroskopischen Komponente 12, die die Erfindung verkörpert. Die Komponente 12 besteht aus drei Supraleitern 14, 16 und 18, die eine erste supraleitende Verbindungsstelle 20 zwischen den Supraleitern 14 und 18 und eine zweite supraleitende Verbindungsstelle 22 zwischen den Supraleitern 14 und 16 definieren· Die Verbindungsstellen 20 und

| 22 sind auf einer Seite über den zusammenhängenden Supraleiter 14 und auf der gegenüberliegenden Seite durch eine Impedanz 24 verbunden· Die räumliche Konfiguration der Supraleiter 16 und 18 ist so getroffen, daß ein schmaler Spalt 26 für die Strahlungskopplung der Verbindungsstellen 20 und 22 gebildet wird· In den von den Verbindungsstellen 20 und 22 weiter abliegenden Gebieten 1st ein relativ großer Spalt 27 zwischen dem Supraleiter 14 und den Supraleitern 16 und 18 vorgesehen, um die Kapazität zu vermindern und eine unerwünschte Amplitudenschwächung der Radiofrequenzenergie zu verhindern. Mit den Supraleitern 14 und 18 ist eine Quelle 28 konstanten Stromes über Leitungen 15 und 17 verbunden, die eine Spannungsquelle 30

ψ und eine variable Impedanz 32 aufweist. Über die Eingangsleitungen 34 und 36, die an die Supraleiter 16 und 18 angeschlossen sind, wird ein Eingangssignal der Galvanometerschaltung 10 Bugeführt. Das Ausgangssignal aus der Galvanometerschaltung steht an den Ausgangsleitungen 38 und 40, die mit den Supraleitern 14 und 16 in Verbindung stehtn. Die supraleitende Verbindung einerseits und die Impedanz-Verbindung andererseits zwischen den Verbindungsstellen 20 und 22 repräsentieren die verschiedenen Möglichkelten, die beiden Verbindungsstellen zu verbinden. Je nach der speziellen Anwendung, versteht es sich, daß die Verbindungsstellen gänzlich über Supraleiter, vollständig über Impedanzen oder über Kombinationen der beiden verbunden sein können.

209816/1037

Die Einrichtung nach Fig. 1 arbeitet wie folgt: Die Supraleiter 14, 16 und 18 sind an den Verbindungsstellen 20 und 22 durch Josephson-Tunnelverbindungen schwach gekoppelt. Die Quelle 28 konstanten Stromes läßt einen Strom I parallel durch die Verbindungsstellen fließen. Der Strom I wird soweit vergrößert, bis er den kombinierten kritischen Strom der beiden Verbindungsstellen Obersteigt· Da der Strom konstant ist (unter der Annahme einer verlustlesen Impedanz 24), sind die mittleren Spannungen über die beiden Verbindungsstellen genau gleich, und Ober die Verbindungsstellen werden oszillierende Strahlungen mit bestimmter, zeitunabhängiger Frequenz und Phasenbeziehung erzeugt. Wenn jedoch an den Ein-

-15

gangsleitungen 34 und 36 eine Sekunde lang 10 Volt angelegt werden, kehrt sich die relative Phase der Schwingungen an jeder Verbindungsstelle um,und die an den Ausgangsleitungen 38 und 40 gemessene Spannung verändert sich entsprechend. Wenn die Spannung Ober den Verbindungsstellen anfänglich wegen der in Phase schwingenden Verbindungsstellen ihr Miniraum besitzt, bewirken die 10 Voltsekunden das Spannungsmaximum durch Phasenumkehr. Dieser Spannungsstoß läßt weiterhin einen Strom in der Impedanz 24 fließen. Wenn die Impedanz 24 eine Induktivität ist, ergibt sich der fließende Strom aus

I - J₁ J Vdt - ΙΟ*"¹⁵ Volt Sekunden,

Il

wobei L in Henry gemessen wird.

Die augenblickliche Phasendifferenz ist somit zum Stromfluß in der Impedanz 14 proportional. Die Galvanometerschaltung 10 kann somit als ein Amperemeter betrachtet werden, dessen Gleichstrom-Widerstand Null ist.

Wenn die Impedanz 24 eine Ohm'sche Komponente enthält, tritt statt einer festen Phasenbeziehung an den beiden 209816/1037

Verbindungsstellen eine sich verschiebende Phasenbeziehung auf. Ein Eingangssignal für eine Galvanometerschaltung mit einer derartigen Oh»'sehen Komponente erzeugt einen Anstieg oder einen Abfall in der Geschwindigkeit, mit der sich die Phasenbeziehung verschiebt. Anwendungen dieser Art Galvanometerschaltungen betreffen die Ausführung einer Zählfunktion. Weiterhin zeigt die spezifische Veränderung in der Verschiebungsgeschwindigkeit den Pegel des Eingangssignals an, dai diese Veränderung erzeugt.

^Eine besondere AusfUhrungsform 42 der Komponente 12 zeigt Fig. 3. Diese Ausführungsform umfaßt die Supraleiter 43, 45 und 47 (Stücke a^, a₂, a«), die den Supraleitern 14, 16 und 18 aus Fig. 2 entsprechen. Der Supraleiter 43 umfaßt eine Scheibe 49 mit einem blockartig geformten Element 51, das der Scheibe integral angeformt ist, sich von ihr erhebt und etwa längs deren Durchmesser liegt. Das Element 51 weist eine Öffnung 53 auf. Durch die Öffnung 53 reicht ein spulenförmiges Element 44 mit einem Mittelteil 46 und Flanschen 55 und 57. An die Flanschen 55 und sind integral angeformt und außerhalb der Öffnung 53 angeordnet ein Paar größerer flanschenförmiger Elemente 59, 61. Die Flanschen 55 und 59 bilden den Supraleiter 45, und die Flanschen 57 und 61 bilden den Supraleiter 47· Das Mittelstück 46 entspricht der Impedanz 44 aus Fig. 2. In der Ausführungsform nach Fig. 3 sind die Supraleiter 43, 45 und 47 aus Niob hergestellt. Auch andere Materialien mit supraleitenden Eigenschaften wie Magnesium, Zink, Aluminium und Blei sowie andere haben sich als für die Anwendungen brauchbar erwiesen.

Die supraleitenden Stangen 48 und 50 sind in die Scheibe 49 und in das Element 51 gleitend eingepaßt.in Aufnahmeöffnungen 52, 54 und kontaktieren die Flanschen 55 und 57 über die Isolierung 60.

209816/103 7

Die Spitzen der Stangen 48, 50 kontaktieren die Flanschen 55 und 57, indem sie durch einen elektrischen Isolator 60 (Mylar-Band) zwischen dem Element 51 und den Flanschen 55, 59, 67, 71 getrieben werden, wobei der Isolator die supraleitenden Elemente 45, 47 vom Supraleiter 43 isoliert. Die supraleitenden Verbindungsstellen 74, 76 ergeben sich an der Kontaktspitze zwischen der Stange 48 und dem Plansch 55 und zwischen der Stange 50 und dem Flansch 57· Der Eingang der Anordnung wird von Verbindungen oder Leitungen 62, 64 gebildet, die gegeneinander und gegen den Block 51 isoliert sind. In dieser Ausführungen form sind die Leitungen 62, 64 aus Blei gefertigt. Der Ausgang der Anordnung ergibt sich an den Leitungen 66, 68, die mit den Supraleitern 43 und 47 verbunden sind. Die Quelle konstanten Stromes wird über Leitungen 70, 72 an die Supraleiter 43, 45 herangeführt. In der Ausführungsform nach Fig. 3 verbindet die Stange 46 die Funktion der Impedanz 24 und des Spaltes 26 aus Fig. 2, indem sie sowohl eine diskrete elektrische Verbindung zwischen den Supraleitern 45 und 47 wie auch ein Mittel bildet, wodurch die Strahlung zwischen den Josephson-Verbindungsstellen 74, 76 gekoppelt wird. Die Induktivität L ohne 0hm'sehen Widerstand der Anordnung nach Fig. 2 wird im wesentlichen durch das Mittelteil 46 repräsentiert, wobei der spezielle Wert der Induktivität durch den Durchmesser und die Länge des stangenförmigen Mittelteils 46 geregelt wird.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Einrichtung nach Fig. 2. Bei dieser Ausführungsform sind mit Gewinde versehene Öffnungen 78j 80 in einem Zylinder 82 aus supraleitendem Material vorgesehen. Der Zylinder 82 stellt einen ersten Supraleiter a₁ dar. Eine Spule 88 aus supraleitendem Material ist in dem Zylinder 82 angeordnet, wobei die geflanschten Abschnitte 84, 86 der Spule den zweiten und dritten Supraleiter (a₂, a~) der Anordnung bilden.

20981 6/1037

— iO —

Die geflanschten Abschnitte 84, 86 sind über eine Mittelstange 90 verbunden, die integral angeformt ist. Schraubbolzen 92, 94 sind in öffnungen 78, 80 eingeführt und bestehen ebenfalls aus supraleitendem Material (a.). Die Bolzen 92 und 94 reichen durch die Öffnungen 78, 80 soweit hindurch, daß die elektrische Isolierung 96 (beispielsweise Mylar-Band) durchstochen ist, so daß sich zwei supraleitende Verbindungsstellen 98, 100 zwischen dem Zylinder 82 und dem Flansch 84 sowie zwischen dem Zylinder 82 und dem geflanschten Abschnitt 86 ergeben. Der " Eingang zu der Einrichtung geschieht über einen gabelartigen Stecker 101 mit den Leitungen 103, 105, der über einen Teil des Zylinders 82 sitzt und gegen diesen isoliert ist und die Außenseiten der geflanschten Abschnitte 84, 86 elektrisch kontaktiert.

Eine Quelle konstanten Stromes wird an den Zylinder 82 und den geflanschten Abschnitt 84 bei 102 angeschlossen, und der Ausgang wird von der Anordnung bei 104 über mit dem Zylinder 82 und dem geflanschten Abschnitt 86 verbundene Leitungen abgenommen. Die Anordnungen nach den Fig. 2 und 3 sind rotationssymmetrisch und ergeben einen gefc schlossenen Körper, der den Einfluß wechselnder äußerer Magnetfelder auf dem mittleren Bereich und das Entstehen unerwünschten Stromflusses verhindert. Die Einrichtung gemäß Fig. 3 wird in einen geeigneten Halter eingekapselt, der seinerseits in ein übliches Dewar-Gefäß gebracht wird, in dem die Temperatur der Anordnung zur Erreichung der Supraleitung auf die Nähe des absoluten Nullpunktes abgesenkt wird. Eine nach außen reichende Steuervorrichtung für den Halter kann günstigerweise vorgesehen sein, um damit die Bolzen 92, 94 vorzutreiben und zurückzuziehen, so daß sich spezielle und genaue Druck- und Kontaktverhältnisse zwischen den Supraleitern an den supraleitenden Ver-

20981 6/1037

21 5 O A 9 4

bindungssteilen erzielen lassen·

Eine supraleitende Galvanometerschaltung 106 mit hoher Impedanz zeigt Fig. 5. Die Anordnung umfaßt eine supra-• leitende Schaltungskomponente 108, die aus vier diskreten Supraleitern 110, 112, 114, 116 (a., a₂, a-, a.) besteht, die ihrerseits die supraleitenden Verbindungsstellen 118 und 120 definieren. Die Kondensatoren 122 und verbinden die Supraleiter 110, 114 und 112, 116, um Strahlungsenergie von der Verbindungsstelle 118 zur Verbindungsstelle 120 und umgekehrt zu koppeln· Die Impedanzen 126, 128, die als Einwindungs-Spule dargestellt sind, verbinden die Supraleiter 110, 114 und 112, 116 und schließen die die Supraleiter enthaltende' Schleife und stellen ferner einen Strompfad für den Strom aus der Quelle 130 für konstanten Strom dar. Die Quelle 130 liegt über den Supraleitern 114, 116 und liefert genügend Strom (Sperrstrom), so daß der durch die supraleitenden Verbindungsstellen fließende Strom, deren zusammengenommene kritische Stromstärke übersteigt. Zur Parallelschaltung der Supraleiter 110, 114 und 112, 116 mit den Kondensatoren 122, 124 können für spezielle Anwendungsfälle natürlich auch andere Impedanzen vorgesehen sein. Derartige Kondensatoren und Induktivitäten können auch von vorhandenen Streukapasitäten und -induktivitäten gebildet sein, die durch eine entsprechende räumliche Anordnung der Supraleiter ausgenutzt und optimiert werden können.

Wie sich aus der Beschreibung der Fig. 5 ergibt, repräsentieren die einwindigen Spulen 126, 128, die dem Stromfluß zugeordneten Streuinduktivitäten, die in den Oberflächen der Anordnung durch diejenigen Ströme induziert werden, die in einem um die Anordnung gewundenen Toroid fließen. Die Spulen des Toroids sind bei 136, 138 angedeutet. Eine Eingangs-Signalquelle 140 ist mit dem Toroid verbunden, und der Ausgang aus der Anordnung wird an den Leitungen

20981 6/1037

142, 144 abgenommen, die mit den Supraleitern 110, 112 verbunden sind.

Fig. 6 zeigt eine spezielle Ausführungsform der Schaltungskomponente 108 aus Fig. 5 in perspektivischer Darstellung. Wie die entsprechenden Komponente in den Fig. 2 und 3, umfaßt diejenige aus Fig. 6 einen Hohlzylinder 132 und eine Spule 143, die in den Zylinder eingesetzt werden kann.

W Die supraleitenden Stangen 145, 146 sind in entsprechende

Öffnungen 148, 150 durch die Wandung des Zylinders 132 eingeschraubt und entsprechen den Supraleitern 110, aus Fig. 5. Die Flansche 152, 154 der Spule 143 bestehen je aus supraleitendem Material und entsprechen den Supraleitern 112 und 116 aus Fig. 5. Der Kontakt zwischen der Stanye 144 und dem Flansch 152 sowie zwischen der Stange 146 und dem Flansch 154 ergeben die supraleitenden Verbindungsstellen 118 und 120 aus Fig. 5. Das Toroid 137 ist durch den hohlen Kern 158 in der Spule 143 innen und außen um die Anordnung gewickelt.

Im Betrieb läßt ein Spannungsstoß am Eingang 140 Strom durch die Spulen 136, 138 des Toroids 137 fließen und. induziert einen entgegengesetzt fließenden Strom an den Oberflächen der Supraleiter auf Grund einer Übertragerwirkung zwischen dem Toroid und den Supraleitern. Dadurch ergibt sich ein gleicher differentieller Spannungsstoß zwischen den zwei supraleitenden Verbindungsstellen, wodurch die Schwingungsphase der beiden Verbindungsstellen und die über die Zeit gemittelte Spannung über den beiden supraleitenden Verbindungsstellen geändert wird. Eine derartige Anordnung hat eine relativ hohe Impedanz und ist besonders nützlich für die Strommessung bei Quellen hoher Impedanz.

209816/1037

Fig. 7 zeigt schematisch ein supraleitendes, harmonisches Amperemeter. In der dortigen Zusammenschaltung werden die Supraleiter 160, 162 und 164 von einer Stromquelle 166 in Reihe betrieben, die über die Leitung 168 mit dem Supraleiter 162 und über die Leitung 170 mit dem Supraleiter 164 verbunden ist. Die Leitung 172 ist an den Supraleiter 160 angeschlossen, und das Eingangssignal wird auf die Schaltung über die Leitung 170, 172 gegeben. Der Strompfad durch die Anordnung führt über die Leitung 168 durch .den Supraleiter 162, die supraleitende Verbindungsstelle 174, den Supraleiter 160, die supraleitende Verbindungsstelle 176, den Supraleiter 164 und zurück über die Leitung 170. Ein Transformator 178, dessen Primärwicklung 180 über den Supraleitern 162, 164 liegt, koppelt das Ausgangssignal über eine Sekundärwicklung 181 auf einen Verstärker 182, der es auf eine geeignete Auswertschaltung gibt. Wenn die Verbindungsstellen 174, 176 zu Beginn eingestellt werden, treffen die Spannungsniveaus für bestimmte Ströme zusammen, die harmonisch zusammenhängende Frequenzen an den Verbindungsstellen 174, 176 erzeugen. Ein relativ kleiner Betrag eines zusätzlichen Stromes durch nur eine der Verbindungsstellen wird das Spannungsniveau um einen Betrag verschieben, der dem Strom proportional ist.

Vorstehend wurde ein höchst empfindlicher Verstärker beschrieben, der eine praktisch rauschfreie Verstärkung ermöglicht, indem abwechselnd stimulierte makroskopische Quantenoszillatoren benutzt werden. Die Anordnung ist ein

12
hochfrequenter (10 Hz) parametrischer Verstärker, bei

dem, wie im einzelnen beschrieben, der Josephson-Tunneleffekt die Quelle der Pumpfrequenz darstellt. Ein Eingangssignal für die Anordnung erzeugt eine Veränderung der relativen Phase der zwei überkreuz gekoppelten Quantenverstärker und eine Veränderung des Niederfrequenz-Widerstandes der Anordnung, so daß die Anordnung relativ große Aus-• 209816/1037

gangssignale erzeugt· Bei dem Einsatz mit einem üblichen rauscharmen Verstärker erhöht eine einstufige Anordnung (Verstärker) entsprechend der Erfindung die Empfindlichkeit, mit der niederfrequente Messungen ausgeführt werden können, um acht bis zehn Größenordnungen gegenüber konventionellen hochempfindlichen elektrischen Messungen. Die sehr hohe Pumpfrequenz ermöglicht eine brauchbare Ver-

4 Stärkung für Frequenzen bis etwa 10 MHz.

Die Anordnung zeichnet sich durch eine Spannungsempfind-

^-Ί8
lichkeit von 10" Volt aus, was eine Verwendung der Anordnung mit einer einzelnen Probespule zur empfindlichen Ausmessung magnetischer Felder ermöglicht. Bei Anwendungen einer derartig ausgestalteten Anordnung ist die direkte Messung des mit der Herztätigkeit verbundenen Magnetfeldes möglich. Andere Anwendungsmöglichkeiten betreffen Festkörperteilchendetektoren im Raum und kernphysikalische Untersuchungen.

Es wurde ein hochfrequenter parametrischer Verstärker beschrieben, der mit der quantenmechanischen Schwingung als Quelle der Leerlauf- oder Pumpfrequenz arbeitet, wobei die Schwingung zu den Übergängen von Elektronenpaaren zwischen makroskopischen Quantenzuständen (Josephson-Tunneln) gehört. Ein Eingangssignal ändert die relative Phase von zwei derartigen, überkreuz gekoppelten Quantenverstärkern. Dadurch wird eine Änderung des Niederfrequenzwider Standes der Anordnung erzeugt, die zu relativ großen Ausgangsspannungen führt.

209816/1 0 37

Claims

ANSPRÜCHE

ImJ Supraleitende Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein zweiter Supraleiter Ca^, a., a~) eine supraleitende Verbindungsstelle (20, 22; 74, 76; 118, 120; ·..) bilden; daß eine Potentialdifferenz zwischen den Supraleitern erzeugt wird, die eine oszillierende Strahlung über der Verbindungsstelle erzeugt; daß die Amplitude der Schwingungen der Strahlung über der Verbindungsstelle gesteuert wird; und daß ein Teil der Strahlung proportional zum Quadrat der Schwingungsamplitude wahlweise absorbiert wird.

2· Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß «ine erste und eine zweite supraleitende Verbindungsstelle vorgesehen sind; daß eine elektromagnetische Strahlung über jeder supraleitenden Verbindungsstelle erzeugt wird, wobei die Strahlung über jeder Verbindungsstelle eine charakteristische Phase aufweist; und daß die Strahlung über jeder Verbindungsstelle überkreuz gekoppelt wird.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Veränderung der Phase der Strahlung über einer supraleitenden Verbindungsstelle relativ zur Strahlung über der zweiten supraleitenden Verbindungsstelle durch eine an die Schaltung angeschlossene Einrichtung erzeugt wird.

4. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Ausgangsschaltung aus der supraleitenden Schaltung eine Veränderung in den Betriebscharakteristiken der Verbindungsstellen festgestellt wird.

209816/1037

5. Supraleitende Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitendenVerbindungsstellen auf jeweils einer Seite gekoppelt sind und daß eine Impedanz (24, .··) die verbleibenden beiden Seiten jeder Verbindungsstelle koppelt.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, . daß die supraleitenden Verbindungsstellen als ein erster und zweiter Quantenoszillator arbeiten und daß ei—

" ne Relativänderung der Strahlungsfrequenz jedes Oszillators erzeugt wird.

7. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und zweiter Supraleiter eine erste supraleitende Verbindungsstelle sowie ein dritter und vierter Supraleiter eine zweite supraleitende Verbindungsstelle definieren; daß Schaltungskomponenten den ersten und dritten Supraleiter verbinden; daß eine Impedanz den zweiten und vierten Supraleiter verbindet; daß ein Eingang an eine Seite der ersten und zweiten Verbindungsstellen angeschlossen ist; daß ein

L· Ausgang über einer Verbindungsstelle und eine Steuereinrichtung über der zweiten Verbindungsstelle liegt.

20981 6/1037

Leerseite