DE2330813A1

DE2330813A1 - Einrichtung und verfahren zur analyse von schwingungsvorgaengen

Info

Publication number: DE2330813A1
Application number: DE2330813A
Authority: DE
Inventors: Hans Helmut Zappe
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-06-30
Filing date: 1973-06-16
Publication date: 1974-01-17
Also published as: GB1412717A; FR2191123A1; JPS5547702B2; JPS4958880A; FR2191123B1; US3764905A

Description

Böblingen, den 12. Juni 1973 te-fr/sn

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 971 106

Einrichtung und Verfahren zur Analyse von Sohwingungsvorgängen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Analyse von elektromagnetischen Schwingungsvorgängen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

An die Analyse von elektromagnetischen Schwingungsvorgängen und Impulsen werden mit zunehmender Erhöhung der in der Technik verwendeten Frequenzen, mit der Anwendung immer kürzerer Impulse und mit dem Wunsch nach immer besseren Auflösungsvermögen der Impulsanalysatoren immer höhere Anforderungen gestellt. Die bisher verwendeten Methoden der Impulsanalyse, z.B. mit Hilfe von Vielkanalanalysatoren, weisen eine für viele Anwendungen ungenügende Bandbreite auf, sie sind oft ungeeignet für nichtrepetitive Signale, sie lassen sich schlecht an niederohmige Signalquellen anschließen und der notwendige Impulshöhendiskriminator ist oft schwierig herzustellen. Insgesamt verlangen diese Geräte zur Signalabtastung einen sehr hohen Aufwand an Elektronik. Dieser Aufwand wird besonders groß in solchen Einrichtungen, die auch zur Speicherung der untersuchten Impulsform eingesetzt werden sollen und bei denen die Speicherung in digitalen oder bistabilen Elementen erfolgt.

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mm, O mm

Die vorliegende Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Einrichtung zur Analyse und zur Speicherung von elektromagnetischen Impulsen anzugeben, die eine sehr hohe Bandbreite und damit ein sehr gutes Auflösungsvermögen besitzt, bei der die Impulsform gespeichert und bei Bedarf wieder hergestellt werden kann und die sich mit verhältnismäßig geringem Aufwand kostengünstig herstellen läßt.

Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe mit Hilfe einer Einrichtung, deren Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben sind. Das Registrierverfahren für einen elektromagnetischen Impuls macht, dabei von supraleitenden Meßschleifen Gebrauch, die längs einer Übertragungsleitung angeordnet sind, und von dem Magnetfeld des elektromagnetischen Impulses durchsetzt werden. Mit Hilfe von steuerbaren Josephson-Elementen lassen sich diese Meßschleifen vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand umschalten, wobei der sie durchsetzende Magnetfluß eingefroren wird und anhand des ihm zugeordneten supraleitenden Dauerstroms in der Schleife nachgewiesen werden kann. Die Stärke des Dauerstroms in der supraleitenden Schleife ist dabei proportional zum eingefrorenen Magnetfeld und dieses wiederum ist proportional zur Amplitude des elektromagnetischen Impulses.

Weitere Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die große Bandbreite und damit das hohe Auflösungsvermögen dieses Impulsanalysators sind in erster Linie auf die sehr kurzen Umschaltzeiten der verwendeten Josephson-Elemente zurückzuführen. Die Herstellung aller Elemente dieser Einrichtung auf einem gemeinsamen Substrat mit Hilfe der für die Herstellung von planaren Gebilden üblichen Photolithographie- und Ätztechniken garantiert eine kostengünstige Herstellung. Da supraleitende Ströme ohne Verlust fließen, ist die Speicherung eines einmal aufgenommenen Impulses über längere Zeit möglich, außerdem kann jederzeit durch Zurückschalten der Meßschleifen in ihren nor-

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malleitenden Zustand der Impuls auf der Meßleitung wieder hergestellt werden. Die schnelle Ansprechzeit der Josephson-Elemente erlaubt es auch, sehr schnelle Einzelimpulse aufzunehmen und zu registrieren.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Einrichtung

zur Analyse und zur Registrierung von Impulsen unter Verwendung von Josephson Tunnelgrenzschichten in supraleitenden Schleifen,

Fig. 2 den Zeitverlauf der Steuerströme und des

maximalen Josephson-Stroms als Grundlage für die Erläuterung der Einrichtung von Fig. 1,

Fig. 3 eine Vorrichtung, mit deren Hilfe ein schnelles

Umschalten der Josephson-Tunnelgrenzschicht' in der Meßschleife erreicht wird, und die dadurch Messungen und Aufzeichnungen mit großer Auflösung erlaubt,

Fig. 4 den Zeitverlauf der verschiedenen Ströme in der

Einrichtung von Fig. 3,

Fig. 5A die schematische Darstellung einer gedämpften

supraleitenden Schleife zur Messung und zur Analyse von Wellenformen, deren Umschalten zwischen den Spannungszuständen mit hoher Geschwindigkeit erfolgen kann,

Fig. 5B und 5C zwei Ausfuhrungsformen des Schaltschemas von

Fig. 5A,

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Fig. 6 eine Josephson-Tunnelgrenzschicht mit einer Viel

zahl von in Serie geschalteten Grenzschichten, mit deren Hilfe die Kapazität der supraleitenden Schleife, die für die Messungen und die Analyse gebraucht wird, reduziert wird,

Fig. 7 die Struktur eines Teils der Einrichtung von

Fig. 1 und erläutert die Herstellung der Einrichtung von Fig. 1 mit Hilfe des Planarverfahrens,

Fig. 8 die Verwendung einer Vielzahl von supraleitenden

Schleifen zur Messung des Eingangssignales,

Fig. 9 die Verwendung einer Vielzahl von miteinander

verbundenen supraleitenden Schleifen zur Messung des Eingangssignals.

Fig. 1 stellt ein Schema des Schaltkreises dar-* zur Messung eines Signalimpulses mit einer Wellenform 10, der in der Richtung eines Pfeiles 12 längs der Signalleitung 14 läuft. In diesem Fall ist die Signalleitung mit einem Widerstand R₀ abgeschlossen., Die Signalleitung kann dabei selbstverständlich Teil eines weiteren Schaltkreises sein, der zu einem anderen Zweck dient, wie z.B. als Speicher oder als Logikkreis; die Leitung kann auch dazu verwendet werden, Eingangssignale an andere Schaltkreise zu liefern, und braucht nicht in der hier gezeigten Weise mit einem Abschlußwiderstand versehen zu sein.

Die Signalquelle 16 liefert die Wellenform 10, die gemessen und registriert werden soll. Bei dieser Signalquelle kann es sich um ein spezielles Gerät zur Erzeugung von Signalen handeln, es kann aber auch irgend ein anderer Schaltkreis sein, der für eine andere Funktion vorgesehen ist. Beispielsweise könnte es sich bei der Signalquelle 16 um eine komplizierte Zusammenschaltung von Verstärkern und Wellenformgeneratoren handeln, die für einen anderen

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Zweck vorgesehen ist. Es könnte zum Beispiel wünschenswert sein, Störimpulse der Signalquelle zu analysieren und dazu eignet sich die hier beschriebene Einrichtung in besonderer Weise.

In der Nähe der Signalleitung 14 ist eine supraleitende Meßschleife 18 angeordnet. Die Schleife 18 besteht aus einer supraleitenden Leitung 20 und aus zumindest einem Josephson-Tunnelelement Jl. Die Schleife 18 liegt so nahe an der Signalleitung 14, daß das Magnetfeld, das durch die Wellenform 10 erzeugt wird, die Schleife 18 durchdringt, wenn die Welle 10 längs der Signalleitung 14 entlangläuft.

Eine mit 22 gekennzeichnete Steuervorrichtung dient dazu, den Spannungszustand des Josephson-Tunnelelements Jl in beherrschbarer Weise zu steuern. Beispielsweise erzeugt die Steuervorrichtung einen Steuerstrom I , dessen Magnetfeld das Josephson-Elernent Jl durchdringt. Je nach der Stärke des Magnetfeldes, das Jl durchdringt, ist das Element normal- oder supraleitend. Nach Fig. 1 besteht die Steuervorrichtung 22 aus einer Stromquelle 24, die mit einem Leiter 26 verbunden ist, welcher sich seinerseits genügend nahe am Tunnelelement Jl befindet, so daß das Magnetfeld vom Strom I in der Leitung 26 das Tunnelelement Jl durchdringt. Die Leitung 26 muß nicht notwendigerweise aus supraleitendem Material bestehen, jedoch ist dies normalerweise der Fall.

Damit der Spannungszustand des Josephson-TunneIelement Jl zur richtigen Zeit gesteuert werden kann, ist eine Synchronisiervorrichtung 28 vorgesehen, die auf die Signalquelle 16 reagiert. Die Synchronisiervorrichtung 28 liefert einen Zeitimpuls, um die Vorrichtung 30 anzustoßen, die ihrerseits einen Auslöseimpuls an den Stromgenerator 24 abgibt. Dieser steuert die Stärke des Steuerstroms I , welcher schließlich den Spannungszustand des Josephson-Tunnelelements Jl bestimmt.

Aus der Beschreibung der Wirkungsweise der Schaltung von Fig. 1

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wird sich ergeben, daß der Betrag des Stromes I_„ in der supra-

Jl

leitenden Schleife 18 ein Maß für die Amplitude der Welle 10 darstellt, und zwar zu dem Zeitpunkt, zu dem der magnetische Fluß der Welle 10 in der supraleitenden Schleife eingefangen wird. Um den Strom I und damit die Amplitude der Welle 10 zum Zeitpunkt

J 1

der Auslösung zu messen, ist eine mit 32 bezeichnete Detektorvorrichtung vorgesehen. Die Detektorvorrichtung 32 besteht aus einer supraleitenden Schleife 34, in der sich ein weiteres Josephson-Tunnelelement J2 befindet. Eine Stromquelle 36 versorgt das Tunnelelement J2 mit einem Strom I,_o. Ein Voltmeter 38 mißt die

ü Δ

Spannung am Tunnelelement J2 und zeigt dadurch den Spannungszustand des Elementes J2 an.

Beim Betrieb der Einrichtung hängt der Strom durch J2, bei dem eine Spannung an J2 auftritt, von der Stärke des Stroms Ι_, ab_f der in der supraleitenden Schleife 18 fließt. Da die Stromstärke I_T1 mit der Amplitude der Welle 10 in Verbindung steht, tritt am Voltmeter 38 eine Spannung auf, wenn ein Strom I fließt, der seinerseits ein Maß für den Kreisstrom I_. darstellt.

j ι

Zur Erklärung der Wirkungsweise der Schaltung von Fig. 1 werden die in Fig. 2 dargestellten Wellenformen zugrunde gelegt. Bei diesen handelt es sich um Zeitdiagramme des Steuerstroms I und des maximalen Josephson-Stroms I_ , der durch das Tunnelelement

u ItI

Jl fließt.

Eine Welle mit einer komplizierten Wellenform 10 soll in Richtung des Pfeiles 12 die Signalleitung 14 entlanglaufen. Die supraleitende Schleife 18 wird dann durch den Magnetfluß durchsetzt, der von dem mit dem Signal 10 verbundenen Strom erzeugt wird. Das Josephson Element Jl wird sich zu diesem Zeitpunkt also in seinem Zustand mit endlichem Widerstand befinden, so daß der von der Welle 10 erzeugte Fluß die supraleitende Schleife 18 durchsetzt.

Soll zu einem bestimmten Zeitpunkt das Eingangssignal 10 registriert werden, so wird das Josephson-Elernent Il in seinen

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«· 7 —

Nullvoltzustand umgeschaltet, um damit den Fluß in der supraleitenden Schleife 18 einzufrieren. Das Umschalten des Elements Jl in seinen Nullvoltzustand erfolgt mit der Steuervorrichtung Im allgemeinen wird das Tunnelelement Jl in seinen Nullvoltzustand umschalten, wenn der Steuerstrom I abnimmt. Dieser Sachverhalt

ist in Fig. 2 dargestellt. Wenn der Steuerstrom I seinen oberen Wert besitzt, hat der Josephson-Strom I in der Schleife 18 sein Minimum (vorzugsweise Null). Zu dieser Zeit durchdringt der Fluß die Schleife 18. Nimmt der Steuerstrom I bis zu einem Wert

I¹ ab, so nimmt der maximale Josephson-Strom, der in der Schleife 18 erlaubt ist, zu und der Fluß wird zu diesem Zeitpunkt in der Schleife eingefroren. Fig. 2 zeigt dementsprechend, daß zu einem Zeitpunkt Tl ein Abtasten des Impulses 10 erfolgt. Der Strom I wird bis auf einen Wert I¹ erniedrigt, wobei dann zu diesem Zeitpunkt der maximale Josephson-Strom in der Schleife 18 ansteigt, und der Fluß, der die Schleife durchsetzt hat, in der Schleife als Dauerstrom gespeichert wird. Der Fluß bleibt dabei so lange in der Schleife 18 gespeichert, wie der Steuerstrom .1 seinen Minimalwert I¹ beibehält. Zum Zeitpunkt T2 nimmt der Steuerstrom I zu, und der in der Schleife gespeicherte Fluß kann entweichen.

Der maximale Josephson-Strom, der in dem Element Jl fließen kann, hängt ab von der Fläche der Tunnelgrenzschicht in Jl, deren Dicke und von weiteren Faktoren. Das heißt, dieser Strom ist eine Funktion des Josephson-Tunnelelementes selbst. Dagegen ist der maximale Fluß, der die supraleitende Schleife 18 durchdringen und in dieser gespeichert werden kann, eine Funktion des maximalen Josephson-Stroms durch das Tunnelelement Jl und der Induktivität der supraleitenden Schleife 18.

Der Fluß, der die Schleife 18 durchdringen kann, wird durch folgenden Ausdruck dargestellt:

(1) Φ (t) cc _Uq H(t) -A

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Dabei ist A = die Fläche der Schleife 18, μ_ = Permeabilität des Stoffes innerhalb der Schleife

18,
H(t) = das Magnetfeld, das die Schleife 18 durchsetzt.

Das Eindringen des Flußes in die Schleife 18 erfolgt, sobald die Wirbelströme, die in dieser Schleife auftreten, abgeklungen sind. Diese Wirbelströme sind der Flußdurchdringung entgegengerichtet; sie klingen gemäß der Zeitkonstanten der supraleitenden Schleife 18 ab. Im allgemeinen können die Wirbelströme in einer kritisch gedämpften Schleife und bei einem entsprechend entworfenen Element in ungefähr 5 Picosekunden abklingen. Die Schleife kann also sehr schnell umgeschaltet werden und erlaubt damit die Realisierung einer Einrichtung und eines Verfahrens zur Abtastung mit sehr großer Auflösung.

Der Fluß wird in der Schleife 18 in gequantelten Beträgen gespeichert. Das heißt, in der supraleitenden Schleife 18 wird ein ganzzahliges Vielfaches (N) von Flußquanten Φ_ο (Φ_ = 2 χ 10 Voltsekunden) eingefroren. Die maximale Anzahl von Flußquanten N, die in der Schleife 18 gespeichert werden kann, wird durch folgenden Ausdruck dargestellt:

(2) N * LI_Jm/ Φ_ο

Dabei ist N = 1, 2, ..., N

L = die Induktivität der Schleife 18,

I_n. = maximaler Nullvoltstrom durch das Tunnel-Jm

element Jl.

Der Strom I-, durch die Schleife 18 wirkt als Steuerstrom für die Bestimmung des Spannungszustandes des Testelements J2. Mit anderen Worten, der Betrag des Dauerstroms Ij₁/ der in der Schleife 18 fließt, bestimmt den maximalen Schwellstrom I, für das Tunnelelement J2. Das Tunnelelement J2 wird also durch einen Strom in Schleife 18 in seinen Zustand mit endlicher

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.. ;.i 9 & ο 3 /1 o u

Spannung umgeschaltet. Diese Spannung tritt bei einem Strom I__

auf, der mit I in der früher beschriebenen Weise verknüpft ist.

Da der Betrag des Dauerstroms I.,, in der Schleife 18 mit dem Fluß zusammenhängt, der von der Welle 10 erzeugt wird, und der seinerseits mit der Amplitude der Welle 10 in Beziehung steht, ergibt sich daraus ein direkter Hinweis auf die Amplitude des Signals Im allgemeinen ist es wünschenswert, ein nichtlineares Josephson-Tunnelelement (d.h. eines, in dem das Eigenfeld der Grenzschicht für dessen Charakteristik eine wichtige Rolle spielt) zum Aufbau des Elements 12 zu verwenden. Nichtlineare Josephson-Elemente, die für diese Verwendung geeignet sind, sind genauer in der US-Anmeldung Serial No. 158 315 vom 30. Juni 1971 (Erfinder H.H. Zappe) und der US-Anmeldung Serial No. 194 977 vom 27. Oktober 1971 (Erfinder J. Matisoo) beschrieben.

Auflösungsvermögen und Bandbreite

Die Bandbreite eines Instruments gibt ein Maß für dessen Auflösungsvermögen bezüglich des Spektrums des Eingangssignals 10. Sind viele Frequenzen in dem Eingangssignal 10 enthalten, so muß die Bandbreite des Instruments erhöht werden, damit das Eingangssignal 10 genau aufgezeichnet und wiedergegeben werden kann.

Das Auflösungsvermögen der vorliegenden Einrichtung wird dadurch bestimmt, wie schnell die supraleitende Schleife aus ihrem Zustand mit endlicher Spannung, in.dem der Fluß die Schleife durchdringt, in den Nullvoltzustand umschalten kann, in dem der Fluß in der Schleife eingefroren ist. Diese Frage ist davon abhängig, wie schnell die Wirbelströme, die in der Schleife 18 entgegengerichtet zum eingeprägten Signal auftreten, abklingen können. Das wiederum hängt von den RLC-Parametern der supraleitenden Schleife 18 ab. Der Widerstand der Schleife 18 ist derjenige der Grenzschicht Jl, da die Schleife ja supraleitend ist; der Hauptbeitrag zur Kapazität C der Schleife wird vom Element Jl geliefert. Die Induktivität der Schleife ist fast ausschließlich der supra-

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leitenden Leitung 20 selbst zuzuschreiben.

Im allgemeinen ergibt sich ein maximales Auflösungsvermögen, wenn der RLC-Kreis, den die Schleife 18 darstellt, kritisch gedämpft wird. Das läßt sich unter Berücksichtigung der jeweils gewählten Grenzschicht leicht erreichen. Bei kritischer Dämpfung können Abklingzeiten für die Wirbelströme von ungefähr 5 Pikosekunden erreicht und damit auch sehr schnelle Änderungen des Eingangssignals 10 registriert werden.

Zerstörungsfreies direktes Auslesen

Das Test-Josephson-Element 12 ermöglicht ein zerstörungsfreies Auslesen des Flußes, der in der supraleitenden Schleife 18 eingefroren ist. Es handelt sich dabei um ein direktes Auslesen, da nur ein geringer Aufwand an elektronischen Einrichtungen notwendig ist, um das aufgezeichnete Signal umzuformen. Außerdem ist der Auslesevorrichtung 32 jede Stelle zugänglich, in der ein Abtastwert des Eingangsimpulses 10 gespeichert ist.

Wiedergabe des Eingangssignales

Es besteht die Möglichkeit, die Form des Eingangssignales 10 wieder auf die Signalleitung 14 zurückzugeben, nachdem sie in der supraleitenden Schleife 18 gespeichert worden war. Dazu wird Jl in seinen Zustand mit endlicher Spannung zurückgeschaltet, so daß der in Schleife 18 gespeicherte Fluß entweichen und an die Leitung 14 ankoppeln kann. Dadurch wird in Leitung 14 eine Spannung induziert, die der Zeitableitung des vorher in Schleife 18 gespeicherten Flußes proportional ist.

Messung von wiederholt auftretenden Signalen

Die Einrichtung von Fig. 1 kann sogar noch schneller betrieben werden, wenn die Signale 10 auf der Signalleitung 14 wiederholt entlanglaufen. Wird.das Tunnelelement Jl in seinen Nullvoltzustand geschaltet, bevor alle Wirbelströme in der supraleitenden Schleife 18 abgeklungen sind, so wird ein kleiner Flußbetrag in

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der Schleife 18 eingefroren. Erscheint dann der Impuls 10 wieder, so wird das Josephson-Element Jl kurzzeitig in seinen Zustand mit endlicher Spannung umgeschaltet, und dann wieder zurück in seinen Nullvoltzustand, um damit in dem Element etwas mehr Fluß einzufrieren. Dieser Vorgang kann wiederholt werden, bis der maximale Flußbetrag eingefroren ist, der dem Signal für diese Abtastperiode entspricht. Dadurch wird eine schnellere Betriebsweise ermöglicht, da das Problem des Abklingens von Wirbelströmen minimisiert wird.

Fig. 3 zeigt eine Steuervorrichtung für das schnelle Umschalten des Spannungszustandes des Josephson-Elementes Jl, mit der das Auflösungsvermögen der Einrichtung von Fig. 1 erhöht wird. Die Steuervorrichtung 22 umfaßt dazu eine erste Schleife 40 mit einer darin eingebauten Stromimpulsquelle 42. Die Stromquelle 42 erzeugt einen Stromimpuls Il durch die Schleife 40.

Zur Steuervorrichtung 22 gehört weiterhin ein Leiter 44 mit einem Josephson-Element J3. Die Quelle 46 versorgt das Josephson-Element J3 mit dem Strom I _.

Der Strom I in der Schleife 40 ist ein Steuerstrom für das Josephson-Element Jl, ebenso wie Strom I__ im Leiter 44. Je nach Vorhandensein oder Abwesenheit dieser Ströme wird sich das Josephson-Element Il in seinem Nullvoltzustand oder in seinem Zustand mit endlicher Spannung befinden. Da das Josephson-Element J3 zu sehr schnellem Umschalten fähig ist, wird die Steuervorrichtung 22 Il schnell umschalten. Dieser Sachverhalt wird in der folgenden Beschreibung von Fig. 4 noch deutlicher werden.

In Fig. 4 sind die verschiedenen Ströme in Fig. 3 dargestellt, um damit die Wirkungsweise der Steuervorrichtung 22 zu beschreiben. Es handelt sich um Zeitdiagramme der Ströme I₁, I_J3 und Ij₁ = I_Jm·

Der Strom I fließt durch den Teil 48 der Schleife 40 entgegengerichtet zum Strom I im Leiter 44. Das heißt, diese beiden Ströme bauen entgegengerichtete Magnetfelder auf, die das Gerät

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I, durchsetzen.

Fließt Strom Ι_Ί und ist der Strom I__ nicht vorhanden, so besitzt

X Jj

das Element I in der Schleife 18 einen kleinen maximalen Josephson Strom (vorzugsweise Null). Das Element I befindet sich also in seinem Zustand mit endlicher Spannung. Währenddessen dringt Fluß durch die Schleife 18_O Fließt dagegen der Strom I__ im Leiter 44,

ü J

so ist das von I,_o erzeugte Magnetfeld entgegengesetzt zum Magnetfeld von I₁, so daß der maximale Strom I_Jm, der in dem Element Jl fließen kann, ansteigt. Zu diesem Zeitpunkt wird also Fluß in der supraleitenden Schleife 18 gespeichert. So lange Strom I₃ fließt, bleibt das Element J₁ in seinem Nullvoltzustand.

Bei der supraleitenden Schleife 18 in Fig. 1 handelt es sich im wesentlichen um einen parallelen R, L, C Kreis. Zur Erreichung der maximalen Umschaltgeschwindigkeit zwischen dem Nullvoltzustand und dem Zustand mit endlicher Spannung sollte die supraleitende Schleife 18 kritisch gedämpft sein. Der Widerstand der Schleife 18 ist identisch mit dem Widerstand des Tunnelelements II, und unter Umständen kann ein äußerer paralleler Widerstand notwendig sein, um einen für die kritische Dämpfung genügend hohen Widerstand zu erhalten. Für maximale Geschwindigkeit sollte der Gesamtwiderstand R der Schleife folgende Bedingung erfüllen:

(3) R = 1/2 /Ίζ7ϋ.

Besitzt der Widerstand diesen Wert, so ergibt die Schleife 18 eine Verzögerung im Eindringen des äußeren Flußes, deren Zeitkonstante τ gegeben ist durch:

(4) τ= 2RC.

In Fig. 5A ist die Schleife 18 mit einem Widerstand R¹ parallel zur Grenzschicht Il dargestellt, der so gewählt ist, daß der Gesamtwiderstand der supraleitenden Schleife 18 der obigen Bedingung 3 genügt.

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Die Fign. 5B und 5C zeigen zwei Möglichkeiten, mit denen ein Parallelwiderstand R¹ erhalten werden kann. In Fig. 5B besteht das Josephson-Element Jl aus einer supraleitenden Grundelektrode 5O_f einer Tunnelgrenzschicht 52 und einer Gegenelektrode 54, die ebenfalls supraleitend ist. Die Tunnelgrenzschicht 52 besteht im allgemeinen aus einem Oxyd der Basiselektrode 50. Für diese Ausführungsform wurden in der Tunnelgrenzschicht 52 kleine Metallpunkte 56 eingeführt, die schlecht oxidieren. Eine für derartige Metallpunkte geeignete Substanz ist Gold. Dadurch wird der Widerstand der Tunnelgrenzschicht 52 erhöht und damit auch der Gesamtwiderstand R der Schleife.

In Fig. 5C werden die gleichen Bezugszeichen verwendet wie die Fig. 5B: auf einer Basiselektrode 50 befindet sich eine Tunnelgrenzschicht 52. Über der Gegenelektrode 54 ist eine Schicht angeordnet, die aus einem beliebigen normalen (nicht supraleitenden) Metall besteht. Gold ist hierfür ein passendes Beispiel. Hierbei ist nur notwendig, daß die Schicht 58 bei der Arbeitstemperatur der Grenzschicht Jl nicht supraleitend ist.

Die Schicht 58 stellt einen widerstandsbehafteten Strompfad zwischen der Basiselektrode 50 und der Gegenelektrode 54 dar, und dient daher als zusätzlicher Widerstand R¹.

Zur Verringerung der Zeitkonstanten (2RC) der supraleitenden Schleife 18 ist es wünschenswert, die Kapazität C so gering wie möglich zu halten. Mit diesem Element lassen sich Kapazitäten der Grenzschicht von 10 pF erreichen. Die Kapazität kann weiter verringert werden, wenn eine einzelne Grenzschicht von Jl durch einen in Serie geschalteten Stapel von Tunnelgrenzschichten ersetzt wird, um eine Struktur zu erhalten, in der I_ nicht be-

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einträchtigt wird. Ein derartiges Element ist in Fig. 6 dargestellt. Ein ähnliches Element ist in dem US Patent 3 643 237 beschrieben, das ein Josephson-Tunnelelement mit einer Reihe von Tunnelgrenzschichten zum Inhalt hat.

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Das Tunnelelement Jl in Fig. 6 besteht aus einer Basiselektrode 60, einer ersten Tunnelgrenzschicht 62, einer zweiten Elektrode 64, einer zweiten Tunneigrenζschicht 66 und einer dritten Elektrode

68. Der Tunnelstrom I_. fließt zwischen den Elektroden 60 und 68,

υ χ

und geht dabei durch die in Serie geschalteten Tunnelgrerizschichten 62 und 66. Wenn nötig, können mehrfache Stapel von Grenzschichten xin gleichen Tunnelelement verwendet werden, und es können mehr als zwei Tunneigrenζschichten in jedem Stapel verwendet werden.

Die Fig. 7 zeigt einen Teil der Struktur des Schaltkreises in Fig. 1, der die Herstellung der Einrichtung zur Messung und zur Analyse von Wellenformen veranschaulicht. In dieser Figur werden dieselben Bezugszeichen verwendet, wie in Fig. 1.

Auf einer supraleitenden Grundplatte 70 ist eine Isolierschicht 72 aufgebracht. Die Isolierschicht könnte z.B. aus SiO oder einem beliebigen anderen Isoliermaterial bestehen. Die supraleitende Schleife 18 und die Einrichtung 34 werden hergestellt, indem supraleitende Materialien in bekannter Weise auf die Isolierung 72 aufgebracht werden. Zu diesem Verfahren gehören mehrere Metallisierungen und Schritte, in denen Isolierschichten zwischen den verschiedenen Metallschichten erzeugt werden. In derselben Weise werden die Isolierung über der Schleife 18 und der Leiter 26 der Steuervorrichtung 22 über dem Gebiet der Grenzschicht Jl erzeugt. Isoliert von der Steuervorrichtung 22 wird die Signalleitung 14 aufgebracht, die vorzugsweise aus supraleitendem Material besteht.

Die gesamte Struktur von Fig. 7 ist sehr klein und kann mit bekannten Methoden in planarer Geometrie hergestellt werden. Zur Messung und zur Analyse der Signalimpulse wird das gesamte Gebilde in ein geeignetes Kühlbad gebracht. Solche Kühlaggregate sind allgemein bekannt und werden hier nicht weiter beschrieben.

In Fig. 1 wurde nur eine einzige supraleitende Schleife 18 gezeigt, es ist aber ohne weiteres möglich, eine ganze Reihe von supra-

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leitenden Schleifen vorzusehen, von denen jede zumindest ein Josephson-Tunnelelement besitzt. Damit kann das Eingangssignal in seiner ganzen Breite analysiert werden. Dadurch wird eine sehr genaue Darstellung des Signals ermöglicht/ selbst wenn dieses nicht wiederholt auftritt. Werden weiterhin alle Steuerleitungen der supraleitenden Schleifen zur gleichen Zeit aktiviert, so kann auf einen Schlag die gesamte Wellenform gespeichert werden; damit lassen sich nicht repetitive Signale mit einer Bandbreite in der Größenordnung von 100 ^Hz abtasten und speichern.

In Fig. 8 läuft eine zu messende Wellenform 10 in Pfeilrichtung 12 entlang der Signalleitung 14. Anstelle der einen supraleitenden Schleife 18 im Schaltkreis von Fig. 1 wird nun eine Vielzahl von supraleitenden Schleifen 18-1, 18-2, .18-3, 18-4 verwendet. Selbstverständlich kann eine beliebige Zahl solcher Schleifen vorhanden sein. Jede dieser supraleitenden Schleifen besitzt ein Josephson-Element. Beispielsweise enthält die supraleitende Schleife 18-1 das Josephson-Element Jl, während die supraleitende Schleife 18-4 mit dem Josephson-Element J4 ausgerüstet ist.

Zu jedem Josephson-Element Jl, J2, J3 und J4 gehört eine mit 22-1, 22-2,... 22-4 bezeichnete Steuervorrichtung. Diese Steuervorrichtungen sind allgemein durch einen einzelnen Leiter angedeutet, in dem ein Strom fließt, dessen Magnetfeld den Spannungszustand des Josephson-Elernents in der zugehörigen supraleitenden Schleife beeinflußt. Beispielsweise fließt in der Steuervorrichtung 22-1 ein Strom I , der den Spannungszustand des Elements Jl in der Schleife 18-1 steuert.

Zu jeder supraleitenden Schleife 18-1, usw. die zum Abtasten dient, gehört eine Detektorvorrichtung 32-1, 32-2, 32-3 und 32-4. Jede diese Detektorvorrichtungen besteht aus einer Testschleife 34-1, 34-2, 34-3 und 34-4. Zu jeder Testschleife gehört ein Josephson Element und ein Strommeßgerät 35, analog zur Testschleife 34 aus Fig. 1. Beispielsweise besitzt die Testschleife 34-1 ein Josephson

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Element J5, während die Testschleife 34-4 mit einem Josephson J8 ausgerüstet ist. Zusätzlich gehört zu jeder Testschleife eine Stromquelle 36-1, 36-2, 36-3 und 36-4 und ein Voltmeter für die Bestimmung des Spannungszustandes für das Test-Josephson-Element. So gehört zur Detektorvorrichtung 32-4 die Stromquelle 36-4 und das Voltmeter 38-4 für die Bestimmung des Spannungszustandes des Elementes J8. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist nur die Detektorvorrichtung 32-4 in ihren Einzelheiten gezeichnet, während bei den übrigen Test-Josephson-Elementen J5, J6 und J7 die Stromquellen und Voltmeter weggelassen sind. In einer weiteren Ausführungsform kann auch eine allen supraleitenden Schleifen 18 gemeinsame Detektorvorrichtung verwendet werden, wenn ein entsprechender Decoder vorhanden ist.

Mit Hilfe des Schaltkreises in Fig. 8 kann die Amplitude der Welle 10 in ihren verschiedenen Abschnitten bestimmt und die Wellenform wieder hergestellt werden, selbst wenn diese nur einmal auf der Leitung 14 erscheint. Die Wirkungsweise des Schaltkreises in Fig. 8 ist dieselbe wie in Fig. 1 und bedarf daher keiner weiteren Erläuterung.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform, in der eine Vielzahl von supraleitenden Schleifen 18-1, 18-2, 18-3 und 18-4 verwendet werden. Hier werden nicht wie in Fig. 8 getrennte supraleitende Schleifen verwendet, sondern die supraleitenden Schleifen sind miteinander verbunden, so daß sich eine leiterartige Struktur ergibt.

Zu jeder der supraleitenden Testschleifen 18-1, 18... 18-4 gehört eine Auslesevorrichtung 32-1, 32-2, 32-3 und 32-4. Der Einfachheit der Darstellung halber ist nur 32-4 im einzelnen gezeichnet, die anderen Elemente sind identisch. Die Bezugszeichen sind wieder dieselben wie in Fig. 1, für solche Komponenten, die identische Funktionen erfüllen.

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Die Wirkungsweise der Einrichtung in Fig. 9 ist dieselbe wie in Fig. 8 und in Fig. 1 und braucht deshalb nicht weiter erläutert zu werden. Der Vorteil der Struktur von Fig. 9 liegt in ihrer
Herstellung, da jede der supraleitenden Schleifen verbunden ist.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Einrichtung zur Analyse von elektromagnetischen Schwingungsvorgängen unter Verwendung von supraleitenden Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind:

a) eine an die Quelle (16, Fig. 1) des elektromagnetischen Signals (10) anschließbare Übertragungsleitung (14) ,

b) mindestens eine ein Josephson-Element (Jl) enthaltende supraleitende Meßschleife (18), die in unmittelbarer Nähe der Übertragungsleitung angeordnet ist, um von dem Magnetfeld des elektromagnetischen Signals durchsetzt zu werden,

c) eine Steuervorrichtung (22) , die zur Signalregistrierung das Josephson-Element jeder Meßschleife (18) in den supraleitenden Zustand umschaltet und dadurch den dio Meßschleife durchsetzenden Magnetfluß in dieser einfriert,

d) eine an jede Meßschleife (18) angeschlossene Detektorvorrichtung (32) für den nach dem Umschalten des Josephson-Elernents in der Schleife fließenden Dauerstrom, der ein Maß für die Amplitude des Signals auf der übertragungsleitung im Augenblick des Umschaltens darstellt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (28) vorgesehen ist, die eine Synchronisation zwischen Signal (10) und Steuervorrichtung (22) für das Josephson-Element (Jl) durchführt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Umschaltung des Josephon-Elements (Jl) in der Meßschleife (18) vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand und umgekehrt durch ein Magnetfeld erfolgt, das von einer Steuervorrichtung (22) erzeugt wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (22, Fig. 3) mindestens einen Strom-

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kreis (44) mit einer Stromquelle (46) und einem Josephson-Element (J3) enthält, wobei dieses das Steuersignal für den Beginn der Messung empfängt.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung (32) ein Josephson-Elernent (J2) enthält, dessen Anordnung in bezug auf den Meßkreis (18) so gewählt ist, daß das Magnetfeld des Dauerstroms in der Meßschleife (18) seinen Spannungszustand bestimmt und dieser mit Hilfe von Strom- und Spannungsmeßinstrumenten (35 und 36) bestimmt wird.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschleife (18) kritisch gedämpft ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (R¹, Fig. 5A) parallel zum Josephson-Element (Jl) in der Meßschleife (18) angeordnet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

der Parallelwiderstand (R¹) durch Einfügen von nicht oxydierten Metallteilchen in die Isolierschicht des Josephson-Elements hergestellt wird.
9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,, daß der Parallelwiderstand (R¹) aus einer nicht supraleitenden Metallverbindung zwischen den Elektroden des Josephson— Elements besteht.
10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Josephson-Element (Jl) in der Meßschleife (18) aus einer Vielzahl von Josephson-Tunnelgrenzschichten (62, 66, Fig. 6) besteht.
11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß längs der Übertragungsleitung (14) eine Vielzahl von

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identischen Meßschleifen (18) mit jeweils zugeordneten Detektoren (32) vorgesehen sind, wobei jede Meßschleife (18) durch Steuerleitungen (22) gesteuert wird.
12. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Meßschleifen (18) untereinander verbunden sind.
13. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung (14) ebenfalls aus supraleitendem Material besteht.
14„ Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragungsleitung (14) , die Meßleitung (18) , die Steuervorrichtung (22) und die Detektorvorrichtung (32) auf einem gemeinsamen Substrat in planarer Technik hergestellt sind.
15. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung eines Signals auf der Leitung (14) die Josephson-Elemente (Jl) der Meßschleifen (18) in ihren supraleitenden Zustand umgeschaltet werden.
16. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Registrieren und Speichern von nicht repetitiven Signalen alle Meßschleifen (18) gleichzeitig umgeschaltet werden.
17. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch Zurückschalten der Josephson-Elemente (Jl) in ihren Normalzustand das gespeicherte Signal wieder auf der Leitung (14) reproduzierbar ist.

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