DE1123367B - Schaltanordnung, in welcher die Leitfaehigkeit eines Supraleiters umsteuerbar ist - Google Patents

Description

Vor einigen Jahren wurde für die Verwendung in den Speicher- und Steuereinrichtungen elektronischer Rechenmaschinen und anderer Geräte zur automatischen Datenverarbeitung ein Schaltungselement entwickelt, in welchem die Eigenschaft einiger Leiterwerkstoffe ausgenutzt wird, bei gewissen tiefen Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes supraleitend zu werden, d. h. ihren ohmschen Widerstand zu verlieren. Dieses Schaltungselement, das sogenannte Kryotron, besteht aus einem Supraleiter und einer auf ihn einwirkenden Spule und wird als Torschaltung betrieben. Hierzu wird die Leitfähigkeit des Supraleiters je nach dem gewünschten Durchlaßzustand durch das Magnetfeld eines in der Spule fließenden Stromes zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umgesteuert.

Bei manchen Anwendungen erweist sich die Tatsache, daß das Kryotron durch einen Strom gesteuert wird, als Nachteil. Einmal bedingt diese Art der Steuerung nämlich gewisse Formen und Abmessungen des Supraleiters, wodurch vor allem der kritische oder Silsbee-Strom des Supraleiters, d. h. der maximal in ihm zulässige Strom, welcher durch sein Eigenfeld die Supraleitfähigkeit gerade noch nicht zerstört, begrenzt wird, und zum anderen wird durch die von den Strömen in normalleitenden Zuleitungen erzeugte Wärme eine unnötig große Kühleinrichtung erforderlich.

Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltanordnung, in welcher die Leitfähigkeit eines Supraleiters bei tiefer Temperatur zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umsteuerbar ist, welche diesen Nachteil nicht aufweist, Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Supraleiter zum Umsteuern mechanisch deformiert wird. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Anordnung dadurch durch eine Spannung steuerbar, daß der Supraleiter einen von zwei Belägen einer Platte aus piezo- bzw. ferroelektrischem Material bildet und die das Umsteuern bewirkende Steuerspannung an die beiden Beläge angelegt wird, so daß der Supraleiter je nach der Polarität der Steuerspannung gedehnt oder gepreßt wird.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einiger Ausführungs- und Anwendungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 die Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 die mechanische Deformation der Anordnung nach Fig. 1 beim Anlegen einer Gleichspannung,

Fig. 3 eine Schaltung mit der Anordnung nach Fig.l,

Fig. 4 und 5 je eine bistabile Schaltung und

Schaltanordnung,

in welcher die Leitfähigkeit eines Supraleiters umsteuerbar ist

Anmelder:

International Business Machines Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,
Böblingen (Württ.), Sindelfinger Str. 49

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 3. November 1959 (Nr. 850 700)

Richard Allen Connell und Donald Philip Seraphim, Poughkeepsie, N. Y. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

L

Fig. 6 einen Oszillator mit Anordnungen nach Fig. 1.

Das Schaltelement nach der Erfindung ist in Fig. 1 bildlich dargestellt. Das Element 8 besteht aus einer Platte aus piezoelektrischem Material 10, an dessen entgegengesetzte Hauptflächen zwei Elektroden 11 und 12 angebracht sind. Die Elektroden 11 und 12 sind auf dem Kristallkörper 10 durch thermische Aufdampfung eines Metalls im Vakuum aufgebracht.

Mindestens eine der Elektroden 11 und 12 besteht

aus einem supraleitfähigen Material, d. h. einem Material, das bei genügend niedriger Temperatur dem Fluß von elektrischem Strom keinen elektrischen Widerstand entgegensetzt. In dem hier erklärten Ausführungsbeispiel ist Zinn das für die Elektroden 11 und 12 bevorzugte Material. Zinn ohne mechanische Spannung hat eine kritische Temperatur von etwa 3,73° Kelvin, wenn kein magnetisches Feld angelegt ist. Durch Druck wird die kritische Temperatur der meisten supraleitfähigen Stoffe gesenkt, während sie durch Spannung erhöht wird. Für Zinn ist festgestellt

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worden, daß die Änderung der kritischen Temperatur als Funktion der Druckänderung etwa — 5,7 · 10—* Grad Kelvin je Atmosphäre beträgt.

Piezoelektrische Kristallkörper werden nach der Art und Weise eingeteilt, in der der resultierende Körper in bezug auf die Hauptachse des ursprünglichen Hauptkristalls orientiert war, z.B. AT-Schnitt, Y-Schnitt, Z-Schnitt AT (+35° 15'), BT(-49°) usw. Jeder dieser Schnitte bietet bestimmte Vorteile, die in bestimmten Anwendungen brauchbar sind, z. B. einen niedrigen Temperaturkoeffizienten. Grundsätzlich werden piezoelektrische Kristalle einer von drei Belastungsarten ausgesetzt, wenn ein elektrisches Potential an sie angelegt wird, nämlich Biegung, Dehnung und Scherung, was einzig und allein von dem betreffenden Kristallschnitt abhängt. In dem Schaltelement nach der Erfindung, das bei einer konstanten Temperatur betrieben wird, kann jeder der verschiedenen Kristallschnitte verwendet werden. In der nachstehenden Beschreibung werden Kristalle, die eine einfache longitudinale Belastung aufweisen, verwendet, und zwar nur, um das Verständnis der Wirkungsweise der Erfindung zu erleichtern.

Fig. 2 A und 2 B veranschaulichen die Wirkungsweise des Schaltungselementes nach der Erfindung. In den nachstehenden Absätzen wird die Elektrode 11 als das Tor bezeichnet, d. h. diejenige Elektrode, deren Leitfähigkeit (supraleitend oder normalleitend) gesteuert wird. Fig. 2 A zeigt das Schaltungselement 8 von der Seite her gesehen. Der gestrichelte Umriß von Fig. 2 A deutet die physikalische Verformung des Körpers 8 an, die eintritt, wenn ein elektrisches Potential einer ersten Polarität zwischen den Elektroden 11 und 12 angelegt wird. (Sowohl in Fig. 2 A als auch in Fig. 2 B ist die Verformung übertrieben dargestellt, um Einzelheiten sichtbar zu machen.) Auf diese Weise wird eine Zugspannung auf das supraleitfähige Tor 11 ausgeübt, und die Länge des Tors wird vergrößert, wie durch die Bereiche 20 und 21 dargestellt, um dadurch seine kritische Temperatur zu erhöhen. Ähnlich zeigt Fig. 2 B eine Seitenansicht des Schaltelements 8, und der gestrichelte Umriß deutet die physikalische Verformung des Körpers 8 bei Anlegung eines elektrischen Potentials einer zwiten Polarität zwischen den Elektroden 11 und 12 an. Auf diese Weise wird ein Druck auf das supraleitfähige Tor 11 ausgeübt, und die Länge dieses Tors wird verkleinert, um so seine kritische Temperatur zu senken. Wenn also das neuartige Schaltelement nach der Erfindung in der Nähe seiner kritischen Temperatur betrieben wird, wird der Zustand des Tors 11 (supraleitend oder normalleitend) gesteuert durch die Größe und Polarität der Spannung, die an den Kristallkörper 10 durch die Elektroden 11 und 12 gelegt wird.

Fig. 3 veranschaulicht eine das Element nach der Erfindung verwendende Schaltung. Ein erfindungsgemäßes Schaltelement 8 A besteht aus einem piezoelektrischen Kristallkörper WA mit Elektroden 11.4 und 12 A. Die Elektrode 12 A ist über einen Schalter 26 und einen Polaritätsumschalter 27 an eine Quelle elektrischen Potentials 25 angeschlossen. Obwohl der Schalter 26 schematisch als mechanischer Schalter dargestellt ist, könnten auch andere Schalterarten verwendet werden, z. B. elektronische oder elektromechanische. Ein supraleitfähiges Tor HA ist an eine aus einer Spannungsquelle 30 und einen Widerstand 31 bestehende Konstantstromquelle angeschlossen. Wenn der Polaritätsumschalter 27 in der in Fig. 3 gezeigten Stellung ist, ist die negative Klemme der Quelle 25 an die Elektrode 11A angeschlossen, da beide geerdet sind, und die positive Klemme der Quelle 15 ist über den Schalter 26 mit der Elektrode 12/1 verbunden.

Wenn der Schalter 26 offen ist, zeigt eine Anzeigevorrichtung 33, die mit dem Tor UA parallel geschaltet ist, keine Spannung an, falls das Element 8^4

ίο bei einer Temperatur betrieben wird, bei der das Tor 11A supraleitend ist. Beim Schließen des Schalters 26 wird ein Potential angelegt, dessen Größe und Polarität geeignet sind, um die in Fig. 2 B gezeigte mechanische Verformung des Kristallkörpers WA zu bewirken und das Tor UA aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand umzuschalten. Der durch das Tor 11A fließende Strom aus der Quelle 30 führt nun zur Entstehung einer Spannung, die vom Spannungsanzeiger 33 angezeigt wird und die gleich dem Produkt des Stromes aus der Quelle 30 und des normalen Widersandes des Tors HA ist. Nun wird der Schalter 26 geöffnet, und der Kristallkörper WA nimmt wieder seine ursprünglichen Dimensionen an, das Tor HA schaltet aus dem normalleitenden in den supraleitenden Zustand um, und die Spannungsanzeige 33 zeigt wieder keine Spannung an.

Die Schaltung von Fig. 3 kann auch komplementär betrieben werden. Der Schalter 27 wird in die andere in Fig. 3 gezeigte Stellung gebracht, und die Betriebstemperatur wird so erhöht, daß das Tor 11Λ einen normalen Widerstand aufweist. Das Tor 11/1 kann auch ohne Änderung der Betriebstemperatur in den normalleitenden Zustand gebracht werden, indem ein Vormagnetisierungsfeld daran angelegt wird, um die kritische Temperatur des Tors 11A unter die Betriebstemperatur zu senken. Wenn nun der Schalter 26 offen ist, führt der das Tor 11/1 durchfließende Strom aus der Quelle 30 zur Bildung einer Spannung, die von der Spannungsanzeige 33 angezeigt wird und die gleich dem Produkt des Stromes und des Widerstandes des Tors ist. Bei Schließung des Schalters 26 wird ein Potential angelegt, dessen Größe und Polarität ausreichen, um die in Fig. 2 A gezeigte mechanische Verformung des Kristallkörpers WA zu bewirken und das Tor 11A aus dem normalleitenden in den supraleitenden Zustand umzuschalten. Der Strom aus der Quelle 30 erzeugt nun keinen Spannungsabfall über das Tor HA, und daher zeigt die Anzeigevorrichtung 33 keine Spannung an. Jetzt wird der Schalter 26 geöffnet, und der Kristall WA nimmt wieder seine normalen Dimensionen an, das Tor 11A schaltet aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand um, und die Anzeigevorrichtung 33 zeigt wieder die Spannung an, die durch den das normalleitende Tor durchfließenden Strom aus der Quelle 30 erzeugt wird. Das Schaltelement 8 A schaltet also ein supraleitfähiges Tor aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand oder umgekehrt je nach der Betriebstemperatur und der Polarität der angelegten Spannung.

Fig. 4 stellt schematisch eine bistabile Supraleitung dar, in der zwei Schaltelemente nach der Erfindung verwendet werden, um den Zustand der Schaltung unter der Steuerung einer externen Spannungsquelle zu bestimmen. Gemäß Fig. 4 sendet eine aus der Spannungsquelle 35 und dem Widerstand 36 bestehende Urstromquelle einen Strom zu einem Verbindungspunkt 37 und von dort aus zur Erde durch

den supraleitenden von zwei parallelen Pfaden. Der erste Pfad besteht aus einem supraleitfähigen Tor 11B des Schaltelements 85, dem Torleiter eines Kryotrons K 38, dem Steuerleiter eines Kryotrons K39~und dem Steuerleiter eines ersten Entnahmekryotrons /C40. Der zweite Pfad besteht aus einem supraleitfähigen Tor HC des Schaltelements 8 C, dem Torleiter des Kryotrons K 39, dem Steuerleiter des Kryotrons K 38 und dem Steuerleiter eines zweiten Entnahmekryotrons K 41. Der Strom aus der Quelle 35 ist groß genug, um beim Durchfließen eines der Steuerleiter des Kryotrons K 38, K 39, K 40 und K 41 den zugeordneten Torleiter aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand umzuschalten. Durch die Verbindung zwischen den Tor- und Steuerleitern der Kryotrons K38 und O9 führt der Stromfluß im ersten oder zweiten Pfad Widerstand in den zweiten bzw. den ersten Pfad ein. Einer der parallelen Pfade ist also normalerweise supraleitend und der andere normalleitend. Nun sei angenommen, daß der Strom aus der Quelle 35 im zweiten Pfad fließt. Als nächstes wird ein Schalter 42 von N nach X umgeschaltet, und eine Spannung aus einer Quelle 43 wird der Elektrode 12 C zugeführt und damit durch den Kristallkörper IOC des Schaltelements 8C geschickt. Die Größe und Polarität dieser Spannung sind so beschaffen, daß das Element 8 C gemäß Fig. 2 B mechanisch verformt und das daran befestigte Tor HC aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand geschaltet wird, wodurch Widerstand in den zweiten Pfad eingeführt wird. Jetzt sind der erste und der zweite Pfad beide normalleitend, und ein Teil des im zweiten Pfad fließenden Stroms gelangt in den ersten Pfad. Durch diese Stromverlagerung wird sowohl der Widerstand in dem zweiten Pfad erhöht durch den Teil des verlagerten Stromes, der im Steuerleiter von K39 fließt, als auch der Widerstand im ersten Pfad verringert, da jetzt weniger Strom im Steuerlciter von X" 38 fließt. Diese Stromverlagerung ist kumulativ, bis der ganze Strom aus der Quelle 35 durch einen jetzt supraleitenden ersten Pfad fließt. Durch die Umschaltung des Schalters 42 von X nach Λ' gelangt das Tor HC wieder in den supraleitenden Zustand, und der verlagerte Strom bleibt im ersten Pfad. In ähnlicher Weise wird der Strom aus dem ersten in den zweiten Pfad verlagert, wenn der Schalter 42 von N nach Y umgeschaltet wird. Durch diese Umschaltung wird eine Spannung aus der Quelle 43 an die Elektrode 12 B gelegt und damit durch den Kristallkörper 10 B des Schaltungselements 8 B hindurch, und zwar hat sie eine solche Größe und Polarität, daß das Element 8ß gemäß Fig. 2 B verformt und das daran befestigte Tor 11B aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand umgeschaltet wird. Das Tor 11B führt Widerstand in den ersten Pfad ein, und nach einer kumulativen Stromverlagerung, wie sie oben beschrieben ist, fließt der Strom in einen supraleitenden zweiten Pfad.

Die Kryotrone K 40 und K 41 dienen als Entnahmekryotone, durch die der Zustand der bistabilen Schaltung festgestellt wird. Ein Strom aus einer Urstromquelle, die aus einer Spannungsquelle 45 und dem Widerstand 46 besteht, wird dem Verbindungspunkt 47 und von dort aus entweder durch den Torleiter K 41 der Klemme 48 oder durch den Torleiter von K 40 der Klemme 49 zugeführt, je nachdem, ob der Strom aus der Quelle 35 im ersten oder im zweiten Pfad fließt.

Fig. 5 zeigt schematisch eine andere supraleitfähige bistabile Schaltung, die zwei der Schaltelemente nach der Erfindung verwendet. Eine aus der Spannungsquelle 55 und dem Widerstand 56 bestehende Urstromquelle sendet einen Strom zu einem Verbindungspunkt 57 und weiter zur Erde durch einen von zwei Parallelpfaden. Der erste Pfad besteht aus einem supraleitfähigen Tor 11D des Schaltelements 8 D und dem Steuerleiter eines ersten Entnahmekryotrons K 58. Der zweite Pfad besteht aus einem supraleitfähigen Tor 11E des Schaltelements 8 E und dem Steuerleiter eines zweiten Entnahmekryotrons K 59. Die Schaltung von Fig. 5 wird entweder bei einer Temperatur betrieben, die leicht unter der kritischen Temperatur der Tore HD und UE liegt, oder bei einer Temperatur, die weit unter der kritischen Temperatur der Tore 11D und 11 £ liegt, wobei durch Vormagnetisierungsfelder die wirksame kritische Temperatur jedes der Tore so ein-

ao gestellt wird, daß sie eben über der Betriebstemperatur liegt. Jedes der Tore IOD und 10£ ist also supraleitend, wenn kein Potential an den Elementen 8 D und 8 E liegt.

Durch einen Schalter 60 wird nun eine Spannung

»5 der einen Polarität an ein erstes der Schaltelemente und gleichzeitig eine Spannung der entgegengesetzten Polarität an das zweite Schaltelement gelegt. Um es genauer zu sagen, die Spannung aus einer in der Mitte abgegriffenen Quelle 61 wird über den Schalter 60 in der in Fig. 5 gezeigten Stellung in der Weise angelegt, daß die Elektrode 12 D in bezug auf das Tor HD des Elements 8D positiv und die Elektrode 12 £ in bezug auf das Tor 11 £ des Elements 8£ negativ sind. Infolge des piezoelektrischen Effekts der Kristallkörper 8 D und 8£ unter diesen Umständen wird das Tor 11D aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand umgeschaltet. Gleichzeitig damit erhöht sich die kritische Temperatur des Tors 11 £, und dieses bleibt supraleitend. Der Strom aus der Quelle 55 fließt daher gänzlich durch den zweiten Pfad und macht den Torleiter des Kryotrons K 59 normalleitend. Der Entnahmestrom aus einer Quelle 62 und einem Widerstand 63, der zum Verbindungspunkt 64 fließt, fließt also durch das supraleitende Tor von K 58 und steht an einer Klemme 65 zur Verfügung, um anzuzeigen, daß der Strom vom Verbindungspunkt 57 aus in dem zweiten Pfad fließt.

Wenn der Schalter 60 in die in Fig. 5 gezeigte

zweite Stellung gebracht wird, erhält man einen zweiten stabilen Zustand. Die Spannung aus der Quelle 61 wird dann so angelegt, daß die Elektrode 12 D in bezug auf das Tor 11D des Elements 8 D negativ und die Elektrode 12 £ in bezug auf das Tor 11£ des Elements 8 E positiv ist. Infolge des piezoelektrischen Effekts der Kristallkörper 8 D und 8£ wird das Tor HD wieder aus dem normalleitenden in den supraleitenden Zustand und gleichzeitig das Tor 11 £ aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand umgeschaltet. Jetzt ist der erste Pfad supraleitend und der zweite Pfad normalleitend, und der ganze Strom aus der Quelle 55, der am Verbindungspunkt 57 ankommt, fließt durch den ersten Pfad und macht den Torleiter des Kryotrons K 58 normalleitend. Nun fließt der Entnahmestrom aus der Quelle 62 durch den supraleitenden Torleiter des Kryotrons K 59 und steht an einer Klemme 66 zur Verfugung, um anzuzeigen, daß der Strom aus der Quelle 55 im ersten Pfad fließt.

Fig. 6 stellt schematisch das Schaltelement nach der Erfindung in seiner Anwendung in einen Supraleiteroszillator dar. Die Schaltung von Fig. 6 wird bei einer Temperatur betrieben, die leicht über der kritischen Temperatur des Tors 11F des Elements 8 F liegt, so daß das Tor HF im Ruhezustand mit Widerstand behaftet ist. Durch die Schließung des Schalters 70 wird dem Tor HF ein Strom aus einer Urstromquelle zugeführt, die aus einer mit dem Widerstand 72 in Reihe liegenden Spannungsquelle 71 besteht. Dieser das normalleitende Tor HF durchfließende Strom führt zum Entstehen einer Spannung, die der Elektrode 12 F des Elements 8 F durch einen Gleichstromverstärker 73 zugeleitet wird. Diese der Elektrode 12 F zugeführte Spannung hat in bezug auf das Tor HF eine solche Größe und Polarität, daß der Kristallkörper sich verformt und dadurch das Tor 11F aus dem normalleitenden in den supraleitenden Zustand umschaltet. Jetzt wird keine Spannung am Tor HF entwickelt und daher keine Spannung an die Elektrode 12 F gelegt, so daß der Körper 1OF seine ursprünglichen Dimensionen wieder annehmen kann. Dadurch wird jedoch bewirkt, daß auch das Tor 11F in den normalleitenden Zustand umgeschaltet wird, und wieder der Elektrode 12 F durch den Verstärker 75 eine Spannung zugeführt, durch die das Tor 11F in den supraleitenden Zustand umgeschaltet wird. Dieser Vorgang wiederholt sich, und die dadurch erzeugten Spannungsimpulse stehen an zwei Klemmen 73 und 74 zur Verfügung.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltanordnung, in welcher die Leitfähigkeit eines Supraleiters bei tiefer Temperatur zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umsteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter durch Pressen oder Dehnen umgesteuert wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter (H) einen von zwei Belägen (11,12) einer Platte (10) aus piezo- bzw. ferroelektrischem Material bildet und die das Umsteuern bewirkende Steuerspannung an die beiden Beläge angelegt wird (Fig. 1 und 3).

3. Bistabile Schaltung mit zwei Anordnungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden umsteuerbaren Supraleiter (11B, UC bzw. HD, HE) auf Nullpotential gehalten und die beiden anderen Beläge (12B, YlC bzw. 12D, 12E) der Platten (10B, IOC bzw. IOD, 10E) wahlweise an eine Gleichspannung bzw. gleichzeitig an zwei gegensinnig gepolte Gleichspannungen gelegt werden (Fig. 4 und 5).

4. Oszillator mit einer Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende des umsteuerbaren Supraleiters (11 F) über eine Urstromquelle (71, 72) mit seinem anderen Ende und über einen Gleichspannungsverstärker (73) mit dem anderen Belag (12F) der Platte (10F) verbunden ist (Fig. 6).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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