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Kryotron-Oszillator Die Erfindung betrifft einen mit mindestens einem
aus einem supraleitenden Torleiter mit ihn umgebender Steuerwicklung bestehenden
Kryotron bestückten Oszillator.
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Bisher bekannte Oszillatoren dieser Art besitzen den Nachteil, daß
keine sinusförmige Schwingung, sondern rechteckförmige Impulse abgegeben werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen Kryotronoszillator
bereitzustellen, der sinusförmige Schwingungen abgibt, denkbar einfach aufgebaut
ist und betriebssicher arbeiten kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Steuerwicklung
über einen ersten Vorwiderstand an einer ersten Spannungsquelle liegt, deren Stromfluß
kleiner als die kritische Stromstärke des supraleitenden Torleiters ist, daß der
supraleitende Torleiter gleichspannungsmäßig über einen zweiten Vorwiderstand an
einer zweiten gleichgepolten Spannungsquelle angeschlossen ist, und daß ein Stromresonanzkreis,
die Steuerwicklung und der Torleiter zu einer geschlossenen Reihenschaltung für
den Schwingkreisstrom miteinander verbunden sind.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn der dem Verzweigungspunkt von Torleiter
und Steuerwicklung zugeführte Strom ein urstromähnlicher Strom ist.
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Der Resonanzkreis kann dabei ein Schwingungskreis mit verteilten Schaltkreisparametern
oder mit diskreten Bauelementen sein.
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Der erfindungsgemäße Oszillator enthält also als aktives Bauelement
einen Supraleiter und als passives Bauelement einen Resonanzkreis, der die Frequenz
der Schwingung bestimmt. Abhängig vom besonderen Aufbau der Schaltung und ihrer
Parameter ist der Spannungsverlauf der abgegebenen Schwingung im wesentlichen sinusförmig.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung besteht darin,
daß sie bei der gleichen Umgebungstemperatur wie andere Tiefsttemperaturschaltungen,
welche mit erfindungsgemäßen Oszillatoren zusammenarbeiten sollen, eingesetzt werden
kann. Dabei ergibt sich der weitere Vorteil, daß gleiche Herstellungsmethoden sowohl
für Oszillatorschaltung als auch für daran angeschlossene Schaltungsanordnungen
bei Tiefsttemperaturbetrieb Verwendung finden können.
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Weitere Vorteile und Teilaufgaben der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung, die an Hand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der
nachstehend aufgeführten Zeichnungen die Erfindung näher erläutert, und aus den
Patentansprüchen. Es zeigt F i g. 1 die Schaltung eines Oszillators gemäß der Erfindung,
F i g. 2 und 3 jeweils die Schaltung eines Gegentaktoszillators gemäß der Erfindung,
F i g. 4 und 5 erfindungsgemäße Oszillatorschaltungen unter Anwendung von Übertragungsleitungen
als frequenzbestimmende Elemente.
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In F i g. 1 ist eine Gleichspannungsquelle 10 über einen veränderbaren
Widerstand 12 an einen Schalter 14 angeschlossen. Der Wert des Widerstandes 12 ist
dabei groß gegenüber dem Wert des Widerstandes der über Schalter 14 anzuschließenden
Schaltung, so daß der der Gleichspannungsquelle 10 entnommene Strom l" im wesentlichen
als Urstrom angesehen werden kann. Bei eingelegtem Schalter 14 fließt der Urstrom
aus der Gleichspannungsquelle 10 zum Verbindungspunkt 16. Zwischen dem Verbindungspunkt
16 und dem anderen an der Gleichspannungsquelle 10 liegenden Verbindungspunkt 18
sind zwei Schaltungszweige in Parallelschaltung zueinander angebracht. Der eine
Schaltungszweig enthält den Torleiter 20 eines Kryotrons 22, während der andere
Schaltungszweig eine Steuerwicklung 24 des Kryotrons 22, einen Kondensator 28 und
eine Induktionsspule 30 aufweist; hinzu kommt, daß parallel zur Steuerwicklung 22
eine zweite Spannungsquelle liegt, welche als Serienschaltung eines Widerstandes
mit einer Batterie 26 anzusehen ist. Der Urstrom lu teilt sich am Verbindungspunkt
16 in die beiden Teilströme lt und I3 auf. Dabei fließt der Strom lt durch den Torleiter
20
des Kryotrons 22 und der Teilstrom I" durch den aus dem Kondensator
28 irrid der Induktionsspule 30 dargestellten Serienschwingkreis.
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Alle Leitungen, welche die Bauelemente der Schaltungsanordnung untereinander
verbinden, bestehen aus Material, welches -im Sinne der Supraleitung hart ist, während
- der Torleiter 20 aus einem Material besteht, das in diesem Sinne als weich anzusehen
ist. Die Gleichspannungsquelle 10 stellt also den Betriebsstrom für die Oszillätör'schaltung
bereit, während die Batterie 26 den Vorstrom Ib zum Kryotron 22 liefert.
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Nach Schließen des Schalters 14 fließt der Strom I" über den Verbindungspunkt
16. Im eingeschwungenen Zustand wird--d6rTS-frömpfäd des Gleichstroms r. durch den
Parallelzweig dargestellt, der den Torleiter 20 enthält. Für den Übergangszustand
sei angenommen, daß ein Teil dieses Stromes, nämlich Teilstrom I" zum Verbindungspunkt
32 fließt, der in dem den Berienschwingkreis__enthaltenden Parallelzweig liegt.
In Richtung auf den Verbindungspunkt-32 fließt außerdem der Strom Ib, so daß die
Summe beider Ströme Is -4- 1b durch `die' Steuerwicklung 24 des Kryotrons 22 fließt.
Im Verbiildgngspunkt 34 teilen , sich dann wieder beide Ströme, indem der Strom
IS durch den Kondensator 28 und die Induktionsspule 30 zum Verbindungspunkt 18-
und der Strom lb zur Batterie 26 fließt. Der Strom IS und der Strom It vom Torleiter
20 vereinigen sich wieder im Verbindungspunkt 18 und fließen als Ström Iu zur Gleichspannungsquelle
10 zurück. Wird nun angenommen, daß der Gesamtstrom Ib -I- 1s von der Steuerwicklung
24 des Kryotrons 22 einmagnetisches Feld im Torleiter 20 hervorruft, das größer
als die kritische Feldstärke für den Torleiter 20 ist, dann erhöht sich der Widerstand
des Torleiters 20 so, daß ein größerer Anteil IS des Urstroms Iu in den den Serienresonanzkreis
enthaltenden Parallelzweig fließt. Dadurch wird der Kondensator 28 - aufgeladen.
Je mehr sich aber die Ladung des Kondensators 28 dem Maximalwert nähert, um so geringer
wird der Strom Is. Sobald aber der Strom I, so klein wird, daß die Summe des Stromes
Is+Ib kleiner als der kritische Wert des Stromes für den Torleiter 20 ist, wird
der Torleiter 20 wieder supraleitend, so däß der Strom It wieder durch den Torleiter
20 fließt. Im Schwingkreis ergibt sich dabei ein Stromverlauf gemäß einer gedämpften
sinusförmigen Schwingung, und zwar in der Zeit, während der der Torleiter 20 einen
Widerstand darstellt. Im Zeitabschnitt jedoch, für den der Torleiter 20 einen Supraleiter
darstellt, ist der Stromverlauf im Schwing- ; kreis nahezu ungedämpft und ebenfalls
wieder sinusförmig. Eine Schwingungsanfachung ist deshalb möglich, weil die Leistung
der Gleichspannungsquelle 10 während des Zeitintervalls, in dem der Torleiter 20
einen Widerstand darstellt, größer gehalten ; werden kann als die auftretende Verlustleistung.
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Es läßt sich nun zeigen, daß die Energie im Resonanzkreis während
des Zeitintervalls, in welchem der Torleiter 20 einen Widerstand bildet und der
Schwingkreisstrom I, sowohl positiv als auch kleiner als der t Gesamtstrom Iu ist,
in jedem Augenblick anwächst. Dabei wird nur die Verlustleistung des sich mit dem
Torleiter ergebenden Widerstandes und auf Grund der Umladungsvorgänge im Serienschwingkreis
berücksichtigt. Der Vorstrom Ib soll dabei verhindern, daß 6 der Torleiter 20 .
während des negativen Teils der Schwingungsperiode einen Widerstand bildet. An dieser
Stelle sei angemerkt, daß beim Entladen des Kondensators 28 der Schwingkreisstrom
I, gegensinnig zum Vorstrom 1b fließt. Deshalb muß der Wert des Vorstroms Ib ausreichend
hoch gewählt sein, damit die Schwingkreisströme nicht im negativen Teil der Schwingungsperiode
den Torleiter 20 zum Widerstand werden lassen.
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Andere Verlustleistungsursachen als der Widerstand des Torleiters
20, nämlich dielektrische Verluste; Schwingkreisverluste u. dgl., können zwar die
Arbeitsweise der Schaltungsanordnung und die Bedingungen für die Schwingungsanfachung
geringfügig verändern, trotzdem bleibt aber der Verlauf der abgegebenen Schwingungen
nahezu sinusförmig, wobei die äußerst geringfügigen Abweichungen-VÖn-der Siinusförni
da= durch bedingt sind, daß der Torleiter 20 während eines Teils einer Schwingung
einen Widerstand darstellt und während des anderen .Teils der Schwingung widerstandslos
ist.
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Die Bedingungen zur Schwingungsanfachung und zur Aufrechterhaltung
der Schwingungen lassen sich unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die zugeführte
Leistung gleich oder größer sein muß als die Leistung, die durch den Widerstand
Rt des Torleiters 20 verschluckt wird, wie folgt angeben: Zugeführte Leistung >__
Verlustleistung Iu It Rt 2 1t1 Rt. Wenn hierin der Wert für It positiv ist,
dann ergibt sich IU>It. Wenn der Wert für 1t hingegen negativ ist, dann wird Leistung
verbraucht, wenn nicht das Vorzeichen von I. geändert wird. Die Schreibweise der
erforderlichen Bedingungen läßt sich vereinfachen: 1. It > 0
oder IU
> Is 2. 1u ? lt oder Is > 0. Zusammenfassend ergibt sich, daß
für die Schwingungsanfachung oder -aufrechterhaltung die Bedingung 0 _<_
Is < IU gilt, solange der Torleiter 20 einen Widerstand darstellt.
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Obenstehende Bedingung gilt allerdings nur dann, wenn das Kryotron
so eingerichtet ist, daß es nur dann umgeschaltet wird, wenn der Wert für I, positiv
ist und wenn der Umschaltpunkt bei einem Wert für IS liegt, der kleiner ist, als
der Wert für I.. Dabei muß das Vorzeichen des Vorstroms Ib während der positiven
Flußrichtung des Stromes I, mit dessen Vorzeichen übereinstimmen. Außerdem muß der
kritische Wert für den Strom I" nachstehend mit 1o' bezeichnet, kleiner sein als
der Wert für 1u. Der kritische Wert 1J läßt sich definieren zu IC.-IC_Ib.
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Hierin bedeutet I, den kritischen Steuerstrom für das Kryotron bei
einem Vorstrom Iu-I@'.
Die in den F i g. 2 und 3 gezeigten Oszillatoren
verwenden je ein Kryotronpaar. Da die Schaltungsanordnungen nach F i g. 2 und 3
ähnlich sind, werden gleiche Bezugszahlen verwendet, um entsprechende Teile in beiden
Schaltungen in der gleichen Weise zu bezeichnen. In der Schaltungsanordnung nach
F i g. 2 ist die erste Gleichspannungsquelle 40 über einen Widerstand 41 an einen
Schalter 42 angeschlossen. Die Kryotrone 50 und 52 sind mit ihren Steuerwicklungen
74 und 76 je an eine Vorstromquelle 54 und 56 angeschlossen und, wie gezeigt, in
Gegentakt geschaltet, indem der Serienschwingkreis, bestehend aus dem Kondensator
58 und der Induktionsspule 60, beide Steuerwicklungen 74 und 76 miteinander verbindet.
Zur symmetrischen Einspeisung der Betriebsspannung dient eine Drossel
62. die zwischen den beiden Torleitern 70 und 72 liegt und verhindert, daß
Wechselstromanteile auf die Gleichspannungsquelle 40 gelangen.
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Nach Einlegen des Schalters 42 fließt der Urstrom Iu zum Verbindungspunkt
44. Vom Verbindungspunkt 44
fließt dann der Hauptanteil des Stromes
entweder durch den Torleiter 70 des Kryotrons 50 oder durch den Torleiter 72 des
Kryotrons 52. Stellt so nämlich der Torleiter 72 während einer entsprechenden Betriebsphase
einen Widerstand dar, dann fließt der Strom vom Verbindungspunkt 44 durch den Torleiter
70 des Kryotrons 50 zum Verbindungspunkt 80 und weiter durch die Steuerwicklung
76 des Kryotrons 52, durch die Induktionsspule 60, den Kondensator 58 und schließlich
durch die Steuerwicklung 74 des Kryotrons 50 zum Verbindungspunkt 82. Die Gleichstromanteile
fließen natürlich durch die Drossel 62 zur ersten Gleichspannungsquelle 40.
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Der Strom l. am Verbindungspunkt 44 in der Schaltungsanordnung
nach F i g. 2 wird abwechselnd zwischen den beiden durch die Kryotrone 50 und 52
dargestellten Parallelstrompfade hin und her geschaltet. Dies geschieht, wie oben
erläutert durch den Schwingkreisstrom 1s, sowie der Kondensator 58 unter Schwingungserzeugung
auf- und entladen wird. Da unter der Wirkung der Gegentaktschaltungen nach F i g.
2 und 3 symmetrisch positive und negative Halbwellen erzeugt werden, ist der Verlauf
der- so erzeugten Schwingung praktisch sinusförmig.
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Die Oszillatorschaltung nach F i g. 3 ist in ihrem Aufbau ähnlich
wie die nach F i g. 2 mit der Ausnahme allerdings, daß zur Einspeisung der Betriebsgleichspannung
an Stelle einer Drossel der Transformator 64 dient. Dabei besitzt die Primärwicklung
68 des Transformators 64 eine Mittenanzapfung, die mit der ersten Gleichspannungsquelle
40 verbunden ist, während die Enden der Primärwicklung je an einen Torleiter der
Kryotrone 50 und 52 angeschlossen sind. Die Enden der Sekundärwicklung 66 sind in
entsprechender Weise, wie gezeigt, mit den Steuerwicklungen der Kryotrone 50 und
52 verbunden. Auch mit dieser Schaltung ergibt sich eine praktisch sinusförmige
Schwingung.
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Erfindungsgemäße Oszillatoren lassen sich auch unter Anwendung von
Übertragungsleitungen als frequenzbestimmende Bauelemente aufbauen. Oszillatoren
dieser Art sind in den F i g. 4 und 5 gezeigt, wobei wiederum in beiden Schaltungsanordnungen
gleiche Bezugszeichen für gleiche Bauelemente verwendet werden. In F i g. 4 ist
eine erste Gleichspannungsquelle 100 über einen veränderbaren Widerstand 102 an
einen Schalter 104 angeschlossen. Nach Einlegen des Schalters 104 fließt der Strom
aus der ersten Gleichspannungsquelle 100 zum Verbindungspunkt 106. Auch hier wiederum
liefert die Gleichspannungsquelle 100 im Zusammenwirken mit dem Widerstand 102 einen
Strom I., der im wesentlichen konstant ist, auch wenn sich die Spannung am Torleiter
108 ändert, also urstromähnliches Verhalten aufweist. Zwischen dem Verbindungspunkt
106 und Erde liegt ein Torleiter 108 eines Kryotrons 110. Ebenso liegt zwischen
dem Verbindungspunkt 106 und Erde eine Übertragungsleitung, die aus einer supraleitenden
Bezugserdungsplatte 112 und einem supraleitenden Leiter 114 besteht.
Die Übertragungsleitung stellt eine offene A/4-Leitung dar, an derem Eingang der
Torleiter 108 des Kryotrons 110 liegt. Eine Vorstromquelle 116 liegt
über einem veränderbaren Widerstand 118 an Masse, so daß der Strom über den Leiter
120 im Torleiter 108 des Kryotrons 110 ein magnetisches Feld hervorruft.
Die Leitung 120
dient also als Steuerleitung für den Vorstrom des Kryotrons
110. Das Ende des Leiters 114 der Übertragungsleitung, welches über den Torleiter
108 des Kryotrons 110 verläuft, dient als Steuerwicklung für das Kryotron 110, so
daß ein Strom hierdurch ein magnetisches Feld im Torleiter 108 hervorruft. Das durch
die Ströme in den Leitungen 114 und 120 im Torleiter 108 verursachte magnetische
Feld bestimmt, ob der Torleiter 108 einen Widerstand darstellt oder einen
supraleitenden Zustand besitzt. Der Vorstrom dient hierbei lediglich dazu, den Torleiter
108 im bestimmten Zeitintervall während der entsprechenden Halbschwingung als Widerstand
zu betreiben.
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Zur Erläuterung der Betriebsweise der Schaltungsanordnungen nach F
i g. 4 und 5 wird angenommen, daß zunächst im Ruhezustand der Strom I. durch den
supraleitenden Torleiter 108 fließt und daß die Übertragungsleitung nicht aufgeladen
ist. Entweder durch hier nicht gezeigte Vorrichtungen oder durch Verkleinerung des
Widerstandes 118 wird nun ein Stromimpuls kurzzeitig auf die Leitung 120 übertragen,
so daß der Torleiter 108 in seinen Widerstandsbereich gelangt. Durch die
Wirkung des nun auftretenden Widerstandes entsteht eine Spannung am Eingang der
Übertragungsleitung. Der hierdurch bedingte Spannungssprung breitet sich über die
Übertragungsleitung aus. Mit der Spannungswelle ist aber auch eine Stromwelle verbunden,
deren Amplitude hinreichend groß ist, um den Widerstand des Torleiters beizubehalten,
wenn der Strom durch den Leiter 114 und den Torleiter 108 fließt,
so daß der Startimpuls für den Vorstrom beendet wird, indem z. B. der ursprüngliche
Wert des Widerstandes 118 wieder eingestellt wird. Der Stromimpuls wandert also
zum offenen Ende der.Übertragungsleitung, wo er dann zum Eingang der Übertragungsleitung
reflektiert wird. Wandert der Stromimpuls über den Teil der Übertragungsleitung,
der die Funktion der Steuerwicklung übernimmt, also über dem Torleiter 108 liegt,
dann wird der Torleiter 108 wieder in den supraleitenden Zustand gebracht. Es läßt
sich dann ein zusätzlicher negativer Stromanteil an der Übertragungsleitung beobachten,
weil die Spannung am Torleiter 108 verschwindet. Erreicht dann der Stromimpuls in
der Übertragungsleitung den Torleiter 108, dann. ergibt sich hierfür ein Kurzschluß,
weil ja der Torleiter 108 bereits wieder supraleitend ist, so daß dann der Strom
ohne Phasenumkehr reflektiert wird. Die sich so ergebende Wellenfront, einschließlich
des
neugebildeten negativen Anteils, breitet sich nun wieder zum
offenen Ende der Übertragungsleitung aus. Der Torleiter 108 bleibt dabei im supraleitenden
Zustand, weil das magnetische Feld auf Grund des Vorstroms aus der Stromquelle 116
dem magnetischen Feld der negativen Welle auf der Übertragungsleitung im Gebiet
des Torleiters 108 entgegengerichtet ist und das somit resultierende magnetische
Feld kleiner als die kritische Feldstärke des Torleiters 108 ist. Die Welle wird
dann wiederum am offenen Ende der Übertragungsleitung reflektiert, so daß sie sich
wiederum zum noch kurzgeschlossenen Ende der Übertragungsleitung ausbreitet. Dort
wird sie aber wiederum ohne Phasenumkehr reflektiert. Breitet sich jedoch diesmal
die Wellenfront über den über dem Torleiter 108 liegenden Leitungsabschnitt des
Leiters 114 aus, dann addieren sich die Felder, die durch den Vorstrom und den Strom
in der Übertragungsletungi hervorgerufen werden, so daß dann der Torleiter 108 wiederum
in den Widerstandsbereich gebracht wird. Dadurch entsteht aber ein zusätzlicher
Stromanteil auf der Übertragungsleitung, der sich mit der ersten Welle ausbreitet.
Der beschriebene Vorgang wiederholt sich, und die Schwingungen schaukeln sich auf,
bis einer von zwei Begrenzungsfaktoren wirksam wird. Wird nämlich entweder der Strom
im Torleiter 108 negativ oder stellt der Torleiter 108 während beider Halbwellen
einen Widerstand dar, dann kann die Amplitude nicht mehr anwachsen, so daß sich
ein eingeschwungener Zustand ergibt. Da die Ausbreitungszeit der Welle über die
Übertragungsleitung ein Viertel der Periodendauer beträgt, läßt sich bei Verwendung
eines Isoliermaterials mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten von 4 ein Oszillator
mit einer Schwingfrequenz von 1 Gigahertz bauen, bei dem die Länge der Übertragungsleitung
3,75 cm beträgt.
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Folgende Daten liegen einem Oszillator zugrunde: Kryotron Torleiter
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Indium-4000A, 0,23 # 4,8 mm Rt
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,054 S2 Vormagnetisierung
... .
...... 116 0e 1u......................... 0,28 A T/TC.......................
0,840 Verstärkung ............... 4 Übertragungsleitung ZO . .....................
0,432 Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . C/2 Länge . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 6,85 cm
Oszillator Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,57 GHz Amplitude . . . .
. . . . . . . . . . . 0,255 A kleinster Arbeitswiderstand Ina
... ...............
2S> Ausgangsleitung . . . . . . . . . . . . an Ra
= 50 02;
0,49 mW
an Ra = 300 S2; 0,08 MW
| Verlustleistung im Torleiter # . Iuz # Rt |
| 2,1 MW |
Als Substrat für das Kryotron läßt sich Glas wegen seiner hohen Wärmeabsorption
nicht verwenden, so daß beim Temperaturanstieg die Betriebstemperatur ebenfalls
ansteigt, und zwar auf einen Wert, der größer als 90
% des kritischen Temperaturwertes
ist. Bei einer solch hohen Arbeitstemperatur jedoch, ergibt sich nur eine geringfügige
oder überhaupt keine Verstärkung. Außerdem befindet sich der Torleiter bei den Betriebsstromwerten
immer im Widerstandsbereich. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, wird ein -Kryotronsubstrat
verwendet, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, wie z. B. Saphir oder Aluminium.