DE1054148B - Anordnung, in welcher der Leitfaehigkeitszustand eines Leiters umsteuerbar ist - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Von Kamerlingh-Onnes ist im Jahre 1913, also zwei Jahre nach der Entdeckung der Supraleitfähigkeit gewisser Metalle und Metallegierungen, gefunden worden, daß ein im supraleitenden Zustand befindlicher Körper durch ein Magnetfeld bestimmter Mindestfeldstärke wieder in den normalleitenden Zustand zurückversetzbar ist. Die hierzu benötigte Feldstärke — der sogenannte kritische Feldstärkewert — hängt von der Temperatur sowie vom Material des Versuchskörpers ab.

Eine technische Verwertung hat diese Erscheinung bei Schaltungsanordnungen gefunden, die unter der Bezeichnung »Cryotronschaltungen« bekanntgeworden sind. Das Grundbauelement von Cryotronschaltungen ist in der Regel ein von einer Solenoidspule umgebener geradliniger Leiter in Form eines Drahtes, der bei Feldstärken des Magnetfeldes der Spule unterhalb des kritischen Feldstärkewertes Supraleitfähigkeit zeigt und der bei Spulenströmen, durch die der kritische Feldstärkewert erreicht bzw. überschritten wird, vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand zurückkehrt. Wird die Feldstärke des Magnetfeldes der Spule wieder auf Werte unter den kritischen Feldstärkewert vermindert, so hat dies wiederum den Leitfähigkeitswechsel des geradlinigen Drahtes vom normalleitenden Zustand zum supraleitenden Zustand zur Folge. Ein von einer Stromquelle passend bemessenen Innenwiderstandes gelieferter Strom ist somit durch ein Grundbauelement der oben beschriebenen Art in seiner Größe durch das Magnetfeld der Spule sprunghaft umschaltbar. Ein einfacher Cryotronkreis zeigt also im wesentlichen das gleiche elektrische Verhalten wie die sogenannten Torschaltungen, deren Realisierung im allgemeinen durch Vakuumröhren oder Halbleiter-Schaltelemente erfolgt. Es ist bereits bekannt, aus einer Mehrzahl einfacher Cryotronkreise Schaltungen aufzubauen, die hinsichtlich ihrer Wirkungsweise denjenigen Schaltungsanordnungen im wesentlichen entsprechen, die auf der Kombination von Torkreisen beruhen, die Röhren und bzw. oder Halbleiter-Schaltelemente enthalten. Aus Cryotronkreisen gebildete Schaltungen erscheinen auf Grund ihres geringen Raumbedarfs dann von besonderem Vorteil, wenn eine große Anzahl von Torkreisen aufzuwenden ist. Dies trifft beispielsweise Iiei digitalen Rechenmaschinen zu. Verschiedene logische Schaltungen für solche Maschinen setzen in großer Menge bereitzustellende Torkreise bzw. Kombinationen von Torkreisen voraus, deren Realisierung durch Cryotronkreise bereits angeregt wurde. In Anbetracht der Fortschritte, die im letzten Jahrzehnt hinsichtlich der Schaffung leistungsfähiger Heliumvernussiger zu verzeichnen waren, fallen bei Cryotronschaltungen die erforder-

Anordnung,
in welcher der Leitfähigkeitszustand
eines Leiters umsteuerbar ist

Anmelder:

IBM Deutschland
Internationale Büro-Maschinen
Gesellschaft m. b. H.,
Sindelfingen (Württ), Tübinger Allee 49

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. November 1956

James William Crowe, Hyde Park, Ν. Y.,
und Bennett Housman, Poughkeepsie, N. Y. (V. St. A.), sind als Erfinder genannt worden

liehen Kühleinrichtungen durchaus nicht als ein Nachteil ins Gewicht, der die ansonst mit solchen Schaltungen verknüpften Vorteile wieder aufheben würde. Als Vorteil der Cryotronkreise wären im übrigen noch die günstigen Voraussetzungen zu nennen, die auf tiefem Temperaturniveau arbeitende Schaltungen ganz zwangläufig bezüglich der durch das Wärmerauschen verursachten Störspannungen mit sich bringen.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, in welcher der Leitfähigkeitszustand eines Leiters bei tiefer Temperatur durch die Feldstärkeänderung eines auf den Leiter einwirkenden Magnetfeldes zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umsteuerbar ist. Dabei wird die Erscheinung ausgenutzt, daß das bei Erregen zweier unmittelbar über der Oberfläche eines supraleitenden Films angebrachten Spulen entstehende magnetische Feld auch nach Abschalten der. Erregung aufrechterhalten wird, bis zumindest ein Teil des supraleitenden Films in den normalleitenden Zustand versetzt wird, so daß neue, für die Steuer- und Regelungstechnik sowie für die Technik der Daten- und Informationsverarbeitung bedeutsame Anwendungsmöglichkeiten erschlossen werden. Dieser Gedanke wird dadurch in eine technisch verwertbare Form übergeführt, daß gemäß der Erfindung bei Anordnungen der oben näher bezeichneten Art eine Anzahl von Spulen, vorzugsweise spiralförmig geführten Leitern, aus supraleitfähigen!

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Material derart in einer Anzahl von Öffnungen eines Films aus supraleitfähigen! Material oder in. deren unmittelbarer Umgebung und über einer vorzugsweise geringeren Anzahl von vorzugsweise bifilar bzw. mäanderförmig geführten Leitern aus supraleitfähigem Material angeordnet sind, daß die Achsen der Spulen senkrecht zur Oberfläche des Films verlaufen. Die spiralförmig und die mäanderförmig geführten Leiter werden zweckmäßig aus einem solchen Material hergestellt, daß sie bei Feldstärken vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergehen, die geringer sind als die Feldstärke des bei Erregen der spiralförmig geführten Leiter entstehenden und auch nach Abschalten der Erregung aufrechterhaltenen magnetischen Feldes.

Mit Hilfe derartiger Anordnungen lassen sich Schaltungen aufbauen, die durch Anlegen von Stromimpulsen in eine Anzahl von stabilen Zuständen gebracht werden können. Dazu legt man die spiralförmig geführten Leiter parallel an eine erste Stromquelle und die mäanderförmig geführten Leiter über jeweils eine Last parallel an eine zweite Stromquelle. Wenn die Schaltungsanordnung drei spiralförmig geführte Leiter aufweist, so gibt man einem dieser Leiter den gegen die beiden anderen entgegengesetzten Wickelsinn. Dann kann man durch Anlegen von Impulsen an die spiralförmig geführten Leiter einen auch nach Abschalten der Impulse aufrechterhaltenen magnetischen Fluß zwischen jeweils zwei der drei Leiter erzeugen und gemäß den verschiedenen Möglichkeiten verschieben.

An Hand von zwei Ausführungsbeispielen, in denen drei spiralförmig geführte Leiter entweder in einer Reihe nebeneinander oder an den Ecken eines Dreiecks angeordnet sind, wird die Erfindung näher beschrieben. In den zur Erläuterung der Beschreibung beigefügten Zeichnungen zeigen

Fig. 1 bis 3 die Anordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel in ihren einzelnen Teilen,

Fig. 4 die Anordnung nach dem ersten Ausführungsbeispial in zusammengesetztem Zustand',

Fig. 5 die Anordnung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6, 7 und 9 Ersatzschaltbilder der Anordnung nach Fig. 4 und 5 und

Fig. 8 und 10 den Kurvenverlauf der Ströme in den Anordnungen nach Fig. 4 und 5.

In den Fig. 1 bis 4 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt eine Unterlage 10 aus nichtmagnetischem Material, welche einen supraleitfähigen Film 12 trägt, der im Vakuum aufgedampft oder auf eine andere Weise aufgebracht sein kann. Zur Darstellung stabiler Zustände dienen Magnetfelder, die in zwei beliebigen der Öffnungen 14, 16 und 18 in dem supraleitfähigen Film 12 aufrechterhalten werden. Um derartige aufrechterhaltene Magnetfelder, die zwei dieser Löcher verbinden, zu errichten, ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes vorgesehen, welche aus einer Stromquelle 20 und parallel geschalteten Spiralspulen 22, 24 und 26 besteht, die in Fig. 2 dargestellt sind. Wenn ein Strom von der Stromquelle 20 entlang einer Leitung 30 durch die Spule 22 und zurück entlang einer Leitung 28 fließt, wird ein Magnetfeld errichtet, welches abwärts durch die Mitte dieser Spule und aufwärts entlang ihrer Seiten verläuft. Wenn ein Strom von der Stromquelle 20 entlang der Leitung 30 durch die Spule 24 und zurück entlang der Leitung 28 fließt, wird ein Magnetfeld aufgebaut, das aufwärts durch die Spule 24 und seitlich abwärts verläuft. Bei einem ähnlich gerichteten Strom entspricht die Richtung des durch die Spule 26 erzeugten Magnetfeldes der in der Spule 24. Die Spulen 22, 24 und 26 bestehen aus supraleitfähigen! Material mit einem relativ niedrigen kritischen Magnetfeld. Die Stärke des kritischen Magnetfeldes muß gleich oder geringer als die Stärke des aufrechterhaltenen Magnetfeldes sein, damit, wenn ein aufrechterhaltenes Magnetfeld zwei Öffnungen in dem Film 12 verbindet, die zugeordneten Spulen in den Normalzustand gebracht werden. Da zwei der Spulen 22, 24 und 26 normal'leitend sind, wenn ein Strom von der Stromquelle 20 aus entlang der Leitung 30 und zurück auf Leitung 28 fließt, vermeidet der größte Teil des Stroms die beiden normalleitenden Spulen und fließt durch die supraleitende Spule; mindestens tut er es anfangs, weil die normalleitenden Spulen dem Stromfluß einen Widerstand entgegensetzen, während die supraleitende Spule keinen hat. Daher wird ein relativ starkes Feld durch die supraleitende Spule errichtet, dessen Wirkung darin besteht, ein aufrechterhaltenes Magnetfeld von den beiden Löchern, in denen es sich befindet, zu den beiden Löchern zu verschieben, zu denen das Loch mit der supraleitenden Spule und das eine Loch des ersten Paares gehören. Durch einen späteren Stromfluß wird das aufrechterhaltene Magnetfeld wieder in dem ersten Spulenpaar errichtet. In der Anordnung von Fig. 2 verbindet daher das aufrechterhaltene Magnetfeld die beiden Löcher 14 und 16 oder die beiden Löcher 16 und 18, jedoch nicht beide Lochpaare gleichzeitig, und es wechselt zwischen diesen Lochpaaren hin und her im Ansprechen auf aufeinanderfolgende Stromimpulse. Es ist also jeweils entweder das Loch 14 oder das Loch 18 ohne aufrechterhaltenen Magnetfluß und damit supraleitend während eines stabilen Zustandes, während das Loch 16 in jedem stabilen Zustand einen aufrechterhaltenen Magnetfluß enthält.

Zum Zwecke der Abführung des Zustandes der Vorrichtung in Fig. 2 kann eine Schaltung der in Fig. 3 gezeigten Art verwendet werden. Fig. 3 zeigt die Unterlage 10 und den Film 12 von Fig. 2 von unten mit einer Abfühleinrichtung. Eine Stromquelle 32 ist mit einem ersten Zweig, bestehend aus einem Abfühldraht 34, der mit einer Belastung 36 in Reihe liegt, und mit einem zweiten Zweig, bestehend aus einem Abfühldraht 38, der mit einer Belastung 40 in Reihe liegt, parallel geschaltet. Die Abfühldrähte 34 und 38 sind Supraleiter, deren kritisches Feld eine geringere Stärke hat als das in den Löchern 14 und 16 oder in den Löchern 16 und 18 aufrechterhaltene Magnetfeld. Wenn ein Magnetfeld in den Löchern 14 und 16 aufrechterhalten wird, wird der unter dem Einfluß dieses Magnetfeldes stehende Abfühldraht 38 no'rmalleitend, während der nicht unter dem Einfluß eines Magnetfeldes stehende Abfühldraht 34 weiterhin supraleitend bleibt. Wenn dann ein Stromimpuls auf Leitung 42 durch die Stromquelle 32 errichtet wird, umgeht der Strom den mit Widerstand behafteten Abfühldraht 38 und fließt durch den widerstandslosen Abfühldraht 34 und die Belastung 36. Die in Blockform dargestellten Belastungsvorrichtungen 36 und 40 sind vorzugsweise supraleitfähige Vorrichtungen, die wenig oder keinen Widerstand für den Stromfluß bilden, so daß der Widerstand des normalleitenden Abfühldrahtes und nicht der der Belastungen die Stromteilung durch die parallelen Abfühlkreise steuert. Der Widerstand der Belastungsvorrichtungen kann in vielen praktischen Anordnungen ein Wert

sein, der relativ klein im Vergleich mit dem Widerstand der Abfühldrähte 34 und 38 ist, wodurch sichergestellt wird, daß der Umgehungseffekt des supraleitenden Abfühldrahtes während einer Abfühloperation steuernd wirkt. Wenn die Belastungsvorrichtungen einen Widerstand haben, der nicht verringert werden kann, wie es manchmal der Fall ist, kann der Widerstand des normalleitenden Abfühldrahtes auf einen geeigneten Wert erhöht werden, der entsprechend höher ist, und zwar erstens durch Wählen eines Materials mit höherem Normalwiderstand, zweitens durch Erhöhung der Zahl der dem aufrechterhaltenen Feld zugeordneten Zickzackteile oder drittens durch eine Kombination von 1 und 2.

Eine zusammengesetzte Anordnung aus den einzelnen in Fig. 1 bis 3' dargestellten Merkmalen ist in Fig. 4 gezeigt. In Übereinstimmung mit der vorstehenden Besprechung kann die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung jeden von zwei stabilen Zuständen aufrechterhaltener magnetischer Flußlinien annehmen, d. h. Flußlinien infolge eines Stromimpulses von der Stromquelle 20, die das Lochpaar 14 und 16 oder das Lochpaar 16 und 18 verbinden. Die stabilen Zustände können durch aufeinanderfolgende Impulse von der Stromquelle 20 umgekehrt werden. Außerdem ist eine nichtlöschende Abführung durch Anlegung eines Stroms von der Stromquelle 32 an die Leitung 42 möglich, welcher durch die im Normalzustand befindliche Abfühlleitung 34 oder 38 zu der supraleitenden und deren zugeordneter Belastung abgelenkt wird.

Die Löcher in dem Film 12 in Fig. 4 können in vielen geometrischen Formen angeordnet werden. Als weiteres Beispiel ist eine andere Anordnung der multistabilen Schaltung von Fig. 4 in Fig. 5 dargestellt, in der man die verschiedenen stabilen Zustände bei anderer Orientierung der Löcher erhält. Diejenigen Teile in Fig. 5, die ähnlichen Teilen in Fig. 4 entsprechen, tragen dieselbe Bezugsziffer unter Hinzufügung des Buchstabens a. Der Magnetfluß wird in dem Lochpaar 14 a und 16 a oder in dem +0 Lochpaar 16 a und 18 a als Ergebnis eines von der Stromquelle 20a aus durch die Leitungen 28 a und 30 fließenden Stroms aufrechterhalten. Die stabilen Zustände können abwechselnd durch aufeinanderfolgende Impulse von der Stromquelle 20 a errichtet werden. Der jeweilige stabile Zustand kann durch Strom von der Stromquelle 32 a abgefühlt werden, der entweder ein Gleichstrom oder ein Impuls auf Leitung 42a sein kann. Dieser Strom hat eine solche Amplitude, daß das resultierende Magnetfeld, das um die Leitung 42 a herum entsteht, schwächer als das kritische Magnetfeld dieser Leitung und schwächer als das kritische Magnetfeld der Abfühldrähte 34 a und 38 a ist. Die beiden Teile bestehen manchmal aus verschiedenen supraleitfähigen Materialien. Die Abfühlung erfolgt niehtlöschend, weil durch Strom in der Leitung 42a nicht der stabile Zustand der in dem Lochpaar 14 a, 16 a oder dem Lochpaar 16 a, 18 a aufrechterhaltenen Magnetfluß linien verändert wird. Der Einfluß auf den aufrechterhaltenen Fluß des durch die Abfühldrähte 34 α oder 38 a in den Löchern 18a bzw. 14 a errichteten Magnetfeldes wird durch die Zickzackanordnung dieser Drähte über den Löchern so klein wie möglich gehalten. Ein Stromfluß in verschiedenen Teilen des Zickzackschemas erzeugt einander entgegengesetzte Magnetfelder, die zur teilweisen gegenseitigen Aufhebung führen. Die gegenseitige Induktanz der Abfühldrähte ist auf ein Mindestmaß herabgesetzt, wodurch ein kleinstmöglicher unerwünschter magnetischer Einfluß im

Ansprechen auf Stromfluß während einer Abfühloperation erzeugt wird. Das heißt also, daß der durch die Abfühldrähte 34 a und 38 a fließende Strom den Zustand der Anordnung nicht verändert, weil fast kein Nettomagnetfluß erzeugt wird. Zur Veranschaulichung sei z. B. angenommen, daß magnetische Flußlinien, die die Löcher 14 a und 16 a verbinden, aufrechterhalten werden, wenn ein Abfühlstrom an die Leitung 42 a angelegt wird. Dieser Strom wird durch den Widerstandszustand des Abfühldrahtes 38.0· zu dem Abfiihldraht 34a und der Belastung 36 a abgelenkt. Das um den Abfühldraht 34 a herum errichtete Magnetfeld überträgt nicht die die Löcher 14 α und 16 α verbindenden magnetischen Flußlinien in den Zustand, in dem magnetische Flußlinien die Löcher 16 a und 18 a verbinden würden, weil der Abfühldraht 34 a so gewickelt ist, daß das durch Strom in einem der Zickzackarme in der einen Richtung entstehende Magnetfeld ausgeglichen wird durch das Magnetfeld, das durch Stromfluß in entgegengesetzter Richtung in einem benachbarten Zickzackarm entsteht. Es entsteht also sehr wenig oder gar kein Nettomagnetfluß durch einen Strom in dem Abfühldraht 34 a. Dieselbe Erklärung trifft hinsichtlich eines durch den Abfühldraht 38 a fließenden Stroms zu, wenn ein aufrechterhaltener Magnetfluß die Löcher 16a und 18a verbindet. Außerdem sorgt das Zickzackmerkmal dafür, daß soviel wie möglich von dem Abfühldraht 34 a oder 38 a dem größtmöglichen Einfluß der aufrechterhaltenen magnetischen Fluß linien in dem zugeordneten Loch ausgesetzt wird. Hierdurch wird sichergestellt, daß soviel Widerstand wie möglich in dem unter dem Einfluß eines aufrechterhaltenen Magnetfeldes stehenden Abfühldraht errichtet wird, wodurch dafür gesorgt ist, daß ein Abfühlstrom zu dem anderen im supraleitenden Zustand befindlichen Abfühldraht abgelenkt wird.

Die Übergangszeit, d. h. die Zeit zum Zerstören der Supraleitfähigkeit der Treiberwicldungen in den Schaltungen 4 und 5, ist länger als die Zeit, die nötig ist, um ein aufrechterhaltenes Magnetfeld von einem Lochpaar zu einem anderen Paar umzuschalten. Zum Beispiel kann die Zeit, die zum Umschalten eines aufrechterhaltenen Magnetfeldes von einem Lochpaar zu einem anderen nötig ist, in der Größenordnung von 0,1 Mikrosekunden liegen, während die Übergangszeit der supraleitenden Treiberwicklung in der Größenordnung von 0,15 Mikrosekunden liegt. Daher kann ein Stromimpuls kurzer Dauer benutzt werden, um ein aufrechterhaltenes Magnetfeld von einem Ort zum anderen umzuschalten, ohne daß deshalb viel Wärme in der betreffenden Treiberspule abgeleitet werden muß.

Um nun die Wirkungsweise der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung zu veranschaulichen, sei angenommen, daß zunächst kein Magnetfluß durch eines der Löcher 14, 16 und 18 geht. Wenn nun ein Impuls von der Impulsquelle 20 an die Spulen 14, 16 und 18 angelegt wird, liegen vor dem Strom drei Pfade, die alle keinen Widerstand haben. Es ist zunächst offen, welchen Pfad der Strom nun wählt, aber der gewählte Pfad wird schließlich unter dem Einfluß des Stroms normalleitend. Dabei dienen die übrigen beiden Pfade zum Ablenken des Stroms an dieser Stelle, weil sie ihm keinen Widerstand entgegensetzen. Auch hier ist es wieder zunächst offen, welchen der beiden restlichen Pfade der Strom wählen wird, auch hier wird der gewählte Pfad dann normalleitend; jetzt dient der restliche Pfad ohne Widerstand zum Ablenken des

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Stroms von den beiden mit Widerstand behafteten Pfaden und wird dabei normalleitend. Es werden also schließlich alle drei Treiberspulen normalleitend unter dem Einfluß des Stroms von der Impulsquelle 20. Wenn ein Strom von der Quelle 20 aus entlang der Leitung 30- durch die Spulen 22, 24 und 26 und zurück entlang der Leitung 28 fließt, werden magnetische Flußlinien errichtet, die aufwärts durch die Mitte der Spulen 24 und 26 und abwärts durch die Spule 22 verlaufen. Ein stärkeres gemeinsames Feld besteht in der Richtung abwärts durch das Loch 14 und aufwärts durch das Loch 16 als abwärts durch das Loch 14 und aufwärts durch das Loch 18. Das abwärts durch das Loch 14 und aufwärts durch das Loch 18 verlaufende Feld wird als vernachlässigbar klein angesehen. Wenn der Strom von der Quelle 20 endet, wird ein Magnetfeld in den-Löchern 14 und 16 aufrechterhalten, dessen Richtung abwärts durch das Loch 14 und aufwärts durch das Loch 16 verläuft. Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß das Endergebnis des an die Spulen 22, 24 und 26 von der Tmpulsquelle 20 aus angelegten Stroms darin besteht, daß ein Magnetfeld abwärts durch das Loch 14 und aufwärts durch das Loch 16 zurückbleibt, obwohl beim Gang der Ereignisse die Reihenfolge, nach der diese Felder in den Löchern 14,16 und 18 errichtet werden, sich je nach der Weise verändert, in der die Spulen 22, 24 und 26 normalleitend werden. Das aufrechterhaltene Magnetfeld, das abwärts durch das Loch 14 und aufwärts durch das Loch 16 verläuft, kann als Darstellung einer binären Eins betrachtet werden. Wenn ein anderer Strom in derselben Richtung an die Spulen 22,24 und 26 angelegt wird, .setzen die Spulen 22 und 24 dem Strom einen Widerstand entgegen, weil- sie normalleitend gemacht werden durch das aufrechterhaltene Magnetfeld, und daher fließt der Strom durch die Spule 26, die keinen Widerstand hat, weil sie supraleitend ist. Es wird daher ein verhältnismäßig starkes Feld errichtet, das aufwärts durch die Spule 26 verläuft. Das relativ starke Feld, das die Neigung hat, aufwärts durch das Loch 18 zu verlaufen, ist vorübergehend nicht imstande, einen Pfad durch das Loch 14 oder 16 zu errichten, weil das diese Löcher trennende supraleitende Material als Sperre dient. Bekanntlich kann ein nahe einem Supraleiter errichtetes Feld den Supraleiter nicht durchdringen, wenn dieser nicht normalleitend wird. Daher erreicht das in der Spule 26 errichtete Magnetfeld eine Stärke, die groß genug ist, um den um das Loch 18 herum liegenden Bereich in der supraleitenden Schicht 12 normalleitend werden zu lassen. Das Gebiet normalleitender Bereiche erweitert sich in Richtung auf das Loch 16, und sobald ein Normalpfad zwischen den Löchern 16 und 18 errichtet ist, haben die abwärts durch das Loch 14 und aufwärts durch das Loch 16 verlaufenden geschlossenen magnetischen Flußlinien die Neigung, durch die Normalbereiche zwischen den Löchern 16 und 18 auf das Loch 18 zu wandern. In diesem Augenblick verlaufen vollständige Magnetflußlinien aufwärts durch das Loch 18 und abwärts durch das Loch 14 in einem ununterbrochenen Pfad, und der Magnetfluß im Loch 16 wird als Null angenommen. Bei der Wanderung der Magnetflußlinien vom Loch 16 durch die Normalbereiche zum Loch 18 kehren die Normalbereiche in ihren supraleitenden Zustand hinter den Magnetflußlinien bei deren Weiterwanderung zum Loch 18 zurück. Man sieht jetzt also, daß der abwärts durch das Loch 14 und aufwärts durch das Loch 18 verlaufende mittlere magnetische Pfad der Linien länger ist als zu 148

der Zeit, - als er abwärts durch das Loch 14 und aufwärts durch das Loch 16 verlief. Die um das Loch 14 herum bestehenden zirkulierenden Ströme werden beträchtlich verstärkt gegenüber denen, die um dieses Loch herum bestanden, als das Magnetfeld durch die Löcher 14 und 16 verlief. Dieser verstärkte Strom um das Loch 14 ist groß genug, um die Bereiche zwischen dem Loch 14 und dem Loch 16 normalleitend werden zu lassen. Daher wandert das Magnetfeld im Loch 14 durch die normalleitenden Bereiche in Richtung auf das Loch 16. Dabei kehren die normalleitenden Bereiche in ihren supraleitenden Zustand zurück hinter dem Magnetfeld bei dessen Wanderung durch die normalleitenden Bereiche vom Loch 14 zum Loch 16. Jetzt sieht man also, daß ein Magnetfeld in einer solchen Richtung errichtet wird, daß es abwärts im Loch 16 und aufwärts im Loch 18 verläuft, während durch das Loch 14kein Magnetf eld abwärts verläuft. Das aufrechterhaltene Magnetfeld, das abwärts durch das Loch 16 und aufwärts durch das Loch 18 verläuft, kann als. Darstellung einer binären Null angesehen werden.

Wenn ein weiterer Strom von der Quelle 8 an die Spulen 22, 24 und 26 angelegt wird, hat die Spule 22, deren Widerstand gleich Null ist, die Neigung, ein relativ starkes magnetisches Feld abwärts durch das Loch 14 zu errichten. Als Ergebnis dieser magnetischen Kraft werden die supraleitenden Bereiche zwischen den Löchern 14 und 16 normalleitend, und die aufwärts durch das Loch 18 und abwärts durch das Loch 16 verlaufenden geschlossenen Fluß linien wandern durch die normalleitenden Bereiche zwischen.den Löchern 14 und 16 zum Loch 14, und der mittlere magnetische Pfad der Flußlinien aufwärts durch das Loch 18 wird verstärkt, und die zirkulierenden Ströme um das Loch 18 herum werden verstärkt. Infolgedessen werden die supraleitenden Bereiche zwischen den Löchern 18 und 16 normalleitend, und die magnetischen Flußlinien in dem Loch 18 wandern durch die Normalbereiche zu dem Loch 16. Die Normalbereiche kehren nach dem Durchlauf der magnetischen Flußlinien auf deren W^reg zum Loch 16 in den supraleitenden Zustand zurück. Man sieht also, daß ein Magnetfeld abwärts durch das Loch 14 und aufwärts durch das Loch 16 im Ansprechen auf diesen dritten Strom errichtet wird und kein Magnetfeld im Loch 18 zurückbleibt. Dies stellt den binären Einszustand dar, der mit dem ersten Strom von der Stromquelle 8 errichtet wurde. Bei Anlegung weiterer Impulse kanu die Anordnung von Fig. 1 veranlaßt werden, ihren Zustand im Ansprechen auf aufeinanderfolgende Impulse umzuschalten. Die Vorrichtung kann entweder den binären Eins- oder den binären Nullzustand aufrechterhalten unter der Voraussetzung, daß die Arbeitstemperatur unter der kritischen Temperatur des supraleitfähigen Films 12 bleibt.

Obwohl die Wirkungsweise der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung im wesentlichen der der Vorrichtung von Fig. 4 gleicht, unterscheidet sie sich von ihr mindestens in dieser Hinsicht, d. h. magnetische Flußlinien, die in den Löchern 14 a und 16 a oder in den Löchern 16 a und 18 a aufrechterhalten werden, haben stets dieselbe Richtung im Loch 16 a, wenn der Stromfluß von der Quelle 20 a stets in derselben Richtung verläuft. Hier dient das Loch 16 a als Zapfenloch, und aufrechterhaltene magnetische Flußlinien wandern hin und her zwischen den Löchern 14 a und 16 a. Die die Löcher 14 a und 16 a verbindenden aufrechterhaltenen magnetischen Flußlinien können als binärer Einszustand und die die Löcher 16 a und 18 a verbindenden als binärer Nullzustand bezeichnet werden.

Claims (6)

1 \J \J -C ATU Zum Zwecke der Veranschaulichung der Wirkungsweise der Schaltung von Fig. S sei angenommen, daß eine Flußrichtung aufwärts durch die Mitte einer Spule als negativ und abwärts durch die Mitte einer Spule als positiv bezeichnet wird. Wenn nun weiter ; angenommen wird, daß ein Magnetfluß durch die Löcher 14 a und 16 a verläuft, sind die Spulen 22 a und 24 a über den Löchern 14 a und 16 a normalleitend. Wenn die Leitungen 30 a und 28 a durch die Stromquelle20a mit einem in Pfeilrichtung verlaufen- κ den Strom erregt werden, leitet die Spiralspule 26 a über dem Loch 18 a den meisten Strom, weil sie supraleitend ist. Der Bereich zwischen den Löchern 14a und 18 a wird normalleitend, und der negative Fluß im Loch 14a wird zum Loch 18 a übertragen. Die i; Spule 22 α über dem Loch 14 α wird daher supraleitend und die Spule 26a über dem Loch 18a normalleitend. Wenn nun die Leitungen 28 a und 30 a erneut mit einem Strom in derselben Richtung von der Stromquelle 20a gespeist werden, fließt der meiste Strom 2c durch die Spule 22 a, und der negative Fluß im Loch 18 a wird zum Loch 14 a übertragen. Die Vorrichtung ist also ein bistabiler Flip-Flop und kann als Tor, als Zähler oder für andere Funktionen verwendet werden. Als weitere Möglichkeit kann die Spule 26 a als näch- a« stes mit einem Strom in entgegengesetzter Richtung erregt werden und dadurch eine Übertragung des positiven Flusses vom Loch 16 a zum Loch 18 a bewirken. "Daher kann die Vorrichtung als tristabile Schaltung benutzt werden, in der jeder der drei Zu- 3c stände mit Impulsen entsprechender Polarität herbeigeführt werden kann. Obwohl dies nicht unbedingt nötig ist, kann ein dritter Abfühldraht ähnlich den schon gezeigten zusammen mit dem Loch 16 α für Abfühlzwecke verwendet werden, wenn drei stabile Zustände benutzt werden. Für die bistabile Operation könnte die Spule 24 a über dem Loch 16 a weggelassen werden, wenn einmal aufrechterhaltene Magnetflußlinien errichtet worden sind, die das Loch 16 a mit den Löchern 14 a oder 18 a verbinden. Dann ist die Stromteilung zwischen den Spulen 22a und 26a während eines Übergangs von einem stabilen Zustand zum anderen etwas vereinfacht. Fig. 6 zeigt die der Vorrichtung in Fig. 5 gleichwertige Treiberschaltung, bei der der aufrechterhaltene Fluß (Φ 7-) die Löcher 16 a und 18 a verbindet, die den Spulen 24a bzw. 26a zugeordnet sind. Dies ist der stabile Zustand, der oben willkürlich binärer Nullzustand genannt worden ist. Fig. 7 zeigt die gleichwertige Treiberschaltung von Fig. 5, in der der aufrechterhaltene Fluß (Φτ) die Löcher 16 a und 14 a verbindet, welches der oben willkürlich als binärer Einszustand bezeichnete stabile Zustand ist. Die Spulen 24 a und 26 a von Fig. 6 sind, jede als Induktivität und Widerstand, die in Reihe liegen, dargestellt, weil sie normalleitend sind, und die Spule 22 a ist nur als Induktivität dargestellt, da sie im supraleitenden Zustand ist und keinen Widerstand hat. Um die Wirkungsweise während einer Zustandsänderung zu veranschaulichen, sei angenommen, daß der Nullzustand herrscht, wenn ein Stromimpuls 50 (Fig. 8 a) über die Klemmen 30 α und 28 α angelegt wird. Wenn der Strom durch den Zweig von Klemme a zu der Klemme 28 a (Fig. 6) fließt, wird er aufgeteilt gemäß den Impedenzen der drei Zweige, und daher leiten die mit Widerstand behafteten Arme etwas Strom, und die Energie wird vernichtet. Da jedoch die induktive Reaktanz der Spule 22 α mit der Zeit kleiner wird, wächst der die Spule 22 α durchfließende Strom 52 (Fig. 8 a), und der durch die Spulen 24a und 26 a fließende Strom 54 nimmt ab, wie Fig. 8 a zeigt. Man beachte, daß die Ströme 52 und 54 durch die Spulen 22 a, 24 a und 26 a stets dem angelegten Strom 50 gleichen. Da eine geringe Strommenge zunächst in den Spulen 24 a und 26 a fließt, stellt dies nicht nur einen Energieverlust dar, sondern auch als Verzögerung verschwendete Zeit. Gemäß Fig. 8 a tritt die Verzögerung zwischen T0 und T1 auf. Gemäß Fig. 8 b verändern sich die magnetischen Flußlinien durch die Spule 26 a mit der Zeit, wie die Kurve 56 andeutet, und die Magnetflußlinien durch die Spule 22 a verändern sich gemäß der Kurve 58. Wie Fig. 8 c zeigt, werden die Spulen 26 a und 22 a aus dem normalleitenden bzw. supraleitenden Zustand in den jeweils entgegengesetzten Zustand umgeschaltet, wie es die Kurven 60 bzw. 62 darstellen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Übertragung von Magnetflußlinien von der Spule 26 a zur Spule 22 a bewirkt wird, bevor die Spule 26 a supraleitend und die Spule 22 a normalleitend werden. Die Kurven in Fig. 8 a, 8 b und 8 c sind idealisierte Wellenformen. Wenn die Spule 24 a in Fig. 5 weggelassen wird unter der Annahme, daß der Magnetfluß durch ein nicht gezeigtes anderes Mittel errichtet wird, kann man sehen, daß eine gleichwertige Treiberschaltung ähnlich der in Fig. 9 gezeigten entsteht, wenn der Magnetfluß durch die Löcher 14 a und 16 a verläuft. In Fig. 9 hat die Spule 22 α einen Widerstand, der in Reihe damit dargestellt ist, da diese Spule normalleitend ist, und die Spule 26 a hat keinen Widerstand in der gleichwertigen Schaltung angezeigt, weil diese Spule supraleitend ist. Wenn daher ein Impuls an die Schaltung von Fig. 9 angelegt wird, teilt sich der Strom je nach den Impedanzen der beiden Zweige auf. Offensichtlich hat keine der Spulen eine induktive Reaktanz, wenn kein Magnetfluß durch sie hindurch verläuft. Nur der Streufluß kann induktive Reaktanzen dieser beiden Flachspulen bewirken. Jede über die Spule 22 a erzeugte Riickspannung muß als Ergebnis des aus der Spule 26 a herauskommenden Flusses auftreten. Die als Folge des die Spule 26 a verlassenden und in die Spule 22 α eintretenden Flusses induzierten Spannungen haben dieselbe Polarität. Da diese induzierten Signale dieselbe Polarität haben und da die Amplitude dieser induzierten Spannungen in den Spulen 22 a und 26 a nahezu gleich ist, hat die Schaltung eine sehr geringe »L/i?«-Zeitkonstante. Gemäß Fig. 10 erscheint der aufgebaute Strom fast sofort in der Spule 22 a, was durch die Kurve 62 dargestellt ist. Der Strom durch die Spule 26 α ist durch die Kurve 64 dargestellt. Es entsteht wegen der Streuinduktivität eine leichte Verzögerung für den Stromanstieg in Spule 22 a. Eine weitere Folge dieser Kopplung der Spulen während einer Zustandsänderung ist es, daß, da kein Strom in der die Spulen 22 a und a umfassenden Schleife kreist, sehr wenig Energie vernichtet wird, weil der meiste Strom durch die Spule 22 α fließt. Patentansprüche:

1. Anordnung, in welcher der Leitfähigkeitszustand eines Leiters bei tiefer Temperatur durch die Feldstärkeänderung eines auf den Leiter einwirkenden Magnetfeldes zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umsteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Spulen, vorzugsweise spiralförmig geführten Leitern (22, 24, 26), aus soipralitfähigem Material derart in einer Anzahl von öffnungen

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(14,16,18) eines Films (12) aus supraleitfähigen* Material oder in deren unmittelbarer Umgebung und über einer vorzugsweise geringeren Anzahl von vorzugsweise bifilar bzw. mäanderförmig geführten Leitern (38, 34) aus supraleitfähigen* Material angeordnet sind, daß die Achsen der Spulen senkrecht zur Oberfläche des Films (12) verlaufen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmig und die mäanderförmig geführten Leiter (22, 24, 26 bzw. 38, 34) bei Feldstärken vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergehen, die geringer sind als die Feldstärke des bei Erregen der spiralförmig geführten Leiter (22, 24, 26) entstehenden und auch nach Abschalten der Erregung aufrechterhaltenen magnetischen Feldes.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmig geführten

Leiter (22, 24, 26) parallel an eine erste Stromquelle (20) und die mäanderförmig geführten Leiter (38, 34) über jeweils eine Last (40, 36) parallel an eine zweite Stromquelle (32) angeschlossen sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3 mit drei spiralförmig geführten Leitern, dadurch gekennzeichnet, daß einer der spiralförmig geführten Leiter (22 bzw. 24 a) gegen die beiden anderen den entgegengesetzten AYickelsinn aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die drei spiralförmig geführten Leiter (22, 24, 26) in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die drei spiralförmig geführten Leiter (22 a, 24a, 26 a) an den Ecken eines Dreiecks angeordnet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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