DE1216939B

DE1216939B - Verfahren und Anordnung zum Abfragen eines Speichers mit Supraleiterschleife

Info

Publication number: DE1216939B
Application number: DEJ24154A
Authority: DE
Inventors: Lawrence Paul Horwitz
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1962-07-30
Filing date: 1963-07-30
Publication date: 1966-05-18
Also published as: DE1227946B; US3196412A; FR1375790A; US3196411A; GB1004963A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03k

GlIc

Deutsche Kl.: 21 al - 37/66

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

J24154IXc/21al
30. Juli 1963
18. Mai 1966

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abfragen des Speicherzustandes eines insbesondere für die Verwendung in elektronischen Rechenmaschinen und anderen Geräten zur automatischen Datenverarbeitung geeigneten Speichers mit geschlossener supraleitender Leiterschleife und einer mit dieser fest gekoppelten Abfragewicklung durch kurzzeitiges Überführen eines Teiles der Leiterschleife vermittels eines ansteigenden Magnetfeldes in den normalleitenden Zustand und Auswerten eines dabei in der Abfragewicklung induzierten Ausgangsimpulses.

Bekannte derartige Verfahren haben den Nachteil, daß der in der Abfragewicklung induzierte Ausgangsimpuls nicht nur von der Größe des gespeicherten Magnetflusses, sondern auch von der Größe des abfragenden Magnetfeldes abhängt. Daher ist es in nach diesem Verfahren arbeitenden Speichern im allgemeinen auch nicht möglich, wesentlich mehr als zwei Speicherzustände betriebssicher zu unterscheiden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches diesen Nachteil nicht aufweist. Dies wird erfindungsgemäß unter Ausnutzung der bekannten Tatsache, daß der Magnetfluß in einer geschlossenen supraleitenden Leiterschleife stets nur gequantelt auftreten kann, dadurch erreicht, daß die Anstiegsgeschwindigkeit des Magnetfeldes gegenüber der Geschwindigkeit, mit welcher die Leiterschleife vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand zurückkehrt, so gering gewählt wird, daß stets nur ein Flußquant oder eine vorbestimmte geringe Anzahl von Flußquanten des in der Leiterschleife gespeicherten Magnetflusses gleichzeitig aus der Leiterschleife austreten kann und die beim Ansteigen des Magnetfeldes nacheinander aus der Leiterschleife austretenden Flußquanten bzw. Flußquantengruppen in der Abfragewicklung deutlich voneinander getrennte Ausgangsimpulse induzieren.

Vorteilhafterweise steht dabei die Richtung des ansteigenden Magnetfeldes senkrecht auf der Richtung des in der Leiterschleife gespeicherten Magnetflusses.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einiger in den Zeichnungen dargestellter und lediglich als Ausführungsbeispiele gedachter Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens näher beschrieben.

F i g. 1 zeigt einen Feldgenerator 10, einen dünnwandigen Indiumzylinder 11 und einen Temperaturregler 12, an Hand derer das Prinzip der Erfindung erläutert werden soll. Der Indiumzylinder 11 hat einen supraleitenden und einen normaÜeitenden Zustand, und durch den Temperaturregler 12 kann der Zylinder 11 durch Änderung der Temperatur aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand ge-Verf ahren und Anordnung zum Abfragen eines
Speichers mit Supraleiterschleife

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk,N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,

Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:
Lawrence Paul Horwitz, .,
Chappaqua, N.Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 30. Juli 1962 (213 279)

bracht werden und umgekehrt. _s Der Zylinder 11 befindet sich in dem durch den Feldgenerator 10 erzeugten magnetischen Feld.

Im Betrieb wird der Temperaturregler 12 zunächst so eingestellt, daß der Zylinder 11 normalleitend ist. Solange der Zylinder 11 normalleitend ist, wird von dem Feldgenerator 10 ein bestimmtes magnetisches Feld erzeugt. Dieses wird konstant gehalten, und der· Temperaturregler 12 senkt die Temperatur so, daß der Zylinder 11 supraleitend wird. Wenn der Zylinder 11 im normalleitenden Zustand ist, steht die Flußmenge innerhalb des Zylinders in einem direkten Verhältnis zu der durch den Feldgenerator 10 erzeugten Flußmenge. Wenn der Zylinder 11 dagegen supraleitend ist, kann der Fluß innerhalb des Zylinders nur bestimmte Quanten aufweisen. Diese Quanten sind in Fig. 2A bei h, i, j, k usw. dargestellt. Wenn z. B. im normalleitenden Zustand des Zylinders 11 der äußere Magnetfluß einen Wert hat, der irgendwo in dem Bereich zwischen α und b auf der horizontalen Achse in Fig. 2A liegt, hat der Fluß in dem Zylinder, nachdem dieser supraleitend geworden ist, die Größe h. Ebenso beträgt, wenn im normalleitenden Zustand des Zylinders 11 die äußere Flußmenge irgendwo in dem Bereich zwischen b und c auf der horizontalen Achse in F i g. 2 A liegt, die Flußmenge in dem Zylinder, nach dem dieser supraleitend geworden ist, i Einheiten usw.

Da in dem Zylinder jede beliebige Flußmenge bestehen kann, wenn er im normalleitenden Zustand ist, und nur bestimmte Flußquanten darin bestehen

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können, wenn er im supraleitenden Zustand ist, muß durch irgendeinen Mechanismus die Flußmenge in dem Zylinder verändert werden, wenn ein verbotener Flußpegel zu dem Zeitpunkt besteht, wenn der Zylinder supraleitend wird. Der die Flußmenge ändernde Mechanismus ist ein Strom, der in dem Zylinder in der durch den Pfeil 15 bezeichneten Richtung fließt. Diese Ströme werden nachstehend als horizontale Reaktionsströme bezeichnet. Wenn im normalleitenden Zustand des Zylinders 11 darin ein verbotener Flußpegel besteht und der Zylinder aus dem normalleitenden in den supraleitenden Zustand gebracht wird, wird ein horizontaler Reaktionsstrom erzeugt, der groß genug ist, um zu bewirken, daß der resultierende Fluß in dem Zylinder (d. h. die Vektorsumme des anfänglichen Flusses und des durch den Reaktionsstrom erzeugten Flusses) einen der zulässigen Quantenpegel hat. Die Größe und die Richtung des horizontalen Reaktionsstroms in dem Zylinder 11 sind für verschiedene Größen des angelegten magnetischen Flusses in F i g. 2B dargestellt. Die horizontale Achse in F i g. 2B deutet die durch den Feldgenerator 10 an den Zylinder angelegte Größe des magnetischen Flusses an, und die vertikale Achse stellt die Größe und die Richtung des horizontalen Reaktionsstroms in dem Zylinder dar, nachdem dieser aus dem normalleitenden in den supraleitenden Zustand gebracht worden ist.

Bekanntlich kann sich die Menge des Flusses, der. einen supraleitenden Zylinder durchsetzt, nicht verändern, wenn das externe magnetische Feld verändert wird. Die vorstehende Besprechung der Wirkungsweise der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung bezieht sich auf die Situation, die eintritt, wenn das durch den Feldgenerator 10 erzeugte magnetische Feld unverändert bleibt und der Zylindern durch den Temperaturregler 12 aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand gebracht wird. Wenn nach dem Umschalten des Zylinders 11 aus dem normalleitenden in den supraleitenden Zustand das angelegte magnetische Feld (d. h. das durch den Feldgenerator 10 erzeugte Feld) auf Null reduziert wird, bleibt der den Zylinder durchsetzende Fluß unverändert. Bei Reduzierung des angelegten Feldes beginnt ein horizontaler Reaktionsstrom in Richtung des Pfeils 15 zu fließen, der das Feld innerhalb des Zylinders konstant hält. Der horizontale Reaktionsstrom, der den Fluß in dem Zylinder selbst dann auf derselben Höhe hält, wenn die Größe des von außen angelegten Feldes verändert wird, ist zusätzlich zu dem oben beschriebenen und in F i g. 2B gezeigten horizontalen Reaktionsstrom vorhanden. Fig.2C zeigt die Gesamtgröße des horizontalen Reaktionsstroms im Zylinder 11 nach Reduzieren des angelegten Feldes auf Nun für verschiedene Größen des äußeren Magnetflusses beim Umschalten des Zylinders aus dem normalleitenden in den supraleitenden Zustand.

Wenn der Zylinder 11 normalleitend ist, erzeugt der Feldgenerator 10 ζ. Β. χ magnetische Flußeinheiten innerhalb des Zylinders 11, und wenn beim Vorliegen dieser χ Magnetnußeinheiten der Temperaturregler 12 den Zylinder 11 aus dem normalleitenden in den supraleitenden Zustand bringt, verändert sich der Fluß in dem Zylinder auf h Einheiten, da ein Fluß von χ Einheiten kein zulässiger Zustand ist (s. Fig. 2A). Nachdem der Zylinder supraleitend geworden ist, läuft ein Reaktionsstrom von y Einheiten um in der durch den Pfeil 15 angedeuteten Richtung (Fig. 2B). Wenn danach das externe Feld auf Null reduziert wird, verändert sich der Fluß in dem Zylinder nicht, aber die Größe des Reaktionsstroms erhöht sich gemäß F i g. 2 C auf ζ Einheiten.

Der Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist in F i g. 4A dargestellt. Es besteht aus einem Kupferleiter 41, einem Indiumzylinder 42, einem Blatt aus elektrischem Isoliermaterial 43, Kupferleitungen 42a und 42 δ, die den Zylinder 42 zwischen den Klemmen 46 α und 46 b anschließen, und einem

ίο zwischen den Klemmen 45 a und 45 δ eingeschalteten Kupferabfrageleiter 44. Der Zylinder 42 und das Isolierblatt 43 umgeben den Leiter 41 vollständig. Zur Veranschaulichung sind sie in F i g. 4A abgeschnitten dargestellt. Die ganze in F i g. 4 A gezeigte Vorrichtung ist innerhalb der nicht gezeigten Spule angeordnet, die ein vertikales magnetisches Feld 47 (durch den Pfeil angedeutet) durch den gesamten Bereich, in dem sich die Vorrichtung befindet, erzeugt. Der Zylinder 42 gleicht dem Zylinder 11 in F i g. 1, und die nicht ge-

ao zeigte Spule, die das magnetische Feld 47 erzeugt, entspricht dem Feldgenerator 10 in F i g. 1.

Der in F i g. 1 dargestellte Zylinder 11 wird durch den Temperaturregler 12 aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand und umgekehrt umgeschaltet. Temperaturänderungen sind nur schwierig zu ■ erreichen; daher ist das Verändern der Temperatur kein sehr praktisches Verfahren für- das Umschalteneines Zylinders aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand und umgekehrt. Die in F i g. 4A gezeigte Vorrichtung wird bei einer solchen Temperatur gehalten, daß der Zylinder 42 supraleitend ist, wenn kein Strom in ihm fließt. Er wird durch das Anlegen von Strom zwischen den Klemmen 46a und 46& in den normalleitenden Zustand gebracht. Der zwisehen diesen Klemmen zugeführte Strom fließt durch den Zylinder 42, und wenn er den kritischen Strom des Zylinders übersteigt, geht dieser aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand über. Die Temperatur des Zylinders braucht also nicht verändert zu werden. Die Leiter 41,-42a, 42δ und 44 können aus Supraleitermaterial bestehen, aber das ist nicht unbedingt nötig. Hier wird angenommen, daß sie aus Kupfer sind.
Nachstehend sind die Abmessungen der Vorrichtung aufgeführt:

Abmessung	In der Figur dargestellt durch	Zum Beispiel
Durchmesser des Leiters 41.. Höhe des Zylinders 42 ...".. Stärke des Zylinders 42 ..... Innendurchmesser des Zylinders 42	D H T	13,5 μ 0,8 cm 3,8 μ 14,5 μ

Ein Ausschnitt des Zylinders 42 ist in F i g. 4B perspektivisch dargestellt. An der Oberfläche des Zylinders 42 können zwei verschiedene magnetische Felder vorliegen. Das erste ist das durch die nicht gezeigte Spule erzeugte magnetische Feld 47. Dieses erstreckt sich in vertikaler Richtung und wird nachstehend als das vertikale magnetische Feld VM bezeichnet. Der Fluß des vertikalen magnetischen Feldes VM wird in dem Zylinder 42 gespeichert oder eingefangen, wenn er aus dem normalleitenden in den supraleitenden Zustand übergeht.

Ein durch den Leiter 41 geschickter Strom erzeugt ein horizontales magnetisches Feld £TM. Dieses und

das vertikale magnetische Feld VM ergänzen einander zunehmendes horizontales Magnetfeld HM. Das horivektorenmäßig zu einem resultierenden magnetischen zontale magnetische Feld HM und das vertikale Feld RM. Wie schon erläutert, wird unter bestimmten magnetische Feld VM ergänzen einander vektoren-Bedingungen ein horizontaler Reaktionsstrom im mäßig und ergeben das resultierende Magnetfeld RM. Zylinder 42 erzeugt, dessen Richtung der Pfeil HC in 5 Wenn das Feld RM den Wert des kritischen magneti-Fi g. 4 B andeutet. Um den Zylinder 42 aus dem supra- sehen Feldes des Zylinders 42 erreicht, wird dieser leitenden in den normalleitenden Zustand zu bringen, normalleitend. In F i g. 3 B, wo die horizontale Achse wird von den Klemmen 46 α und 46 b aus Strom durch die Größe des auf den Zylinder 42 auffallenden horiihn hindurchgeleitet. Dieser Strom fließt im Zylinder 42 zontalen Magnetfeldes HM und die vertikale Achse in der dem Pfeil VC entsprechenden allgemein verti- io die Größe des auf den Zylinder 42 auftreffenden vertikalen Richtung. Außerdem wird durch das horizontale kalen Magnetfeldes VM darstellen, zeigt die gemagnetische Feld HM ein Vertikalstrom VC erzeugt. strichelte Linie die verschiedenen Kombinationen der

Die in F i g. 4 A gezeigte Vorrichtung arbeitet wie magnetischen Felder HM und VM, die ein resultierenfolgt: Zunächst wird im Zylinder 42 eine bestimmte des magnetisches Feld erzeugen, welches größer ist als Flußmenge gespeichert, d. h. eine bestimmte Zahl von 15 das kritische magnetische Feld des Zylinders 42. Wenn Flußquanten. Zu diesem Zweck wird Strom zwischen das horizontale und das vertikale magnetische Feld den Klemmen 46a und 46b durchgeleitet, um den Werte haben, deren Schnittpunkt in Fig. 3B rechts Zylinder 42 normalleitend zu machen, und von außen von der gestrichelten Linie hegt, ist das resultierende wird ein magnetisches Feld 47 in Richtung des Pfeils magnetische Feld RM größer als das kritische Feld (durch eine nicht gezeigte Spule)'angelegt, solange der 20 des Zylinders 42, und dieser ist normalleitend.
Zylinder normalleitend ist. Während sich der von Gemäß dem vorstehenden Beispiel waren anfänglich außen angelegte Fluß in dem Zylinder befindet, wird vier Flußquanten in dem Zylinder 42 gespeichert, der Stromfiuß zwischen den Klemmen 46a und 46b Daher hatte das vertikale magnetische Feld VM einen beendet, und daher kann der Zylinder 42 supraleitend Wert von k Einheiten (s. F i g. 3 B). Wenn der Strom werden und eine bestimmte Flußmenge .einfangen. 25 im Leiter 41 einen Wert erreicht, der ein horizontales Dann wird das externe Feld 47 aufgehoben. Jetzt ist magnetisches Feld HM von q Einheiten Größe erzeugt eine Flußmenge, die z.B. vier Quanten beträgt (als (s. horizontale Achse in F ig. 3B), ist da,s resultierende Wert k in F i g. 2 A dargestellt), in dem Zylinder 42 magnetische Feld RM gleich dem kritischen magnetigespeichert. Die Zahl der gespeicherten Flußquanten sehen Feld des Zylinders 42. Daher geht der Zylinder ist von der Größe des magnetischen Feldes 47 ab- 30 aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zuhängig, stand über.

Um Informationen aus der Vorrichtung auszulesen, Nachdem der Zylinder in den normalleitenden Zud. h., um die Zahl der im Zylinder 42 gespeicherten stand gelangt ist, ist der Fluß des vertikalen Magnet-Flußquanten zu bestimmen, wird ein größer werdender feldes VM nicht mehr innerhalb des Zylinders einge-Strom (s. Fig. 3A) durch den Leiter 41 geschickt. 35 fangen, und der Fluß in dem Zylinder beginnt sich zum Mit zunehmendem Strom im Leiter 41 entweicht der Außenzylinder auszuweiten. Beim Entweichen aus dem gespeicherte Fluß aus dem Zylinder 42 in quantisierten Zylinder überquert der Fluß den Abfrageleiter 44 und Mengen und erzeugt dabei eine Reihe von Impulsen in erzeugt dadurch einen Spannungsimpuls im Leiter 44. dem Abfrageleiter 44. Wenn zunächst vier Fluß- Nach dem Entweichen eines Flußquants aus dem quanten in dem Zylinder gespeichert sind, d. h., wenn 4° Zylinder 42 sinkt das vertikale magnetische Feld FAf der Fluß in dem Zylinder 42 zunächst den in F i g. 2 A auf den Wert j (F i g. 2 A und 3B) ab. Nach dem Entgezeigten Wert k hat, sinkt mit zunehmendem Strom weichen eines Flußquants aus dem Zylinder (während im Leiter 41 der Fluß zuerst auf den Wert j, dann auf das horizontale magnetische Feld HM noch etwa den Wert 1 und schließlich auf den Wert h ab. Die q Einheiten groß ist) übersteigt das resultierende Impulse im Leiter 44 kann man zählen und damit die 45 magnetische Feldi?Af nicht mehr das kritische Feld Zahl der zunächst im Zylinder 42 gespeicherten Fluß- des Zylinders 42, und daher kehrt dieser in den supraquanten feststellen. leitenden Zustand zurück. Mit weiterer Zunahme des

Einer der Grundsätze, auf denen die Erfindung Stroms im Leiter 41 wächst auch das horizontale

beruht, besteht darin, daß der Fluß aus dem Zylinder 42 magnetische Feld HM weiter an, und wenn es den

in quantisierten Beträgen entweicht und dadurch eine 50 Wert r (F i g. 3 B) erreicht, überschreitet es wieder das

Folge von Impulsen im Leiter 44 erzeugt. Der Mecha- kritische Feld des Zylinders 42. Daher geht der Zylin-

nismus, durch den die quantisierten Flußmengen aus der 42 aus dem supraleitenden in den normalleitenden

dem Zylinder 42 entweichen, wird nachstehend mit Zustand über, und ein weiteres Flußquant entweicht

Hilfe der während des Betriebs der Vorrichtung er- aus dem Zylinder 42 und erzeugt beim Kreuzen des

zeugten magnetischen Felder erklärt. Eine gleich- 55 Abfrageleiters 44 in diesem einen Spannungsimpuls,

wertige Erläuterung ließe sich mit Hilfe des in der Vor- Dann ist der Fluß im Zylinder auf den Wert i (F i g. 2 A

richtung vorhegenden Stroms geben. und 3B) gesenkt worden, und das resultierende magne-

Wenn die im normalleitenden Zustand des Zylin- tische Feld RM ist nicht mehr größer als das kritische

ders 42 angelegte Menge des magnetischen Flusses Feld des Zylinders. Wenn nun der Strom im Leiter 41

gleich der in F i g. 2 A als w angegebenen Menge ist, 60 weiter zunimmt, setzt sich der oben beschriebene

wird eine Menge magnetischen Flusses des vertikalen Prozeß fort, bis jedes der vier im Zylinder 42 einge-

Magnetfeldes FAf₉ die gleich der in F i g. 2 A ange- fangenen Flußquanten entwichen ist. Durch Zählen

gebenen Menge k ist, in dem Zylinder 42 gespeichert, der auf der Abfühlleitung 44 erscheinenden Impulse

nachdem er supraleitend geworden ist, und gemäß läßt sich die Zahl der ursprünglich im Zylinder 42 ge-

F i g. 2 C fließt nach Aufhebung des externen Feldes 47 65 speicherten Flußquanten bestimmen,
ein horizontaler Reaktionsstrom HC gleich ρ im Für die in F i g. 4 A gezeigte Auslegung mit den

Zylinder 42. Wenn danach der Strom im Leiter 41 ge- oben angegebenen Maßen würde die Größe der im

maß Fig. 3 A erhöht wird, ergibt sich dadurch ein Abfrageleiter 44 erscheinenden Impulse etwa bei 10 bis

7 8.

20 μν und die Breite der Impulse etwa bei 10~¹⁰ Sekun- schnell zunimmt, erscheinen die Impulse auf Leiter 44

den liegen. so schnell, daß es nicht möglich ist, die einzelnen

Die Eigenschaften der im Abfrageleiter 44 erschei- Impulse voneinander zu unterscheiden. Die Größe des nenden Impulse werden von zwei Faktoren bestimmt. dem Leiter 41 zugeführten Stroms ist direkt prober erste ist die Flußmenge, die den Abfrageleiter 44 5 portional dem kritischen magnetischen Feld des überquert, und der zweite ist die Geschwindigkeit, mit Zylinders 42. Die Größe des Stroms, der in. dem der der Fluß den Leiter 44 überquert. Sind zunächst Leiter 41 benötigt wird, um ein beliebiges Flußquant nur wenige Flußquanten im Zylinder 42 gespeichert, zu entnehmen, wird durch folgenden Ausdruck überquert bei jedem Übergang des Zylinders 42 aus wiedergegeben:

dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand io .

nur ein Flußquant den Abfrageleiter 44. Weiter unten 7 = 36 · 10~⁴ ]/#_c ^s — (0,13 w)²,

wird noch der Fall besprochen, in dem mehr als ein _Worin

Flußquant bei jedem Übergang des Zylinders 42 aus

dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand ^I== ^{der Stroin im Leiter 41}>

entweichen. 15 H₀ = die Magnetfeldgröße, die an der Innenfläche

Bekanntlich ist ein halbes Flußquant gleich 2,07 · des Zylinders 42 nötig ist, um den Zylinder aus

10~⁷ Gauß/cmA Die Geschwindigkeit, mit der der dem supraleitenden in den normalleitenden

Fluß den Abfrageleiter 44 überquert, läßt sich aus dem Zustand zu bringen (etwa gleich dem kritischen

folgenden bekannten Verhältnis errechnen: magnetischen Feld für eine dünne Schicht aus

_R ao demselben Material und derselben Stärke wie

Z=Z₀(T^, Zylinder 42),

η = die Zahl der im Zylinder 42 gespeicherten Fluß-

worin .. quanten darstellt.

Z "= der derzeitig bestehende Fluß in dem ^ ,,,,'.,.„

Zylinder ^a5 · ^^er vorstehende Ausdruck zeigt die Strommenge,

_ .. „. ' . , rr 1· j t · j die im Leiter 41 nötig ist, um den Zylinder 42 normal-

Z₀= die Flußmenge m dem Zyhnder bei dessen _{ldtend zu machen} ^ _{Verhältnis zu der Zahl der} ^

Übergang aus dem supraleitenden in den _Z]indet42 _gespei_cherten Flußquanten. Bei einer

normalleitenden Zustand, ; _mchen Betriebstemperatur hat Indium ein kritisches

. e = die Basis des natürlichen Logarithmus, - 30 magnetisches Feld von etwa 60 Oersted. Wenn

ί = Zeit, .. . ■._■_ anfangs im Zylinder 42 vier Flußquanten gespeichert

• R = der Widerstand des Materials des Zylinders sind,, hat die Vorrichtung einen Schwellenwert, d. h.

im normalleitenden Zustand, -■ das erste Quant entweicht, wenn der Strom im Leiter 41

• - L = die Induktivität des Gebildes gegenüber den ^etw\ 0,216-Amp. erreicht. Das nächste Quant entin horizontaler Richtung fließenden Strö- 35 weicht wenn danach der Strom um 3 5 μΑ erhöht

men ist ' . ' wird, das dritte Quant entweicht, wenn der Strom um

-...". weitere 2,6 μΑ erhöht wird, und das letzte Quant ent-

Die Geschwindigkeit, mit der der Fluß den Zylinder weicht bei Erhöhung des Stroms um weitere 1,5 μΑ.

verläßt, und damit die Größe der Spannung auf Ab- Die Erzeugung des im Leiter. 41 benötigten Stroms ist

fühlleiter 44, wird durch folgenden Ausdruck gegeben: 40 bekannt. Er könnte z. B. durch ein Potentiometer sehr

^Z 2 __tJL .. hoher Präzision oder durch langsames Aufladen eines

— —— e ^L , großen Kondensators und Verwendung der am Kon-

^t -Ll densator hegenden Spannung für die Erregung des

R . Leiters 41 erzeugt werden.

45 Die vorstehende Beschreibung der Wirkungsweise

Die Gesamtbreite jedes Impulses im Abrageleiter 44 der Vorrichtung hat sich auf die Wirkungsweise der

wird annähernd durch folgenden Ausdruck wieder- Vorrichtung in dem Fall bezogen, daß zunächst im

gegeben: Zyhnder 42 eine relativ geringe Zahl von Flußquanten

L - gespeichert war. Der Zylinder 42 kann eine sehr hohe

^" ■ ■ 50 Zahl von Flußquanten aufnehmen. Bei dem hiei

d =. , gezeigten Aufbau könnten etwa vierhunderttausend

ⁿ Flußquanten gespeichert werden, bevor das auf dieserj

worin Flußquanten beruhende vertikale magnetische Feld VM

d = die Breite jedes Impulses in Sekunden, allein den Zylinder 42 aus dem supraleitenden in der

η = die Zahl der Flußquanten im Zylinder bei 55 normalleitenden Zustand umschalter würde

dessen Übergang aus dem supraleitenden in . J« schon erwähnt, ist die Geschwindigkeit, mit dei

den normalleitenden Zustand, ^si^ch fe ^{m dem}, ^Z^^Ql ^{42 vorh}f^{ndeiie F uß n}f *

_ j. _, ..„ _. _n , „^ dem Übergang des Zylinders aus dem supraleitender

Q = die Große emes Flußquants darstellt. _{in den normalleitendeil Zustand zur} Außenseite dei

Aus den vorstehenden Ausdrücken geht hervor, daß 60 Zylinders 42 ausdehnt, abhängig von der Flußmenge

beim Ansteigen der Zahl der Flußquanten in dem die in dem Zyhnder gespeichert ist, wenn er aus den

Zylinder die Größe der im Abfühlleiter 44 erscheinen- supraleitenden in den normalleitenden Zustand über

den Spannungsimpulse zunimmt und ihre Breite geht. Sind in dem Zyhnder sehr viele Flußquantei

abnimmt. gespeichert, dehnt sich der Fluß schneller zur Außen

Einer der wichtigen Faktoren bei der Erfindung ist 65 seite des Zylinders hin aus. Daher verläßt ein Fluß

die Regelung des dem Leiter 41 zugeführten Stroms. quant den Zyhnder in kürzerer Zeit, wenn in den

Dieser Strom hat die Form einer langsam wachsenden Zylinder eine große Zahl von Flußquanten gespeicher

Rampenfunktion. Wenn der Strom im Leiter 41 zu ist. Dieselbe Flußmenge, die den Abfühlleiter 44 ii

9 10

kürzerer Zeit überquert, erzeugt einen Impuls, der Fluß aus dem Zylinder 42 entweicht, sowie der Anzah

größer ist und eine kürzere Dauer hat. von Malen, die der Abfrageleiter 44 um den Zylinder

Supraleitermaterial, wie z. B. Indium oder Zinn, gewickelt ist. Da durch eine Erhöhung der Windungs-

benötigt eine bestimmte Zeitdauer, um aus dem zahl des Abfrageleiters 44 um den Zylinder 42 die

supraleitenden in den normalleitenden Zustand zu 5 Geschwindigkeit, mit der der Fluß aus dem Zylinder 42

gelangen und ebenso um aus dem normalleitenden entweicht, verringert wird, wird durch die Verwendung

in den supraleitenden Zustand zu gelangen. Wenn die vieler Windungen sehr wenig erreicht. Diese Schwierig-

Zeit, die der Zylinder für den Übergang aus dem keit wird durch die in F i g. 5 gezeigte Anordnung

supraleitenden in den normalleitenden Zustand und beseitigt.

zurück in den supraleitenden Zustand benötigt, langer io Der Leiter 44' ist dort, wo er den Zylinder 42'

ist als die Zeit, die ein Flußquant zum Entweichen aus umgibt, 0,8 cm breit und dort, wo er als Steuer-

dem Zylinder 42 braucht, wenn das resultierende element 51 bezeichnet wird, 0,04 cm breit (in der

magnetische Feld den Zylinder 42 aus dem supra- Zeichnung ist um der Klarheit willen die Breite des

leitenden in den normalleitenden Zustand bringt, ent- Elements 51 übertrieben). Der Einfachheit halber wird

weichen mehr als ein Flußquant aus dem Zylinder, 15 in der nachstehenden Besprechung die Breite des

bevor dieser die Möglichkeit hat, in den supraleitenden Leiters 44' mit zwanzig Einheiten und des Steuer-

Zustand zurückzukehren. elementes 51 mit einer Einheit angegeben. Da der

Die Wirkungsweise der Vorrichtung unter Bedin- Leiter 44' einen eingeschnürten Teil enthält, kann er

gungen, bei denen bei jedem Übergang aus dem als Stromverstärker mit einem Verstärkungsfaktor 20

supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zu- 30 angesehen werden.

stand und umgekehrt mehr als ein Flußquant aus dem Die Anordnung nach Fig. 5 arbeitet wie folgt: Zylinder entweichen, wird durch die Impulse 1 und 2 Jede Einheit des Leiters 44', der den Zylinder 42' in F i g. 3 C veranschaulicht. Wenn zunächst eine umgibt, kann besonders betrachtet werden. In jeder relativ große Zahl von Flußquanten im Zylinder 42 Einheit des Leiters 44' wird dort, wo er den Zylinder 42 gespeichert ist, entweichen bei jedem Übergang aus dem 25 umgibt, eine bestimmte Strommenge erzeugt. Alle supraleitenden in den normalleitenden Zustand mehr diese Ströme werden dann im Steuerelement 51 komals ein Flußquant aus dem Zylinder 42. Dabei er- biniert, und das auf diesen Gesamtstrom zurückscheint ein relativ großer Impuls auf dem Abfrage- zuführende magnetische Feld wird benutzt, um Wider-Ieiter44. Diese großen Impulse werden durch die stand in das Torelement 52 einzuführen. Dadurch Impulse 1 und 2 dargestellt. Wenn nun nur wenige 30 erhält man eine Stromverstärkung. Da der Leiter 44' Quanten in dem Zylinder zurückbleiben, entweicht tatsächlich nur eine Windung um die Anordnung ausdanach bei jedem Übergang aus dem supraleitenden führt, wird dadurch die Induktivität nicht erhöht in den normalleitenden Zustand nur ein Flußquant wie bei einer Abfühlwicklung mit mehreren Windungen, aus dem Zylinder, und es erscheinen kleinere Impulse Die in F i g. 5 gezeigte Anordnung umfaßt außerauf dem Abfrageleiter 44. Diese kleineren Impulse 35 dem eine Spule 55, die zum Erzeugen des in F i g. 4A werden durch die Impulse 3 bis 8 dargestellt. mit 47 bezeichneten magnetischen Feldes dient. Um der

Die an den Klemmen 45 a und 45 b erscheinenden Deutlichkeit willen ist in F i g. 5 kein Isoliermaterial

Ausgangsimpulse können entweder durch eine Kryo- zwischen den beiden Schichten des Leiters 44' bzw.

tronringschaltung gezählt oder verstärkt und aus der zwischen dem Leiter 44' und dem Torelement 52 dar-

Kryotronanordnung ausgegeben und auf einem Oszil- 40 gestellt worden, aber es versteht sich, daß sich dort

loskop angezeigt werden. Isoliermaterial befindet.

Eine Anordnung mit Einrichtungen zum Verstärken Der Leiter 41' ist an die Klemmen 56 und 57 einer der Ausgangsimpulse ist in F i g. 5 dargestellt. Die- Stromquelle angeschlossen, auf die eine Rampenjenigen Bauelemente in Fig. 5, die funktionsmäßig funktion gemäß Fig. 3A angewendet wird, wie es gleichen Bauelementen in Fig. 4A entsprechen, sind 45 oben in bezug auf die Anordnung nach Fig. 4A mit übereinstimmenden Bezugsziffern versehen, die erläutert worden ist. Ähnlich wie bei der Anordnung aber Indexstriche aufweisen. nach Fig. 4A ist der Zylinder 42 zwischen zwei

Die in F i g. 5 gezeigte Vorrichtung besteht aus Klemmen 46a' und 46b' angeschlossen. Die Klem-

einem Leiter 41', einem Zylinder 42' und einem Ab- men 56, 57, 46α' und 46b' sind lediglich schematische

frageleiter 44'. Der Abfrageleiter 44' ist dort, wo er den 50 Darstellungen von Stromversorgungseinrichtungen.

Zylinder umgibt, relativ breit und weist dann einen Die Anordnung nach F i g. 5 arbeitet ähnlich wie

eingeschnürten Teil auf. Der eingeschnürte Teil wird . die gemäß Fig. 4A. Während des Betriebes erscheint

als Kryotronsteuerelement 51 benutzt. Dem Kryotron- eine Reihe von Stromimpulsen im Steuerelement 51,

steuerelement ist ein Torelement 52 zugeordnet, das ähnlich wie auch die Impulse im Abfrageleiter 44

aus einem Material, wie z. B. Indium, besteht, das 55 erschienen sind. Jeder dieser Impulse reicht aus, um

einen supraleitenden und einen normalleitenden Zu- das Torelement 52 aus dem supraleitenden in den nor-

stand hat. Das durch den im Steuerelement 51 fließen- malleitenden Zustand zu bringen und dadurch den

den Strom erzeugte magnetische Feld führt das Tor- Zustand der Schleifenschaltung zu ändern, die das

element 52 aus dem normalleitenden Zustand über in Torelement 52 enthält (hier nicht gezeigt). Nach dem

den supraleitenden Zustand. Der Abfrageleiter 44' 60 Erscheinen jedes Impulses im Steuerelement 51 wird

besteht aus Kupfer. die das Torelement 52 enthaltende Schleifenschaltung

Bei der in F i g. 4A gezeigten Anordnung wird die rückgestellt.

an den Ausgangsklemmen 45a und 45b erscheinende Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt

Spannung nicht wesentlich vergrößert, wenn der F i g. 6. Dieses ist vollständig in Form ebener, dünner

Abfrageleiter 44 sehr viele Male um den Zylinder 42 65 Schichten aufgebaut. Um die Übereinstimmung zwi-

herumgewickelt wird. Der Grund dafür ist, daß die sehen dem dritten Ausführungsbeispiel und dem

an den Klemmen 45 a und 45 b erscheinende Spannung ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel zu

eine Funktion der Geschwindigkeit ist, mit der der zeigen, werden, wo es möglich ist, in F i g. 6 dieselben

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Bezugsziffern wie in F i g. 4 A und 5 verwendet, jedoch nun mit einem doppelten Indexstrich.

Die Anordnung nach F i g. 6 umfaßt einen Leiter 41", einen Zylinder 42" und einen Abfrageleiter 44". Das ganze Gebilde befindet sich auf einem Substrat 62, das mit einer supraleitenden Abschirmung 69 bedeckt ist. Die Abschirmung 69 wird als Rückkehrpfad für den Strom im Abfrageleiter 44" benutzt. Außerdem enthält die Anordnung ein Torelement 52" und einen Leiter 55" zum Erzeugen des magnetischen Feldes. Ein Teil des Leiters 55" ist weggelassen worden, um das Steuerelement 51" sichtbar zu machen. Jeder Leiter ist von den anderen Leitern durch Isoliermaterial 61 getrennt.

Das Gebilde von F i g. 6 hat folgende Abmessungen: Af = 10 000 Angström
JV= 5 000 Ängström
O = 25 μ
P = 125 μ
Q= 1 cm
R = 0,9 cm.

Die Vorrichtung nach F i g. 6 hat alle in den anderen Ausführungsbeispielen gezeigten Anschlüsse und arbeitet ebenso wie die Vorrichtung nach F i g. 5. Bei den oben angegebenen Abmessungen liegt das magnetische Feld, das über dem Torelement 52" durch den Impuls 8 (F i g. 3B) erzeugt wird, etwa bei 1,4 Oersted. Dies genügt, um den Zustand des Torelements 52" zu verändern, wenn eine nahe der kritischen Temperatur des Elements 52" liegende Temperatur verwendet wird. Ist jedoch eine relativ hohe Wiederholungsfrequenz erwünscht, muß man eine niedrigere Temperatur verwenden und das Torelement 52" entsprechend vormagnetisieren.

Die Leiter 42a und 42b (und die entsprechenden Leiter in den anderen Anordnungen) können auch wegfallen. In diesem Fall wird der Zylinder 42 durch einen relativ großen Strom im Leiter 41 normalleitend gemacht, um Fluß darin zu speichern. Es kann aber auch der Leiter 41 (und der entsprechende Leiter in jedem anderen Ausführungsbeispiel) weggelassen und der Entnahmestrom ; durch den Zylinder 42 geleitet werden. In diesem Falle muß irgendeine Einrichtung, z. B. ein sich verjüngender leitender Ring am oberen und am unteren Teil des Zylinders, verwendet werden, um sicherzustellen, daß der Strom in dem Zylinder in vertikaler Richtung fließt. Durch die Verwendung eines leitenden Ringes am oberen und am unteren Teil des Zylinders wird dafür gesorgt, daß der Zylinder einheitlich schaltet und falsche Ausgangsimpulse nicht vorkommen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abfragen des Speicherzustandes eines Speichers mit geschlossener supraleitender Leiterschleife und einer mit dieser fest gekoppelten Abfragewicklung durch kurzzeitiges

ίο Überführen eines Teiles der Leiterschleife vermittels eines ansteigenden Magnetfeldes in den normalleitenden Zustand und Auswerten eines dabei in der Abfragewicklung induzierten Ausgangsimpulses, dadurch gekennzeichnet, daß die Anstiegsgeschwindigkeit des Magnetfeldes gegenüber der Geschwindigkeit, mit welcher die Leiterschleife vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand zurückkehrt, so gering gewählt wird, daß stets nur ein Flußquant oder

ao eine vorbestimmte geringe Anzahl von Flußquanten des in der Leiterschleife gespeicherten Magnet-

. flusses gleichzeitig aus der Leiterschleife austreten kann und die beim Ansteigen des Magnetfeldes nacheinander aus der Leiterschleife austretenden Flußquanten bzw. Flußquantengruppen in der Abfragewicklung" deutlich voneinander getrennte Ausgangsimpulse induzieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des ansteigenden Magnetfeldes (HM) senkrecht auf der Richtung des in der Leiterschleife gespeicherten Magnetflusses steht.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschleife ein dünnwandiger Zylinder (42, 42', 42") und die Einrichtung zur Erzeugung des ansteigenden Magnetfeldes ein in Längsrichtung durch den Zylinder führender Leiter (41, 41', 41") oder die in Längsrichtung erregte Wand des Zylinders (42, 42', 42") selbst ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abfrageleiter (44', 44") ein weiterer, den Zylinder (42', 42") umfassender dünnwandiger Hohlkörper ist, der an einer Stelle als Steuerelement (51, 51") eine Einschnürung aufweist, mit welcher er zur Erzielung einer Stromverstärkung auf das in seinem Leitfähigkeitszustand umsteuerbaren Torelement (52, 52") eines supraleitenden Ausgangsleiters einwirkt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

609 569/318 5.66

' Bundesdruckerei Berlin