DE1260047B

DE1260047B - Starkstrom-Kryotron

Info

Publication number: DE1260047B
Application number: DES96150A
Authority: DE
Inventors: Dr Isolde Dietrich; Dipl-Ing Wilhelm Kafka; Dipl-Chem Ludwig Schwank; Dipl-Phys Hans-Guenth Kadereit
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-03-24
Filing date: 1965-03-24
Publication date: 1968-02-01
Also published as: SE345560B; DE1265891B; NL6603744A; CH474883A; NL148189B; US3488617A; GB1108414A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIf

Deutsche Kl.: 21g-35

Nummer: 1260 047

Aktenzeichen: S 96150 VIII c/21 g

Anmeldetag: 24. März 1965

Auslegetag: 1. Februar 1968

Unter dem Begriff Kryotron versteht man ein Bauelement mit einem Torleiter aus Supraleitungsmaterial, der durch ein Magnetfeld vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand schaltbar ist. Bauelemente dieser Art werden in der Schwachstromtechnik, vorzugsweise in Rechenmaschinen, als logische Bausteine verwendet.

Bei Verwendung dieser Bausteine in der Schwachstromtechnik steht das Problem der Schaltgeschwindigkeit im Vordergrund. Bei der Verwendung in der Starkstromtechnik werden andere Anforderungen an Kryotrons gestellt. Sie sollen hier bei großer Strombelastbarkeit im supraleitenden Zustand eine hohe Spannung ohne nennenswerte Verluste im normalleitenden Zustand sperren können. Dies bedeutet, daß der Torleiter des Kryotrons ein möglichst großes Produkt aus kritischer Stromdichte · spezifischem Widerstand im normalleitenden Zustand bei der tiefen Arbeitstemperatur besitzen muß. Man kann zwar durch Vervielfachung der Schaltstreckenlänge die Verluste bei gegebener Schaltleistung herabsetzen. Bei einem bekannten Starkstrom-Kryotron (vgl. Cryogenics, August 1964, S. 212 bis 217, insbesondere Fig. 16 auf S. 212) wird die Vervielfachung durch Falten eines supraleitenden Bandes bewirkt. Diese Lösung ist aber nicht befriedigend, da sie viel Material und Platz erfordert. Außerdem wird durch sie weder die kritische Stromdichte noch der spezifische Widerstand im normalleitenden Zustand beeinflußt. Die vorliegende Erfindung betrifft eine wesentlich vorteilhaftere Lösung des genannten Problems.

Das erfindungsgemäße Starkstrom-Kryotron ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Torleiter eine Faden-, Schicht- oder Schwammstruktur der Art gegeben ist, daß im normalleitenden Zustand des Materials bei der Betriebstemperatur die freie Weglänge der Elektronen kleiner als beim Ausgangsmaterial ohne besondere Struktur ist.

Bei dieser Lösung ist durch die Struktur des Torleiters dafür gesorgt, daß die freie Weglänge kleiner als beim Ausgangsmaterial ist. Hierdurch wird der spezifische Widerstand im normalleitenden Zustand und damit das Produkt aus kritischer Stromdichte und spezifischem Widerstand vergrößert.

Eine Schichtstruktur des Torleiters wird erhalten, wenn auf eine Trägerfolie abwechselnd Schichten aus Supraleitungs- und Isoliermaterial aufgebracht werden. Die Supraleitungsschichten mit einer Dicke von jeweils 10~⁷ bis 10~⁵ cm können hierbei aufgedampft, durch Kathodenzerstäubung, chemische Verfahren oder Abscheiden aus der Dampfphase Starkstrom-Kryotron

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. Isolde Dietrich, 8000 München;

Dipl.-Ing. Wilhelm Kafka, 8540 Tennenlohe;

Dipl.-Chem. Ludwig Schwank, 8500 Nürnberg;

Dipl.-Phys. Hans-Günther Kadereit,

8000 München

aufgebracht werden. Für das Aufbringen der Isolierschichten eignen sich Aufdampfen, chemische Verfahren, anodisches Oxydieren oder thermisches Oxydieren.

Eine Schwammstruktur, die die freie Weglänge der Elektronen verkürzt, erhält man beispielsweise dadurch, daß man Supraleitungsmaterial bis zum flüssigen Zustand erhitzt, mit festen, pulverisierten, schlecht leitenden Stoffen vermischt und anschließend abkühlt. Es können auch feingekörntes Supraleitungsmaterial und feingekörntes Einschlußmaterial vermischt und anschließend gesintert oder zusammengeschmolzen werden. Außerdem können Teilchen eines Pulvers aus Supraleitungsmaterial an der Oberfläche oxydiert oder chemisch mit einem Isolierüberzug versehen und dann gesintert oder zusammengeschmolzen werden. Weitere Verfahren bestehen darin, daß die Teilchen eines Pulvers aus einem Supraleiteroxyd oberflächlich reduziert und dann gesintert oder zusammengeschmolzen werden, daß Pulver aus Supraleitungsmaterial porös gesintert wird oder daß das Supraleitungsmaterial bis zum flüssigen Zustand erhitzt und in der Schmelze Stoffe gelöst werden, die beim Abkühlen feinverteilt ausgeschieden werden und schlecht leitende Einschlüsse bilden. Schließlich kann man in einen porösen Körper mit zusammenhängenden Poren unter Vakuum die Lösung eines Salzes eines Supraleitungsmaterials einbringen, dann das Lösungsmittel verdampfen und anschließend das Salz reduzieren.

Die Erfindung wird durch Beispiele erläutert. Diese beziehen sich auf Herstellungsverfahren und

709 747/454

auf Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren, die in zwei Figuren skizziert sind.

Zur Herstellung eines Starkstrom-Kryotrons mit Schichtstruktur wird auf einen Träger aus Isoliermaterial, beispielsweise aus Keramik oder einer Isolierfolie, z. B. Polyäthylenterephthalat, in einer Vakuumkammer zuerst eine Schicht aus einem geeigneten Supraleiter, z. B. Blei, Niob, Vanadium, Tantal, Zinn und Indium, oder Legierungen zwischen Blei, Zinn und Indium aufgedampft. Dann wird eine dünne Isolierschicht aufgebracht, z. B. durch Aufdampfen oder Aufsprühen eines Lackes oder durch Aufdampfen von Aluminium oder Silicium mit nachfolgendem Oxydieren, oder durch chemische Umwandlung der Oberfläche der supraleitenden Schicht zu einer Isolationsschicht. Darüber wird wieder eine Schicht des Supraleiters aufgedampft, dann wieder eine Isolierschicht usw., bis man eine solche Zahl von dünnen Schichten erhalten hat, die den gewünschten Strom im supraleitenden Zustand tragen kann. Die Dicke der Schichten des Supraleitungsmaterials soll kleiner als die freie Weglänge der Elektronen im Fall des normalleitenden Zustandes bei der Betriebstemperatur sein. Die Dicke der Schichten liegt etwa in der Größenordnung von 10~⁷ bis 10~⁵ cm. Legt man eine Breite von 1 cm der supraleitenden Schichten zugrunde, so erhält man bei 1000 Schichten von ΙΟ"⁶ cm Dicke einen gesamten Supraleiterquerschnitt von 10~³ cm². Dieser ist imstande, etwa 1000 Ampere zu führen. Der ohmsche Widerstand im normalleitenden Zustand bei 4 ⁰K beträgt jedoch im Gegensatz zu einem massiven Leiter gleichen Querschnitts etwa das 10-bis lOOfache. Die kritische Magnetfeldstärke dagegen ist nur mäßig erhöht.

Damit der Kontakt an den Enden des Torleiters leicht hergestellt werden kann, werden die Isolierschichten zwischen den supraleitenden Schichten zweckmäßig durch Anwendung von Masken nicht bis an die Kontaktstellen geführt. Es empfiehlt sich vielmehr, die supraleitenden Schichten an diesen Stellen so zu verstärken, daß sich trotz Fehlens der Isolierschichten die volle Gesamtdicke ergibt. Wird ein weiches Supraleitungsmaterial verwendet, dann empfiehlt es sich, an den Enden des Torleiters an Stelle der Isolierschichten hartes supraleitendes Material vorzusehen und den Torleiter mit einem harten Supraleiter zu kontaktieren. Hierdurch wird erreicht, daß sich der Strom gleichmäßig auf die einzelnen Schichten des Torleiters verteilt.

Das Verfahren zum Aufbringen einer so großen Zahl von Schichten kann automatisiert und damit entsprechend verbilligt werden. Zwei Vorrichtungen hierfür sind in den F i g. 1 und 2 dargestellt.

F i g. 1 läßt in einer Vakuumkammer 1 eine gekühlte Unterlage 2 für einen Träger 3 erkennen. Die Enden des Trägers können durch eine Maske S abgedeckt werden, die mit Hilfe von Elektromagneten 6 in ihre Arbeitslage gebracht werden kann. Unterhalb der Maske befindet sich ein Zerstäuber? für Lack und seitlich etwas versetzt ein Tiegel 8 mit Blei. Dieser ist mittels eines Heizstromes heizbar, der durch den Schalter 9 eingeschaltet werden kann. Die Rohrleitungen 10, 11 und 12 dienen zur Herstellung des Vakuums und zur Zufuhr von Lack und Kühlwasser. Nach dem Einbringen des Trägers in die Vakuumkammer wird die Bedampfung mit Blei durch Einschalten eines Heizstromes eingeleitet und durch Ausschalten nach einer gewissen Zeit wieder unterbrochen. Das nachfolgende Zerstäuben von Lack, das An- und Abschalten der Vakuumpumpe, das Kühlen des Trägers für den Supraleiter und das Bewegen der Maske mittels der Elektromagneten wird in regelmäßiger Reihenfolge durch einen Programmgeber besorgt. In der Vakuumkammer können dabei mehrere Kryotrons gleichzeitig nach demselben Programm hergestellt werden. Statt die verschiedenen Behandlungen in nur einer Kammer durchzuführen, können auf einem endlosen Band, einer Kette oder einem Karussell Kryotrons montiert sein und durch mehrere Kammern durchgeschleust werden, in denen nur einzelne oder mehrere gut miteinander zu vereinbarende Behandlungen vorgenommen werden. Die Zahl der Umläufe entspricht der Zahl der supraleitenden Schichten.

Man kann ein automatisches Verfahren z. B. in der Weise durchführen, daß ein langes Band spiralig oder viele Bandstücke nebeneinander auf eine Trommel gewickelt sind und die Trommel zwei oder mehr im Kreis angeordnete Vakuumkammern durchläuft, die durch an Pumpen angeschlossene Schleusen voneinander getrennt sind. In einer Kammer wird Blei verdampft und auf das Band niedergeschlagen. In. einer zweiten Kammer wird Magnesium verdampft und auf dem Bleiüberzug des Bandes niedergeschlagen, und in einer dritten Kammer wird das Band erwärmt und das Magnesium in einer Sauerstoffatmosphäre oxydiert.

Eine Vorrichtung für ein Herstellungsverfahren dieser Art ist in F i g. 2 dargestellt. Die Figur läßt eine in einem zylindrischen Gehäuse 13 drehbar gelagerte Trommel 14 erkennen, deren Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Gehäuses ist, so daß ein ringförmiger Zwischenraum entsteht, der durch Schleusen 15 segmentartig in einzelne Kammern unterteilt ist. Die Kammer 16 dient zum Aufdampfen von Blei; es ist in ihr deshalb eine Atmosphäre aus Bleidampf vorhanden. Die Kammer 17 dient zum Aufdampfen von Magnesium und die Kammer 18 zur Oxydation des Magnesiums. Im Bereich der Kammern 16 und 17 wird die Trommel 14 mittels Kühlrohren 19 gekühlt, und im Bereich der Oxydationskammer 18 wird die Trommel mittels der Heizstrahler 20 erwärmt. Mit 21 ist das spiralig aufgewickelte Band bezeichnet, auf dem abwechselnd Blei und Magnesium niedergeschlagen und anschließend das Magnesium oxydiert wird. Mittels der dargestellten Vorrichtung lassen sich Torleiter für Starkstrom-Kryotrons herstellen, deren Länge etwa V3 des Umfangs der Trommel 14 entspricht. Die Unterteilung durch Schleusen ist so gewählt, daß sich die Kammer zum Aufdampfen der Supraleiterschicht etwa über V3 des Umfangs der Trommel und die Kammern zum Herstellen der Isolationsschicht auf etwas weniger als ¹A des Umf anges der Trommel erstrecken. Hierdurch wird erreicht, daß an den Enden des Torleiters die einzelnen Supraleitungsschichten unmittelbar aufeinanderliegen, so daß sich hier ein guter Kontakt herstellen läßt. Man hat bei der dargestellten Vorrichtung durch eine weitere Kammer 22 noch die Möglichkeit, an den Enden der Torleiter jeweils zwischen die Supraleitungsschichten, die in der Kammer 16 aufgedampft werden, eine Schicht aus hartem Supraleitungsmaterial einzubringen. Wird die Trommel 14 nach jedem Aufdampfvorgang um etwa ¹Zs weitergedreht, dann befindet

sich beispielsweise nach dem ersten Schritt der rechte Abschnitt von dem unteren stark ausgezogenen Torleiter 23 im Bereich der Kammer 22 und nach dem zweiten Schritt der linke Teil dieses Torleiters, Vor der Einwirkung der Magnesium- und Sauerstoffatmosphäre sind diese Teile durch die Kammern 24 und 25 geschützt. Die Schleusen 15 enthalten Trennwände, zwischen denen ein Vakuum hergestellt wird, so daß die Atmosphäre der einen Kammer nicht in die benachbarte Kammer dringen kann. Ist bei dem Herstellungsverfahren mit der beschriebenen Vorrichtung durch eine entsprechende Anzahl von Schritten die gewünschte Schichtenzahl erreicht, dann wird das Supraleitungsband abgenommen und an den Stellen ohne Schichtisolation zerschnitten und kontaktiert.

Man kann durch eine gleichförmige Drehung die Trommel mit dem Band auch kontinuierlich durch die Kammern laufen lassen. Dann entsteht ein Band mit abwechselnden Schichten aus Supraleiter und Isolation, das über die ganze Länge gleichmäßig ist. Ein derartiges Band kann man beispielsweise mehrfach gefaltet verwenden. Es ist auch möglich, nach diesem Herstellungsprinzip kürzere Torleiter zu gewinnen, wenn nämlich die Stellen, an denen die Kontakte gewünscht werden, in der Zeit, während sie durch die Kammern für das Aufbringen der Isolationsschicht laufen, abgedeckt werden. Dies kann nach einem Programm erfolgen in ähnlicher Weise wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1.

Wie bereits erwähnt, kann der Weglängeneffekt auch durch Supraleiter, die nicht aus dünnen Schichten bestehen, verwirklicht werden, wenn im massiven Material eine große Zahl von feinverteilten, schlecht leitenden Einschlüssen enthalten ist. Die Zahl der Einschlüsse wird so gewählt, daß die verbleibenden durchgehenden supraleitenden Fasern mindestens so dick sind, daß noch keine unerwünschte Vergrößerung der kritischen Feldstärke auftritt, andererseits aber so dünn, daß der Weglängeneffekt im normalleitenden Zustand den ohmschen Widerstand auf das Mehrfache vergrößert. Es ist günstig, wenn die Fasern nicht gleichmäßig dick sind, sondern Einschnürungen und Verdickungen aufweisen. An den dicken Stellen ist die kritische Feldstärke sehr niedrig, d. h., hier kann mit einer kleineren Feldstärke gesteuert werden, und an den dünnen Stellen ist der Weglängeneffekt gut ausgeprägt. Beim Steuern mit einem Magnetfeld werden zunächst die dicken Stellen in den normalleitenden Zustand gebracht und durch die hierbei entstehende Wärme die benachbarten dünnen Stellen ebenfalls normalleitend. Man bekommt so die dünnen Stellen bereits bei einem niedrigeren Feld in den normalleitenden Zustand, als wenn die Fäden überall gleich dünn ausgebildet wären. Die dicken Stellen sollen etwa der Eindringtiefe des Supraleiters entsprechen, bei Blei also etwa 10~^c bis 10~³ cm dick sein, während die dünnen Stellen zur Erhöhung des ohmschen Widerstandes etwa 10~⁷ bis 10~⁶ cm dick sein sollen.

Als Supraleitermaterial mit verhältnismäßig niedriger kritischer Feldstärke und hoher Sprungtemperatur kommen beispielsweise in Frage Blei, Niob, Vanadium, Tantal, Zinn und Indium sowie die Legierungen zwischen Blei, Zinn und Indium. Als Einschlüsse kann man die Oxyde der genannten Supraleiter, ferner Oxyde, Karbonate und andere Verbindungen von Aluminium, Magnesium, Silicium, Eisen, Kohlenstoff, wie z. B. Ruß, Asbest oder Gaseinschlüsse benutzen.

Wie bereits erwähnt, besteht ein Herstellungsverfahren für einen Torleiter mit Schwammstruktur darin, daß in einen porösen Körper mit zusammenhängenden Poren unter Vakuum die Lösung eines Salzes eines Supraleitungsmaterials eingebracht, dann das Lösungsmittel verdampft und anschließend das Salz reduziert wird. Als poröser Körper kann ein

ίο Keramikkörper oder ein Sinterkörper verwendet werden. Das Material muß so ausgewählt sein, daß es bei tiefen Temperaturen nicht zerstört wird. In die zusammenhängenden Poren wird eine Lösung, beispielsweise aus Bleinitrat oder Bleiacetat, eingebracht. Je nach der Konzentration dieser Lösung ist in den Poren eine mehr oder weniger große Menge von Bleisalz enthalten. Das Lösungsmittel wird verdampft und anschließend das Bleisalz in Wasserstoffatmosphäre bei etwa 200 bis 300⁰C

ao reduziert. Es entsteht ein Bleibelag an den Porenwänden, der zusammenhängend ist. Die Dicke dieses Bleibelages wird im wesentlichen durch die Konzentration der Bleisalzlösung und die Porengröße bestimmt.

Claims

Patentansprüche:

1. Starkstrom-Kryotron, dadurchgekennzeichnet, daß dem Torleiter eine Faden-, Schicht- oder Schwammstruktur der Art gegeben ist, daß im normalleitenden Zustand des Materials bei der Betriebstemperatur die freie Weglänge der Elektronen kleiner als beim Ausgangsmaterial ohne besondere Struktur ist.

2. Starkstrom-Kryotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zwischenräumen des supraleitenden Materials Isolier- oder Halbleitermaterial enthalten ist.

3. Herstellungsverfahren für ein Starkstrom-Kryotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Träger aus Isoliermaterial abwechselnd Schichten aus Supraleitungs- und Isolationsmaterial aufgebracht werden.

4. Herstellungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Supraleitungsschichten aufgedampft werden.

5. Herstellungsverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichten durch Aufsprühen von Lack erzeugt werden.

6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichten durch chemische Umwandlung der Oberfläche der supraleitenden Schicht erzeugt werden.

7. Herstellungsverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichten durch chemische Umwandlung einer aufgebrachten zweiten Schicht erzeugt werden.

8. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß berm Aufbringen der Isolierschichten die Enden des Torleiters abgedeckt werden, so daß hier die supraleitenden Schichten unmittelbar aufeinanderliegen.

9. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden des Torleiters an Stelle der Isolier-

schichten supraleitendes Material, vorzugsweise hartes supraleitendes Material, aufgebracht wird.

10. Herstellungsverfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichten abschnittsweise auf einem längeren Band in der gewünschten Länge des Torleiters aufgebracht werden und das Band nach Erreichen der gewünschten Dicke an den isolationsfreien Stellen durchschnitten wird.

11. Herstellungsverfahren für ein Starkstrom-Kryotron nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Supraleitungsmaterial bis zum flüssigen Zustand erhitzt, mit festen pulverisierten, schlecht leitenden Stoffen vermischt und anschließend abgekühlt wird.

12. Herstellungsverfahren für ein Starkstrom-Kryotron nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß feingekörntes Supraleitungsmaterial und feingekörntes Einschlußmaterial vermischt und anschließend gesintert oder zusammengeschrnolzen werden.

13. Herstellungsverfahren für ein Starkstrom-Kryotron nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen eines Pulvers aus Supraleitungsmaterial an der Oberfläche oxydiert oder chemisch mit einem Isolierüberzug versehen und dann gesintert oder zusammengeschmolzen werden.

14. Herstellungsverfahren für ein Starkstrom-Kryotron nach-Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen eines Pulvers aus einem Supraleiteroxyd (Mennige) oberflächlich reduziert und dann gesintert oder zusammengeschmolzen werden.

15. Herstellungsverfahren für ein Starkstrom-Kryotron nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Pulver aus Supraleitungsmaterial porös gesintert wird.

16. Herstellungsverfahren für ein Starkstrom-Kryotron nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Supraleitungsmaterial bis zum flüssigen Zustand erhitzt und in der Schmelze Stoffe gelöst werden, die beim Abkühlen feinverteilt ausgeschieden werden und schlecht leitende Einschlüsse bilden.

17. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter zu einem Band gewalzt oder zu einem Draht ausgezogen wird.

18. Herstellungsverfahren für ein Starkstrom-Kryotron nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einen porösen Körper aus schlecht leitendem Material mit zusammenhängenden Poren unter Vakuum die Lösung eines Salzes eines Supraleitungsmaterials eingebracht, dann das Lösungsmittel verdampft und anschließend das Salz reduziert wird.

19. Vorrichtung für das Herstellungsverfanren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, gekennzeichnet durch eine in einem zylindrischen Gehäuse (13) drehbar gelagerte Trommel (14), deren Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Gehäuses ist, so daß ein ringförmiger Zwischenraum entsteht, der durch Schleusen (15) segmentartig in einzelne Kammern (16, 17, 18) unterteilt ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (14) hohl ausgebildet ist und in dem Hohlraum ein Kühlsystem (19) und gegebenenfalls ein Heizsystem (20) angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 3 100 723;
Elektrie 1964, Nr. 12, S. 401 bis 407;
Cryogenics, 1964, Augustheft, S. 212 bis 217.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen