DE2013425A1

DE2013425A1 - Supraleitende Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2013425A1
Application number: DE19702013425
Authority: DE
Inventors: Arnold H Farmington Mich.; Zimmerman James E. Santa Ana Calif.; Silver (V.St.A.)
Original assignee: Ford-Werke AG, 5000 Köln-Deutz
Priority date: 1969-03-21
Filing date: 1970-03-20
Publication date: 1970-10-01
Also published as: GB1302904A; US3622881A; NL7003625A

Description

DR. A. KÖHLER M. SCHROEDER TELEFON: 374743 8 MÖNCHEN 13 TELEGRAMME: CARBOPAT FRANZ-JOSEPH-STRASSE 48

- US-I -

Ford-Werke A.G., Köln-Deutz

Supraleitende Schaltungsanordnung

Nachfolgend wird eine supraleitende Schaltungsanordnung beschrieben, die als Voltmeter höchster Empfindlichkeit oder als Generator verwendet werden kann, der eine Spannung von imwesentliehen konstanter Amplitude erzeugt. Sie besitzt ein supraleitendes Material mit einem in diesem angeordneten schwachen Glied und Mitteln zum Anlegen einer Spannung unb.ekannter Grosse an das schwache Glied. Ein Oszillator ist mit seinem Ausgang mit dem schwachen Glied gekoppelt, so daß das Ausgangssignal des Oszillators einen schwingenden Strom durch dieses erzeugt. Die Spannung von unbekannter Grosse verursacht das Auftreten eines schwingenden Stroms durch das schwache Glied mit einer Frequenz, die proportional zur unbekannten Grosse der Spannung ist. Das schwache Glied mischt die Frequenz der beiden Ströme und ein Demodulator

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demoduliert die Frequenz des durch die Spannung von unbekannter Grosse erzeugten schwingenden Stroms. Wenn die Schaltungsanordnung als Voltmeter verwendet werden soll, kann an den Demodulator ein Frequenzmesser angeschaltet werden, dessen Skala in Spannungseinheiten ablesbar ist. Wenn die Schaltungsanordnung als Generator einer Spannung von einer im wesentlichen konstanten Amplitude verwendet werden soll, kann eine Vergleichsfrequenz einem Komparator zugeführt werden, der ferner den Ausgang aus dem Demodulator aufnimmt. Der Ausgang aus dem Komparator kann durch geeignete Mittel zu dem schwachen Glied rückgekoppelt werden und die Amplitude der Spannung von im wesentlichen konstanter Grosse kann an einem mit dem supraleitenden Material verbundenen Schaltungselement abgelesen werden.

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Schaltungsanordnung insbesondere von der Art, bei welcher Wechselstrom-Josephsoneffekte verwendet werden, um entweder ein Voltmeter von höchster Empfindlichkeit oder einen Generator einer Spannung von im wesentlichen konstanter Grosse zu schaffen.

Es ist bekannt, daß supraleitende Vorrichtungen, die schwache Glieder zwischen zwei supraleitenden Elementen haben, wie Punktkontakte, dünne Schichten Isoliermaterial oder ein verringerter Querschnitt, Wechselstromenergie erzeugen, deren Frequenz proportional dem Spannungsabfall an dem schwachen Glied ist. Dies ist als der Wechselstrom-Josephsoneffekt bekannt. Diese Spannung hat oft eine sehr geringe Grosse und läßt sich nicht ohne weiteres feststellen.

Durch die Erfindung soll eine unkomplizierte und billige Schaltungsanordnung zur Messung der Spannung am schwachen Glied sowie ein Mittel zur Erzeugung einer Spannung, die eine im wesentlichen konstante Amplitude hat, geschaffen werden.

Die Erfindung ist auf ein brauchbares supraleitendes Volt-

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meter von höchster Empfindlichkeit sowie auf eine supraleitende Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Spannung von im wesentlichen konstanter Amplitude -gerichtet. Es wird ein supraleitendes Material verwendet, in welchem sich ein schwaches Glied befindet, beispielsweise ein Punktkontakt, eine dünne Schicht Isoliermaterial oder ein verringerter Querschnitt; wenn eine Gleichspannung an ein solches schwaches Glied gelegt wird und das Material auf eine kritische Supraleitungstemperatur gebracht wird, wird an dem schwachen Glied eine Wechselspannung erzeugt. Diese Spannung kann sehr klein und durch herkömmliche elektronische Mittel praktisch nicht feststellbar sein. Erfindungsgemäß ist ein Oszillator, der eine VJechselstromleistung, vorzugsweise im Hochfrequenzbereich, erzeugt_s mit dem schwachen Glied gekoppelt und hat vorzugsweise eine ausreichende Leistung zur Erzeugung eines oszillierenden Stroms bzw. Schwingstroms durch das. schwache Glied, der gleich dem kritischen Strom des schwachen Gliedes ist. Die beiden Wechselspannungen durch das schwache Glied werden durch dieses gemischt, um eine amplitudenmodulierte Welle zu erzeugen. Mit dem schwachen Glied ist ein Demodulator gekoppelt_B der die Frequenz der durch den Oszillator erzeugten elektrischen Energie unterdrückt, so daß ein Signal mit einer Frequenz bleibt, das zu der an das schwache Glied gelegten Gleichspannung proportional ist.

Der Ausgang aus dem Demodulator kann einem Frequenzmesser zugeführt werden, der eine Anzeige der an das schwache,Glied gelegten Gleichspannung liefert. Dieser Frequenzmesser kann direkt mit Spannungseinheiten im Beipe&eh der angelegten Gleichspannung geeicht werden.

Bei einer weiteren Ausfuhrungöform der Erfindung kann der Ausgang aus dem Demodulator einem Komparator zugeführt werden und eine Quelle elektrischer Energie von Normalfrequenz kann ebenfalls dem Komparator zugeführt werden. Der

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Komparator erzeugt dann einen Ausgang, der einem elektronischen Schaltelement, vorzugsweise einem integrierenden Verstärker, zur Erzeugung eines Fehlersignals oder -Stroms zugeführt werden kann. Der Strom bzw. das Signal können dann über geeignete Mittel zum schwachen Glied rückgekoppelt werden. Als Folge dieser Rückkopplungsanordnung tritt am schwachen Glied eine Spannung auf, die eine im wesentlichen konstante Amplitude hat. Bei einer solchen Anordnung wird durch die Erfindung ein Generator erhalten, der elektrische Energie mit einer im wesentlichen konstanten Amplitude erzeugt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines supraleitenden Voltmeters von höchster Empfindlichkeit, mit dem extrem niedrige Spannungen gemessen werden können.

Desgleichen soll durch die Erfindung ein supraleitender Generator von höchster Empfindlichkeit geschaffen werden, der eine Spannung mit einer im wesentlichen konstanten Amplitude erzeugt.

'•/eitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und zwar zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen supraleitenden Voltmeters}

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen supraleitenden Voltmeters;

Fig. 3 eine schematieche Ansicht eines supraleitenden Ringes, der mit der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform verwendet werden kann;

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Fig. 4 eine Schnittansicht, welche den tatsächlichen Aufbau des in Fig. 3 schematisch dargestellten supraleitenden Ringes zeigt;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemässen Ausführungsform, das eine Wechselspannung mit einer im wesentlichen konstanten Amplitude erzeugt;

Fig. 7 die Übertragungscharakteristik des schwachen Gliedes gemäß der Erfindung mit Eingangssignalen und Ausgangs· Signalen';

Fig. 8 eine Darstellung der am schwachen Glied gemäß der Erfindung erzeugten Spannung.

Gegenstand der Erfindung ist ein supraleitendes Voltmeter von höchster Empfindlichkeit oder ein Generator zur Erzeugung genauer extrem niedriger Vergleichsspannungen. Sie verwendet supraleitende Punktkontakte oder andere schwache Verbindungen zwischen Supraleitern zur Messung von Spannungen bis' zur Grenze des thermischenRauschens der Spannungsquelle selbst. Die Erfindung kombiniert die Technik der Erzeugung einer kohärenten Spannung in spännungsbelasteten supraleitenden Punktkontakten oder anderen Verbindungen des schwachen Gliedes, das Mischen von zwei Frequenzen und die parametrische

-•Iß Verstärkung. Die Messung von vier χ 10 Volt von 10 wurde bei einem Quellenwiderstand von 10" Ohm bei 4^2° K erreicht. Die "Grenze für eine solche Messung beträgt etwa 8 k_ßTR/$_o Volt-, wobei kg die Boltzmannsche Konstante ist, T die absolute Temperatur, δ das fundamentale Flußquant und R der Quellenwi-

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derstand in Ohm. Numerisch liegt diese Grenze bei etwa

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6 x IO RT Volt, δ , das fundamentale Flußquant, ist eine Konstante, die gleich -^ , wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist und e die elektrische Ladung eines Elöktrons.

Ein Schaltbild einer der erfindungsgemässen Ausführungsformen ist in Fig, I dargestellt. In dieser Figur stellt die Spannungsquelle 12 die zu messende Spannung dar und der Widerstand 14 deren Innenwiderstand. Die supraleitenden Leitungen 16 und 18 sind mit der Spannungsquelle 10 und deren Innenwiderstand IU gekoppelt, wobei die Spule 20 die Induktivität der supraleitenden Leitungen darstellt. Die supraleitenden Leitungen sind durch ein schwaches Glied 22 verbunden, das die Form von Punktkontakten, wie in dem USA-Patent 3.123.607, einer Trennebene aus einem dünnen Isoliermaterial, wie in dem USA-Patent 3.36 3.200 beschrieben, oder eines verringerten Querschnitts bei einem supraleitenden Material haben kann.

Das supraleitende schwache Glied 22 hat einen kritischen oder maximalen Suprastrpm i und es ist vorzuziehen, diesen kritischen oder maximalen Suprastrom annähernd gleich δ VL, wobei L die Induktivität der supraleitenden Leitungen ist und δ eine eindeutige oder genaue physikalische Konstante ist, die vorstehend als das fundamentale Flußquant gegeben ist. Bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung fließt ein oszillierender Strom von der Grosse ^_Q/2h durch die supraleitenden Leitungen 16 und 18. Dieser Strom hat eine Grundfrequenz von f = V/δ , welches die gewöhnliche Wechselstrom-Josephsoneffekt-Beziehung ist, wobei V die Spannung am supraleitenden schwachen Glied 22 ist. Wenn f grosser als R/2?L ist, wobei R der Innenwiderstand 14 ist und L die Induktivität 20 der supraleitenden Leitungen 16 und 18, sind die oszillierenden Spannungen, die sowohl an der Induktivität als auch am schwachen Glied 22 auftreten, annähernd gleich.

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Die Grosse dieser oszillierenden Spannung ist annähernd gleich £ f. Diese Wechselspannung kann entweder über den Punktkontakt, wie in Fig. 1 gezeigt, oder über die Induktivität 20 durch induktive Kopplung demoduliert werden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Form ist ein Hochfrequenzoszillator 24 vorgesehen, der Energie mit einer Winkelfrequenz von W-. erzeugt. Ein Resonanzkreis aus einem Kondensator 26 und einer Induktivität 28 von einer Resonanzfrequenz gleich W_n ist ebenfalls vorgesehen. Der Oszillator 24 ist mit dem Resonanzkreis aus dem Kondensator 26 und der Induktivität 28 durch einen kleinen Kondensator 30 gekoppelt. Der Resonanzkreis aus dem Kondensator 26 und der Induktivität 2 8 ist mit dem supraleitenden schwachen Glied 22 über Leitungen 32 und 34 gekoppelt bzw. an dieses angeschaltet. Der Leistungspegel des O.szillators 24 wird vorzugsweise so eingestellt, daß der an dem oder durch das supraleitende schwache Glied oder den supraleitenden Punktkontakt erzeugte Strom nichtlinear ist, d.h. dieser induzierte Strom ist gleich i , der kritische oder maximale Suprastrom durch das supraleitende schwache Glied 22.

Dieser maximale oder kritische Suprastrom i kann typisch 10" Ampere betragen. Die Spannung am Eingang zum Verstärker 38, der mit dem Resonanzkreis aus der Induktivität 28 und dem Kondensator 26 über Leitungen 40 und 42 gekoppelt ist, beträgt 10~ ^_D ^L _ot wobei L_o die Induktivität der Spule 20' ist. Wenn der Wellenwiderstand W_nL annähernd 10 0hm be-

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trägt, hat die Eingangsspannung zum J/er stärker 38 einen We.rt von 10" Volt.

Die Vorrichtung mit dem supraleitenden schwachen Glied 22, das die Form eines Punktkontakts haben kann, mischt diese beiden Frequenzen W_D und f, wodurch Seitenbänder von V.' + 2Tf f erhalten werden, wobei das Bezugssignal W_ ist. Wenn f kleiner als die Bandbreite des Verstärkers 3 8 und des Resonanz-

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kreises aus dem Kondensator 26 und der Induktivität 28 ist, gewinnt der Demodulator 44 die Frequenz f durch Phasendemodulation von W^ + 2"U^f mit dem Bezugssignal W_ß genau wieder. Das Ausgangssignal aus dem Demodulator 44, das eine Frequenz f gleich V/δ hat, kann dadurch gemessen werden, daß es dem Frequenzmesser 46 zugeführt wird. Da δ die genaue oder eindeutige physikalische Konstante und gleich h/2e ist, zeigt der Frequenzmesser die Spannung V durch die Spannungsquelle 12 an. Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ergibt daher ein Voltmeter von höchster Empfindlichkeit und Präzision.

Die Amplitude der schwingenden Spannung am schwachen Glied bzw. supraleitenden Punktkontakt 22 ist annähernd gleich Sf χ VL./2TTff was gleich δ W_/2^T ist. Dies entspricht einer Verstärkung gleich dem Frequenzverhältnis des auf dem Wechselstrom-Josephsoneffekt erzeugten Wechselspannungssignals und der Frequenz der durch den Oszillator 24 zugeführten Signale. Dies ist für parametrische Verstärker typisch. Hieraus ergibt sich, daß der Ausgangsspannungspegel von der Sequenz f unabhängig und ausreichend groß ist, um eine genaue Messung der Frequenz f und daher eine genaue Messung der durch die Spannungsquelle 12 zugeführten Spannung zu ermöglichen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist ein supraleitender Ring 50 vorgesehen, dessen Aufbau eine Verbindung mit Fig. und 4 näher erläutert. Für die Zwecke der Beschreibung der Fig. 2 genügt es, zu erwähnen, daß dieser supraleitende Ring einen ersten supraleitenden Abschnitt 52 und einen zweiten supraleitenden Abschnitt 54 besitzt. Diese beiden supraleitenden Abschnitte 52 und 54 sind durch einen Widerstandsabschnitt 56 getrennt, der aus einem normalen Metall hergestellt ist, das bei Temperaturen, bei denen die Abschnitte 52 und 54 supraleitend sind, nicht supraleitend ist. Die bei-

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den Abschnitte aus supraleitendem Material sind ferner durch das schwache Glied, vorzugsweise in Form eines Punktkontakts 22, getrennt. Eine zur Vorspannung dienende Stromquelle 58 ist mit dem Widerstandsabschnitt 56 Über Leitungen 60 und 62 in Reihe geschaltet, so daß eine Spannung am Widerstandsabschnitt 56 entwickelt wird, die gleich dem Wert des in der Leitung 60 fliessenden Stroms mal dem Widerstandswert des Widerstandsabschnitts 56 ist. Da die supraleitenden Abschnitte 52 und 54- bei Supraleitungstemperaturen im wesentlichen widerstandsfrei sind, tritt diese Spannung an dem schwachen Glied bzw. an dem supraleitenden Punktkontakt 22 auf. Es wird daher eine oszillierende Spannung an dem supraleitenden schwachen Glied 22 erhalten, deren Frequenz dem Spannungsabfall über den Widerstandsabschnitt 56 infolge des Wechselstrom-Josephsoneffekts ist. Der Oszillator, der die Energie erzeugt, welche eine Winkelfrequenz gleich W« hat, kann mit dem supraleitenden Ring 50 über eine Spule 64 gekoppelt sein und die Induktivität des supraleitenden Ringes mit 20 bezeichnet werden. Als Alternative kann die in Fig. 1 gezeigte Anordnung verwendet werden, wenn der Oszillator 24 mit dem schwachen Glied 22 über die Kondensatoren und die Induktivität gekoppelt ist, die in dieser gezeigt sind, d.h., über den Kondensator 30 und den Resonanzkreis aus dem Kondensator 26 und der Induktivität 28, Das dem Verstärker 38 zugeführte Ausgangssignal ist im wesentlichen identisch 'dem Signal, welches dem in Fig. 1 gezeigten Verstärker 3 8 zugeführt wird und dieses Signal wird im Demodulator 44 demoduliert, der ein Signal vom Oszillator 24 empfang. Die Frequenz des Ausgangssignals aus dem Demodulator 44 wird durch den Frequenzmesser 46 gemessen. Daher mißt, wenn der Strom aus der Quelle 58 bekannt ist, der Frequenzmesser 46 direkt den Widerstand des Widerstandsabschnittes 56.

Was Fig. 3 und 4 betrifft, so ist in Fig. 3 der supraleitende Ring 50 gezeigt, der durch die beiden Abschnitte 52 und 54 aus supraleitendem Material und durch den Widerstandsab-

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schnitt 56 aus einem Material, z.B. Kupfer, gebildet wird, das bei den Temperaturen nicht supraleitend ist, bei welchen die Abschnitte 52 und 56 supraleitend sind. Das schwache Glied ist bei 22 gezeigt und kann durch einen Punktkontakt gebildet werden, wie sich insbesondere aus Fig. 4 ergibt.

Wie Fig. 4 zeigt, ist ein Block aus supraleitendem Material 70 vorgesehen, der eine erweiterte ebene Fläche 72 aufweist. Dieser Block 70 aus supraleitendem Material kann auf einer Platte 74 aus supraleitendem Material angeordnet und an dieser durch einen Bolzen 76 befestigt werden. Eine Schraube aus supraleitendem Material, die mit einer scharfen Spitze versehen ist, ist in eine zweite Platte aus supraleitendem Material 82 eingeschraubt. Die Schraube 78 kann so gedreht werden, daß die Spitze 80 mit der Fläche 72 unter einem gegebenen Druck in Kontakt kommt. Eine Sicherungsmutter 84 dient zur Sicherung der Schraube 78 in der richtigen Stellung. Der Widerstandsabschnitt 56 ist zwischen den Platten 74 und 8 angeordnet und die in Fig. 2 gezeigten Leitungen 60, 62 sind unmittelbar mit dem Abschnitt 56 verbunden. Die Platte 82 und die Schraube 78 bilden den supraleitenden Abschnitt 52 des in Fig. 3 gezeigten Ringes 50, während die Platte 74 und der Block 70 den Abschnitt 54 dieses Ringes bilden.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Diese Ausführungsform ist der in Fig. 1 gezeigten mit der Ausnahme gleich, daß sowohl der Oszillator 24 als auch der Verstärker 38 mit der Induktivität der supraleitenden Leitungen 16 und 18, welche durch die Spule 20 dargestellt ist, induktiv gekoppelt sind. Diese Kopplung vom Oszillator 24 kann über eine Spule oder eine Wicklung 90 geschehen, während die induktive Kopplung zum Verstärker über die Spule bzw. Wicklung 28 geschehen kann. VJie bei der Beschreibung der Fig. 1 erwähnt, treten, wenn die Frequenz f der Wechselstrom-Josephsonspannung grosser als R/2TfL, wobei R der durch den Widerstand 14 dargestellte Innenwider-

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stand der Quelle 12 ist und L der Wert der Induktivität 20, fast gleiche oszillierende Spannungen über die Induktivität der supraleitenden Leitungen 16 und 18 auf, welche durch die Spule 20 und das schwache Glied 22 dargestellt sind. Hieraus ergibt sich, daß das dem Verstärker 38 bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform zugeführte Signal das gleiche wie das Signal ist, das dem in Fig. 1 gezeigten Verstärker zugeführt wird, da der Oszillator 24 das Signal. \'L· dem Verstärker über die Kopplung zwischen den Wicklungen 90 und 92 aufdrückt und das Signal W_ß - 2¹Yf dem Verstärker 38 von der mit der Wicklung 92 gekoppelten Spule 20 aufgedrückt wird.

In Fig. 6 ist ein Blockschaltbild eines Generators für konstante Spannung gezeigt, bei dem die erfindungsgemässen Lehren angewendet wurden und bei dem der supraleitende Ring mit dem Widerstandsabschnitt 5 6 nach Fig. 2, 3 und 4 verwendet ist. Bei der Aus führungs form nach Fig. 6 ist die Ausgangsfrequenz des Signals aus dem Demodulator 44 proportional der Grosse der über das schwache Glied 22 erzeugten Spannung wie bei den anderen Ausführungsformen der Erfindung. Dieses Signal mit dieser Frequenz wird einem Komparator 100 zugeführt. Eine herkömmliche Spannungsquelle mit einer Verglexchsfrequenz f ist an ihrem Ausgang mit dem Komparator 100 gekoppelt, welch letzterer die Verglexchsfrequenz f mit der durch den Demodulator 44 erzeugten Frequenz vergleicht. Der Ausgang aus den Komparator ist ein Signal, das zur Differenz zwischen der Frequenz f und der Frequenz f proportional ist. Dieser Ausgang kann einem integrierenden Verstärker oder einer anderen Schaltungsanordnung 104 zugeführt werden, die ein Fehlersignal erzeugt. Dieses Fehlersignal kann der Stromquelle 58 zugeführt werden, um die Grosse des Stroms über den Widerstandsabschnitt 56 zu verändern. Die Stromquelle 58 kann so eingestellt werden, daß ein Strom durch den Widerstandsabschnitt 56 erzeugt wird, der eine Vergleichsspannung V_c erzeugt, die der Verglexchsfrequenz f_Q entspricht. Daher wird, wenn die Differenz der Frequenzen einen anderen Wert als ITuIl

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hat, ein Fehlersignal aus dem integrierenden Verstärker 104 der Stromquelle 58 zugeführt. Wenn der Wert f - f positiv ist, wird ein Fehlersignal durch den integrierenden Verstärker 104 abgegeben, welches den Strom aus der Stromquelle 58 verstärkt, wodurch der Spannungsabfall über den Widerstandsabschnitt 56 erhöht wird und damit die Spannung über das schwache Glied bzw. über den Punktkontakt 22. Dies erhöht die Frequenz der Wechselstrom-Josephsonspannung, die auf den Leitungen 40 und 42 auftritt und bringt das ganze System in den Gleichgewichtszustand zurück. Andererseits erzeugt, wenn der Wert von f - f negativ ist, der integrierende Verstärker 104 ein Signal, welches den Ausgang aus der Stromquelle verringert, wodurch die Spannung über den Widerstandsabschnitt 56 und das schwache Glied 22 herabgesetzt wird. Dies verringert die Frequenz der Wechselstrom-Josephsonspannung, die über das schwache Glied auftritt, und das System wird in den Gleichgewichtszustand zurückgebracht. Als Folge dieser Anordnung von Schaltungselementen wird eine Vergleichsspannung V über den Widerstandsabschnitt

56 erzeugt, welche über die Leitungen 110 und 112 auftritt.

Wenn W~ sehr viel grosser als R/L gemacht wird, wobei R der Wert des Widerstandes 14 und L der Wert der bei 20 gezeigten Induktivität des supraleitenden Materials ist, kann die in Fig. 7 gezeigte dynamische Kurve verwendet werden, um das Ansprechen auf das durch den Oszillator 24 erzeugte Signal zu erzielen. Wenn angenommen wird, daß die Amplitude des Ausgangssignals des Oszillators 24, durch das magnetische Feld ausgedrückt, auf etwas weniger als δ /2 festgelegt ist, ist zu jedem Zeitpunkt (T = 0), wenn die dynamische Magnetisierungskurve die durch die voll ausgezogene Linie gezeichnete Stellung hat, der auf der Abszisse gezeigte Ausgangsfrequenzgang sehr klein» Diese Magnetisierungskurve gleitet jedoch mit einem Winkel von 45° von unten links nach oben rechts bei einem Wert von f = V /δ ,so daß sie sich zu einem späteren Zeitpunkt, T = δ /2V , um die Hälfte eines

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Flußquants in die Stellung bewegt hat, welche durch die gestrichelte Kurve auf der Abszisse gezeigt ist. Hieraus ergibt sich, daß der Frequenzgang daher entsprechend dem auf der Ordinate als Eingang vom Oszillator gezeigten Eingang zugenommen hat. Der Ausgang der.Vorrichtung von W_D ist nahezu 100 % amplitudenmoduliert durch die Josephson-Frequenz f = V /S und diese Amplitudenmodulation ist in Fig. gezeigt. Daher nimmt der Ausgang über das supraleitende schwache Glied 22 oder die Induktivität des supraleitenden Materials oder der Leitungen 16 und 18, die durch die Spule 20 dargestellt ist, die in Fig. 8 gezeigte Form an. Dieser Ausgang wird dem Verstärker 38 zur geeigneten V er-, Stärkung zugeführt und das Signal wird dann im Demodulator UM- demoduliert, so daß das in den Hüllkurven in Fig. 8 gezeigte Signal bleibt, welches die Josephson-Frequenz ist.

Die Erfindung hat den Vorteil der Messung sehr niedriger Spannungen von Spannungsquellen niedrigen Innenwiderstandes bei tiefen' Temperaturen mit einer sehr niedrigen Eingangsleistung zum Tieftemperaturbereich. Der Leistungsverbrauch in der Vorrichtung aus den Leitungen 16 und 18 und dem in Fig. 1 und 6 gezeigten schwachen Glied und dem supraleitenden Ring mit dem Widerstandsabschnitt, wie_f in Fig. und 5 gezeigt, ist in fast allen Fällen im wesentlichen vernachlässigbar. Die Erfindung kann zur Messung tiefer Temperaturen angewendet werden, entweder unter Verwendung eines herkömmlichen Thermometers, d.h. eines Thermoelements, das eine der Temperatur proportionale Ausgangsspannung liefert und die Spannungsquelle 12 mit dem Innenwiderstand IM, wie in Fig. 1 und 5 gezeigt, bilden kann oder die in Fig. 2 gezeigte Stromquelle 58, wobei der Ausgangsstrom aus dem Thermoelement den Ausgangsstrom 'aus dieser· Stromquelle bildet. Ferner kann die Rauschspannung eines kleinen Widerstandselements, d.h. des Widerstandselements 56, in Abhängigkeit von der Temperatur, gemessen werden. Die

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Erfindung kann auch zur thermoelektrischen Tieftemperaturnormung angewendet werden, um eine Vergleichsausgangsspannung zu erzeugen, wie in Fig, 6 gezeigt, und kann ferner als Strahlungsdetektor von höchster Empfindlichkeit angewendet werden.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderungen erfahren.

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Claims

Patentansprüche :

Supraleitende Schaltungsanordnung, gekennzeichnet durch ein supraleitendes Material, in welchem ein schwaches Glied angeordnet ist, ein Schaltungselement zum Erzeugen einer Spannung von unbekannter Grosse, das mit dem schwachen Glied gekoppelt ist, einen Oszillator, Mittel, welche den Ausgang de.s Oszillators mit dem schwachen Glied koppeln, welcher Oszillator ausreichend Leistung hat, um einen oszillierenden Strom in dem schwachen Glied zu erzeugen, der gleich dem kritischen Strom des schwachen Gliedes ist, wobei die erwähnte Spannung die Erzeugung eines oszillierenden Stroms durch das schwache Glied verursacht, dessen Frequenz zu der unbekannten Grosse der Spannung proportional ist, das schwache Glied die Frequenz der erwähnten Ströme mischt, und ein Demodulator mit dem schwachen Glied zur Demodulation der Frequenz des durch die erwähnte Spannung erzeugten schwin» genden Stroms gekoppelt ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß eine Frequenzmeßeinrichtung mit dem Ausgang des Demodulators gekoppelt ist und zur Anzeige der Grosse der erwähnten Spannung geeicht ist, so daß ein Voltmeter höchster Empfindlichkeit erhalten wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Material die Form einer

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Schleife hat, in der das schwache Glied angeordnet ist, und die einen Widerstandsabschnitt aufweist, wobei eine Stromquelle einen Strom von unbekannter Grosse erzeugt und Mittel die Stromquelle mit dem Widerstandsabschnitt verbinden, so daß diese Mittel die Spannung von unbekannter Grosse erzeugen.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, welche den Ausgang des Oszillators mit dem schwachen Glied koppeln, durch eine induktive Kopplung gebildet werden.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, welche den Ausgang des Oszillators mit dem schwachen Glied koppeln, durch eine kapazitive Kopplung gebildet werden.
6. Supraleitende Schaltungsanordnung, gekennzeichnet durch ein supraleitendes Material, in welchem ein schwaches Glied angeordnet ist, ein Schaltungselement für das Anlegen einer -Spannung von unbekannter Grosse an das schwache Glied, einen Oszillator, Mittel zum Koppeln des Ausgangs des Oszillators mit dem schwachen Glied, wobei das Ausgangssignal des Oszillators einen oszillierenden Strom durch das schwache Glied erzeugt, welche Spannung das Erzeugen eines oszillierenden Stroms über das schwache Glied bewirkt, dessen Frequenz proportional der unbekannten Grosse der erwähnten Spannung ist, das schwache Glied die Frequenz der beiden Ströme mischt und ein Demodulator mit dem supraleitenden Material zur

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Demodulation der· Frequenz des durch die.erwähnte Spannung • erzeugten oszillierenden Stroms gekoppelt ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzmesser mit dem Ausgang des Demodulators gekoppelt ist und zur Anzeige der Grosse der erwähnten Spannung geeicht ist, so daß die Schaltungsanordnung ein Voltmeter von höchster Empfindlichkeit bildet.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Material zu einer Schleife geformt ist, in welcher das schwache Glied angeordnet ist und welche einen Widerstandsabschnitt enthält, eine Stromquelle einen Strom von unbekannter Grosse erzeugt und Mittel die Stromquelle mit dem Widerstandsabschnitt verbinden, so daß sie die Spannung von unbekannter Grosse erzeugen, .
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich· net, daß die Mittel, welche den Ausgang des Oszillators mit dem schwachen Glied koppeln, durch eine induktive Kopplung gebildet werden.
10, Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, welche den Ausgang des Oszillators mit dem schwachen Glied koppeln, durch eine.kapazitive. Kopplung gebildet werden.

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11. Supraleitende Schaltungsanordnung, gekennzeichnet durch ein supraleitendes Material, in welchem ein schwaches Glied angeordnet ist, ein Schaltungselement zum Anlegen einer Spannung von unbekannter Grosser an das schwache Glied, einen Oszillator, Mittel, welche den Ausgang des Oszillators mit dem schwachen Glied koppeln, wobei das Ausgangssignal des Oszillators einen oszillierenden Strom über das schwache Glied erzeugt, welche Spannung die Erzeugung eines oszillierenden Stroms über das schwache Glied bewirkt, dessen Frequenz proportional der unbekannten Grosse der erwähnten Spannung ist, das schwache Glied die Frequenz der beiden Ströme mischt und ein Demodulator mit dem supraleitenden Material zur Demodulation der Frequenz des durch die erwähnte Spannung erzeugten oszillierenden Stroms gekoppelt ist.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Oszillators eine ausreichende Leistung zur Erzeugung eines oszillierenden Stroms im schwachen Glied hat, dessen maximaler Momentanwert zumindest gleich dem Anfangsstrom des schwachen Gliedes ist.
13. Supraleitende Schaltungsanordnung, gekennzeichnet durch ein supraleitendes Material., in welchem ein schwaches Glied angeordnet ist, ein Schaltungselement zum Anlegen einer Spannung an das schwache Glied, einen Oszillator, Mittel zum Koppeln des Ausgangs des Oszillators mit dem schwachen Glied, wobei das Aus^ngssignal des Oszillators einen schwingenden Strom durch das schwache Glied erzeugt, welche Spannung die Erzeugung eines oszillierenden Stromes über das schwache Glied bewirkt, dessen Frequenz propor-

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tional der Grosse der erwähnten Spannung ist, das schwache Glied die Frequenz der beiden Ströme, mischt, ein Demodulator mit demfeupraleitenden Material zur Demodulation der Frequenz des durch die erwähnte' Spannung erzeugten oszillierenden Stroms gekoppelt ist, eine Quelle, welche eine Vergleichsfrequenz erzeugt, einen Komparator, der einen ersten und einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang besitzt, welcher erste Eingang mit dem Demodulator gekoppelt ist, der zweite Eingang mit der die Vergleichsfrequenz erzeugenden Quelle gekoppelt ist, der Komparator ein Signal erzeugt, dessen Grosse eine Funktion "der Differenz zwischen der Frequenz der Vergleichsfrequenz und der Frequenz -des Ausgangs des Demodulators ist, ein Organ mit dem Komparator zur Erzeugung eines Fehlersignals gekoppelt ist, Mittel zum Koppeln des letzterwähnten Organs mit dem Schaltungselement zum Anlegen einer Spannung an das schwache Glied zum Einstellen der Spannung auf einen Wert zur Erzeugung eines Signals am Ausgang des Demodulators, dessen Frequenz gleich der Frequenz der Vergleichsfrequenz ist, und ein Ausgangsorgan mit dem supraleitenden Material gekoppelt ist, so daß dem Ausgangeorgan eine Spannung von einer Grosse aufgeprägt wird, die der Frequenz der Vergleichsfrequenz entspricht.
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement zum Anlegen einer Spannung an das schwache Glied durch einen Widerstandsabschnitt in einer Schleife aus supraleitendem Material gebildet wird, in welchem das schwache Glied angeordnet ist, und eine Stromquelle üiit dem v.'iderstandsabschnitt · gekoppelt■ist und das Fehlersignal der Stromquelle zu-

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geführt wird, um die Grosse des durch diese erzeugten Stroms einzustellen.
15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsorgan an den Widerstandsabschnitt angeschaltet ist.
16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Leistung zur Erzeugung eines oszillierenden Stromes im schwachen Glied ausreicht, dessen maximaler Momentanwert zumindest gleich dem Wirkstrom des schwachen Gliedes ist.
17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement zum Anlegen einer Spannung an das schwache Glied durch einen Widerstandsabschnitt in einer Schleif· aus supraleitendem Material gebildet wird, in welcher das schwache Glied angeordnet ist, und eine Stromquelle mit dem Widerstandsabschnitt gekoppelt ist μηα das erwähnte Fehlersignal der Stromquelle zugeführt wird, um die Grosse des durch diese erzeugten Stroms einzustellen.
18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte Ausgangsorgan an den Widerstandsabschnitt angeschaltet ist.

009840/U77