DE2440576C2

DE2440576C2 - kryotron

Info

Publication number: DE2440576C2
Application number: DE19742440576
Authority: DE
Inventors: Walter Lugscheider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-08-23
Filing date: 1974-08-23
Publication date: 1976-08-19
Also published as: DE2440576B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kryotron, wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Kryotrons sind Schaltelemente mit Leitungszügen aus supraleitendem Material, wobei der Effekt ausgenutzt wird, daß Supraleiter normalleitend werden, wenn auf sie eine magnetische Flußdichte einwirkt, die größer als eine kritische Flußdichte ist. Man kennt bereits ein Kryotron, welches einen Leitungszug aus einem Supraleiter, der bei einer geringen magnetischen Flußdichte normalleitend wird, und einen weiteren Leitungszug besitzt, der aus einem Supraleiter besteht, der bei einer höheren magnetischen Flußdichte normalleitend wird. Diese Leitungszüge sind zumindest teilweise benachbart. In dem einen Leitungszug fließt ein Strom, dessen Magnetfeld eine kritische Feldstärke, bei der die kritische magnetische Flußdichte erzeugt wird, noch nicht erreicht. Wird jetzt durch den anderen Leitungszug ebenfalls ein Strom geleitet, so kann in Bereichen, wo die Leitungszüge benachbart sind, die kritische magnetische Feldstärke des einen Leitungszuges überschritten werden, d. h., dieser Leitungszug wird normalleitend (US-PS 30 48 707).

Bei supraleitenden Anordnungen, insbesondere bei supraleitenden Kabeln, ist zu berücksichtigen, daß der

Strom, der den Supraleiter durchfließt, ein von de Stromstärke abhängiges Magnetfeld erzeugt. So kam jeder Supraleiter nur von einem Strom begrenzte Stromstärke durchflossen werden, ohne die Supraleitfä higkeit zu verlieren. Wächst die Stromstärke so weit ar daß die kritische magnetische Feldstärke erzeugt wire geht der Supraleiter bereichsweise in den normalleiten den Zustand über, d. h, steilenweise ist der Leiter nocl supraleitend und stellenweise bereits normalleitenc Dabei können die normalleitenden Bereiche des Leiter unzulässig erhitzt und sogar zerstört werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kryotron anzuge ben, mit dem die Stromstärke in einer supraleitendei Anordnung, insbesondere in supraleitenden Kabeln unterhalb dieses kritischen Wertes gehalten werdei kann, wobei dieses Kryotron zuverlässig arbeiten mul und nicht zerstört werden darf, wenn es den Laststrom d. h. den Strom, der das Kabel durchfließt, unterbricht

Diese Aufgabe wird durch ein Kryotron der eingang genannten Art getost, das erfindungsgemäß entspre chend dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 ausge bildet ist

Das erfindungsgemäße Kryotron hat also die folgende Wirkungsweise: Die zweiten Leitungszüge bestehen aus einem Material, welches bei Einwirkunj eines Magnetfeldes einer vorgegebenen Feldstärke einen magnetischen Phasenübergang von einem Zu stand mit geringer Magnetisierung in einen Zustanc hoher Magnetisierung aufweist. Sobakl der Strom, de das Kiyotron durchfließt, in seiner Stärke einei Schwellwert überschreitet, wirkt auf diese zweite! Leitungszüge ein Magnetfeld dieser vorgegebenei Feldstärke, welches in den zweiten Leitungszügen dei Phasenübergang in den Zustand hoher Magnetisierunj bewirkt. Auf Grund dieser hohen Magnetisierung wire in den ersten Leitungszügen, die aus einem supraleiten den Material bestehen, ein Magnetfeld mit einei größeren als der kritischen magnetischen Flußdichu erzeugt, so daß das supraleitende Material seine Supraleitfähigkeit verliert und in einen normalleitender Zustand übergeht.

Ein Vorteil der Erfindung ist es, daß die kritische Flußdichte allein durch den Laststrom aufgebracht wird

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kryo trons ist es, daß die ersten Leitungszüge längs dei gesamten Strecke entlang den zweiten Leitungszüger gleichzeitig von supraleitenden in den normalleitender Zustand überwechseln, sobald die zweiten Leitungszüge den Zustand hoher Magnetisierung annehmen. Dadurcr ist ausgeschlossen, daß einzelne, sehr kurze Strecker der ersten Leitungszüge vorzeitig in den normalleitenden Zustand überwechseln.

Die Leitungszüge des Kryotrons sollten eine solche Länge haben, daß der Widerstand des Kryotrons im normalleitenden Zustand der ersten Leitungszüge so groß ist. daß der Strom, der das Kryotron durchfließt stark geschwächt wird, so daß eine konventionelle Trennung des Stromkreises möglich ist, vgl. CH-PS 4 43 509.

Im folgenden werden die Erfindung und Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Figuren erläutert:

F i g. 1 zeigt ein Kryotron in Draufsicht;

F i g. 2 zeigt einen Ausschnitt aus der F ig. 1;

Fig.3 bis 7 zeigen Schnittbilder unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 kann ein erfindungsgemäßes Kryo tron beispielsweise zwei erste Leitungszüge 10, 11 besitzen. Zwischen diesen ersten Leitungszügen liegt

der zweite Leitungszug 20, der die ersten Leitungszüge an deren Rändern etwas überdeckt Die ersten Leitungszüge besitzen an ihren Enden Kontaktbleche 30 bis 33, die aus dem gleichen Material bestehen können, wie die ersten Leitungszüge. Vorzugsweise ist das Kryotron auf einem Substrat aufgebracht, das aus Gründen der zeichnerischen Einfachheit in dieser Figur nicht dargestellt ist. Zur Aufrechtv-rhaltung einer hinreichend niederen Arbeitstemperatur, bei der das Materia! der ersten Leitungszüge s^h im supraleitenden Zustand befindet, ist das Kryotron in einer Kühlanlage (nicht dargestellt) angeordnet

In Fig.2 sind die Leitungszüge des Kryotrons vergrößet dargestellt Man erkennt, daß die ersten Leitungszüge 10, 11 teilweise von dem zweiten Leitungszug 20 abgedeckt sind. Die in der Zeichnung angegebenen Maße haben sich als vorteilhaft herausgestellt Die ersten Leitungszüge haben jeweils eine Breite von 2, der Zwischenraum zwischen diesen Leitungszügen besitzt ebenfalls eine Breite von a, der zweite Leitungszug besitzt eine Breite von 2a.

Die F i g. 3 bis 7 zeigen Schnittbild<*.r von Ausführungsbeispielen für das erfindungsgemäße Kryotron. Auf einem Substrat 1, das beispielsweise aus Kunststoff besteht und folienförmig sein kann, sind die supraleitenden ersten Leitungszüge 100 bis 112 und die zweiten Leitungszüge 200 bis 213 aus magnetischem Material angeordnet. Dabei können die zweiten Leitungszüge beispielsweise durch Aufdampfen hergestellt sein, die ersten Leitungszüge beispielsweise durch Aufdampfen, Sputtern, galvanische Abscheidung oder durch Ätztechnik.

In Fig 3 liegen auf dem Substrat die ersten Leitungszüge 100 und 101. Diese werden teilweise von dem zweiten Leitungszug 200 abgedeckt Zur Erhöhung der Wirksamkeit des zweiten Leitungszuges ist auf der anderen Seite des Substrates ein weiterer zweiter Leitungszug 201 aufgebracht

In Fig.4 ist ein zweiter Leitungszug 202 in das Substrat eingebettet. Über diesem zweiten Leitungszug liegen die ersten Leitungszüge 102,103, die den zweiten Leitungszug teilweise abdecken. Darüber liegt ein weiterer zweiter Leitungszug 203. Diese Anordnung war neben der in F i g. 5 dargestellten und weiter unten beschriebenen Ausführungsform die vorteilhafteste. Es ist möglich, beidseitig auf dem Substrat eine der F i g. 4 entsprechende Anordnung vorzusehen. Auf diese Weise ist es möglich, auf einem Substrat mehrere Kryotrons anzuordnen.

F i g. 5 zeig-, eine ähnlich vorteilhafte Ausführungsform wie die F i g. 4. Hier sind beispielsweise beidseitig auf dem Substrat Kryotrons angeordnet Zuerst wurden auf dem Substrat die zweiten Leitungszüge 205, 207 aufgedampft. Darüber wurden die ersten Leitungszüge 104 bis 107 aufgedampft Dann wurden die weiteren zweiten Leitungszüge 204,206 aufgedampft

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der F i g. 6 wurden erst die ersten Leitungszüge 108 bis 111 galvanisch abgeschieden. Über diesen Leitungszügen wurden die zweiten Leitungszüge 208,209 aufgedampft.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der F i g. 7 wurden die zweiten Leitungszüge 210, 211 in das Substrat eingebettet. Darüber wurde der erste Leitungszug 112 aufgedampft. Darauf wurden weitere zweite Leitungszüge 212, 213 aufgedampft, wobei diese weiteren zweiten Leitungszüge annähernd deckungsgleich zu den zweiten Leitungszügen 210, 211 angeordnet sind.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hatten die ersten Leitungszüge eine Breite von etwa 1 mm und eine Dicke von etwa 5 μπι. Die Schichtdicke der zweiten Leitungszüge betrug etwa das lOfache der Dicke der ersten Leitungszüge. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den F i g. 3 und 6 soll die Dicke des Substrates vorzugsweise in der Größenordnung der Dicke der Leitungszüge liegea Dadurch ist sicher gewährleistet, daß bei dem magnetischen Phasenübergang der zweiten Leitungszüge in den Zustand hoher Magnetisierung in den ersten Leitungszügen ein Magnetfeld mit einer größeren als der kritischen magnetischen Flußdichte induziert wird.

Bei den übrigen in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen darf die Dicke des Substrates beliebig sein. Hier sind die zweiten Leitungszüge unmittelbar neben den ersten Leitungszügen, auf beiden Seiten der ersten Leitungszüge, angeordnet.

In der Draufsicht betrachtet sind die Leitungszüge des Kryotrons vorzugsweise mäanderförmig, wie bereits in der F i g. 1 dargestellt ist Auf diese Weise lassen sich auf einem Substrat von etwa 0,5 m² Kryotrons mit einer Länge der Leiiungszüge von etwa 250 m herstellen. Auf Grund der großen Länge der Leitungszüge hat das Kryotron einen hohen Gesamtwiderstand, sobald die Leitungszüge im normalleitenden Zustand sind. Damit nimmt die Stromstärke des Stromes, der das Kryotron durchfließt, so weit ab, daß eine konventionelle Auftrennung des Stromkreises möglich ist Läßt man eine Erwärmung des Kryotrons beim Übergang in den normalleitenden Zustand auf etwa !00° K zu, so erhält man, wenn für die ersten Leitungszüge Blei verwendet wird, einen Widerstand von etwa 10Ω pro Im Leitungslänge. Jedoch wird bereits bei 4,2° K im normalleitenden Zustand ein Widerstand von etwa 0,5 Ω pro 1 m Leitungslänge erreicht. Bereits dieser Wert reicht für eine konventionelle Trennung des Stromkreises aus, wenn die Leitungszüge des Kryotrons hinreichend lang sind.

Für die ersten Leitungszüge ist beispielsweise als Material Blei oder Niob vorgesehen.

Für die zweiten Leitungszüge sind beispielsweise metamagnetische Materialien geeignet, die einen magnetischen Phasenübergang von einem antiferromagnetischen zu einem ferromagnetischen Zustand aufweisen. Beim Übergang in den ferromagnetischen Zustand tritt eine starke Erhöhung der magnetischen Induktion am ersten Leitungszug auf. Dadurch wird dieser erste Leitungszug normalleitend. Die Feldstärke des magnetischen Feldes, bei der das metamagnetische Material in seinen ferromagnetischen Zustand übergeht, muß geringer sein als die kritische Feldstärke, bei der das supraleitende Material der ersten Leitungszüge vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergeht.

Als Material für die zweiten Leitungszüge kann beispielsweise der metamagnetische Halbleiter EuSe verwandt werden, der bei einer Feldstärke Ha = 1,6 · 10⁴ A/m bei einer Temperatur von 4,2° K in einen Zustand hoher Magnetisierung übergeht; bei einer Feldstärke Hn = 10⁵ A/m, bei gleicher Temperatur, geht dieses Material in einen Zustand noch höherer Magnetisierung über.

Ein anderes mögliches Material ist HgCnS-t, das bei der gleichen Temperatur bei einer magnetischen Feldstärke von 1,6 · 10⁵ A/m in einen Zustand hoher Magnetisierung übergeht

Das zuerst genannte Material eignet sich insbesonde-

U O / O

re für ein Kryotron, dessen erste Leitungszüge aus Blei bestehen. Das zweite Material eignet sich für ein Kryotron, dessen erste Leitungszüge aus Niob bestehen, da Niob eine höhere kritische Feldstärke besitzt. Der erstgenannte Halbleiter EuSe kann mit Gd oder mit anderen Elementen der seltenen Erden dotiert werden. Dadurch ändert sich der elektrische Widerstand dieses Materials unter dem Einfluß eines Magnetfeldes besonders stark. Dieser Effekt kann wie folgt ausgenutzt werden: Geht das Kryotron in den normalleitenden Zustand über, so tritt eine Erwärmung der Leitungsbahnen auf Werden dabei nun die aus EuSe bestehenden zweiten Leitungszüge bis in die Nähe der Curie-Temperatür von EuSe erwärmt, so ist der Effekt der magnetischen Widerstandsänderung dieses Materials besonders groß. Dieser Effekt kann nun als Stellgröße für eine konventionelle Auftrennung des Stromkreises ausgenutzt werden. Sobald also der Widerstand der zweiten Leitungszüge einen Schwellwert überschreitet, wird der Stromkreis, in dem das Kryotron liegt, aufgetrennt. Damit ist mit Sicherheit'gewährleistet, daß diese Auftrennung erst dann geschieht, wenn das Kryotron im normalleitenden Zustand ist.

Die Vektor-Größen magnetische Feldstärke H, magnetische Flußdichte B und Magnetisierung M hängen wie folgt zusammen:

B = μο (H+W),

wobei μο = 4.T · ΙΟ"⁷ — ist, wenn B in -^ und H

und Λ/ in — gemessen werden.

m -

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kryotron mit einem ersten Leitungszug aus supraleitendem Material, das bei Einwirkung einer kritischen magnetischen Flußdichte normalleitend wird, dadurch gekennzeichnet, daß zu den ersten Leitungszügen (10, 11, 100 bis 112) zweite Leitungszüge (20, 200 bis 211) eng benachbart angeordnet sind und daß die zweiten Leitungszüge. aus einem Material bestehen, welches bei einem in diesem Material wirksamen Magnetfeld einer vorgegebenen Feldstärke einen magnetischen Phasenübergang von einem Zustand mit geringer Magnetisierung in einen Zustand hoher Magnetisierung aufweist, und daß diese vorgegebene Feldstärke geringer ist als eine kritische magnetische Feldstärke, bei der die kritische magnetische Flußdichte erzeugt wird, und daß die zweiten Leittingsrjge im Zustand der hohen Magnetisierung im supraleitenden Material der ersten Leitungszüge eine magnetische Flußdichte mit höherer als der kritischen Flußdichte induzieren.

2. Kryotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungszüge des Kryotrons mäanderförmig sind.

3. Kryotron nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungszüge in Dünnschicht-Technik hergestellt sind und auf einem Substrat (1) liegen.

4. Kryotron nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Leitungszüge durch Aufdampfen, Sputtern, galvanische Abscheidung oder durch Ätztechnik hergestellt sind, und daß die zweiten Leitungszüge durch Aufdampfen hergestellt sind.

5. Kryotron nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Leitungszüge aus Blei oder Niob und die zweiten Leiiungszüge aus EuSe oder HgCr2S4 bestehen.