4. Кріотронний перемикач

Відомо, що під дією магнітного поля, електричного струму чи температури електричний опір надпровідного матеріалу змінюється від нуля до деякого кінцевого значення. Керуюче магнітне поле або керуючий струм можливо отримати, якщо пропустити електричний струм через надпровідну (повністю або частково) ділянку матеріалу (контуру). Таким чином, операцію перемикання вдається здійснювати за малих витрат енергії.

Незатухаючий струм, який існує в надпровідному контурі без споживання енергії необмежено тривалий час, дуже привабливий з точки зору його використання для запам'ятовування інформації. В такому разі інформацію можливо кодувати в двійковій формі, вважаючи, наприклад, наявність струму за двійкову одиницю, а його відсутність – за нуль.

Методи тонкоплівкової технології дозволяють створювати на основі надпровідників малогабаритні перемикальні та персисторні елемнети. Тому кріогенні перемикаючі та запам'ятовуючі пристрої доцільно використовувати в електронних обчислювальних машинах (ЕВМ), де для здійснення логічних та запам'ятовуючих операцій необхідна велика кількість подібних компонентів при дуже при дуже високій щільності монтажу. Окрім того, кріогенні елементи виділяють дуже мало тепла, тому не потрібно робити спеціальних заходів щодо його відведення. Більш того використання кріогенних елементів для побудови великих функціональних вузлів значно збільшує їх швидкодію.

В своїй первісній, простішій формі кріотронний перемикач являв собою надпровідний дріт, котрий можливо було перемикати із стану з нулевим опром в нормальний стан за допомогою магнітного поля, створюваного електричним струмом, який протікає по іншому надпровіднику. Дріт, що перемикається із нормального стану в надпровідний стан і навпаки, називається вентильним дротом. На Рис.7. зображена схема перемикаючого пристрою.

Рис.7.Кріотронний премикаючий пристрій

Вентильний дріт виготовлений із танталу, критична температура якого дорівнює 4,4К. Інший дріт, в даному випадку створений із ніобія

( ), називається керуючим і намотується у вигляді соленоїда навколо вентильного дроту. Напруженість магнітного поля, створюванного струмом, що протікає у соленоїді, у відповідний момент перемикання повинна бути вища за критичну напруженість для вентильного дроту.

Однак вона не повинна перевищувати критичне значення напруженості для матеріалу керуючого дроту, інакше в іншому випадку цей матеріал перейде в нормальний стан і в цьому дроті виникнуть значні втрати енергії. Тому вентильний та керуючий дроти виготовляються із різних матеріалів.

В кріотронному перемикачі найбільший інтерес являють два значення струму: по-перше, критичний струм вентиля , тобто максимальний струм, який може (у відсутності будь-якого магнітного поля у керуючому контурі) пройти по вентильному дроту, не викликав перемикання вентиля із надпровідного стану в нормальний; по-друге, керуючий струм , необхідний для перемикання вентиля у відсутності вентильно струму.

Струм можливо зменшити, пропустивши його через соленоїд з великою кількістю витків.

Відношення цих струмів називається коефіцієнтом підсилення за струмом:

. (3)

Якщо, як часто буває, вентиль одного кріоторона служить для живлення керуючого контуру іншого кріотрона, то необхідно, щоб критичний вентильний струм першого кріотрона був більшим за керуючий струм другого кріотрона. При послідовному включенні декількох кріотронів вони створюють підсилення за струмом. Однак підсилення за струмом неможливо підвищувати безмежно, оскільки це викличе збільшення часу перемикання кріотрона. Фактично час спрацьовування кріотрона пропорційний , а величина коефіцієнта підсилення за струмом складає близько 2.

Як і будь-який інший швидкодіючий перемикач, кріотрон можна використовувати в логічних ланцюгах ЕВМ. Ми роздивилися простий соленоїдальний кріотрон, який з часом, напевно, буде витіснений тонкоплівковим.

Вентиль кріотрона, як правило, володіє або нульовим, або деяким кінечним опором. Тому для керування вентилем паралельно йому зазвичай підключають деякий інший надпровідний ланцюг, так що струм ніколи не протікає в резистивному ланцюзі (за виключенням періоду встановлення) і виділення тепла тим самим різко знижується.[10].