2 Принцип действия и устройство криотронов

Криотроном называется сверхпроводящий элемент с двумя входами, в котором вход во входной цепи своим магнитным полем управляет переходом из сверхпроводящего в нормальное состояние в выходной цепи.

Конструкция криотрона показана на рис. 3. Он состоит из сверхпроводника с низким значением критического магнитного поля, окруженного катушкой-соленоидом из сверхпроводника с высоким значением критического магнитного поля. Сверхпроводник, помещенный в соленоид, называется вентилем. В одном из вариантов конструктивного выполнения криотрона вентиль сделан из тантала, а обмотка - из ниобия. При подаче в обмотку управления криотрона тока достаточной силы на поверхности вентиля -сверхпроводника действует магнитное поле, превышающее критическое. В результате вентиль переходит в состояние обычной проводимости. Если затем уменьшить ток управления, вентиль снова станет сверхпроводящим. Следовательно, с помощью управляющего сигнала можно изменять сопротивление вентильного элемента от его конечного значения до бесконечно малого. При этом сверхпроводящее состояние управляющей обмотки не изменяется.

Рис. 3.3. Конструкция криотрона

Характеристики управления криотрона (зависимости сопротивления вентиля от тока управления) показаны на рис. 3.4. Из них следует, что с увеличением рабочего тока вентиля уменьшается критическое значение тока управления.

Рис. 3.4. Характеристики управления криотрона 1-6 при рабочем токе соответственно 900, 650, 500, 150, 100 и 50 мА

В аналитической форме связь между током управления I_у и рабочим током вентиля I_р может быть определена через формируемые ими магнитные поля. Так, при прохождении рабочего тока I_р создается поле, наибольшее значение которого у поверхности вентиля

H₁ = K_рм1I_р / d,

где К_рм1 - размерный коэффициент; d - диаметр вентиля криотрона.

В то же время магнитное поле обмотки, действующее вдоль вентиля,

H₂ = K_рм2I_уW / l,

где W - число витков обмотки; l - длина вентиля.

Величина результирующего поля на поверхности вентиля

Для изменения сопротивления криотрона от R₀=0 до R необходимо, чтобы , где Н_х соответствует Т_кр=Т_охл. В результате при I_р=const получим

или

(3.3)

Из равенства (3.3) следует, что рабочий ток в проводящем состоянии должен удовлетворять условию

< ,

что ограничивает его значение, так как Н_х зависит от температуры охлаждения, a d определяется конструктивными параметрами криотрона.

Для получения одного и того же значения поля Н_х необходимы равные значения токов I_р и I_y и должно выполняться соотношение

,

из которого следует, что I_р/ I_y= .

Коэффициент K₁, фактически определяет усиление криотрона по току (обычно К₁ > I). При заданном значении K₁

(3.4)

Из равенства (3.4) следует, что, чем больше d , тем меньшее число удельных витков ω/l будет у управляющей обмотки.

При анализе криотрона нужно учитывать его нагрев проходящим током. В состоянии сверхпроводимости нагревом можно пренебречь, так как R≈0. При Н > H_х сопротивление становится отличным от нуля и температура изменится:

где K_т - коэффициент теплоотдачи; S_охл - площадь поверхности охлаждения.

Изменение температуры криотрона эквивалентно изменению магнитного поля на , где .

Тогда соотношение для тока управления с учетом изменения температуры криотрона будет таким:

. (3.5)

Как правило, вентиль криотрона нагружен на управляющую обмотку другого криотрона. Поэтому можно ввести постоянную τ, равную отношению самоиндукции соленоида L₀ к нормальному сопротивлению вентиля R . Эту постоянную можно рассматривать как время, необходимое для рассеивания энергии, запасенной в индуктивности при разряде через сопротивление R. Для однослойного соленоида индуктивность, Гн:

(3.5)

где l_s - длина соленоида.

Сопротивление вентиля криотрона в нормальном состоянии

R=4ρl_s/πd²,

где ρ - удельное сопротивление материала вентиля.

Расчеты показывают, что постоянная времени криотронов - порядка десятков микросекунд, что ограничивает возможности их применения. Достоинства криотронов: простота схемы; дешевизна; легкость микроминиатюризации; малая потребляемая мощность.

Вместе с тем следует учитывать, что для обеспечения низких температур необходимо сложное и крупногабаритное оборудование. Поэтому использование криотронов будет экономически оправдано лишь при значительных объемах перерабатываемой информации (порядка 10⁸ бит).

Для изменения проводимости можно использовать тепломагнитный способ, когда один и тот же управляющий элемент используется в качестве источника теплового и магнитного полей. Управляющий элемент может быть выполнен из нихрома. Он представляет собой прямолинейный проводник длиной 20 мм, диаметром 50 мкм и сопротивлением 25 Ом. На расстоянии порядка поперечного сечения управляющего элемента параллельно по обе стороны размещаются управляемые проводники из тантала. При пропускании через управляемый проводник переменного тока 10...15 мА и частотой не более 100 Гц управляемый элемент подогревается и одновременно возбуждается поперечное магнитное поле.

В настоящее время на основе сверхпроводящих материалов (ниобий -тантал) разработаны переключатели, позволяющие коммутировать токи 800...1200 А с рабочими напряжениями до 100 кВ и временем переключения порядка единиц микросекунд.