Krytron - Krytron

Dla lampy mikrofalowej/wzmacniacza radiowego, patrz Klystron . Odnośnie przełącznika krioelektrycznego, patrz Kriotron . Dla pierwiastka chemicznego, zobacz Krypton .
Rura przełączająca KN2 „Krytron” produkcji EG&G (wysokość ok. 25 mm)

Kriotronowe jest zimna katodą lampa gazowana przeznaczone do stosowania jako bardzo szybki wyłącznik , nieco podobny do tyratron . Składa się z zamkniętej szklanej rurki z czterema elektrodami . Mały impuls wyzwalający na elektrodzie siatkowej włącza lampę, umożliwiając przepływ dużego prądu pomiędzy katodą i anodą . Wersja próżniowa nazywana jest próżniowym krytronem lub sprytronem . Krytron był jednym z najwcześniejszych osiągnięć korporacji EG&G .

Opis

W przeciwieństwie do większości innych lamp przełączających gaz, krytron przewodzi za pomocą wyładowania łukowego , aby poradzić sobie z bardzo wysokimi napięciami i prądami (dochodzącymi do kilku kilowoltów i kilku kiloamperów), a nie za pomocą niskoprądowego wyładowania jarzeniowego stosowanego w innych tyratronach . Krytron jest rozwinięciem wyzwalanych iskierników i tyratronów pierwotnie opracowanych dla nadajników radarowych podczas II wojny światowej .

Gaz używany w krytronach to wodór ; można również stosować gazy szlachetne (zwykle krypton ) lub mieszaninę Penninga .

Operacja

Schemat Krytron

Krytron ma cztery elektrody . Dwa to konwencjonalna anoda i katoda . Jedna to elektroda podtrzymująca, umieszczona blisko katody. Podtrzymywanie przy życiu ma przyłożone niskie napięcie dodatnie, które powoduje jonizację niewielkiej powierzchni gazu w pobliżu katody. Do anody przykładane jest wysokie napięcie, ale przewodzenie pierwotne nie występuje, dopóki do elektrody wyzwalającej nie zostanie przyłożony dodatni impuls („Siatka” na powyższym obrazku). Po uruchomieniu przewodzenie łuku przenosi znaczny prąd.

Czwarty to siatka kontrolna, zwykle owinięta wokół anody, z wyjątkiem małego otworu na jej górze.

Zamiast lub oprócz elektrody podtrzymującej niektóre krytrony mogą zawierać bardzo niewielką ilość materiału radioaktywnego (zwykle mniej niż 5 mikrokiurów (180  kBq ) niklu-63 ), który emituje cząstki beta (szybkie elektrony ) do ułatwić jonizację . Źródło promieniowania służy do zwiększenia niezawodności zapłonu i powstawania wyładowania elektrody podtrzymującej.

Wypełnienie gazem dostarcza jony do neutralizacji ładunku kosmicznego i przepuszczania wysokich prądów przy niższym napięciu. Wyładowanie podtrzymujące zapełnia gaz jonami, tworząc prejonizowaną plazmę; może to skrócić czas powstawania łuku o 3-4 rzędy wielkości w porównaniu z lampami nieprejonizowanymi, ponieważ nie trzeba poświęcać czasu na jonizację ośrodka podczas tworzenia ścieżki łuku.

Łuk elektryczny jest samowystarczalny; po wyzwoleniu lampy przewodzi ona do momentu przerwania łuku przez zbyt niski prąd opadający zbyt długo (poniżej 10 miliamperów przez ponad 100 mikrosekund dla krytronów KN22).

Krytrony i sprytrony są wyzwalane wysokim napięciem z rozładowania kondensatora za pośrednictwem transformatora wyzwalającego , w podobny sposób wyzwalane są lampy błyskowe np. w zastosowaniach z lampą błyskową . Dostępne są urządzenia integrujące krytron z transformatorem wyzwalającym.

Sprytron

Sprytronowe , znany również jako kriotronowe próżniowej lub wyzwalania wyłącznika próżniowego ( TVS ) jest próżnia zamiast gazu wypełnione wersji. Jest przeznaczony do użytku w środowiskach o wysokim poziomie promieniowania jonizującego , które może fałszywie wyzwalać wypełniony gazem krytron. Jest również bardziej odporny na zakłócenia elektromagnetyczne niż rurki wypełnione gazem.

Sprytrony nie posiadają elektrody podtrzymującej ani źródła radioaktywnego prejonizacji. Impuls wyzwalający musi być silniejszy niż w przypadku krytronu. Sprytrony są w stanie poradzić sobie z wyższymi prądami; Krytrony są zwykle używane do wyzwalania wtórnego przełącznika, np. wyzwalanego iskiernika , podczas gdy sprytrony są zwykle podłączone bezpośrednio do obciążenia.

Impuls wyzwalający musi być znacznie bardziej intensywny, ponieważ nie ma wstępnie zjonizowanej ścieżki gazu dla prądu elektrycznego, a między katodą a anodą musi powstać łuk próżniowy . Najpierw łuk tworzy się między katodą a siatką, a następnie następuje przebicie między obszarem przewodzącym katoda-siatka a anodą.

Sprytrony są usuwane do twardej próżni , zwykle 0,001 Pa . Ponieważ kovar i inne metale są w pewnym stopniu przepuszczalne dla wodoru, zwłaszcza podczas wypalania w temperaturze 600 °C przed opróżnieniem i uszczelnieniem, wszystkie zewnętrzne powierzchnie metalowe muszą być pokryte grubą (25 mikrometrów lub więcej) warstwą miękkiego złota . Ta sama metalizacja jest stosowana również w innych rurach przełączników.

Sprytrony są często projektowane podobnie do trigatronów , z elektrodą wyzwalającą współosiową z katodą. W jednym projekcie elektroda wyzwalająca jest utworzona jako metalizacja na wewnętrznej powierzchni rurki z tlenku glinu . Impuls wyzwalający powoduje przeskok powierzchniowy , który uwalnia elektrony i odparowany materiał wyładowania powierzchniowego do szczeliny międzyelektrodowej, co ułatwia powstanie łuku próżniowego zamykającego wyłącznik. Krótki czas przełączania sugeruje, że elektrony z wyładowania wyzwalającego i odpowiednie elektrony wtórne wybite z anody jako inicjacja operacji przełączania; odparowany materiał przemieszcza się zbyt wolno przez szczelinę, aby odgrywać znaczącą rolę. Powtarzalność wyzwalania można poprawić przez specjalne pokrycie powierzchni między elektrodą wyzwalającą a katodą, a jitter można poprawić przez domieszkowanie podłoża wyzwalającego i modyfikację konstrukcji sondy wyzwalającej. Sprytrony mogą ulegać degradacji podczas przechowywania, odgazowując ich elementy, dyfuzję gazów (zwłaszcza wodoru) przez elementy metalowe i ulatnianie się gazu przez hermetyczne uszczelnienia ; przykładowa rura wyprodukowana przy ciśnieniu wewnętrznym 0,001 Pa będzie wykazywać spontaniczne pękanie szczeliny, gdy ciśnienie wewnątrz wzrośnie do 1 Pa. Przyspieszone badanie trwałości można przeprowadzić przez przechowywanie w podwyższonym ciśnieniu otoczenia, opcjonalnie z dodatkiem helu, w celu sprawdzenia szczelności, i zwiększonym przechowywanie w temperaturze (150 °C) do testowania odgazowywania. Sprytrony mogą być zminiaturyzowane i wytrzymałe.

Sprytrony mogą być również wyzwalane przez impuls laserowy . W 1999 r. energia impulsu laserowego potrzebna do wyzwolenia sprytronu została zmniejszona do 10 mikrodżuli.

Sprytrony są zwykle produkowane jako wytrzymałe części metalowo- ceramiczne . Zwykle mają małą indukcyjność (10 nano henry ) i niskiej rezystancji elektrycznej po włączeniu (10-30 mS omów ). Po uruchomieniu, tuż przed całkowitym włączeniem sprytronu w trybie lawinowym, na krótko staje się przewodzący (100–200 amperów); Podobnie zachowują się tranzystory MOSFET dużej mocy pracujące w trybie lawinowym. Dostępne są modele SPICE do sprytronów.

Występ

Ten projekt, pochodzący z późnych lat 40., wciąż jest w stanie osiągnąć wydajność impulsową, której nawet najbardziej zaawansowane półprzewodniki (nawet IGBT ) nie mogą łatwo dorównać. Krytrons i sprytrons są zdolne do przenoszenia impulsów wysokiego prądu wysokiego napięcia, a czasami bardzo szybkie przełączanie i stały, niski jitter opóźnieniem czasowym pomiędzy stosowaniem impulsu wyzwalającego i włączeniem.

Krytrony mogą przełączać prądy do około 3000 amperów i napięcia do około 5000 woltów. Można osiągnąć czas komutacji poniżej 1 nanosekundy, z opóźnieniem między przyłożeniem impulsu wyzwalającego a przełączeniem wynoszącym około 30 nanosekund. Osiągalny jitter może wynosić poniżej 5 nanosekund. Wymagane napięcie impulsu wyzwalającego wynosi około 200–2000 woltów; wyższe napięcia w pewnym stopniu zmniejszają opóźnienie przełączania. Czas komutacji można nieco skrócić, zwiększając czas narastania impulsu wyzwalającego. Dana lampa krytronowa zapewni bardzo stałą wydajność przy identycznych impulsach wyzwalających (niski jitter). Prąd podtrzymania wynosi od dziesiątek do setek mikroamperów. Częstotliwość powtarzania impulsów może wahać się od jednego na minutę do dziesiątek tysięcy na minutę.

Wydajność przełączania jest w dużej mierze niezależna od otoczenia (temperatury, przyspieszenia, wibracji itp.). Jednak powstawanie podtrzymującego działania wyładowania jarzeniowego jest bardziej czułe, co wymaga użycia źródła radioaktywnego do wspomagania jego zapłonu.

Krytrony mają ograniczony czas życia, w zależności od typu, zwykle od dziesiątek tysięcy do dziesiątek milionów operacji przełączania, a czasami tylko kilkaset.

Sprytrony mają nieco szybsze czasy przełączania niż krytrony.

Tyratrony wypełnione wodorem mogą być używane jako zamienniki w niektórych zastosowaniach.

Aplikacje

Krytrony i ich odmiany są produkowane przez firmę Perkin-Elmer Components i wykorzystywane w różnych urządzeniach przemysłowych i wojskowych. Są one najbardziej znane ze swojego zastosowania do zapalania detonatorów eksplodujących drutów mostkowych i udarowych w broni jądrowej , ich oryginalne zastosowanie, albo bezpośrednio (zwykle używa się do tego sprytronów), albo poprzez wyzwalanie iskierników o większej mocy . Służą również do wyzwalania tyratronów , dużych lamp błyskowych w kserokopiarkach , laserach i aparaturze naukowej oraz do odpalania zapalników do przemysłowych materiałów wybuchowych .

Ograniczenia eksportowe w USA

Ze względu na ich potencjał do wykorzystania jako wyzwalacze broni jądrowej, eksport krytronów jest ściśle regulowany w Stanach Zjednoczonych. Zgłoszono wiele przypadków przemytu lub usiłowania przemytu krytronów, ponieważ kraje pragnące opracować broń nuklearną próbowały pozyskać dostawy krytronów do zapalania swojej broni. Jeden wybitny był przypadek Richard Kelly Smyth , który rzekomo pomógł Arnon MILCHAN przemycić 15 rozkazów 810 krytrons wynieść do Izraela w 1980 roku. 469 z nich zostało zwróconych do Ameryki, a Izrael twierdził, że pozostałe 341 zostało „zniszczonych podczas testów”.

Krytrony i sprytrony obsługują napięcia 2500 V i wyższe, prądy 100 A i wyższe oraz opóźnienia przełączania poniżej 10 mikrosekund są zwykle odpowiednie do wyzwalaczy broni jądrowej.

W kulturze popularnej

Krytron był " MacGuffinem " w filmie Romana Polańskiego " Frantic " z 1988 roku . Urządzenie w filmie było albo zaktualizowaną wersją zaawansowaną technologicznie, albo po prostu fabularyzowaną wersją wymyśloną na potrzeby historii.

Krytron, niesłusznie nazywany „krytonem”, pojawił się również w powieści Toma Clancy'ego o terroryzmie nuklearnym Suma wszystkich lęków .

Działka Larry'ego Collinsa książce " Droga do Armageddonu obracał się mocno wokół amerykańskich robione krytrons że irańscy mułłowie chciał dla trzech rosyjskich pocisków jądrowych mieli nadzieję na uaktualnienie do pełnych broni jądrowej.

Termin „krytron” pojawił się w sezonie 3, odcinku 14 (Provenance) telewizyjnego dramatu Person of Interest .

W trzecim sezonie odcinka NCIS „Kill Ari, Part 2” ujawniono, że Ari Haswari, nieuczciwy agent Mossadu, otrzymał zadanie zdobycia wyzwalacza krytronowego. Wraz ze skradzionym plutonem z Dimony były to kluczowe elementy izraelskiej operacji użądlenia. Krytron był również błędnie nazywany „krytonem”.

Dalszy rozwój

Optycznie wyzwalane przełączniki półprzewodnikowe oparte na diamentie są potencjalnymi kandydatami do zastąpienia krytronów.

Uwagi

Bibliografia

  • Katalog komponentów elektronicznych EG&G, 1994.

Dokumentacja drugiego źródła CBS /Hytron :

Linki zewnętrzne