Krytron - Krytron

Para tubo de amplificação de microondas / rádio, consulte Klystron . Para a chave crioelétrica , consulte Cryotron . Para o elemento químico, veja Krypton .
Tubo de interruptor KN2 "Krytron", feito por EG&G (cerca de 25 mm de altura)

O krytron é um cátodo frio tubo cheio de gás destinado a ser utilizado como uma muito alta velocidade interruptor , um pouco semelhante à thyratron . Consiste em um tubo de vidro selado com quatro eletrodos . Um pequeno pulso de disparo no eletrodo de grade liga o tubo, permitindo que uma grande corrente flua entre os eletrodos cátodo e ânodo . A versão a vácuo é chamada de krytron a vácuo ou sprytron . O krytron foi um dos primeiros desenvolvimentos da EG&G Corporation .

Descrição

Ao contrário da maioria dos outros tubos de comutação de gás, o krytron conduz por meio de uma descarga de arco , para lidar com tensões e correntes muito altas (atingindo vários quilovolts e vários quiloamperes), em vez da descarga luminescente de baixa corrente usada em outros tiratrons . O krytron é um desenvolvimento dos centelhadores acionados e tiratrons originalmente desenvolvidos para transmissores de radar durante a Segunda Guerra Mundial .

O gás usado nos krytrons é o hidrogênio ; gases nobres (geralmente criptônio ) ou uma mistura de Penning também podem ser usados.

Operação

Diagrama de um Krytron

Um krytron possui quatro eletrodos . Dois são um ânodo e um cátodo convencionais . Um é um eletrodo keep-alive, disposto para ficar próximo ao cátodo. O keep-alive tem uma baixa voltagem positiva aplicada, o que faz com que uma pequena área de gás ionize perto do cátodo. Alta tensão é aplicada ao ânodo, mas a condução primária não ocorre até que um pulso positivo seja aplicado ao eletrodo de disparo ("Grade" na imagem acima). Uma vez iniciada, a condução do arco carrega uma corrente considerável.

A quarta é uma grade de controle, geralmente enrolada em torno do ânodo, exceto por uma pequena abertura em sua parte superior.

No lugar ou em adição ao eletrodo keep-alive, alguns krytrons podem conter uma quantidade muito pequena de material radioativo (geralmente menos de 5 microcuries (180  kBq ) de níquel-63 ), que emite partículas beta ( elétrons de alta velocidade ) para tornar a ionização mais fácil. A fonte de radiação serve para aumentar a confiabilidade da ignição e formação da descarga do eletrodo keep-alive.

O enchimento de gás fornece íons para neutralizar a carga espacial e permitir altas correntes com baixa tensão. A descarga keep-alive preenche o gás com íons, formando um plasma pré-ionizado; isso pode encurtar o tempo de formação do arco em 3-4 ordens de magnitude em comparação com os tubos não pré-ionizados, pois o tempo não precisa ser gasto na ionização do meio durante a formação do caminho do arco.

O arco elétrico é autossustentável; uma vez que o tubo é disparado, ele conduz até que o arco seja interrompido pela corrente caindo muito baixa por muito tempo (abaixo de 10 miliamperes por mais de 100 microssegundos para os krytrons KN22).

Krytrons e sprytrons são disparados por uma alta tensão de uma descarga de capacitor via um transformador de gatilho , de forma semelhante, flashtubes para, por exemplo, aplicações de flashes fotográficos são disparados. Dispositivos que integram um krytron com um transformador de gatilho estão disponíveis.

Sprytron

Um sprytron , também conhecido como krytron a vácuo ou interruptor de vácuo acionado ( TVS ), é uma versão a vácuo, em vez de preenchida com gás. Ele é projetado para uso em ambientes com altos níveis de radiação ionizante , o que pode desencadear um krytron cheio de gás espúrio. Também é mais imune à interferência eletromagnética do que tubos cheios de gás.

Os sprytrons não possuem o eletrodo de manutenção de atividade e a fonte radioativa de pré-ionização. O pulso de disparo deve ser mais forte do que para um krytron. Sprytrons são capazes de lidar com correntes mais altas; Os krytrons tendem a ser usados ​​para acionar uma chave secundária, por exemplo, um centelhador acionado , enquanto os sprytrons geralmente são conectados diretamente à carga.

O pulso de disparo deve ser muito mais intenso, pois não há caminho de gás pré-ionizado para a corrente elétrica, e um arco de vácuo deve se formar entre o cátodo e o ânodo. Um arco se forma primeiro entre o cátodo e a grade, então ocorre uma ruptura entre a região condutora cátodo-grade e o ânodo.

Sprytrons são evacuados para vácuo forte , normalmente 0,001 Pa . Como o kovar e outros metais são um tanto permeáveis ​​ao hidrogênio, especialmente durante o bake-out de 600 ° C antes da evacuação e vedação, todas as superfícies externas de metal devem ser revestidas com uma camada espessa (25 micrômetros ou mais) de ouro macio . A mesma metalização é usada para outros tubos de switch também.

Sprytrons são freqüentemente projetados de forma semelhante aos trigatrons , com o eletrodo de disparo coaxial ao cátodo. Em um projeto, o eletrodo de gatilho é formado como metalização na superfície interna de um tubo de alumina . O pulso de disparo causa flashover de superfície , que libera elétrons e material de descarga de superfície vaporizado na lacuna entre eletrodos, o que facilita a formação de um arco de vácuo , fechando a chave. O curto tempo de comutação sugere elétrons da descarga do gatilho e os elétrons secundários correspondentes expulsos do ânodo como o início da operação de comutação; o material vaporizado viaja muito lentamente através da lacuna para desempenhar um papel significativo. A repetibilidade do gatilho pode ser melhorada pelo revestimento especial da superfície entre o eletrodo gatilho e o cátodo, e o jitter pode ser melhorado dopando o substrato gatilho e modificando as estruturas da sonda gatilho. Sprytrons podem se degradar no armazenamento, liberando gases de seus componentes, difusão de gases (especialmente hidrogênio) através dos componentes de metal e vazamentos de gás através dos selos herméticos ; um tubo de exemplo fabricado com pressão interna de 0,001 Pa exibirá rupturas de folga espontâneas quando a pressão interna aumentar para 1 Pa. O teste acelerado de vida de armazenamento pode ser feito armazenando em pressão ambiente aumentada, opcionalmente com hélio adicionado, para teste de vazamento, e temperatura de armazenamento (150 ° C) para teste de liberação de gás. Os Sprytrons podem ser miniaturizados e robustos.

Sprytrons também podem ser acionados por um pulso de laser . Em 1999, a energia do pulso de laser necessária para acionar um sprytron foi reduzida para 10 microjoules.

Sprytrons são geralmente fabricados como peças de metal / cerâmica resistentes . Eles normalmente têm baixa indutância (10 nano- henries ) e baixa resistência elétrica quando ligados (10-30 mili ohms ). Após o disparo, pouco antes de o sprytron ligar totalmente no modo avalanche, ele se torna ligeiramente condutivo (100–200 amperes); transistores MOSFET de alta potência operando no modo avalanche apresentam comportamento semelhante. Modelos SPICE para sprytrons estão disponíveis.

Desempenho

Este projeto, datado do final dos anos 1940, ainda é capaz de desempenho de potência de pulso que até mesmo os semicondutores mais avançados (mesmo IGBTs ) não conseguem igualar facilmente. Krytrons e sprytrons são capazes de lidar com pulsos de alta tensão e alta corrente, com tempos de chaveamento muito rápidos e um atraso de tempo de jitter baixo constante entre a aplicação do pulso de gatilho e a ativação.

Krytrons pode alternar correntes de até cerca de 3.000 amperes e tensões de até cerca de 5.000 volts. O tempo de comutação de menos de 1 nanossegundo pode ser alcançado, com um atraso entre a aplicação do pulso de disparo e a comutação tão baixo quanto cerca de 30 nanossegundos. O jitter alcançável pode ser inferior a 5 nanossegundos. A tensão de pulso de disparo necessária é de cerca de 200–2000 volts; tensões mais altas diminuem o atraso de comutação em algum grau. O tempo de comutação pode ser um pouco reduzido aumentando o tempo de subida do pulso de disparo. Um determinado tubo de krytron fornecerá um desempenho muito consistente para pulsos de disparo idênticos (jitter baixo). A corrente keep-alive varia de dezenas a centenas de microamperes. A taxa de repetição do pulso pode variar de um por minuto a dezenas de milhares por minuto.

O desempenho de comutação é amplamente independente do ambiente (temperatura, aceleração, vibração, etc.). No entanto, a formação da descarga luminescente keep-alive é mais sensível, o que requer o uso de uma fonte radioativa para auxiliar sua ignição.

Os krytrons têm uma vida útil limitada, variando, de acordo com o tipo, normalmente de dezenas de milhares a dezenas de milhões de operações de comutação e, às vezes, apenas algumas centenas.

Sprytrons têm tempos de comutação um pouco mais rápidos do que krytrons.

Tiratrons preenchidos com hidrogênio podem ser usados ​​como substitutos em algumas aplicações.

Formulários

Krytrons e suas variações são fabricados pela Perkin-Elmer Components e usados ​​em uma variedade de dispositivos industriais e militares. Eles são mais conhecidos por seu uso na ignição de detonadores explosivos de bridgewire e slapper em armas nucleares , sua aplicação original, seja diretamente (sprytrons são normalmente usados ​​para isso) ou acionando interruptores de centelha de alta potência . Eles também são usados para acionar tiratrões , grandes flashlamps em fotocopiadoras , lasers e aparelhos científicos, e para disparar ignitors para industriais explosivos .

Restrições de exportação nos EUA

Devido ao seu potencial para uso como gatilho de armas nucleares, a exportação de krytrons é rigidamente regulamentada nos Estados Unidos. Vários casos envolvendo o contrabando ou a tentativa de contrabando de krytrons foram relatados, pois os países que buscavam desenvolver armas nucleares tentaram obter suprimentos de krytrons para acender suas armas. Um caso proeminente foi o de Richard Kelly Smyth , que supostamente ajudou Arnon Milchan a contrabandear 15 pedidos de 810 krytrons para Israel no início dos anos 1980. 469 deles foram devolvidos à América, com Israel alegando que os 341 restantes foram "destruídos em testes".

Krytrons e sprytrons lidando com tensões de 2.500 V e acima, correntes de 100 A e acima, e atrasos de chaveamento de menos de 10 microssegundos são normalmente adequados para disparadores de armas nucleares.

Na cultura popular

Um krytron era o " MacGuffin " no filme Frantic, de Roman Polanski, de 1988 . O dispositivo no filme era uma versão atualizada de alta tecnologia ou simplesmente uma versão ficcional inventada para a história.

O krytron, incorretamente chamado de "kryton", também apareceu no romance de terrorismo nuclear de Tom Clancy , The Sum of All Fears .

O enredo do livro de Larry Collins , The Road to Armageddon, girava fortemente em torno dos krytrons de fabricação americana que os mulás iranianos queriam para três projéteis de artilharia nuclear russa que esperavam transformar em armas nucleares completas.

O termo "krytron" apareceu na temporada 3, episódio 14 (Proveniência) do drama de televisão Person of Interest .

Na 3ª temporada do episódio "Kill Ari, Parte 2" do NCIS , foi revelado que Ari Haswari, um agente desonesto do Mossad, tinha a tarefa de adquirir um gatilho de krytron. Junto com o plutônio roubado de Dimona, esses eram componentes-chave para uma operação militar israelense. O krytron também foi chamado incorretamente de "kryton".

Desenvolvimentos posteriores

Os interruptores de estado sólido acionados opticamente baseados em diamante são um candidato potencial para a substituição do krytron.

Notas

Referências

  • Catálogo de componentes eletrônicos EG&G, 1994.

Documentação de segunda fonte CBS / Hytron :

links externos