Критрон - Krytron

Трубка переключателя КН2 "Критрон" производства EG&G ( высота около 25 мм)

Крайтрон является холодным катодом газонаполненных трубок предназначена для использования в качестве очень высокой скорости переключателя , несколько похожего на тиратрон . Он состоит из герметичной стеклянной трубки с четырьмя электродами . Небольшой запускающий импульс на сеточном электроде включает трубку, позволяя протекать сильному току между катодным и анодным электродами. Вакуумный вариант называется вакуумным критроном или спритроном . Критрон был одной из самых ранних разработок EG&G Corporation .

Описание

В отличие от большинства других газовых переключающих трубок, критрон проводит ток посредством дугового разряда , чтобы выдерживать очень высокие напряжения и токи (достигающие нескольких киловольт и нескольких килоампер), а не слаботочный тлеющий разряд, используемый в других тиратронах . Критрон - это развитие искровых разрядников и тиратронов, первоначально разработанных для радиолокационных передатчиков во время Второй мировой войны .

Газ, используемый в критронах, - водород ; Также можно использовать благородные газы (обычно криптон ) или смесь Пеннинга .

Операция

Схема Krytron

Критрон имеет четыре электрода . Два из них - обычный анод и катод . Один из них - это поддерживающий электрод, расположенный рядом с катодом. Поддерживающий режим имеет низкое положительное напряжение, которое вызывает ионизацию небольшого участка газа возле катода. На анод подается высокое напряжение, но первичная проводимость не возникает до тех пор, пока на пусковой электрод не будет подан положительный импульс («Сетка» на изображении выше). После запуска дуга проводит значительный ток.

Четвертый - это управляющая сетка, обычно обернутая вокруг анода, за исключением небольшого отверстия на его вершине.

Вместо или в дополнение к поддерживающему электроду некоторые критроны могут содержать очень небольшое количество радиоактивного материала (обычно менее 5 микрокюри (180  кБк ) никеля-63 ), который испускает бета-частицы (высокоскоростные электроны ) в облегчить ионизацию . Источник излучения служит для повышения надежности зажигания и формирования разряда поддерживающего электрода.

Заполнение газом содержит ионы для нейтрализации объемного заряда и пропускания высоких токов при более низком напряжении. Поддерживающий разряд заполняет газ ионами, образуя предионизированную плазму; это может сократить время образования дуги на 3–4 порядка по сравнению с трубками без предварительной ионизации, поскольку не нужно тратить время на ионизацию среды во время формирования дугового тракта.

Электрическая дуга самоподдерживающаяся; как только лампа срабатывает, она проводит до тех пор, пока дуга не прерывается из-за слишком низкого слишком долгого падения тока (менее 10 миллиампер в течение более 100 микросекунд для krytron KN22).

Krytrons и sprytrons вызваны высоким напряжением из конденсатора разряда через триггер трансформатор , аналогичным образом flashtubes для например фотовспышки приложения запускается. Доступны устройства, объединяющие критрон с пусковым трансформатором.

Sprytron

Sprytron , также известный как вакуумный крайтрон или инициируемый вакуумный выключатель ( ТВС ), вакуум, а не газонаполненный, версия. Он разработан для использования в средах с высоким уровнем ионизирующего излучения , которое может ложно активировать газонаполненный критрон. Он также более устойчив к электромагнитным помехам, чем газонаполненные трубки.

Спритроны не имеют электрода поддержки активности и радиоактивного источника предыонизации. Импульс триггера должен быть сильнее, чем у критрона. Спритроны способны выдерживать более высокие токи; Критроны, как правило, используются для включения вторичного переключателя, например, срабатывающего искрового разрядника , в то время как спритроны обычно подключаются непосредственно к нагрузке.

Импульс запуска должен быть намного более интенсивным, поскольку для электрического тока нет предыонизированного газового тракта, и между катодом и анодом должна образовываться вакуумная дуга . Сначала возникает дуга между катодом и сеткой, затем происходит пробой между проводящей областью катод-сетка и анодом.

Спритроны откачиваются до жесткого вакуума , обычно 0,001 Па . Как ковар и другие металлы являются несколькими проницаемыми для водорода, особенно при 600 ° C выпекать-аут до эвакуации и герметизации, все внешние металлические поверхности должны быть покрыты толстыми (25 мкм или более) слоем мягкого золота . Такая же металлизация используется и для других трубок переключателей.

Спритроны часто имеют конструкцию, аналогичную тригатронам , с пусковым электродом, коаксиальным катоду. В одной конструкции пусковой электрод выполнен в виде металлизации на внутренней поверхности трубки из оксида алюминия . Пусковой импульс вызывает поверхностный пробой , который высвобождает электроны и испаренный материал поверхностного разряда в межэлектродный зазор, что способствует образованию вакуумной дуги , замыкающей переключатель. Короткое время переключения предполагает, что электроны из триггерного разряда и соответствующие вторичные электроны выбиты из анода как начало операции переключения; испаренный материал проходит через зазор слишком медленно, чтобы играть значительную роль. Повторяемость срабатывания триггера может быть улучшена за счет специального покрытия поверхности между пусковым электродом и катодом, а дрожание может быть улучшено путем легирования триггерной подложки и модификации структур триггерного зонда. Sprytrons может ухудшить при хранении, пути дегазации из их компонентов, диффузия газов (особенно водород) через металлические компоненты, а также утечки газа через герметичные уплотнения ; пример трубки, изготовленной с внутренним давлением 0,001 Па, будет демонстрировать самопроизвольные разрывы зазора, когда давление внутри повышается до 1 Па. Ускоренное испытание срока хранения может быть выполнено путем хранения при повышенном давлении окружающей среды, необязательно с добавлением гелия, для проверки на герметичность и увеличении температура хранения (150 ° C) для испытаний на дегазацию. Спритроны могут быть миниатюрными и прочными.

Спритроны также могут запускаться лазерным импульсом. В 1999 году энергия лазерного импульса, необходимая для запуска спритрона, была уменьшена до 10 микроджоулей.

Спритроны обычно изготавливаются в виде прочных металлических / керамических деталей. Как правило , они имеют низкую индуктивность (10 нано генри ) и низкое электрическое сопротивление при включении (10-30 милли Ом ). После срабатывания, непосредственно перед тем, как спритрон полностью включится в лавинном режиме, он на короткое время становится слабопроводящим (100–200 ампер); Аналогичное поведение демонстрируют мощные полевые МОП- транзисторы, работающие в лавинном режиме. Доступны модели SPICE для спритронов.

Представление

Эта конструкция, датируемая концом 1940-х годов, по-прежнему способна работать в импульсном режиме, с которыми не могут легко сравниться даже самые современные полупроводники (даже IGBT ). Критроны и спритроны способны обрабатывать сильноточные импульсы высокого напряжения с очень коротким временем переключения и постоянной временной задержкой с малым дрожанием между подачей триггерного импульса и включением.

Krytrons могут переключать токи до 3000 ампер и напряжения до 5000 вольт. Может быть достигнуто время коммутации менее 1 наносекунды с задержкой между приложением запускающего импульса и переключением всего около 30 наносекунд. Достижимый джиттер может быть менее 5 наносекунд. Требуемое напряжение пускового импульса составляет около 200–2000 вольт; более высокие напряжения в некоторой степени уменьшают задержку переключения. Время коммутации можно несколько сократить, увеличив время нарастания запускающего импульса. Данная трубка Критрона будет давать очень стабильные характеристики при идентичных импульсах запуска (низкий джиттер). Поддерживающий ток составляет от десятков до сотен микроампер. Частота повторения импульсов может составлять от одного до десятков тысяч в минуту.

Характеристики переключения в значительной степени не зависят от окружающей среды (температура, ускорение, вибрация и т. Д.). Однако образование поддерживающего тлеющего разряда более чувствительно, что требует использования радиоактивного источника для облегчения его зажигания.

Критроны имеют ограниченный срок службы, варьирующийся в зависимости от типа, обычно от десятков тысяч до десятков миллионов операций переключения, а иногда всего несколько сотен.

Спритроны имеют несколько более быстрое время переключения, чем критроны.

Заполненные водородом тиратроны могут использоваться в качестве замены в некоторых приложениях.

Приложения

Krytron и их разновидности производятся Perkin-Elmer Components и используются во множестве промышленных и военных устройств. Они лучше всего известны за их использование в зажигая взрывающийся-bridgewire и Slapper детонаторов в ядерном оружии , их исходное приложение, либо непосредственно (sprytrons, как правило , используется для этого) или вызвав выше мощности искрового разрядника переключателей. Они также используются для запуска тиратронов , больших ламп-вспышек в копировальных аппаратах , лазерах и научной аппаратуре, а также для зажигания воспламенителей промышленных взрывчатых веществ .

Ограничения на экспорт в США

Из-за того, что они могут быть использованы в качестве пусковых механизмов ядерного оружия, экспорт критронов жестко регулируется в Соединенных Штатах. Сообщалось о ряде случаев, связанных с контрабандой или попытками контрабанды критронов, поскольку страны, стремящиеся разработать ядерное оружие, пытались обеспечить поставки критронов для воспламенения своего оружия. Один известный случай произошел Ричард Келли Смит , который якобы помог Арнон МИЛЧЕН переправить 15 заказов 810 krytrons всего в Израиль в начале 1980 - х годов. 469 из них были возвращены в Америку, а Израиль заявил, что оставшиеся 341 были «уничтожены в ходе испытаний».

Критроны и спритроны, работающие с напряжениями 2500 В и выше, токами 100 А и выше и задержками переключения менее 10 микросекунд, обычно подходят для триггеров ядерного оружия.

В популярной культуре

Критрон был « МакГаффином » в фильме Романа Полански 1988 года « Неистовый» . Устройство в фильме было либо высокотехнологичной обновленной версией, либо просто вымышленной версией, составленной по сюжету.

Критрон, ошибочно названный «криптоном», также появился в романе Тома Клэнси о ядерном терроризме «Сумма всех страхов» .

Сюжет книги Ларри Коллинза « Дорога к Армагедону» в значительной степени вращался вокруг критронов американского производства, которые иранские муллы хотели использовать для трех российских ядерных артиллерийских снарядов, которые они надеялись модернизировать до полноценного ядерного оружия.

Термин «Критрон» появился в 3 сезоне, эпизоде ​​14 (Происхождение) телевизионной драмы «Интересная личность» .

В третьем сезоне сериала NCIS «Убить Ари, часть 2» выяснилось, что Ари Хасвари, мошенник Моссада, получил задание заполучить критронный триггер. Наряду с украденным плутонием из Димоны, это были ключевые компоненты израильской спецоперации. Критрон также неправильно назывался «Критоном».

Дальнейшее развитие

Твердотельные переключатели на основе алмаза с оптическим срабатыванием являются потенциальным кандидатом на замену Krytron.

Заметки

Рекомендации

  • Каталог электронных компонентов EG&G, 1994.

Документация по второму источнику CBS / Hytron :

Внешние ссылки