El krytron es un tubo lleno de gas de cátodo frío destinado a ser utilizado como un interruptor de muy alta velocidad , algo similar al tiratrón . Consiste en un tubo de vidrio sellado con cuatro electrodos . Un pequeño impulso de activación en el electrodo de rejilla enciende el tubo, permitiendo que fluya una gran corriente entre los electrodos del cátodo y del ánodo . La versión de vacío se llama krytron de vacío o sprytron . El krytron fue uno de los primeros desarrollos de EG&G Corporation .
A diferencia de la mayoría de los otros tubos de conmutación de gas, el krytrón conduce mediante una descarga de arco , para manejar voltajes y corrientes muy altos (que alcanzan varios kilovoltios y varios kiloamperios), en lugar de la descarga luminosa de baja corriente utilizada en otros tiratrones . El krytron es un desarrollo de los explosores activados y los tiratrones desarrollados originalmente para transmisores de radar durante la Segunda Guerra Mundial .
El gas utilizado en los krytrones es el hidrógeno ; [2] También se pueden utilizar gases nobles (normalmente criptón ) o una mezcla de Penning . [3]
Un krytron tiene cuatro electrodos . Dos son un ánodo y un cátodo convencionales . Uno es un electrodo de mantenimiento, colocado cerca del cátodo. Al Keep-Alive se le aplica un voltaje positivo bajo, lo que hace que una pequeña área de gas se ionice cerca del cátodo. Se aplica alto voltaje al ánodo, pero la conducción primaria no ocurre hasta que se aplica un pulso positivo al electrodo disparador ("Rejilla" en la imagen de arriba). Una vez iniciada, la conducción del arco transporta una corriente considerable.
El cuarto es una rejilla de control, generalmente envuelta alrededor del ánodo, excepto por una pequeña abertura en su parte superior. [4]
En lugar o además del electrodo de mantenimiento de actividad, algunos critrones pueden contener una pequeña cantidad de material radiactivo (normalmente menos de 5 microcurios (180 kBq ) de níquel-63 ), que emite partículas beta ( electrones de alta velocidad ) para fabricar La ionización es más fácil. La fuente de radiación sirve para aumentar la seguridad del encendido y la formación de la descarga del electrodo de mantenimiento.
El relleno de gas proporciona iones para neutralizar la carga espacial y permitir altas corrientes a menor voltaje. [4] La descarga de mantenimiento puebla el gas con iones, formando un plasma preionizado. Esto puede acortar el tiempo de formación del arco entre 3 y 4 órdenes de magnitud en comparación con los tubos no preionizados, ya que no es necesario dedicar tiempo a ionizar el medio durante la formación de la trayectoria del arco. [5]
El arco eléctrico es autosostenible. Una vez que se activa el tubo, conduce hasta que el arco se interrumpe porque la corriente cae demasiado durante demasiado tiempo (menos de 10 miliamperios durante más de 100 microsegundos para los krytrones KN22). [2]
Los krytrones y sprytrones se activan mediante un alto voltaje de la descarga de un condensador a través de un transformador de disparo , de manera similar se activan los tubos de flash para, por ejemplo, aplicaciones de flash fotográfico . Se encuentran disponibles dispositivos que integran un krytron con un transformador de activación. [5]
Un sprytron , también conocido como krytron de vacío o interruptor de vacío activado ( TVS ), es una versión de vacío, en lugar de una versión llena de gas. Está diseñado para su uso en entornos con altos niveles de radiación ionizante , lo que podría activar de forma espuria un krytrón lleno de gas. También es más inmune a las interferencias electromagnéticas que los tubos llenos de gas.
Los Sprytrons carecen del electrodo de mantenimiento y de la fuente radiactiva de preionización. El pulso de activación debe ser más fuerte que el de un krytron. Los Sprytrons pueden manejar corrientes más altas. Los krytron tienden a usarse para activar un interruptor secundario, por ejemplo, un explosor activado , mientras que los sprytron generalmente se conectan directamente a la carga.
El impulso de disparo tiene que ser mucho más intenso, ya que no existe un camino de gas preionizado para la corriente eléctrica y debe formarse un arco de vacío entre el cátodo y el ánodo. Primero se forma un arco entre el cátodo y la rejilla, luego se produce una ruptura entre la región conductora cátodo-rejilla y el ánodo. [5]
Los Sprytrons se evacuan a un vacío intenso , normalmente 0,001 Pa . Como el kovar y otros metales son algo permeables al hidrógeno, especialmente durante el horneado a 600 °C antes de la evacuación y el sellado, todas las superficies metálicas externas deben revestirse con una capa gruesa (25 micrómetros o más) de oro blando . La misma metalización se utiliza también para otros tubos de interruptor. [6]
Los sprytrons suelen estar diseñados de forma similar a los trigatrones , con el electrodo disparador coaxial al cátodo. En un diseño, el electrodo disparador está formado como metalización en la superficie interior de un tubo de alúmina . El pulso de disparo provoca una descarga eléctrica en la superficie , que libera electrones y material de descarga superficial vaporizado en el espacio entre electrodos, lo que facilita la formación de un arco de vacío que cierra el interruptor. El corto tiempo de conmutación sugiere que los electrones de la descarga del disparador y los correspondientes electrones secundarios son expulsados del ánodo como inicio de la operación de conmutación; el material vaporizado viaja demasiado lento a través del espacio para desempeñar un papel importante. La repetibilidad del disparo se puede mejorar mediante un recubrimiento especial de la superficie entre el electrodo del disparador y el cátodo, y la fluctuación se puede mejorar dopando el sustrato del disparador y modificando las estructuras de la sonda del disparador. Los Sprytrons pueden degradarse durante el almacenamiento, mediante la desgasificación de sus componentes, la difusión de gases (especialmente hidrógeno) a través de los componentes metálicos y las fugas de gas a través de los sellos herméticos . Un tubo de ejemplo fabricado con una presión interna de 0,001 Pa exhibirá rupturas espontáneas de los espacios cuando la presión interna aumente a 1 Pa. Se pueden realizar pruebas aceleradas de la vida útil del almacenamiento almacenándolo a una presión ambiental mayor, opcionalmente con helio agregado para pruebas de fugas y a una temperatura mayor. almacenamiento (150 °C) para pruebas de desgasificación. Los Sprytrons se pueden fabricar en miniatura y resistentes. [7]
Los Sprytrons también pueden activarse mediante un pulso láser . En 1999, la energía del pulso láser necesaria para activar un sprytron se redujo a 10 microjulios. [8]
Los Sprytrons suelen fabricarse como piezas resistentes de metal/ cerámica . Por lo general, tienen baja inductancia (10 nanohenrios ) y baja resistencia eléctrica cuando se encienden (10 a 30 miliohmios ) . Después de activarse, justo antes de que el sprytron se encienda completamente en modo avalancha, se vuelve brevemente ligeramente conductor (transporta entre 100 y 200 amperios); Los transistores MOSFET de alta potencia que funcionan en modo avalancha muestran un comportamiento similar. Están disponibles los modelos SPICE para sprytrons. [9]
Este diseño, que data de finales de la década de 1940, todavía es capaz de ofrecer un rendimiento de potencia de pulso que ni siquiera los semiconductores más avanzados (incluso los IGBT ) pueden igualar fácilmente. Los krytrons y sprytrons son capaces de manejar pulsos de alto voltaje y alta corriente, con tiempos de conmutación muy rápidos y un retardo de tiempo constante y de baja fluctuación entre la aplicación del pulso de disparo y el encendido.
Los Krytrons pueden conmutar corrientes de hasta aproximadamente 3000 amperios y voltajes de hasta aproximadamente 5000 voltios. Se puede lograr un tiempo de conmutación de menos de 1 nanosegundo, con un retraso entre la aplicación del impulso de disparo y la conmutación tan bajo como aproximadamente 30 nanosegundos. La fluctuación alcanzable puede ser inferior a 5 nanosegundos. El voltaje del impulso de disparo requerido es de aproximadamente 200 a 2000 voltios; voltajes más altos reducen el retardo de conmutación hasta cierto punto. El tiempo de conmutación se puede acortar un poco aumentando el tiempo de subida del impulso de disparo. Un tubo krytron determinado brindará un rendimiento muy consistente con pulsos de disparo idénticos (baja fluctuación). [5] La corriente de mantenimiento varía de decenas a cientos de microamperios. La frecuencia de repetición del pulso puede oscilar entre uno por minuto y decenas de miles por minuto. [4]
El rendimiento de conmutación es en gran medida independiente del entorno (temperatura, aceleración, vibración, etc.). Sin embargo, la formación de la descarga luminosa que mantiene viva es más sensible, lo que requiere el uso de una fuente radiactiva para ayudar a su ignición.
Los krytrones tienen una vida útil limitada, que varía, según el tipo, normalmente entre decenas de miles y decenas de millones de operaciones de conmutación y, a veces, sólo unos pocos cientos. [4] [5]
Los sprytrons tienen tiempos de conmutación algo más rápidos que los krytrons.
Los tiratrones llenos de hidrógeno se pueden utilizar como reemplazo en algunas aplicaciones.
Los Krytrons y sus variaciones son fabricados por Perkin-Elmer Components y utilizados en una variedad de dispositivos industriales y militares. Son mejor conocidos por su uso para encender detonadores de puente explosivo y detonadores en armas nucleares , su aplicación original, ya sea directamente (generalmente se usan sprytrons para esto) o activando interruptores de chispas de mayor potencia . También se utilizan para activar tiratrones , grandes lámparas de destellos en fotocopiadoras , láseres y aparatos científicos, y para encender encendedores de explosivos industriales .
Debido a su potencial para ser utilizados como desencadenantes de armas nucleares, la exportación de krytrones está estrictamente regulada en Estados Unidos. Se han informado varios casos de contrabando o intento de contrabando de krytrones, ya que los países que buscan desarrollar armas nucleares han intentado obtener suministros de krytrones para encender sus armas. Un caso destacado fue el de Richard Kelly Smyth , quien supuestamente ayudó a Arnon Milchan a contrabandear 15 pedidos de 810 krytrones en total a Israel a principios de los años 1980. [10] 469 de ellos fueron devueltos a los Estados Unidos, e Israel afirmó que los 341 restantes fueron "destruidos durante las pruebas". [10]
Los krytrones y sprytrones que manejan voltajes de 2500 V y superiores, corrientes de 100 A y superiores y retrasos de conmutación de menos de 10 microsegundos suelen ser adecuados para activadores de armas nucleares. [11]
Un krytrón era el " MacGuffin " de la película Frantic de Roman Polanski de 1988 . El dispositivo en la película era en realidad un Krytron-Pac, que consistía en un tubo Krytron junto con un transformador disparador revestido de epoxi negro. [12]
El krytrón, incorrectamente llamado "kryton", también apareció en la novela de terrorismo nuclear de Tom Clancy La suma de todos los miedos .
La trama del libro de Larry Collins , The Road to Armageddon, giraba en gran medida en torno a los krytrones de fabricación estadounidense que los mulás iraníes querían para tres proyectiles de artillería nuclear rusa que esperaban convertir en armas nucleares completas. [13]
El término "krytron" apareció en la temporada 3, episodio 14 (Provenance) del drama televisivo Person of Interest .
En la temporada 3 del episodio de NCIS "Kill Ari, Part 2", se reveló que a Ari Haswari, un agente rebelde del Mossad, se le había encomendado la tarea de adquirir un disparador de krytrón. Junto con el plutonio robado de Dimona, estos fueron componentes clave para una operación encubierta israelí. El krytrón también fue llamado incorrectamente "kryton".
Los interruptores de estado sólido activados ópticamente basados en diamante son un candidato potencial para reemplazar al krytron. [14]
Documentación de segunda fuente de CBS /Hytron :