El krytron es un tubo lleno de gas y cátodo frío diseñado para usarse como un interruptor de muy alta velocidad , algo similar al tiratrón . Consiste en un tubo de vidrio sellado con cuatro electrodos . Un pequeño pulso de activación en el electrodo de rejilla enciende el tubo, lo que permite que fluya una gran corriente entre los electrodos del cátodo y el 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 demás tubos de conmutación de gas, el krytron 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 luminiscente de baja corriente utilizada en otros tiratrones . El krytron es un desarrollo de los descargadores de chispas activados y los tiratrones desarrollados originalmente para transmisores de radar durante la Segunda Guerra Mundial .
El gas utilizado en los kritrones es hidrógeno ; [2] también se pueden utilizar gases nobles (normalmente criptón ) o una mezcla de Penning . [3]
Un krytron tiene cuatro electrodos . Dos de ellos son un ánodo y un cátodo convencionales . Uno es un electrodo de mantenimiento de la vida, colocado cerca del cátodo. El electrodo de mantenimiento de la vida tiene un voltaje positivo bajo aplicado, lo que hace que una pequeña área de gas se ionice cerca del cátodo. Se aplica un alto voltaje al ánodo, pero la conducción primaria no ocurre hasta que se aplica un pulso positivo al electrodo de activación ("Grid" en la imagen de arriba). Una vez que se inicia, la conducción del arco transporta una corriente considerable.
La cuarta es una rejilla de control, generalmente envuelta alrededor del ánodo, a excepción de una pequeña abertura en su parte superior. [4]
En lugar del electrodo de mantenimiento de la vida, o además de él, algunos krytrones 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 facilitar la ionización . La fuente de radiación sirve para aumentar la fiabilidad de la ignición y la formación de la descarga del electrodo de mantenimiento de la vida.
El relleno de gas proporciona iones para neutralizar la carga espacial y permitir corrientes altas a menor voltaje. [4] La descarga de mantenimiento llena el gas con iones, formando un plasma preionizado. Esto puede acortar el tiempo de formación del arco en 3-4 órdenes de magnitud en comparación con los tubos no preionizados, ya que no se tiene que dedicar tiempo a ionizar el medio durante la formación de la trayectoria del arco. [5]
El arco eléctrico es autosuficiente. Una vez que se activa el tubo, conduce hasta que el arco se interrumpe porque la corriente disminuye demasiado durante demasiado tiempo (por debajo de los 10 miliamperios durante más de 100 microsegundos en el caso de los krytrons KN22). [2]
Los krytrons y sprytrons se activan mediante un alto voltaje proveniente de la descarga de un capacitor a través de un transformador de activación , de manera similar a como se activan los tubos de destello para aplicaciones de flashes fotográficos , por ejemplo . Existen 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 usarse en entornos con altos niveles de radiación ionizante , que podrían activar un krytron lleno de gas de manera espuria. También es más inmune a la interferencia electromagnética que los tubos llenos de gas.
Los sprytrons carecen del electrodo de mantenimiento de la vida 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 krytrons tienden a usarse para activar un interruptor secundario, por ejemplo, un chispador activado , mientras que los sprytrons generalmente se conectan directamente a la carga.
El pulso de activación debe ser mucho más intenso, ya que no hay una ruta 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 del cátodo y la rejilla y el ánodo. [5]
Los sprytrons se evacuan a un vacío fuerte , típicamente 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 recubrirse con una capa gruesa (25 micrómetros o más) de oro blando . La misma metalización también se utiliza para otros tubos de conmutación. [6]
Los sprytrons suelen diseñarse de forma similar a los trigatrones , con el electrodo de disparo coaxial al cátodo. En un diseño, el electrodo de disparo está formado como metalización en la superficie interior de un tubo de alúmina . El pulso de disparo provoca una descarga superficial , que libera electrones y material de descarga superficial vaporizado en el espacio entre electrodos, lo que facilita la formación de un arco de vacío , cerrando el interruptor. El corto tiempo de conmutación sugiere que los electrones de la descarga del disparador y los electrones secundarios correspondientes son expulsados del ánodo como el inicio de la operación de conmutación; el material vaporizado viaja demasiado lentamente 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 de disparo 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, por desgasificación de sus componentes, difusión de gases (especialmente hidrógeno) a través de los componentes metálicos y 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 la holgura cuando la presión en el interior aumente a 1 Pa. Se pueden realizar pruebas aceleradas de la vida útil de almacenamiento almacenándolo a una presión ambiente mayor, opcionalmente con helio agregado para pruebas de fugas, y almacenamiento a una temperatura mayor (150 °C) para pruebas de desgasificación. Los Sprytrons se pueden fabricar miniaturizados 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 se fabrican generalmente como piezas robustas de metal/ cerámica . Por lo general, tienen baja inductancia (10 nanohenrios ) y baja resistencia eléctrica cuando se encienden (10–30 miliohmios ) . Después de la activación, justo antes de que el sprytron se encienda completamente en modo avalancha, se vuelve ligeramente conductor brevemente (transportando 100–200 amperios); los transistores MOSFET de alta potencia que funcionan en modo avalancha muestran un comportamiento similar. Hay 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 de fluctuación constante y bajo 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 pulso de disparo y la conmutación de tan solo unos 30 nanosegundos. La fluctuación alcanzable puede ser inferior a 5 nanosegundos. El voltaje del pulso de disparo requerido es de aproximadamente 200 a 2000 voltios; los voltajes más altos disminuyen el retraso de conmutación hasta cierto punto. El tiempo de conmutación se puede acortar un poco aumentando el tiempo de subida del pulso de disparo. Un tubo krytron dado dará un rendimiento muy consistente para pulsos de disparo idénticos (baja fluctuación). [5] La corriente de mantenimiento varía de decenas a cientos de microamperios. La tasa de repetición de pulsos puede variar de uno por minuto a decenas de miles por minuto. [4]
El rendimiento de la conmutación es en gran medida independiente del entorno (temperatura, aceleración, vibración, etc.). Sin embargo, la formación de la descarga luminiscente de mantenimiento es más sensible, lo que requiere el uso de una fuente radiactiva para ayudar a su ignición.
Los krytrons 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 solo unos pocos cientos. [4] [5]
Los sprytrons tienen tiempos de conmutación algo más rápidos que los krytrons.
Los tiratrones llenos de hidrógeno pueden usarse como reemplazo en algunas aplicaciones.
Los krytrons y sus variantes son fabricados por Perkin-Elmer Components y se utilizan en una variedad de dispositivos industriales y militares. Son más conocidos por su uso en el encendido de detonadores de puente explosivo y de percutor en armas nucleares , su aplicación original, ya sea directamente (los sprytrons se utilizan generalmente para esto) o mediante la activación de interruptores de chispa de mayor potencia . También se utilizan para activar tiratrones , grandes lámparas de destello en fotocopiadoras , láseres y aparatos científicos, y para encender encendedores para explosivos industriales .
Debido a su potencial para ser utilizados como detonadores de armas nucleares, la exportación de krytrones está estrictamente regulada en los Estados Unidos. Se han reportado 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 la década de 1980. [10] 469 de estos fueron devueltos a los Estados Unidos, e Israel afirmó que los 341 restantes fueron "destruidos en pruebas". [10]
Los krytrons y sprytrons que manejan voltajes de 2500 V y superiores, corrientes de 100 A y superiores y retrasos de conmutación de menos de 10 microsegundos son típicamente adecuados para disparadores de armas nucleares. [11]
Un krytron era el " MacGuffin " de la película Frantic de Roman Polanski de 1988. El dispositivo de la película era en realidad un Krytron-Pac, que consistía en un tubo Krytron junto con un transformador disparador recubierto de epoxi negro. [12]
El krytron, 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 , El camino al Armagedón, giraba en gran medida en torno a los krytrons de fabricación estadounidense que los mulás iraníes querían para tres proyectiles de artillería nuclear rusos que esperaban convertir en armas nucleares completas. [13]
El término "krytron" apareció en la temporada 3, episodio 14 (Procedencia) del drama televisivo Person of Interest .
En la tercera temporada del episodio de NCIS "Kill Ari, Part 2", se reveló que Ari Haswari, un agente rebelde del Mossad, había recibido la misión de adquirir un detonador de krytron. Junto con el plutonio robado de Dimona, estos eran componentes clave para una operación encubierta israelí. El krytron también fue llamado incorrectamente "kryton".
Los interruptores de estado sólido activados ópticamente basados en diamante son un candidato potencial para reemplazar al kritrón. [14]
Documentación de segunda fuente de CBS /Hytron :