Критрон — газонаполненная трубка с холодным катодом , предназначенная для использования в качестве очень быстродействующего переключателя , чем-то похожего на тиратрон . Он состоит из герметичной стеклянной трубки с четырьмя электродами . Небольшой пусковой импульс на сеточном электроде включает лампу, позволяя большому току течь между катодным и анодным электродами. Вакуумная версия называется вакуумным критроном или спритроном . Критрон был одной из первых разработок корпорации EG&G .
В отличие от большинства других газовых переключающих трубок, критрон проводит ток посредством дугового разряда , способного выдерживать очень высокие напряжения и токи (достигающие нескольких киловольт и нескольких килоампер), а не слаботочного тлеющего разряда , используемого в других тиратронах . Критрон представляет собой развитие искровых разрядников и тиратронов , первоначально разработанных для радиолокационных передатчиков во время Второй мировой войны .
Газ, используемый в критронах, — водород ; [2] Также можно использовать благородные газы (обычно криптон ) или смесь Пеннинга . [3]
Критрон имеет четыре электрода . Два из них — обычные анод и катод . Один из них представляет собой поддерживающий электрод, расположенный рядом с катодом. Для поддержания активности применяется низкое положительное напряжение, которое вызывает ионизацию небольшой области газа возле катода. На анод подается высокое напряжение, но первичная проводимость не возникает до тех пор, пока на триггерный электрод не подается положительный импульс («Сетка» на изображении выше). После запуска дуга проводит значительный ток.
Четвертый представляет собой управляющую сетку, обычно обернутую вокруг анода, за исключением небольшого отверстия на его вершине. [4]
Вместо или в дополнение к электроду поддержания активности некоторые критроны могут содержать небольшое количество радиоактивного материала (обычно менее 5 микрокюри (180 кБк ) никеля-63 ), который испускает бета-частицы (высокоскоростные электроны ), чтобы создать ионизация проще. Источник излучения служит для повышения надежности зажигания и формирования поддерживающего электродного разряда.
Газовое наполнение обеспечивает ионы для нейтрализации пространственного заряда и пропускания больших токов при более низком напряжении. [4] Поддерживающий разряд заселяет газ ионами, образуя предионизированную плазму. Это позволяет сократить время формирования дуги на 3–4 порядка по сравнению с непредионизированными трубками, так как не приходится тратить время на ионизацию среды при формировании дугового пути. [5]
Электрическая дуга является самоподдерживающейся. После срабатывания трубки она проводит ток до тех пор, пока дуга не прервется из-за слишком низкого и длительного падения тока (менее 10 миллиампер в течение более 100 микросекунд для критронов KN22). [2]
Критроны и спрайтроны запускаются высоким напряжением от разряда конденсатора через триггерный трансформатор , аналогичным образом срабатывают лампы-вспышки , например, для фотовспышек . Доступны устройства, объединяющие критрон с триггерным трансформатором. [5]
Спрайтрон , также известный как вакуумный критрон или вакуумный переключатель с триггером ( TVS ), представляет собой вакуумную , а не газонаполненную версию. Он предназначен для использования в средах с высоким уровнем ионизирующего излучения , которое может привести к ложному срабатыванию газонаполненного критрона. Он также более устойчив к электромагнитным помехам, чем газонаполненные трубки.
В спрайтронах отсутствуют поддерживающий электрод и предионизационный радиоактивный источник. Импульс запуска должен быть сильнее, чем у критрона. Спрайтроны способны выдерживать более высокие токи. Критроны, как правило, используются для запуска вторичного переключателя, например, запускаемого искрового разрядника , тогда как спрайтроны обычно подключаются непосредственно к нагрузке.
Пусковой импульс должен быть гораздо более интенсивным, так как для электрического тока нет предионизированного газового пути и между катодом и анодом должна образоваться вакуумная дуга . Дуга сначала образуется между катодом и сеткой, затем происходит пробой между проводящей областью катод–сетка и анодом. [5]
Спрайтроны откачиваются в жесткий вакуум , обычно 0,001 Па . Поскольку ковар и другие металлы в некоторой степени проницаемы для водорода, особенно во время отжига при температуре 600 °C перед вакуумированием и герметизацией, все внешние металлические поверхности должны быть покрыты толстым (25 микрометров и более) слоем мягкого золота . Такая же металлизация используется и для других трубок переключателя. [6]
Спрайтроны часто конструируются аналогично тригатронам , с триггерным электродом, коаксиальным катоду. В одной конструкции триггерный электрод выполнен в виде металлизации на внутренней поверхности трубки из оксида алюминия . Триггерный импульс вызывает поверхностный разряд , в результате которого в межэлектродный зазор высвобождаются электроны и испаряется материал поверхностного разряда, что способствует образованию вакуумной дуги , замыкающей переключатель. Короткое время переключения предполагает, что электроны из триггерного разряда и соответствующие вторичные электроны, выбитые с анода, инициируют операцию переключения; испаренный материал проходит через зазор слишком медленно, чтобы играть значительную роль. Повторяемость запуска можно улучшить за счет специального покрытия поверхности между триггерным электродом и катодом, а джиттер можно улучшить за счет легирования триггерной подложки и модификации структуры триггерного щупа. Спрайтроны могут разлагаться при хранении в результате выделения газов из их компонентов, диффузии газов (особенно водорода) через металлические компоненты и утечек газа через герметичные уплотнения . Пример трубки, изготовленной с внутренним давлением 0,001 Па, будет демонстрировать самопроизвольные разрывы зазора, когда давление внутри повысится до 1 Па. Ускоренное испытание срока хранения может быть выполнено путем хранения при повышенном давлении окружающей среды, опционально с добавлением гелия для проверки герметичности и повышенной температуре. хранилище (150 °C) для испытаний на дегазацию. Спрайтроны можно сделать миниатюрными и прочными. [7]
Спрайтроны также могут запускаться лазерным импульсом. В 1999 году энергия лазерного импульса, необходимая для запуска спрайтрона, была снижена до 10 микроджоулей. [8]
Спрайтроны обычно изготавливаются в виде прочных металлических/ керамических деталей. Обычно они имеют низкую индуктивность (10 наногенри ) и низкое электрическое сопротивление во включенном состоянии (10–30 миллиом ) . После срабатывания, непосредственно перед тем, как спрайтрон полностью включится в лавинном режиме, он на короткое время становится слегка проводящим (проводит 100–200 ампер); Аналогичное поведение демонстрируют мощные МОП- транзисторы, работающие в лавинном режиме. Доступны модели SPICE для спритронов. [9]
Эта конструкция, созданная в конце 1940-х годов, по-прежнему способна обеспечивать импульсную мощность, с которой не могут легко сравниться даже самые совершенные полупроводники (даже IGBT ). Критроны и спрайтроны способны обрабатывать сильноточные импульсы высокого напряжения с очень коротким временем переключения и постоянной задержкой с низким джиттером между подачей триггерного импульса и включением.
Критроны могут коммутировать ток силой до 3000 ампер и напряжением до 5000 вольт. Время коммутации может быть достигнуто менее 1 наносекунды, а задержка между подачей триггерного импульса и переключением составляет всего около 30 наносекунд. Достижимый джиттер может составлять менее 5 наносекунд. Требуемое напряжение триггерного импульса составляет около 200–2000 вольт; более высокие напряжения в некоторой степени уменьшают задержку переключения. Время коммутации можно несколько сократить, увеличив время нарастания импульса запуска. Данная критроновая лампа будет обеспечивать очень стабильные характеристики идентичных триггерных импульсов (низкий джиттер). [5] Поддерживающий ток составляет от десятков до сотен микроампер. Частота повторения импульсов может варьироваться от одного в минуту до десятков тысяч в минуту. [4]
Производительность переключения в значительной степени не зависит от окружающей среды (температуры, ускорения, вибрации и т. д.). Однако формирование поддерживающего тлеющего разряда более чувствительно, что требует использования радиоактивного источника для его зажигания.
Критроны имеют ограниченный срок службы, который в зависимости от типа обычно составляет от десятков тысяч до десятков миллионов операций переключения, а иногда и всего лишь нескольких сотен. [4] [5]
Спрайтроны имеют несколько более быстрое время переключения, чем критроны.
Водородные тиратроны могут использоваться в качестве замены в некоторых приложениях.
Критроны и их варианты производятся компанией Perkin-Elmer Components и используются в различных промышленных и военных устройствах. Они наиболее известны своим использованием для зажигания взрывающихся проволочных и ударных детонаторов в ядерном оружии , их первоначальным применением либо напрямую (для этого обычно используются спрайтроны), либо путем запуска мощных искровых разрядников . Они также используются для запуска тиратронов , больших фонарей в копировальных аппаратах , лазерах и научной аппаратуре, а также для зажигания воспламенителей промышленных взрывчатых веществ .
Из-за их потенциального использования в качестве триггера ядерного оружия экспорт критронов жестко регулируется в Соединенных Штатах. Сообщалось о ряде случаев контрабанды или попыток контрабанды критронов, поскольку страны, стремящиеся разработать ядерное оружие, пытались обеспечить поставки критронов для зажигания своего оружия. Одним из ярких случаев стал случай с Ричардом Келли Смитом , который якобы помог Арнону Милчену переправить в Израиль 15 заказов на 810 критронов в начале 1980-х годов. [10] 469 из них были возвращены в США, а Израиль заявил, что остальные 341 были «уничтожены в ходе испытаний». [10]
Критроны и спрайтроны, выдерживающие напряжение 2500 В и выше, ток 100 А и выше и задержку переключения менее 10 микросекунд, обычно подходят для триггеров ядерного оружия. [11]
Критрон был « Макгаффином » в фильме Романа Полански 1988 года «Неистовый» . Устройством в фильме на самом деле был Krytron-Pac, который состоял из трубки Krytron и триггерного трансформатора, залитого черной эпоксидной смолой. [12]
Критрон, неправильно названный «Критоном», также появился в романе Тома Клэнси о ядерном терроризме «Сумма всех страхов» .
Сюжет книги Ларри Коллинза « Дорога к Армагеддону» в значительной степени вращался вокруг критронов американского производства, которые иранские муллы хотели использовать для трех российских ядерных артиллерийских снарядов, которые они надеялись модернизировать до полного ядерного оружия. [13]
Термин «критрон» появился в 3 сезоне 14 серии (Происхождение) телевизионной драмы « Интересное лицо» .
В третьем сезоне эпизода морской полиции «Убить Ари, часть 2» выяснилось, что Ари Хасвари, мошеннику Моссада, было поручено заполучить критронный триггер. Наряду с украденным в Димоне плутонием, они были ключевыми компонентами израильской спецоперации. Критрон также ошибочно называли «критоном».
Твердотельные переключатели на основе алмаза с оптическим управлением являются потенциальным кандидатом на замену критрона. [14]
Документация второго источника CBS /Hytron :