Krytron - Krytron

Pour le tube d'amplification micro-ondes/radio, voir Klystron . Pour le commutateur cryoélectrique, voir Cryotron . Pour l'élément chimique, voir Krypton .
Tube interrupteur KN2 "Krytron", fabriqué par EG&G (environ 25 mm de haut)

Le krytron est un tube rempli de gaz à cathode froide destiné à être utilisé comme interrupteur à très grande vitesse , un peu similaire au thyratron . Il se compose d'un tube de verre scellé avec quatre électrodes . Une petite impulsion de déclenchement sur l' électrode de grille allume le tube, permettant à un courant important de circuler entre les électrodes de cathode et d' anode . La version sous vide est appelée krytron sous vide ou sprytron . Le krytron a été l'un des premiers développements de la société EG&G .

La description

Contrairement à la plupart des autres tubes de commutation de gaz, le krytron conduit au moyen d'une décharge en arc , pour gérer des tensions et des courants très élevés (atteignant plusieurs kilovolts et plusieurs kiloampères), plutôt que la décharge luminescente à faible courant utilisée dans d'autres thyratrons . Le krytron est un développement des éclateurs déclenchés et des thyratrons développés à l'origine pour les émetteurs radar pendant la Seconde Guerre mondiale .

Le gaz utilisé dans les krytrons est l' hydrogène ; des gaz rares (généralement du krypton ) ou un mélange de Penning peuvent également être utilisés.

Opération

Schéma d'un Krytron

Un krytron a quatre électrodes . Deux sont une anode et une cathode conventionnelles . L'une est une électrode de maintien en vie, agencée pour être proche de la cathode. Le keep-alive a une faible tension positive appliquée, ce qui provoque l'ionisation d'une petite zone de gaz près de la cathode. Une haute tension est appliquée à l'anode, mais la conduction primaire ne se produit pas tant qu'une impulsion positive n'est pas appliquée à l'électrode de déclenchement ("Grid" dans l'image ci-dessus). Une fois amorcée, la conduction d'arc transporte un courant considérable.

Le quatrième est une grille de contrôle, généralement enroulée autour de l'anode, à l'exception d'une petite ouverture sur son sommet.

À la place ou en plus de l'électrode de maintien en vie, certains krytrons peuvent contenir une très petite quantité de matière radioactive (généralement moins de 5 microcuries (180  kBq ) de nickel-63 ), qui émet des particules bêta ( électrons à grande vitesse ) à faciliter l' ionisation . La source de rayonnement sert à augmenter la fiabilité de l'allumage et de la formation de la décharge d'électrode de maintien en vie.

Le remplissage de gaz fournit des ions pour neutraliser la charge d'espace et permettre des courants élevés à basse tension. La décharge de maintien en vie remplit le gaz d'ions, formant un plasma préionisé ; cela peut raccourcir le temps de formation de l'arc de 3 à 4 ordres de grandeur par rapport aux tubes non préionisés, car il n'est pas nécessaire de consacrer du temps à ioniser le milieu pendant la formation du chemin de l'arc.

L'arc électrique est auto-entretenu ; une fois le tube déclenché, il conduit jusqu'à ce que l'arc soit interrompu par le courant tombant trop bas pendant trop longtemps (sous 10 milliampères pendant plus de 100 microsecondes pour les krytrons KN22).

Les krytrons et les sprytrons sont déclenchés par une haute tension provenant d'une décharge de condensateur via un transformateur de déclenchement , de la même manière que les tubes éclair pour les applications de flash photo, par exemple , sont déclenchés. Des dispositifs intégrant un krytron avec un transformateur de déclenchement sont disponibles.

Sprytron

Un sprytron , également connu sous le nom de krytron à vide ou interrupteur à vide déclenché ( TVS ), est une version sous vide plutôt que remplie de gaz. Il est conçu pour être utilisé dans des environnements avec des niveaux élevés de rayonnement ionisant , ce qui pourrait déclencher un krytron rempli de gaz de manière intempestive. Il est également plus immunisé contre les interférences électromagnétiques que les tubes remplis de gaz.

Les Sprytrons n'ont pas l'électrode keepalive et la source radioactive de préionisation. L'impulsion de déclenchement doit être plus forte que pour un krytron. Les Sprytrons sont capables de gérer des courants plus élevés ; les krytrons ont tendance à être utilisés pour déclencher un interrupteur secondaire, par exemple un éclateur déclenché , tandis que les sprytrons sont généralement connectés directement à la charge.

L'impulsion de déclenchement doit être beaucoup plus intense, car il n'y a pas de chemin de gaz préionisé pour le courant électrique, et un arc sous vide doit se former entre la cathode et l'anode. Un arc se forme d'abord entre la cathode et la grille, puis un claquage se produit entre la région conductrice cathode-grille et l'anode.

Les Sprytrons sont évacués vers un vide poussé , typiquement 0,001 Pa . Comme le kovar et d'autres métaux sont quelque peu perméables à l'hydrogène, en particulier pendant la cuisson à 600 °C avant l'évacuation et le scellement, toutes les surfaces métalliques externes doivent être plaquées d'une couche épaisse (25 micromètres ou plus) d' or doux . La même métallisation est également utilisée pour d'autres tubes de commutation.

Les sprytrons sont souvent conçus de la même manière que les trigatrons , avec l'électrode de déclenchement coaxiale à la cathode. Dans une conception, l'électrode de déclenchement est formée sous forme de métallisation sur la surface intérieure d'un tube d' alumine . L'impulsion de déclenchement provoque un flashover de surface , qui libère des électrons et du matériau de décharge de surface vaporisé dans l'espace inter-électrodes, ce qui facilite la formation d'un arc sous vide , fermant l'interrupteur. Le court temps de commutation suggère que les électrons de la décharge de déclenchement et les électrons secondaires correspondants ont été éjectés de l'anode comme initiation de l'opération de commutation ; le matériau vaporisé se déplace trop lentement à travers l'espace pour jouer un rôle important. La répétabilité du déclenchement peut être améliorée par un revêtement spécial de la surface entre l'électrode de déclenchement et la cathode, et la gigue peut être améliorée en dopant le substrat de déclenchement et en modifiant les structures de la sonde de déclenchement. Les Sprytrons peuvent se dégrader au stockage, par dégazage de leurs composants, diffusion de gaz (notamment d'hydrogène) à travers les composants métalliques, et fuites de gaz à travers les joints hermétiques ; un exemple de tube fabriqué avec une pression interne de 0,001 Pa présentera des ruptures spontanées d'espace lorsque la pression à l'intérieur s'élève à 1 Pa. Des tests accélérés de durée de stockage peuvent être effectués en stockant à une pression ambiante accrue, éventuellement avec de l'hélium ajouté, pour le test de fuite, et une augmentation stockage à température (150 °C) pour les tests de dégazage. Les Sprytrons peuvent être miniaturisés et robustes.

Les Sprytrons peuvent également être déclenchés par une impulsion laser . En 1999, l'énergie d'impulsion laser nécessaire pour déclencher un sprytron a été réduite à 10 microjoules.

Les Sprytrons sont généralement fabriqués sous forme de pièces robustes en métal/ céramique . Ils ont généralement faible inductance (10 nano henry ) et une faible résistance électrique à l'allumage (10-30 milli ohms ). Après le déclenchement, juste avant que le sprytron ne s'allume complètement en mode avalanche, il devient brièvement légèrement conducteur (100-200 ampères) ; les transistors MOSFET haute puissance fonctionnant en mode avalanche présentent un comportement similaire. Des modèles SPICE pour les sprytrons sont disponibles.

Performance

Cette conception, datant de la fin des années 1940, est toujours capable de performances de puissance d'impulsion que même les semi-conducteurs les plus avancés (même les IGBT ) ne peuvent pas facilement égaler. Les krytrons et les sprytrons sont capables de gérer des impulsions haute tension à courant élevé, avec des temps de commutation très rapides et un délai de gigue constant et faible entre l'application de l'impulsion de déclenchement et la mise en marche.

Les krytrons peuvent commuter des courants jusqu'à environ 3000 ampères et des tensions jusqu'à environ 5000 volts. Un temps de commutation inférieur à 1 nanoseconde peut être atteint, avec un délai entre l'application de l'impulsion de déclenchement et la commutation aussi faible qu'environ 30 nanosecondes. La gigue pouvant être atteinte peut être inférieure à 5 nanosecondes. La tension d'impulsion de déclenchement requise est d'environ 200 à 2000 volts; des tensions plus élevées diminuent le délai de commutation dans une certaine mesure. Le temps de commutation peut être quelque peu raccourci en augmentant le temps de montée de l'impulsion de déclenchement. Un tube krytron donné donnera des performances très cohérentes à des impulsions de déclenchement identiques (faible gigue). Le courant de maintien en vie varie de dizaines à des centaines de microampères. Le taux de répétition des impulsions peut aller d'une par minute à des dizaines de milliers par minute.

Les performances de commutation sont largement indépendantes de l'environnement (température, accélération, vibration, etc.). Cependant, la formation de la décharge luminescente de maintien en vie est plus sensible, ce qui nécessite l'utilisation d'une source radioactive pour faciliter son allumage.

Les krytrons ont une durée de vie limitée, allant, selon le type, typiquement de dizaines de milliers à des dizaines de millions d'opérations de commutation, et parfois seulement quelques centaines.

Les sprytrons ont des temps de commutation un peu plus rapides que les krytrons.

Des thyratrons remplis d'hydrogène peuvent être utilisés en remplacement dans certaines applications.

Applications

Les krytrons et leurs variantes sont fabriqués par Perkin-Elmer Components et utilisés dans une variété d'appareils industriels et militaires. Ils sont surtout connus pour leur utilisation dans l'allumage de fils de pont explosifs et de détonateurs dans les armes nucléaires , leur application d'origine, soit directement (les sprytrons sont généralement utilisés pour cela), soit en déclenchant des interrupteurs à éclateur de plus grande puissance . Ils sont également utilisés pour déclencher des thyratrons , de grandes lampes flash dans des photocopieurs , des lasers et des appareils scientifiques, et pour tirer des allumeurs d' explosifs industriels .

Restrictions à l'exportation aux États-Unis

En raison de leur potentiel d'utilisation comme déclencheurs d'armes nucléaires, l'exportation de krytrons est strictement réglementée aux États-Unis. Un certain nombre de cas de contrebande ou de tentative de contrebande de krytrons ont été signalés, alors que des pays cherchant à développer des armes nucléaires ont tenté de se procurer des krytrons pour allumer leurs armes. Un cas marquant est celui de Richard Kelly Smyth , qui aurait aidé Arnon Milchan à faire passer 15 commandes de 810 krytrons au total vers Israël au début des années 1980. 469 d'entre eux ont été renvoyés en Amérique, Israël affirmant que les 341 restants ont été « détruits lors des tests ».

Les krytrons et les sprytrons gérant des tensions de 2 500 V et plus, des courants de 100 A et plus et des délais de commutation inférieurs à 10 microsecondes conviennent généralement aux déclencheurs d'armes nucléaires.

Dans la culture populaire

Un krytron était le " MacGuffin " dans le film Frantic de Roman Polanski en 1988 . L'appareil dans le film était soit une version mise à jour de haute technologie, soit simplement une version fictive inventée pour l'histoire.

Le krytron, appelé à tort "kryton", est également apparu dans le roman sur le terrorisme nucléaire de Tom Clancy, The Sum of All Fears .

L'intrigue du livre de Larry Collins , The Road to Armageddon, tournait fortement autour des krytrons de fabrication américaine que les mollahs iraniens voulaient pour trois obus d'artillerie nucléaire russes qu'ils espéraient transformer en armes nucléaires complètes.

Le terme "krytron" est apparu dans la saison 3, épisode 14 (Provenance) de la série télévisée Person of Interest .

Dans la saison 3 de l' épisode "Kill Ari, Part 2" du NCIS , il a été révélé qu'Ari Haswari, un agent voyou du Mossad, avait été chargé d'acquérir un déclencheur de krytron. Avec le plutonium volé à Dimona, il s'agissait d'éléments clés d'une opération d'infiltration israélienne. Le krytron a également été appelé à tort un "kryton".

Développements ultérieurs

Les commutateurs à semi-conducteurs à déclenchement optique basés sur le diamant sont un candidat potentiel pour le remplacement du krytron.

Remarques

Les références

  • Catalogue de composants électroniques EG&G, 1994.

Documentation de la deuxième source CBS /Hytron :

Liens externes