Tubo lleno de gas

Un tubo lleno de gas, también conocido comúnmente como tubo de descarga o anteriormente como tubo Plücker, es una disposición de electrodos en un gas dentro de una envoltura aislante y resistente a la temperatura. Los tubos llenos de gas aprovechan los fenómenos relacionados con la descarga eléctrica en los gases y funcionan ionizando el gas con un voltaje aplicado suficiente para provocar la conducción eléctrica mediante los fenómenos subyacentes de la descarga de Townsend. Una lámpara de descarga de gas es una luz eléctrica que utiliza un tubo lleno de gas; entre ellas se incluyen lámparas fluorescentes, lámparas de halogenuros metálicos, lámparas de vapor de sodio y luces de neón. Los tubos especializados llenos de gas, como krytrones, tiratrones e ignitrones, se utilizan como dispositivos de conmutación en dispositivos eléctricos.

El voltaje requerido para iniciar y mantener la descarga depende de la presión y la composición del gas de relleno y la geometría del tubo. Aunque la envoltura suele ser de vidrio, los tubos de potencia suelen utilizar cerámica y los tubos militares suelen utilizar metal revestido de vidrio. Se encuentran dispositivos de tipo cátodo caliente y de cátodo frío.

Gases en uso

Hidrógeno

El hidrógeno se utiliza en tubos utilizados para cambios muy rápidos, p. algunos tiratrones, decatrones y krytrones, donde se requieren bordes muy pronunciados. Los tiempos de acumulación y recuperación del hidrógeno son mucho más cortos que los de otros gases. Los tiratrones de hidrógeno suelen ser de cátodo caliente. El hidrógeno (y el deuterio) se pueden almacenar en el tubo en forma de hidruro metálico, calentado con un filamento auxiliar; El hidrógeno calentando dicho elemento de almacenamiento se puede usar para reponer el gas limpio e incluso para ajustar la presión según sea necesario para una operación de tiratrón a un voltaje determinado.

Deuterio

El deuterio se utiliza en lámparas ultravioleta para espectroscopia ultravioleta, en tubos generadores de neutrones y en tubos especiales (por ejemplo, crossatron). Tiene un voltaje de ruptura más alto que el hidrógeno. En tubos de conmutación rápida se utiliza en lugar de hidrógeno donde se requiere un funcionamiento de alto voltaje. A modo de comparación, el tiratrón CX1140 lleno de hidrógeno tiene una tensión nominal de ánodo de 25 kV, mientras que el CX1159 lleno de deuterio y por lo demás idéntico tiene 33 kV. Además, al mismo voltaje, la presión del deuterio puede ser mayor que la del hidrógeno, lo que permite mayores tasas de aumento de la corriente antes de que provoque una disipación excesiva del ánodo. Se pueden alcanzar potencias máximas significativamente mayores. Sin embargo, su tiempo de recuperación es aproximadamente un 40% más lento que el del hidrógeno.

Gases nobles

Los gases nobles se utilizan con frecuencia en tubos para muchos fines, desde iluminación hasta conmutación. En los tubos de conmutación se utilizan gases nobles puros. Los tiratrones llenos de gas noble tienen mejores parámetros eléctricos que los basados en mercurio. Los electrodos sufren daños por iones de alta velocidad. Los átomos neutros del gas frenan los iones mediante colisiones y reducen la energía transferida a los electrodos por el impacto de los iones. Gases con alto peso molecular, p.e. xenón, protegen los electrodos mejor que los más ligeros, p. neón.

• El helio se utiliza en los láseres helio–neon y en algunos tiratrones calificados para altas corrientes y voltajes. El helio proporciona aproximadamente el tiempo de deionización más corto como hidrógeno, pero puede soportar el voltaje inferior, por lo que se utiliza mucho menos a menudo.
• Neon tiene baja tensión de encendido y se utiliza con frecuencia en tubos de baja tensión. La descarga en neón emite luz roja relativamente brillante; por lo tanto, los tubos de conmutación llenos de neón también actúan como indicadores, brillando rojo cuando se enciende. Esto se explota en los tubos decatron, que actúan como contadores y pantallas. Su luz roja se explota en la señalización de neón. Se utiliza en tubos fluorescentes con alta potencia y corta longitud, por ejemplo tubos de iluminación industrial. Tiene una baja tensión más alta en comparación con argon y krypton. Su baja masa atómica proporciona sólo un poco de protección a los electrodos contra los iones acelerados; se pueden utilizar cables de detección adicionales o placas para prolongar la vida del ungido. En tubos fluorescentes se utiliza en combinación con mercurio.
• Argon fue el primer gas utilizado en tubos fluorescentes y todavía se utiliza con frecuencia debido a su bajo coste, alta eficiencia y muy bajo voltaje llamativo. En tubos fluorescentes se utiliza en combinación con mercurio. También se utilizó en tubos rectificadores tempranos; los primeros tiratrones se derivaron de tales tubos llenos de argón.
• Krypton se puede utilizar en lámparas fluorescentes en lugar de argon; en esa aplicación reduce las pérdidas energéticas totales en electrodos de aproximadamente 15% a 7%. La gota de voltaje por longitud de la lámpara es sin embargo menor que con argón, que puede ser compensada por diámetro de tubo más pequeño. Las lámparas llenas de krypton también requieren un mayor voltaje inicial; esto se puede aliviar mediante el uso de la mezcla de argon-krypton del 25% al 75%. En tubos fluorescentes se utiliza en combinación con mercurio.
• Xenon en estado puro tiene alta tensión de descomposición, lo que lo hace útil en tubos de conmutación de mayor tensión. Xenon también se utiliza como componente de mezclas de gas cuando se requiere la producción de radiación ultravioleta, por ejemplo en pantallas de plasma, generalmente para excitar un fósforo. La longitud de onda producida es más larga que con argón y krypton y penetra mejor los fósforos. Para bajar el voltaje de ionización, se utilizan neon-xenon o helio-xenon; por encima de 350 Torr (47 kPa), helio tiene menor voltaje de descomposición que neon y viceversa. En concentraciones de 1% y menos de xenón, el efecto Penning se vuelve significativo en tales mezclas, ya que la mayoría de ionización xenón ocurre por colisión con átomos excitados del otro gas noble; a más de pocos por ciento de xenón, la descarga ioniza xenón directamente debido a la mayoría de la energía de los electrones que se gastan en ionización directa de xenón.
• Radon, a pesar de ser un gas noble, es peligrosamente radiactivo y su isótopo más estable tiene una vida media de menos de cuatro días. En consecuencia, no se utiliza comúnmente en dispositivos electrónicos.
• Se utilizan mezclas de perforación donde se requiere tensión de ionización inferior, por ejemplo en las lámparas de neón, tubos Geiger-Müller y otros detectores de partículas llenas de gas. Una combinación clásica es de aproximadamente 98–99,5% de neón con 0,5–2% de argón, utilizado en, por ejemplo, bombillas de neón y en muestras de plasma monocromático.

Vapores elementales (metales y no metales)

• Los vapores de mercurio se utilizan para aplicaciones con alta corriente, por ejemplo luces, válvulas de arco de mercurio, ignitrones. El mercurio se utiliza debido a su alta presión de vapor y bajo potencial de ionización. Mercurio mezclado con un gas inerte se utiliza donde las pérdidas de energía en el tubo tienen que ser bajas y la vida útil del tubo debe ser larga. En las mezclas de gas sin mercurio, la descarga se lleva inicialmente principalmente por el gas inerte; el calor liberado sirve para evaporar suficiente mercurio para alcanzar la presión de vapor deseada. Los rectificadores de bajo voltaje utilizan vapor saturado de mercurio en combinación con una pequeña cantidad de gas inerte, permitiendo el inicio frío de los tubos. Los rectificadores de alto voltaje (kilovolts y más) utilizan vapor de mercurio puro a baja presión, lo que requiere mantenimiento de la temperatura máxima del tubo. El mercurio líquido sirve como depósito de mercurio, reponiendo los vapores que se utilizan durante la descarga. Se puede utilizar vapor de mercurio insaturado, pero como no se puede reponer, la vida útil de tales tubos es menor. La fuerte dependencia de la presión de vapor sobre la temperatura de mercurio limita los entornos en los que pueden operar los tubos basados en mercurio. En las lámparas de mercurio de baja presión, hay una presión de mercurio óptima para la mayor eficiencia. Los fotones emitidos por átomos de mercurio ionizados pueden ser absorbidos por átomos cercanos no ionizados y bien reradiados o el átomo se desexcita no de manera irrativa, la presión excesiva de mercurio causa pérdidas de luz. La presión demasiado baja de mercurio conduce a demasiados átomos presentes para obtener fotones ionizados y radiados. La temperatura óptima para las lámparas de mercurio de baja presión es de aproximadamente 42 °C, cuando la presión saturada de vapor de mercurio (presente como una gota de aproximadamente 1 mg de mercurio líquido en el tubo, ya que un depósito compensa las pérdidas por limpieza) alcanza este óptimo. En las lámparas destinadas a operar a temperaturas ambiente más altas, y a un rango de temperatura más amplio, el mercurio está presente en forma de amalgama con p. ej. bismut e indio; la presión de vapor por encima del amalgama es menor que por encima del mercurio líquido. El mercurio se utiliza en tubos fluorescentes como fuente de luz visible y ultravioleta para excitar el fósforo; en esa aplicación se utiliza generalmente junto con el argón, o en algunos casos con krypton o neón. Los iones de mercurio se deionizan lentamente, limitando la velocidad de conmutación de los tiratrones llenos de mercurio. El bombardeo Ion con iones de mercurio de energías incluso relativamente bajas también destruye gradualmente las cátodos de óxido.
• Los vapores de sodio se utilizan en lámparas de vapor de sodio.
• Los vapores de azufre se utilizan en lámparas de azufre.
• Los vapores de muchos metales, solos o junto con un gas noble, se utilizan en muchos láseres.

Otros gases

• El aire se puede utilizar en algunas aplicaciones de baja carga.
• El nitrógeno a una presión relativamente alta tiende a ser utilizado en los paracaidistas, debido a su corto tiempo de acumulación, dando a los tubos tiempo de respuesta rápida a las subidas de tensión.
• Los halógenos y vapores de alcohol absorben la radiación ultravioleta y tienen alta afinidad de electrones. Cuando se añaden a los gases inertes, se apaga la descarga; esto se explota por ejemplo. Tubos Geiger-Müller.

Gases aislantes

En casos especiales (por ejemplo, interruptores de alto voltaje), se necesitan gases con buenas propiedades dieléctricas y voltajes de ruptura muy altos. Se prefieren los elementos altamente electronegativos, por ejemplo, los halógenos, ya que se recombinan rápidamente con los iones presentes en el canal de descarga. Una de las opciones más populares es el hexafluoruro de azufre, utilizado en aplicaciones especiales de alto voltaje. Otras opciones comunes son el nitrógeno seco presurizado y los halocarbonos.

Física y tecnología de tubos de gas

El mecanismo fundamental es la descarga de Townsend, que es la multiplicación sostenida del flujo de electrones por el impacto de iones cuando se alcanza un valor crítico de intensidad del campo eléctrico para la densidad del gas. A medida que aumenta el campo eléctrico, se encuentran varias fases de descarga, como se muestra en el gráfico adjunto. El gas utilizado influye dramáticamente en los parámetros del tubo. El voltaje de ruptura depende de la composición del gas y de la distancia de los electrodos; las dependencias están descritas por la ley de Paschen.

Presión de gas

La presión del gas puede oscilar entre 0,001 y 1000 Torr (0,13-130 000 Pa); lo más común es que se utilicen presiones entre 1 y 10 torr. La presión del gas influye en los siguientes factores:

• voltaje de descomposición (también llamado voltaje de ignición)
• densidad actual
• tensión de funcionamiento
• tensión de retroceso
• duración del tubo (los tubos de presión más bajos tienden a tener vidas más cortas debido al uso del gas)
• cathode sputtering, reduce at higher pressures

Por encima de cierto valor, cuanto mayor sea la presión del gas, mayor será el voltaje de encendido. Los tubos de iluminación de alta presión pueden requerir un impulso de pocos kilovoltios para la ignición cuando se fría, cuando la presión de gas es baja. Después del calentamiento, cuando el compuesto volátil utilizado para la emisión de la luz se vaporiza y la presión aumenta, la reabsificación de la descarga requiere un voltaje significativamente mayor o reduciendo la presión interna al enfriar la lámpara. Por ejemplo, muchas lámparas de vapor de sodio no se pueden volver a aplicar inmediatamente después de ser apagados; Deben enfriarse antes de que puedan volver a encenderse.

El gas tiende a usarse durante la operación del tubo, mediante varios fenómenos colectivamente llamados Clean-up . Los átomos o moléculas de gas se adsorben en las superficies de los electrodos. En tubos de alto voltaje, los iones acelerados pueden penetrar en los materiales del electrodo. Nuevas superficies, formadas por pulverización de los electrodos y depositadas, p. Las superficies internas del tubo, también adsorben los gases. Los gases no inertes también pueden reaccionar químicamente con los componentes del tubo. El hidrógeno puede difundirse a través de algunos metales.

Para la eliminación de gas en tubos de vacío, se utilizan getters. Para el reabastecimiento de gas para los tubos llenos de gas, se emplean replenadores . Más comúnmente, los reabastecedores se usan con hidrógeno; Un filamento hecho de un metal absorbente de hidrógeno (por ejemplo, circonio o titanio) está presente en el tubo, y controlando su temperatura la relación de hidrógeno absorbido y desorbido se ajusta, lo que resulta en el control de la presión de hidrógeno en el tubo. El filamento de metal actúa como un almacenamiento de hidrógeno. Este enfoque se utiliza en p. Thyratrones de hidrógeno o tubos de neutrones. El uso del vapor de mercurio saturado permite usar un conjunto de mercurio líquido como un gran almacenamiento de material; Los átomos perdidos por la limpieza se reponen automáticamente por evaporación de más mercurio. Sin embargo, la presión en el tubo depende fuertemente de la temperatura del mercurio, que debe controlarse cuidadosamente.

Los rectificadores grandes usan vapor de mercurio saturado con una pequeña cantidad de gas inerte. El gas inerte apoya la descarga cuando el tubo está frío.

Las características de voltaje de corriente de la válvula de arco de mercurio dependen en gran medida de la temperatura del mercurio líquido. La caída de voltaje en el sesgo hacia adelante disminuye de aproximadamente 60 voltios a 0 ° C a un poco más de 10 voltios a 50 ° C y luego permanece constante; La descomposición del polarización inversa (" arco-back ") El voltaje cae dramáticamente con la temperatura, de 36 kV a 60 ° C a 12 kV a 80 ° C a aún menos a temperaturas más altas. Por lo tanto, el rango operativo generalmente es entre 18 y 65 ° C.

Pureza de gas

El gas en el tubo debe mantenerse puro para mantener las propiedades deseadas; Incluso una pequeña cantidad de impurezas puede cambiar drásticamente los valores del tubo; La presencia de gases no integentes generalmente aumenta la descomposición y los voltajes de quema. La presencia de impurezas puede observarse mediante cambios en el color brillo del gas. La fuga de aire hacia el tubo introduce oxígeno, que es altamente electronegativo e inhibe la producción de avalanchas de electrones. Esto hace que la descarga se vea pálida, lechosa o rojiza. Rastros de vapores de mercurio brillan azulado, oscureciendo el color de gas original. Vapor de magnesio Colorea la descarga verde. Para evitar la desgasificación de los componentes del tubo durante la operación, se requiere un horno antes de llenar con gas y sellado. Se requiere una desgasificación completa para tubos de alta calidad; Incluso tan solo 10 −8 torr (≈1 μPa) de oxígeno es suficiente para cubrir los electrodos con capa de óxido monomolecular en pocas horas. Los gases no integentes pueden ser eliminados por obtacadores adecuados. Para los tubos que contienen mercurio, se deben utilizar getters que no forman amalgamas con mercurio (por ejemplo, circonio, pero no bario). La pulverización del cátodo se puede usar intencionalmente para obtener gases no integentes; Algunos tubos de referencia usan cátodos de molibdeno para este propósito.

Se utilizan gases inerte puros donde la diferencia entre el voltaje de encendido y el voltaje de ardor debe ser alto, p. en tubos de conmutación. Los tubos para la indicación y la estabilización, donde la diferencia tiene que ser más baja, tienden a llenarse con mezclas de pelea; La menor diferencia entre los voltajes de encendido y la quema permite usar voltajes de suministro de alimentación más bajos y resistencias en serie más pequeñas.

Iluminación y visualización de tubos llenos de gas

iluminación fluorescente, lámparas CFL, lámparas de descarga de mercurio y sodio y lámparas de escondite son todos los tubos llenos de gas utilizados para la iluminación.

y la señalización de neón (la mayoría de las cuales no se basan en neón en estos días) también son tubos llenos de gas de baja presión.

Los dispositivos de tubo rellenos de gas de baja presión históricos especializados incluyen el tubo Nixie (utilizado para mostrar números) y el decatrón (utilizado para contar o dividir pulsos, con la pantalla como una función secundaria).

Las lámparas de flash de xenón son tubos llenos de gas utilizados en cámaras y luces estroboscópicas para producir destellos de luz brillantes.

Las lámparas de azufre recientemente desarrolladas también son tubos llenos de gas cuando están calientes.

llenos de gas en electrónica

Dado que el voltaje de encendido depende de la concentración de iones que puede caer a cero después de un largo período de inactividad, muchos tubos están preparados para la disponibilidad de iones:

• ópticamente, por luz ambiente o por una lámpara incandescente de 2 vatios, o por una descarga de brillo en el mismo sobre,
• radiactivamente, agregando tritio al gas, o recubriendo el sobre dentro,
• eléctricamente, con un mantener la calma o primer electrodo

dispositivos de potencia

Algunos ejemplos importantes incluyen los tubos de tiratrón, Krytron y Ignitron, que se utilizan para cambiar las corrientes de alto voltaje. Se fabrica un tipo especializado de tubo lleno de gas llamado tubo de descarga de gas (GDT) para su uso como protectores de sobretensión, para limitar los aumento de voltaje en los circuitos eléctricos y electrónicos.

Tubos de computación

El efecto de activación de Schmitt de la región de resistencia diferencial negativa se puede explotar para realizar temporizadores, osciladores de relajación y circuitos digitales con lámparas de neón, tubos de activación , tubos de relé , Dekatrons y tubos de Nixie.

Los tiratrones también se pueden usar como triodos al operarlos debajo de su voltaje de encendido, lo que les permite amplificar las señales analógicas como un detector superregenerativo de autoevaluación en los receptores de control de radio.

indicadores

Había lámparas de neón especiales además de los tubos de Nixie:

• Tuneon indicador de afinación temprana, un tubo de vidrio con un ánodo de alambre corto y una cacahuete de alambre largo que brilla parcialmente; la longitud del resplandor es proporcional a la corriente del tubo
• Lámpara de neón fosforado
• Tubo de gatillo Luminescente, utilizado como indicadores de cierre, o píxeles de pantallas de punto-matrix
  • Tubo de gatillo de flujo directo
  • Tubo de gatillo fosforado

Diodos de ruido

Los diodos de ruido de descarga de gas de cátodo caliente estaban disponibles en sobres de vidrio de tubo de radio normales para frecuencias hasta UHF, y en tubos de vidrio largos y delgados con un soporte de bombilla de bayoneta normal para el filamento y una tapa superior de ánodo, para Frecuencias SHF e inserción diagonal en una guía de ondas.

Se llenaron con un gas inerte puro, como el neón, porque las mezclas hacían que la salida dependiera de la temperatura. Su voltaje de combustión era inferior a 200 V, pero necesitaban cebado óptico mediante una lámpara incandescente de 2 vatios y un aumento de voltaje en el rango de 5 kV para el encendido.

Un tiratrón en miniatura encontró un uso adicional como fuente de ruido, cuando se opera como diodo en un campo magnético transversal.

Tubos reguladores de tensión

A mediados del siglo XX, se utilizaban habitualmente tubos reguladores de voltaje.

Medición del tiempo transcurrido

La pulverización catódica se aprovecha en el Time Totalizer, un medidor del tiempo transcurrido basado en un coulómetro de vapor metálico donde el metal pulverizado se deposita en un elemento colector cuya resistencia, por lo tanto, disminuye lentamente.

Lista de tubos -tron

• Tubos de piscina de mercurio
  • Excitron, un tubo de la piscina de mercurio
  • Gusetron o gausitron, un tubo de arc de mercurio
  • Ignitron, un tubo de la piscina de mercurio
  • Sendytron, un tubo de la piscina de mercurio
• Trignitron, un nombre comercial para un tubo de piscina de mercurio utilizado en soldadores eléctricos
  • Capacitron, un tubo de la piscina de mercurio
• Corotron, un nombre comercial para un regulador de shunt lleno de gas, generalmente contiene pequeñas cantidades de materiales radiactivos para establecer el voltaje regulado
• Crossatron, un tubo modulador
• Kathetron o cathetron, un triodo lleno de gas de cátodo caliente con rejilla fuera del tubo
• Neotron, un generador de pulso
• Permatron, un rectificador de cátodo caliente con corriente de ánodo controlada por campo magnético
• Phanotron, un rectificador
• Plomatron, un rectificador de arco de mercurio controlado por la red
• Strobotron, un tubo de cátodo frío diseñado para pulsos estrechos de alta corriente, utilizado en fotografía de alta velocidad
• Takktron, un rectificador de cátodo frío para bajas corrientes a altas tensiones
• Thyratron, un tubo de conmutación caliente de cathode
• Trigatron, un interruptor de alta corriente similar a una brecha de chispa
• Alphatron, una forma de tubo de ionización para medir el vacío
• Dekatron, un tubo contable (ver también tubo de nixie y luz de neón)
• Plasmatron, un tubo de cátodo caliente con corriente de ánodo controlada
• Tacitron, un tiratrón de baja altura con flujo de corriente interrumpible
• Krytron, un tubo de conmutación rápido en frío