Tubo lleno de gas

El hidrógeno se utiliza en tubos empleados para conmutación muy rápida, por ejemplo, algunos tiratrones , decatrones y critrones , donde se requieren flancos muy pronunciados. Los tiempos de acumulación y recuperación del hidrógeno son mucho más cortos que en otros gases. ^{[ 1 ]} Los tiratrones de hidrógeno suelen ser de cátodo caliente. El hidrógeno (y el deuterio) se puede almacenar en el tubo en forma de hidruro metálico , calentado con un filamento auxiliar; el hidrógeno calentado por dicho elemento de almacenamiento se puede utilizar para reponer el gas purificado e incluso para ajustar la presión según sea necesario para el funcionamiento del tiratrón a un voltaje determinado. ^{[ 2 ]}

El deuterio se utiliza en lámparas ultravioleta para espectroscopia ultravioleta , en tubos generadores de neutrones y en tubos especiales (por ejemplo, crossatrón ). Tiene un voltaje de ruptura mayor que el hidrógeno. En tubos de conmutación rápida se utiliza en lugar del hidrógeno cuando se requiere un funcionamiento a alto voltaje. ^{[ 3 ]} A modo de comparación, el tiratrón CX1140 lleno de hidrógeno tiene un voltaje nominal de ánodo de 25  kV, mientras que el CX1159 lleno de deuterio, idéntico en todo lo demás, tiene 33  kV. Además, a la misma tensión, la presión del deuterio puede ser mayor que la del hidrógeno, lo que permite mayores tasas de aumento de corriente antes de que cause una disipación excesiva del ánodo. Se pueden alcanzar potencias pico significativamente mayores. Sin embargo, su tiempo de recuperación es aproximadamente un 40 % más lento que el del hidrógeno. ^{[ 2 ]}

Los gases nobles se utilizan frecuentemente en tubos para diversas aplicaciones, desde iluminación hasta conmutación. Los gases nobles puros se emplean en tubos de conmutación. Los tiratrones rellenos de gases nobles presentan mejores parámetros eléctricos que los basados ​​en mercurio. ^{[ 3 ]} Los electrodos sufren daños por iones de alta velocidad. Los átomos neutros del gas ralentizan los iones mediante colisiones y reducen la energía transferida a los electrodos por el impacto iónico. Los gases con alto peso atómico, como el xenón, protegen mejor los electrodos que los más ligeros, como el neón. ^{[ 4 ]}

• El helio se utiliza en láseres de helio-neón y en algunos tiratrones diseñados para altas corrientes y altos voltajes. El helio proporciona un tiempo de desionización casi tan corto como el hidrógeno, pero puede soportar voltajes más bajos, por lo que se utiliza con mucha menos frecuencia. ^{[ 5 ]}
• El neón tiene un bajo voltaje de ignición y se usa frecuentemente en tubos de bajo voltaje. La descarga en el neón emite una luz roja relativamente brillante; por lo tanto, los tubos de conmutación rellenos de neón también actúan como indicadores, brillando en rojo cuando se encienden. Esto se aprovecha en los tubos dekatrón , que funcionan como contadores y pantallas. Su luz roja se utiliza en letreros de neón . Se usa en tubos fluorescentes de alta potencia y corta longitud, por ejemplo, tubos de iluminación industrial. Tiene una caída de voltaje mayor en comparación con el argón y el criptón. Su baja masa atómica proporciona poca protección a los electrodos contra iones acelerados; se pueden usar cables o placas de apantallamiento adicionales para prolongar la vida útil del ánodo. En tubos fluorescentes se usa en combinación con mercurio. ^{[ 4 ]}
• El argón fue el primer gas utilizado en tubos fluorescentes y aún se usa con frecuencia debido a su bajo costo, alta eficiencia y voltaje de encendido muy bajo. En los tubos fluorescentes se usa en combinación con mercurio. ^{[ 4 ]} También se usó en los primeros tubos rectificadores ; los primeros tiratrones se derivaron de estos tubos llenos de argón.
• El criptón puede utilizarse en lámparas fluorescentes en lugar de argón; en esta aplicación, reduce las pérdidas totales de energía en los electrodos de aproximadamente un 15 % a un 7 %. Sin embargo, la caída de tensión por unidad de longitud de la lámpara es menor que con argón, lo que puede compensarse con un diámetro de tubo menor. Las lámparas rellenas de criptón también requieren una tensión de arranque más alta; esto puede mitigarse utilizando, por ejemplo, una mezcla de argón-criptón al 25-75 %. En tubos fluorescentes se utiliza en combinación con mercurio. ^{[ 4 ]}
• El xenón en estado puro tiene un alto voltaje de ruptura, lo que lo hace útil en tubos de conmutación de alto voltaje. El xenón también se utiliza como componente de mezclas de gases 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 mayor que con argón y criptón y penetra mejor en los fósforos. Para reducir el voltaje de ionización, se utilizan mezclas de neón-xenón o helio-xenón; por encima de 350 Torr (47 kPa ) , el helio tiene un voltaje de ruptura menor que el neón y viceversa. A concentraciones de xenón del 1 % o menos, el efecto Penning se vuelve significativo en dichas mezclas, ya que la mayor parte de la ionización del xenón ocurre por colisión con átomos excitados del otro gas noble; a concentraciones superiores a unos pocos porcentajes de xenón, la descarga ioniza el xenón directamente debido a que la mayor parte de la energía de los electrones se gasta en la ionización directa del xenón. ^{[ 6 ]}  
• Las mezclas de Penning se utilizan cuando se requiere un voltaje de ionización más bajo, por ejemplo, en lámparas de neón , tubos Geiger-Müller y otros detectores de partículas rellenos de gas . Una combinación clásica es de aproximadamente 98-99,5 % de neón con 0,5-2 % de argón, utilizada, por ejemplo, en bombillas de neón y en pantallas de plasma monocromáticas .

• Los vapores de mercurio se utilizan en aplicaciones de alta corriente, como lámparas, válvulas de arco de mercurio e ignitores . El mercurio se emplea debido a su alta presión de vapor y bajo potencial de ionización. La mezcla de mercurio con un gas inerte se utiliza cuando se requiere minimizar las pérdidas de energía en el tubo y prolongar su vida útil. En las mezclas de mercurio y gas inerte, la descarga es transportada inicialmente por el gas inerte; el calor liberado evapora suficiente mercurio para alcanzar la presión de vapor deseada. Los rectificadores de baja tensión (cientos de voltios) utilizan vapor de mercurio saturado en combinación con una pequeña cantidad de gas inerte, lo que permite el arranque en frío de los tubos. Los rectificadores de alta tensión (kilovoltios o más) utilizan vapor de mercurio puro a baja presión, lo que requiere mantener la temperatura máxima del tubo. El mercurio líquido actúa como depósito, reponiendo los vapores consumidos durante la descarga. Si bien se puede utilizar vapor de mercurio insaturado, al no poder reponerse, la vida útil de estos tubos es menor. ^{[ 1 ]} La fuerte dependencia de la presión de vapor de la temperatura del mercurio limita los entornos en los que pueden operar los tubos de mercurio. En las lámparas de mercurio de baja presión, existe una presión óptima de mercurio para la máxima eficiencia. Los fotones emitidos por átomos de mercurio ionizados pueden ser absorbidos por átomos no ionizados cercanos y ser re-irradiados o el átomo se desexcita de forma no radiativa; por lo tanto, una presión de mercurio demasiado alta provoca pérdidas de luz. Una presión de mercurio demasiado baja conduce a que haya muy pocos átomos presentes para ionizarse y emitir fotones. La temperatura óptima para las lámparas de mercurio de baja presión es de aproximadamente 42 °C (108 °F) , cuando la presión de vapor saturado del mercurio (presente como una gota de aproximadamente 1 mg de mercurio líquido en el tubo, como depósito que compensa las pérdidas por limpieza) alcanza este óptimo. En las lámparas destinadas a operar a temperaturas ambiente más altas y en un rango de temperatura más amplio, el mercurio está presente en forma de amalgama con, por ejemplo, bismuto e indio ; la presión de vapor sobre la amalgama es menor que sobre el mercurio líquido. ^{[ 7 ]} El mercurio se utiliza en tubos fluorescentes como fuente de luz visible y ultravioleta para excitar el fósforo ; en esa aplicación se suele usar junto con argón, o en algunos casos con kriptón o neón. Los iones de mercurio se desionizan lentamente, lo que limita la velocidad de conmutación de los tiratrones llenos de mercurio. El bombardeo iónico con iones de mercurio, incluso de energías relativamente bajas, también destruye gradualmente los cátodos recubiertos de óxido. ^{[ 2 ]}   
• Los vapores de sodio se utilizan en las lámparas de vapor de sodio .
• Los vapores de azufre se utilizan en las lámparas de azufre .
• En muchos láseres se utilizan vapores de diversos metales, solos o junto con un gas noble .

• El aire puede utilizarse en algunas aplicaciones de baja exigencia.
• El nitrógeno a presión relativamente alta se suele utilizar en los pararrayos , debido a su corto tiempo de acumulación, lo que proporciona a los tubos un tiempo de respuesta rápido a las sobretensiones. ^{[ 1 ]}
• Los halógenos y los vapores de alcohol absorben la radiación ultravioleta y tienen una alta afinidad electrónica. Cuando se añaden a gases inertes, extinguen la descarga; esto se aprovecha, por ejemplo, en los tubos Geiger-Müller . ^{[ 1 ]}

En casos especiales (por ejemplo, interruptores de alto voltaje), se requieren gases con buenas propiedades dieléctricas y voltajes de ruptura muy elevados. Se prefieren los elementos altamente electronegativos , como 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 .

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

• voltaje de ruptura (también llamado voltaje de ignición)
• densidad de corriente
• tensión de funcionamiento
• voltaje de retroceso ^{[ 8 ]}
• Vida útil del tubo (los tubos de menor presión tienden a tener una vida útil más corta debido al consumo de gas).
• pulverización catódica , reducida a presiones más altas

Por encima de cierto valor, cuanto mayor sea la presión del gas, mayor será el voltaje de ignición. Los tubos de iluminación de alta presión pueden requerir un impulso de unos pocos kilovoltios para la ignición cuando están fríos, cuando la presión del gas es baja. Después de calentarse, cuando el compuesto volátil utilizado para la emisión de luz se vaporiza y la presión aumenta, la reencendido de la descarga requiere un voltaje significativamente mayor o reducir la presión interna enfriando la lámpara. ^{[ 7 ]} Por ejemplo, muchas lámparas de vapor de sodio no se pueden volver a encender inmediatamente después de apagarse; deben enfriarse antes de poder encenderse de nuevo.

El gas tiende a consumirse durante el funcionamiento del tubo mediante varios fenómenos denominados colectivamente limpieza . 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 de los electrodos. Las nuevas superficies, formadas por la pulverización catódica de los electrodos y depositadas, por ejemplo, en las superficies internas del tubo, también adsorben gases con facilidad. Los gases no inertes también pueden reaccionar químicamente con los componentes del tubo. El hidrógeno puede difundirse a través de algunos metales. ^{[ 1 ]}

Para la eliminación de gases en tubos de vacío , se utilizan absorbedores . Para el reabastecimiento de gas en tubos llenos de gas, se emplean reponedores . Generalmente, los reponedores se utilizan con hidrógeno; un filamento hecho de un metal absorbente de hidrógeno (por ejemplo, circonio o titanio) se encuentra dentro del tubo, y al controlar su temperatura se ajusta la proporción de hidrógeno absorbido y desorbido, lo que permite controlar la presión de hidrógeno en el tubo. El filamento metálico actúa como un depósito de hidrógeno. Este método se utiliza, por ejemplo, en tiratrones de hidrógeno o tubos de neutrones. El uso de vapor de mercurio saturado permite utilizar una piscina de mercurio líquido como un gran depósito de material; los átomos perdidos durante la limpieza se reponen automáticamente mediante la evaporación de más mercurio. Sin embargo, la presión en el tubo depende en gran medida de la temperatura del mercurio, que debe controlarse cuidadosamente. ^{[ 1 ]}

Los rectificadores de gran tamaño utilizan vapor de mercurio saturado con una pequeña cantidad de gas inerte. El gas inerte mantiene la descarga cuando el tubo está frío.

Las características de corriente-tensión de la válvula de arco de mercurio dependen en gran medida de la temperatura del mercurio líquido. La caída de tensión en polarización directa disminuye de aproximadamente 60 voltios a 0  °C a algo más de 10 voltios a 50  °C y luego se mantiene constante; la tensión de ruptura en polarización inversa ("arco inverso") disminuye drásticamente con la temperatura, de 36  kV a 60  °C a 12  kV a 80  °C e incluso menos a temperaturas más altas. Por lo tanto, el rango de operación suele estar entre 18 y 65  °C. ^{[ 9 ]}

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 inertes generalmente aumenta los voltajes de ruptura y combustión. La presencia de impurezas puede observarse por cambios en el color del brillo del gas. El aire que se filtra en 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. Trazas de vapores de mercurio brillan azulados, oscureciendo el color original del gas. El vapor de magnesio colorea la descarga de verde. Para evitar la desgasificación de los componentes del tubo durante el funcionamiento, se requiere un horneado antes de llenarlo con gas y sellarlo. 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 una capa de óxido monomolecular en pocas horas. Los gases no inertes pueden eliminarse mediante getters adecuados . Para tubos que contienen mercurio, deben utilizarse absorbentes que no formen amalgamas con este (por ejemplo, circonio , pero no bario ). La pulverización catódica puede utilizarse intencionadamente para la eliminación de gases no inertes; algunos tubos de referencia utilizan cátodos de molibdeno para este fin. ^{[ 1 ]}

Los gases inertes puros se utilizan cuando la diferencia entre la tensión de ignición y la tensión de combustión debe ser alta, por ejemplo, en tubos de conmutación. Los tubos para indicación y estabilización, donde la diferencia debe ser menor, suelen llenarse con mezclas de Penning ; la menor diferencia entre las tensiones de ignición y combustión permite utilizar tensiones de alimentación más bajas y resistencias en serie más pequeñas. ^{[ 1 ]}

Algunos ejemplos importantes incluyen los tubos tiratrón , critrón e ignitrón , que se utilizan para conmutar corrientes de alto voltaje. Un tipo especializado de tubo lleno de gas, llamado tubo de descarga de gas (GDT), se fabrica para su uso como protector contra sobretensiones , para limitar las sobretensiones en circuitos eléctricos y electrónicos.

El efecto de disparo de Schmitt de la región de resistencia diferencial negativa puede aprovecharse para realizar temporizadores, osciladores de relajación y circuitos digitales con lámparas de neón , tubos de disparo , tubos de relé , decatrones y tubos Nixie .

Los tiratrones también pueden utilizarse como triodos operándolos por debajo de su voltaje de ignición, lo que les permite amplificar señales analógicas como un detector superregenerativo autoextinguible en receptores de radiocontrol . ^{[ 10 ]}

Además de los tubos Nixie, existían lámparas de neón especiales:

• El indicador de sintonización temprana Tuneon es un tubo de vidrio con un ánodo de alambre corto y un cátodo de alambre largo que emite luz parcialmente; la duración de la emisión de luz es proporcional a la corriente del tubo.
• Lámpara de neón fosforada
• Tubos de activación luminiscentes, utilizados como indicadores de enclavamiento, o píxeles de pantallas matriciales.
  • Tubo disparador de luz directa
  • Tubo disparador fosforado

Los diodos de ruido de descarga de gas de cátodo caliente estaban disponibles en envolturas de vidrio de tubos de radio normales para frecuencias de hasta UHF , y como 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 .

Estaban rellenas de un gas inerte puro, como el neón, ya que las mezclas hacían que la salida dependiera de la temperatura. Su voltaje de combustión era inferior a 200  V, pero necesitaban un cebado óptico mediante una lámpara incandescente de 2 vatios y un pico de voltaje de alrededor de 5 kV para su ignición.

Un tiratrón en miniatura encontró un uso adicional como fuente de ruido, cuando se operaba como un diodo en un campo magnético transversal. ^{[ 11 ]}

A mediados del siglo XX, los tubos reguladores de voltaje eran de uso común.

La pulverización catódica se aprovecha en el Totalizador de Tiempo , un medidor de tiempo transcurrido basado en un culomómetro de vapor metálico donde el metal pulverizado se deposita en un elemento colector cuya resistencia, por lo tanto, disminuye lentamente. ^{[ 12 ]}