真空管

後期の熱電子真空管、ほとんどが小型タイプ、一部は高電圧用のトップキャップ接続付き

真空管（きゅうかん）、電子管（きゅうかん） 、[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]熱電子管（サーミオニクスバルブ、英国ではサーミオニクスバルブ）、またはチューブ（北米ではチューブ）[ 4 ]は、高真空中で電位差を与えられた電極間の電流の流れを制御する装置である。真空にされたガラスまたは金属の外被の中に、外部接続ピンに接続された電極が収められている。

熱電子管または熱電子バルブとして知られるタイプは、熱陰極からの熱電子放出を利用して、信号増幅や電流整流といった基本的な電子機能を実現します。真空光電管などの非熱電子放出タイプは、光電効果によって電子放出を実現し、光の検出や強度の測定などに用いられます。どちらのタイプでも、電子は管内の 電界によって陰極から陽極へと加速されます。

オーディオパワーアンプの真空管を動作させると、熱陰極が独特の赤橙色の光を発する。
原始的な三極真空管と典型的な直流動作電位の極性を表す図。CおよびB電圧源に直列に接続されるインピーダンス（抵抗またはインダクタ）は示されていません。

最初の、そして最も単純な真空管であるダイオードまたはフレミングバルブは、1904年にジョン・アンブローズ・フレミングによって発明されました。加熱された電子放出カソードとアノードのみで構成されています。電子はデバイス内を一方向、つまりカソードからアノードにのみ流れます（そのため、一方向に水の流れを許可するデバイスのように、 「バルブ」と呼ばれます）。チューブ内に1つまたは複数の制御グリッドを追加して、三極管、四極管などを作成すると、カソードとアノード間の電流をグリッドの電圧で制御できるようになり、[ 5 ]電気信号を増幅および整流できるデバイスが作成されます。複数のグリッド（たとえば、七極管）を使用すると、異なる電極に適用された信号を混合できます。

これらのデバイスは、20世紀前半の電子回路の主要部品となりました。ラジオ、テレビ、レーダー、音声録音・再生、長距離電話網、そしてアナログおよび初期のデジタルコンピュータの発展に不可欠でした。一部の用途では、無線用のスパークギャップ送信機や水晶検波器、機械式および電気機械式コンピュータといった従来の技術が使用されていましたが、熱電子真空管の発明によってこれらの技術は広く普及し実用化され、電子工学という分野が生まれました。[ 6 ]

1940年代、半導体デバイスの発明により、熱電子管よりも小型で安全、かつ低温で、効率、信頼性、耐久性、経済性に優れた固体電子デバイスの製造が可能になりました。1960年代半ば以降、熱電子管はトランジスタに置き換えられていきました。しかし、ブラウン管（CRT）は、機能的には電子管/バルブですが、通常はそのように呼ばれることはなく、テレビ受信機、コンピュータモニター、オシロスコープなどの電子画像表示装置として21世紀初頭まで 使用され続けました。

熱電子管は、電子レンジのマグネトロンや一部の高周波アンプなど、一部の用途で現在も使用されています。多くのオーディオ愛好家は、いわゆる「温かみのある」真空管サウンドを求めて、もはや時代遅れとなった真空管アンプを好んで使用しています。また、エレキギターなどの電気楽器では、特定の音色やトーンを得るために「オーバードライブ」などの効果を得るために使用されています。

電子回路のバルブや電子管はすべて真空管ではありません。ガス封入管は真空管に似たデバイスですが、通常は低圧のガスを封入し、ガス中の放電に関連する現象を利用します。通常はヒーターは使用しません。

分類

真空管を使用した米国のWWVBラジオ局信号発生器、1943年

熱電子真空管は、能動電極の数によって分類されます。能動素子が2つあるデバイスはダイオードと呼ばれ、通常は整流に使用されます。能動素子が3つあるデバイスは三極管と呼ばれ、増幅とスイッチングに使用されます。電極を追加することで四極管、五極管などが形成され、制御可能な電極を追加することで複数の機能が追加されます。

その他の分類は次のとおりです。

  • 周波数範囲別（オーディオ、ラジオ、VHF、UHF、マイクロ波）
  • 電力定格（小信号、オーディオ電力、高出力無線送信）
  • カソード/フィラメントの種類（間接加熱、直接加熱）とウォームアップ時間（「明るいエミッター」の純タングステンフィラメントまたは「鈍いエミッター」のトリエーテッドタングステンフィラメントを含む）
  • 特性曲線の設計による（例えば、一部の五極管における鋭いカットオフと遠隔カットオフ）
  • 用途別（受信、送信、増幅またはスイッチング、整流、混合）
  • 特殊なパラメータ（長寿命、非常に低いマイクロフォニック感度、低ノイズオーディオ増幅、頑丈なバージョンまたは軍用バージョン）
  • 特殊な機能（光または放射線検出器、ビデオイメージング管）
  • 情報を表示するために使用される管（マジックアイ管、蛍光表示管、CRT）

真空管は、上記以外の部品や機能を持つ場合があり、それらについては別途説明されています。これらには、表示目的で電子ビームを生成する陰極線管（テレビ受像管、電子顕微鏡、電子ビームリソグラフィーなど）、X線管、光電管、光電子増倍管（真空中の電子の流れを利用し、陰極からの電子放出は熱電子放出ではなく光子のエネルギーに依存する）などがあります。

説明

ダイオード：熱陰極からの電子は陽極に向かって流れますが、その逆は起こりません。
三極管：グリッドに印加される電圧がプレート（陽極）電流を制御する

真空管は、気密容器内の真空中に2つ以上の電極を備え、容器の外側からピンを通して電極に電気接続する構造です。ほとんどの真空管は、コバール製のホウケイ酸ガラスをベースとしたガラスと金属のシール構造を持つガラス容器でできていますが、絶縁基板上にセラミックや金属容器を備えた真空管も使用されています。電極は、気密シールを介して容器を貫通するリード線に接続されています。

ほとんどの真空管の寿命は限られています。これは主にフィラメントの焼損や陰極コーティングの劣化による性能の徐々の低下などの故障モードが原因で、交換可能なユニットとして作られています。電極リード線は真空管のベースにあるピンに接続され、このピンが真空管ソケットに差し込まれるため、電子機器の故障の原因となることが多い真空管を簡単に取り外して交換できます。

ベース端子に加えて、一部の真空管には、真空管の上部にある接続部で終端する電極、つまりトップキャップがありました。これにより、特に高インピーダンスのグリッド入力の場合、真空管ベース（湿気の多い環境では絶縁体としての性能が低いフェノール絶縁材で作られている場合もある）を介した漏れ抵抗が回避され[ 7 ] : 580 [ 8 ]グリッドと他の電極間の静電容量が減少することで、安定性と高周波性能が向上します。[ 9 ]非常に高い陽極電圧を必要とする一部の真空管では、陽極接続にトップキャップが使用され、他の電極の低電位から分離するのに役立ちました。限られた数の電極を収容するベースを持つ真空管では、トップキャップが追加の接続を提供しました。いくつかの真空管には 2 つのトップキャップ接続がありました。

最も初期の真空管は白熱電球から発展したもので、フィラメントが 真空のガラス容器に封入されていました。フィラメントは熱くなると真空中に電子を放出します。このプロセスは熱イオン放出と呼ばれます。フィラメントに対して正の電圧がかかった第 2 の電極 (陽極またはプレート) が追加され、これらの電子を引き付けます。その結果、フィラメントからプレートへの電子の流れは一方向にのみ生じます。プレートは正イオンを放出しないため、逆方向の流れはありません。フィラメントには 2 つの機能があります。加熱されると電子を放出します。また、プレートとともに、それらの間の電位差により電界を生成します。2 つの電極のみを備えた管はダイオードと呼ばれ、整流に使用されます。電流は一方向にしか流れないため、このようなダイオード (または整流器) は交流 (AC) を脈動する DC に変換します。これにより、ダイオードは、電源で AC を DC に変換したり、振幅変調(AM) ラジオ信号の復調器として使用したり、同様の機能に使用したりできるようになります。

初期の真空管はフィラメントを陰極（カソード）として用いており、これを「直熱型」真空管と呼んでいます。後期の真空管のほとんどは、カソードとして機能する金属管内のフィラメントまたはヒーター素子によって「間接加熱」されます。金属管には酸化皮膜が施されており、電子放出を大幅に向上させます。[ 10 ]ヒーターは周囲のカソードから電気的に分離されており、熱電子放出に必要なだけのカソード加熱を行う役割を果たします。HJラウンドは1913年頃に直熱型真空管を発明しました。[ 11 ]この電気的分離により、全ての真空管のヒーターに動作電圧とは別に共通回路（交流電源でも構いませんが、カソードは一定電位である必要があります）から電力を供給できます。特に、異なる真空管のカソードは異なる電圧で動作させることができます。フィラメントは、マイクロワットレベルの信号を増幅する場合でも、一定の、そして多くの場合かなりの電力を必要とします。

電力はフィラメントによって消費されるほか、陰極からの電子が陽極（プレート）に衝突して加熱することでも消費されます。これは、アンプがアイドル状態であっても、直線性と低歪みを確保するために必要な静止電流によって発生します。パワーアンプでは、この加熱は相当な量になる可能性があり、安全限界を超えて駆動すると真空管を破壊する可能性があります。真空管は真空にされているため、対流による電極冷却は不可能です。ほとんどの小型・中型出力管では、陽極はガラス管外囲器を介した輻射によって冷却されます。一部の超高出力用途では、陽極を（金属製の）真空管外囲器の一部とし、強制空冷または水冷のヒートシンクと熱接触させることで、冷却効果が大幅に向上します（通常、陽極は接地電位、陰極とグリッドは高い負電位となります）。クライストロンとマグネトロンは、高電圧絶縁を用いずに、特に水冷を容易にするために、陽極（クライストロンではコレクターと呼ばれる）を接地電位で動作させることが多い真空管です。

ダイオードを除き、カソードとプレート (アノード) の間には追加の電極が配置されます。これらの電極は固体のシートではなく、電子が通過できるまばらな要素で、グリッドと呼ばれ、アノードへの電子の流れに影響を与えますが、妨げにはなりません。真空管は、グリッドの数に応じて、三極管、四極管、五極管などと呼ばれます。三極管には、アノード、カソード、および 1 つのグリッドという 3 つの電極があります。最初のグリッドは制御グリッドと呼ばれ (場合によっては他のグリッドも)、ダイオードを電圧制御デバイスに変換します。つまり、制御グリッドに適用される電圧は、カソードとプレート間の電流に影響を与えます。カソードに対して負に保持されると、制御グリッドは、カソードによって放出された電子を反発する電界を発生させ、その結果、カソードとアノード間の電流が減少するか、または停止します。制御グリッドがカソードに対して負の電位にある限り、実質的に電流は流れません。しかし、制御グリッドに数ボルトの電圧変化を与えるだけでプレート電流に大きな変化が生じ、出力が数百ボルト変化する可能性があります（回路によって異なります）。五極管に最もよく似た動作をする固体素子は、通常ははるかに低い電圧で動作する接合型電界効果トランジスタ（JFET）です。

歴史と発展

エジソンの実験用電球の1つ

19世紀には、ガイスラー管やクルックス管といった真空管の研究が盛んに行われました。これらの真空管の実験を行った科学者や発明家には、トーマス・エジソン、オイゲン・ゴールドシュタイン、ニコラ・テスラ、ヨハン・ヴィルヘルム・ヒットルフなどがいます。[ 12 ]初期の電球を除いて、これらの真空管は科学研究や新奇な用途にのみ使用されました。しかし、これらの科学者や発明家によって築かれた基礎は、その後の真空管技術の発展に極めて重要なものとなりました。

熱イオン放出は1873年にフレデリック・ガスリーによって初めて報告されたが[ 13 ]、トーマス・エジソンが1883年にこの現象を独自に発見し、エジソン効果と呼ばれるようになったことで広く知られるようになった。エジソンはフィラメントと陽極の間の電流の流れが一方向性であることを認識していたものの、彼の関心（および特許[ 14 ]）は、フィラメントを流れる電流（ひいてはフィラメント温度）に対する陽極電流の感度に集中していた。ジョン・アンブローズ・フレミングがエジソン効果の整流特性を磁気検出器の改良として無線信号の検出に応用したのは数年後のことである[ 15 ]。

真空管による増幅は、リー・ド・フォレストが1907年に三端子の「オーディオン」管を発明して初めて実用化されました。これは三極管の原型です。[ 16 ]本質的に最初の電子増幅器であったため、[ 17 ]このような真空管は長距離電話（米国で最初の海岸から海岸までの電話回線など）や拡声システムに役立ち、無線送信機と受信機で使用するためのはるかに優れた多用途の技術を導入しました。

ダイオード

フレミングの最初のダイオード

19世紀末、無線技術はまだ開発の初期段階にあり、マルコーニ社は無線通信システムの開発と構築に従事していた。グリエルモ・マルコーニは1899年にイギリスの物理学者ジョン・アンブローズ・フレミングを科学顧問に任命した。フレミングはエジソン電話（1879年）とエジソン電灯（1882年）の科学顧問を務め、エジソン・スワンの技術コンサルタントも務めていた。[ 18 ]マルコーニが必要としていたことの1つは、変調された無線周波数から情報を抽出する装置である検出器の改良であった。マルコーニは磁気検出器を開発していたが、これはコヒーラよりも自然発生的な無線周波数干渉に反応しにくいが、磁気検出器は電話の受話器に音声周波数信号しか提供できなかった。印刷機器を駆動できる信頼性の高い検出器が必要とされていた。

エジソン効果電球の実験の結果、[ 15 ]フレミングは真空管を開発しました。この真空管は電流を一方向にしか流さないことから、振動バルブと名付けられました。 [ 19 ]陰極は炭素フィラメントで、電流を流すことで加熱され、熱電子放出を引き起こします。陰極から放出された電子は、陽極（プレート）が陰極に対して正の電圧を印加されているときに、陽極に引き寄せられます。フレミングはこれらの真空管の特許を英国のマルコーニ社に申請し、1904年11月に出願、1905年9月に発行されました。[ 20 ]後にフレミングバルブとして知られるこの「振動バルブ」は、無線受信回路の検波器として無線周波数電流を整流する目的で開発されました。 [ 15 ] [ 21 ]

フレミングバルブは、正常に動作する水晶検出器よりも感度が高いわけではありませんが、[ 22 ]水晶検出器のウィスカーに必要な面倒な調整を必要とせず、振動や動きによって最適な位置からずれることもないため、移動中の船舶で使用するのに特に有利でした。[ 23 ]

三極管

最初の三極管、ド・フォレスト・オーディオンは1906年に発明されました。
1918年のRE16から1960年代のミニチュア真空管まで、約45年間の真空管製造の歴史の中で進化してきた三極管。
三極管の記号。上から下へ：プレート（陽極）、制御グリッド、陰極、ヒーター（フィラメント）

19世紀、電信・電話技術者たちは信号伝送距離の延長の必要性を認識していました。1906年、ロバート・フォン・リーベンは、外部磁気偏向コイルを使用し、電話機器の増幅器として用いることを目的としたブラウン管の特許を申請しました。 [ 24 ]しかし、このフォン・リーベンの磁気偏向管は、偏向コイルの消費電力が大きかったため、増幅器としては成功しませんでした。[ 25 ]フォン・リーベンは後に三極管真空管の改良を行いました。

リー・ド・フォレストは、1907年にオリジナルの（ダイオード）オーディオンを改良する実験中に三極管を発明したとされています。[ 26 ]フィラメント（陰極）とプレート（陽極）の間に追加の電極を配置することで、この装置が信号を増幅できることを発見しました。制御グリッド（または単に「グリッド」）に印加さ​​れる電圧を陰極電圧より低くすると、フィラメントからプレートへ流れる電流が減少しました。グリッドが陰極付近に生成する負の静電界は、放出された電子の通過を阻害し、プレートへの電流を減少させました。グリッドが陰極に対して負の電位にあるため、陰極からグリッドへ直流電流が流れることはありませんでした。その結果、グリッドに印加される電圧の変化は、電流が流れていないため電力入力を必要としませんが、プレート電流を変化させ、プレートにおける電圧変化を大幅に増大させることができました。その結果、電圧と電力の増幅が実現しました。 1908年、ド・フォレストは、無線通信用の電子増幅器として用いるために、オリジナルのオーディオンの三極管版の 特許（米国特許番号879,532 ）を取得しました。これは後に三極管として知られるようになりました。

ゼネラル・エレクトリック社プリオトロン、科学史研究所所蔵

ド・フォレストの最初の装置は、従来の真空技術を用いて製造されました。この真空は「完全な真空」ではなく、ごく微量の残留ガスが残っていました。装置の動作原理は完全には解明されていませんでした。残留ガスは、プレート電圧が約60ボルトを超えると、目に見えるイオン化によって青い光を発します。1912年、ド・フォレストとジョン・ストーンは、オーディオンをAT&Tの技術部門に持ち込み、デモンストレーションを行いました。そこでハロルド・D・アーノルドは、青い光がイオン化ガスによるものであることを発見しました。彼はAT&Tに特許を購入するよう勧告しました。アーノルドは、高いプレート電圧でも青い光を発することなく動作する高真空管を開発し、1913年の夏にAT&Tの長距離ネットワークで試験されました。[ 27 ]

フィンランドの発明家エリック・ティガーシュテットは、1914年にドイツのベルリンでフィルムに音を流す技術の開発に取り組んでいた際に、オリジナルの三極管設計を大幅に改良しました。ティガーシュテットの革新は、陰極を中心に同心円状の円筒形の電極を設計し、放出された電子を陽極に集める能力を大幅に向上させたことです。[ 28 ]

ゼネラル・エレクトリック研究所（ニューヨーク州スケネクタディ）のアーヴィング・ラングミュアは、ヴォルフガング・ゲーデの高真空拡散ポンプを改良し、真空中における熱電子の放出と伝導の問題を解決しました。その結果、ゼネラル・エレクトリックは1915年に硬質真空三極管（プリオトロンのブランド名で呼ばれる）の製造を開始しました。[ 29 ]ラングミュアは硬質真空三極管の特許を取得しましたが、ド・フォレストとAT&Tが優先権を主張し、特許を無効にしました。

プリオトロンに続いてフランス製の「TM」型、さらに後にイギリス製の「R」型が登場し、1916年までに連合軍で広く使用されるようになった。歴史的に、生産された真空管の真空レベルは、典型的には10μPaから10nPa （8 × 10-8Torrから8 × 10-11Torr ）の範囲であった 。[ 30 ] 

三極管とその派生品（四極管と五極管）は相互コンダクタンス素子であり、グリッドに印加される制御信号は電圧であり、その結果としてアノードに現れる増幅信号は電流である。[ 31 ]これと比較して、後のバイポーラ接合トランジスタは小さな電流を使用してより大きな電流を制御する。

真空管において、相互コンダクタンス（g m）は、プレート（陽極）／カソード電流の変化を、プレート（陽極）／カソード間電圧の対応する変化で割った値として定義されます。プレート（陽極）／カソード間電圧は一定です。小信号真空管におけるg mの典型的な値は1～10ミリジーメンスです。これは真空管の3つの主要パラメータの1つであり、他の2つはゲインμとプレート抵抗R pまたはR aです。これらのパラメータは、ファン・デル・ビルの式によって関連付けられています。グラムメートル＝μRp{\displaystyle g_{m}={\mu \over R_{p}}}

三極管のプレート電流はグリッド電圧に正確に比例していなかったため、動作特性は非線形であり、初期の真空管式オーディオアンプでは低音量時に高調波歪みが発生しました。プレート電流を印加グリッド電圧の関数としてプロットすると、伝達曲線がほぼ直線となるグリッド電圧の範囲が存在することが分かりました。

この範囲を使用するには、 DC動作点を線形領域に配置するために、グリッドに負のバイアス電圧を印加する必要がありました。これはアイドル状態と呼ばれ、この時点でのプレート電流は「アイドル電流」と呼ばれます。制御電圧はバイアス電圧に重畳され、その結果、その点付近の入力電圧の正負の変化に応じて、プレート電流はほぼ線形に変化します。

この概念はグリッドバイアスと呼ばれます。初期のラジオセットの多くには、「C電池」（現在のCセルとは無関係）と呼ばれる3つ目の電池が搭載されていました。C電池のプラス端子は真空管のカソード（ほとんどの回路では「グランド」）に接続され、マイナス端子は真空管のグリッドにバイアス電圧を供給していました。

後期の回路では、ヒーターとカソードが分離された真空管が作られ、カソードバイアスが採用されました。これにより、別途負電源を用意する必要がなくなりました。カソードバイアスでは、比較的低い値の抵抗器をカソードとグランドの間に接続します。この抵抗器に電流が流れることで、カソードはグリッド（直流ではグランド電位）に対して正電位になります。

しかし、単2電池は、A電池とB電池がAC電源に置き換えられた後も、一部の機器に引き続き搭載されていました。これは、これらの電池は実質的に電流を消費しないため可能でした。そのため、交換することなく長年（多くの場合、すべての真空管よりも長く）使用できました。

三極管が初めて無線周波数送信機および受信機で抵抗負荷ではなく同調負荷とともに使用されたとき、プレート（増幅器の出力）と制御グリッド（増幅器の入力）の間のミラー容量と呼ばれる寄生容量のために、同調増幅段のゲインが非常に制限されていない限り、発振する傾向があることがわかりました。

最終的に、プレート（陽極）に接続された高周波トランスに逆位相の巻線を追加し、小型コンデンサを介して送電網に接続するという中和技術が開発されました。適切に調整することで、ミラー容量を打ち消すことができました。この技術は1920年代にニュートロダイン無線機で効果的に採用されました。中和は周波数に依存していたため、慎重な調整が必要であり、広い周波数範囲で機能するわけではありませんでした。

四極管と五極管

四極管の記号。上から下へ：プレート（陽極）、スクリーングリッド、制御グリッド、陰極、ヒーター（フィラメント）。

グリッドとプレート間の容量が原因で生じる、無線周波数増幅器としての三極管の安定性の問題に対処するため、物理学者ウォルター・H・ショットキーは1919 年に四極管、すなわちスクリーン グリッド管を発明しました。 [ 32 ]彼は、制御グリッドとプレートの間に静電シールドを追加することでこの問題を解決できることを示しました。この設計は、ハルとウィリアムズによって改良されました。[ 33 ] 追加されたグリッドは、スクリーン グリッド、またはシールド グリッドとして知られるようになりました。スクリーン グリッドは、プレート電圧よりも大幅に低い正電圧で動作し、増幅する周波数で低インピーダンスのコンデンサを使用してグランドにバイパスされます。 [ 34 ] この配置により、プレートと制御グリッドが実質的に分離され、中波放送周波数での中和回路が不要になります。また、スクリーン グリッドにより、プレート電圧がカソード近くの空間電荷に与える影響が大幅に減少し、増幅回路において四極管が三極管よりも大きな電圧利得を生成できるようになります。典型的な三極管の増幅率は10未満から100程度であるのに対し、四極管の増幅率は500程度が一般的です。その結果、単一の真空管増幅段でより高い電圧利得を得ることが可能になり、必要な真空管の数を減らすことができました。スクリーングリッド管は1927年後半に市販されました。[ 35 ]

スクリーン グリッド チューブ (四極管) の増幅器としての有効な動作領域は、スクリーン グリッド電位よりも大きい特性曲線の直線部分の陽極電位に限定されます。

しかし、スクリーングリッド管を増幅器として動作させる有効領域は、プレートからの二次電子放出のため、スクリーングリッド電圧よりも高いプレート電圧に限定されていました。どの管でも、電子は十分なエネルギーでプレートに衝突し、その表面から電子を放出させます。三極管では、この二次電子放出はプレートによって再捕捉されるため、問題にはなりません。しかし、四極管では、スクリーングリッドも正電圧にあるため、二次電子放出はスクリーングリッドに捕捉され、プレート電流から電子を奪い、管の増幅率を低下させます。あるプレート電圧範囲では、二次電子の数が一次電子の数を上回るため、プレート電圧の上昇に伴いプレート電流が減少する可能性があります。これはダイナトロン領域[ 36 ]または四極管キンクと呼ばれ、それ自体が不安定性を引き起こす可能性のある負性抵抗の一例です[ 37 ] 。二次電子放出のもう一つの望ましくない結果は、スクリーン電流が増加し、スクリーンが定格電力を超える可能性があることです。

ダイナトロン発振回路は、プレート特性の本来望ましくない負性抵抗領域を利用することで、プレートを共振LC回路に接続するだけで発振するシンプルな発振器を実現しました。ダイナトロン発振器は、数年後に登場したトンネルダイオード発振器と同じ負性抵抗の原理で動作しました。

スクリーングリッド管のダイナトロン領域は、スクリーングリッドとプレートの間にグリッドを追加することでなくなり、ペントード管が作られました。ペントードのサプレッサーグリッドは通常、カソードに接続され、アノードに対する負の電圧によって二次電子が反発され、スクリーングリッドではなくアノードによって収集されます。ペントードという用語は、管に5つの電極があることを意味します。ペントードは1926年にBernard DH Tellegen [ 38 ]によって発明され、単純なテトロード管よりも一般的に好まれるようになりました。ペントードには2つのクラスがあります。サプレッサーグリッドがカソード内部に配線されているもの（EL84/6BQ5など）と、サプレッサーグリッドがユーザーアクセス用の別のピンに配線されているもの（803、837など）です。電力用途の代替ソリューションは、後述する ビームテトロード管またはビーム出力管です。

多機能および多セクションチューブ

ペンタグリッドコンバータには、カソードとプレート (アノード) の間に 5 つのグリッドが含まれています。

スーパーヘテロダイン受信機には、局部発振器とミキサーが、単一のペンタグリッド変換管の機能として組み合わされている必要がある。この目的のために、三極管と六極管、さらには八極管を組み合わせるなど、さまざまな代替手段が使用されてきた。追加のグリッドには、制御グリッド（低電位）とスクリーン グリッド（高電圧）がある。多くの設計では、このようなスクリーン グリッドを追加のアノードとして使用して、発振器機能のフィードバックを提供し、その電流が入力無線周波数信号の電流に追加される。このようにして、ペンタグリッド コンバータは、小型真空管版の「オール アメリカン ファイブ」を含む AM 受信機で広く使用されるようになった。7A8 などの八極管は、米国ではほとんど使用されなかったが、ヨーロッパでは、特に低消費電力が利点となる電池駆動のラジオで、はるかに一般的であった。

無線機器のコストと複雑さをさらに削減するために、2つの独立した構造（例えば三極管と五極管）を1つのマルチセクション管に組み込むことができます。初期の例として、Loewe 3NFが挙げられます。1920年代に製造されたこの装置は、3つの三極管を1つのガラス管に収め、ラジオ受信機に必要なすべての固定コンデンサと抵抗器が組み込まれています。Loeweのセットは真空管ソケットが1つしかなかったため、ドイツではソケットの数に応じて州税が課せられていたため、競合製品を大幅に下回る価格を実現しました。しかし、信頼性は低下し、真空管の製造コストは大幅に上昇しました。ある意味では、これらは集積回路に似ています。米国では、Cleartron社がEmerson Baby Grand受信機向けに「マルチバルブ」三極管を短期間製造しました。このEmersonのセットにも真空管ソケットは1つしかありませんが、4ピンベースを使用しているため、追加の要素の接続は真空管ベース上部の「メザニン」プラットフォーム上で行われます。

1940年までに、マルチセクション真空管は一般的になっていました。しかし、特許やその他のライセンス上の考慮事項による制約もありました（英国ラジオバルブ製造者協会を参照）。外部ピン（リード線）の数による制約により、カソード接続（ヒーター接続に加えて）などの外部接続の一部を複数の機能で共有せざるを得ないことがよくありました。RCAタイプ55は、初期のAC電源ラジオで検波器、自動利得制御整流器、オーディオプリアンプとして使用されていた、 2つのダイオードを備えた三極管です。これらのセットには、53デュアル三極管オーディオ出力が含まれていることがよくあります。初期のマルチセクション真空管のもう1つのタイプである6SN7は、「デュアル三極管」で、2つの三極管の機能を果たしながら、占有スペースは半分で、コストも低く抑えられています。 12AX7は小型筐体に収められたデュアル「ハイミュー」（高電圧利得[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]）三極管で、オーディオ信号増幅器、楽器、ギターアンプなどに広く使用されるようになりました。

従来よりも多くの9ピンを持つ小型真空管ベース（下記参照）の導入により、テレビ受信機で非常に人気のある6GH8 /ECF82三極管五極管のような多段真空管の導入が可能になりました。さらに多くの機能を一つの筐体に収めたいという要望から、12ピンのゼネラル・エレクトリック・コンパクトトロンが誕生しました。代表的な例である6AG11は、2つの三極管と2つのダイオードで構成されています。[ 42 ]

従来型の真空管の中には、標準的なカテゴリーに当てはまらないものもあります。例えば、6AR8、6JH8、6ME8は、複数の共通グリッドと、それに続く一対のビーム偏向電極を備えており、電流を2つの陽極のいずれかに偏向させます。[ 43 ]これらは「シートビーム」真空管と呼ばれることもあり、一部のカラーテレビでカラー復調に使用されていました。類似の7360は、バランス型SSB （復調）管として人気がありました。[ 44 ]

ビーム出力管

高周波用に設計されたビーム四極管。この管はソケットに差し込まれ、外周部に気密シールを形成します。筐体内の送風機とダクトによって管のフィンを通して空気が送り込まれ、熱が放出されます。このタイプの管は、その形状と大きさから「ドアノブ」管と呼ばれることもあります。

ビーム四極管（または「ビーム出力管」）は、陰極からの電子流を複数の部分的にコリメートされたビームに形成し、陽極とスクリーングリッドの間に低電位の空間電荷領域を作り出して、陽極電位がスクリーングリッドの電位よりも低い場合に陽極からの二次放出電子を陽極に戻す。 [ 45 ] [ 46 ]ビームの形成はスクリーングリッド電流も減少させる。一部の円筒対称型ビーム出力管では、陰極は制御グリッドの開口部と一列に並んだ放出材料の細いストリップで形成されており、制御グリッド電流を減少させる。[ 47 ]この設計は、高出力・高効率の出力管を設計する際の実際的な障壁のいくつかを克服するのに役立つ。

メーカーのデータシートでは、ビームパワーチューブの代わりにビームペントードまたはビームパワーペントードという用語が使用されることが多く、ビーム形成プレートを示すグラフィックシンボルの代わりにペントードのグラフィックシンボルが使用されることが多い。[ 48 ]

ビームパワー管は、同等のパワーペントード管に比べて、負荷線が長く、スクリーン電流が少なく、トランスコンダクタンスが高く、第3高調波歪みが低いなどの利点があります。[ 49 ] [ 50 ]ビームパワー管は三極管として接続することで音質を向上させることができますが、三極管モードでは出力が大幅に低下します。[ 51 ]

ガス充填チューブ

放電管や冷陰極管などのガス封入管は、常に海面気圧よりも低い気圧のガスで満たされていますが、硬質真空管ではありません。電圧調整管やサイラトロンなどのガス封入管は硬質真空管に似ており、真空管用に設計されたソケットに取り付けられます。動作中に特徴的なオレンジ、赤、または紫色の光を発するのは、ガスの存在を示しています。真空中を流れる電子は、その領域では光を発しません。これらの種類の管も電子機能を果たすため、「電子管」と呼ばれることがあります。高出力整流器は、水銀蒸気を使用することで、高真空管よりも低い順方向電圧降下を実現しています。

ミニチュアチューブ

小型真空管（右）と旧型のオクタル型を比較。ピンを除いた大きい方の真空管（5U4GB）は高さ93mm 、ベース直径35mm、小さい方の真空管（9ピン12AX7 ）は高さ45mm 、ベース直径20.4mmです。
サブミニチュアCV4501管（EF72のSQバージョン）、長さ35 mm ×直径10 mm（リード線を除く）

初期の真空管は、絶縁性のベークライト製のベース上に金属またはガラス製のエンベロープが取り付けられていました。1938年に、ピンをエンベロープのガラス製のベースに融合したオールガラス構造[ 52 ]の技術が開発されました。これにより、ミニチュア管と呼ばれる非常に小さな管 (通常、直径約 20 mm) の設計が可能になり、標準的な 7 ピンおよび 9 ピン (ノバル) ベースの真空管が作られました。ほぼ同じサイズの異なるベースの真空管も導入されました。真空管を小型化することで、安全に動作できる電圧が下がり、必要なフィラメント電力も削減されました。ミニチュア管は、ラジオ受信機や Hi-Fi アンプなどの民生用アプリケーションで主流になりました。ただし、高出力整流器、高出力オーディオ出力段、RF 電力送信管など、消費電力が大きい真空管では、引き続き大型のスタイルが求められました。

超小型チューブ

RCA 6DS4「ヌービスター」三極管、高さ約20 mm 、直径約11 mm

補聴器用増幅器など、電力をほとんど必要としない真空管は、大量の熱を放出する真空管よりもはるかに小型で済み、タバコの半分ほどの大きさの超小型真空管が使用されました。これらの真空管は低電力のため長寿命である傾向があり、簡単に交換できるようにソケットに差し込むピンはなく、はんだ付けされていました。高周波用には大型の真空管が使用され、周波​​数を制限する浮遊容量が生じましたが、この浮遊容量は真空管のサイズを小さくすることで低減できました。高周波用の小型真空管には、「エイコーン・チューブ」型（形状とサイズから名付けられた）や、1959年から登場した指ぬきほどの大きさの金属製ケース入りRCAヌービスター型などがあります。ヌービスターはトランジスタに対抗するために開発され、信号波長に比べて小型であるため、初期のトランジスタや大型真空管よりも高い周波数で動作できました。 Nuvistor は、新しい高周波対応トランジスタに置き換えられるまで、 航空機の無線トランシーバー、UHFテレビ チューナー、一部の HiFi FM ラジオ チューナー (Sansui 500A) で使用されていました。

構造と性能の改善

20 世紀後半に使用されていた真空管の市販の梱包材。個々の真空管用の箱（右下）、箱を並べたスリーブ（左）、小さな真空管を購入する際に店で入れる袋（右上）などがある。

最も初期の真空管は白熱電球に非常によく似ており、ガラス外囲器の製造に必要な設備と外囲器を排気するのに必要な真空ポンプを持っていたランプ製造業者によって製造されていました。de Forest はHeinrich Geisslerの水銀置換ポンプを使用し、部分的な真空を残しました。1915年の拡散ポンプの開発とIrving Langmuirによる改良により、高真空管が開発されました。第一次世界大戦後、より経済的な製造方法を使用する専門メーカーが設立され、放送受信機の需要の高まりに対応しました。むき出しのタングステン フィラメントは、約 2200 °C で動作していました。1920 年代半ばの酸化物コーティングされたフィラメントの開発により、フィラメントの動作温度が鈍い赤色 (約 700 °C) まで下がり、これにより管構造の熱変形が減少し、管要素の間隔を狭めることができました。これにより、三極管の利得はグリッドとカソードの間隔に反比例するため、管の利得が向上しました。裸のタングステンフィラメントは小型の送信管に今でも使用されていますが、脆く、郵便局などで乱暴に扱われると破損する傾向があります。これらの管は、衝撃や振動のない固定式の機器に最適です。

間接加熱式陰極

交流電源を用いて電子機器に電力を供給したいという要望は、真空管のフィラメントへの電力供給という点で困難に直面しました。なぜなら、フィラメントは各真空管の陰極でもあったからです。電源トランスから直接フィラメントに電力を供給すると、オーディオ段に商用周波数（50Hzまたは60Hz）のハムノイズが発生しました。「等電位陰極」の発明により、この問題は軽減されました。フィラメントへの電力供給は、接地されたセンタータップを持つ平衡型交流電源トランスの巻線によって行われるようになりました。

より優れた解決策として、各陰極を異なる電圧で「浮かせる」ことを可能にしたのが、間接加熱陰極でした。酸化物コーティングされたニッケルの円筒が電子放出陰極として機能し、内部のフィラメントとは電気的に絶縁されていました。間接加熱陰極により、陰極回路をヒーター回路から分離することが可能になりました。管の電極に電気的に接続されなくなったフィラメントは、単に「ヒーター」と呼ばれるようになり、ハムノイズを発生させることなく交流電源で駆動できるようになりました。[ 53 ] 1930年代には、交流電源を使用する機器で間接加熱陰極管が広く普及しました。直熱陰極管は、直熱陰極管のフィラメントに必要な電力が間接加熱陰極管のヒーターに必要な電力よりも大幅に少ないため、電池駆動の機器で広く使用され続けました。

高ゲインオーディオアプリケーション用に設計された真空管には、プログラム素材に不快なハム音を引き起こす可能性のある漂遊電界を打ち消すために、ねじれたヒーターワイヤが使用されている場合があります。

ヒーターは交流（AC）または直流（DC）で通電できます。DCは、低ノイズが求められる場合によく使用されます。

電子計算機での使用

1946 年のENIACコンピューターは 17,468 本の真空管を使用し、150 kWの電力を消費しました。

真空管をスイッチとして使用することで、初めて電子計算が可能になったが、真空管のコストと故障までの平均時間が比較的短いことが制約要因となった。 [ 54 ]「電球のように熱いフィラメントを含む真空管は、信頼性が低く、大規模な設備ではあまりにも多くの真空管が短期間で故障するため、大量に使用しても満足のいく結果にならないというのが通説だった」[ 55 ] 後にコロッサスを設計することになるトミー・フラワーズは、「真空管のスイッチを入れたままにしておけば、特にヒーターの電流を下げれば、非常に長期間にわたって確実に動作できることを発見した」[ 55 ] 1934年、フラワーズは3,000本以上の真空管を小さな独立したモジュールに組み込んだ実験設備を成功させた。真空管が故障した場合、1つのモジュールの電源をオフにして他のモジュールは稼働させ続けることで、別の真空管故障のリスクを減らすことができた。この設備は郵便局（電話交換機を運営）に受け入れられた。フラワーズはまた、真空管を（電気機械装置に比べて）非常に高速な電子スイッチとして使用した先駆者でもあった。後の研究で、真空管の信頼性の低さは一般に考えられていたほど深刻な問題ではなかったことが確認された。1946年のENIACには17,000個以上の真空管が使用され、平均して2日に1回は真空管が故障していた（故障箇所特定に15分を要した）。真空管の品質が要因であり、第二次世界大戦中の熟練工の転用により、真空管の全体的な品質が低下した。[ 56 ]戦時中、Colossus はドイツの暗号解読に役立った。戦後、軍用コンピューターのENIACとWhirlwind、Ferranti Mark 1（最初の市販電子コンピューターの1つ）、UNIVAC I（これも市販された）など、真空管ベースのコンピューターの開発が続けられた。

超小型真空管を用いた進歩としては、メリーランド州ベセスダのジェイコブス・インストゥルメント社が製造したJaincompシリーズの機器が挙げられる。同社のJaincomp-Bなどのモデルは、デスクトップサイズのユニットにわずか300本の超小型真空管を搭載し、当時の部屋サイズの機器の多くに匹敵する性能を発揮した。[ 57 ]

巨像

イギリスのブレッチリー・パークにある第二次世界大戦時代のColossusコンピューターの再現では、真空管が垂直に立っているのが見られる。

Colossus I とその後継機 Colossus II (Mk2) はトミー・フラワーズによって設計され、第二次世界大戦中にブレッチリー・パーク(BP)向けに郵政省によって製造され、ドイツの高水準ローレンツ暗号の解読作業を大幅にスピードアップすることを目的としていた。Colossus はリレーとスイッチのロジックをベースとした以前の機械 (ヒース・ロビンソン) に代わるものである。Colossus はそれまで数週間かかっていたメッセージを数時間で解読することができ、信頼性もはるかに高かった。[ 55 ] Colossus は、単一の機械でこれほど大規模に真空管を協調動作させた最初の機械であった。 [ 55 ]

トミー・フラワーズ（コロッサスを考案した人物）は、ほとんどの無線機器は「運搬され、放り投げられ、電源のオンオフが乱暴で、扱いも雑だった。しかし、私は戦前に電話機器に大量の真空管を導入したことがあり、それらを移動させたり、電源のオンオフを乱したりしなければ、永遠に使い続けられることを知っていた」と記している。コロッサスは「それほどまでに信頼性が高く、極めて信頼性が高かった」。BPでの初日、解答が既知の問題が出された。BP（ステーションX）が驚いたことに、4時間（各30分ずつ）の運用後、毎回同じ解答が得られた（ロビンソンは常に同じ解答を出すわけではなかった）。[ 58 ] [ 59 ]コロッサスIは約1600個の真空管を使用し、コロッサスIIは約2400個の真空管を使用した（一部の資料ではMk Iが1500個、Mk IIが2500個とされている。ロビンソンは約100個の真空管を使用したという説もあるが、それより少ないという資料もある）。[ 60 ]

旋風と「特級」チューブ

Whirlwindのコアメモリユニットの回路

1951年の米国デジタルコンピュータ「ワールウィンド」の信頼性要件を満たすため、長寿命の「特別品質」真空管、特に長寿命の陰極が製造されました。寿命が短いという問題は、主に、ヒーター線の引き伸ばしを容易にするためにタングステン合金に使用されているシリコンの蒸発に起因していました。シリコンは、ニッケルスリーブと陰極の酸化バリウムコーティングとの界面でオルトケイ酸バリウムを形成します。[ 7 ]：301。 この「陰極界面」は高抵抗層（ある程度の並列容量を持つ）であり、真空管が導通モードに切り替わった際に陰極電流を大幅に減少させます。[ 61 ]：224。 ヒーター線合金からシリコンを排除し（そして線引きダイをより頻繁に交換）、ワールウィンド計画に十分な信頼性を持つ真空管を製造できるようになりました。高純度ニッケル管と、放射率を低下させる可能性のあるケイ酸塩やアルミニウムなどの物質を含まない陰極コーティングも、陰極の長寿命化に貢献しています。

最初の「コンピュータ真空管」は、1948年にシルバニアが開発した7AK7五極管でした（これは、標準の6AG7よりも高品質とされていたものの、信頼性が低すぎることが判明した7AD7の後継機です）。[ 62 ]：59 コンピュータは、真空管をカットオフ（導通を停止させるのに十分な負のグリッド電圧）で長時間動作させた最初の真空管デバイスでした。ヒーターをオンにした状態でカットオフで動作させると、カソード被毒が促進され、導通モードに切り替えたときに真空管の出力電流が大幅に減少します。[ 61 ]：2247AK7 はカソード被毒の問題を改善しましたが、それだけでは必要な信頼性を達成するには不十分でした。[ 62 ]：60 さらに、長時間通電する必要がない場合はヒーター電圧をオフにすること、ヒーター素子への熱衝撃を避けるためにヒーター電圧をゆっくりとした傾斜でオン/オフすること、 [ 61 ]：226 、オフラインメンテナンス期間中にチューブのストレステストを実施して弱いユニットの早期故障を引き起こすことなど、対策が講じられました。[ 62 ]：60–61

もう一つの広く使われたコンピュータ真空管は5965双三極管である。MITのプロジェクトWhirwindに関する覚書によると、これはジェネラル・エレクトリック社がIBM向けに開発し、主にIBM 701計算機での使用を目的としており、汎用三極管として指定された。[ 63 ]ヨーロッパの命名規格を用いた真空管は、ヒーターの電圧と構造を示す文字を使用し、その後に口金の種類とシリーズ番号が続いた。例えば、ECC82は6.3V（E）双三極管（CC）でノバル口金（8x）を備えており、ECC83も同様であった。特殊な品質の真空管では、電圧を表す文字の直後に数字が付けられた。例えば、5965のヨーロッパ版にはE180CCというラベルが貼られていた。

Whirlwind向けに開発された真空管は、後に巨大なSAGE防空コンピュータシステムに採用されました。1950年代後半には、特殊な品質の小信号真空管は、保守的に運用すれば数十万時間も持続することが当たり前になりました。これにより信頼性が向上し、海底ケーブルの中間増幅器も可能になりました。

発熱と冷却

この送信三極管の陽極（プレート）は、最大500Wの熱。

真空管が動作すると、フィラメント（ヒーター）とプレートに衝突する電子流の両方から、かなりの量の熱が発生します。パワーアンプでは、この熱源はカソードの加熱よりも大きくなります。一部の真空管では、アノードが鈍い赤熱状態で動作できますが、他の真空管では、赤熱は深刻な過負荷を示します。

放熱要件は、高出力真空管の外観を大きく変える可能性があります。高出力オーディオアンプや整流器は、放熱のためにより大きな外囲器を必要としました。送信管はさらに大型化される可能性があります。

熱は、赤外線放射として陽極（プレート）からの黒体放射と、管の外被上の空気の対流によって装置から逃げます。 [ 64 ]： 10陽極は真空に囲まれているため、ほとんどの管内では対流は起こりません。

バッテリー駆動機器向けに設計された1.4ボルトフィラメント直熱管など、比較的発熱量の少ない管には、光沢のある金属陽極が用いられることが多い。1T4、1R5、1A7などがその例である。サイラトロンなどのガス封入管でも、管内に存在するガスによって陽極からガラス筐体への熱対流が生じるため、光沢のある金属陽極が使用されることがある。

陽極は、表面からの赤外線放射量を増やすために処理されることがよくあります。高出力増幅管は、対流、強制空冷、または循環水で冷却できる外部陽極を備えた設計となっています。水冷式の80kg、1.25MWの8974は、現在市販されている真空管の中でも最大級のものです。

水冷管では、陽極電圧が冷却水面に直接現れるため、冷却水を介してラジエーターシステムへの高電圧漏洩を防ぐため、水は電気絶縁体である必要があります。通常供給される水には電気を伝導するイオンが含まれているため、優れた絶縁体である脱イオン水を使用する必要があります。このようなシステムには、通常、水導電率モニターが内蔵されており、導電率が過度に高くなった場合に高圧電源を遮断します。

スクリーングリッドもかなりの熱を発生する可能性があります。パワーデバイスでは、プレートの放熱に加えて、スクリーングリッドの放熱にも制限が設けられています。これらの制限を超えると、真空管の故障につながる可能性があります。

チューブパッケージ

八角形のベースを持つ金属ケース入りのチューブ
三極管タイプGS-9B。2000MHzまでの無線周波数で使用するように設計されており、300ワットの陽極消費電力定格です。[ 65 ]フィン付きヒートシンクは陽極から空気流への熱伝導を提供します。

現代の真空管のほとんどはガラス製の外囲器を使用していますが、金属、溶融石英（シリカ）、セラミック製の外囲器も使用されています。6L6の最初のバージョンでは、ガラスビーズで密封された金属外囲器が使用されていましたが、後のバージョンでは金属に融合されたガラスディスクが使用されました。金属とセラミックは、消費電力が2kWを超える出力管にほぼ独占的に使用されています。ヌービスターは、非常に小型の金属とセラミック製の外囲器を使用した現代の受信管でした。

真空管の内部素子は、ソケットに差し込むベース部のピンを介して外部回路に接続されてきました。超小型真空管はソケットではなくリード線を使用して製造されましたが、これはかなり特殊な用途に限定されていました。初期の三極管の多くは、真空管ベース部の接続に加えて、真空管上部の金属キャップを使用してグリッドを接続していました。これにより、グリッドとプレートリード線間の浮遊容量が低減されました。真空管キャップは、特に送信管や非常に高いプレート電圧を使用する真空管において、プレート（陽極）接続にも使用されました。

送信管などの高出力真空管は、熱伝達を向上させるためにパッケージが設計されている。一部の真空管では、金属エンベロープが陽極を兼ねている。4CX1000Aはこの種の外部陽極真空管である。陽極に取り付けられたフィン列を通して空気が吹き込まれ、陽極が冷却される。この冷却方式を採用した出力真空管は、最大150kWの消費電力まで利用可能である。それ以上の電力では、水冷または水蒸気冷却が使用される。現在入手可能な最高出力真空管は、Eimac 4CM2500KGで、2.5メガワットの消費電力が可能な強制水冷式電力四極管である。 [ 66 ]比較すると、最大のパワートランジスタでも約1kWしか消費電力がない。

名前

英国で使用されている一般名「[熱]電子バルブ」は、最も初期のデバイスである熱電子ダイオードが加熱されたフィラメントから電子を放出することで可能になる一方向の電流の流れに由来しており、水道管の逆止弁との類似性から来ています。 [ 67 ]米国での名称「真空管」「電子管」「熱電子管」はすべて、単に真空（「真空」）にされ、ヒーターを備え、電子の流れを制御する管状の容器を表しています。

多くの場合、メーカーや軍は真空管に、その用途について何も示さない名称（例えば1614）を付けていました。初期の頃は、一部のメーカーが独自の名称を使用していましたが、それらは製品に関する情報しか伝えていませんでした。例えば、KT66とKT88は「キンクレス四極管」でした。後に、民生用真空管にも何らかの情報を伝える名称が付けられ、複数のメーカーが同じ名称を総称的に使用することがよくありました。米国では、ラジオ・エレクトロニクス・テレビジョン・メーカー協会（RETMA）の名称は、数字、1つまたは2つの文字、そして数字で構成されています。最初の数字は（四捨五入された）ヒーター電圧です。文字は特定の真空管を示しますが、その構造については何も示しません。最後の数字は電極の総数です（例えば、多数の電極を持つ真空管なのか、それとも1つの外囲器に2組の電極が入った双三極管なのかを区別しません）。例えば、12AX7は双三極管（3つの電極とヒーターが2組ずつ）で、12.6Vのヒーター（6.3Vでも動作するように接続可能）を備えています。「AX」はこの真空管の特性を表しています。類似しているものの、同一ではない真空管としては、12AD7、12AE7...12AT7、12AU7、12AV7、12AW7（希少）、12AY7、そして12AZ7があります。

ヨーロッパで広く使用されているシステムであるMullard–Philips 管球指定は、トランジスタにも拡張されており、文字の後に 1 つ以上の追加の文字と数字が続きます。タイプ指定子は、ヒーター電圧または電流 (1 文字)、管の全セクションの機能 (セクションごとに 1 文字)、ソケット タイプ (最初の数字)、および特定の管 (残りの数字) を指定します。たとえば、ECC83 (12AX7 に相当) は、ミニチュア ベース (8) を備えた 6.3V (E) の双三極管 (CC) です。このシステムでは、特別品質の管 (長寿命コンピュータ用など) は、最初の文字の直後の数字を移動して示します。E83CC は ECC83 の特別品質相当品であり、E55L は消費者向け相当品のないパワー五極管です。

特殊用途チューブ

電圧調整管が作動中。管内の低圧ガスが電流の流れによって発光します。

特殊用途の真空管の中には、外囲器内に特定のガスを封入して作られるものがあります。例えば、電圧調整管には、アルゴン、ヘリウム、ネオンなどの様々な不活性ガスが封入されており、これらは所定の電圧で電離します。サイラトロンは、低圧ガスまたは水銀蒸気を封入した特殊用途の真空管です。真空管と同様に、熱陰極と陽極に加え、三極管のグリッドのような働きをする制御電極も備えています。制御電極が導通を開始すると、ガスが電離し、その後は制御電極は電流を止められなくなり、真空管は導通状態に「ラッチ」されます。陽極（プレート）電圧を取り外すと、ガスは脱電離し、非導通状態に戻ります。

一部のサイラトロンは、その物理的サイズに対して大電流を流すことができます。一例として、小型タイプ 2D21 があり、1950 年代のジュークボックスでリレーの制御スイッチとしてよく見られました。[ 68 ]サイラトロンの冷陰極版は、陰極に水銀プールを使用し、イグニトロンと呼ばれます。数千アンペアの電流をスイッチングできるものもあります。水素を含むサイラトロンは、ターンオン パルスと完全導通の間に非常に一貫した時間遅延があります。これらは、サイラトロンと機能的に似ているためサイリスタとも呼ばれる、現代のシリコン制御整流器と非常によく似た動作をします。水素サイラトロンは、レーダー送信機に長年使用されてきました。

特殊な真空管の一つにクライトロンがあり、これは急速な高電圧スイッチングに使用されます。クライトロンは核兵器の起爆に用いられる爆発を始動させるために使用されます。クライトロンは国際的にある程度規制されていますが、冶金学や高性能コピー機のフラッシュランプの点火など、商業用途にも使用されているため、入手はそれほど難しくありません。

X線管は、医療用画像診断をはじめとする様々な用途に使用されています。透視検査やCT撮影装置において連続運転で使用されるX線管は、集束陰極と回転陽極を用いて、発生する大量の熱を放散します。これらのX線管は、冷却のためオイルを充填したアルミニウム製のハウジングに収納されています。

光電子増倍管は、熱電子放出ではなく光電効果と二次電子放出を利用して電気信号を生成・増幅する、極めて高感度の光検出器です。核医学イメージング装置や液体シンチレーションカウンターでは、光電子増倍管アレイを用いて電離放射線による低強度シンチレーションを検出します。

イグナトロン管は1970年代初頭、抵抗溶接装置に使用されていました。イグナトロン管は陰極、陽極、そして点火装置を備えていました。管底部には水銀が充填されており、この管は超高電流スイッチとして用いられました。管の陽極と陰極の間には大電流が流されましたが、水銀に接触した点火装置に水銀を蒸発させて回路を完結させるのに十分な電流が流れた場合にのみ導通が認められました。この管は抵抗溶接に使用されていたため、交流回路の二相にそれぞれ2つのイグナトロン管が使用されていました。管底部に水銀が充填されていたため、輸送が非常に困難でした。これらの管は最終的にSCR（シリコン制御整流器）に置き換えられました。

放射性物質の使用

ラジウム226またはトリチウムを含むゼルウィガーグローチューブ。放射性物質の存在を警告するインジケーターはありません。

一部の真空管は、性能向上のために放射性物質を利用しています。これらの放射性物質は、管内の封入ガスをイオン化するために使用されます。このイオン化プロセスは、高電圧を印加した際に安定した電流を供給することで、信頼性と一貫性のある動作を確保し、管の性能と安定性を向上させます。放射源は、高電圧を印加した際に瞬時に電流を供給することで、管の動作を高速化し、管の出力が安定し、ランダムな変動を受けないようにします。[ 69 ]

これらの装置で使用されているさまざまな放射線源には以下のものがあります。

例としては、ラジウム 226 を含む Western Electric 346B チューブや、ラジウム 226 またはトリチウムのいずれかを含む Zellweger ZE22/3グローチューブなどがあります。

チューブに電力を供給する

電池

初期のラジオ受信機では、真空管に必要な電圧は電池によって供給されていました。一般的に3つの異なる電圧が必要で、A、B、C電池と呼ばれる3種類の電池が使用されていました。「 A 」電池またはLT （低圧）電池はフィラメント電圧を供給しました。真空管ヒーターは、単セル、二セル、または三セルの鉛蓄電池用に設計され、公称ヒーター電圧は2V、4V、または6Vでした。携帯ラジオでは、1.5Vまたは1Vのヒーターに乾電池が使用されることもありました。フィラメントの消費量を減らすことで、電池の寿命は延びました。真空管時代の終焉に近づいた1955年までに、ヒーターに50mAから10mAまで消費する真空管が開発されました。[ 70 ]

陽極（プレート）に印加さ​​れる高電圧は、「B」電池またはHT（高電圧）電源またはバッテリーによって供給されました。これらは一般的に乾電池式で、22.5V、45V、67.5V、90V、120V、または135Vの電圧が一般的でした。B電池の使用が段階的に廃止され、真空管のプレートに必要な高電圧を生成するために整流された商用電源が使用されるようになった後も、米国では高電圧源を指す際に「B+」という用語が使用され続けました。英語圏の他のほとんどの国では、この電源は単にHT（高電圧）と呼ばれています。

真空管回路に電力を供給する 3 つの電池アレイ ( 「C」電池を強調表示)

初期のラジオ受信機では、負電圧を供給するためにグリッドバイアス電池、または「C」電池が接続されていました。真空管のグリッド接続には電流が流れないため、これらの電池は電流を消費せず、最も長持ちしましたが、通常は電池自体の寿命によって制限されていました。ラジオの電源を切った場合でも、グリッドバイアス電池からの電源供給が切断されることはほとんどありませんでした。交流電源が普及した後も、交換する必要がほとんどないため、一部のラジオ受信機ではC電池が使用され続けました。しかし、より現代的な回路設計では、カソードバイアスを採用し、第3電源電圧の必要性を排除しました。これは、真空管によるカソードの間接加熱と、初期の中間変圧器に代わる抵抗/コンデンサ結合の開発によって実現可能になりました。

バイアス用の「C バッテリー」は、「 C セル」バッテリーのサイズとは関係のない名称です。

AC電源

初期のラジオ受信機ユーザーにとって、電池交換は大きな運用コストでした。バッテリーエリミネーターの開発、そして1925年には家庭用電源で動作する電池不要の受信機が登場し、運用コストが削減され、ラジオの普及に貢献しました。複数の巻線を持つ変圧器、1つまたは複数の整流器（整流器自体も真空管である場合があります）、そして大容量のフィルタコンデンサを用いた電源によって、交流電源から 必要な直流電圧が供給されました。

特に大量生産される民生用受信機では、コスト削減策として、すべての真空管ヒーターを、同じ電流を必要とし、同様のウォームアップ時間を持つヒーターを使用して、AC電源にわたって直列に接続することができました。そのような設計の1つでは、真空管ヒーター列のタップからダイヤルライトに必要な6ボルトを供給しました。AC主電源に直接接続された半波整流器から高電圧を得ることで、重くて高価な電源トランスが不要になりました。これにより、このような受信機は直流で動作することもでき、いわゆるAC/DC受信機設計になりました。当時の米国のさまざまな民生用AMラジオメーカーが、実質的に同一の回路を使用しており、オールアメリカンファイブというニックネームが付けられていました。

主電源電圧が100～120Vの範囲にある場合、この限られた電圧は低出力の受信機にしか適さないことが判明しました。テレビ受信機には変圧器が必要であったり、電圧倍増回路を使用したりする必要がありました。主電源電圧が公称230Vの場合、テレビ受信機も電源変圧器を不要にできました。

トランスレス電源装置は、ユーザーへの感電の危険性を抑えるため、電気的に絶縁されたキャビネットや、電源コードをキャビネット背面に固定するインターロックなどの安全対策を設計に講じる必要がありました。そのため、ユーザーまたはサービス担当者がキャビネットを開ける場合は、必ず電源コードが切断されていました。チーターコードとは、安全インターロックが使用する専用ソケットに差し込む電源コードのことです。これにより、サービス担当者は危険な電圧が露出した状態で機器に電力を供給することができました。

ウォームアップの遅延を回避するため、「インスタントオン」テレビ受信機は、電源がオフの状態でも真空管に微量の加熱電流を流していました。電源を入れると、最大電流が供給され、ほぼ瞬時に再生が可能になりました。

信頼性

1930年に製造された真空管テスター

酸化物陰極を備えた管の信頼性に関する問題の一つは、陰極が管内の他の要素からのガス分子によって徐々に「被毒」され、電子放出能力が低下する可能性があることです。また、閉じ込められたガスやゆっくりとしたガス漏れによって陰極が損傷したり、自由ガス分子のイオン化によってプレート（陽極）電流が暴走したりすることもあります。真空の硬度と適切な構成材料の選択は、管の寿命に大きく影響します。材料、温度、構成によっては、陰極の表面材料が他の要素に拡散することもあります。陰極を加熱する抵抗ヒーターは白熱電球のフィラメントと同様に破損する可能性がありますが、ランプよりもはるかに低い温度で動作するため、実際に破損することは稀です。

ヒーターの故障モードは、典型的には、タングステン線の応力に関連した破損または溶接点の破損であり、一般に多くの熱（電源のオン/オフ）サイクルを経た後に発生します。タングステン線は、室温では非常に低い抵抗値を示します。サーミスタなどの負の温度係数デバイスを機器のヒーター電源に組み込んだり、ランプアップ回路を使用して、ヒーターまたはフィラメントがステップ関数で電源を入れた場合よりも徐々に動作温度に到達できるようにすることができます。低価格のラジオには、ヒーターが直列に接続された真空管が使用されており、その合計電圧はライン（主電源）の電圧に等しかったです。第二次世界大戦前に製造された受信機の中には、合計電圧が主電源よりも低い直列ストリングヒーターを備えたものもありました。真空管への電圧を降下させるために、電源コードの長さいっぱいに抵抗線が通っているものもありました。その他には、通常の真空管のように作られた直列抵抗器を備えたものがあり、それらはバラスト管と呼ばれていました。

第二次世界大戦後、直列ヒーター列に使用される真空管は、全て同じ（「制御された」）ウォームアップ時間を持つように再設計されました。初期の設計では、熱時定数は全く異なっていました。例えば、オーディオ出力段はカソードが大きく、低出力の真空管よりもウォームアップが遅くなりました。その結果、ウォームアップが速いヒーターは、正の温度係数を持つため、一時的に抵抗が高くなります。この不均衡な抵抗により、ヒーターは一時的に定格電圧をはるかに超える電圧で動作し、寿命を縮めました。

もう一つの重要な信頼性の問題は、管への空気の漏れによって引き起こされます。通常、空気中の酸素は高温のフィラメントまたは陰極と化学反応を起こし、急速に劣化させます。設計者は信頼性の高い密閉構造の管を開発しました。そのため、ほとんどの管はガラスで作られました。クニフェやフェルニコなどの金属合金とガラスは、温度変化に応じてほぼ同量の膨張と収縮をする電球用に開発されていました。これらにより、ガラスで絶縁体を形成し、接続線をガラスを通して電極まで通すことが容易になりました。

真空管が過負荷状態、または設計消費電力を超えて動作した場合、陽極（プレート）が赤く光ることがあります。民生用機器では、プレートの赤熱は一般的に真空管の過負荷の兆候です。しかし、一部の大型送信管は、陽極が赤、オレンジ、あるいは稀に白熱した状態で動作するように設計されています。

記録上最も長いバルブ寿命は、リスナガーベイにあるBBCの北アイルランド主要送信所で使用されていたマツダ製AC/P五極管バルブ（シリアル番号4418）である。このバルブは1935年から1961年まで使用され、232,592時間の寿命が記録されている。BBCは定期的にバルブを中央バルブ保管庫に返却し、バルブの寿命を綿密に記録していた。[ 71 ] [ 72 ]

特質

「特級」真空管は特定の用途向けに製造され、長寿命カソード、低ノイズ構造、高耐久性フィラメントによる機械的強度、低マイクロフォニーなど、いくつかの点で性能向上を図って設計されています。また、真空管が長時間オフ状態となる用途にも適しています。特級真空管の中には、標準真空管の特殊バージョンもあれば、目的に合わせて設計されたものもあります。「特級」とは「あらゆる点で優れている」という意味ではなく、特定の特性が最適化されていることを意味します。特級部品の具体的な特徴を知る唯一の方法は、データシートを読むことです。特に、コンピューター用途向けに製造された真空管は、ほとんどの時間オフ状態にバイアスして使用することで長寿命を実現するように設計されていますが、オーディオ用途では非常に望ましくない、大きなハム、マイクロフォニー、ノイズは問題になりません。[ 73 ] 同等の標準管がある場合はその名前が付けられる場合（12AU7==>12AU7A、ECC82==>E82CCなど）、または任意の名前が付けられる場合がある（同じ管の標準品質および特級品には、12AU7、ECC82、B329、CV491、E2163、E82CC、E812CC、M8136、CV4003、6067、VX7058、5814A、12AU7Aがある）。[ 74 ]欧州のミュラード・フィリップス管の指定では、特級品は数字部分が最初の文字の直後に移動し、E82CCはコンピュータアプリケーション向けに最適化されたECC82である。

真空

開いたチューブ内のゲッター；ゲッターからの銀色の堆積物
蛍光表示管の故障（エアーが入り、ゲッタースポットが白くなっている）

真空管は、管内での陽イオン生成の影響を避けるために、極めて高い真空（ X線用語では硬質真空[ 75 ] ）を必要とする。残留ガス原子は電子と衝突するとイオン化し、陰極に悪影響を与え、放出を減少させる可能性がある。 [ 76 ] 残留ガスの量が多いと、管の電極間で目に見えるグロー放電が発生し、電極が過熱してガスが増え、過電流により管や他の部品が損傷する可能性がある。[ 77 ] [ 78 ] [ 79 ]これらの影響を回避するには、管内の残留圧力が十分に低く、電子の平均自由行程が管のサイズよりもはるかに長くなければならない（したがって、電子が残留原子に衝突する可能性は低く、イオン化した原子はほとんど存在しない）。市販の真空管は製造時に約0.000001 mmHg（1.0 × 10 −6  Torr; 130 μPa; 1.3 × 10 −6  mbar; 1.3 × 10 −9  atm）まで真空にされている。[ 80 ] [ 81 ]

ガスによる管の真空度の悪化を防ぐため、現代の管にはゲッターが組み込まれている。ゲッターは通常、酸化しやすい金属で、最も一般的なのはバリウムである。 [ 81 ] [ 82 ]ガラス管の場合、管の外被が真空にされている間に、ゲッター以外の内部部品が高周波誘導加熱によって加熱され、金属部品に残っているガスを放出する。次に管を密閉し、フラッシュゲッターの場合はゲッタートラフまたはパンを再び高周波誘導加熱によって高温に加熱し、ゲッター材料を気化させて残留ガスと反応させる。この蒸気はガラス外被の内側に堆積し、銀色の金属パッチが残る。このパッチは、動作寿命中に管内に漏れ出す可能性のある少量のガスを吸収し続ける。この材料がどの作動電極にも堆積しないように、バルブの設計には細心の注意が払われている。管の外被に重大な漏れが生じると、この堆積物は大気中の酸素と反応して白く変わる。大型の透過型管や特殊管では、ジルコニウムなどの特殊なゲッター材料が使用されることが多い。初期のゲッター付き管ではリンベースのゲッターが使用されており、リンがガラス面に特徴的なオレンジ色または虹色の堆積物を残すため、これらの管は容易に識別できる。リンの使用は短期間で終わり、すぐにより優れたバリウムゲッターに取って代わられた。バリウムゲッターとは異なり、リンは一度燃焼するとそれ以上ガスを吸収しない。

ゲッターは残留ガスや侵入ガスと化学的に結合して作用しますが、（反応しない）不活性ガスを打ち消すことはできません。ブラウン管やアイコノスコープ、オルシコン、イメージオルシコンなどの撮像管など、大きな外囲器を持つバルブによく見られる既知の問題は、ヘリウムの侵入です。この影響により、機能が低下したり、機能しなくなったり、管内の電子流に沿って拡散した光が見えることがあります。この影響は（再真空引きと再密封をしない限り）修正できず、そのため、このような管の実用例はますます少なくなっています。未使用（「新古品」）の管にも不活性ガスの侵入が見られる場合があり、これらの種類の管が将来にわたって残存するという長期的な保証はありません。

送信管

大型の送信管には、微量のトリウム（1～2%）を含んだ炭化したタングステンフィラメントが使用されています。炭化タングステン線の外側には、極めて薄い（分子状の）トリウム原子層が形成され、加熱されると効率的な電子源として機能します。トリウムは線の表面からゆっくりと蒸発し、新しいトリウム原子が表面に拡散して蒸発したトリウム原子と置き換わります。このようなトリウム化タングステン陰極の寿命は通常、数万時間です。トリウム化タングステンフィラメントの寿命は、炭化層が別の形態のタングステンカーバイドにほぼ戻り、放出が急速に低下し始めたときです。このタイプの放出源を備えた管では、トリウムが完全に失われることが寿命の要因になったことは一度もありません。 アラバマ州ハンツビルのWAAY-TVは、送信機の映像回路にEimac外部空洞クライストロンを使用し、163,000時間（18.6年）の稼働を達成した。これは、このタイプの真空管としては記録に残る最長の稼働時間である。 [ 83 ] 真空管を使用した送信機は、トランジスタ送信機よりも落雷に強いと言われている。真空管は、約20キロワットを超えるRF電力レベルではソリッドステート回路よりも効率的であると一般に信じられていたが、これはもはや当てはまらず、特に中波（AM放送）サービスでは、ほぼすべての電力レベルでソリッドステート送信機の効率が明らかに高い。約15kWまでのソリッドステート電力増幅器を備えたFM放送送信機も、真空管ベースの電力増幅器よりも全体的な電力効率が優れている。

受容器

小型の「受電」管内の陰極は、酸化バリウムと酸化ストロンチウムの混合物でコーティングされており、場合によっては酸化カルシウムや酸化アルミニウムが添加されます。陰極スリーブには電気ヒーターが挿入されており、酸化アルミニウムのコーティングによって電気的に絶縁されています。この複雑な構造により、バリウムとストロンチウムの原子が陰極表面に拡散し、約780℃（1400°F）に加熱されると電子を放出します。

故障モード

壊滅的な失敗

壊滅的な故障とは、真空管が突然使用不能になる故障です。ガラス管にひび割れが生じると、そこから空気が入り込み、真空管が破損します。ひび割れは、ガラスへの応力、ピンの曲がり、または衝撃によって発生することがあります。真空管ソケットは、ピン部分のガラスの応力を防ぐために、熱膨張を考慮する必要があります。金属シールドなどの物体が真空管を圧迫し、ガラスの温度差が生じると、応力が蓄積される可能性があります。また、高電圧アーク放電によってガラスが損傷することもあります。

管ヒーターは、特に過電圧にさらされた場合や製造上の欠陥が原因で、予告なく故障することもあります。管ヒーターは、はるかに低い温度で動作するため、通常、ランプのフィラメントのように蒸発によって故障することはありません。ヒーターに初めて通電されたときの突入電流の急増はヒーターにストレスを与えますが、回路にNTCサーミスタを組み込んで電流を徐々に増加させ、ヒーターをゆっくりと温めることで、このストレスを回避できます。電源を介してヒーターを直列接続して動作させるように設計された管には、一部のヒーターが暖まる際に他のヒーターに過電圧がかかるのを防ぐため、指定された制御されたウォームアップ時間があります。電池駆動の管や一部の整流器で使用される直熱フィラメント型カソードは、フィラメントがたわんで内部アーク放電が発生すると故障することがあります。間接加熱型カソードでは、ヒーターとカソード間の過大な電圧により、エレメント間の絶縁が破壊され、ヒーターが破損する可能性があります。

管の要素間でアークが発生すると、管が破損する可能性があります。アークは、陰極が動作温度に達する前に陽極（プレート）に電圧を印加した場合、または整流器に過大な電流が流れた場合に発生し、発光コーティングが損傷します。また、管内の緩んだ材料や過剰な遮蔽電圧によってもアークが発生することがあります。管内でアークが発生すると、管の材料からガスが発生し、内部の絶縁スペーサーに導電性物質が堆積する可能性があります。[ 84 ]

真空管整流器の電流容量には制限があり、定格を超えると最終的に真空管が破損します。

退行性障害

退化性障害は、時間の経過とともにパフォーマンスがゆっくりと低下することによって発生します。

制御グリッドやマイカ スペーサー絶縁体などの内部部品が過熱すると、閉じ込められたガスが管内に漏れ出し、性能が低下することがあります。ゲッターは管の動作中に発生したガスを吸収するために使用されますが、ガスと結合する能力は限られています。外囲器の温度を制御することで、一部の種類のガス発生を防止できます。内部ガスのレベルが異常に高い管は、プレート電圧を印加したときに目に見える青い輝きを示すことがあります。ゲッター (非常に反応性の高い金属) は多くの大気中のガスに対して有効ですが、ヘリウムなどの不活性ガスに対しては化学反応性がないか、非常に限られています。特にカメラの管やブラウン管で使用されるような物理的に大きい外囲器で発生する進行性の故障の 1 つは、ヘリウムの浸潤です。正確なメカニズムは明らかではありませんが、金属とガラスの導入シールが浸潤場所の 1 つである可能性があります。

真空管内のガスやイオンはグリッド電流を発生させ、真空管回路の動作を妨げる可能性があります。過熱によるもう一つの影響として、内部スペーサーに金属蒸気がゆっくりと堆積し、素子間のリークが発生します。

ヒーター電圧を印加した状態で長時間スタンバイ状態にある真空管は、カソード界面抵抗が高くなり、発光特性が悪化することがあります。この現象は、特にパルス回路やデジタル回路において顕著で、これらの回路では真空管にプレート電流が長時間流れない状態となります。そのため、この動作モード向けに特別に設計された真空管が製造されました。

カソード消耗とは、通常の使用で数千時間経過した後に発生する放射の喪失です。ヒーター電圧を一時的に、あるいは数パーセント増加させることで、放射が一時的に回復することがあります。カソード消耗は信号管では稀でしたが、モノクロテレビのブラウン管では頻繁に故障の原因となっていました。[ 85 ]この高価な部品の寿命は、ヒーター電圧を高めるための昇圧トランスを取り付けることで延長されることもありました。

その他の失敗

真空管は動作中に欠陥を生じ、特定の機器では使用できない場合もありますが、別の用途では問題なく動作する場合もあります。マイクロフォニックとは、真空管素子の内部振動が真空管の信号を望ましくない形で変調させることを指します。音や振動の拾い上げが信号に影響を与えたり、マイクロフォニック真空管と例えばスピーカーとの間にフィードバックパス（利得が1より大きいもの）が発生すると、制御不能なハウリングを引き起こすこともあります。ACヒーターとカソード間の漏れ電流が回路に混入したり、ヒーターの両端から直接放出された電子が信号にハムノイズを混入したりすることもあります。内部汚染による漏れ電流もノイズを混入させる可能性があります。 [ 86 ]これらの影響の中には、真空管を小信号オーディオ用途には不向きとするものもあるものの、他の用途では問題ないものもあります。重要な用途には、名目上同一の真空管の中から最良のものを選ぶことで、より良い結果が得られます。

チューブピンは、熱や汚れの影響で非導電性または高抵抗の表面に膜を形成することがあります。ピンを洗浄することで導電性を回復できます。

テスト

ユニバーサル真空管テスター

真空管は、真空管テスターを使用して回路の外側からテストできます。

その他の真空管デバイス

小信号真空管デバイスのほとんどは半導体に取って代わられましたが、一部の真空管電子機器は依然として広く使用されています。マグネトロンは、あらゆる電子レンジに使用されている真空管の一種です。パワー半導体技術が最先端に進歩しているにもかかわらず、高周波RF電力生成において真空管は依然として信頼性とコスト面で優位性を持っています。

マグネトロン、進行波管、カルシノトロン、クライストロンなどの真空管は、磁気効果と静電効果を組み合わせたものです。これらは高効率（通常は狭帯域）の高周波発生器であり、レーダー、電子レンジ、産業用加熱装置などに現在も使用されています。進行波管（TWT）は非常に優れた増幅器であり、一部の通信衛星にも使用されています。高出力クライストロン増幅管は、UHF帯で数百キロワットの出力を供給できます。

ブラウン管

ブラウン管（ CRT）は、特に表示用途に使用される真空管です。かつてはブラウン管を使用したテレビやコンピューターモニターが数多くありましたが、価格の低下と品質の向上に伴い、そのほとんどはフラットパネルディスプレイに置き換えられました。これはデジタルオシロスコープ（内蔵コンピューターとアナログ-デジタルコンバーターを使用）にも当てはまりますが、従来のアナログスコープ（CRTを使用）は現在も生産されており、経済的で、多くの技術者に好まれています。[ 87 ]かつては多くのラジオで「マジックアイ管」が使用されていました。これは、テープレコーダーの信号強度や入力レベルを表示するために、メーターの針の代わりに使用される特殊なCRTです。現代の表示装置である真空蛍光表示管（VFD）もブラウン管の一種です。[ 88 ] [ 89 ] [ 90 ]

X線管は陰極線管の一種で、高電圧の電子が陽極に当たるとX線を発生する。[ 91 ] [ 92 ]

高出力ミリ波発生に用いられるジャイロトロンまたは真空メーザーは、高電圧による小さな相対論的効果を利用して電子を集束させる磁気真空管である。ジャイロトロンは非常に高い出力（数百キロワット）を発生することができる。 [ 93 ] [ 94 ]自由電子レーザーは、高出力コヒーレント光やX線の発生に用いられ、高エネルギー粒子加速器によって駆動される高度に相対論的な真空管である。したがって、これらは陰極線管の一種である。[ 95 ] [ 96 ]

電子増倍管

光電子増倍管は、電子増倍を利用して感度を大幅に向上させた光電管です。これは二次放出の原理を利用しており、光電陰極から放出された単一の電子がダイノードと呼ばれる特殊な陽極に衝突し、そのダイノードからさらに多くの電子が放出されます。これらの電子はより高い電圧で別のダイノードに向かって加速され、さらに多くの二次電子を放出します。このような段階が 15 段階に分かれており、非常に大きな増幅が得られます。固体光検出器 (例:単一光子アバランシェ ダイオード) は大きく進歩しましたが、単一光子検出機能を持つ光電子増倍管は、特定の用途において非常に優れています。このような管は、ガイガー ミュラー管(それ自体は実際の真空管ではありません)の代わりに電離放射線の検出にも使用できます。歴史的には、現代の CCD アレイが開発される以前にテレビスタジオで広く使用されていた イメージ オルシコンのテレビ カメラ管も、多段電子増倍を使用していました。

数十年にわたり、電子管設計者は増幅管に電子増倍管を追加して利得を高めようと試みてきましたが、ダイノードに使用されている材料が管の熱陰極を「汚染」するため、寿命が短いという問題がありました。（例えば、興味深いRCA 1630二次放出管は市販されましたが、長くは続きませんでした。）しかし、最終的にオランダのフィリップス社がEFP60管を開発し、これは十分な寿命を持ち、少なくとも1つの製品、つまり実験用パルス発生器に使用されました。しかし、その頃にはトランジスタが急速に進歩していたため、このような開発は不要になっていました。

「チャネル電子増倍管」と呼ばれる変種は、個々のダイノードを使用せず、螺旋状の湾曲したチューブで構成され、その内側は二次電子放出特性に優れた材料でコーティングされています。あるタイプは、二次電子を捕捉するための漏斗状の構造を備えています。連続ダイノードは抵抗性で、その両端には電子の連続カスケードを生成するのに十分な電圧が供給されています。マイクロチャネルプレートは、イメージプレーン上に単段の電子増倍管を配列したもので、複数を積み重ねることができます。例えば、これはイメージインテンシファイアとして利用でき、個別のチャネルが集束作用を担います。

テクトロニクスは、蛍光体層の背後にチャンネル電子増倍管を備えた高性能広帯域オシロスコープ用CRTを製造しました。このプレートは、多数の短いCEM管を束ねたアレイで、低電流ビームを受光し、それを増幅して実用的な輝度のディスプレイを提供しました。（広帯域電子銃の電子光学系は、蛍光体を直接励起するのに十分な電流を供給できませんでした。）

21世紀の真空管

産業、商業、軍事のニッチな用途

真空管は、増幅、スイッチング、整流といった用途のほとんどにおいて、固体素子に大きく置き換えられていますが、例外もあります。前述の特殊な機能に加え、真空管には依然としてニッチな用途がいくつかあります。

一般的に、真空管は、対応する固体部品に比べて、主電源の電圧サージや雷、核爆発の電磁パルス効果、[ 97 ]、または巨大な太陽フレアによって発生する磁気嵐などの過渡的過電圧の影響を受けにくい。[ 98 ]この特性により、より実用的で安価な固体技術が同じ用途で利用可能になった後も、真空管はミグ25航空機などの特定の軍事用途で使用され続けた。 [ 97 ]

真空管は、産業用高周波加熱、粒子加速器、放送送信機などの用途において、高周波で高出力を生成する固体素子の実用的な代替手段です。これは特にマイクロ波周波数において顕著であり、クライストロンや進行波管などの素子は、現在の半導体素子では達成できないレベルの増幅を実現します。家庭用電子レンジは、マグネトロン管を用いて数百ワットのマイクロ波電力を効率的に生成します。窒化ガリウムなどの固体素子は有望な代替手段ですが、非常に高価であり、開発の初期段階にあります。

軍事用途では、高出力真空管は10～100メガワットの信号を生成し、保護されていない受信機のフロントエンドを焼き尽くす可能性があります。このような装置は非核電磁兵器とみなされており、1990年代後半に米国とロシアの両国で導入されました。

音楽では

70ワット真空管ハイブリッドオーディオアンプ

真空管アンプは、その温かみのある音、オーバードライブ時のパフォーマンス、そして以前の真空管ベースの録音を再現する能力が高く評価される3つのニッチ市場、すなわちオーディオファイル機器、楽器用アンプ、レコーディングスタジオで使用される機器で商業的に存続しています。[ 99 ]

多くのギタリストは、ソリッドステートモデルよりも真空管アンプを好みます。これは、オーバードライブ時に歪みやすいことが主な理由です。 [ 100 ]アンプは一定の音量までしか信号を正確に増幅できません。この限界を超えると、アンプは信号を歪ませ始めます。回路によって信号の歪み方は異なり、真空管の歪み特性を好むギタリストもいます。人気の高いビンテージモデルのほとんどは真空管を使用しています。

英国のブラックバーン・マイクロテック・ソリューションズ社は、オーディオ愛好家市場向けに、標準的な真空管の根本的に異なるバージョンを開発しました。放射状の電子流を持つ管状構造ではなく、平面構造を採用したのです。最初の製品は、ECC83と互換性のある双三極管E813CCでした。しかし、同社はE813CCの発売から数か月後の2009年に倒産しました。[ 101 ]

ディスプレイ

ブラウン管

21世紀初頭、テレビやコンピューターモニターの主流はブラウン管でした。しかし、液晶フラットパネル技術の急速な進歩と価格低下により、これらの機器におけるブラウン管はすぐに取って代わられました。[ 102 ] 2010年までに、ブラウン管の生産はほとんど終了しました。[ 103 ]

電界電子放出素子を用いた真空管

21世紀初頭、真空管への関心が再び高まり、今回は集積回路技術と同様に、平坦なシリコン基板上に電子放出源が形成された真空管が注目されました。この分野は現在、真空ナノエレクトロニクスと呼ばれています。[ 104 ]最も一般的な設計は、大面積の電界電子源（例えば、電界放出アレイ）の形態の冷陰極を使用するものです。これらのデバイスでは、電子は多数の近接した個々の放出点から電界放出されます。

このような集積マイクロチューブは、携帯電話などのマイクロ波デバイス、 BluetoothやWi-Fi通信、レーダーや衛星通信などに応用できる可能性があります。2012年時点では、電界放出ディスプレイ技術への応用の可能性について研究されていましたが、製造上の大きな問題がありました。

2014年時点では、NASAエイムズ研究センターはCMOS技術を用いて製造された真空チャネルトランジスタの研究を行っていると報告されている。[ 105 ]

特徴

典型的な三極管プレートの特性

空間電荷

陰極が加熱され、約1,050 K（780 °C、1,430 °F）の動作温度に達すると、自由電子がその表面から押し出されます。これらの自由電子は、陰極と陽極の間の空間に雲を形成し、空間電荷として知られています。この空間電荷雲は、陰極から陽極への電流を生み出す電子を供給します。回路の動作中に電子が陽極に引き寄せられると、新しい電子が陰極から蒸発して空間電荷を補充します。[ 106 ]空間電荷は電界の一例です。

特性曲線

1 つ以上の制御グリッドを持つすべての真空管は、制御グリッドに適用されるAC (交流) 入力電圧によって制御され、その結果得られる増幅信号が電流として陽極に現れます。陽極には高電圧がかかっているため、比較的小さな陽極電流でも、元の信号電圧の値よりもエネルギーが大幅に増加します。加熱された陰極から追い出された空間電荷電子は、正極陽極に強く引き寄せられます。真空管内の制御グリッドは、小さな AC 信号電流とグリッドのわずかに負の値を組み合わせることで、この電流の流れを調整します。信号正弦波 (AC) がグリッドに適用されると、信号はこの負の値に乗って、AC 信号波が変化するとグリッドを正と負の両方に駆動します。

この関係は、プレート特性曲線のセット（上記の例を参照）で示され、プレート（アノード）上の任意の電圧（V a ）に対して、グリッドに印加される小さな入力電圧（V g ）によってアノードからの出力電流（I a ）がどのように影響を受けるかを視覚的に表示します。

真空管はそれぞれ独自の特性曲線を持っています。これらの曲線は、入力信号の変化に応じて、グリッド・カソード間電圧（ V gk ）のごくわずかな変化によって駆動される瞬間プレート電流と、その変化をグラフで表しています。

VI特性はプレートとカソードの大きさと材質に依存します。[ 107 ] プレート電圧とプレート電流の比を表します。[ 108 ]

  • VI曲線（フィラメント間の電圧、プレート電流）
  • プレート電流、プレート電圧特性
  • プレートのDCプレート抵抗 - 直流電流の陽極と陰極間の経路の抵抗
  • プレートの交流プレート抵抗 - 交流電流の陽極と陰極間の経路の抵抗

静電場の大きさ

静電場の大きさは、チューブ内の 2 枚以上のプレート間の大きさです。

特許

参照

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さらに読む

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  • Millman, J. & Seely, S. Electronics、第 2 版、McGraw-Hill、1951 年。
  • フィリップス技術ライブラリ。1940年代から1950年代にかけて英国でクリーバー・ヒューム・プレス社から出版された、真空管の設計と応用に関する書籍。
  • RCA. 『ラジオトロン設計者ハンドブック』、1953年（第4版）。受信管の設計と応用に関する章が含まれています。
  • RCA受信管マニュアル、RC15、RC26 (1947、1968) 2 年ごとに発行され、RCA が販売した真空管の技術仕様の詳細が記載されています。
  • シャイアーズ、ジョージ、「最初の電子管」、サイエンティフィック・アメリカン、1969 年 3 月、104 ページ。
  • スパンゲンバーグ、カール・R. ( 1948).真空管. マグロウヒル. OCLC  567981. LCC  TK7872.V3 .
  • ストークス、ジョン、「ラジオ真空管とバルブの70年」、Vestal Press、ニューヨーク、1982年、3～9ページ。
  • スローワー、キース、「1940 年までの英国のラジオバルブの歴史」、MMA インターナショナル、1982 年、9 ～ 13 ページ。
  • Tyne, Gerald, Saga of the Vacuum Tube、Ziff Publishing、1943年、（1994年にPrompt Publicationsから再版）、pp. 30–83。
  • ベーシックエレクトロニクス：第1～5巻、Van Valkenburgh、Nooger＆Neville Inc.、John F. Rider出版社、1955年。
  • Wireless World.ラジオ設計者ハンドブック. 上記の英国版復刻版。
  • 「真空管設計」、1940 年、RCA。
ウィキメディア コモンズには、真空管に関連するメディアがあります。
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