真空管

真空管とは、内部を高度な真空とし、電極を封入した中空の管のことである。陰極から陽極に流れる電子流を制御することによって増幅、検波、整流、発振などを行うことができる。

電子管あるいは熱電子管などと呼ばれる「電子管」は熱電子を利用しないものなど、より広い範囲の素子を指して使われることもある。}}。

1. 概要
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構造としては、一般的にガラスや金属あるいはセラミックスなどで作られた容器内部に複数の電極を配置し、容器内部を真空もしくは低圧とし、少量の稀ガスや水銀などを入れた構造を持つ。

原理や機能としては、電子を放出する電極を高温にして熱電子放出効果により、陰極表面から比較的低い電圧により容易に電子を放出させ、この電子を電界や磁界により制御することにより、増幅、検波、整流、発振、変調などができる。

二極管が発明されたイギリスを中心とした欧州で主に、その電極の数により、二極管のことをダイオード、三極管のことをトライオード、四極管のことをテトロード、五極管のことをペントードという。さらに二極管の中でも整流に用いるものを特にレクティファイアと呼ぶこともある。

1.1. 発明、多様化、小型管に対する代替用語の登場
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真空の管の構造をした小型管で増幅などを行う素子は、発明当時から真空管と呼ばれて発展したが、後になって大型管、ブラウン管、マイクロ波管など機能が異なるものや、似た機能を持っているが内部が真空でない放電管などが出現し、これらを電子管と総称するようになり、従来「真空管」と呼ばれた小型管は、受信管と呼ばれるようになった。

つまり「真空管」という言葉は、古風な用い方としては狭義に、もっぱら小型の真空管を指すが、今では広義に、小型のものに限らず、真空もしくは低圧雰囲気空間における電界や磁界による電子の様々な振る舞いを利用する素子全般を総称する用法もある。容器内部を真空もしくは低圧とした陰極線管、プラズマディスプレイ、放射線源管、放射線検出管なども真空管のひとつである。

1.2. 日本語の略呼法や助数詞
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日本語では専門用語で「球」、あるいは白熱電球と同様に「管球」とも呼ばれる。例えば、トランジスタ使用のアンプに対して真空管使用のものを「球のアンプ」と言う。また、セットに使っている真空管の本数を称して「n球」という言い方をする。例えばAMラジオ受信機の代表的な構成の一つである、真空管を5本使用したスーパーヘテロダイン受信機を「5球スーパー」と呼ぶ。なお、単に数えるときの助数詞は「本」。いっぽう、真空管の代替として発明されたトランジスタなどの半導体素子は専門用語で「石」と呼ぶことがあり、回路での使用数をあらわす助数詞は「石」が用いられた。

1.3. 利用の減少および現在も続く特殊目的での利用
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21世紀では、一般的な電気電子回路において汎用的に用いる目的の素子としては、多くが半導体素子に置き換えられ、真空管はその役割をほぼ終えているが、半導体では実現が難しい高周波/大電力を扱う特殊な用途での増幅素子として現在でも使われており、日本でも放送局用、また防衛省向けとして製造されている。またオーディオアンプや楽器用アンプなどでは、現在も真空管による増幅回路がしばしば用いられるため、それらの用途のための真空管が現在も製造されている。

一方、特殊な真空管の一種であるマグネトロンは、強力なマイクロ波の発生源として、電子レンジやレーダーなどに使われ、現在でも大量生産されている。テレビ受像機などに用いるブラウン管も広義の真空管であり世界で量産されているが、薄型テレビへの移行から減少傾向にあり日本国内での生産はオシロスコープなどの測定機などを除き終了している。

他にも、X線を発生させるX線管や、高精度光計測に用いる光電子増倍管、核融合装置のマイクロ波発生源など、真空管は高度で先端的な用途に21世紀現在も使われている。プラズマディスプレイや蛍光表示管  などには、長年に渡り蓄積された関連技術が継承されている。東日本大震災で事故を起こした福島第一原発の現場では、真空管はトランジスタより放射線の影響を受けにくい性質を利用して、人が安全に立ち入ることが困難な場所における現状確認と廃炉作業のためのロボットに搭載するカメラなどに真空管を用いる事が予定されている。また、MOS型FETやバイポーラトランジスタと真空管の構造をあわせ持つ真空チャネルトランジスタの実用化も徐々に現実味を帯びつつあり、デジタル回路の高速化のほか、高速動作を生かしたテラヘルツ波の送受信回路、そして真空管同様に放射線の影響を受けにくいことを生かした人工衛星への利用も期待されている。

2. 歴史
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エジソンが白熱電球の実験中に発見したエジソン効果が端緒となり、その後フレミングが発明した素子が二極真空管で、三極真空管は、リー・ド・フォレストが発明した。

既に白熱電球の製造技術があり、リー・ド・フォレストの真空管はウェスタン・エレクトリック社でもリー・ド・フォレストの特許のもとに生産に移され、1914年 には三極管は電話回線のリピーター回路に汎用されタイプM  が製造された。1915年のバージニア、アーリントン間の大陸横断電話回線の実験においては、550本の真空管が使われたとされている。使われた真空管はタイプL、タイプW、タイプSであった。アメリカ軍ではフレミングバルブを使っていたこともありフランス製の通信機を使っていたが、第一次世界大戦末期フランスからのRチューブの供給が滞るようになり、急遽、タイプJ  から耐震構造化した受信機用検波増幅管であるVT-1が、タイプL  を元にタイプKの後継管として送信機用5W型発振変調管であるタイプE  どちらも直熱型三極管}}が製造された。1929年には5極管  が登場し、1935年に画期的なメタルビーム管が登場、これにより基本となる真空管技術が完成した。初期のコンピュータには大量の真空管が使用され、寿命の揃った真空管を大量に調達するのが製作上の難関のひとつだった。例としてENIACには17468本が使われている。

しかし、

原理的に熱電子源が必要なので消費電力が大きく、発熱する。
フィラメントやヒータを有するため寿命が短い。
真空管そのものや、これを用いる機器の小型化や耐震性に問題がある。などの欠点があった。トランジスタが発明され1960年代以降には生産歩留まりが高まって安価になると、放送、通信分野の機器においては、次第にトランジスタに取って代わられることとなった。その結果、主回路に真空管を使用したテレビ受像機やラジオ受信機は、1970年代に入ると生産が中止された。なお直接的な欠点ではないが、トランジスタではコンプリメンタリの素子が得られるという特長があるが、真空管では原理上単一の極性のものしか得られないことも理由の一つであった。

電子回路に半導体が広く使われるようになった1970年代においても、高出力電波送信というような用途では真空管が主に使われていた。1976年に起きた「ベレンコ中尉亡命事件」のMiG-25の機体検証で、搭載電子機器類に真空管が使用されており話題となった。

3. 形態
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容器にはおおむね6つの形態がある。

ナス管: 茄子形のガラス管。S管とも呼ばれる。
ST管: だるま形のガラス管で、「ダルマ管」とも呼ばれる。
GT管
mT管
サブミニチュア管: 1941年にRCA社で補聴器用に開発、1942年に試作・量産開始された近接信管に使用された）（例 :
12AU7A）