陰極線
クルックス管のように気体の電離を利用して陰極線を作る方式(冷陰極管)は、管内の残留気体の圧力に影響されるため信頼性が低かった。時間の経過とともに気体分子が管壁に吸着していくと、最終的に陰極線は発生しなくなってしまった。
より信頼性が高く制御性の良い方式がヒットルフとゴルトシュタインによって発見され、1880年にトーマス・エジソンによって再発見された。金属のフィラメントを陰極とし、管の中を通る回路とは独立した電流をフィラメントに流して真っ赤になるまで加熱すると、熱電子放出と呼ばれる過程により電子が飛び出してくる。この熱陰極(英語版)方式を採用した最初の電子真空管は1904年に発明され、クルックス管に取って代わった。熱陰極管は動作に気体分子を必要としないので、真空度は10 atm(10 Pa)程度にまで高められていた。クルックス管で用いられていた電離による陰極線発生方式は、今日ではクライトロン(英語版)のような特殊なガス封入管でしか採用されていない。
「陰極線」の名は、真空管の陰極から放出されるビームであることからつけられた。電極から電子を放出させるには、電極を構成する金属原子から電子を引きはがさなければならない。「クルックス管」と呼ばれる初期の冷陰極真空管では、両極間に高い電圧をかけることで管内の残留ガスをイオン化させ、電場によって加速された陽イオンが陰極に衝突して電子を叩き出す仕組みだった。その後は熱電子放出を利用する真空管が主流となった。この方式では陰極は金属細線のフィラメントであり、電流を流して加熱できるようになっている。フィラメント内部のランダムな熱運動が激しさを増すと、陰極表面から電子が叩き出され、管内の空間に放出される。
電子は負の電荷を持っているので、陰極からの斥力と陽極からの引力を受け、管内の空間を一直線に飛んでいく。電子は質量が小さいため両極間の電圧によって大きく加速される。陰極線は目に見えないが、ガラスの管壁にぶつかるとその中の原子を励起して蛍光と呼ばれる光を発させることから、初期の真空管の中に存在していることが知られるようになった。当時の研究者は陰極の前に置かれた物体が影を作ることに気づき、陰極から何かが直線的に放出されているのを認識した。電子が陽極に到達すると、陽極から導線を伝って電源へ流れ、陰極に送り返されてくる。