Electron tube

Japanese: 電子管 - でんしかん（英語表記）electron tube

An electronic component that utilizes electrons emitted from a solid, and is a device that utilizes the electron flow in a high vacuum or low pressure gas container made of glass, metal, ceramics, etc. The main type is a vacuum tube, but it also refers to other electronic elements such as cathode ray tubes, discharge tubes, and microwave tubes.

Electron tubes were the main element of electronics in the first half of the 20th century, but with the emergence of semiconductor devices (components), they have lost their place as active elements and as camera tubes. In terms of production value, however, they account for less than 1% of semiconductor devices, including integrated circuits, but X-ray tubes, high-power and ultra-high-voltage devices, etc., maintain their own markets.

Japan's production of electron tubes was 740 billion yen in 1996, but had fallen to 48.3 billion yen in 2014. The breakdown in 2014 is as follows: 70,000 microwave tubes, worth 6 billion yen; display tubes, worth 1.33 million units, worth 4.7 billion yen; X-ray tubes, worth 110,000 units, worth 10.5 billion yen; and the rest being PDP (plasma display panel) modules, special electron tubes, etc.

Fluorescent display tubes, which are the most representative type of display tube, are highly bright and have excellent visibility because they view the light emitted by phosphors from the direction of electron irradiation. As a result, they are used in a wide range of applications, including audio equipment, VTRs, as well as microwave ovens, heaters, and automotive electrical equipment.

Microwave tubes are used for communications, broadcasting, and radar, and the main type, magnetrons, are used in home microwave ovens, while high-power klystrons and gyrotrons are being developed for special purposes such as industrial microwave heating devices, accelerators such as linacs, and plasma heating devices for nuclear fusion.

[Michinori Iwata]

Types of electron tubes

There are many types of electron tubes, and they are classified according to their principle, structure, shape, and use, but the classification is not necessarily uniform. Generally, they are classified into the following six types.

(1) Diode tubes used for rectification and detection, and transmitting and receiving tubes using lattice control used for broadcasting and communication from low to high frequencies. These are also called thermionic tubes or lattice-controlled tubes, and lattice-controlled tubes include triodes, tetrodes, pentodes, beam power tubes, and composite tubes, which are classified according to their external shape as ST tubes, GT tubes, miniature tubes, subminiature tubes, acorn tubes, and pencil tubes, and according to the material of the vacuum vessel as glass tubes, ceramic tubes, and metal tubes. High-power tubes used for transmission, etc. are also called air-cooled tubes, forced-air-cooled tubes, water-cooled tubes, evaporative-cooled tubes, etc. depending on the cooling method.

(2) An electron tube used for microwaves (frequencies of 1 gigahertz or higher). The speed of the electron flow is changed by the voltage of the electrode tube, and the fluctuation in the electron transit time between the electrodes is utilized. These are also called electron transit time tubes. Examples include klystrons, magnetrons, traveling wave tubes, and backward wave tubes.

(3) A display electronic tube that displays images, letters, and numbers. The fluorescent display tube was invented in 1967 by Ise Electronics Industries (now Noritake Ise Electronics) to display numbers in calculators, and a 0.2 mm pitch pixel was also developed for use in information displays.

(4) Photoelectric conversion tubes that use changes in electronic phenomena caused by photons to convert them into electrical signals. These include phototubes that directly measure the amount of light, photomultiplier tubes, image pickup tubes used in television cameras, image multiplier tubes that directly intensify light images, and night vision tubes with high sensitivity to infrared light.

(5) X-ray tubes that generate X-rays. They are used in medical electronic devices as well as industrial applications.

(6) Other electron tubes. These utilize gas ionization. Examples include ATR and TR tubes that switch microwave guide tubes, strobe discharge tubes, neon tubes, Geiger-Muller counters that detect radiation, betatrons that accelerate electrons, ion pumps that adsorb ionized gases, and ionization vacuum gauges.

[Michinori Iwata]

history

The development of electron tubes is in line with the development of wireless technology. Around 1896, when Italian Marconi invented wireless telegraphy, he used a crude coherer (detector) that used a spark discharge to generate radio waves, metal powder placed in a glass tube, which was bridged by an electric signal and then restored to its original state by a hammer. In 1904, J. A. Fleming, an advisor to the Marconi Wireless Company, invented the diode tube to replace the coherer, and in 1907, De Forest improved on this by adding a control grid similar to a grill (gridarian) to the diode tube to invent the triode, which ushered in the era of communication using electron tubes. These were initially gas-filled, but Harold DeForest Arnold (1883-1933) of the American Telegraph and Telephone Company and Langmuir of General Electric improved them into vacuum tubes in 1913, developing the plyotron (triode) and the Kenetron (high-voltage rectifier tube). Furthermore, the oxide cathode was invented by Arnold in 1920, and stability and reliability improved rapidly. Improvements in structure included the space-charge grid tetrode by Walter Hans Schottky (1886-1976) in 1915, the shielded grid tetrode by A. W. Hull in 1926, the pentode by O. J. Lodge in 1927, and the beam power tube in 1936.

The idea of attaching a telephone to a walkie-talkie came to fruition as radio broadcasting in 1920 after World War I, and a large 100-kilowatt transmitting tube was created in 1929. Receivers became smaller, and electron tubes were developed one after another, with metal ones in 1935, GT tubes in 1938, miniature tubes in 1939, subminiature tubes in 1941, and small ceramic tubes in 1954, and so on.

Efforts to increase the frequency continued, and the Acorn tube, which had three electrodes close together, was invented in 1933, but it was found that conventional space charge controlled electron tubes had difficulty generating microwaves, and various microwave tubes that utilized the transit time of electrons appeared. The magnetron was invented as a non-segmented magnetron by Hull in 1921, and in 1927 the Japanese Okabe Kinjiro succeeded in generating microwaves with a magnetron with a split anode. This attracted attention as a high-output microwave oscillator tube, especially in the United States, and progressed rapidly as an electron tube for radar during World War II. In addition to radio equipment, it is widely used as an electron tube for microwave ovens.

The klystron was invented by the Varian brothers in 1939. It uses a cavity resonator to modulate the speed of electrons during their transit time, and uses the resulting electron bunching effect to amplify the signal. The twin-cavity klystron gave rise to a small reflector type during World War II, which was used in radar local oscillators and small transceiver tubes. In 1951, the multi-cavity klystron was developed, resulting in high-power tubes with pulsed outputs of tens of megawatts and continuous outputs of over tens of kilowatts.

A gyrotron is a new high-power millimeter wave tube that utilizes electron cyclotron resonance, and development is underway of a 170 GHz, 1 megawatt continuous wave tube for heating nuclear fusion plasma.

Traveling wave tubes utilize the electron velocity and density modulation caused by the interaction between microwaves on a helical coil that forms a delay circuit and an electron beam that runs through the center of the coil, and were invented by British architect Rudolf Kompfner (1909-1977) in 1944 while on call at home. Due to their wide frequency band, stable operation, and long guaranteed life, they are widely used in microwave communication networks, radar networks, space communications, etc. 6 GHz band 3 kilowatt models are in practical use, and high-power traveling wave tubes with a peak output of 3 megawatts have also been developed for radar, especially for military use.

K. F. Brown of the University of Strasbourg proposed the use of electron beam phenomena in electrical phenomena, and in 1897 created a magnetic deflection device, which became the basis of today's cathode ray tubes. The following year, in 1898, H. Ebert created an electrostatic deflection type, but it was not until 1932 that it was commercialized as an oscilloscope for measurement or observation. Later, with improvements in phosphor materials, it was developed into cathode ray tubes for radar and television. Color television picture tubes are based on a system in which the three primary colors are arranged on the phosphor screen itself, and J. L. Baird was the first to come up with a system in 1944 in which electron beams were irradiated from three directions onto a triangular pyramid-shaped phosphor made with the three primary colors. In 1951, RCA realized a color cathode ray tube using the shadow mask system. The Trinitron, a single-electron gun with three electron beams, was developed by Sony of Japan in 1968. The square-shaped color cathode ray tube was developed by NHK in 1958. As for slimmer monitors, Sony released a 2-inch black-and-white monitor in 1982, while Sharp released a 3-inch color monitor in 1985.

Television cameras were originally mechanical, but the electronic tube Iconoscope was invented by Zworykin in 1933, and the Image Dissector was developed by Philo Taylor Farnsworth (1906-1971). The first required 6000 lux of illumination, so the Image Iconoscope, which combined the two, was invented in 1934, and the highly sensitive Image Orthicon was developed by Albert Rose (1910-1990) and Paul K. Weimer (1914-2005) of RCA in 1946. Instead of these photoelectron detectors, the Vidicon was developed by RCA in 1950, which uses the resistance change of a photoconductive film, and the even more sensitive Plumbicon was developed by Philips in 1963, and the Saticon was developed by NHK and Hitachi in 1972. All of them are small, and single-tube color models are also available, and are popular for portable and home use.

The thyratron, a triode tube that utilizes electrical discharge, was invented in 1932. Prior to that, in 1925, the constant-voltage discharge tube, which utilized the constant-voltage characteristics of glow discharge, and the decatron (counting discharge tube) for counting were created in 1949, but these have now been replaced by semiconductor devices. During World War II, the Geiger-Muller counter tube and the ATR and TR tubes used to switch between transmitting and receiving in radar were created, and the plasma display invented at the University of Illinois was put to practical use as a large display of 40 inches or more in the 1990s.

[Michinori Iwata]

"The New Generation of Electronics" by Iwata Tomonori (1982, Industrial Research Institute)" ▽ "The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, Electronics, Information and Communication Handbook (1988, Ohmsha)" ▽ "Electronic Components Yearbook 1997" edited by Mori Daigo (1997, Chunichisha)" ▽ "Various editions of the Electronics Industry Yearbook, supervised by the Ministry of Economy, Trade and Industry and edited and published by Dempa Shimbunsha (up to the 2000 edition, supervised by the Ministry of International Trade and Industry)"

Structure of receiving tube (high frequency pentode)
©Shogakukan ">

Structure of receiving tube (high frequency pentode)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

固体外に放出された電子を利用した電子部品で、ガラス、金属、セラミックスなどの高真空または低圧ガス容器内の電子流を利用する装置。真空管がおもなものであるが、そのほか陰極線管、放電管、マイクロ波管などの電子素子を総称する。

　電子管は20世紀前半ではエレクトロニクスの主要素子であったが、半導体デバイス（部品）の登場に伴い、能動素子としての地位や撮像管の地位を譲ってきている。しかし、生産額でみると集積回路を含めた半導体デバイスの1％にも満たないが、X線管、大電力、超高圧用のデバイスなどは独自の市場を保っている。

　電子管の日本の生産高は1996年（平成8）は7400億円であったが、2014年（平成26）には483億円まで減少した。その内訳（2014）は、マイクロ波管7万本、60億円、表示管133万本、47億円、X線管11万本、105億円、その他はPDP（プラズマディスプレー・パネル）モジュール、特殊電子管等となる。

　表示管を代表する蛍光表示管は、蛍光体の発光を電子照射方向から見る方式であるため高輝度で視認性に優れていることから、オーディオ機器、VTR、さらに、電子レンジや暖房器、自動車電装品用など用途は広い。

　マイクロ波管は通信、放送、レーダー用のほか、主力となる磁電管は家庭用の電子レンジ用に、特殊用途には産業用マイクロ波加熱装置、リニアックなどの加速装置、核融合のためのプラズマ加熱装置用などとして大出力のクライストロン、ジャイロトロンが開発されている。

［岩田倫典］

電子管の種類

電子管の種類は多く、原理、構造、外形、用途などにより分類されているが、分類はかならずしも一様ではない。一般には次のように六つに分類される。

(1)整流、検波に用いる二極管と、低周波から高周波までの放送や通信に用いる格子制御を利用した送信管と受信管。これらは熱電子管とか格子制御管ともよばれ、格子制御管には三極管、四極管、五極管、ビーム出力管、複合管などがあり、外形によりST管、GT管、ミニアチュア管、サブミニアチュア管、エーコン管、ペンシル管、真空容器の材質によりガラス管、セラミック管、金属管などと分類されている。送信などに用いる大電力管は冷却方式により空冷管、強制空冷管、水冷管、蒸発冷却管などともいう。

(2)マイクロ波（周波数1ギガヘルツ以上）に利用する電子管。電極管の電圧により電子流の速度を変化させ、極間の電子走行時間の変動を利用するもので、電子走行時間管ともいう。クライストロン、磁電管、進行波管、後進波管などがある。

(3)画像や文字、数字を表示する表示用電子管。蛍光表示管は、伊勢電子工業（現、ノリタケ伊勢電子）が電卓の数値表示用に発明した（1967）もので、情報表示向けのディスプレーとして0.2ミリピッチの画素も開発されている。

(4)光子による電子現象の変化を利用し、電気信号として取り出す光電変換管。これには、光量を直接計量する光電管、光電子増倍管、テレビジョンカメラに利用されている撮像管、光像を直接増倍する映像増倍管、赤外線に高感度をもたせた暗視管がある。

(5)X線を発生するX線管。医用電子装置用のほか工業用がある。

(6)その他の電子管。ガスの電離を利用するもの。マイクロ波の導路管を切り換えるATR・TR管、ストロボ放電管、ネオン管、放射線を検出するガイガー‐ミュラー計数管、電子を加速するベータトロン、電離ガスを吸着するイオンポンプ、電離真空計などがある。

［岩田倫典］

歴史

電子管の発達は無線技術の発展と軌を一つにする。イタリアのマルコーニが無線電信を発明した1896年ころには、火花放電を用いて電波を発生させ、ガラス管に金属粉を入れて電気信号によって橋絡させ、ハンマーによって元に戻すという幼稚なコヒラー（検波器）を用いていた。マルコーニ無線会社の顧問であるJ・A・フレミングが1904年にコヒラーにかわる二極管を発明、これを改良したものとして1907年にド・フォレストが二極管に肉焼き網（グリダリアン）に似た制御格子を入れて三極管を発明し、電子管による通信の時代を開いた。これらは最初はガス入りであったが、アメリカ電信電話会社のアーノルドHarold DeForest Arnold（1883―1933）とゼネラル・エレクトリック社のラングミュアにより1913年に真空管として改良され、プライオトロン（三極管）とケネトロン（高圧整流管）が開発された。さらに1920年には酸化物陰極がアーノルドにより発明され、安定性と信頼性は急速に向上した。構造の改良としては、ショットキーWalter Hans Schottky（1886―1976）の空間電荷格子四極管が1915年に、A・W・ハルの遮蔽(しゃへい)格子四極管が1926年に、O・J・ロッジによる五極管が1927年に、ビーム出力管が1936年につくられた。

　無線機に電話をつけるアイデアは、第一次世界大戦後の1920年にラジオ放送として花開き、1929年には100キロワットの大型送信管も生まれた。受信機は小型化し、電子管も1935年には金属製のものが、1938年にはGT管、1939年にはミニアチュア管、1941年にはサブミニアチュア管、1954年には小型セラミック管が開発され、相次いで小型で高出力のものがつくられるようになった。

　周波数をあげるくふうも続けられ、三極の電極を近づけたエーコン管が1933年に発明されたが、空間電荷制御型の在来の電子管ではマイクロ波の発生が困難であることがわかり、電子の走行時間を利用する各種マイクロ波管が登場した。マグネトロンは1921年ハルによって非分割マグネトロンとして考え出され、日本の岡部金治郎が1927年に二分割陽極のマグネトロンのマイクロ波発振に成功した。これは大出力のマイクロ波発振管として、とくにアメリカで注目を浴び、第二次世界大戦のレーダー用の電子管として急速に進歩した。電波機器のほか、電子レンジ用の電子管として広く使われている。

　クライストロンは1939年にバリアン兄弟が発明している。これは、電子走行時間中の電子を空胴共振器で速度変調し、得られた電子の集群作用を利用して信号を増幅する。二空胴クライストロンから第二次世界大戦中に反射型の小型のものが生まれ、レーダーの局部発振器、小型送受信管に利用された。1951年には多空胴クライストロンが開発されて大電力管のものが生まれ、数十メガワットのパルス出力、数十キロワット以上の連続出力のものも現れている。

　ジャイロトロンは電子のサイクロトロン共鳴を利用した新しい大出力ミリ波管で、170ギガヘルツ、1メガワットの連続波発振のものが核融合プラズマの加熱用として開発が進められている。

　進行波管は、遅延回路を形成するヘリカルコイル上のマイクロ波と、コイルの中央を走る電子ビームの相互作用による電子の速度変調と密度変調を利用したもので、イギリスの建築技師コンフナーRudolf Kompfner（1909―1977）が1944年に応召中発明している。周波数帯域が広く、動作が安定で、保証寿命が長いことから、マイクロ波通信網、レーダー網、宇宙通信などに広く用いられている。6ギガヘルツ帯で3キロワットのものが実用され、レーダー、とくに軍用としてピーク出力3メガワットの大電力進行波管も開発されている。

　ストラスブール大学のK・F・ブラウンは、電子線の諸現象を電気現象に利用することを提案、1897年に磁気偏向の装置をつくり、それが今日のブラウン管の基礎となった。翌1898年にエバートH. Ebertは静電偏向方式のものをつくったが、1932年ようやく測定用あるいは観測用のオシロスコープとして商品化された。その後、蛍光物質の改善によりレーダー用、テレビジョン用のブラウン管として発達した。カラーテレビの受像管は、蛍光膜自体に三原色をもたせて配置する方式のもので、J・L・ベアードが1944年に三原色でつくった三角錐(さんかくすい)形の蛍光体に三方向から電子ビームを照射する方式を考えたのが最初である。1951年にはシャドーマスク方式のカラーブラウン管がRCA社によって実現された。単電子銃の三電子ビーム方式のトリニトロンは、1968年に日本のソニーによって開発された。カラーブラウン管が角形になったのは、1958年NHKの開発による。また、薄形化については、白黒2インチのものを1982年にソニーが、カラー3インチのものを1985年にシャープが発売している。

　テレビカメラは、最初は機械式であったが、電子管式のアイコノスコープが1933年にツウォリキンによって発明され、イメージデセクタはファンスワースPhilo Taylor Farnsworth（1906―1971）によって開発された。最初のものは6000ルクスという照度を必要としたので、両者を組み合わせたイメージアイコノスコープが1934年に発明され、1946年には感度のよいイメージオルシコンがRCA社のA・ローズAlbert Rose（1910―1990）、ワイマーPaul K. Weimer（1914―2005）により開発された。これら光電子を検出するものにかわり、光導電膜の抵抗変化を利用するものとしてビジコンが1950年にRCA社で開発され、さらに高感度のプランビコンが1963年にフィリップス社で、サチコンがNHKと日立製作所によって1972年に開発された。いずれも小型で、単管カラー方式のものもつくられ、携帯用、家庭用として普及している。

　放電を利用した三極管のサイラトロンは1932年に発明された。それ以前、1925年にはグロー放電の定電圧特性を利用した定電圧放電管、また1949年には計数用のデカトロン（計数放電管）がつくられたが、現在は半導体デバイスにかえられている。第二次世界大戦中にはガイガー‐ミュラー計数管やレーダーの送受切換え用のATR管とTR管が生まれ、イリノイ大学で発明されたプラズマディスプレーも1990年代になって40インチ以上の大形ディスプレーとして実用化された。

［岩田倫典］

『岩田倫典著『エレクトロニクスの新世代』（1982・工業調査会）』▽『電子情報通信学会編『電子情報通信ハンドブック』（1988・オーム社）』▽『森大伍編『電子部品年鑑1997』（1997・中日社）』▽『経済産業省監修、電波新聞社編・刊『電子工業年鑑』各年版（2000年版までは通商産業省監修）』