ガス充填チューブ

ガス充填管は、一般に放電管または以前はプルッカー管とも呼ばれ、絶縁性で耐熱性のある容器内のガス中に電極を配置したものです。ガス充填管は、ガス中の放電に関連する現象を利用し、タウンゼント放電の根本的な現象によって電気伝導を引き起こすのに十分な印加電圧でガスをイオン化することで動作します。ガス放電ランプは、ガス充填管を使用する電灯です。これには、蛍光灯、メタルハライドランプ、ナトリウム蒸気ランプ、ネオンライトが含まれます。クライトロン、サイラトロン、イグニトロンなどの特殊なガス充填管は、電気機器のスイッチングデバイスとして使用されます。

放電を開始し維持するために必要な電圧は、充填ガスの圧力と組成、および管の形状によって異なります。エンベロープは通常ガラスですが、パワー管ではセラミックが使用されることが多く、軍用管ではガラスで裏打ちされた金属が使用されることがよくあります。熱陰極型と冷陰極型の両方のデバイスがあります。

水素は、非常に急峻なエッジが求められるサイラトロン、デカトロン、クライトロンなどの超高速スイッチング用真空管に使用されている。水素の蓄積時間と回復時間は、他のガスに比べてはるかに短い。^{[1]水素サイラトロンは通常、熱陰極である。水素（および重水素）は、補助フィラメントで加熱された金属}水素化物の形で真空管内に貯蔵することができる。このような貯蔵要素を加熱した水素は、浄化されたガスを補充するために使用でき、特定の電圧でサイラトロンを動作させるために必要な圧力を調整するためにも使用できる。^[2]

重水素は、紫外線分光法用の紫外線ランプ、中性子発生管、および特殊な管（クロサトロンなど）に使用されています。重水素は水素よりも高い破壊電圧を持っています。高速スイッチング管では、高電圧動作が必要な場合に水素の代わりに使用されます。 ^[3]比較すると、水素充填CX1140サイラトロンの陽極電圧定格は25 kVですが、重水素充填でそれ以外は同一のCX1159は33 kVです。また、同じ電圧では、重水素の圧力は水素よりも高くなるため、過度の陽極損失を引き起こす前に、より高い電流上昇率が可能になります。大幅に高いピーク電力を実現できます。ただし、回復時間は水素よりも約40％遅くなります。^[2]

希ガスは、照明からスイッチングまで、多くの目的で真空管によく使用されています。純粋な希ガスはスイッチング真空管に使用されています。希ガスを充填したサイラトロンは、水銀ベースのものよりも優れた電気的パラメータを備えています。^[3]電極は高速イオンによって損傷を受けます。ガスの中性原子は衝突によってイオンを減速させ、イオンの衝撃によって電極に伝達されるエネルギーを減らします。キセノンなどの分子量の高いガスは、ネオンなどの軽いガスよりも電極を保護します。^[4]

• ヘリウムは、ヘリウムネオンレーザーや、高電流・高電圧に対応したサイラトロンに使用されています。ヘリウムは水素と同程度の脱イオン時間しか持ちませんが、低い電圧に耐えられるため、あまり使用されません。^[5]
• ネオンは点火電圧が低く、低電圧管によく使用されます。ネオンの放電は比較的明るい赤色光を発するため、ネオンを充填したスイッチング管はインジケーターとしても機能し、スイッチを入れると赤く光ります。これは、カウンターとディスプレイの両方の役割を果たすデカトロン管で利用されています。その赤色光はネオン看板に利用されています。高出力で長さの短い蛍光管、たとえば産業用照明管に使用されます。アルゴンやクリプトンと比較して電圧降下が大きい。原子質量が低いため、加速イオンに対する電極の保護はわずかです。追加の遮蔽ワイヤまたはプレートを使用して、陽極の寿命を延ばすことができます。蛍光管では、水銀と組み合わせて使用​​されます。^[4]
• アルゴンは蛍光管に使用された最初のガスであり、低コスト、高効率、非常に低い点灯電圧のため、現在でも頻繁に使用されています。蛍光管では、アルゴンは水銀と組み合わせて使用​​されます。^{[4]アルゴンは初期の}整流管にも使用されており、最初のサイラトロンはこのようなアルゴン充填管から派生しました。
• クリプトンは蛍光灯にアルゴンの代わりに使用できます。この用途では、電極での総エネルギー損失を約 15% から 7% 削減します。ただし、ランプの長さあたりの電圧降下はアルゴンよりも低いため、管径を小さくすることで補うことができます。クリプトンを充填したランプでは、より高い始動電圧も必要ですが、これは、たとえば 25%～75% のアルゴン-クリプトンの混合物を使用することで軽減できます。蛍光灯では、水銀と組み合わせて使用​​されます。^[4]
• キセノンは純粋状態では高い破壊電圧を持ち、高電圧スイッチング管に有用である。キセノンは、紫外線放射の生成が必要な場合、例えばプラズマディスプレイにおいて、通常は蛍光体を励起するために、ガス混合物の成分としても使用される。生成される波長はアルゴンやクリプトンよりも長く、蛍光体への浸透性が高い。イオン化電圧を下げるために、ネオンキセノンまたはヘリウムキセノンが使用される。350  Torr (47  kPa )を超えると、ヘリウムはネオンよりも破壊電圧が低く、その逆も同様である。キセノンの濃度が1%以下になると、そのような混合物ではペニング効果が顕著になる。キセノンのイオン化のほとんどは、他の希ガスの励起原子との衝突によって起こるからである。キセノンが数%を超えると、電子のエネルギーのほとんどがキセノンの直接イオン化に費やされるため、放電によってキセノンが直接イオン化される。^[6]
• ペニング混合物は、ネオンランプ、ガイガー・ミュラー管、その他のガス充填粒子検出器など、より低いイオン化電圧が必要とされる場合に使用されます。 古典的な組み合わせは、ネオン約98～99.5%とアルゴン0.5～2%で、ネオン電球やモノクロプラズマディスプレイなどに使用されます。

• 水銀蒸気は、照明、水銀アーク弁、点火装置などの高電流の用途に使用されます。水銀が使用されるのは、蒸気圧が高く、イオン化ポテンシャルが低いためです。不活性ガスと混合した水銀は、管内のエネルギー損失を低く抑え、管の寿命を長くする必要がある場合に使用されます。水銀と不活性ガスの混合物では、最初は主に不活性ガスによって放電が行われます。次に、放出された熱が、目的の蒸気圧に達するまで水銀を蒸発させるのに役立ちます。低電圧（数百ボルト）整流器は、飽和水銀蒸気を少量の不活性ガスと組み合わせて使用​​し、管のコールドスタートを可能にします。高電圧（キロボルト以上）整流器は、低圧で純粋な水銀蒸気を使用するため、管を最高温度に維持する必要があります。液体水銀は水銀の貯蔵庫として機能し、放電中に消費された蒸気を補充します。飽和していない水銀蒸気も使用できますが、補充できないため、このような管の寿命は短くなります。^[1]蒸気圧は水銀温度に大きく依存するため、水銀ベースの管が動作できる環境が制限されます。低圧水銀ランプでは、最高の効率を得るための最適な水銀圧があります。イオン化した水銀原子から放出された光子は近くの非イオン化原子に吸収され、再放射されるか、原子が非放射的に脱励起されるため、水銀圧が高すぎると光の損失が発生します。水銀圧が低すぎると、イオン化されて光子を放射する原子が少なくなりすぎます。低圧水銀ランプの最適温度は約 42 °C で、このとき水銀の飽和蒸気圧 (管内に約 1 mg の液体水銀の滴として存在し、洗浄による損失を補うための貯蔵庫として存在) がこの最適値に達します。より高い周囲温度およびより広い温度範囲で動作するように設計されたランプでは、水銀はビスマスやインジウムなどのアマルガムの形で存在し、アマルガム上の蒸気圧は液体水銀上よりも低い。^[7]水銀は蛍光灯で蛍光体を励起するための可視光線および紫外線光源として使用され、その用途では通常はアルゴンと一緒に使用され、場合によってはクリプトンやネオンと一緒に使用される。水銀イオンはゆっくりと脱イオン化するため、水銀を充填したサイラトロンのスイッチング速度が制限される。比較的低エネルギーの水銀イオンによるイオン衝撃でも、酸化物でコーティングされた陰極が徐々に破壊される。^[2]
• ナトリウム蒸気はナトリウム蒸気ランプに使用されます。
• 硫黄蒸気は硫黄ランプに使用されます。
• 多くの金属の蒸気は、単独または希ガスと一緒に、多くのレーザーで使用されています。

• 要求の少ないアプリケーションでは空気を使用できます。
• 比較的高圧の窒素は、その短い立ち上がり時間により電圧サージに対する管の応答時間が速いため、サージアレスターに使用される傾向がある。 ^[1]
• ハロゲンやアルコール蒸気は紫外線を吸収し、高い電子親和力を持っています。不活性ガスに加えると放電を消光します。これは例えばガイガー・ミュラー管で利用されています。^[1]

特殊なケース（高電圧スイッチなど）では、誘電特性が良好で絶縁破壊電圧が非常に高いガスが必要です。ハロゲンなどの電気陰性度の高い元素は、放電チャネル内のイオンと急速に再結合するため好まれます。最も一般的な選択肢の 1 つは、特殊な高電圧用途で使用される六フッ化硫黄です。その他の一般的な選択肢としては、乾燥した加圧窒素やハロカーボンがあります。

基本的なメカニズムはタウンゼント放電です。これは、ガスの密度に対する電界強度の臨界値に達したときに、イオン衝撃によって電子流が持続的に増加します。電界が増加すると、添付のグラフに示すように、さまざまな放電段階が発生します。使用するガスは、チューブのパラメータに大きく影響します。破壊電圧は、ガスの組成と電極の距離に依存し、その依存関係はパッシェンの法則で説明されます。

ガス圧は0.001～1,000 Torr（0.13～130,000 Pa）の範囲で変化しますが、最も一般的には1～10 Torrの圧力が使用されます。^[1]ガス圧は以下の要因に影響します。^[1]

• 破壊電圧（点火電圧とも呼ばれる）
• 電流密度
• 動作電圧
• バックファイア電圧^[8]
• チューブの寿命（低圧チューブはガスの消費により寿命が短くなる傾向があります）
• 陰極スパッタリング、高圧下で減少

ある値を超えると、ガス圧が高くなるほど、点火電圧も高くなります。高圧点灯管は、ガス圧が低い低温時には、点火に数キロボルトのインパルスが必要になることがあります。温まって発光に使われる揮発性化合物が気化して圧力が上昇すると、放電の再点火には大幅に高い電圧か、ランプを冷却して内部圧力を下げることが必要になります。^[7]たとえば、多くのナトリウム蒸気ランプは、消灯後すぐに再点灯することはできず、再点灯する前に冷却する必要があります。

ガスは、クリーンアップと呼ばれるいくつかの現象によって、管の動作中に消費される傾向があります。ガス原子または分子は電極の表面に吸着されます。高電圧管では、加速されたイオンが電極材料に浸透する可能性があります。電極のスパッタリングによって形成され、管の内面などに堆積した新しい表面も、ガスを容易に吸着します。不活性ガスも管のコンポーネントと化学反応を起こす可能性があります。水素は一部の金属を介して拡散する場合があります。^[1]

真空管内のガス除去にはゲッターが使用される。ガス充填管にガスを補給するには補充器が使用される。最も一般的には、補充器は水素で使用される。水素を吸収する金属（ジルコニウムやチタンなど）で作られたフィラメントが管内にあり、その温度を制御することで吸収された水素と脱着された水素の比率が調整され、管内の水素圧力が制御される。金属フィラメントは水素貯蔵庫として機能する。この方法は、例えば水素サイラトロンや中性子管で使用されている。飽和水銀蒸気を使用すると、液体水銀のプールを大規模な材料貯蔵庫として使用できる。クリーンアップによって失われた原子は、より多くの水銀の蒸発によって自動的に補充される。ただし、管内の圧力は水銀温度に大きく依存するため、慎重に制御する必要がある。^[1]

大型整流器は、少量の不活性ガスを含む飽和水銀蒸気を使用します。不活性ガスは、管が冷たいときに放電をサポートします。

水銀アークバルブの電流電圧特性は、液体水銀の温度に大きく依存します。順方向バイアスの電圧降下は、0 °C で約 60 ボルトから 50 °C で 10 ボルトを少し超える程度まで低下し、その後は一定のままです。逆方向バイアス破壊 (「アークバック」) 電圧は、温度とともに劇的に低下し、60 °C で 36 kV から 80 °C で 12 kV まで低下し、さらに高温になるとさらに低下します。したがって、動作範囲は通常 18～65 °C です。^[9]

望ましい特性を維持するためには、管内のガスを純粋に保つ必要があります。少量の不純物でも管の値を大幅に変えることができます。不活性ガスが存在すると、一般に破壊電圧と燃焼電圧が上昇します。不純物の存在は、ガスの輝きの色の変化で確認できます。管内に空気が漏れると酸素が入り込みます。酸素は電気陰性度が高く、電子なだれの発生を抑制します。これにより、放電が青白く、乳白色、または赤みがかった色になります。微量の水銀蒸気は青みがかった輝きを放ち、元のガスの色が見えなくなります。マグネシウム蒸気は放電を緑色に着色します。動作中に管のコンポーネントからガスが放出されるのを防ぐため、ガスを充填して密封する前にベークアウトが必要です。高品質の管には徹底的なガス抜きが必要です。わずか 10 ⁻⁸  torr (≈1 μPa) の酸素でも、数時間で電極を単分子酸化物層で覆うのに十分です。不活性ガスは、適切なゲッターで除去できます。水銀を含む管球の場合、水銀とアマルガムを形成しないゲッター（例えばジルコニウム、バリウムではない）を使用する必要があります。陰極スパッタリングは、不活性でないガスをゲッター処理するために意図的に使用されることがあります。一部の基準管では、この目的でモリブデン陰極を使用しています。^[1]

純粋な不活性ガスは、スイッチング管など、点火電圧と燃焼電圧の差が大きい場合に使用されます。差を小さくする必要がある表示および安定化用の管には、ペニング混合物が充填される傾向があります。点火電圧と燃焼電圧の差が小さいため、電源電圧を低くし、直列抵抗を小さくすることができます。^[1]

蛍光灯、CFL ランプ、水銀およびナトリウム放電ランプ、HID ランプはすべて照明に使用されるガス充填管です。

ネオンランプやネオン看板（最近ではネオンをベースとしていないものもほとんど）も低圧ガス充填管です。

特殊な歴史的低圧ガス充填管デバイスには、ニキシー管（数字の表示に使用）やデカトロン（パルスのカウントや分割に使用、表示は二次的な機能）などがあります。

キセノンフラッシュランプは、明るい閃光を生成するために カメラやストロボライトで使用されるガス充填管です。

最近開発された硫黄ランプも、高温時にはガスが充填された管です。

点火電圧はイオン濃度に依存しますが、イオン濃度は長時間の非活動後にはゼロに低下する可能性があるため、多くのチューブはイオンの利用可能性のために準備されています。

• 光学的には、周囲光や2ワットの白熱電球、または同じエンベロープ内のグロー放電によって、
• 放射性物質として、ガスにトリチウムを加えたり、内部のエンベロープをコーティングしたりすることで、
• 電気的に、キープアライブ電極またはプライマー電極を使用して

重要な例としては、高電圧電流を切り替えるために使用されるサイラトロン、クライトロン、イグニトロン管などがあります。ガス放電管 (GDT)と呼ばれる特殊なタイプのガス充填管は、電気回路や電子回路の電圧サージを制限する サージプロテクタとして使用するために製造されています。

負性微分抵抗領域のシュミットトリガー効果を利用すると、タイマー、緩和発振器、ネオンランプ、トリガー管、リレー管、デカトロン、ニキシー管を使用したデジタル回路を実現できます。

サイラトロンは点火電圧以下で動作させることで三極管としても使用でき、無線制御受信機の自己消光型超再生検出器としてアナログ信号を増幅することができます。^[10]

ニキシー管の他に、特殊なネオンランプもありました。

• チューンオン早期チューニングインジケーター、短いワイヤ陽極と部分的に光る長いワイヤ陰極を備えたガラス管。光の長さは管電流に比例します。
• 蛍光ネオンランプ
• ラッチインジケータやドットマトリックスディスプレイのピクセルとして使用される発光トリガーチューブ
  • 直光トリガーチューブ
  • リン光トリガーチューブ

熱陰極ガス放電ノイズダイオードは、 UHFまでの周波数では通常のラジオ管のガラスエンベロープで利用でき、また、SHF周波数および導波管への斜め挿入では、フィラメント用の通常のバヨネット電球マウントとアノードトップキャップを備えた細長いガラス管で利用できました。

混合すると出力が温度に依存するため、ネオンなどの純粋な不活性ガスが充填されていました。燃焼電圧は 200 V 未満でしたが、点火には 2 ワットの白熱ランプによる光点火と 5 kV 程度の電圧サージが必要でした。

ある小型サイラトロンは、横方向の磁場内でダイオードとして動作し、ノイズ源としての追加的な用途が見つかりました。^[11]

20 世紀半ばには、電圧調整管が一般的に使用されていました。

陰極スパッタリングは、金属蒸気クーロメータベースの経過時間計であるタイムトータライザーで利用されており、スパッタされた金属がコレクター要素に堆積し、その抵抗がゆっくりと減少します。^[12]

^[13]

• 水銀プールチューブ
  • エキシトロン、水銀プール管
  • グセトロンまたはガウシトロン、水銀アークプール管
  • イグニトロン、水銀プール管
  • 水銀プールチューブ「センディトロン」
• トリグニトロンは、電気溶接機で使用される水銀プール管の商標です。
  • キャパシタン、水銀プール管
• コロトロンはガス充填シャントレギュレータの商標名で、通常、調整電圧を設定するために少量の放射性物質が含まれています。
• クロサトロン、変調管
• カテトロンまたはカテトロンは、管の外側にグリッドを備えた熱陰極ガス充填三極管です。
• パルス発生器ネオトロン
• 磁場によって陽極電流を制御する熱陰極整流器、パーマトロン
• 整流器ファノトロン
• グリッド制御水銀アーク整流器 Plomatron
• ストロボトロンは、高電流の狭いパルス用に設計された冷陰極管で、高速写真撮影に使用されます。
• Takktron、高電圧で低電流用の冷陰​​極整流器
• サイラトロン、熱陰極スイッチング管
• トリガトロン、スパークギャップに似た高電流スイッチ
• アルファトロンは真空を測定するための電離管の一種である。
• デカトロン、計数管（ニキシー管とネオンライトも参照）
• プラズマトロン、陽極電流を制御する熱陰極管
• タシトロン、電流を遮断できる低ノイズサイラトロン
• 高速冷陰極スイッチング管Krytron

ウィキメディア・コモンズには、ガス放電管とガス放電ランプに関連するメディアがあります。

• パルス電力スイッチングデバイス - 概要（真空およびガス充填スイッチングチューブの両方）
• 放射線の測定、ガス充填検出器 2011-12-16 にWayback Machineでアーカイブ
• ガス放電管