検索に移動オン状態とオフ状態のクルックス管。右のガラス壁の蛍光に差すマルタ十字の影が示すように、電子線(陰極線)は陰極(左)から出たあと直進する。基底部に取り付けられた電極が陽極である。tube)とは、初期の実験用真空放電管である。真空放電の実験に利用されていた[1]。1875年頃にイギリス人の物理学者ウィリアム・クルックスなどによって発明された[2][3]。陰極線、すなわち真空中の電子線はクルックス管の中で初めて見出された[4]。前身であるガイスラー管と同じように、クルックス管は様々な形状のガラス容器の両端に金属電極(陰極と陽極)を取り付けたものである。ガイスラー管よりも高い真空度にまで排気されている。電極間に高電圧が印加されると、陰極からいわゆる陰極線がまっすぐ飛び出してくる。クスのほか、ヴィルヘルム・ヒットルフ、ユリウス・プリュッカー(英語版)、オイゲン・ゴルトシュタイン、ハインリヒ・ヘルツ、フィリップ・レーナルトらはクルックス管を用いて陰極線の性質を研究した。トムソンの発見による。この粒子は後に「電子」("electron")と名付けられた。現在ではクルックス管は陰極線の演示用にしか用いられていない。ヴィルヘルム・レントゲンは1895年にクルックス管から放射されるX線を発見した。実験用のクルックス管から発展した第一世代の冷陰極X線管は「クルックスのX線管」と呼ばれ、1920年ごろまで利用されていた[5]。磁石がなければ陰極線は直進する。陰極線がU字磁石によって下方に曲げられた。陰極線の磁気偏向を実演している様子。陰極(右側)の近くに磁石を置いて水平方向の磁場を作用させると、陰極線は磁場に直交する方向に力を受けて下方に曲げられ、管底の蛍光スポットが下にずれる。管の中の残留空気が電子線を受けてピンクに発光している。外部リンク動作原理[編集]クルックス管の回路の模式図。クス管は冷陰極管の一種である。後に実用化された真空管と異なり熱電子放出のための加熱フィラメントを持っていない。kV)を電極間に印加することで、電離した残留気体分子を陰極に衝突させて二次電子を生成する。このためクルックス管は内部に少量の空気がなければ動作しない。クス管の中ではわずかな数のイオンと自由電子が光電離や自然放射線の電離作用などによって自然発生している。これらの荷電粒子は高電圧が管内に作る電場によって駆動される。電子がほかの気体分子と衝突すると、分子内の電子が外に叩き出されて陽イオンが残ることがある。この過程が連鎖して多数の陽イオンが発生することをタウンゼント放電という。生じた陽イオンはすべて陰極(カソード)に引き付けられていき、陰極に突入してその表面から大量の電子を叩き出す。この電子が陰極から斥力を受け、陽極(アノード)めがけて飛んでいったものが陰極線である。管内は適度に排気されており、大半の電子が一度も気体分子と衝突せずに管の全長を飛び抜けることができる。km/s、光速度の20%[6])。陽極付近に差し掛かった電子は運動量が高まっているため、陽極の引力を振り切ってその横を通り過ぎ、管底の内壁に突き当たる。電子がガラスの原子と衝突すると、その軌道電子を上のエネルギー準位に押し上げる。励起された電子はもとのエネルギー準位に戻る時、そのエネルギー差に相当する光を放出する。蛍光と呼ばれるこのプロセスにより、ガラスは黄緑色の光を発する。電子そのものは目に見えないが、電子ビームが照射されているスポットは発光によって識別できる。後年の研究者は発光を見やすくするためガラス管の内壁に蛍光体を塗った。蛍光体とは硫化亜鉛をはじめとする蛍光や燐光を発する化学物質の総称である。内壁にぶつかった電子は最終的に陽極にたどり着き、陽極に接続された導線を伝って電源へと進み、陰極へと送り返されてくる。クス管の中で観察できる様々なグロー領域。電子の運動については以上のように理解することができるが、クルックス管内部は陽イオン・電子・中性原子が相互作用し合う非平衡プラズマになっているため、その運動を細部まで完全に記述するのは容易ではない。Pa)より高くなると、プラズマの作用により、圧力の値に応じて異なる色を持つ各種のグロー領域が生まれる(右図)。その詳細については20世紀初頭にプラズマ物理学が発展するまで理解されなかった。歴史[編集]クルックス管の前身となったガイスラー管は現代のネオン管に似た実験用放電管である。Pa)程度の低真空で動作するため[7]、管内の電子は少しの間飛んだだけで気体分子と衝突する。したがって電子の流れはゆっくりした拡散過程によって行われる。電子は繰り返し気体分子と衝突しながら進むので、運動エネルギーがそれほど高くなることはない。このような事情によりガイスラー管では陰極線のビームが作られることはない。その代わり、電子が気体分子に衝突してそれらを励起させ、光を放出させることで、管内は鮮やかな色を持つグロー放電で満たされる。1902年のバニティ・フェアに掲載されたカリカチュア。クスとその発光管の名声を物語っている。ラテン語のキャプション「ウビ・クルクス・イビ・ルクス」、すなわち「クルックスあるところに光あり」が添えられていた。atmにまで向上させた(ただし、ほかでも同様の研究は行われていた)。その結果、管内の圧力を下げていくにつれて、プラズマの陰極近辺から発光しない領域が広がり始めて管全域を覆い尽くし、代りに陽極側のガラス管底が発光し始めることが発見された。この暗領域は現在「クルックス暗部」と呼ばれている。ここで起きているのは以下のようなことである。管内の空気が排気されるにつれて、陰極から飛び出した電子の運動を妨げる気体分子の数が減っていき、電子が衝突するまでに進む平均距離が長くなる。気体分子は衝突によって光を放出するので、クルックス暗部が管全域を覆い尽くしたとき、電子は陰極から陽極まで衝突することなく直進している。衝突によってエネルギーを失うことがなくなり、またクルックス管は電圧が高いことから、電子は相当な速度にまで加速される。管の端の陽極に差しかかったとき、大多数の電子はその横を飛び過ぎてガラスの内壁にぶつかる。電子そのものは目に見えないが、電子がガラス壁にぶつかるとガラスを構成する原子が励起され、黄緑色の蛍光を放出する。後の研究者はビームスポットを見やすくするためにクルックス管の管底に蛍光塗料を塗った。この思わぬ蛍光現象により、管内にある陽極などの物体が蛍光スポットにくっきりした影を映すことが発見された。1869年、ヒットルフは陰極から何らかの直進するビームが出ていなければ影は作られないことを初めて指摘した[9]。1876年、ゴルトシュタインは何かが陰極から放出されていることを確かめ、「陰極線」(Kathodenstrahlen)と名付けた[10]。その当時、既知の粒子の中で最小のものは原子であり、電子の存在は知られておらず、電流が何によって運ばれているかは謎だった。そんな中、陰極線の性質を探求するために様々な工夫を凝らしたクルックス管が作製された(後の節を参照)。真空中を弾道的に飛ぶ電子は導線を流れる電子よりも研究対象として手ごろであり、その性質は次々と暴かれていった。色鮮やかな光を発する放電管は、最新の電気科学の神秘を紹介する公開講座においても人気を博した。蛍光鉱物を材料としたり、蛍光塗料で蝶の絵が描かれるなどの装飾的なクルックス管も作製され、各種の蛍光物質が放つ多彩な色の光で観衆の目を楽しませた。1895年、レントゲンはクルックス管から放出されているX線を発見した。X線に様々な使い道があることはすぐに明らかになり、ここでクルックス管に初めて実用的な用途が生まれた。クス管の動作は不安定で信頼性に欠けていた。陰極線のエネルギーと流量はどちらも残留気体の圧力に左右された。時間とともに気体分子は管の壁に吸収されていくため、圧力が減少することで陰極線の放出量は減少していった。管内の電位差も上昇するため、陰極線はより「硬質」な(エネルギーの高い)ものとなる。そのうち圧力がさらに低下するとクルックス管はまったく動作しなくなってしまう。これを防ぐため、X線管のように使用頻度の高いクルックス管では、少量の気体を放出して機能を回復させる調節器("softener")が組み込まれていた。Pa)程度の圧力で動作した。この圧力では気体分子が少なすぎるため電離による伝導は行われない。その代り、より信頼性の高い電子源として、熱陰極と呼ばれる加熱用フィラメントからの熱電子放出を利用していた。現代では、クルックス管のように電離によって陰極線を作る方式は、サイラトロンのような特殊な気体放電管でしか用いられていない。クス管で開発された電子線操作技術は、後の時代の真空管、中でもフェルディナント・ブラウンが1897年に発明したブラウン管に生かされている。X線の発見[編集]1910年ごろのクルックスX線管。