四極真空管（よんきょくしんくうかん、以後、四極管と略す）は、4つのアクティブ電極を持つ真空管で、4つの電極は上面中央から見て外側に向かって順に、熱電子カソード、1番目のグリッド（制御グリッド）、2番目のグリッド（スクリーン・グリッド）、プレート(アノード)である[1]。四極管にはいくつかの種類があるが、最も一般的なものはスクリーン・グリッド管とビーム四極管
である。その他の四極管では、グリッドの1つが制御グリッドであり、もう1つのグリッドをどう機能させるかという設計意図によってさまざまな働きをする四極管が登場する。四極管は、三極真空管（以後、三極管と略す）の限界を修正するために、最初の増幅真空管である三極管に追加のグリッドを追加することによって、1920年代に開発された。1913年から1927年にかけて、3つの異なるタイプの四極管が登場した。すべてに通常の制御グリッドがあり、その機能はプレートからカソードへ流れる電流（電子はカソードからプレートへ移動）を制御することであったが、もう1つのグリッドをどう機能させるかという設計意図によってさまざまな働きをする四極管が登場することになる。
歴史的な出現の順に、空間電荷グリッド真空管、バイグリッド真空管、スクリーングリッド真空管である。このうち最後のものは、用途の異なる分野を持つ2つの異なる型番として登場した。中波帯域、小信号増幅に使用されたスクリーングリッド真空管と、後に登場し、オーディオまたはラジオに使用されたビーム四極管である。前者はすぐにRF五極真空管に取って代わられたが、後者は当初、五極真空管に代わるオーディオパワー増幅用として開発された。ビーム四極管は、高出力の送信管としても開発された。
四極管は、1960年代と70年代にトランジスタが真空管に取って代わるまで、ラジオ、テレビ、オーディオシステムなどの多くの家電製品で広く使用されていた。ビーム四極管は、ごく最近まで、オーディオアンプや無線送信機などの電力出力用途で使用されていた。
動作原理・機能アマチュア無線送信機の4-1000A1KWラジアルビームパワー四極管
四極管は、その開発のもととなった三極管と同様の方法で機能する。ヒーターまたはフィラメントを流れる電流がカソードを加熱し、熱電子放出によって電子を放出する。正の電圧がプレートとカソードの間に印加され、カソードから2つのグリッドを通過してプレートに電子が流れる。制御グリッドに印加される電圧を変化させることで、この電流が制御され、したがってプレート電流の変動を引き起こす。プレート回路に抵抗性またはその他の負荷があると、変化する電流によってプレートの電圧が変化する。適切なバイアスを使用すると、この電圧は、制御グリッドに印加される電圧が増幅された(ただし反転された)状態になり、電圧利得が得られる。
四極管では、もう1つのグリッドの機能は四極管の設計意図によって違ってくる。これについては以下で説明する。 空間電荷グリッド管は、登場した最初のタイプの四極管であった。リー・ド・フォレストのオーディオン三極管の動作に関する研究の過程で、アーヴィング・ラングミュアは、加熱された熱陰極の動作がカソードの周囲に空間電荷または電子の雲を生成することを発見した。この雲は仮想陰極として機能した。印加されたプレート電圧が低いと、空間電荷の電子の多くがカソードに戻り、プレート電流には寄与しなかった。その外側の限界にあるものだけがプレートによる電界の影響を受け、プレートに向かって加速される。しかし、低い正の印加電位(約10V)を保持するグリッドをカソードと制御グリッドの間に挿入すると、空間電荷をカソードからさらに遠ざけることができる。これには2つの有利な効果があり、どちらも空間電荷の電子に対する他の電極(プレートと制御グリッド)の電界の影響に関連している。第1に、プレート電流の大幅な増加は、低いプレート電圧で達成できる。真空管は、より低い印加プレート電圧でうまく機能するように作成できる[2]。第２に、真空管の相互コンダクタンス（制御グリッド電圧に対するプレート電流の変化率）が増加した。後者の効果は、真空管から得られる電圧利得を増加させるため、特に重要である[3][4][5]。 空間電荷グリッド管は、真空管の時代を通じて有用なデバイスであり続け、12V電源から直接動作するカーラジオなどのアプリケーションで使用された。同じ原理が、五極管などの他のタイプの複数グリッド管にも適用された。例として、シルバニア12K5は「空間電荷動作用に設計された四極管」と説明され、12Vの自動車用バッテリーから直接電源をとる電力増幅管としての機能を意図している。空間電荷グリッド管は、プレート供給電圧と同じ+12Vで動作した[6]。 空間電荷グリッド四極管のもう1つの重要な用途は、極小電流を検出および測定するための電流計用であった。たとえば、FP54について次のように謳っている。「空間電荷グリッド管...非常に高い入力インピーダンスと非常に低いグリッド電流を持つように設計されています。これは、特に約10?9 空間電荷グリッドがエレクトロメータ四極管の制御グリッド電流を下げるメカニズムは、カソードで発生した正イオンが制御グリッドに到達するのを防ぐためである[8]。 空間電荷グリッドが三極管に追加されると、結果として得られる四極管の最初のグリッドは空間電荷グリッドであり、2番目のグリッドは制御グリッドである。 バイグリッド型の四極管では、両方のグリッドが電気信号を運ぶことを目的としているため、両方とも制御グリッドである。英国で最初に登場した例は、HJRoundによって設計されたMarconi-OsramFE1で、1920年に発売された[5]。この真空管は、同じ真空管がRFアンプ、AFアンプ、およびダイオード検出器の複数の機能を実行する反射回路(たとえば、単一真空管のシップレシーバーType91[9])で使用することを目的としていた。RF信号は1つのコントロールグリッドに適用され、AF信号はもう1つのコントロールグリッドに適用された。このタイプの四極管は、スクリーングリッド真空管が登場して受信機の設計に革命が起こる前の時代に、多くの想像力豊かな方法で使用されていた[10][11]。バイ・グリッド型四極管AM送信機としてバイ・グリッド四極管発振器を使用した回路 1つのアプリケーションを図に示する。これは、第2グリッドとプレートが電力発振器を形成し、第1グリッドが変調電極として機能するAM電話送信機として認識できる。真空管のプレート電流、つまりRF出力振幅は、カーボンマイクロフォンから得られるグリッド1の電圧によって変調される[12]。このタイプの真空管は、ダイレクトコンバージョン無線電信（CW）受信機としても使用できる。ここでは、第2グリッドがアンテナに結合されている間に、第1グリッドとプレートの間の結合の結果として真空管が発振する。低周波（AF）発振周波数はヘッドフォンで聞こえる。真空管は自励発振プロダクト検出器として機能する[13]。バイグリッド真空管のもう1つの非常によく似たアプリケーションは、初期のスーパーヘテロダイン受信機の自励発振周波数混合器としてのもので、1つの真空管で発振と混合を行うものであった[14]。バイグリッド真空管のプレート電流は、最初のグリッドの信号と2番目のグリッドの発振器電圧の両方に比例するため、必要な2つの信号の乗算が達成され、中間周波数信号はプレートに接続された同調回路によって選択される。これらのアプリケーションのそれぞれで、バイグリッド四極管は不平衡アナログ乗算器として機能し、プレート電流は、両方の入力信号を通過させることに加えて、グリッドに適用された2つの信号の積を含むことになる。 現代のスーパーヘテロダイン受信機（中間周波数が超音波周波数であったため、元々は超音波ヘテロダイン受信機と名付けられていた）の原理は、1917年にフランスでルシアン・レヴィ スーパーヘテロダインが発明された最初の理由は、スクリーングリッド真空管が登場する前は、増幅真空管、そして三極管が無線周波数(つまり、100kHzをはるかに超える周波数)をミラー効果によって増幅するのが困難であったことだった。 スーパーヘテロダイン方式では、着信無線信号をそのまま増幅するのではなく、最初に一定のRF発振器(いわゆる局部発振器)と混合して、通常3kHzのヘテロダインを生成した。この中間周波（IF）信号は、入力信号と同じ包絡線を持っていたが、搬送周波数がはるかに低くなるために、三極管を使用して効率的に増幅することができる。検出されると、高周波無線信号の元の変調が得られる[16]。やや複雑な技術であったが、スクリーングリッド四極管が同調無線周波数(TRF)受信機を実用化したときに人気がなくなった。しかし、スーパーヘテロダインの原理は1930年代初頭に、より優れた選択性などの他の利点が評価されるようになったときに再浮上し、ほとんどすべての最新の受信機はこの原理で動作するが、アンプを備えたより高い中間周波数(場合によっては元のRFよりも高い)で動作する。(四極管など)高(無線)周波数信号の増幅における三極管の限界を超えている。
空間電荷グリッド真空管
アンペアより小さい直流電流の増幅用に設計されていて、5x10?18
アンペアの微弱電流を測定できることがわかっています。プレート電圧12V、空間電荷グリッド電圧+4Vで動作し電流増幅率は250,000です」[7]
バイグリッド真空管
スーパーヘテロダイン受信機
