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真空电子学属于电子学，是研究电子在真空或广义真空环境中运动时与场和物质相互作用的学科，研究内容涉及相关的原理、材料和技术，以及相应的器件和设备等。真空电子学的开端可以追溯到19世纪末20世纪初，当时科学家们开始研究真空中电子的行为，电磁波和电子的发现为真空电子学的诞生奠定了基础。1858年，普吕克根据真空放电现象发现了阴极射线；1864—1865年，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并提出了电磁波辐射理论和光的电磁波学说；1883年，爱迪生发现了灼热灯丝发射带负电粒子的现象，即爱迪生效应；1887年，赫兹用火花隙振荡器产生电磁辐射，证实了电磁波的存在；1897年，约瑟夫·约翰·汤姆孙研究认定阴极射线为带负电的粒子（电子）组成的流，标志着自由电子的发现。
有线通信和无线电通信的发展促进了真空电子学的诞生。1837年，莫尔斯发明了电报机；1876年贝尔发明了电话机，开创了人类电通信的历史；1895年，英国的马可尼和俄罗斯的波波夫分别进行了无线电波传播实验；1901年，马可尼的横贯大西洋的无线电报实验获得成功；1906年，费森登用调制无线电波发送音乐和讲话，完成了历史上最早的无线电广播实验。通信技术的日益发展迫切需要性能优良的信号源、检波器，这催生了电子管的发明。
1904年，英国的弗莱明发明了二极电子管（后文简称二极管），用作检波器，这是最早的电子管。1906年，美国的德福雷斯特发明三极电子管，它是能够产生和放大电磁波的有源器件，后来成为无线电装备的核心器件。电子管的发明拉开了电子科学技术新时代的序幕。
由于受到电子惯性、电极本身及其导线的分布阻抗的影响，基于静电控制原理的电子管工作频率的提高受到极大限制。20世纪20年代起，科研人员相继发明了磁控管、速调管和行波管等动态控制微波电子管。它们利用渡越时间效应使电子注群聚，利用谐振腔等分布参数电路代替集总参数电路，大大提高了器件的工作频率和功率。这些动态控制微波真空电子器件的发明和发展，大大推动了雷达、通信系统、广播系统和加速器等微波电子系统的发展。
由于受到器件尺寸、材料和工艺技术的限制，磁控管、速调管和行波管等微波真空电子器件在产生毫米波和更短波长电磁波方面遇到了很大困难。为了克服上述技术困难，1958—1959年，澳大利亚的特威斯、美国的施奈德和苏联的伽波诺夫分别独立地预测与提出了以电子在静磁场中做回旋运动的相对论效应为基础的电子回旋谐振受激辐射的机理。1965年，这一机理得到了实验证实。随后，苏联科学家利用电子回旋谐振受激辐射这一机理做出了回旋管，这也是第一个重点发展的电子回旋脉塞器件。由于在毫米波段及亚毫米波段表现出来的卓越性能，回旋管为毫米波、亚毫米波在雷达系统、毫米波通信、高功率微波系统、受控热核聚变等领域的应用起到了很大的推动作用，因此得到了世界各国的重视，并先后开展了回旋管的理论和应用研究。
在各种类型微波真空电子器件发展的同时，包括微波电子学、阴极电子学、电子光学、微波理论和技术、真空材料和工艺等学科和技术在内的真空电子学获得了快速发展，为解决电子注与高频电路相互作用、电子发射、电子注的形成和聚焦、高频互作用电路、器件的材料和焊接工艺等科学技术问题奠定了理论和技术基础。
电子管是一种最早出现的电信号放大器件。1904年，英国物理学家弗莱明在爱迪生效应的基础上制成了第一个电子管——灵敏检波二极管（见图1-1），标志着世界开始进入电子时代。这个二极管包括一个发射电子的灯丝和一个阳极。灯丝被加热到一定温度后，可以发射电子。阳极被放置在离灯丝不远处。灯丝和阳极都被置于真空中。当灯丝处于负电位，阳极处于正电位时，灯丝发射的电子将被阳极所吸引并收集，使连接此二极管的外电路导通。当灯丝处于正电位，而阳极处于负电位时，灯丝发射的电子将不能到达阳极，二极管不导通，因而外电路也不导通。此二极管被用于无线电通信系统作为检波器，极大地提高了系统的灵敏度和可靠性。
图1-1 弗莱明发明的二极管
1906年，美国发明家德福雷斯特在弗莱明二极管的灯丝和阳极之间放入了一个栅极，从而发明了三极电子管（见图1-2）。当栅极上存在小的电压变化时，阳极上可得到相应的大的电压变化，也就是说栅极上的电压信号被放大了。这是人类获得的第一个电子信号放大器。因此，许多人将三极电子管的发明看作电子工业真正的起点。三极电子管为人们打开了信号放大与调制的大门，成为20世纪初最伟大的发明之一。三极电子管的问世推动了无线电电子学的蓬勃发展。到1960年前后，国外的无线电工业年产约10亿个无线电电子管。电子管除了被应用于电话放大器、海上和空中通信，还广泛渗入家庭娱乐领域，将新闻、教育节目、文艺和音乐等播送到千家万户。就连飞机、雷达、火箭的发明和进一步发展，也有电子管的一臂之力。
图1-2 三极电子管
三极电子管的发明和改进使其能在射频波段提供几千瓦到几十千瓦的功率输出，为广播电台的建立提供了核心器件。1920年，西屋电气公司（Westinghouse Electric Corporation）在匹兹堡建立了第一个广播电视台，到1924年就有约500家广播电视台在美国建立。
阴极射线管（CRT）是另一类电子管，它利用电子在真空中的运动受电场和磁场控制，以及电子轰击荧光屏发光的原理，在荧光屏上再现被传输的图像。1930年，美国开始研究黑白电视，到20世纪40年代黑白电视开始试播，第二次世界大战以后得到了普及。
随着科技的发展，人们对生产机械的要求向体积越来越小的方向发展，而电子管的体积大，且在移动过程中容易损坏，于是人们开始寻找和开发可替代电子管的产品。后来，晶体管的出现使越来越多的机械不再使用电子管。晶体管的出现是人类在电子学方面一个大的飞跃。
微波管是一种用于产生、放大和调制微波信号的电子器件，它经历了4个关键阶段。
微波管的概念起源于20世纪初期的无线电技术研究。在这个阶段，人们开始意识到电子管可以用来生成和调制无线电频率信号。1904年，英国物理学家约翰·弗莱明发明了真空二极管（又称弗莱明管）。这是最早的电子管，能够实现电流的单向导通，为电子管技术的发展奠定了基础。1906年，美国发明家李·德福雷斯特在真空二极管的基础上增加了栅极，发明了真空三极管，实现了信号的放大功能。真空三极管的发明标志着电子管技术的重大突破，为后续微波管的发展提供了理论和技术支持。
随着理论研究的深入与雷达技术应用需求的增长，微波管的研究进入快速发展阶段，人们研制出了多种基于电子注与高频结构互作用的微波管。1921年，美国科学家阿尔伯特·赫尔发明了磁控管。这种器件能够高效产生微波信号，极大地提升了雷达的性能。1937年，美国发明家拉塞尔·瓦里安和西格德·瓦里安兄弟发明了速调管，早期应用于雷达和通信系统的微波信号放大。1943年，鲁道夫·康夫纳发明了行波管，实现了宽频带微波信号的放大。1946年，美国贝尔实验室改进了速调管结构，开发出反射速调管，应用于早期微波振荡器。1949年，返波管理论初步形成，后续由贝尔实验室等团队完善并通过实验验证，最终返波管成为毫米波和太赫兹信号源的核心器件。
20世纪50年代起，微波管技术进入成熟阶段，应用领域迅速扩展：磁控管逐渐被广泛应用于微波炉、雷达和通信系统，速调管和行波管开始成为卫星通信、电视广播和科学研究中的重要器件，返波管则开始被应用于毫米波辐射源及其频谱分析系统。1957年，苏联发射第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”，它的通信系统中采用了行波管，标志着微波管在空间通信中的首次应用。到了20世纪60年代，微波管技术进一步发展，特别是在高功率和宽频带领域；行波管成为卫星通信的核心器件，支持了全球通信网络的建设；速调管在粒子加速器和高能物理实验中得到广泛应用。随着核聚变研究的推进，需要频率更高（毫米波、太赫兹）和功率更高的微波源，而传统微波管无法满足需求，在此背景下，苏联科学家基于电子回旋脉塞机理发明了回旋管。
20世纪70年代，固态器件（如双极型晶体管、场效应晶体管和集成电路）的快速发展对微波管构成了挑战。在低功率领域，固态器件因体积小、功耗低、造价低、可集成的优势在诸多领域逐渐取代了微波管。尽管如此，微波管在高功率和高频率领域仍保持优势，特别是在雷达、卫星通信和科学研究中。20世纪80年代，微波管技术继续改进，应用领域进一步扩展。行波管和速调管在电子装备和空间通信中仍不可替代。磁控管在工业加热、医疗设备及家用微波炉中得到广泛应用。回旋管则开始应用于核聚变实验装置（如托卡马克）中的电子回旋共振加热。
20世纪90年代，微波管技术在高功率和特殊应用中继续发展。行波管和速调管在卫星通信、雷达等应用中占据重要地位。微波管在医疗设备（如癌症治疗中的微波热疗）和工业加热领域得到应用。进入21世纪，微波管技术进一步优化，应用领域更加多样化。例如，在粒子加速器[如欧洲核子研究中心（European Centre for Nuclear Research）的大型强子对撞机]中，速调管被用于提供高功率微波信号。在空间通信中，行波管放大器是卫星通信系统的核心部件。返波管在太赫兹通信、成像及光谱分析研究中发挥着重要作用。随着新材料、新工艺、新结构的发展，微波管在高频率、大功率、小型化的太赫兹源技术与应用领域正展现出新的潜力。
下面从速调管的发明来看微波管的崛起。起初，人们想要利用普通的栅控电子管来产生波长更短的振荡，或者在微波频率下进行放大。但是，一些原来没有料到的现象出现了：普通栅控电子管在频率提高时，输出功率迅速减小。进一步研究表明：电路和电子运动两个方面的问题导致栅控电子管在频率提高时性能变差。
（1）电路方面。栅控电子管通过金属电极和导线与外电路连接。任何一根金属导线都有一定的电感，并且电感与导线的长度和直径有关：导线越长，电感越大；导线越细，电感也越大。一根直径为1mm、长为3cm的导线，电感约为0.025μH。在频率低时，它的影响的确是微乎其微的。在1GHz频率下，这根导线的感抗则会高达157Ω。所以，栅控电子管里的导线在微波频率下会使电子管的输入电压和输出电压下降。此外，相隔一定距离的两块通电金属板之间具有一定的电容，栅控电子管工作时，各个电极之间也有一定的电容，叫作极间电容。栅控电子管的导线电感与极间电容一起决定了电子管的固有振荡频率。在这个频率下，栅控电子管的输入端等效于短路。如果向电子管输送的信号频率等于电子管固有振荡频率，信号就无法输入。
（2）电子运动方面。电子从一个电极到达另一个电极所需要的时间，叫作电子的渡越时间。在栅控电子管中，电子从阴极发出，经过栅极到达板极。在工作频率比较低时，信号的振荡周期比电子的渡越时间长得多，电子在飞越电极之间这段距离时，电极上的电压可以认为是恒定不变的。这时，可完全不必考虑电子渡越时间。当电子渡越时间与信号周期相等时，电子飞行途中电极上的电压已经改变了极性，所以电子并不是总向前飞。即使渡越时间缩短到信号周期的一半，如果在电子飞到中途时信号改变极性，那么电子的能量变化也会很小。只有当渡越时间小于信号周期的1/4时，才有大量的电子在信号场的作用下有效地输出它们的能量。显然，为了使栅控电子管能够在更高频率下工作，应该设法缩短电子渡越时间。缩短电子渡越时间有两种方法，一种方法是缩短电极之间的距离；另一种方法是让电子飞得更快些，这就要增大电极间的电压。这两种方法都存在一些限制，所以缩短渡越时间不能从根本上解决栅控电子管所遇到的困难。
为了克服上面出现的困难，众多研究人员做了大量尝试。1937年美国的瓦里安兄弟制出了世界上第一个双腔速调管。图1-3所示为他们在1944年发表的双腔速调管振荡器。他们首先让电子注穿过一个加载高频信号的金属间隙，使之获得速度调制，然后让电子注漂移一段时间，在这期间，后出发的高速电子追上先出发的低速电子，形成电子群聚，这样就在电子注中产生了密度调制。受到密度调制的电子注具有显著的高频电流分量，当它通过第二个金属间隙时，高频电流会在间隙上激励起新的高频信号，这样电子注就将能量交给了高频场，完成放大或振荡的任务。其实最早提出电子注速度调制原理的是德国的奥斯卡和海尔。他们在1933年就提出了这种原理，可惜没有进行应用研究。
（a）双腔速调管的结构
（b）1944年的双腔速调管振荡器实物
图1-3 双腔速调管的结构和双腔速调管振荡器
图1-3（b）是1944年的双腔速调管振荡器实物，左边是电子枪，右边是收集极，两个空腔谐振器位于中心，通过同轴电缆连接以提供正反馈。连续波速调管的功率从几百瓦到几百千瓦的都有，脉冲速调管可以达到20MW峰值功率。多腔速调管的增益最高可达70dB（1000万倍）。多腔速调管被广泛用于雷达发射机和微波通信，还用于激励粒子加速器和介质加热。
多腔速调管由电子枪、聚焦线圈、高频输入谐振腔、中间谐振腔、高频输出谐振腔、各谐振腔之间的漂移管、收集极等部分组成（见图1-4）。
图1-4 多腔速调管的结构
高频信号由同轴线传送到输入谐振腔，在漂移管端部的隙缝上建立起高频场。当电子枪发射的电子注飞经隙缝时，如果这一瞬间隙缝上的是加速场，电子就被加速，反之，电子被减速。因此，在输入谐振腔隙缝，电子受到高频场的速度调制。飞过输入谐振腔隙缝以后，电子进入漂移管，在漂移过程中，被加速的电子赶上了被减速的电子，在电子注中形成密度调制。这个已经群聚的电子注在通过第二个谐振腔时，在谐振腔隙缝上建立起感应电压，使电子注进一步受到速度调制。为了提高速调管的增益，可以采用多个中间谐振腔。输出谐振腔与传输线（如波导或同轴线）耦合，经传输线把产生的功率送到需要的地方。
1939年，英国沿海建立了许多雷达站。采用定向发射的电磁波照射100多千米以外的空中目标，从反射的回波中获得敌机位置、方向和速度等有用信息。这就是最早建立的雷达探测系统。如何获得高功率微波源是制造雷达探测系统必须首先解决的问题。这些雷达站采用的是栅控电子管，工作波长大约为10m，能够产生相当大的脉冲功率。但是，雷达天线体积太大，探测精度不高。
英国物理学家布特和兰道尔看着这些雷达站，产生了创造一种微波管的念头。他们回到英国伯明翰大学以后，在1939年10月成立了微波管课题组，目标是产生波长为10cm或更短的电磁波。
1939年11月，一个崭新的设想萌发了：既然速调管和原始的磁控管都有优点，那么，能不能把这两种管子的优点结合在一起，同时又避免它们各自的缺点，创造一种新型微波管？他们设想的这种新型微波管，就是采用谐振腔的磁控管。随之而来的一个问题是：在这种磁控管里，用什么样的谐振腔？
布特和兰道尔在创造新型谐振腔时，仍从已有的知识出发。他们想起了赫兹在1887年所做的实验，实验中使用了简单的、开口的圆环谐振器。布特和兰道尔想到，把许多赫兹谐振器并排放在一起，变成一个开槽的圆柱形腔体，它一定也是一个谐振器！把一些这样的腔体放置在阴极的外围，能不能做出磁控管？
他们把自己的设计付诸实践，首先于1939年11月做出了第一个阳极块，随后制成了第一个连续波磁控管。经过反复的试验，终于在这种谐振腔磁控管中产生了很大的微波功率，微波功率辐射到实验室里，把氖泡点亮了！经过测量，第一个谐振腔磁控管所产生的微波信号的波长是9.8cm，功率达到400W。后来，经过进一步的重大改进。1940年，在装有波长为10cm的磁控管的实验雷达被制造出来了。因此，磁控管的发明是使雷达跨进微波波段的关键一步。如今，人们使用的微波炉中就采用了磁控管。当前流行的多腔磁控管如图1-5所示。
图1-5 多腔磁控管
在几种主要的微波管中，行波管出现得最晚。虽然原始的行波管在1943年就已经被制造出来，但是，真正实用的管子到20世纪50年代初期才投入使用。虽然对第二次世界大战来说，行波管是姗姗来迟了，但是战后它在雷达、通信、电视、广播等方面大显身手。今天，行波管的产值占了所有微波管总产值的一半以上。
康夫纳在1909年生于奥地利维也纳。他原在奥地利攻读建筑学，1934年到英国伦敦继续深造，后来从事建筑师的职业。1941年，有人为康夫纳谋求了一份工作，即在英国伯明翰大学研究电子管。为了提升速调管放大器的灵敏度，康夫纳开始如饥似渴地涉猎电子管方面的知识。他读遍了阴极射线管的著作，查阅了当时已经发布的速调管和磁控管的文献，认真地思考这些电子管的工作原理，还研究了电子管中的电子渡越时间效应。一年后，他提出了一种新的方案：让高频场和电子前进的速度一致，使电子在向前飞行的全部时间内都与高频场发生作用。
为了达到降低电磁波传播速度的目的，康夫纳提出了原始的螺旋线结构。他花了许多个日夜来研究这种电子与高频场连续的相互作用可能产生的结果，进行了一系列的分析、计算，最终证明用螺旋线结构可以使输入功率得到放大。1943年，康夫纳研究的管子在一次实验加电后，从螺旋线输出的功率比输入功率大了约40%。功率放大约40%，这在今天看来是微不足道的，但对刚刚出世的新原理来说，是一个可喜的苗头！
后来，康夫纳的行波管得到了稳定的放大，功率增益达到10倍，已经高于他们原来制作的速调管。康夫纳又对管子的频带宽度进行了测试，发现在他所用的信号源的60MHz范围内，行波管都能稳定地工作。康夫纳意识到，行波管的放大特点是频带宽度。至此，一种宽带的新型微波管——行波管诞生了。
今天，人们已能创造各种波长的行波管，波长从1m到300μm（对应的频率为300MHz到1THz），有的行波管能达到8个倍频程带宽，有的增益可以达到60dB（100万倍），大功率行波管的脉冲功率可达兆瓦级，连续波功率达几十千瓦。
行波管由电子枪、慢波结构（Slow Wave Structure，SWS）、输入和输出装置、收集极和聚焦系统等部分组成（见图1-6）。
图1-6 行波管的结构
电子枪用来产生一个高直流能量的电子注，电子注进入慢波结构中。同时，高频信号经输入装置进入慢波结构。在慢波结构中，高频信号以与电子注近乎相同的速度前进，两者的速度一般等于自由空间中电磁波速度（光速）的2%～10%。中、小功率行波管可以采用宽频带的螺旋线、环杆线等慢波结构，大功率行波管通常采用耦合腔慢波线。电子注与慢波结构中的高频场发生连续的相互作用，使电磁波在慢波线里按指数规律迅速增长。输入信号被放大后经输出装置送到管外微波系统。电子注从慢波线出来以后，被收集极收集。聚焦系统的功能是使电子注在保持所需要的截面形状和尺寸下顺利通过慢波线，完成与高频场的相互作用。行波管的聚焦磁场可由线圈或永久磁铁来提供。
行波管具有增益大、频带宽、噪声低等优点，在雷达、通信、导航、遥测等领域得到广泛应用。
除了上述器件，还有很多其他类型的真空电子器件，如电子注管、光电管、X射线管等。
显像管是电子注管的一种，它通过电子注扫描荧光屏，将电信号转换为可见光图像，常在电视、显示器等设备中使用。
光电管是基于光电子发射现象，将光信号转换为电信号的器件，可用于光电探测、太阳能电池等领域，实现光信号的检测和能量转换。
X射线管是一种能够产生X射线的真空电子器件。它主要由阴极、阳极和高真空的玻璃管壳或金属管壳组成。阴极通常是由加热丝和发射电子的灯丝构成，当阴极被加热时，灯丝会发射出电子。阳极一般是由高原子序数的金属制成的靶面，当电子在高电压的作用下从阴极加速飞向阳极，并撞击阳极靶面时，由于电子会突然减速，高速电子的部分动能会被转化为X射线辐射出来。在医疗领域，X射线管是医生的得力助手。它能够发射出穿透力极强的X射线，帮助医生清晰地看到人体内部的骨骼、器官等，为准确诊断疾病提供关键依据。从骨折的检测到肺部疾病的筛查，从牙科的诊断到肿瘤的定位，X射线管在医疗诊断中发挥着不可替代的作用。在工业领域，X射线管同样表现出色。它可以用于检测材料的内部缺陷，如检测金属铸件中的气孔、裂纹等，确保工业产品的质量和安全性。在航空航天、汽车制造、建筑等行业，X射线管能够帮助工程师及时发现潜在问题，提高产品的可靠性和耐久性。