Amélioration des filaments

Le principal problème pour la fiabilité d'un tube tient à son filament ou à sa cathode (selon le type de tube) qui est lentement « empoisonné » par les atomes des autres éléments du tube, ce qui détruit sa capacité à émettre des électrons. S’il reste des gaz dans le tube ou si des gaz enfermés dans les métaux s'échappent, ils peuvent abîmer la cathode (ou le filament pour un tube à chauffage direct) ou bien créer des courants parasites entre l'anode et d'autres éléments du tube en se ionisant. Le vide « fort » et la bonne sélection des métaux utilisés ont une grande influence sur la durée de vie du tube (la cathode d'un tube ne s'épuise pas comme le filament d'une lampe ; la cathode est usée quand elle ne produit plus suffisamment d'électrons et non pas quand son filament est grillé, ce qui peut arriver mais est beaucoup plus rare).

Les gros tubes d'émission (transmitting tubes en anglais) ont des filaments en tungstène thorié, c’est-à-dire que le filament contient des traces de dioxyde de thorium. Une fine couche de thorium recouvre la surface quand le filament est chauffé, constituant une source d'électrons plus importante que du tungstène seul. Le thorium s'évapore lentement de la surface du filament, pendant que de nouveaux atomes de thorium diffusent vers la surface pour les remplacer. Ces cathodes en tungstène thorié ont normalement une durée de vie de plusieurs dizaines de milliers d'heures. Le record appartient à une tétrode de puissance Eimac utilisée dans l'émetteur d'une station de radio de Los Angeles, qui fonctionna durant 80 000 heures.

Dans les petits tubes de « réception » (receiving tubes en anglais), les cathodes sont recouvertes d'un mélange d'oxydes de baryum et de strontium. Un filament de chauffage est inséré au milieu de cette cathode, et est isolé électriquement de celle-ci. Cette structure complexe permet l'émission d'électrons par les atomes de baryum et de strontium diffusés à la surface du tube, lorsque celle-ci est chauffée à environ 780 °C.

Pour obtenir la fiabilité nécessaire pour la fabrication des premiers ordinateurs (les ordinateurs Whirlwind), il était nécessaire de construire des tubes spéciaux pour cet usage avec une cathode à grande durée de vie. La faible durée de vie de la cathode était due à l'évaporation du silicium, utilisé dans le tungstène. Cet alliage permettait une mise en forme plus facile du filament. L'élimination du silicium du fil chauffant autorisa la production de tubes suffisamment fiables pour le projet Whirlwind. Les tubes issus de ce développement suivirent plus tard leur route dans le grand ordinateur SAGE de la défense aérienne américaine. Le nickel très purifié (pour la plaque) et des revêtements de cathode sans matières qui puissent empoisonner l'émission d'électrons (comme les silicates et l'aluminium) contribuèrent aussi à la durée de vie de la cathode. Le premier ordinateur à tube de ce type fut le 7AK7 de Sylvania qui date de 1948. À la fin des années 1950 cette technologie était courante pour les tubes « petits signaux » de qualité supérieure qui pouvaient fonctionner plusieurs centaines de milliers d'heures.

Maintien du vide

Un autre problème important pour la fiabilité est celui de l'entrée d'air dans le tube. Normalement, le dioxygène de l'air réagit chimiquement avec le filament chaud ou bien avec la cathode, entraînant une destruction rapide. Les concepteurs ont toutefois beaucoup travaillé pour construire des tubes avec une étanchéité durable. C'est pour cela que la plupart des tubes étaient en verre. Les alliages de métaux comme le Cunife et le Fernico, et les verres qui étaient développés pour les ampoules d'éclairage, possèdent les mêmes coefficients de dilatation, ce qui permet de construire facilement une enveloppe hermétique, et permet le passage des électrodes.

Il est important que le vide dans le tube soit aussi parfait que possible. N’importe quel atome de gaz restant sera ionisé (car la tension utilisée est importante), et conduira l'électricité d'une manière incontrôlable entre les différents éléments du tube. Cela peut mener à un fonctionnement erratique et même à la destruction du tube et des circuits environnants. L'air non absorbé s’ionise quelquefois en formant une décharge visible rose-violette entre les éléments du tube.

Pour empêcher l'apparition de gaz quels qu'ils soient (petite fuite au niveau de la sortie des broches ou gaz contenu dans les métaux constituant le tube), les tubes contemporains sont construits avec un « piège à gaz » (ou getter en anglais), qui est normalement petit, a souvent la forme d'une coupelle, laquelle est remplie lors de la fabrication avec des métaux qui s'oxydent rapidement, le baryum étant l'un des plus communs. Une fois le vide fait dans le tube et l'enveloppe fermée, le getter est chauffé à haute température (souvent avec un chauffage par induction à haute fréquence) provoquant l'évaporation du métal, absorbant les gaz résiduels par réaction chimique et déposant souvent une tache de couleur argentée sur la paroi du tube. Le getter poursuit son travail d'absorption des gaz résiduels durant toute la vie du tube. Si l'enveloppe du tube est cassée, le dépôt devient blanc par réaction avec le dioxygène contenu dans l'air. Les gros tubes de transmission et les tubes spécialisés utilisent des techniques similaires.

Immunité aux perturbations

Contrairement aux dispositifs à semi-conducteurs, les tubes à vide sont moins vulnérables aux impulsions électromagnétiques (IEM), produites par une explosion nucléaire. Pour cette raison, les tubes ont été utilisés des applications militaires longtemps après leur remplacement partout ailleurs par les transistors. Mais des tubes électroniques furent endommagés lors d'essais d'impulsions électromagnétiques nucléaires et des dispositifs radio à l'état solide ont survécu à des vastes IEM.

En 2014, s'inspirant de la technologie des tubes à vide, la NASA étudie de nouveaux composants à base de nanotechnologie qui, outre de nombreux autres avantages par rapport aux technologies actuelles des semi-conducteurs (tel la vitesse et la résistance à la chaleur), seraient beaucoup plus résistants aux radiations