經久不衰的魅力來自輝光數(shù)碼管豐富多彩的歷史

工程師們無法割舍的氖光顯示技術

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在12月一個寒冷的清晨，一個男人把卡車停在了捷克 B?ezolupy村一座17世紀的城堡前。他戴上厚厚的手套，走出卡車，打開后備箱。他小心翼翼，近乎寵溺地卸下一箱箱重型設備和配件——一臺工業(yè)玻璃車床、一個渦輪分子真空泵和玻璃制品。

這個人就是達利博爾?法爾尼（Dalibor Farny）。2012年，法爾尼開始致力于重振一種顯示技術的制造事業(yè)，即“輝光數(shù)碼管”，這項技術最近的商業(yè)生產實例還是在他的孩提時期。

在20世紀50年代末到60年代，這種充滿氖氣的發(fā)光燈泡隨處可見，廣泛用于科學和工業(yè)儀表中的發(fā)光數(shù)字、字母和符號。20世紀30年代，這種發(fā)光燈泡誕生在一個德裔美國工匠的地下室，隨后被商業(yè)設備制造商寶來公司（Burroughs Corp.）商業(yè)化生產。輝光數(shù)碼管曾在NASA登陸月球時顯示重要的數(shù)據(jù)，曾顯示控制核電站的關鍵指標，并指示過華爾街股票交易所股價的升降，還有其他數(shù)以千計的應用。對許多人來說，輝光數(shù)碼管溫暖的光芒象征著一個時代的到來，其中充滿前所未有的科學工程成就、令人興奮的實用發(fā)現(xiàn)以及看似無可限量的進展。更值得一提的是，雖然在很多人（比如法爾尼）的成長過程中，輝光數(shù)碼管已從日常應用中消失許久，但其仍然擁有這樣的象征意義。

20世紀70年代，發(fā)光二極管（LED）憑借其制造和使用成本低、應用范圍廣等優(yōu)勢取代了輝光數(shù)碼管。這時，輝光數(shù)碼管原本有可能像無數(shù)其他過時設備一樣孤獨地消亡，然而它并沒有。當然，有些輝光數(shù)碼管仍然在傳統(tǒng)設備中掙扎求生。直到2000年左右，它才開始了非凡的復興。少數(shù)忠實的業(yè)余愛好者、收藏家和狂熱追求者開始尋找和購買從未使用過的舊數(shù)碼管，并用它們設計時鐘。將近20年過去了，這類活動仍在繼續(xù)發(fā)展壯大，針對有鑒賞力的消費者，輝光數(shù)碼管作為一種超級復古技術，占據(jù)了一方有利可圖的利基市場。

我們可能永遠也無法完全理解為什么這種奇怪的技術與其他過時技術不同，能擺脫被默默淘汰的命運。但是，至少可以從一些微弱的跡象中看出，其經久不衰的魅力來自輝光數(shù)碼管豐富多彩的歷史。這是一個經典的20世紀創(chuàng)新故事，靠的是一個古怪的天才、精明的企業(yè)運作以及出色的洞察力。

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輝光數(shù)碼管作為用于顯示數(shù)字的元件，似乎是一項過于復雜的發(fā)明。但是，如果你考慮到20世紀中期科技所能達到的程度，就會意識到它是當時最合理、最可靠的選擇，同時它也是一系列突破的頂峰。

輝光數(shù)碼管是通過一個叫作氣體放電的過程發(fā)光的。當帶電粒子（通常是電子）以高速（大約是光速的2%）通過氣體時就會發(fā)生這種現(xiàn)象。高速粒子與氣體中的原子或分子相撞，發(fā)生電離，產生由帶電離子和電子組成的高能等離子體。這些離子受激進入高能態(tài)，將多余的能量轉化為光子釋放出來。霓虹燈以及南/北極光也就是基于這樣的原理。光的顏色取決于氣體種類：氖離子發(fā)紅橙色光，氫離子發(fā)帶藍紫光，氮離子發(fā)出一種壯觀的紫光，氪離子發(fā)出發(fā)白的藍光。

最早的氣體放電應用是蓋斯勒管，這是德國物理學家海因里希?蓋斯勒在1857年發(fā)明的。蓋斯勒管由一個簡單的玻璃燈泡組成，兩端各帶有一個電接頭。管中的空氣被抽空，然后充滿氖氣、氬氣或其他氣體；一些管中還裝有導電液體、礦物質或金屬；然后連接幾千伏特的直流電，使氣體電離，發(fā)出光芒?？茖W家們利用蓋勒斯管來了解電的本質，同時將它們作為裝飾品出售。蓋勒斯管是1910年霓虹燈發(fā)明道路上的一個里程碑，幾十年之后，輝光數(shù)碼管誕生。

20世紀20年代末和30年代初，發(fā)明家們意識到可以將蓋斯勒管的放電發(fā)光延伸到陰極，進而也就可以塑造陰極的形狀來限定發(fā)光。例如，使用彎曲的導線作為陰極，可以展示數(shù)字或文字。這種設計的最早相關專利之一屬于德國發(fā)明家赫爾曼?普雷斯勒和漢斯?里希特（美國專利編號：2138197），他們稱其為“放電燈”，可起到自發(fā)光標志的作用。正如1938年授予兩人的專利中所指出的，他們的燈比傳統(tǒng)霓虹燈更具易讀性，而且制造成本更低，因為不需要把玻璃管彎曲成字母或數(shù)字的形狀。

另一方面，還需要一個容納氣體的玻璃外殼，并用導線拼寫出顯示信息字符的包絡層，這些都將限制顯示的尺寸。比如對紐約泰晤士廣場的一個大型照明廣告來說，普雷斯勒和里希特的技術顯然就不實用了。因此可想而知，他們的這項發(fā)明沒有很多購買者?，F(xiàn)在，只有少數(shù)收藏家擁有這種顯示產品的幾個小樣品。另一位發(fā)明者有了更好的主意。他是漢斯?P?博斯瓦（Hans P. Boswau），是一位定居在美國俄亥俄州洛雷恩市伊利湖邊小鎮(zhèn)的德國移民，曾在洛雷恩縣無線電公司擔任總工程師。出于工作性質的原因，他對當時的許多最新技術發(fā)展都非常了解。同樣地，博斯瓦也想要制造一個能顯示數(shù)字符號和字母的設備。1934年5月9日，他申請了兩份美國專利（編號為2142106和2268441），這是對后來出現(xiàn)的輝光數(shù)碼管第一次完整的描述。

博斯瓦的關鍵創(chuàng)新是在同一個數(shù)碼管內堆疊一個陽極和多個陰極，這些陰極就可以被分別點亮。你可以在一根玻璃管內配置10個陰極來表示從0到9的數(shù)字。有趣的是，這些專利頒發(fā)給博斯瓦個人，而非他的雇主，也許他并沒有打算將其用于工作中。2009年，一位名叫蘭道爾?羅根（Randall Logan）的加拿大輝光數(shù)碼管愛好者找到了博斯瓦已83歲的女兒，她說她的父親可能在地下室里構造了“發(fā)光指示器”的原始版本?？雌饋?971年去世的博斯瓦似乎從未試圖將他的“指示器”商業(yè)化，這些“指示器”也可能永遠不會離開地下室。

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如今我們身邊到處都是帶數(shù)字讀數(shù)的電子產品，很難想象那個沒有數(shù)字顯示的時代。然而在模擬電路世界里，你也并不真正需要它們。在博斯瓦發(fā)明輝光數(shù)碼管時，大多數(shù)電路指示器都采用燈泡或模擬面板儀表。

隨后晶體管于1947年出現(xiàn)，數(shù)字電子技術興起?，F(xiàn)在，你不需要使用機械開關就能可靠地定義分立器件的狀態(tài)，也不需要房間大小的計算機就可以進行快速計算。

所有這些計算都產生了很多人們想要顯示的數(shù)字。但當時已有的技術都不能勝任這項任務。特別是沒有顯示器能夠承受強烈震動、大幅溫度變化，也無法滿足太空探索和最新一代噴氣式飛機的特殊需求。很顯然，當時急需一種更好的數(shù)字指示器。

當時，幾家公司奮起迎接這項挑戰(zhàn)。1950年6月，諾斯洛普飛機公司申請了繼博斯瓦之后的首個數(shù)字顯示管專利。然而，我沒有找到證實該公司確實開發(fā)過這些產品的證據(jù)，在近代也沒有發(fā)現(xiàn)過諾斯洛普飛機公司的顯示管。

1954年5月，一個更為成功的競爭者出現(xiàn)了，著名的真空管制造商全美聯(lián)合無線電公司（National Union Radio Corp.）公布了一系列氖氣指示管。據(jù)廣告所言，這款名為“示數(shù)管”的裝置是經過4年研發(fā)和2年試產后的成果。

這款示數(shù)管很像博斯瓦早期的發(fā)明，包括一個小玻璃泡，里面裝有一堆手工彎曲、相互絕緣的數(shù)字。每個數(shù)字的接線穿過玻璃封口連接到外面的電源。這些數(shù)字充當了陰極，但沒有固定的陽極，而是由沒有使用的數(shù)字作為陽極。假設要顯示一個數(shù)字7，外部電路會將7這個數(shù)字與負極相連，而數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、8和9將連接到正極端子。無須贅述，這種不斷重新配置陽極的電路太復雜。

與此同時，英國愛立信電話公司的工程師們也在開發(fā)一種簡單的顯示管，并在1951年獲得了英國專利。與示數(shù)管不同，該顯示管無須為每個數(shù)字單獨配置不同的導線，而是通過點亮連接的線段來組成每個數(shù)字，就像今天在微波爐和數(shù)字手表中常見的七段數(shù)字那樣。后來，愛立信公司在1958年申請了一項更精致的數(shù)字指示器專利，但為時已晚，輝光數(shù)碼管的時代已經到來。

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像其他公司一樣，總部位于密歇根州普利茅斯的寶來公司是一家集計算器、計算機和其他商業(yè)設備于一體的大型制造商，公司同時也熱衷于數(shù)字顯示器。但由于缺乏內行開發(fā)專家，寶來公司只能外部購買所需的專業(yè)技術。1954年，寶來公司收購了位于新澤西州普萊恩菲爾德的海杜兄弟（Haydu Brothers）公司，這是一家以高精度制造而聞名的真空電子管制造商。與此同時，寶來公司還聘用了工程師索爾?庫欽斯基（Saul Kuchinsky）來負責位于賓夕法尼亞州佩奧利的寶來研究中心的一個實驗室，他曾在全美聯(lián)合無線電公司研究示數(shù)管。這兩項舉措為寶來公司提供了開發(fā)數(shù)字指示管所需的一切。

海杜兄弟公司由一對匈牙利裔美國兄弟喬治?海杜（George Haydu）、佐爾坦?海杜（Zoltan Haydu）和他們的父親約翰?海杜（John Haydu）于1936年創(chuàng)立。很快它就在制造真空管的精密金屬部件方面獲得了聲譽。寶來公司希望讓海杜兄弟來生產高精度顯示管，特別是一系列商標名為“磁旋管”（Trochotron）的波束開關顯示管。

波束開關顯示管主要用于高速計數(shù)器，但不能顯示計數(shù)。為此，庫欽斯基借鑒他在全美聯(lián)合無線電公司的工作經驗，構建了一種新設備。位于佩奧利的團隊致力于研發(fā)一種類似于示數(shù)管但又有很大改進的數(shù)碼顯示管。庫欽斯基不僅在新澤西的原海杜工廠擔任總經理，同時還負責佩奧利實驗室的樣機研究。

寶來公司的工程師羅杰?沃爾夫（Roger Wolfe）在2011年給我發(fā)來的一封電子郵件中，回憶了該團隊第一次失敗的嘗試：“我們對顯示管進行了一整夜的壽命測試。第二天來的時候，大量的陰極材料濺射到顯示管的圓頂上，數(shù)字已經看不清了。我們發(fā)明的顯示管只有24小時的壽命！”

沃爾夫在郵件中寫道，經過一番修補后，他們發(fā)現(xiàn)增加汞蒸氣可以極大地延長顯示管的壽命。濺射是因為加速的氖離子撞擊陰極造成的，但當氖離子與較重的汞分子碰撞時，它們的能量就會降低到不足以損壞陰極。

沃爾夫寫道：“我們將水銀密封在一個小玻璃針劑安瓿中，在安瓿外圍纏繞幾圈電阻絲，把電阻絲的兩頭連接到顯示管的引腳?！比缓竺芊怆娮庸?，給電阻絲通電，加熱電阻絲并打破安瓿，釋放出水銀。

1955年8月，在加州的美國西部電子展覽大會（WESCON）上，寶來公司發(fā)布了新型指示管，這在隨后的多年里都是美國電子行業(yè)的重大事件。此后不久，它開始向客戶發(fā)送第一批顯示管。同年12月，該公司申請了一項 “發(fā)光指示管”的專利。這些元件在機械方面優(yōu)于全美聯(lián)合無線電公司提供的顯示管：它們有金屬網制成的專用陽極，陰極數(shù)字是用薄鋼板蝕刻出來的，而非手工彎曲的導線。添加水銀延長了顯示管的壽命，可達20多萬小時。

也就是在那個時候，這些顯示管獲得了它們獨特的名字。傳說庫欽斯基為指示管設計的第一個概念圖上標記的是“數(shù)字指示器實驗1號”，縮寫為NIX1。沃爾夫告訴我：“除了工程師，庫欽斯基還有營銷天分，他認為成功的品牌通常含有字母k或x（如柯達、施樂等）。因此，‘Nixie’（輝光數(shù)碼管的英文名稱）符合他的信仰?！?/p>

由背后的設計者起名看起來才公平。與庫欽斯基共事的產品可靠性經理杰伊?斯科諾克（Jay Scovronek）評價他是“一個謙虛的人，喜歡對做出貢獻的人給予贊揚。但索爾自己才是為輝光數(shù)碼管帶來生機的驅動力”。

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美國國內和海外的眾多公司紛紛來寶來公司搶購輝光數(shù)碼管技術的許可，寶來公司還為其他公司供應可以集成到其系統(tǒng)中的OEM數(shù)碼管產品。這些數(shù)碼管很快就成為萬用表、計數(shù)器和其他科學工業(yè)設備的數(shù)值顯示裝置。各種各樣的數(shù)碼管應運而生，從桌面儀表的微型版本到數(shù)字高13厘米、可以遠距離讀數(shù)的大型數(shù)碼管，應有盡有。整個20世紀60年代，美國、歐洲、蘇聯(lián)、印度、中國和日本的20多家公司都在生產和供應輝光數(shù)碼管。

從1955年到20世紀60年代這段時期是輝光數(shù)碼管的黃金時代，但同時它的替代品也在醞釀之中。1962年，在紐約州錫拉丘茲的通用電氣實驗室工作的小尼克?奧隆尼亞克（Nick Holonyak Jr.）成功控制了砷化鎵磷化鎵混合晶體的電致發(fā)光，LED誕生了。但它還需要幾年時間才能變?yōu)榭射N售的產品。

與此同時，輝光數(shù)碼管的銷售也在蓬勃發(fā)展。直到1971年，《電子產品買家資訊》（Electronic Buyers’ News）的一篇社論還在預言：“LED可能會遵循歷史規(guī)律，成為另一個‘落選者’，并宣稱輝光數(shù)碼管是有生命力的。”

把LED作為挑戰(zhàn)已有輝光數(shù)碼管的一種新興技術可能會讓你覺得好笑，但那是因為你知道了故事的結局。你可能并不知道，第一批商用LED燈并不像今天這樣明亮和可靠；是工程師們不斷改進——延長設備的壽命，提高效率和亮度，并擴展了顏色和應用范圍——才讓LED得到了機會。隨著數(shù)字集成電路的興起，LED這樣的低電壓讀出裝置比高電壓的輝光數(shù)碼管顯得更為實用，因為輝光數(shù)碼管通常需要200伏特或更高的電壓來電離氖原子，才能得到光彩明亮的光。慢慢地，輝光數(shù)碼管淡出了人們的視野。到20世紀90年代初，蘇聯(lián)成為最后一個持續(xù)生產數(shù)碼管的國家。

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故事到這里本來就該結束了，但另一個更偉大的發(fā)明——萬維網出現(xiàn)了。它讓來自各地的輝光數(shù)碼管粉絲們建立了聯(lián)系并提供了分享觀點、圖片和視頻的平臺。雅虎社區(qū)Neonixie-l變成了粉絲們主要的虛擬聚集地，10年后又遷移到了谷歌社區(qū)，仍沿用原來的名字。在線拍賣和電子產品網站上開始涌現(xiàn)出輝光數(shù)碼管和配套電子產品的穩(wěn)定供貨源。有時，那些從未在外面見過輝光數(shù)碼管的年輕人偶然發(fā)現(xiàn)了這個社區(qū)，并被這些奇妙發(fā)光顯示器所呈現(xiàn)的生動形象所吸引。復古的輝光數(shù)碼管開始出現(xiàn)在消費產品中，如鐘表、棋盤，甚至手表等。

如今你可能會想：如果輝光數(shù)碼管不再廣泛生產，那么它們會不會在某一天完全消失？

的確，最常見的老式輝光數(shù)碼管仍然可以買到，但在過去的10到20年里，它們的價格已經上漲了一二十倍。最大的輝光數(shù)碼管CD47現(xiàn)在的售價大約是1000美元；而在2000年，它的價格可能不到100美元。有些人發(fā)現(xiàn)了這個機遇和挑戰(zhàn)，開始自己手工制作輝光數(shù)碼管。這些新型輝光數(shù)碼管的先鋒者包括波蘭的亞歷山大?扎瓦達（Aleksander Zawada）、美國的羅恩?索伊蘭德（Ron Soyland）以及前面提到的達利博爾?法爾尼。法爾尼在YouTube上展示了一段他制作輝光數(shù)碼管過程的視頻，獲得了130萬的點擊量。法爾尼小批量生產數(shù)碼管，并將其銷售獲取利潤，進而確保了過去的技術不會淡出人們的視野。

如今再看，1971年的那條社論已經言中：輝光數(shù)碼管是有生命力的。