工程師們無法割舍的氖光顯示技術(shù)

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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(shè)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(shù)的制造事業(yè)，即“輝光數(shù)碼管”，這項技術(shù)最近的商業(yè)生產(chǎn)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(xué)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(shè)備制造商寶來公司（Burroughs Corp.）商業(yè)化生產(chǎn)。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(guān)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)備中掙扎求生。直到2000年左右，它才開始了非凡的復(fù)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(shè)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(fù)古技術(shù)，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(shù)與其他過時技術(shù)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(jīng)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(jīng)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(fù)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(chǎn)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(zhuǎn)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(yīng)用是蓋斯勒管，這是德國物理學(xué)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(dǎo)電液體、礦物質(zhì)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(xué)家們利用蓋勒斯管來了解電的本質(zhì)，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(dǎo)線作為陰極，可以展示數(shù)字或文字。這種設(shè)計的最早相關(guān)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(dǎo)線拼寫出顯示信息字符的包絡(luò)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(shù)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(chǎn)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(zhì)的原因，他對當時的許多最新技術(shù)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(shè)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(guān)鍵創(chuàng)新是在同一個數(shù)碼管內(nèi)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(nèi)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(gòu)造了“發(fā)光指示器”的原始版本。看起來1971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(chǎn)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(shù)興起。現(xiàn)在，你不需要使用機械開關(guān)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(chǎn)生了很多人們想要顯示的數(shù)字。但當時已有的技術(shù)都不能勝任這項任務(wù)。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(chǎn)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(jīng)過4年研發(fā)和2年試產(chǎn)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(shè)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(fù)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(dǎo)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(jīng)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(shè)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(nèi)行開發(fā)專家，寶來公司只能外部購買所需的專業(yè)技術(shù)。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(chǎn)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(guān)顯示管。

波束開關(guān)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(jīng)驗，構(gòu)建了一種新設(shè)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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?qū)懙溃骸拔覀儗⑺y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(wǎng)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(dǎo)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(shè)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(shè)計者起名看起來才公平。與庫欽斯基共事的產(chǎn)品可靠性經(jīng)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(qū)動力”。

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美國國內(nèi)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(shù)的許可，寶來公司還為其他公司供應(yīng)可以集成到其系統(tǒng)中的OEM數(shù)碼管產(chǎn)品。這些數(shù)碼管很快就成為萬用表、計數(shù)器和其他科學(xué)工業(yè)設(shè)備的數(shù)值顯示裝置。各種各樣的數(shù)碼管應(yīng)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(yīng)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(chǎn)和供應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)品買家資訊》（Electronic Buyers’ News）的一篇社論還在預(yù)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(shù)可能會讓你覺得好笑，但那是因為你知道了故事的結(jié)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(shè)備的壽命，提高效率和亮度，并擴展了顏色和應(yīng)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(chǎn)數(shù)碼管的國家。

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故事到這里本來就該結(jié)束了，但另一個更偉大的發(fā)明——萬維網(wǎng)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(chǎn)品網(wǎng)站上開始涌現(xiàn)出輝光數(shù)碼管和配套電子產(chǎn)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(fù)古的輝光數(shù)碼管開始出現(xiàn)在消費產(chǎn)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(chǎn)，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(jīng)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(chǎn)數(shù)碼管，并將其銷售獲取利潤，進而確保了過去的技術(shù)不會淡出人們的視野。

如今再看，1971年的那條社論已經(jīng)言中：輝光數(shù)碼管是有生命力的。