工程師們無(wú)法割舍的氖光顯示技術(shù)

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在12月一個(gè)寒冷的清晨，一個(gè)男人把卡車停在了捷克 B?ezolupy村一座17世紀(jì)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(tái)工業(yè)玻璃車床、一個(gè)渦輪分子真空泵和玻璃制品。

這個(gè)人就是達(dá)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(xiàng)技術(shù)最近的商業(yè)生產(chǎn)實(shí)例還是在他的孩提時(shí)期。

在20世紀(jì)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(hào)。20世紀(jì)30年代，這種發(fā)光燈泡誕生在一個(gè)德裔美國(guó)工匠的地下室，隨后被商業(yè)設(shè)備制造商寶來(lái)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(shí)顯示重要的數(shù)據(jù)，曾顯示控制核電站的關(guān)鍵指標(biāo)，并指示過(guò)華爾街股票交易所股價(jià)的升降，還有其他數(shù)以千計(jì)的應(yīng)用。對(duì)許多人來(lái)說(shuō)，輝光數(shù)碼管溫暖的光芒象征著一個(gè)時(shí)代的到來(lái)，其中充滿前所未有的科學(xué)工程成就、令人興奮的實(shí)用發(fā)現(xiàn)以及看似無(wú)可限量的進(jìn)展。更值得一提的是，雖然在很多人（比如法爾尼）的成長(zhǎng)過(guò)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(jì)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(shì)取代了輝光數(shù)碼管。這時(shí)，輝光數(shù)碼管原本有可能像無(wú)數(shù)其他過(guò)時(shí)設(shè)備一樣孤獨(dú)地消亡，然而它并沒(méi)有。當(dāng)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(shí)的業(yè)余愛(ài)好者、收藏家和狂熱追求者開始尋找和購(gòu)買從未使用過(guò)的舊數(shù)碼管，并用它們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)鐘。將近20年過(guò)去了，這類活動(dòng)仍在繼續(xù)發(fā)展壯大，針對(duì)有鑒賞力的消費(fèi)者，輝光數(shù)碼管作為一種超級(jí)復(fù)古技術(shù)，占據(jù)了一方有利可圖的利基市場(chǎng)。

我們可能永遠(yuǎn)也無(wú)法完全理解為什么這種奇怪的技術(shù)與其他過(guò)時(shí)技術(shù)不同，能擺脫被默默淘汰的命運(yùn)。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(lái)自輝光數(shù)碼管豐富多彩的歷史。這是一個(gè)經(jīng)典的20世紀(jì)創(chuàng)新故事，靠的是一個(gè)古怪的天才、精明的企業(yè)運(yùn)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(xiàng)過(guò)于復(fù)雜的發(fā)明。但是，如果你考慮到20世紀(jì)中期科技所能達(dá)到的程度，就會(huì)意識(shí)到它是當(dāng)時(shí)最合理、最可靠的選擇，同時(shí)它也是一系列突破的頂峰。

輝光數(shù)碼管是通過(guò)一個(gè)叫作氣體放電的過(guò)程發(fā)光的。當(dāng)帶電粒子（通常是電子）以高速（大約是光速的2%）通過(guò)氣體時(shí)就會(huì)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(jìn)入高能態(tài)，將多余的能量轉(zhuǎn)化為光子釋放出來(lái)。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(lán)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(lán)光。

最早的氣體放電應(yīng)用是蓋斯勒管，這是德國(guó)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(gè)簡(jiǎn)單的玻璃燈泡組成，兩端各帶有一個(gè)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(lái)了解電的本質(zhì)，同時(shí)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(gè)里程碑，幾十年之后，輝光數(shù)碼管誕生。

20世紀(jì)20年代末和30年代初，發(fā)明家們意識(shí)到可以將蓋斯勒管的放電發(fā)光延伸到陰極，進(jìn)而也就可以塑造陰極的形狀來(lái)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(jì)的最早相關(guān)專利之一屬于德國(guó)發(fā)明家赫爾曼?普雷斯勒和漢斯?里希特（美國(guó)專利編號(hào)：2138197），他們稱其為“放電燈”，可起到自發(fā)光標(biāo)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?yàn)椴恍枰巡ＡЧ軓澢勺帜富驍?shù)字的形狀。

另一方面，還需要一個(gè)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(duì)紐約泰晤士廣場(chǎng)的一個(gè)大型照明廣告來(lái)說(shuō)，普雷斯勒和里希特的技術(shù)顯然就不實(shí)用了。因此可想而知，他們的這項(xiàng)發(fā)明沒(méi)有很多購(gòu)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(gè)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(guó)俄亥俄州洛雷恩市伊利湖邊小鎮(zhèn)的德國(guó)移民，曾在洛雷恩縣無(wú)線電公司擔(dān)任總工程師。出于工作性質(zhì)的原因，他對(duì)當(dāng)時(shí)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(gè)能顯示數(shù)字符號(hào)和字母的設(shè)備。1934年5月9日，他申請(qǐng)了兩份美國(guó)專利（編號(hào)為2142106和2268441），這是對(duì)后來(lái)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(gè)數(shù)碼管內(nèi)堆疊一個(gè)陽(yáng)極和多個(gè)陰極，這些陰極就可以被分別點(diǎn)亮。你可以在一根玻璃管內(nèi)配置10個(gè)陰極來(lái)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(gè)人，而非他的雇主，也許他并沒(méi)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(ài)好者找到了博斯瓦已83歲的女兒，她說(shuō)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?？雌饋?lái)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(yuǎn)不會(huì)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(gè)沒(méi)有數(shù)字顯示的時(shí)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(shí)，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?，F(xiàn)在，你不需要使用機(jī)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(jì)算機(jī)就可以進(jìn)行快速計(jì)算。

所有這些計(jì)算都產(chǎn)生了很多人們想要顯示的數(shù)字。但當(dāng)時(shí)已有的技術(shù)都不能勝任這項(xiàng)任務(wù)。特別是沒(méi)有顯示器能夠承受強(qiáng)烈震動(dòng)、大幅溫度變化，也無(wú)法滿足太空探索和最新一代噴氣式飛機(jī)的特殊需求。很顯然，當(dāng)時(shí)急需一種更好的數(shù)字指示器。

當(dāng)時(shí)，幾家公司奮起迎接這項(xiàng)挑戰(zhàn)。1950年6月，諾斯洛普飛機(jī)公司申請(qǐng)了繼博斯瓦之后的首個(gè)數(shù)字顯示管專利。然而，我沒(méi)有找到證實(shí)該公司確實(shí)開發(fā)過(guò)這些產(chǎn)品的證據(jù)，在近代也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)諾斯洛普飛機(jī)公司的顯示管。

1954年5月，一個(gè)更為成功的競(jìng)爭(zhēng)者出現(xiàn)了，著名的真空管制造商全美聯(lián)合無(wú)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(guò)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(gè)小玻璃泡，里面裝有一堆手工彎曲、相互絕緣的數(shù)字。每個(gè)數(shù)字的接線穿過(guò)玻璃封口連接到外面的電源。這些數(shù)字充當(dāng)了陰極，但沒(méi)有固定的陽(yáng)極，而是由沒(méi)有使用的數(shù)字作為陽(yáng)極。假設(shè)要顯示一個(gè)數(shù)字7，外部電路會(huì)將7這個(gè)數(shù)字與負(fù)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(wú)須贅述，這種不斷重新配置陽(yáng)極的電路太復(fù)雜。

與此同時(shí)，英國(guó)愛(ài)立信電話公司的工程師們也在開發(fā)一種簡(jiǎn)單的顯示管，并在1951年獲得了英國(guó)專利。與示數(shù)管不同，該顯示管無(wú)須為每個(gè)數(shù)字單獨(dú)配置不同的導(dǎo)線，而是通過(guò)點(diǎn)亮連接的線段來(lái)組成每個(gè)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(lái)，愛(ài)立信公司在1958年申請(qǐng)了一項(xiàng)更精致的數(shù)字指示器專利，但為時(shí)已晚，輝光數(shù)碼管的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

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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(lái)公司是一家集計(jì)算器、計(jì)算機(jī)和其他商業(yè)設(shè)備于一體的大型制造商，公司同時(shí)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(lái)公司只能外部購(gòu)買所需的專業(yè)技術(shù)。1954年，寶來(lái)公司收購(gòu)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(shí)，寶來(lái)公司還聘用了工程師索爾?庫(kù)欽斯基（Saul Kuchinsky）來(lái)負(fù)責(zé)位于賓夕法尼亞州佩奧利的寶來(lái)研究中心的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，他曾在全美聯(lián)合無(wú)線電公司研究示數(shù)管。這兩項(xiàng)舉措為寶來(lái)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(duì)匈牙利裔美國(guó)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(yù)。寶來(lái)公司希望讓海杜兄弟來(lái)生產(chǎn)高精度顯示管，特別是一系列商標(biāo)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(jì)數(shù)器，但不能顯示計(jì)數(shù)。為此，庫(kù)欽斯基借鑒他在全美聯(lián)合無(wú)線電公司的工作經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了一種新設(shè)備。位于佩奧利的團(tuán)隊(duì)致力于研發(fā)一種類似于示數(shù)管但又有很大改進(jìn)的數(shù)碼顯示管。庫(kù)欽斯基不僅在新澤西的原海杜工廠擔(dān)任總經(jīng)理，同時(shí)還負(fù)責(zé)佩奧利實(shí)驗(yàn)室的樣機(jī)研究。

寶來(lái)公司的工程師羅杰?沃爾夫（Roger Wolfe）在2011年給我發(fā)來(lái)的一封電子郵件中，回憶了該團(tuán)隊(duì)第一次失敗的嘗試：“我們對(duì)顯示管進(jìn)行了一整夜的壽命測(cè)試。第二天來(lái)的時(shí)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(shí)的壽命！”

沃爾夫在郵件中寫道，經(jīng)過(guò)一番修補(bǔ)后，他們發(fā)現(xiàn)增加汞蒸氣可以極大地延長(zhǎng)顯示管的壽命。濺射是因?yàn)榧铀俚哪孰x子撞擊陰極造成的，但當(dāng)氖離子與較重的汞分子碰撞時(shí)，它們的能量就會(huì)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(gè)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(guó)西部電子展覽大會(huì)（WESCON）上，寶來(lái)公司發(fā)布了新型指示管，這在隨后的多年里都是美國(guó)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(qǐng)了一項(xiàng) “發(fā)光指示管”的專利。這些元件在機(jī)械方面優(yōu)于全美聯(lián)合無(wú)線電公司提供的顯示管：它們有金屬網(wǎng)制成的專用陽(yáng)極，陰極數(shù)字是用薄鋼板蝕刻出來(lái)的，而非手工彎曲的導(dǎo)線。添加水銀延長(zhǎng)了顯示管的壽命，可達(dá)20多萬(wàn)小時(shí)。

也就是在那個(gè)時(shí)候，這些顯示管獲得了它們獨(dú)特的名字。傳說(shuō)庫(kù)欽斯基為指示管設(shè)計(jì)的第一個(gè)概念圖上標(biāo)記的是“數(shù)字指示器實(shí)驗(yàn)1號(hào)”，縮寫為NIX1。沃爾夫告訴我：“除了工程師，庫(kù)欽斯基還有營(yíng)銷天分，他認(rèn)為成功的品牌通常含有字母k或x（如柯達(dá)、施樂(lè)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(jì)者起名看起來(lái)才公平。與庫(kù)欽斯基共事的產(chǎn)品可靠性經(jīng)理杰伊?斯科諾克（Jay Scovronek）評(píng)價(jià)他是“一個(gè)謙虛的人，喜歡對(duì)做出貢獻(xiàn)的人給予贊揚(yáng)。但索爾自己才是為輝光數(shù)碼管帶來(lái)生機(jī)的驅(qū)動(dòng)力”。

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美國(guó)國(guó)內(nèi)和海外的眾多公司紛紛來(lái)寶來(lái)公司搶購(gòu)輝光數(shù)碼管技術(shù)的許可，寶來(lái)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(wàn)用表、計(jì)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(yùn)而生，從桌面儀表的微型版本到數(shù)字高13厘米、可以遠(yuǎn)距離讀數(shù)的大型數(shù)碼管，應(yīng)有盡有。整個(gè)20世紀(jì)60年代，美國(guó)、歐洲、蘇聯(lián)、印度、中國(guó)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(jì)60年代這段時(shí)期是輝光數(shù)碼管的黃金時(shí)代，但同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)間才能變?yōu)榭射N售的產(chǎn)品。

與此同時(shí)，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(huì)遵循歷史規(guī)律，成為另一個(gè)‘落選者’，并宣稱輝光數(shù)碼管是有生命力的?！?/p>

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(huì)讓你覺(jué)得好笑，但那是因?yàn)槟阒懒斯适碌慕Y(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(jìn)——延長(zhǎng)設(shè)備的壽命，提高效率和亮度，并擴(kuò)展了顏色和應(yīng)用范圍——才讓LED得到了機(jī)會(huì)。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(shí)用，因?yàn)檩x光數(shù)碼管通常需要200伏特或更高的電壓來(lái)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(jì)90年代初，蘇聯(lián)成為最后一個(gè)持續(xù)生產(chǎn)數(shù)碼管的國(guó)家。

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故事到這里本來(lái)就該結(jié)束了，但另一個(gè)更偉大的發(fā)明——萬(wàn)維網(wǎng)出現(xiàn)了。它讓來(lái)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(diǎn)、圖片和視頻的平臺(tái)。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(lái)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(shí)，那些從未在外面見過(guò)輝光數(shù)碼管的年輕人偶然發(fā)現(xiàn)了這個(gè)社區(qū)，并被這些奇妙發(fā)光顯示器所呈現(xiàn)的生動(dòng)形象所吸引。復(fù)古的輝光數(shù)碼管開始出現(xiàn)在消費(fèi)產(chǎn)品中，如鐘表、棋盤，甚至手表等。

如今你可能會(huì)想：如果輝光數(shù)碼管不再?gòu)V泛生產(chǎn)，那么它們會(huì)不會(huì)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(guò)去的10到20年里，它們的價(jià)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(jià)大約是1000美元；而在2000年，它的價(jià)格可能不到100美元。有些人發(fā)現(xiàn)了這個(gè)機(jī)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(dá)（Aleksander Zawada）、美國(guó)的羅恩?索伊蘭德（Ron Soyland）以及前面提到的達(dá)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(guò)程的視頻，獲得了130萬(wàn)的點(diǎn)擊量。法爾尼小批量生產(chǎn)數(shù)碼管，并將其銷售獲取利潤(rùn)，進(jìn)而確保了過(guò)去的技術(shù)不會(huì)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。