世界上最持久的显示技术—辉光数码管的多彩历史和惊人未来
来源:中科院半导体所发布时间:2021-09-1730浏览
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在20世纪50年代末到60年代，这种充满氖气的发光灯泡随处可见，广泛用于科学和工业仪表中的发光数字、字母和符号。20世纪30年代，这种发光灯泡诞生在一个德裔美国工匠的地下室，随后被商业设备制造商宝来公司（Burroughs Corp.）商业化生产。辉光数码管曾在NASA登陆月球时显示重要的数据，曾显示控制核电站的关键指标，并指示过华尔街股票交易所股价的升降，还有其他数以千计的应用。对许多人来说，辉光数码管温暖的光芒象征着一个时代的到来，其中充满前所未有的科学工程成就、令人兴奋的实用发现以及看似无可限量的进展。更值得一提的是，虽然在很多人（比如法尔尼）的成长过程中，辉光数码管已从日常应用中消失许久，但其仍然拥有这样的象征意义。
20世纪70年代，发光二极管（LED）凭借其制造和使用成本低、应用范围广等优势取代了辉光数码管。这时，辉光数码管原本有可能像无数其他过时设备一样孤独地消亡，然而它并没有。当然，有些辉光数码管仍然在传统设备中挣扎求生。直到2000年左右，它才开始了非凡的复兴。少数忠实的业余爱好者、收藏家和狂热追求者开始寻找和购买从未使用过的旧数码管，并用它们设计时钟。将近20年过去了，这类活动仍在继续发展壮大，针对有鉴赏力的消费者，辉光数码管作为一种超级复古技术，占据了一方有利可图的利基市场。我们可能永远也无法完全理解为什么这种奇怪的技术与其他过时技术不同，能摆脱被默默淘汰的命运。但是，至少可以从一些微弱的迹象中看出，其经久不衰的魅力来自辉光数码管丰富多彩的历史。这是一个经典的20世纪创新故事，靠的是一个古怪的天才、精明的企业运作以及出色的洞察力。━━━━辉光数码管作为用于显示数字的元件，似乎是一项过于复杂的发明。但是，如果你考虑到20世纪中期科技所能达到的程度，就会意识到它是当时最合理、最可靠的选择，同时它也是一系列突破的顶峰。辉光数码管是通过一个叫作气体放电的过程发光的。当带电粒子（通常是电子）以高速（大约是光速的2%）通过气体时就会发生这种现象。高速粒子与气体中的原子或分子相撞，发生电离，产生由带电离子和电子组成的高能等离子体。这些离子受激进入高能态，将多余的能量转化为光子释放出来。霓虹灯以及南/北极光也就是基于这样的原理。光的颜色取决于气体种类：氖离子发红橙色光，氢离子发带蓝紫光，氮离子发出一种壮观的紫光，氪离子发出发白的蓝光。最早的气体放电应用是盖斯勒管，这是德国物理学家海因里希•盖斯勒在1857年发明的。盖斯勒管由一个简单的玻璃灯泡组成，两端各带有一个电接头。管中的空气被抽空，然后充满氖气、氩气或其他气体；一些管中还装有导电液体、矿物质或金属；然后连接几千伏特的直流电，使气体电离，发出光芒。科学家们利用盖勒斯管来了解电的本质，同时将它们作为装饰品出售。盖勒斯管是1910年霓虹灯发明道路上的一个里程碑，几十年之后，辉光数码管诞生。20世纪20年代末和30年代初，发明家们意识到可以将盖斯勒管的放电发光延伸到阴极，进而也就可以塑造阴极的形状来限定发光。例如，使用弯曲的导线作为阴极，可以展示数字或文字。这种设计的最早相关专利之一属于德国发明家赫尔曼•普雷斯勒和汉斯•里希特（美国专利编号：2138197），他们称其为“放电灯”，可起到自发光标志的作用。正如1938年授予两人的专利中所指出的，他们的灯比传统霓虹灯更具易读性，而且制造成本更低，因为不需要把玻璃管弯曲成字母或数字的形状。另一方面，还需要一个容纳气体的玻璃外壳，并用导线拼写出显示信息字符的包络层，这些都将限制显示的尺寸。比如对纽约泰晤士广场的一个大型照明广告来说，普雷斯勒和里希特的技术显然就不实用了。因此可想而知，他们的这项发明没有很多购买者。现在，只有少数收藏家拥有这种显示产品的几个小样品。另一位发明者有了更好的主意。他是汉斯•P•博斯瓦（Hans P. Boswau），是一位定居在美国俄亥俄州洛雷恩市伊利湖边小镇的德国移民，曾在洛雷恩县无线电公司担任总工程师。出于工作性质的原因，他对当时的许多最新技术发展都非常了解。同样地，博斯瓦也想要制造一个能显示数字符号和字母的设备。1934年5月9日，他申请了两份美国专利（编号为2142106和2268441），这是对后来出现的辉光数码管第一次完整的描述。博斯瓦的关键创新是在同一个数码管内堆叠一个阳极和多个阴极，这些阴极就可以被分别点亮。你可以在一根玻璃管内配置10个阴极来表示从0到9的数字。有趣的是，这些专利颁发给博斯瓦个人，而非他的雇主，也许他并没有打算将其用于工作中。2009年，一位名叫兰道尔•罗根（Randall Logan）的加拿大辉光数码管爱好者找到了博斯瓦已83岁的女儿，她说她的父亲可能在地下室里构造了“发光指示器”的原始版本。看起来1971年去世的博斯瓦似乎从未试图将他的“指示器”商业化，这些“指示器”也可能永远不会离开地下室。━━━━如今我们身边到处都是带数字读数的电子产品，很难想象那个没有数字显示的时代。然而在模拟电路世界里，你也并不真正需要它们。在博斯瓦发明辉光数码管时，大多数电路指示器都采用灯泡或模拟面板仪表。随后晶体管于1947年出现，数字电子技术兴起。现在，你不需要使用机械开关就能可靠地定义分立器件的状态，也不需要房间大小的计算机就可以进行快速计算。所有这些计算都产生了很多人们想要显示的数字。但当时已有的技术都不能胜任这项任务。特别是没有显示器能够承受强烈震动、大幅温度变化，也无法满足太空探索和最新一代喷气式飞机的特殊需求。很显然，当时急需一种更好的数字指示器。当时，几家公司奋起迎接这项挑战。1950年6月，诺斯洛普飞机公司申请了继博斯瓦之后的首个数字显示管专利。然而，我没有找到证实该公司确实开发过这些产品的证据，在近代也没有发现过诺斯洛普飞机公司的显示管。1954年5月，一个更为成功的竞争者出现了，著名的真空管制造商全美联合无线电公司（National Union Radio Corp.）公布了一系列氖气指示管。据广告所言，这款名为“示数管”的装置是经过4年研发和2年试产后的成果。
这款示数管很像博斯瓦早期的发明，包括一个小玻璃泡，里面装有一堆手工弯曲、相互绝缘的数字。每个数字的接线穿过玻璃封口连接到外面的电源。这些数字充当了阴极，但没有固定的阳极，而是由没有使用的数字作为阳极。假设要显示一个数字7，外部电路会将7这个数字与负极相连，而数字0、1、2、3、4、5、6、8和9将连接到正极端子。无须赘述，这种不断重新配置阳极的电路太复杂。与此同时，英国爱立信电话公司的工程师们也在开发一种简单的显示管，并在1951年获得了英国专利。与示数管不同，该显示管无须为每个数字单独配置不同的导线，而是通过点亮连接的线段来组成每个数字，就像今天在微波炉和数字手表中常见的七段数字那样。后来，爱立信公司在1958年申请了一项更精致的数字指示器专利，但为时已晚，辉光数码管的时代已经到来。━━━━像其他公司一样，总部位于密歇根州普利茅斯的宝来公司是一家集计算器、计算机和其他商业设备于一体的大型制造商，公司同时也热衷于数字显示器。但由于缺乏内行开发专家，宝来公司只能外部购买所需的专业技术。1954年，宝来公司收购了位于新泽西州普莱恩菲尔德的海杜兄弟（Haydu Brothers）公司，这是一家以高精度制造而闻名的真空电子管制造商。与此同时，宝来公司还聘用了工程师索尔•库钦斯基（Saul Kuchinsky）来负责位于宾夕法尼亚州佩奥利的宝来研究中心的一个实验室，他曾在全美联合无线电公司研究示数管。这两项举措为宝来公司提供了开发数字指示管所需的一切。海杜兄弟公司由一对匈牙利裔美国兄弟乔治•海杜（George Haydu）、佐尔坦•海杜（Zoltan Haydu）和他们的父亲约翰•海杜（John Haydu）于1936年创立。很快它就在制造真空管的精密金属部件方面获得了声誉。宝来公司希望让海杜兄弟来生产高精度显示管，特别是一系列商标名为“磁旋管”（Trochotron）的波束开关显示管。波束开关显示管主要用于高速计数器，但不能显示计数。为此，库钦斯基借鉴他在全美联合无线电公司的工作经验，构建了一种新设备。位于佩奥利的团队致力于研发一种类似于示数管但又有很大改进的数码显示管。库钦斯基不仅在新泽西的原海杜工厂担任总经理，同时还负责佩奥利实验室的样机研究。宝来公司的工程师罗杰•沃尔夫（Roger Wolfe）在2011年给我发来的一封电子邮件中，回忆了该团队第一次失败的尝试：“我们对显示管进行了一整夜的寿命测试。第二天来的时候，大量的阴极材料溅射到显示管的圆顶上，数字已经看不清了。我们发明的显示管只有24小时的寿命！”沃尔夫在邮件中写道，经过一番修补后，他们发现增加汞蒸气可以极大地延长显示管的寿命。溅射是因为加速的氖离子撞击阴极造成的，但当氖离子与较重的汞分子碰撞时，它们的能量就会降低到不足以损坏阴极。沃尔夫写道：“我们将水银密封在一个小玻璃针剂安瓿中，在安瓿外围缠绕几圈电阻丝，把电阻丝的两头连接到显示管的引脚。”然后密封电子管，给电阻丝通电，加热电阻丝并打破安瓿，释放出水银。1955年8月，在加州的美国西部电子展览大会（WESCON）上，宝来公司发布了新型指示管，这在随后的多年里都是美国电子行业的重大事件。此后不久，它开始向客户发送第一批显示管。同年12月，该公司申请了一项 “发光指示管”的专利。这些元件在机械方面优于全美联合无线电公司提供的显示管：它们有金属网制成的专用阳极，阴极数字是用薄钢板蚀刻出来的，而非手工弯曲的导线。添加水银延长了显示管的寿命，可达20多万小时。也就是在那个时候，这些显示管获得了它们独特的名字。传说库钦斯基为指示管设计的第一个概念图上标记的是“数字指示器实验1号”，缩写为NIX1。沃尔夫告诉我：“除了工程师，库钦斯基还有营销天分，他认为成功的品牌通常含有字母k或x（如柯达、施乐等）。因此，‘Nixie’（辉光数码管的英文名称）符合他的信仰。”
由背后的设计者起名看起来才公平。与库钦斯基共事的产品可靠性经理杰伊•斯科诺克（Jay Scovronek）评价他是“一个谦虚的人，喜欢对做出贡献的人给予赞扬。但索尔自己才是为辉光数码管带来生机的驱动力”。━━━━美国国内和海外的众多公司纷纷来宝来公司抢购辉光数码管技术的许可，宝来公司还为其他公司供应可以集成到其系统中的OEM数码管产品。这些数码管很快就成为万用表、计数器和其他科学工业设备的数值显示装置。各种各样的数码管应运而生，从桌面仪表的微型版本到数字高13厘米、可以远距离读数的大型数码管，应有尽有。整个20世纪60年代，美国、欧洲、苏联、印度、中国和日本的20多家公司都在生产和供应辉光数码管。
从1955年到20世纪60年代这段时期是辉光数码管的黄金时代，但同时它的替代品也在酝酿之中。1962年，在纽约州锡拉丘兹的通用电气实验室工作的小尼克•奥隆尼亚克（Nick Holonyak Jr.）成功控制了砷化镓磷化镓混合晶体的电致发光，LED诞生了。但它还需要几年时间才能变为可销售的产品。与此同时，辉光数码管的销售也在蓬勃发展。直到1971年，《电子产品买家资讯》（Electronic Buyers’ News）的一篇社论还在预言：“LED可能会遵循历史规律，成为另一个‘落选者’，并宣称辉光数码管是有生命力的。”把LED作为挑战已有辉光数码管的一种新兴技术可能会让你觉得好笑，但那是因为你知道了故事的结局。你可能并不知道，第一批商用LED灯并不像今天这样明亮和可靠；是工程师们不断改进——延长设备的寿命，提高效率和亮度，并扩展了颜色和应用范围——才让LED得到了机会。随着数字集成电路的兴起，LED这样的低电压读出装置比高电压的辉光数码管显得更为实用，因为辉光数码管通常需要200伏特或更高的电压来电离氖原子，才能得到光彩明亮的光。慢慢地，辉光数码管淡出了人们的视野。到20世纪90年代初，苏联成为最后一个持续生产数码管的国家。━━━━故事到这里本来就该结束了，但另一个更伟大的发明——万维网出现了。它让来自各地的辉光数码管粉丝们建立了联系并提供了分享观点、图片和视频的平台。雅虎社区Neonixie-l变成了粉丝们主要的虚拟聚集地，10年后又迁移到了谷歌社区，仍沿用原来的名字。在线拍卖和电子产品网站上开始涌现出辉光数码管和配套电子产品的稳定供货源。有时，那些从未在外面见过辉光数码管的年轻人偶然发现了这个社区，并被这些奇妙发光显示器所呈现的生动形象所吸引。复古的辉光数码管开始出现在消费产品中，如钟表、棋盘，甚至手表等。如今你可能会想：如果辉光数码管不再广泛生产，那么它们会不会在某一天完全消失？的确，最常见的老式辉光数码管仍然可以买到，但在过去的10到20年里，它们的价格已经上涨了一二十倍。最大的辉光数码管CD47现在的售价大约是1000美元；而在2000年，它的价格可能不到100美元。有些人发现了这个机遇和挑战，开始自己手工制作辉光数码管。这些新型辉光数码管的先锋者包括波兰的亚历山大•扎瓦达（Aleksander Zawada）、美国的罗恩•索伊兰德（Ron Soyland）以及前面提到的达利博尔•法尔尼。法尔尼在YouTube上展示了一段他制作辉光数码管过程的视频，获得了130万的点击量。法尔尼小批量生产数码管，并将其销售获取利润，进而确保了过去的技术不会淡出人们的视野。如今再看，1971年的那条社论已经言中：辉光数码管是有生命力的。作者：Jens Boos新闻来源：中科院半导体所，文中所述为作者独立观点，不代表icspec立场。更多精彩资讯请下载icspec App。如对本稿件有异议，请联系微信客服specltkj。
