制作霓虹灯

加利福尼亚州奥本一家剧院的 1937 年霓虹灯顶棚标志，在 2006 年重建。塔上的大字按定时顺序点亮，循环播放 "S"、"ST"、...、"STATE"，然后熄灭。

霓虹灯标识 是使用充有稀薄的氖气或其他气体的带电发光管制成的。它们是霓虹灯照明的最常见用途，这种照明最早于 1910 年 12 月由乔治·克劳德在巴黎汽车展上以现代形式展示。 虽然它们在全世界使用，但霓虹灯标识在美国大约从 1920 年到 1960 年非常流行。时代广场的装置在全世界都很有名；到 1940 年，美国有近 2000 家小商店生产霓虹灯标识。 除了标识，霓虹灯照明现在经常被艺术家和建筑师使用。 并且（以修改后的形式）在等离子显示面板和电视中使用。 标识行业在过去几十年中已经衰落，现在城市都关注着保护和修复它们古老的霓虹灯标识（见下面的参考文献）。

历史

霓虹灯标识

1930 年代霓虹灯标识经销商，安森·布朗大楼，密歇根州安阿伯

霓虹灯标识是早期的盖斯勒管的演变，盖斯勒管是充有“稀薄”气体（管内气体压力远低于大气压）的带电玻璃管。当电压施加到插入玻璃的电极时，会产生电“辉光放电”。盖斯勒管在 19 世纪后期很受欢迎，它们发出的不同颜色是管内气体的特征。然而，它们不适合一般照明；管内气体的压力通常在使用中下降。霓虹灯管照明的直接前身是穆尔管，它使用氮气或二氧化碳作为发光气体，并使用一种获得专利的机制来维持压力；穆尔管在 1900 年代初几年内被用于商业照明。

1898 年发现的氖气包括观察到盖斯勒管中发出明亮的红色辉光。 在发现氖气后不久，氖气管被用作科学仪器和新奇物品。 由珀利·G·纳廷制作的显示“氖”一词的标识可能曾在 1904 年的美国路易斯安那购地博览会上展出，但这一说法存在争议； 无论如何，氖气的稀缺性将阻止照明产品的开发。然而，在 1902 年之后，乔治·克劳德的法国公司 Air Liquide 开始生产工业规模的氖气，基本上是他们空气液化业务的副产品。 从 1910 年 12 月 3 日到 18 日，克劳德在巴黎汽车展上展示了两根 40 英尺（12 米）长的明亮红色氖气管。 这次演示照亮了 Grand Palais（一个大型展览馆）的柱廊。 克劳德的合伙人雅克·方塞克意识到，基于标识和广告的业务具有潜力。到 1913 年，一个大型的“琴酒”香艾酒标识照亮了巴黎的夜空，到 1919 年，巴黎歌剧院的入口装饰着霓虹灯管照明。 在接下来的几年里，克劳德获得了两种至今仍在使用的创新的专利：一种“轰击”技术，用于从密封标识的工作气体中去除杂质，以及一种标识内部电极的设计，防止它们因溅射而降解。

1923 年，乔治·克劳德及其法国公司克劳德霓虹灯，通过向洛杉矶一家别克汽车经销店出售两块霓虹灯标识，将霓虹灯标识引入美国。厄尔·C·安东尼以每块 1250 美元的价格购买了这两块写着“别克”的标识。 霓虹灯照明很快成为户外广告的热门设施。即使在白天也能看到，人们会停下来，盯着第一个霓虹灯标识看几个小时，被称为“液体火焰”。

霓虹灯照明和标识的下一个重大技术革新是荧光灯管涂层的开发。雅克·里斯勒于 1926 年获得了这些涂层的法国专利。 使用氩气/汞气混合物的霓虹灯标识会发出大量的紫外线。当这种光被荧光涂层吸收时，最好是在管内，涂层（称为“磷光体”）就会以其自身颜色发光。虽然最初只提供了几种颜色供标识设计师选择，但在第二次世界大战（1939-1945）之后，对磷光体材料的研究十分密集，以用于彩色电视机。到 1960 年代，霓虹灯标识设计师可以使用大约 24 种颜色，而今天可以使用近 100 种颜色。

制造

霓虹灯管标识是通过将玻璃管弯曲成形的手工艺制作而成的。熟练掌握此工艺的工人被称为玻璃弯曲工、霓虹灯弯曲工或管弯曲工。霓虹灯管由 3-4 英尺（1 米）长的直“棒”玻璃管制成，这些玻璃管由标识供应商供应给全球各地的霓虹灯商店。这些商店通常制作单独的、定制设计和制造的标识。制造是一个家庭作坊和折衷的艺术，在大多数情况下，它通常是一个小型家族企业。即使在今天，霓虹灯标识也是手工制作的，并且劳动密集型；商店的设备通常是由工匠自己从零件开始，手工组装的。有数十种颜色可供选择。颜色由所用管的类型和充入的气体决定。

最常用的是外径 (OD) 约为 8–15 mm 的透明玻璃管；管通常的壁厚为 1.0 mm。6 mm 管也以彩色玻璃管的形式在市场上出售。管使用几种类型的燃烧器按节加热，燃烧器根据每次弯曲所需加热的玻璃量来选择。这些燃烧器包括带状燃烧器、火炮式燃烧器或交叉燃烧器，以及各种气体喷灯。带状燃烧器是火条，用于逐渐弯曲，而交叉燃烧器则用于急弯。

弯曲后，管子的内部可以用一层薄的磷光粉涂层覆盖，该涂层通过粘合剂固定在管子的内壁上。管子充满纯化的气体混合物，气体通过焊接在密封管两端的冷阴极，在两端之间施加高压而电离。管子发出的光颜色可能是来自气体本身，也可能是来自磷光体层的。不同的磷光体涂层管段可以使用玻璃工作火炬对接焊接在一起，形成一个具有不同颜色的单一管子，例如，在上面的右图中所示的符号中，每个字母在一个单词中显示不同的颜色字母。

“霓虹灯”用于表示灯的一般类型，但霓虹气体只是商业应用中主要使用的几种管子气体中的一种。纯霓虹气体只用于产生大约三分之一的颜色。大多数颜色是通过填充另一种惰性气体氩气和一滴汞 (Hg) 来产生的，汞在净化后立即添加到管子中。当管子通过电气化电离时，汞会蒸发成汞蒸气，填满管子并产生强烈的紫外光。由此产生的紫外光激发各种磷光体涂层，这些涂层被设计用于产生不同的颜色。即使这类霓虹灯管根本不使用霓虹气体，它们仍然被统称为“霓虹灯”。含汞灯是一种冷阴极荧光灯。

每种霓虹灯管都会产生两种完全不同的颜色，一种是霓虹气体，另一种是氩气/汞。一些“霓虹灯”管是为某些颜色而没有磷光体涂层的。装满霓虹气体的透明管会产生无处不在的橙黄色，内部等离子体柱清晰可见，这是最便宜和最简单的管子。美国 20 多年前的传统霓虹玻璃是铅玻璃，很容易在气体火中软化，但最近工人对环境和健康的担忧促使制造商寻求更环保的特殊软玻璃配方。这样避免的一个棘手问题是铅玻璃在过浓的燃料/氧气混合物中弯曲火焰时，容易燃烧成一个黑点，并释放铅烟雾。另一条传统的玻璃系列是有色钠钙玻璃，提供各种玻璃颜色选择，它们产生的色调质量最高，最催眠，最鲜艳。无论是涂层还是不涂层，这些有色玻璃都可以使用各种可用的奇异磷光体来提供更多颜色选择。一个完整的符号由几个电气连接的独立管子组成，它们需要不同的内部磷光体涂层和不同的气体填充才能产生符号中所需的全部颜色范围。

使用寿命长

正是各种各样的颜色以及制造一个可以持续使用数年甚至数十年而无需更换的管子的能力，使这成为一门艺术。由于这些管子需要大量的定制劳动，如果它们的寿命不长，它们的经济可行性将非常低。霓虹灯产生的光强度随着管子直径的减小而缓慢增加，也就是说，强度与管子内径的平方根成反比，并且管子的电阻随着管子直径的减小而相应增加，因为管子电离在管子中心最大，并且离子迁移到管壁并被重新捕获并中和。霓虹灯管失效的最主要原因是霓虹气体被高压离子注入管子的内壁玻璃，逐渐吸收，最终导致管子电阻上升到无法在额定电压下点亮，但这可能需要 7-10 年的时间。

事实上，80% 的霓虹灯标志失效是由于连接金属管道内管子的高压电线烧毁。一种非常常见的霓虹灯标志是由一个带有彩色半透明面的成型金属箱制成的，称为“通道字母”。更新的通道字母标志正在被高亮度 LED 替换。

这种长寿命为霓虹灯在室内建筑凹槽照明方面创造了实际市场，广泛用于包括住宅在内的各种场合，其中管子可以弯曲成任何形状，安装在狭小的空间内，并且可以做到这一点而不需要更换管子十年或更长时间。

弯曲管子

将一段玻璃加热，直到它变得可塑；然后将其弯曲成型，并与包含最终产品将最终符合的图形或字母的图案对齐。这就是霓虹灯的真正艺术所在，一些工匠需要一到几年甚至更长时间的练习才能掌握。一个管子弯曲器在加热之前会从空心管子上取下软木塞，并在另一端握住一个乳胶橡胶吹气软管，通过它轻轻地压入少量空气，以使管子直径在弯曲时保持恒定。弯曲的诀窍是每次弯曲一小部分或弯曲一个部分，加热管子的一个部分使其变软，而不要同时加热管子的其他部分，否则会使弯曲无法控制。一旦玻璃加热，弯曲必须迅速地被带到图案上并安装好，在玻璃再次变硬之前，因为一旦完全冷却，就很难重新加热，而不会有断裂的风险。通常需要跳过一个或多个弯曲，然后通过仔细测量管子的长度来回来。一个管子字母可能包含 7-10 个小弯曲，如果出现错误，如果不重新开始，就很难纠正。如果需要更多管子，可以将另一块焊接上去，或者可以在最后一步将所有部分焊接在一起。为了工作，完成的管子必须是绝对真空的，而且内部必须是真空清洁的。一旦管子充满汞，如果之后发生任何错误，整个管子就应该重新开始，因为吸入热汞浸渍的玻璃和磷光体会导致霓虹灯工人长期重金属中毒。将管子连接起来，直到管子达到不切实际的尺寸，然后将几根管子串联连接到高压霓虹灯变压器。电气电路的两端必须相互隔离，以防止管子穿孔和电晕效应引起的嗡嗡声。

“轰击”

霓虹气体和氩气是惰性稀有气体，是纯元素。只要预先填充的管子中没有其他气体，霓虹气体就会在很长一段时间内保持寿命，只受离子注入的长期过程的影响，该过程会逐渐在多年内吸收气体。但是，在管子内部有金属电极，对于氩气管来说，还有汞珠，如果残留有反应性大气气体，它们会很快燃烧，在短短几秒钟内破坏管子，因此需要通过加热这些电极中的冷阴极粉末涂层，将它们从 BaCO2 转换为低功函数 BaO2，达到白炽温度，并将氧气、二氧化碳和水驱除并排出，这些物质在暴露于大气后会粘附在管壁上。这在真空中进行，在商业上被称为“轰击”。

冷阴极电极通过使用天然气/压缩空气手动喷灯加热（或焊接）到管子的每一端，因为它已经完成。电极也通常是铅玻璃，包含一个小的金属外壳，有两个导线从玻璃中伸出，这些导线将连接到标志的接线。所有焊接和密封件在继续下一步之前必须是完美的防漏真空。

管子连接到一个歧管，该歧管本身连接到一个高质量的真空泵。然后将管子中的空气抽空，直到达到接近真空。在抽空过程中，高电流通过从每个电极伸出的导线强加到管子中（在一个被称为“轰击”的过程中）。这种电流和电压远远高于管子最终运行时的水平。电流取决于使用的具体电极和管子的直径，但通常在 450 mA 到 800 mA 的范围内，施加的电压通常在 22,000-26,000 V 之间。轰击变压器充当可调恒流源，产生的电压取决于管子的长度和压力。通常，操作员会将压力保持在轰击器允许的最高压力，以确保最大功率损耗和加热。

灯管内的高功率耗散会使玻璃管壁温度升至几百度摄氏度，真空泵会将管壁内的任何污垢和杂质以气化形式抽走。通过这种方式被驱除的最主要杂质是通过吸附附着在管壁内侧的气体，主要包括氧气、二氧化碳，尤其是水蒸气。电流还会使电极金属加热至超过600^oC，发出明亮的橙色白炽光。阴极是预制的空心金属外壳，带有小孔（有时是陶瓷环形孔），外壳内表面覆盖着少量冷阴极低功函数粉末（通常是包含BaCO₂的粉末陶瓷摩尔共晶点混合物，与其他碱土金属氧化物结合，在加热至约500华氏度时会还原为BaO₂，降低电极的功函数，从而实现阴极发射。氧化钡的功函数约为2，而钨在室温下的功函数则高出约100倍，即4.0。这代表了从阴极表面剥离电子所需的阴极降压或电子能量。这样就不需要使用传统荧光灯中使用的热丝热电阴极。因此，当经过适当处理时，霓虹灯的寿命非常长，与荧光灯不同，因为霓虹灯不像荧光灯那样有灯丝会像普通灯泡一样烧毁。这样做主要目的是在灯管封口前净化灯管内部，这样在灯管工作时，这些气体和杂质就不会被等离子体和产生的热量从密封的灯管中驱除出来，从而快速烧毁金属阴极和汞滴（如果用氩气/汞抽气）并氧化内部气体，导致灯管立即失效。灯管的净化越彻底，灯管在实际工作中就越持久、越稳定。一旦这些气体和杂质在预充轰击下被释放到灯管内部，就会被泵快速抽走。

在灯管仍然连接到歧管的情况下，让灯管冷却，同时抽真空至系统能够达到的最低压力。然后用氖气、氩气或其他惰性气体，或它们的混合气体，以及少量汞，将灯管回充至低压（几托（T）或约1千帕（kPa））。这种气体充填压力约为大气压的1/100（标称760托或100千帕）。所需的压力取决于所用气体和灯管的直径，最佳值范围从6 T（0.8 kPa）（对于长20毫米的灯管，充填氩气/汞）到27 T（3.6 kPa）（对于短8毫米直径的灯管，充填纯氖气）。氖气或氩气是最常用的气体；氪气、氙气和氦气被艺术家用于特殊用途，但在普通灯牌中不单独使用。当灯管要安装在寒冷气候中时，通常使用氩气和氦气的预混合组合来代替纯氩气，因为氦气会增加电压降（从而增加功率耗散），使灯管更快地升温到工作温度。氖气在点亮时会发出明亮的红色或橙红色光芒。当使用氩气或氩气/氦气时，会添加一滴微量的汞。氩气本身在点亮时是暗淡的淡紫色，但当密封时，汞滴会使灯管充满汞蒸气，然后在通电时会发出紫外线。这种紫外线发射使完成的氩气/汞灯管在灯管弯成形状后，在内部涂上紫外线敏感荧光粉后，能够发出各种明亮的颜色。

热处理霓虹灯管

还有一种处理完的霓虹灯管的替代方法。由于电轰击的唯一目的是净化灯管内部，因此也可以通过外部火焰或烤箱加热灯管，同时用射频感应加热线圈（RFIH）加热电极来生产灯管。虽然这种方法效率较低，但它可以生产出更清洁的定制灯管，阴极损伤显著减少，使用寿命和亮度更长，并且可以生产尺寸和直径非常小的灯管，最小可达6毫米外径。在高真空下对灯管进行彻底加热，无需外部电气应用，直到可以看到放出的气体完全耗尽，压力再次降至高真空。然后对灯管进行充填、密封，并滴入汞并摇动。

电气布线

完成的玻璃部件由霓虹灯变压器或开关电源点亮，工作电压在3-15千伏之间，电流在20-120毫安之间。这些电源工作为恒流源（高压电源，内部阻抗非常高），因为灯管具有负特征电阻抗。霓虹灯早期建立的标准灯管表格至今仍在使用，这些表格根据灯管长度（以英尺为单位）、灯管直径和变压器电压，指定了灯管内充填气体的压力，无论是Ne还是Hg/Ar。

标准的传统霓虹灯变压器，即磁性分流变压器，是一种特殊的非线性变压器，设计为使灯管两端的电压保持在产生所需固定电流所需的任何水平，直到达到霓虹灯灯管最大长度的极限。

20世纪90年代初开发的更新、更紧凑的高频逆变器-转换器变压器也被使用，特别是在需要低射频干扰 (RFI) 的地方，例如靠近高保真音频设备的地方。这是因为在这些固态变压器的典型频率 20 kHz 下，等离子体电子-离子复合时间太短，无法在每 1/120 秒（如 50/60 Hz 变压器）熄灭并重新点燃灯管中的等离子体，因此等离子体不会发出高频开关噪声。等离子体始终保持点亮状态，从而免受无线电噪声。

最常见的电流额定值为 30 mA，用于一般用途，60 mA 用于高亮度应用，例如通道字母或建筑照明。在照明应用中偶尔会看到 120 mA 电源，但并不常见，因为需要特殊的电极才能承受这种电流，并且 120 mA 变压器产生的意外电击比低电流电源更容易致命。

遮挡和涂层

内华达州里诺的 Club Prima Donna 动画霓虹灯牌，1955 年。

霓虹灯利用的视觉技巧是通过遮挡涂料遮挡灯管的部分区域来实现的，遮挡涂料可以喷涂或浸涂。一个完整的灯管实际上是由多个连续的灯管元件组成，这些元件通过玻璃焊接连接在一起，从而使整个电压通过，例如，从阴极到阴极，端对端地通过多个字母。对于没有受过训练的人来说，它看起来像是独立的灯管，但电气连接是交叉玻璃内部的等离子体本身。整个灯管都会亮起来，除非观众不应该看到的部位被不透明的特殊黑色或灰色玻璃漆覆盖。如果没有遮挡涂料，显示效果就会让人感到困惑。在当今大多数批量生产的灯牌中，通常会使用玻璃漆浸涂，使普通灯管看起来像高质量的有色玻璃灯管。

应用

发光的灯管形成了彩色的线条，可以用它们来写文字或画画，包括各种装饰，尤其是在广告和商业标志方面。通过对开关部件的序列进行编程，可以实现多种动态灯光图案，形成动画图像。

由于 LED（发光二极管）的成本更低，使用寿命更长，霓虹灯牌正越来越多地被 LED 灯牌所取代。随着 LED 变得越来越亮、越来越便宜，这种趋势似乎还会继续。

霓虹灯牌保护文章的参考书目

一个典型的“古奇风格建筑”的1950年代老式灯牌，已经破损；“Ships”是洛杉矶的一家连锁咖啡店。

• "2010 年十大濒危遗址". 遗产温哥华协会. 检索于 2010-12-05.
• Bass, Shermakaye (2007-06-06). "Neon Museum saving Las Vegas' iconic signs". 洛杉矶时报. http://travel.latimes.com/articles/la-trw-neonvegas10jun10. 检索于 2009-09-12. 
• Keen, Judy (2008 年 10 月 6 日). "Save neon signs, fans urge". 今日美国. http://www.usatoday.com/news/nation/2008-10-06-neon-signs_N.htm. 

霓虹灯图像

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  氖气
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  氩气（含汞）
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  氦气
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  氪气
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  氙气