製作霓虹燈

加利福尼亞州奧本一家劇院的 1937 年霓虹燈頂棚標誌，在 2006 年重建。塔上的大字按定時順序點亮，迴圈播放 "S"、"ST"、...、"STATE"，然後熄滅。

霓虹燈標識 是使用充有稀薄的氖氣或其他氣體的帶電發光管制成的。它們是霓虹燈照明的最常見用途，這種照明最早於 1910 年 12 月由喬治·克勞德在巴黎汽車展上以現代形式展示。 雖然它們在全世界使用，但霓虹燈標識在美國大約從 1920 年到 1960 年非常流行。時代廣場的裝置在全世界都很有名；到 1940 年，美國有近 2000 家小商店生產霓虹燈標識。 除了標識，霓虹燈照明現在經常被藝術家和建築師使用。 並且（以修改後的形式）在等離子顯示面板和電視中使用。 標識行業在過去幾十年中已經衰落，現在城市都關注著保護和修復它們古老的霓虹燈標識（見下面的參考文獻）。

歷史

霓虹燈標識

1930 年代霓虹燈標識經銷商，安森·布朗大樓，密歇根州安阿伯

霓虹燈標識是早期的蓋斯勒管的演變，蓋斯勒管是充有“稀薄”氣體（管內氣體壓力遠低於大氣壓）的帶電玻璃管。當電壓施加到插入玻璃的電極時，會產生電“輝光放電”。蓋斯勒管在 19 世紀後期很受歡迎，它們發出的不同顏色是管內氣體的特徵。然而，它們不適合一般照明；管內氣體的壓力通常在使用中下降。霓虹燈管照明的直接前身是穆爾管，它使用氮氣或二氧化碳作為發光氣體，並使用一種獲得專利的機制來維持壓力；穆爾管在 1900 年代初幾年內被用於商業照明。

1898 年發現的氖氣包括觀察到蓋斯勒管中發出明亮的紅色輝光。 在發現氖氣後不久，氖氣管被用作科學儀器和新奇物品。 由珀利·G·納廷製作的顯示“氖”一詞的標識可能曾在 1904 年的美國路易斯安那購地博覽會上展出，但這一說法存在爭議； 無論如何，氖氣的稀缺性將阻止照明產品的開發。然而，在 1902 年之後，喬治·克勞德的法國公司 Air Liquide 開始生產工業規模的氖氣，基本上是他們空氣液化業務的副產品。 從 1910 年 12 月 3 日到 18 日，克勞德在巴黎汽車展上展示了兩根 40 英尺（12 米）長的明亮紅色氖氣管。 這次演示照亮了 Grand Palais（一個大型展覽館）的柱廊。 克勞德的合夥人雅克·方塞克意識到，基於標識和廣告的業務具有潛力。到 1913 年，一個大型的“琴酒”香艾酒標識照亮了巴黎的夜空，到 1919 年，巴黎歌劇院的入口裝飾著霓虹燈管照明。 在接下來的幾年裡，克勞德獲得了兩種至今仍在使用的創新的專利：一種“轟擊”技術，用於從密封標識的工作氣體中去除雜質，以及一種標識內部電極的設計，防止它們因濺射而降解。

1923 年，喬治·克勞德及其法國公司克勞德霓虹燈，透過向洛杉磯一家別克汽車經銷店出售兩塊霓虹燈標識，將霓虹燈標識引入美國。厄爾·C·安東尼以每塊 1250 美元的價格購買了這兩塊寫著“別克”的標識。 霓虹燈照明很快成為戶外廣告的熱門設施。即使在白天也能看到，人們會停下來，盯著第一個霓虹燈標識看幾個小時，被稱為“液體火焰”。

霓虹燈照明和標識的下一個重大技術革新是熒光燈管塗層的開發。雅克·里斯勒於 1926 年獲得了這些塗層的法國專利。 使用氬氣/汞氣混合物的霓虹燈標識會發出大量的紫外線。當這種光被熒光塗層吸收時，最好是在管內，塗層（稱為“磷光體”）就會以其自身顏色發光。雖然最初只提供了幾種顏色供標識設計師選擇，但在第二次世界大戰（1939-1945）之後，對磷光體材料的研究十分密集，以用於彩色電視機。到 1960 年代，霓虹燈標識設計師可以使用大約 24 種顏色，而今天可以使用近 100 種顏色。

製造

霓虹燈管標識是透過將玻璃管彎曲成形的手工藝製作而成的。熟練掌握此工藝的工人被稱為玻璃彎曲工、霓虹燈彎曲工或管彎曲工。霓虹燈管由 3-4 英尺（1 米）長的直“棒”玻璃管制成，這些玻璃管由標識供應商供應給全球各地的霓虹燈商店。這些商店通常製作單獨的、定製設計和製造的標識。製造是一個家庭作坊和折衷的藝術，在大多數情況下，它通常是一個小型家族企業。即使在今天，霓虹燈標識也是手工製作的，並且勞動密集型；商店的裝置通常是由工匠自己從零件開始，手工組裝的。有數十種顏色可供選擇。顏色由所用管的型別和充入的氣體決定。

最常用的是外徑 (OD) 約為 8–15 mm 的透明玻璃管；管通常的壁厚為 1.0 mm。6 mm 管也以彩色玻璃管的形式在市場上出售。管使用幾種型別的燃燒器按節加熱，燃燒器根據每次彎曲所需加熱的玻璃量來選擇。這些燃燒器包括帶狀燃燒器、火炮式燃燒器或交叉燃燒器，以及各種氣體噴燈。帶狀燃燒器是火條，用於逐漸彎曲，而交叉燃燒器則用於急彎。

彎曲後，管子的內部可以用一層薄的磷光粉塗層覆蓋，該塗層透過粘合劑固定在管子的內壁上。管子充滿純化的氣體混合物，氣體透過焊接在密封管兩端的冷陰極，在兩端之間施加高壓而電離。管子發出的光顏色可能是來自氣體本身，也可能是來自磷光體層的。不同的磷光體塗層管段可以使用玻璃工作火炬對接焊接在一起，形成一個具有不同顏色的單一管子，例如，在上面的右圖中所示的符號中，每個字母在一個單詞中顯示不同的顏色字母。

“霓虹燈”用於表示燈的一般型別，但霓虹氣體只是商業應用中主要使用的幾種管子氣體中的一種。純霓虹氣體只用於產生大約三分之一的顏色。大多數顏色是透過填充另一種惰性氣體氬氣和一滴汞 (Hg) 來產生的，汞在淨化後立即新增到管子中。當管子透過電氣化電離時，汞會蒸發成汞蒸氣，填滿管子併產生強烈的紫外光。由此產生的紫外光激發各種磷光體塗層，這些塗層被設計用於產生不同的顏色。即使這類霓虹燈管根本不使用霓虹氣體，它們仍然被統稱為“霓虹燈”。含汞燈是一種冷陰極熒光燈。

每種霓虹燈管都會產生兩種完全不同的顏色，一種是霓虹氣體，另一種是氬氣/汞。一些“霓虹燈”管是為某些顏色而沒有磷光體塗層的。裝滿霓虹氣體的透明管會產生無處不在的橙黃色，內部等離子體柱清晰可見，這是最便宜和最簡單的管子。美國 20 多年前的傳統霓虹玻璃是鉛玻璃，很容易在氣體火中軟化，但最近工人對環境和健康的擔憂促使製造商尋求更環保的特殊軟玻璃配方。這樣避免的一個棘手問題是鉛玻璃在過濃的燃料/氧氣混合物中彎曲火焰時，容易燃燒成一個黑點，並釋放鉛煙霧。另一條傳統的玻璃系列是有色鈉鈣玻璃，提供各種玻璃顏色選擇，它們產生的色調質量最高，最催眠，最鮮豔。無論是塗層還是不塗層，這些有色玻璃都可以使用各種可用的奇異磷光體來提供更多顏色選擇。一個完整的符號由幾個電氣連線的獨立管子組成，它們需要不同的內部磷光體塗層和不同的氣體填充才能產生符號中所需的全部顏色範圍。

使用壽命長

正是各種各樣的顏色以及製造一個可以持續使用數年甚至數十年而無需更換的管子的能力，使這成為一門藝術。由於這些管子需要大量的定製勞動，如果它們的壽命不長，它們的經濟可行性將非常低。霓虹燈產生的光強度隨著管子直徑的減小而緩慢增加，也就是說，強度與管子內徑的平方根成反比，並且管子的電阻隨著管子直徑的減小而相應增加，因為管子電離在管子中心最大，並且離子遷移到管壁並被重新捕獲並中和。霓虹燈管失效的最主要原因是霓虹氣體被高壓離子注入管子的內壁玻璃，逐漸吸收，最終導致管子電阻上升到無法在額定電壓下點亮，但這可能需要 7-10 年的時間。

事實上，80% 的霓虹燈標誌失效是由於連線金屬管道內管子的高壓電線燒燬。一種非常常見的霓虹燈標誌是由一個帶有彩色半透明面的成型金屬箱製成的，稱為“通道字母”。更新的通道字母標誌正在被高亮度 LED 替換。

這種長壽命為霓虹燈在室內建築凹槽照明方面創造了實際市場，廣泛用於包括住宅在內的各種場合，其中管子可以彎曲成任何形狀，安裝在狹小的空間內，並且可以做到這一點而不需要更換管子十年或更長時間。

彎曲管子

將一段玻璃加熱，直到它變得可塑；然後將其彎曲成型，並與包含最終產品將最終符合的圖形或字母的圖案對齊。這就是霓虹燈的真正藝術所在，一些工匠需要一到幾年甚至更長時間的練習才能掌握。一個管子彎曲器在加熱之前會從空心管子上取下軟木塞，並在另一端握住一個乳膠橡膠吹氣軟管，透過它輕輕地壓入少量空氣，以使管子直徑在彎曲時保持恆定。彎曲的訣竅是每次彎曲一小部分或彎曲一個部分，加熱管子的一個部分使其變軟，而不要同時加熱管子的其他部分，否則會使彎曲無法控制。一旦玻璃加熱，彎曲必須迅速地被帶到圖案上並安裝好，在玻璃再次變硬之前，因為一旦完全冷卻，就很難重新加熱，而不會有斷裂的風險。通常需要跳過一個或多個彎曲，然後透過仔細測量管子的長度來回來。一個管子字母可能包含 7-10 個小彎曲，如果出現錯誤，如果不重新開始，就很難糾正。如果需要更多管子，可以將另一塊焊接上去，或者可以在最後一步將所有部分焊接在一起。為了工作，完成的管子必須是絕對真空的，而且內部必須是真空清潔的。一旦管子充滿汞，如果之後發生任何錯誤，整個管子就應該重新開始，因為吸入熱汞浸漬的玻璃和磷光體會導致霓虹燈工人長期重金屬中毒。將管子連線起來，直到管子達到不切實際的尺寸，然後將幾根管子串聯連線到高壓霓虹燈變壓器。電氣電路的兩端必須相互隔離，以防止管子穿孔和電暈效應引起的嗡嗡聲。

“轟擊”

霓虹氣體和氬氣是惰性稀有氣體，是純元素。只要預先填充的管子中沒有其他氣體，霓虹氣體就會在很長一段時間內保持壽命，只受離子注入的長期過程的影響，該過程會逐漸在多年內吸收氣體。但是，在管子內部有金屬電極，對於氬氣管來說，還有汞珠，如果殘留有反應性大氣氣體，它們會很快燃燒，在短短幾秒鐘內破壞管子，因此需要透過加熱這些電極中的冷陰極粉末塗層，將它們從 BaCO2 轉換為低功函式 BaO2，達到白熾溫度，並將氧氣、二氧化碳和水驅除並排出，這些物質在暴露於大氣後會粘附在管壁上。這在真空中進行，在商業上被稱為“轟擊”。

冷陰極電極透過使用天然氣/壓縮空氣手動噴燈加熱（或焊接）到管子的每一端，因為它已經完成。電極也通常是鉛玻璃，包含一個小的金屬外殼，有兩個導線從玻璃中伸出，這些導線將連線到標誌的接線。所有焊接和密封件在繼續下一步之前必須是完美的防漏真空。

管子連線到一個歧管，該歧管本身連線到一個高質量的真空泵。然後將管子中的空氣抽空，直到達到接近真空。在抽空過程中，高電流透過從每個電極伸出的導線強加到管子中（在一個被稱為“轟擊”的過程中）。這種電流和電壓遠遠高於管子最終執行時的水平。電流取決於使用的具體電極和管子的直徑，但通常在 450 mA 到 800 mA 的範圍內，施加的電壓通常在 22,000-26,000 V 之間。轟擊變壓器充當可調恆流源，產生的電壓取決於管子的長度和壓力。通常，操作員會將壓力保持在轟擊器允許的最高壓力，以確保最大功率損耗和加熱。

燈管內的高功率耗散會使玻璃管壁溫度升至幾百度攝氏度，真空泵會將管壁內的任何汙垢和雜質以氣化形式抽走。透過這種方式被驅除的最主要雜質是透過吸附附著在管壁內側的氣體，主要包括氧氣、二氧化碳，尤其是水蒸氣。電流還會使電極金屬加熱至超過600^oC，發出明亮的橙色白熾光。陰極是預製的空心金屬外殼，帶有小孔（有時是陶瓷環形孔），外殼內表面覆蓋著少量冷陰極低功函式粉末（通常是包含BaCO₂的粉末陶瓷摩爾共晶點混合物，與其他鹼土金屬氧化物結合，在加熱至約500華氏度時會還原為BaO₂，降低電極的功函式，從而實現陰極發射。氧化鋇的功函式約為2，而鎢在室溫下的功函式則高出約100倍，即4.0。這代表了從陰極表面剝離電子所需的陰極降壓或電子能量。這樣就不需要使用傳統熒光燈中使用的熱絲熱電陰極。因此，當經過適當處理時，霓虹燈的壽命非常長，與熒光燈不同，因為霓虹燈不像熒光燈那樣有燈絲會像普通燈泡一樣燒燬。這樣做主要目的是在燈管封口前淨化燈管內部，這樣在燈管工作時，這些氣體和雜質就不會被等離子體和產生的熱量從密封的燈管中驅除出來，從而快速燒燬金屬陰極和汞滴（如果用氬氣/汞抽氣）並氧化內部氣體，導致燈管立即失效。燈管的淨化越徹底，燈管在實際工作中就越持久、越穩定。一旦這些氣體和雜質在預充轟擊下被釋放到燈管內部，就會被泵快速抽走。

在燈管仍然連線到歧管的情況下，讓燈管冷卻，同時抽真空至系統能夠達到的最低壓力。然後用氖氣、氬氣或其他惰性氣體，或它們的混合氣體，以及少量汞，將燈管回充至低壓（幾託（T）或約1千帕（kPa））。這種氣體充填壓力約為大氣壓的1/100（標稱760託或100千帕）。所需的壓力取決於所用氣體和燈管的直徑，最佳值範圍從6 T（0.8 kPa）（對於長20毫米的燈管，充填氬氣/汞）到27 T（3.6 kPa）（對於短8毫米直徑的燈管，充填純氖氣）。氖氣或氬氣是最常用的氣體；氪氣、氙氣和氦氣被藝術家用於特殊用途，但在普通燈牌中不單獨使用。當燈管要安裝在寒冷氣候中時，通常使用氬氣和氦氣的預混合組合來代替純氬氣，因為氦氣會增加電壓降（從而增加功率耗散），使燈管更快地升溫到工作溫度。氖氣在點亮時會發出明亮的紅色或橙紅色光芒。當使用氬氣或氬氣/氦氣時，會新增一滴微量的汞。氬氣本身在點亮時是暗淡的淡紫色，但當密封時，汞滴會使燈管充滿汞蒸氣，然後在通電時會發出紫外線。這種紫外線發射使完成的氬氣/汞燈管在燈管彎成形狀後，在內部塗上紫外線敏感熒光粉後，能夠發出各種明亮的顏色。

熱處理霓虹燈管

還有一種處理完的霓虹燈管的替代方法。由於電轟擊的唯一目的是淨化燈管內部，因此也可以透過外部火焰或烤箱加熱燈管，同時用射頻感應加熱線圈（RFIH）加熱電極來生產燈管。雖然這種方法效率較低，但它可以生產出更清潔的定製燈管，陰極損傷顯著減少，使用壽命和亮度更長，並且可以生產尺寸和直徑非常小的燈管，最小可達6毫米外徑。在高真空下對燈管進行徹底加熱，無需外部電氣應用，直到可以看到放出的氣體完全耗盡，壓力再次降至高真空。然後對燈管進行充填、密封，並滴入汞並搖動。

電氣佈線

完成的玻璃部件由霓虹燈變壓器或開關電源點亮，工作電壓在3-15千伏之間，電流在20-120毫安之間。這些電源工作為恆流源（高壓電源，內部阻抗非常高），因為燈管具有負特徵電阻抗。霓虹燈早期建立的標準燈管表格至今仍在使用，這些表格根據燈管長度（以英尺為單位）、燈管直徑和變壓器電壓，指定了燈管內充填氣體的壓力，無論是Ne還是Hg/Ar。

標準的傳統霓虹燈變壓器，即磁性分流變壓器，是一種特殊的非線性變壓器，設計為使燈管兩端的電壓保持在產生所需固定電流所需的任何水平，直到達到霓虹燈燈管最大長度的極限。

20世紀90年代初開發的更新、更緊湊的高頻逆變器-轉換器變壓器也被使用，特別是在需要低射頻干擾 (RFI) 的地方，例如靠近高保真音訊裝置的地方。這是因為在這些固態變壓器的典型頻率 20 kHz 下，等離子體電子-離子複合時間太短，無法在每 1/120 秒（如 50/60 Hz 變壓器）熄滅並重新點燃燈管中的等離子體，因此等離子體不會發出高頻開關噪聲。等離子體始終保持點亮狀態，從而免受無線電噪聲。

最常見的電流額定值為 30 mA，用於一般用途，60 mA 用於高亮度應用，例如通道字母或建築照明。在照明應用中偶爾會看到 120 mA 電源，但並不常見，因為需要特殊的電極才能承受這種電流，並且 120 mA 變壓器產生的意外電擊比低電流電源更容易致命。

遮擋和塗層

內華達州里諾的 Club Prima Donna 動畫霓虹燈牌，1955 年。

霓虹燈利用的視覺技巧是透過遮擋塗料遮擋燈管的部分割槽域來實現的，遮擋塗料可以噴塗或浸塗。一個完整的燈管實際上是由多個連續的燈管元件組成，這些元件透過玻璃焊接連線在一起，從而使整個電壓透過，例如，從陰極到陰極，端對端地透過多個字母。對於沒有受過訓練的人來說，它看起來像是獨立的燈管，但電氣連線是交叉玻璃內部的等離子體本身。整個燈管都會亮起來，除非觀眾不應該看到的部位被不透明的特殊黑色或灰色玻璃漆覆蓋。如果沒有遮擋塗料，顯示效果就會讓人感到困惑。在當今大多數批次生產的燈牌中，通常會使用玻璃漆浸塗，使普通燈管看起來像高質量的有色玻璃燈管。

應用

發光的燈管形成了彩色的線條，可以用它們來寫文字或畫畫，包括各種裝飾，尤其是在廣告和商業標誌方面。透過對開關部件的序列進行程式設計，可以實現多種動態燈光圖案，形成動畫影像。

由於 LED（發光二極體）的成本更低，使用壽命更長，霓虹燈牌正越來越多地被 LED 燈牌所取代。隨著 LED 變得越來越亮、越來越便宜，這種趨勢似乎還會繼續。

霓虹燈牌保護文章的參考書目

一個典型的“古奇風格建築”的1950年代老式燈牌，已經破損；“Ships”是洛杉磯的一家連鎖咖啡店。

• "2010 年十大瀕危遺址". 遺產溫哥華協會. 檢索於 2010-12-05.
• Bass, Shermakaye (2007-06-06). "Neon Museum saving Las Vegas' iconic signs". 洛杉磯時報. http://travel.latimes.com/articles/la-trw-neonvegas10jun10. 檢索於 2009-09-12. 
• Keen, Judy (2008 年 10 月 6 日). "Save neon signs, fans urge". 今日美國. http://www.usatoday.com/news/nation/2008-10-06-neon-signs_N.htm. 

霓虹燈影像

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  氖氣
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  氬氣（含汞）
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  氦氣
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  氪氣
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  氙氣