氦气通电发什么光(霓虹灯：我这一肚子稀有气体是怎么发光发亮的)

Posted 2023-05-30

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氦气通电发什么光(霓虹灯：我这一肚子稀有气体是怎么发光发亮的)

每到夜晚，霓虹灯亮起，城市开始焕发生机，各色灯光勾勒出城市的街道和社区，一派丰富、繁荣的景象

霓虹灯牌是一种由玻璃管制成的照明标牌，玻璃管内充满气体，弯成字母或装饰性图案的形状，当高压电流通过气体时，玻璃管就会发光

霓虹灯牌

这些霓虹灯管内最初使用的气体是氖气，但也会使用其他几种气体（如氢、氦、二氧化碳等），这些气体加上玻璃管的不同颜色和荧光涂层，会产生五光十色的效果，其颜色可以超过50种

稀有气体的制备与霓虹灯的兴起

说到霓虹灯牌的起源，它其实是从各种气体受到高压电流作用的科学实验发展而来的，1856年，海因里希·盖斯勒（Heinrich Geissler）将高压交流电通过密封在玻璃管中的低压气体，制造了一种光源

法国物理书中画出的盖斯勒管发出各种颜色的光

随后的实验表明，几乎所有的气体都会传导电流，且许多气体还可以产生光，可问题在于，大多数常见气体，如二氧化碳，会与密封管内的载流电极发生反应，这很快就会降低电极的使用效率好寿命

1898年，威廉·拉姆齐爵士（Sir William Ramsay）和莫里斯·威廉·特拉弗斯（Morris William Travers）开发了一种液态空气分馏的方法，在这个过程中，他们发现了稀有气体元素氖、氩、氪和氙

几千伏的电压施加在电极上，电离管中的不同气体发出不同颜色的光

在密封的玻璃管中充入上述气体并通电，它们就会产生彩色光源，从氖气产生的亮橙色光到氩气产生的红紫色光，这些气体不仅可以产生彩色光，而且还具有化学惰性，不会与电极发生反应

但是，拉姆齐和特拉弗斯开发的液态空气馏分方法并不那么“平易近人”，成本偏高，直到1907年，法国的乔治·克劳德(Georges Claude)和德国的卡尔·冯·林德(Karl Von Linde)开发出了一种更经济的方法

卡尔·冯·林德的液态空气馏分示意图

乔治·克劳德最初的想法是生产大量供医院和工业使用的氧气，这种蒸馏过程产生的稀有气体只是副产品，同时也没有现成的市场，但非凡的商业头脑促使克劳德很快就投入到寻求稀有气体潜在的应用当中去了

利用拉姆齐和特拉弗斯之前的实验工作，乔治·克劳德开始使用充满氖气气体的玻璃管来推广照明灯光牌，1910年，他在巴黎的一次博览会上展示了他的第一个霓虹灯牌，并于1912年完成了他的第一次商业安装

乔治·克劳德开发的第一款霓虹灯

到了1915年，生意越做越大的乔治·克劳德成立了克劳德霓虹灯牌公司（Claude Neon sign company），并开始出售特许经营权

1923年，洛杉矶一位汽车经销商厄尔·C·安东尼（Earle C.Anthony）为他的帕卡德（Packard）经销商购买了克劳德（Claude）的两块招牌，霓虹灯牌也随之来到美国

Packard汽车经销店的霓虹灯牌

在整个20世纪20年代和30年代，霓虹灯牌被广泛用于标识和装饰性展示，并成为许多建筑的组成部分，到1947年，拉斯维加斯的几家赌场开始用精致的霓虹灯牌吸引人们的注意

在20世纪50年代和60年代，霓虹灯牌慢慢被从内部用荧光灯管照明的塑料招牌所取代，但是每当夜幕降临，式微的霓虹灯管纷纷亮起，城市的形状就在霓虹灯的勾勒下更清晰了

了解下霓虹灯牌

虽然氖气气体最初用于霓虹灯牌，但现在只用于产生霓虹灯牌中的红色和橙色，氩或氩-氖混合物在大多数灯牌中使用

氖气霓虹灯的颜色和光谱范围

为了提高光的强度，制作的时候通常会在氩气中加入少量的汞以产生强烈的蓝光，这样，光照射到涂在玻璃管内侧的各种磷光发光材料上时就会产生各种颜色，当然，也可以使用各种颜色的光学色调

或者当需要强烈的蓝光时，可以使用透明玻璃管来达到目的，此外，氙气、氪和氦气有时用于特殊的颜色效果

氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）的颜色效果

总结为3种类型就是：

第一种是玻璃内壁不涂任何荧光粉，直接采用无色透明的玻璃管，通常称为明管；
第二种是在透明玻璃管内壁涂有荧光粉，我们称它为粉管；
第三种是采用彩色玻璃管，且在玻璃管内壁均匀涂上荧光粉，我们称它为彩管

霓虹灯牌中使用的玻璃管是由软铅玻璃制成，容易弯曲和成型，直径从8毫米到25毫米不等，长度为1.2-1.5米左右

霓虹灯牌中使用的玻璃管

灯管两端的电极通常是由非常纯净的铁制成的，周围有一个圆柱形的玻璃套或一个开口的外壳，一根金属丝连接在金属电极上，穿过玻璃外壳的封闭端，封闭端密封在灯管的端部，开口端伸入灯管

示意图

为灯牌供电的高压电是由变压器提供的，变压器将240伏的电压转换为15000伏，霓虹灯牌的电流额定值为30-60毫安，而变压器的电流大小通常是该值的两倍

变压器通过GTO导线连接到灯牌上的电极上，这种导线的绝缘电压至少为7500伏，它还用于串联连接照明管的各个部分

GTO导线

导线通过一个由硼硅酸盐玻璃制成的绝缘外壳连接到变压器，外壳的一端有弹簧连接，变压器和晶闸管从单独的制造商处购买，并由霓虹灯牌制造商安装

灯牌制作

制造霓虹灯牌手工过程居多，包括弯曲玻璃管和连接电极，清除玻璃管内的杂质然后排出空气并添加气体等过程

示意图

长玻璃管清洗后垂直放置在涂层机中，机器会将液体磷粉悬浮液向上吹入管中，然后让其从底部排出

接着这些玻璃管会垂直放置在烘干涂层的烤箱中，如果用氖气填充以形成红橙光或用氩气来形成蓝光的玻璃管则只需要保持透明即可

根据不同需求选择各种颜色的玻璃管

灯牌的设计在耐热石棉板上进行，在这个过程中会使用各种燃烧器小心加热和软化玻璃管，根据石棉模板上的设计，用手弯曲玻璃管，操作工人在进行弯管操作时不戴防护手套，因为他们需要感觉到玻璃中的传热和软化程度，以确定进行弯管的正确时机

弯管后比对设计

大多数大型霓虹灯牌都是由几段玻璃管制成的，每个组件长度2.4-3.1米已经是极限长度，为了制作各个组件，常常需要将两段管子的末端加热并拼接在一起

当一个部分的字体或图案的形状已经形成时，一个电极会被加热并熔合在两端，同时增加了一个称为管道的小端口，以便用真空泵排空管道，该管端口可以是其中一个电极的一部分，也可以是连接到管道中的独立件

一个电极会被加热并熔合

该管端口可以是其中一个电极的部分

一个被称为“bombarding”（轰击）的过程被用来去除玻璃、荧光粉和电极上的杂质，首先，排出管道内的空气，真空度达到一定水平后，将干燥空气返回玻璃管，直到压力在0.5-1.0毫米汞柱的范围内，玻璃管越长，压力可能就越低

接着将电流变压器连接到电极上，对于通常可在30毫安下运行的管段，400-750毫安即可用于轰击过程，高强度电流会将玻璃加热至约216°C，金属电极加热至约760°C，这种加热会迫使杂质从材料中排出，这个时候真空泵就可以将杂质带出系统

示意图

玻璃管冷却后，便在低压下注入气体，注入的气体必须不含杂质，以使灯牌正常工作并具有较长的工作寿命

完成的充气的玻璃管还需要经过老化处理，有时这个过程也被称为“管内燃烧”，其目的是使管内气体稳定并正常运行

通常额定电流略高于正常工作电流的变压器会连接在电极上，如果使用氖气，灯管应在15分钟内完全照明，而氩可能需要几个小时

如果要将少量汞添加到氩气管中，在密封管口之前，首先要将液滴放入管口，然后，液滴从一端滚动到另一端，以在老化过程后覆盖电极

汞加入管中

最后

从安全的角度讲，霓虹灯不具备优势，其启辉电压太高，身大笨重，而从清洁环保的角度讲，耗电，制作中污染环境，换下来更污染

所以现在已经逐渐被LED取代，LED光源，轻便，节能，光电转换敏捷，图谱丰富，可显示影像，能看电影，能放电视，无处不显示强大的优势

时代在发展，社会在进步，也是时候向前看了

https://neon-artists.com/neon-history

https://www.thechemicalengineer.com/features/cewctw-carl-von-linde-and-william-hampson-cool-inventions/

http://www.madehow.com/Volume-2/Neon-Sign.html