Введение

Электрифицированные светящиеся трубчатые лампы.

В индустрии вывесок неоновые знаки – это электрические вывески, освещаемые длинными светящимися газоразрядными трубками, содержащими разреженный неон или другие газы. Это наиболее распространенное применение неонового освещения, которое впервые было продемонстрировано в современном виде в декабре 1910 года Жоржем Клодом на Парижском автосалоне. Хотя неоновые знаки используются во всем мире, они были особенно популярны в Соединенных Штатах примерно с 1920-х по 1950-е годы. Инсталляции на Таймс-сквер, многие из которых первоначально были спроектированы Дугласом Ли, были широко известны, и к 1940 году насчитывалось почти 2000 небольших мастерских, производящих неоновые вывески. Помимо вывесок, неоновое освещение часто используется художниками и архитекторами, а также (в модифицированной форме) в плазменных панелях и телевизорах. В последние несколько десятилетий индустрия вывесок пришла в упадок, и сейчас города обеспокоены сохранением и реставрацией своих старинных неоновых вывесок. Массивы светодиодов можно формировать и покрывать светорассеивателем для имитации внешнего вида неоновых ламп.

История

Неоновая вывеска является эволюцией более ранней трубки Гейслера, представляющей собой герметичную стеклянную трубку, содержащую "разреженный" газ (давление газа в трубке значительно ниже атмосферного). При подаче напряжения на электроды, введенные в стекло, возникает электрический свечение. Трубки Гейслера были популярны в конце XIX века, и различные цвета, которые они излучали, были характеристикой газов внутри. Они не подходили для общего освещения, поскольку давление газа внутри обычно снижалось по мере использования. Непосредственным предшественником неоновой лампы была лампа Мура, которая использовала азот или углекислый газ в качестве люминесцентного газа и запатентованный механизм поддержания давления. Трубы Мура продавались для коммерческого освещения в течение нескольких лет в начале 1900-х годов. Открытие неона в 1898 году британскими учеными Уильямом Рамзаем и Моррисом Трэверсом включало наблюдение яркого красного свечения в трубках Гейслера. Трэверс писал: «Вспышка багряного света из трубки сама рассказала свою историю и была зрелищем, которое стоит запомнить и никогда не забыть». Вывеска, созданная Перли Г. Наттингом и отображающая слово «неон», могла быть показана на Всемирной выставке в Сент-Луисе в 1904 году, хотя это утверждение оспаривается; в любом случае, нехватка неона помешала бы разработке осветительного продукта. После 1902 года компания Жоржа Клода во Франции, Air Liquide, начала производить промышленные количества неона, по сути, как побочный продукт своего бизнеса по сжижению воздуха. Эта демонстрация осветила перистиль Гран-Пале (большой выставочный зал). Партнер Клода, Жак Фонсек, понял возможности для бизнеса, основанного на вывесках и рекламе. К 1913 году в Париже в ночном небе появилась большая вывеска с вермутом «Cinzano», а к 1919 году вход в Парижскую оперу был украшен неоновым освещением. Первые две вывески были проданы дилерству автомобилей Packard в Лос-Анджелесе. Эрл К. Энтони приобрел две вывески с надписью «Packard» по 1250 долларов за штуку. Возможно, старейшая сохранившаяся неоновая вывеска в Соединенных Штатах, до сих пор используемая по своему первоначальному назначению, — это вывеска «Theatre» (1929) в Lake Worth Playhouse в Lake Worth Beach, штат Флорида. Следующим крупным технологическим новшеством в неоновом освещении и вывесках стала разработка флуоресцентных покрытий для трубок. Жак Рисслер получил французский патент на них в 1926 году. Неоновые вывески изготавливаются путем ручной гибки стеклянных трубок в различные формы. Работник, владеющий этим мастерством, известен как стеклодув, неоновый стеклодув или трубогиб. Неоновая трубка изготавливается из прямых отрезков полых стеклянных трубок длиной 4 или 5 футов, которые поставщики вывесок продают неоновым мастерским по всему миру, где они вручную собираются в индивидуальные лампы, разработанные и изготовленные на заказ. Чаще всего используются трубки с внешним диаметром от 8 до 15 мм с толщиной стенки 1 мм, хотя трубки из цветного стекла диаметром 6 мм теперь доступны в продаже. Труба нагревается по секциям с использованием различных типов горелок, которые выбираются в зависимости от количества стекла, которое необходимо нагреть для каждого изгиба. Эти горелки включают ленточные, пушечные или перекрестные горелки, а также различные газовые горелки. Ленточные горелки представляют собой полосы пламени, которые создают плавные изгибы, в то время как перекрестные горелки используются для создания резких изгибов. Внутренняя поверхность трубок может быть покрыта тонким слоем флуоресцентного порошка, прикрепленного к внутренней стенке трубки связующим материалом. Труба заполняется очищенной газовой смесью, и газ ионизируется высоким напряжением, подаваемым между концами герметичной трубки через холодные катоды, приваренные к концам. Цвет света, излучаемого трубкой, может быть обусловлен как газом, так и слоем люминофора. Различные секции трубок, покрытые люминофором, могут быть сварены вместе с помощью стеклодувных горелок, чтобы сформировать одну трубку разных цветов, например, для вывески, где каждая буква отображает букву другого цвета в одном слове. «Неон» используется для обозначения общего типа лампы, но неон является лишь одним из газов, используемых в коммерческих целях. Чистый неон используется для получения лишь около трети цветов (в основном оттенков красного и оранжевого, а также некоторых более теплых или интенсивных оттенков розового). Наибольшее количество цветов (включая все оттенки синего, желтого, зеленого, фиолетового и белого, а также некоторые более холодные или мягкие оттенки розового) получается при заполнении другим инертным газом, аргоном, и добавлением капли ртути (Hg) в трубку сразу после очистки. При ионизации трубки электричеством ртуть испаряется в пары ртути, которые заполняют трубку и производят сильное ультрафиолетовое излучение. Ультрафиолетовый свет, в свою очередь, возбуждает различные флуоресцентные покрытия, предназначенные для получения разных цветов. Даже если к этому классу неоновых ламп не добавляется неон, они все равно называются «неоновыми». Ртутьсодержащие лампы являются разновидностью холоднокатодный люминесцентных ламп. Каждый тип неоновой трубки производит два различных цвета, один с неоном, а другой с аргоном/ртутью. Некоторые «неоновые» трубки изготавливаются без флуоресцентных покрытий для некоторых цветов. Прозрачная трубка, заполненная неоном, производит повсеместный желто-оранжевый цвет с четко видимым внутренним плазменным столбом и является самой дешевой и простой в изготовлении трубкой. Традиционное американское неоновое стекло, которому более 20 лет, изготавливается из свинцового стекла, которое легко размягчается в газовых горелках, но недавние опасения по поводу здоровья и окружающей среды работников побудили производителей искать более экологически безопасные специальные составы мягкого стекла. Одной из проблем, которых удалось избежать таким образом, является склонность свинцового стекла к образованию черного пятна, выделяющего пары свинца в пламени, слишком богатом топливно-кислородной смесью. Другой традиционной линией стекла было цветное содо-известковое стекло, доступное в множестве цветов, которое производит самое высокое качество, гипнотически яркие и насыщенные оттенки. Еще больше цветовых вариантов предлагается путем нанесения или отсутствия покрытия этих цветных стекол различными доступными экзотическими люминофорами.

Долгий срок службы

Неоновые лампы исключительно долговечны благодаря своим ярким цветам и возможности изготавливать трубки, которые могут функционировать десятилетиями. Эта долговечность критически важна для их экономической целесообразности, учитывая трудоемкость процесса изготовления. Любопытно, что трубки меньшего диаметра производят более яркий неон, но при этом обладают более высоким сопротивлением. Главная причина выхода неоновой лампы из строя – медленное поглощение неона стенками стекла, однако даже этот процесс может занять более 50 лет. Такой длительный срок службы делает неоновые лампы идеальным решением для архитектурного освещения в жилых помещениях, где их можно формовать для установки в труднодоступные места и обеспечивать многолетнее освещение.

Согнутие труб

Неоновые вывески создают, сгибая нагретые стеклянные трубки по заданному шаблону. Для поддержания формы трубки и предотвращения перегрева отдельных участков используют надувной шланг. Изгибы – сложная задача, требующая быстрой работы, пока стекло не остыло. Ошибки досадны, так как могут потребовать начать все заново. Трубки сваривают, откачивают и заполняют ртутью. Любая ошибка после заполнения означает, что всю конструкцию придется выбросить, поскольку пары ртути опасны. Готовые трубки соединяют последовательно, обеспечивая надежную изоляцию для защиты от повреждений.

Бомбардировки

На каждый конец трубки, когда она закончена, приваривается (или припаивается) холодный катодный электрод. Полые электроды традиционно также изготавливаются из свинцового стекла и содержат небольшую металлическую оболочку с двумя выходящими через стекло проводами, к которым впоследствии подключается проводка вывески. Все сварные швы и герметичные соединения должны быть герметичными при высоком вакууме перед дальнейшей обработкой. Трубка присоединяется к коллектору, который затем подключается к высококачественному вакуумному насосу. Затем из трубки откачивается воздух до достижения вакуума в несколько торр. Откачка приостанавливается, и через воздух низкого давления в трубке, между электродами, пропускается высокий ток (в процессе, известном как "бомбардировка"). Этот ток и напряжение значительно превышают уровни, возникающие при нормальной работе трубки. Величина тока зависит от используемых электродов и диаметра трубки, но обычно находится в диапазоне от 150 до 1500 мА, начиная с низких значений и постепенно увеличиваясь к концу процесса, чтобы обеспечить достаточный нагрев электродов без плавления стеклянной трубки. Ток бомбардировки обеспечивается мощным трансформатором с напряжением холостого хода примерно от 15 000 до 23 000 В переменного тока. Трансформатор бомбардировки действует как регулируемый источник постоянного тока, а фактическое напряжение во время работы зависит от длины и давления в трубке. Обычно оператор поддерживает давление максимально высоким, насколько это позволяет установка бомбардировки, для обеспечения максимальной диссипации мощности и нагрева. Трансформаторы бомбардировки могут быть изготовлены специально для этой цели или могут быть переоборудованы из распределительных трансформаторов электросетей (таких, как устанавливаются на столбах) с обратной полярностью для получения высокого выходного напряжения. Эта очень высокая диссипация мощности нагревает стеклянные стенки трубки до температуры в несколько сотен градусов Цельсия, и вся грязь и примеси внутри удаляются в газообразном состоянии вакуумным насосом. Наибольшее количество удаляемых таким образом примесей – это газы, покрывающие внутреннюю стенку трубки в результате адсорбции, в основном кислород, углекислый газ и, особенно, водяной пар. Ток также нагревает металл электрода до температуры выше 600 °C, создавая яркий оранжевый цвет накаливания. Катоды представляют собой предварительно изготовленные полые металлические оболочки с небольшим отверстием (иногда с керамическим дольчатым апертурным отверстием), содержащие на внутренней поверхности оболочки тонкий слой порошка холодных катодов с низкой работой выхода (обычно порошкообразную керамическую эвтектическую смесь, включающую BaCO2), в сочетании с другими оксидами щелочноземельных металлов, которые при нагревании до примерно 500 градусов по Фаренгейту восстанавливаются до BaO2 и снижают работу выхода электрода для катодной эмиссии. Оксид бария имеет работу выхода примерно 2 эВ, в то время как вольфрам при комнатной температуре – 4,0 эВ. Это представляет собой катодное падение или энергию электрона, необходимую для удаления электронов с поверхности катода. Это позволяет избежать необходимости использования термоэлектрического катода с горячей проволокой, как в обычных люминесцентных лампах. И по этой причине неоновые трубки имеют очень длительный срок службы при правильной обработке, в отличие от люминесцентных ламп, поскольку в них нет нити накаливания, как в люминесцентной лампе, которая может перегореть, как обычная лампочка. Основная цель этой процедуры – очистить внутреннюю часть трубки перед ее герметизацией, чтобы при эксплуатации эти газы и примеси не выделялись и не высвобождались плазмой и выделяемым теплом в герметизированную трубку, что быстро привело бы к выгоранию металлических катодов и капель ртути (если трубка заполнена аргоном/ртутью), окислению внутренних газов и немедленному выходу трубки из строя. Чем тщательнее очищена трубка, тем дольше и стабильнее она будет работать. После того, как эти газы и примеси высвобождаются в процессе предварительной бомбардировки внутри трубки, они быстро откачиваются насосом. Трубка, все еще подключенная к коллектору, охлаждается во время откачки до самого низкого давления, которое может достичь система. Затем она заполняется до низкого давления в несколько торр (миллиметров ртутного столба) одним из благородных газов или их смесью, а иногда и небольшим количеством ртути. Это давление газа составляет примерно 1/100 часть атмосферного давления. Требуемое давление зависит от используемого газа и диаметра трубки, оптимальные значения составляют от (для длинной 20-мм трубки, заполненной аргоном/ртутью) до (для короткой 8-мм трубки, заполненной чистым неоном). Неон или аргон – наиболее часто используемые газы; криптон, ксенон и гелий используются художниками для специальных целей, но не используются отдельно в обычных вывесках. Предварительно смешанная смесь аргона и гелия часто используется вместо чистого аргона, когда трубка должна быть установлена в холодном климате, поскольку гелий увеличивает падение напряжения (и, следовательно, диссипацию мощности), быстрее нагревая трубку до рабочей температуры. Неон светится ярко-красным или красно-оранжевым цветом при включении. При использовании аргона или аргона/гелия добавляется крошечная капля ртути. Аргон сам по себе светится очень тусклым бледно-лавандовым цветом при включении, но капля ртути заполняет трубку парами ртути при герметизации, которые затем излучают ультрафиолетовый свет при электрификации. Это ультрафиолетовое излучение позволяет готовым аргон/ртутным трубкам светиться различными яркими цветами, когда трубка покрыта изнутри ультрафиолеточувствительными люминофорами после изгиба.

Неоновые трубки, обработанные термически

Также использовался альтернативный способ обработки готовых неоновых трубок. Поскольку единственная цель электрической бомбардировки – очистка внутренней поверхности трубок, можно также изготовить трубку, нагревая её внешне с помощью горелки или печи, одновременно нагревая электрод с помощью катушки радиочастотного индукционного нагрева (RFIH). Хотя этот метод менее производителен, он позволяет получить более чистую трубку индивидуального изготовления со значительно меньшим повреждением катода, увеличенным сроком службы и яркостью, а также производить трубки очень малых размеров и диаметров, вплоть до 6 мм наружного диаметра. Трубка тщательно нагревается под высоким вакуумом без внешнего электрического воздействия, до тех пор, пока не станет видно, что выделяющиеся газы полностью удалены, и давление снова опустится до высокого вакуума. Затем трубку заполняют, герметизируют и добавляют ртуть, которую встряхивают.

Электрическая проводка

Готовые стеклянные элементы освещаются либо трансформатором для неоновых вывесок, либо импульсным источником питания, обычно работающим при напряжениях от 2 до 15 кВ и токах от 18 до 30 мА (более высокие токи доступны по специальному заказу). Эти источники питания работают как источники постоянного тока (высоковольтный источник питания с очень высоким внутренним сопротивлением), поскольку у лампы отрицательный характерный электрический импеданс. Стандартные таблицы для ламп, разработанные в первые годы развития неона, до сих пор используются для определения давления газа (Ne или Hg/Ar) в зависимости от длины лампы в футах, ее диаметра и напряжения трансформатора. Стандартный традиционный неоновый трансформатор – трансформатор с магнитным шунтом – представляет собой специальный нелинейный тип, предназначенный для поддержания напряжения на лампе на уровне, необходимом для обеспечения заданного постоянного тока. Падение напряжения на лампе пропорционально ее длине, поэтому максимальное напряжение и длина лампы, подключаемой к данному трансформатору, ограничены. Обычно напряжение под нагрузкой падает примерно до 800 В переменного тока при максимальном токе. Ток короткого замыкания примерно равен этому значению.

Защита и покрытие

Для затемнения отдельных участков трубки, например, между буквами слова, можно использовать специальную высоконепрозрачную черную или серую стеклянную краску. В большинстве серийно выпускаемых недорогих вывесок сегодня прозрачные стеклянные трубки покрываются полупрозрачной краской для получения цветного света. Это позволяет получать несколько различных цветов из одной светящейся трубки экономичным способом. Со временем высокие температуры, температурные колебания или воздействие погодных условий могут привести к отслаиванию цветного покрытия от стекла или изменению его оттенка. Более дорогостоящей альтернативой является использование высококачественных цветных стеклянных трубок, которые сохраняют более стабильный внешний вид с течением времени.

Приложения

Светоизлучающие трубки формируют цветные линии, на которых можно писать текст или рисовать изображения, включая различные декоративные элементы, особенно в рекламе и коммерческих вывесках. Путем программирования последовательности включения и выключения отдельных участков можно создавать множество динамических световых эффектов, формирующих анимированные изображения. В некоторых областях применения неоновые лампы все чаще заменяются светодиодами, что обусловлено постоянным повышением светоотдачи светодиодов и снижением стоимости светодиодов высокой яркости. Однако сторонники неоновой технологии утверждают, что она по-прежнему обладает значительными преимуществами перед светодиодами. Неоновое освещение ценно для вызова ностальгии по 1940-м и 1950-м годам в маркетинге, а также при исторической реставрации архитектурных памятников эпохи неона. Архитектура в стиле стримлайн-модерн часто использовала неон для акцентирования структурного пигментированного стекла, встроенного в фасад зданий 1930-х и 1940-х годов; многие из этих зданий теперь могут быть включены в исторические реестры, такие как Национальный реестр исторических мест США, при условии сохранения их исторической подлинности.