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Wird eine hohe Spannung zwischen dem Metallgitter vorne (Anode) und einer Zahl (der Kathode) angelegt, ionisiert Neongas um die Kathode. Dies führt zum Leuchten der Zahl mit dem charakteristischen Orange.
Obwohl die Spannung recht hoch ist, ist die fliessende Strommenge sehr klein. Daher verbrauchen die Uhren nur wenig Leistung und erzeugen fast keine Wärme. Die Röhren werden nicht heiss und fühlen sich nur warm an. Es handelt sich um ein leuchten und nicht um ein Glühen.
Die häufigste Röhre hat zehn Kathoden für die Zahlen 0 bis 9. Beobachtet man Nixie Röhren genau, sieht man, dass die aus Blech gefertigten Zahlen hintereinander angeordnet sind.
Nur die Zahl, die unter unter Spannung gesetzt wird, leuchtet. Die übrigen Zahlen bleiben kaum sichtbar.
Weil es sich um ein Scheinen und nicht um ein Glühen handelt, nutzen sich Nixie Röhren nicht ab. Über die Lebensdauer von Nixie Röhren gibt es keine verlässlichen Informationen. Sie kann Jahrzehnte betragen.
Nixie Röhren haben keine Dichtungen. Die Verbindungsdrähte bzw. Stifte sind in das Glas der Röhren eingeschmolzen und entsprechend dicht. Enthaltenes Neon kann nicht entweichen.
Heute in Nixie Uhren eingebaute Röhren werden in alten Lager gefunden oder aus gebrauchten Geräten ausgebaut. Üblicherweise sind die in Nixie Uhren eingebauten Röhren etwa etwa 40 Jahre alt. Bestände von Nixie Röhren sind schwer zu beschaffen und recht teuer. Es handelt sich um Raritäten.
Nixieclocks.ch baut gegenwärtig ungebrauchte Nixie Röhren ein.