Газовая мантия накаливания , газовая мантия или мантия Вельсбаха — это устройство, генерирующее яркий белый свет лампы накаливания при нагревании пламенем. Название отсылает к первоначальному источнику тепла в газовых фонарях , которые освещали улицы Европы и Северной Америки в конце 19 века. Мантия — это то, как она висит над пламенем, как плащ. Газовые колпаки также использовались в переносных походных фонарях , фонарях под давлением и некоторых масляных лампах. [1]
Газовые мантии обычно продаются в виде тканевого мешка, который из-за пропитки нитратами металлов сгорает, оставляя жесткую, но хрупкую сетку из оксидов металлов при нагревании во время первоначального использования; эти оксиды металлов излучают свет за счет тепла пламени при каждом использовании. Диоксид тория обычно был основным компонентом; будучи радиоактивным , он вызвал опасения по поводу безопасности тех, кто занимается производством мантий. Однако нормальное использование представляет минимальный риск для здоровья. [ нужна цитата ]
Мантия представляет собой тканевый мешок примерно грушевидной формы, сделанный из шелка, искусственного шелка на основе рами или вискозы . Волокна пропитаны солями металлов; при первом нагревании мантии в пламени волокна сгорают за секунды, а соли металлов превращаются в твердые оксиды, образуя хрупкую керамическую оболочку по форме исходной ткани. Мантия ярко светится в видимом спектре , излучая при этом мало инфракрасного излучения. Оксиды редкоземельных элементов ( церия ) и актинидов ( тория ) в мантии имеют низкую излучательную способность в инфракрасном диапазоне (по сравнению с идеальным черным телом ), но имеют высокую излучательную способность в видимом спектре . Есть также некоторые свидетельства того, что излучение усиливается за счет кандолюминесценции — излучения света продуктами сгорания до того, как они достигнут теплового равновесия. [2] Сочетание этих свойств дает мантию, которая при нагревании пламенем керосина или сжиженного нефтяного газа излучает интенсивное излучение, которое в основном представляет собой видимый свет, с относительно небольшой энергией в нежелательном инфракрасном диапазоне, что увеличивает светоотдачу.
Мантия способствует процессу горения, сохраняя небольшое пламя и удерживая его при более высоких скоростях потока топлива, чем в простой лампе. Концентрация горения внутри мантии улучшает передачу тепла от пламени к мантии. Оболочка дает усадку после того, как весь тканевый материал сгорел во время установки, оставив после первого использования очень хрупкую оболочку из оксида керамики.
На протяжении веков искусственный свет создавался с помощью открытого огня. Limelight был изобретен в 1820-х годах, но температура, необходимая для получения видимого света только за счет излучения черного тела, была слишком высокой, чтобы ее можно было использовать на практике для небольших источников света. В конце 19 века несколько изобретателей пытались разработать эффективную альтернативу, основанную на нагреве материала до более низкой температуры, но с использованием излучения дискретных спектральных линий для имитации белого света.
Во многих ранних попытках использовалась платино - иридиевая сетка, пропитанная нитратами металлов , но они не увенчались успехом из-за высокой стоимости этих материалов и их плохой надежности. Первой эффективной мантией стала корзина Кламонда 1881 года, названная в честь ее изобретателя. Это устройство было изготовлено из матрицы оксида магния , которую не нужно было поддерживать каркасом из платиновой проволоки, и выставлялось на выставке Хрустального дворца 1883 года.
Современная газовая мантия была одним из многих изобретений Карла Ауэра фон Вельсбаха , химика , изучавшего редкоземельные элементы в 1880-х годах и бывшего ученика Роберта Бунзена . Игнац Крейдль работал с ним над его ранними экспериментами по созданию мантии Вельсбаха. В его первом процессе использовалась смесь 60% оксида магния , 20% оксида лантана и 20% оксида иттрия , которую он назвал «Актинофор» и запатентовал в 1887 году (15 марта 1887 года, патент США № 359,524). Эти оригинальные мантии излучали зеленый свет и не имели большого успеха. Первая компания Вельсбаха открыла завод в Ацгерсдорфе в 1887 году, но он обанкротился в 1889 году. В 1889 году Вельсбах получил свой первый патент с упоминанием тория (5 марта 1889 г., патент США № 399,174). В 1891 году он усовершенствовал новую смесь, состоящую из 99% диоксида тория и 1% диоксида церия , которая давала гораздо более белый свет и создавала более прочную мантию. После коммерческого внедрения этой новой мантии в 1892 году она быстро распространилась по Европе. Газовый кожух оставался важной частью уличного освещения до широкого внедрения электрического освещения в начале 1900-х годов. [3]
Для изготовления мантии хлопок ткут или вяжут в сетчатый мешок, пропитывают растворимыми нитратами выбранных металлов и затем транспортируют к месту назначения. Пользователь устанавливает мантию, а затем сжигает ее, чтобы удалить хлопковый мешок и превратить нитраты металлов в нитриты, которые сливаются вместе, образуя твердую сетку. По мере продолжения нагрева нитриты окончательно разлагаются на хрупкую сетку твердых оксидов с очень высокими температурами плавления.
Ранние мантии продавались в ненагретом виде из хлопчатобумажной сетки, поскольку оксидная структура после нагревания была слишком хрупкой, чтобы ее можно было легко транспортировать. Мантия принимает свою рабочую форму, когда хлопок сгорает при первом использовании. Первоначально неиспользованные мантии нельзя было хранить очень долго, потому что хлопок быстро гнил из-за коррозионной природы кислых нитратов металлов. Позже проблему кислотной коррозии металла решили, пропитав мантию раствором аммиака для нейтрализации избытка кислоты.
Позже мантии стали делать из пушечного хлопка ( нитроцеллюлозы ), который можно производить с чрезвычайно тонкими нитями по сравнению с обычными хлопчатобумажными нитями. Перед первым использованием их пришлось превратить обратно в целлюлозу путем погружения в сульфид аммония, поскольку пороховая вата легко воспламеняется и может быть взрывоопасной. Позже было обнаружено, что хлопчатобумажную мантию можно достаточно укрепить, окунув ее в раствор коллодия, чтобы покрыть ее тонким слоем, который сгорит при первом использовании мантии.
У мантий есть крепежная нить, которой можно прикрепить их к светильнику. До тех пор, пока асбест не был запрещен из-за его канцерогенности , использовалась асбестовая нить. В современных мантиях используется проволока или нить из керамического волокна.
Торий радиоактивен и в качестве одного из продуктов своего распада выделяет радиоактивный газ радон -220 . Более того, при нагревании до раскаленного состояния торий улетучивает свои врастающие радиодочерние элементы , особенно радий -224. Несмотря на очень короткий период полураспада, радий быстро восполняется за счет своего радиородителя (тория-228), и каждый новый нагрев мантии до накаливания высвобождает в воздух новую порцию радия-224. Этот побочный продукт можно вдыхать, если мантию используют в помещении, и он вызывает внутреннюю радиотоксичность альфа-излучателя . Вторичные продукты распада тория включают радий и актиний . Из-за этого возникают опасения по поводу безопасности ториевых мантий. Вместо этого Австралийское агентство по радиационной защите и ядерной безопасности рекомендует использовать мантии, изготовленные из иттрия. [4]
Исследование, проведенное в 1981 году, показало, что доза от использования ториевой мантии каждые выходные в течение года составит 3–6 микрозивертов (0,3–0,6 мбэр ), что крошечно по сравнению с нормальной годовой дозой фонового излучения , составляющей около 2,4 мЗв (240 мбэр). хотя это предполагает, что торий остается неповрежденным, а не находится в воздухе. Человек, фактически проглотивший мантию, получил бы дозу 2 мЗв (200 мбэр). [5] [6] Однако радиоактивность является серьезной проблемой для людей, занимающихся производством мантий, а также проблемой загрязнения почвы вокруг некоторых бывших заводских площадок. [7]
Одной из потенциальных причин для беспокойства является то, что частицы из ториевой газовой мантии со временем «выпадают» и попадают в воздух, где они могут попасть в пищу или питье. Эти частицы также могут попадать в дыхательные пути и оставаться в легких или печени, вызывая долговременное воздействие, превышающее риск фонового излучения. Также вызывает беспокойство выброс содержащей торий пыли в случае разрушения мантии из-за механического воздействия.
Все эти проблемы привели к использованию альтернатив в некоторых странах, обычно иттрия или иногда циркония , хотя они обычно либо более дороги, либо менее эффективны. Проблемы безопасности стали предметом федерального иска против Coleman Company ( Вагнер против Коулмана ), которая первоначально согласилась разместить предупреждающие надписи на мантиях в связи с этой проблемой, а впоследствии перешла на использование иттрия. [6] [8]
В июне 2001 года Комиссия по ядерному регулированию США опубликовала исследование « Систематическая радиологическая оценка исключений для исходных материалов и побочных продуктов» , [9] в котором говорится, что радиоактивные газовые мантии совершенно законны в США. [10]